【摘要】：我國煤礦煤巖動力災(zāi)害非常嚴(yán)重。隨著開采深度的不斷增加,煤巖動力災(zāi)害日趨嚴(yán)重及復(fù)雜,對深部資源的安全高效開采造成重大影響。微震監(jiān)測技術(shù)作為一種在煤礦中廣泛應(yīng)用的地球物理監(jiān)測手段,在礦震及沖擊地壓的震源定位和能量分析、沖擊地壓演化過程以及監(jiān)測預(yù)警等方面能發(fā)揮重要作用。然而,煤系地層非均質(zhì)性強且多變,波場結(jié)構(gòu)復(fù)雜,微震定位精度和穩(wěn)定性難以滿足現(xiàn)場需求,國內(nèi)外對煤礦微震震源參數(shù)及震源破裂機(jī)理缺乏深入系統(tǒng)的研究。本文采用實驗室實驗、理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗驗證等方法,以復(fù)雜煤巖介質(zhì)條件下波場傳播特征為切入點,深入研究基于高精度震源定位的震源參數(shù)和震源破裂機(jī)理,并進(jìn)行現(xiàn)場驗證與應(yīng)用。論文得到的主要研究成果如下:針對煤系地層復(fù)雜波場結(jié)構(gòu),基于聲波方程的空間域4階、時間域2階高階有限差分法,對各種復(fù)雜煤巖介質(zhì)條件下的波場傳播特征(波場快照和單炮記錄)進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明:在不同的介質(zhì)分界層產(chǎn)生的反射波、透射波以及各種轉(zhuǎn)換波的形狀都不同;在斷層處會形成一個新的震源并產(chǎn)生折射波和繞射波;在雙相介質(zhì)中會產(chǎn)生慢P波和慢S波;在隨機(jī)離散介質(zhì)下,會產(chǎn)生復(fù)雜的散射波。為引入震源聯(lián)合定位法和求取震源參數(shù)(尤其是品質(zhì)衰減因子Q)打下基礎(chǔ)。提出了單純形和雙差聯(lián)合微震定位方法,對煤礦現(xiàn)場微震震源位置進(jìn)行了校正,提高了震源定位的精度。結(jié)果表明:單純形和雙差聯(lián)合定位法給出的爆破事件的震源定位誤差控制在20m以內(nèi),事件殘差控制在15ms以內(nèi),驗證了聯(lián)合定位法的精度;通過聯(lián)合定位法對煤礦微震事件重定位后的均方根殘差由1.35s降到0.62s,震源定位精度提高,該方法有效地減少了地殼速度結(jié)構(gòu)模型不精確導(dǎo)致的誤差,保證了震源定位和求取震源參數(shù)的精度�；讦貇2模型,系統(tǒng)地分析了實驗室小尺度煤巖體破裂和煤礦微震的震源參數(shù)(拐角頻率f_0、品質(zhì)衰減因子Q、震源能量E、地震矩M_0、震源半徑R、應(yīng)力降△ζ、視應(yīng)力ζa)和震級,揭示了震源大小和應(yīng)力狀態(tài)等震源性質(zhì)及震源參數(shù)隨地震矩的變化特征。結(jié)果表明:小尺度破裂的震源參數(shù)f0和ζa隨M_0的增加線性減小,震源參數(shù)R和E隨M_0的增加線性增加,△ζ整體上圍繞著某一個值上下波動;老虎臺煤礦微震的震源參數(shù)f_0隨M_0的增加線性減小,震源參數(shù)R、E和△ζ隨M_0的增加線性增加,但是△ζ與M_0的線性關(guān)系較弱,ζa幾乎圍繞某一值上下波動,而且老虎臺煤礦微震的f_0和△ζ值明顯小于天然地震對應(yīng)震源參數(shù)的值。研究了小尺度破裂和煤礦微震的震源破裂機(jī)制、破裂尺度和破裂面上的滑動分布,揭示了震源破裂機(jī)理。結(jié)果表明:通過矩張量反演法反演出的震源沙灘球,清楚地判別了小尺度破裂和煤礦微震震源破裂存在的剪切破壞、剪切張拉破壞和剪切擠壓破壞特征。根據(jù)建立的震源破裂尺度與矩震級的關(guān)系式求取了震源的破裂面積、長度、寬度和滑動分布,對震源的破裂范圍進(jìn)行了系統(tǒng)地評價�；谇笕〉钠屏殉叨群蚹2滑動破裂模型得出了不同震級破裂事件的震源滑動分布,揭示了震源的滑動破裂過程。開發(fā)了“微震震源參數(shù)反演與震源破裂機(jī)理分析軟件”,實現(xiàn)了對微震監(jiān)測波形數(shù)據(jù)的自動處理、定位計算、震源參數(shù)反演及破裂機(jī)理分析。揭示了千秋煤礦沖擊地壓破壞的震源參數(shù)特征和機(jī)制,得到了4次沖擊地壓事件的震源破裂尺度和滑動分布數(shù)據(jù),結(jié)果與現(xiàn)場實際情況基本吻合。揭示了礦震破裂面上滑動大的區(qū)域容易誘發(fā)沖擊地壓,因此可基于破裂面上滑動分布,對沖擊地壓進(jìn)行有效的分區(qū)域防治。研究成果對于進(jìn)一步提高煤礦微震震源定位的精度、揭示礦震及沖擊地壓災(zāi)害震源破裂機(jī)理、準(zhǔn)確評價和預(yù)測沖擊地壓、有效防治沖擊地壓災(zāi)害具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TD326
【圖文】：

