1、<p><b>　　分類號(hào)： </b></p><p>　　2011屆本科生畢業(yè)論文</p><p>　　題目： 震波CT探測(cè)效果影響因素分析 </p><p>　　2011年4月10日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>

2、　　震波CT探測(cè)技術(shù)是一種物理前提條件很好、應(yīng)用領(lǐng)域很廣、發(fā)展前景很大的地球物理勘探新技術(shù)，近年來煤礦井下探測(cè)中更是取得很大的研究進(jìn)展。本次在淮北礦業(yè)集團(tuán)朱仙莊礦進(jìn)行的震波CT探測(cè)，利用了縱波波速異常，橫波波速異常，以及泊松比異常，目的是查明工作面內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造情況，為煤炭安全開采提供有利保障。</p><p>　　為了研究如何提高震波CT對(duì)面內(nèi)構(gòu)造的探測(cè)精度，本文主要從觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以及反演方法的選擇上去研究。

3、</p><p>　　關(guān)鍵詞：震波CT； 采煤工作面； 地質(zhì)構(gòu)造； 縱波； 橫波； 泊松比； 觀測(cè)系統(tǒng)</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　CT detection technology shock is a physical prerequisite for good applications is v

4、ery broad, geophysical exploration and development prospects of great new technologies, in recent years in the coal mine detection research is made great progress. The in Huaibei Mining Group conducted Zhuxianzhuang mine

5、 shock wave CT detection, use of the longitudinal wave velocity anomalies, shear wave velocity anomalies, and Poisson's ratio anomaly, aimed at identifying the geological structure face the situati</p><p&g

6、t;　　In order to study how to improve the seismic structure of the probe within the CT accuracy of the opposite, this paper from the observing system design, and up inversion method of choice.</p><p>　　Keywor

7、ds: Seismic CT； Coal face； Geological structure； Longitudinal wave；transverse wave；Poisson's ratio</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘 要- 1 -</p><p>　　ABSTRACT- 2

8、 -</p><p>　　1 引 言- 5 -</p><p>　　1.1研究背景- 6 -</p><p>　　1.2研究意義- 6 -</p><p>　　1.3研究?jī)?nèi)容、思路及方法- 7 -</p><p>　　2 地震CT的基本原理以及分類- 7 -</p><p>　　2.

9、1基本原理- 7 -</p><p>　　2.2地震CT成像方法的分類- 8 -</p><p>　　3 影響震波CT探測(cè)效果的因素及應(yīng)對(duì)措施- 8 -</p><p>　　3.1 數(shù)據(jù)投影角度不全的問題- 8 -</p><p>　　3.2數(shù)據(jù)不均勻覆蓋- 9 -</p><p>　　3.3參考模型引起的非

10、線性誤差問題- 10 -</p><p>　　3.4 邊界作用- 11 -</p><p>　　3.5數(shù)據(jù)的不確定性問題- 11 -</p><p>　　3.6 模型參數(shù)不同分量的不確定性不同的問題- 11 -</p><p>　　4 工程實(shí)例- 13 -</p><p>　　4.1工作面概況- 13 -&

11、lt;/p><p>　　4.2探測(cè)技術(shù)方案- 14 -</p><p>　　4.2.1 探測(cè)的任務(wù)- 14 -</p><p>　　4.2.2地球物理前提及探測(cè)方法選擇- 14 -</p><p>　　4.3探測(cè)布置及數(shù)據(jù)采集- 15 -</p><p>　　4.3.1 儀器設(shè)備- 15 -</p>

12、<p>　　4.3.2 探測(cè)布置- 15 -</p><p>　　4.3.3 數(shù)據(jù)采集- 15 -</p><p>　　4.4 地震數(shù)據(jù)處理- 16 -</p><p>　　4.4.1 處理方法及流程- 16 -</p><p>　　4.4.2 網(wǎng)格劃分- 16 -</p><p>　　4.4.3

13、 記錄整理- 17 -</p><p>　　4.4.4 CT反演- 17 -</p><p>　　4.5 CT反演結(jié)果與解釋- 17 -</p><p>　　4.6 綜合地質(zhì)解析分析- 19 -</p><p>　　4.7結(jié)論和建議- 22 -</p><p>　　5 對(duì)震波CT探測(cè)技術(shù)的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)- 2

