震波CT探测效果影响因素分析.docx
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震波震波CT探测效果影响因素分析探测效果影响因素分析分类号:
2011届本科生毕业论文题目:
震波CT探测效果影响因素分析院系、专业:
地球科学与工程学院、地质工程研究方向:
矿井物探学生姓名:
汤明学号:
2007100614指导教师姓名:
刘向红指导教师职称:
讲师2011年4月10日摘摘要要震波CT探测技术是一种物理前提条件很好、应用领域很广、发展前景很大的地球物理勘探新技术,近年来煤矿井下探测中更是取得很大的研究进展。
本次在淮北矿业集团朱仙庄矿进行的震波CT探测,利用了纵波波速异常,横波波速异常,以及泊松比异常,目的是查明工作面内的地质构造情况,为煤炭安全开采提供有利保障。
为了研究如何提高震波CT对面内构造的探测精度,本文主要从观测系统的设计,以及反演方法的选择上去研究。
关键词:
震波CT;采煤工作面;地质构造;纵波;横波;泊松比;观测系统ABSTRACTCTdetectiontechnologyshockisaphysicalprerequisiteforgoodapplicationsisverybroad,geophysicalexplorationanddevelopmentprospectsofgreatnewtechnologies,inrecentyearsinthecoalminedetectionresearchismadegreatprogress.TheinHuaibeiMiningGroupconductedZhuxianzhuangmineshockwaveCTdetection,useofthelongitudinalwavevelocityanomalies,shearwavevelocityanomalies,andPoissonsratioanomaly,aimedatidentifyingthegeologicalstructurefacethesituationofcoalminingtoprovideafavorablesafetyprotection.InordertostudyhowtoimprovetheseismicstructureoftheprobewithintheCTaccuracyoftheopposite,thispaperfromtheobservingsystemdesign,andupinversionmethodofchoice.Keywords:
SeismicCT;Coalface;Geologicalstructure;Longitudinalwave;transversewave;Poissonsratio目录摘要-1-ABSTRACT-2-1引言-5-1.1研究背景-6-1.2研究意义-6-1.3研究内容、思路及方法-7-2地震CT的基本原理以及分类-7-2.1基本原理-7-2.2地震CT成像方法的分类-8-3影响震波CT探测效果的因素及应对措施-8-3.1数据投影角度不全的问题-8-3.2数据不均匀覆盖-9-3.3参考模型引起的非线性误差问题-10-3.4边界作用-11-3.5数据的不确定性问题-11-3.6模型参数不同分量的不确定性不同的问题-11-4工程实例-13-4.1工作面概况-13-4.2探测技术方案-14-4.2.1探测的任务-14-4.2.2地球物理前提及探测方法选择-14-4.3探测布置及数据采集-15-4.3.1仪器设备-15-4.3.2探测布置-15-4.3.3数据采集-15-4.4地震数据处理-16-4.4.1处理方法及流程-16-4.4.2网格划分-16-4.4.3记录整理-17-4.4.4CT反演-17-4.5CT反演结果与解释-17-4.6综合地质解析分析-19-4.7结论和建议-22-5对震波CT探测技术的几点认识-22-5.1震波CT成像的基础理论问题-22-5.2震波CT在采煤工作面的应用特点-23-参考文献-24-致谢-26-震波CT探测效果影响因素分析汤明(宿州学院地理与环境科学系,安徽宿州234000)1引引言言震波CT即地震层析成像是地球物理学科的一个研究领域。
在地球物理学研究中勘探地球物理是一个青的学科,它起源于20世纪30年代.早期的地球物理勘探和地球物理方法从属于地质方法,即地质学家预测一个构造,地球物理学家用他们的原始的勘探技术去验证这一结构。
60年代,地球物理学家获得了地下二维数字记录,使得地球物理学家从野外回到了室内,为从数字记录中获得地下结构的图像开始了精细的数据处理与解释的研究。
80年代,随着计算机工作站的发展,数字处理技术从二维向三维迅速发展,地球物理学家可以清晰地看清地下结构的图像。
从而地球物理学完成了从受地质学驱使到驱动地质学发展的循环12(Russell,1999),即地球物理学家通过使用地球物理的数据采集技术、数字处理技术和可视化技术看清三维地下结构。
目前,勘探地球物理已经成为经济和生产领域的高技术之一。
20世纪60年代初期,美国科学家Cormack从数学和实验结果证实了根据X射线的投影可以唯一地确定人体内部结构,从而奠定了医学诊断上图像重建的理论基础,即X射线CT(XRayComputerTomography)。
60年代中期和70年代中期,随着数学图像重建方法在射电天文学和电子显微学等方面的应用和发展,在数学方法上出现了本质上与奥地利数学家1917年提出的Rndon逆变换方法相同的褶积投影方法,Chapman13首先从理论上证明了地震学中的-P变换即是Rndon变换(Chapman,1981)。
此后,地学界借助医学CT思想,利用地震波的传播对地壳乃至上地幔结构开始进行半定量研究.从此,地震层析成像成为地球物理学研究的一个新领域。