以推導(dǎo)處時間域 2 階空間域 4 階的波動方程有1, 1, . 1 , 1 2, 2, ,1, ,) (k k k k k k k m n m n m n m n m n m n m k km n m n U U U U U U U+ + + + + + + + ，其它符號意義同前。限差分法的不同煤巖介質(zhì)波場特征分Analysis of Different Coal and Rockte Difference Method）介質(zhì)模型波場模擬質(zhì)模型波場模擬層介質(zhì)模型，VP=1300m/s，VS=751m/s，ρ=1400 s，網(wǎng)格數(shù)為 1600×1600，模擬震源位置為（0,在 t=80ms 時的波場快照如圖 2-1 所示。

質(zhì)模型波場模擬層介質(zhì)模型，VP=1300m/s，VS=751m/s，ρ=1400s，網(wǎng)格數(shù)為 1600×1600，模擬震源位置為（0在 t=80ms 時的波場快照如圖 2-1 所示。圖 2-1 單層煤介質(zhì)（X 和 Y 分量）波場快照Wavefield snapshots of single layer coal media (X and Y看出，在單一均勻煤介質(zhì)模型中，震源在中心周傳播，P 波和 S 波的波前是一個同心圓，縱橫質(zhì)模型波場模擬

VP=3500m/s，VS=2021m/s，ρ=2600網(wǎng)格數(shù)為 1600×1600，模擬震源位置為（0, t=80ms 時波場快照如圖 2-2 所示。，單層巖介質(zhì)和單層煤介質(zhì)類似，同樣為單播，P 波和 S 波的波前也是一個同心圓，波層介質(zhì)的速度明顯大于煤層介質(zhì)，所以在相層模型中的傳播速度要明顯的大于單一均勻波場模擬型波場模擬模型 I模型 I，上層（（-800）~100）為煤層 VP=1~800）為巖層 VP=3500m/s，VS=2021m/s，ρ=2網(wǎng)格數(shù)為 1600×1600，模擬震源位置為（0, 子波頻率為 30Hz。此模型 I 在 t=80ms 時的照如圖 2-4 和 2-5 所示，單炮記錄如圖 2-6

本文編號：2777758