14、2 -</p><p>　　5.1震波CT成像的基礎(chǔ)理論問題- 22 -</p><p>　　5.2震波CT在采煤工作面的應(yīng)用特點(diǎn)- 23 -</p><p>　　參考文獻(xiàn)- 24 -</p><p>　　致 謝- 26 -</p><p>　　震波CT探測(cè)效果影響因素分析</p><p&

15、gt;<b>　　湯明</b></p><p>　?。ㄋ拗輰W(xué)院 地理與環(huán)境科學(xué)系，安徽 宿州 234000）</p><p><b>　　1 引 言</b></p><p>　　震波CT即地震層析成像是地球物理學(xué)科的一個(gè)研究領(lǐng)域。在地球物理學(xué)研究中勘探地球物理是一個(gè)青的學(xué)科，它起源于20世紀(jì)30年代.早期的地球物理勘探和

16、地球物理方法從屬于地質(zhì)方法，即地質(zhì)學(xué)家預(yù)測(cè)一個(gè)構(gòu)造，地球物理學(xué)家用他們的原始的勘探技術(shù)去驗(yàn)證這一結(jié)構(gòu)。60年代，地球物理學(xué)家獲得了地下二維數(shù)字記錄，使得地球物理學(xué)家從野外回到了室內(nèi)，為從數(shù)字記錄中獲得地下結(jié)構(gòu)的圖像開始了精細(xì)的數(shù)據(jù)處理與解釋的研究。80 年代，隨著計(jì)算機(jī)工作站的發(fā)展，數(shù)字處理技術(shù)從二維向三維迅速發(fā)展，地球物理學(xué)家可以清晰地看清地下結(jié)構(gòu)的圖像。從而地球物理學(xué)完成了從受地質(zhì)學(xué)驅(qū)使到驅(qū)動(dòng)地質(zhì)學(xué)發(fā)展的循環(huán)[12]（Russell

17、，1999) ，即地球物理學(xué)家通過使用地球物理的數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)和可視化技術(shù)看清三維地下結(jié)構(gòu)。目前，勘探地球物理已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)領(lǐng)域的高技術(shù)之一。</p><p>　　20世紀(jì)60年代初期，美國(guó)科學(xué)家 Cormack從數(shù)學(xué)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了根據(jù)X射線的投影可以唯一地確定人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而奠定了醫(yī)學(xué)診斷上圖像重建的理論基礎(chǔ)，即X射線 CT（X Ray Computer Tomography)。60年代中期

18、和70年代中期，隨著數(shù)學(xué)圖像重建方法在射電天文學(xué)和電子顯微學(xué)等方面的應(yīng)用和發(fā)展，在數(shù)學(xué)方法上出現(xiàn)了本質(zhì)上與奧地利數(shù)學(xué)家1917年提出的 Rndon逆變換方法相同的褶積投影方法，Chapman[13]首先從理論上證明了地震學(xué)中的τ-P變換即是 Rndon變換（Chapman，1981) 。此后，地學(xué)界借助醫(yī)學(xué) CT思想，利用地震波的傳播對(duì)地殼乃至上地幔結(jié)構(gòu)開始進(jìn)行半定量研究.從此，地震層析成像成為地球物理學(xué)研究的一個(gè)新領(lǐng)域。</p&

19、gt;<p>　　地震層析成像的研究在70年代首先以井間速度結(jié)構(gòu)調(diào)查為研究對(duì)像[14](Boisetal，1972)。1979年，Dines和Lytle[15]首先對(duì)地震層析成像做了大量數(shù)值模擬，并公布了利用彎曲的地震波射線進(jìn)行地下地震波速度成像的結(jié)果，并首先將層析成像(Computerized Geophysical Tomography)這一名詞用于論文的標(biāo)題。1984年，美國(guó)的Anderson[16]利用天然地震數(shù)據(jù)