地震层析成像的研究在70年代首先以井间速度结构调查为研究对像14(Boisetal,1972)。
1979年,Dines和Lytle15首先对地震层析成像做了大量数值模拟,并公布了利用弯曲的地震波射线进行地下地震波速度成像的结果,并首先将层析成像(ComputerizedGeophysicalTomography)这一名词用于论文的标题。
1984年,美国的Anderson16利用天然地震数据着手全球构造研究,并公布了全球三维速度结构,从而使人们对重力场变化、密度结构、地幔物质流动有了新的认识。
80年代,地震层析成像发展到勘探地球物理学界,自从在亚特兰大(Atlanta)召开的第54届地球物理勘探学家协会(SEG(SocietyofExplorationGeophysicists)年会上设置了地震层析成像研究内容的专题之后,以Daily(1984),Somerstein17(1984),PrattandWorthington18(1984),Bishop19(1985)等人的研究为代表,利用人工地震发射与接收系统的地震层析成像理论、方法和技术以数值模拟的形式得到深入、广泛的研究。
90年代,不论是利用天然地震数据还是人工地震数据的地震层析成像方法在认识地球的基础研究领域以及在资源勘探、工程勘探、环境保护、文物调查、防灾减灾等许多应用领域都得到实验性研究并取得有效的进展。
1.1研究背景研究背景煤炭是中国重要的基础能源和重要原料,在国民经济中具有重要的战略地位。
煤炭在中国一次能源消费构成中的比例一直占以上,中国煤炭资源约占化石能源的。
因此,可以说煤炭是中国主体能源,是能源安全的基石。
煤炭的基础地位也就决定了,做好煤矿安全的重要性。
但是煤矿在生产过程中经常会遇到很多地质灾害,例如:
2010年3月1日神华集团乌海能源有限责任公司骆驼山煤矿发生特别重大透水事故,造成32人死亡、7人受伤,直接经济损失4853万元。
2010年3月28日,华晋焦煤有限责任公司王家岭矿在基建施工中发生透水事故,造成38人死亡、115人受伤,直接经济损失4937万元。
这些都是2010年发生的特大型矿难事故,伤亡人数较少的小矿难就更多了。
因此,加强地质灾害的预报对煤矿的安全生产有重要作用。
目前解决煤矿地质灾害预报经济高效的方法就是矿井物探,与钻探相比物探更经济且效率高。
物探的方法也很多,但是近几年在国内对预测断层等地质构造效果较好的是震波CT探测技术。
断层等地质构造及其异常是影响煤层安全高效开采的最主要的地质因素,其主要特征是使得煤层的稳定性、连续性、及倾角等发生较大变化,给煤矿综合机械采煤带来很大影响。
目前在矿井工作面中真正对生产影响最大的落差为35m的中小断层构造,这也是矿井地质工作研究的主要内容。
为了保证开采工作的顺利进行,通常需在工作面回采前利用各种探测手段,对工作面中地质条件进行探测与评价,查明工作面内已揭露和隐伏的断层构造是评价目标之一。
目前对采煤工作面中地质构造及异常的探测方法相对比较少,无线电波坑透方法往往受到电磁波衰减的影响较大,在工作面内的穿透距离有限,一般只有几十米,且解释的构造迹线不够明显。
地质雷达法同样遭受干扰因素较多,而且探测距离有限。
与此相比,井巷间地震波CT技术能够对地质构造行迹进行全面细致的判定,并能对煤层顶板稳定性、煤体破坏等特征进行解释,具有较好的应用价值1-2。
1.2研究意义研究意义在前人研究的基础上,继续研究影响震波CT探测效果的各种因素、造成影响的原因以及采取何种措施才能有效地避免或尽量减小这种影响。
知道了可能对探测效果会造成不好影响的因素后,在CT探测实施前做好炮点和检波点的设计、对巷道内的不利条件提前做好准备、仪器安装按照标准操作减小误差提高探测的精度,较为全面的掌握工作面内的地质信息,为煤矿的高效安全生产提供保障。
1.3研究内容、思路及方法研究内容、思路及方法本文主要从震波CT的观测系统的设计现场操作,以及反演方法的选择上来,提高震波CT的探测精度。
然而提高探测精度一般可以从前期的数据采集和后期的数据处理两个方面着手。
1.通过作对比实验分析观测系统各个因素的变化对探测效果的影响,确定最合适的观测系统,总结观测系统设计的一般原则,最终达到提高探测精度的目的。
2.分析数据反演成像中存在的一些问题,提出理论上可行的改进方法,在处理软件上进行调整,然后用调整后的软件处理数据,和以前的软件对比,分析处理效果。
最后以一个震波CT探测在某煤矿工作面的实际探测说明的探测效果。
2地震地震CT的基本原理以及分类的基本原理以及分类2.1基本原理基本原理震波CT技术,即地震层析成像技术,它是地震CT是通过地质体(结构)的外部地震波走时和衰减的观测数据,来准确、可靠地反演出地质体内部结构的直观图像。
地震波穿透岩土介质时,其速度快慢与岩土介质的弹性模量、剪切模量、密度有关。
密度大、强度高的岩石模量大、波速高、走时短,反之亦然。
完整坚硬、孔隙度小的岩体波速高,吸收弱、能量衰减小;破碎岩体和松散的土体波速低、吸收强、能量衰减大,因而地震CT图像能可靠地反应各类岩土体的分布界线及岩体的破碎程度和分布。
地震CT勘探特别适用于研究各类地层、构造、岩体、土体的分布界线及其力学性状在工程地质勘察中常被用来探查断裂带、节理带、含水带、溶洞、风化带等不良地质体(结构)的位置、形态及力学强度等。
随着方法研究的深入和日益广泛的应用,地震CT勘探已经发展为一个方法系列,成像物理量包括波速、能量衰减、泊松比等多种类型,成像方式可以利用直达波、反射波、折射波、面波等多种形式组合,可利用钻孔、隧道、隧洞、边坡、山体、地面等多种观测条件,进行二维、三维地质成像4-6。
本文主要研究地震波在不同介质中的走时差,
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- 关 键 词:
- 震波 CT 探测 效果 影响 因素 分析