煤层顶板微震信号识别与定位方法

作     者：宋佳骏 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘盛东;刘静

授予年度：2021年

学科分类：081801[工学-矿产普查与勘探] 081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 

主      题：顶板微震事件识别 量子粒子群算法 射线追踪 微震定位 速度模型 

摘      要：随着华北矿区浅部易采资源枯竭,我国煤炭开采重心向煤炭资源丰富、煤层开采条件好的西部矿区转移,其成为我国名副其实的煤炭战略生产基地。而西部侏罗系煤层在开采过程中受其顶板砂岩孔隙-裂隙水害威胁,工作面回采形成的导水裂隙带可作为导水通道沟通上覆含水层造成工作面顶板突水事故,因此查明顶板导水裂隙带高度成为预防顶板突水事故的关键。在煤层采动过程中顶板岩层破裂会产生微震信号,在识别顶板微震信号的基础上对其进行反演定位,可以达到探查导水裂隙带高度的目的。因此开展顶板微震信号识别与定位研究对于预防工作面顶板突水事故具有重要意义。论文从微震信号的运动学和动力学出发,研究工作面顶板微震信号识别方法。在数值模拟中建立顶板-煤层-底板模型,利用子波震源模拟微震事件进而获取顶板微震信号和底板微震信号,分析其时距曲线差异、不同分量不同类型波的能量差异、频率差异,结果表明顶、底板的微震信号在时距曲线特征上差异明显,底板微震信号时距曲线存在明显上移特征;除Z分量P波信号外,不同分量不同类型波的能量、频率在顶板、底板微震信号之间有明显差异,且S波差异大于P波。保持顶板微震震源位置与检波器排列不变,在上述模型顶板加入煤层对比同一微震震源在穿过煤层后时距曲线、能量、频率的变化。以地震波传播的运动学规律、Fermat原理以及量子粒子群优化算法为基础形成基于QPSO的非线性逐段射线追踪方法。该方法可实现实验震源点与检波器同层、震源点位于检波器上层、震源点位于检波器下层三种情况的单独分析,并考虑到初至波为折射波的情况,从而准确得到试验震源点到所有检波器最短走时。文中利用四类水平层状模型、倾斜界面模型以及弯曲界面模型对比非线性逐段追踪与高阶有限差分算法获得的走时差,结果表明两者吻合性好,此射线追踪方法可应用于顶板微震事件定位中正演走时的计算。在上述正演走时计算方法基础上,构建基于量子粒子群算法的走时差定位方法。此方法根据目标函数的不同可分为P波走时差定位以及S-P波走时差定位,文中对两种目标函数下的定位误差以及反演位置的目标函数值进行了详细分析,结果说明包含丰富走时信息的S-P波走时差定位误差更小。另外,本文对影响定位精度的观测系统、初至拾取、速度模型进行了详细分析,针对初始速度模型不准确造成的定位误差问题,可利用标定炮进行速度校正,形成基于QPSO的速度模型校正方法。通过建立水平层状模型对算法可行性进行验证,结果表明校正后的速度模型与实际速度模型误差不超5%。论文最终将上述速度模型校正方法、正演走时计算方法以及走时差定位方法应用于实际工作面顶板的导水裂隙带高度探测上,其探测结果与网络并行电法监测结果吻合,表明其具备查明顶板导水裂隙带高度的能力,可为煤矿顶板水害事故的防治提供依据。