20、著手全球構(gòu)造研究，并公布了全球三維速度結(jié)構(gòu)，從而使人們對(duì)重力場(chǎng)變化、密度結(jié)構(gòu)、地幔物質(zhì)流動(dòng)有了新的認(rèn)識(shí)。80年代，地震層析成像發(fā)展到勘探地球物理學(xué)界，自從在亞特蘭大(Atlanta)召開的第54屆地球物理勘探學(xué)家協(xié)會(huì)(SEG (Society of Exploration Geophysicists) )年會(huì)上設(shè)置了地震層析成像研究?jī)?nèi)容的專題之后，以Daily(1984) , Somerstein[17](1984) ,Prattand

21、 Worthington[18](1984)，Bishop[19](1985)等人的研究為</p><p>　　代表，利用人工地震發(fā)射與接收系統(tǒng)的地震層析成像理論、方法和技術(shù)以數(shù)值模擬的形式得到深入、廣泛的研究。90 年代，不論是利用天然地震數(shù)據(jù)還是人工地震數(shù)據(jù)的地震層析成像方法在認(rèn)識(shí)地球的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域以及在資源勘探、工程勘探、環(huán)境保護(hù)、文物調(diào)查、防災(zāi)減災(zāi)等許多應(yīng)用領(lǐng)域都得到實(shí)驗(yàn)性研究并取得有效的進(jìn)展。</

22、p><p><b>　　1.1研究背景</b></p><p>　　煤炭是中國(guó)重要的基礎(chǔ)能源和重要原料，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有重要的戰(zhàn)略地位。煤炭在中國(guó)一次能源消費(fèi)構(gòu)成中的比例一直占７０％以上，中國(guó)煤炭資源約占化石能源的９５％。因此，可以說煤炭是中國(guó)主體能源，是能源安全的基石。</p><p>　　煤炭的基礎(chǔ)地位也就決定了，做好煤礦安全的重要性。但是煤礦

23、在生產(chǎn)過程中經(jīng)常會(huì)遇到很多地質(zhì)災(zāi)害，例如：2010年3月1日神華集團(tuán)烏海能源有限責(zé)任公司駱駝山煤礦發(fā)生特別重大透水事故，造成32人死亡、7人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失4853萬元。2010年3月28日，華晉焦煤有限責(zé)任公司王家?guī)X礦在基建施工中發(fā)生透水事故，造成38人死亡、115人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失4937萬元。這些都是2010年發(fā)生的特大型礦難事故，傷亡人數(shù)較少的小礦難就更多了。因此，加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報(bào)對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)有重要作用。目前解決煤礦地

24、質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)經(jīng)濟(jì)高效的方法就是礦井物探,與鉆探相比物探更經(jīng)濟(jì)且效率高。物探的方法也很多，但是近幾年在國(guó)內(nèi)對(duì)預(yù)測(cè)斷層等地質(zhì)構(gòu)造效果較好的是震波CT探測(cè)技術(shù)。</p><p>　　斷層等地質(zhì)構(gòu)造及其異常是影響煤層安全高效開采的最主要的地質(zhì)因素，其主要特征是使得煤層的穩(wěn)定性、連續(xù)性、及傾角等發(fā)生較大變化，給煤礦綜合機(jī)械采煤帶來很大影響。目前在礦井工作面中真正對(duì)生產(chǎn)影響最大的落差為3～5m的中小斷層構(gòu)造，這也是礦井地質(zhì)工作

25、研究的主要內(nèi)容。為了保證開采工作的順利進(jìn)行，通常需在工作面回采前利用各種探測(cè)手段，對(duì)工作面中地質(zhì)條件進(jìn)行探測(cè)與評(píng)價(jià)，查明工作面內(nèi)已揭露和隱伏的斷層構(gòu)造是評(píng)價(jià)目標(biāo)之一。目前對(duì)采煤工作面中地質(zhì)構(gòu)造及異常的探測(cè)方法相對(duì)比較少，無線電波坑透方法往往受到電磁波衰減的影響較大，在工作面內(nèi)的穿透距離有限，一般只有幾十米，且解釋的構(gòu)造跡線不夠明顯。地質(zhì)雷達(dá)法同樣遭受干擾因素較多，而且探測(cè)距離有限。與此相比，井巷間地震波CT技術(shù)能夠?qū)Φ刭|(zhì)構(gòu)造行跡進(jìn)行全面

26、細(xì)致的判定，并能對(duì)煤層頂板穩(wěn)定性、煤體破壞等特征進(jìn)行解釋，具有較好的應(yīng)用價(jià)值[1-2]。</p><p><b>　　1.2研究意義</b></p><p>　　在前人研究的基礎(chǔ)上，繼續(xù)研究影響震波CT探測(cè)效果的各種因素、造成影響的原因以及采取何種措施才能有效地避免或盡量減小這種影響。知道了可能對(duì)探測(cè)效果會(huì)造成不好影響的因素后，在CT探測(cè)實(shí)施前做好炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)的設(shè)計(jì)、

27、對(duì)巷道內(nèi)的不利條件提前做好準(zhǔn)備、儀器安裝按照標(biāo)準(zhǔn)操作減小誤差提高探測(cè)的</p><p>　　精度，較為全面的掌握工作面內(nèi)的地質(zhì)信息，為煤礦的高效安全生產(chǎn)提供保障。</p><p>　　1.3研究?jī)?nèi)容、思路及方法</p><p>　　本文主要從震波CT的觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)操作，以及反演方法的選擇上來，提高震波CT的探測(cè)精度。然而提高探測(cè)精度一般可以從前期的數(shù)據(jù)采集和后

28、期的數(shù)據(jù)處理兩個(gè)方面著手。</p><p>　　1.通過作對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析觀測(cè)系統(tǒng)各個(gè)因素的變化對(duì)探測(cè)效果的影響，確定最合適的觀測(cè)系統(tǒng)，總結(jié)觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則，最終達(dá)到提高探測(cè)精度的目的。</p><p>　　2.分析數(shù)據(jù)反演成像中存在的一些問題，提出理論上可行的改進(jìn)方法，在處理軟件上進(jìn)行調(diào)整，然后用調(diào)整后的軟件處理數(shù)據(jù)，和以前的軟件對(duì)比，分析處理效果。</p><p&

29、gt;　　最后以一個(gè)震波CT探測(cè)在某煤礦工作面的實(shí)際探測(cè)說明的探測(cè)效果。</p><p>　　2 地震CT的基本原理以及分類</p><p><b>　　2.1基本原理</b></p><p>　　震波CT技術(shù)，即地震層析成像技術(shù)，它是地震CT是通過地質(zhì)體（結(jié)構(gòu)）的外部地震波走時(shí)和衰減的觀測(cè)數(shù)據(jù)，來準(zhǔn)確、可靠地反演出地質(zhì)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的直觀圖像。地

30、震波穿透巖土介質(zhì)時(shí)，其速度快慢與巖土介質(zhì)的彈性模量、剪切模量、密度有關(guān)。密度大、強(qiáng)度高的巖石模量大、波速高、走時(shí)短，反之亦然。完整堅(jiān)硬、孔隙度小的巖體波速高，吸收弱、能量衰減小；破碎巖體和松散的土體波速低、吸收強(qiáng)、能量衰減大，因而地震CT圖像能可靠地反應(yīng)各類巖土體的分布界線及巖體的破碎程度和分布。地震CT勘探特別適用于研究各類地層、構(gòu)造、巖體、土體的分布界線及其力學(xué)性狀在工程地質(zhì)勘察中常被用來探查斷裂帶、節(jié)理帶、含水帶、溶洞、風(fēng)化帶等不

31、良地質(zhì)體（結(jié)構(gòu)）的位置、形態(tài)及力學(xué)強(qiáng)度等。隨著方法研究的深入和日益廣泛的應(yīng)用，地震CT勘探已經(jīng)發(fā)展為一個(gè)方法系列，成像物理量包括波速、能量衰減、泊松比等多種類型，成像方式可以利用直達(dá)波、反射波、折射波、面波等多種形式組合，可利用鉆孔、隧道、隧洞、邊坡、山體、地面等多種觀測(cè)條件，進(jìn)行二維、三維地質(zhì)成像[4-6]。本文主要研究地震波在不同介質(zhì)中的走時(shí)差，通過在探測(cè)區(qū)域內(nèi)構(gòu)成切片，根據(jù)地震波信號(hào)初至?xí)r間數(shù)據(jù)的變化，</p>&l

32、t;p>　　根據(jù)一定的觀測(cè)系統(tǒng)，由此獲得地震波初至?xí)r的數(shù)據(jù)并進(jìn)行慢度或速度分布反演，即</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　假設(shè)地震波的第個(gè)路徑為，其地震波初至?xí)r間為，則</p><p><b>　　（2）</b></p><p>　　式中：為弧長(zhǎng)微元。通常在速度場(chǎng)

33、變化不大的情況下，可近似把射線路徑作為直線求解，這樣為已知，從而可反演慢度或速度值。對(duì)速度場(chǎng)圖像重建，首先使用反投演法( BPT法)計(jì)算出疊代初值，并進(jìn)一步采用算術(shù)迭代法(ART法)和聯(lián)合迭代法(SIRT 方法)進(jìn)行終值疊代，由于 SIRT 方法收斂速度較快，而且對(duì)投影數(shù)據(jù)誤差的敏感度小，結(jié)果多選取SIRT方法反演結(jié)果為地震波CT圖像進(jìn)行地質(zhì)解釋[7-11]。</p><p>　　2.2地震CT成像方法的分類&l

34、t;/p><p>　　地震層析成像從不同的角度可以進(jìn)行不同的分類。</p><p>　　1) 根據(jù)地震勘探中的布局方式，分為地表反射（或折射）層析成像、井間層析成像、VSP層析成像和反向VSP層析成像；</p><p>　　2) 根據(jù)所利用的數(shù)據(jù)類型分為反射層析、透射層析和折射層析；</p><p>　　3) 根據(jù)所利用的地震剖面上的屬性的不同可

35、分為走時(shí)層析、振幅層析和波形層析；</p><p>　　4) 根據(jù)層析成像方法所利用的理論基礎(chǔ)，基本可以分為以射線理論為基礎(chǔ)的射線層析和以波動(dòng)理論為基礎(chǔ)的繞射層析。不同角度的分類之間是交叉的。</p><p>　　3 影響震波CT探測(cè)效果的因素及應(yīng)對(duì)措施</p><p>　　震波CT成像在應(yīng)用中主要存在的問題是：（1）數(shù)據(jù)投影角度不全；（2）數(shù)據(jù)不均勻覆蓋；（3）參

36、考模型引起的非線性誤差；（4）邊界作用；（5）數(shù)據(jù)的不確定性問題（即數(shù)據(jù)中含有噪音）；（6）模型參數(shù)中不同分量的不確定性不同。下面具體分析問題的產(chǎn)生原因 ,提出應(yīng)對(duì)策略：</p><p>　　3.1 數(shù)據(jù)投影角度不全的問題</p><p>　　如果數(shù)據(jù)的投影角度不全，就不能唯一地恢復(fù)圖像函數(shù).在地震層析成像中，由于震源和檢波器只能離散地分布在地面或井中，且數(shù)目有限，因而獲得的投影數(shù)據(jù)的角度

37、范圍有限。決定了得到的解不唯一，只能依靠工作人員根據(jù)對(duì)工區(qū)實(shí)際情況的了解以及工作經(jīng)驗(yàn) ,施加約束來得到唯一解.而且射線的覆蓋角度有限使得層析反演出的圖像沿著射線路徑模糊.地震勘探的觀測(cè)方式?jīng)Q定了數(shù)據(jù)投影角度不全的程度，對(duì)于地震勘探中的三種典型觀測(cè)方式VSP（垂直地震剖面）、Crosshole（井間地震勘探）和SRP（地表反射地震勘探）：Crosshole 投影角度一般在±50度之內(nèi)；VSP投影角居中；而SRP投影角最小，僅為&

38、#177;25度。</p><p>　　地震勘探各種觀測(cè)方式中數(shù)據(jù)的投影方向決定了地震速度層析成像在各方</p><p>　　向的分辨率。在反射地震勘探中，由于射線主要是垂直方向的，因此在反射地震速度層析成像中，垂向分辨率不如橫向分辨率;而井間地震勘探中，由于射線主要是水平方向的，因而橫向分辨率不如垂向分辨率，即反射地震勘探存在垂向模糊性(Vertical Smearing)，而井間地震勘

39、探中存在橫向模糊性(Horizontal Smearing)[20]。反射地震勘探中的射線多為垂直方向的，因而能較好地確定了地質(zhì)體垂向部分的左右邊界，即地質(zhì)體垂向部分左右邊界清晰，而由于水平方向射線較少，因而地質(zhì)體水平部分的上下邊界相對(duì)模糊，即垂向模糊.由于多數(shù)地質(zhì)體都是水平方向分布的，因而在反射地震勘探中層析反演出來的圖像將深受這種“垂向模糊性”的影響。同樣的道理，由于井間地震勘探中水平方向的射線居多，因而地質(zhì)體的水平部分的上下邊界能

40、夠較精確地確定，而垂直部分的左右邊界相對(duì)模糊，即橫向模糊。</p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用中，主要從采集和處理兩方面采取措施來減少數(shù)據(jù)投影角度不全的影響。在采集方面可以通過增大檢波器排列的長(zhǎng)度增大投影角度；在數(shù)據(jù)處理方面發(fā)展更多擴(kuò)展空間譜范圍的方法。</p><p>　　3.2數(shù)據(jù)不均勻覆蓋</p><p>　　不均勻的射線覆蓋主要有兩方面原因：一方面與觀測(cè)方式和數(shù)

41、據(jù)采集的質(zhì)量有關(guān)，如炮點(diǎn)之間不等距、檢波點(diǎn)之間不等距、不同炮的數(shù)據(jù)偏移距不同、不同道的數(shù)據(jù)之間質(zhì)量不同等。另一方面，對(duì)每一炮而言，所有的射線都從炮點(diǎn)出發(fā)，因此在炮點(diǎn)處射線是非常密集的，而在遠(yuǎn)離炮點(diǎn)的地方，射線相對(duì)稀疏。此外速度結(jié)構(gòu)也影響射線的覆蓋方式，由于速度的非均勻性射線可能在某些地方聚集而在其它某些地方發(fā)散[21]。在地震勘探的觀測(cè)方式中，SRP中射線的覆蓋是相對(duì)均勻的，而VSP中射線覆蓋最不均勻，因此VSP層析受數(shù)據(jù)不均勻覆蓋的影

42、響最為嚴(yán)重。</p><p>　　在層析反演中，如果對(duì)數(shù)據(jù)的不均勻覆蓋不進(jìn)行處理，則不均勻覆蓋的數(shù)據(jù)會(huì)以一種不均勻且不可預(yù)測(cè)的方式使反演結(jié)果發(fā)生畸變[21]。數(shù)據(jù)的不均勻覆蓋表明數(shù)據(jù)對(duì)不同模型參數(shù)的控制程度不同。而層析成像中最常用的常規(guī)DLS(阻尼最小二乘)法的最優(yōu)準(zhǔn)則是使數(shù)據(jù)擬合差和解長(zhǎng)度同時(shí)最小。而常規(guī)的DLS法中解長(zhǎng)度的定義為Δm·Δm，即所有的模型參數(shù)具有相同的權(quán)重，因而常規(guī)的 DLS法忽略了數(shù)

43、據(jù)的不均勻覆蓋的影響，Wang and Braile[21]證明用忽略數(shù)據(jù)不均勻覆蓋影響的 DLS法得出得模型校正量正比于射線的覆蓋程度.射線覆蓋程度高的區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格點(diǎn)被過分校正，而射線覆蓋程度低的區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格點(diǎn)校正量不足，而那些沒有任何射線穿過的網(wǎng)格點(diǎn)的校正量為零。</p><p>　　減少數(shù)據(jù)不均勻覆蓋對(duì)層析結(jié)果的不利影響的途徑是減少模型校正量和射線覆蓋程度的相關(guān)性。主要有兩種方法，一種是根據(jù)數(shù)據(jù)的控制程度對(duì)

44、模型參數(shù)進(jìn)行加權(quán)，如變阻尼法[21]。另一種是采取某種措施使數(shù)據(jù)對(duì)每一模型參數(shù)的控</p><p>　　制程度近似相同，如變網(wǎng)格采樣法[21]。變阻尼是應(yīng)用不均勻的先驗(yàn)信息來匹配不均勻的數(shù)據(jù)分布，而變網(wǎng)格采樣法是重新調(diào)整數(shù)據(jù)信息的分布使數(shù)據(jù)對(duì)每一參數(shù)模型的控制程度更平均，二者的選擇標(biāo)準(zhǔn)是基于對(duì)射線覆蓋程度的定量分析。對(duì)于某些網(wǎng)格點(diǎn)沒有任何射線穿過的情況，變阻尼法本身具有不穩(wěn)定性問題。有兩種方式可以來增加變阻尼法的

45、穩(wěn)定性：設(shè)定一個(gè)最小阻尼；平滑法和變阻尼法聯(lián)合應(yīng)用。</p><p>　　3.3參考模型引起的非線性誤差問題</p><p>　　實(shí)際應(yīng)用中由于不知道正確的射線路徑，解決的最佳方法是在最佳的猜測(cè)模型(參考模型)上進(jìn)行射線追蹤，因此參考射線路徑和真實(shí)射線路徑之間存在差別，這一差別在反演結(jié)果中引入了誤差。參考模型引起的誤差是一種非線性誤差，它影響反演所用的線性系統(tǒng)。參考模型引起的非線性誤差不同

46、于線性系統(tǒng)的不完整性引起的線性誤差，這二者是可以區(qū)分的。</p><p>　　在反射層析中，參考模型中包括速度和反射面位置兩類參數(shù)。而參考模型中速度和反射面位置的不正確引起的非線性誤差對(duì)反演結(jié)果的影響是不同的[22]。參考速度與真實(shí)速度的偏差對(duì)射線路徑只產(chǎn)生較小的影響，只會(huì)使反演的圖像模糊；而參考反射面與真實(shí)反射面位置的偏差會(huì)嚴(yán)重影響射線路徑，對(duì)反演結(jié)果的影響不可預(yù)料。參考速度引起的非線性誤差的大小與速度變化偏離

47、震源和檢波點(diǎn)的位置有關(guān)。當(dāng)速度變化離震源和檢波點(diǎn)的位置較遠(yuǎn)時(shí)，射線更可能改變它的路徑。因此速度變化偏離震源和檢波器的位置越遠(yuǎn)，真射線和參考射線之間的偏差越大，非線性作用越強(qiáng)。而參考模型中反射面位置引起的非線性誤差大小與參考反射面的平滑與否有關(guān)，如果參考模型中的反射面位置是平滑的，則引起的非線性誤差相對(duì)較小，而如果反射面位置是不平滑的，則引起的非線性誤差較強(qiáng)[22]。</p><p>　　地面反射地震和井中地震兩種

48、觀測(cè)方式相比較，前者受參考模型引起的非線性誤差的影響最小。而井間地震層析中最嚴(yán)重的問題是不正確的射線路徑引起的非線性誤差問題。因?yàn)榈刭|(zhì)體大多是水平走向的，而在地面反射地震勘探中射線多為垂直方向的，故地質(zhì)體的垂直方向上的變化對(duì)射線路徑誤差的影響較小，而地質(zhì)體水平方向上的變化對(duì)射線路徑誤差的影響較大.而在井間地震勘探中，由于射線多為水平方向的，情形正好相反。</p><p>　　改進(jìn)射線路徑誤差引起的非線性誤差的方法

49、：表現(xiàn)在模型的選取上是利用盡可能多的先驗(yàn)信息，選擇最接近真實(shí)模型的參考模型；而表現(xiàn)在算法上是在改進(jìn)</p><p>　　后的速度模型上重新進(jìn)行射線追蹤和反演，即用迭代線性反演來逼近真實(shí)的非線性反演。</p><p><b>　　3.4 邊界作用</b></p><p>　　邊界作用是由于在邊界處數(shù)據(jù)的覆蓋程度不足引起的，并由于大偏移距射線的存在

50、而使邊界作用影響工區(qū)的中間區(qū)域，使遠(yuǎn)離邊界很大一段距離內(nèi)的圖像都發(fā)生畸變，對(duì)反演結(jié)果產(chǎn)生非常不利的影響。減少邊界作用的辦法：一是增加探區(qū)寬度（增大檢波器的排列長(zhǎng)度）；二是在探區(qū)的邊界施加一些約束。</p><p>　　3.5數(shù)據(jù)的不確定性問題</p><p>　　測(cè)量的數(shù)據(jù)不可能是很精確的，測(cè)量誤差的存在或其它因素的影響，使我們獲得的數(shù)據(jù)中含有不同類型或不同能量的噪音。這些噪音在反演過程中

51、會(huì)產(chǎn)生很大的影響，尤其是在小本征值反演中。含噪音數(shù)據(jù)的層析反演會(huì)使層析結(jié)果中包含很多起伏，這些起伏沒有地質(zhì)意義，除了淹沒真實(shí)的構(gòu)造形態(tài)外，這些高波數(shù)的起伏也會(huì)產(chǎn)生屏蔽區(qū)和焦散區(qū)，使以后的迭代過程（涉及到射線追蹤）不穩(wěn)定。在層析反演過程中，處理數(shù)據(jù)中的噪音（或稱數(shù)據(jù)的不確定性）一般是以數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣的形式根據(jù)數(shù)據(jù)的方差對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)。但這個(gè)數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣很難精確確定，因此在層析反演過程中的應(yīng)用有一定難度。</p><p

52、>　　為了解決數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定問題有兩種比較好的方法：一種方法表現(xiàn)在未知參數(shù)的處理上[23,24]，把數(shù)據(jù)中的噪音當(dāng)作一種靜校正量作為另一種未知參數(shù)，同時(shí)反演速度和靜校正量。這是一種很有價(jià)值的處理方式，該方法的優(yōu)點(diǎn)是：由于把靜校正項(xiàng)（噪音）作為未知參數(shù)矢量，因而認(rèn)為數(shù)據(jù)中是沒有誤差的，避開了確定數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣的難度，在層析反演速度的同時(shí)，又可以得出靜校正量的估計(jì)值；另一種方法是對(duì)目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化上[25]，考慮地震數(shù)據(jù)中包含的噪音類型可

53、能不同，因此在目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化上作了改進(jìn)，使目標(biāo)函數(shù)聯(lián)合范數(shù)最小，該種方法基于范數(shù)適合于處理高斯型分布的噪音，而范數(shù)適合于處理具有大誤差噪音數(shù)據(jù)，能針對(duì)數(shù)據(jù)中的噪音是高斯型分布的，還是存在有大誤差噪音的不同情況靈活處理。</p><p>　　3.6 模型參數(shù)不同分量的不確定性不同的問題</p><p>　　在層析問題中，盡管我們得到的系統(tǒng)是超定系統(tǒng)，但對(duì)于模型的解估計(jì)來說卻可能是一個(gè)混定問題

54、，即對(duì)于模型中有些分量是超定的，有些分量是欠定的，有些分量是處于零空間的。也就是說，模型的不同分量其不確定性是不同的。超定的分量不確定性弱，欠定的分量不確定性強(qiáng)，而對(duì)于處于零空間的模型分量不確定性非常強(qiáng)。前面所提到的各種因素都對(duì)層析反演中模型參數(shù)的不確定性問題有貢獻(xiàn)。對(duì)前面各種因素處理得好，則模型參數(shù)處于零空間和欠定的分量就少，而如果處理得不好，則模型參數(shù)處于零空間和欠定的分量就多。 </p><p>　　

55、一般來說 ,模型中不同分量的不確定性要有一個(gè)先驗(yàn)地估計(jì)，要使模型的解估計(jì)與真實(shí)模型不致偏差太大，必須對(duì)模型參數(shù)中欠定的及處于零空間的分量進(jìn)行約束。具體問題的欠定譜分量和零空間譜分量通過本征分析來大致確定。在本征分析中，對(duì)應(yīng)大本征值的模型參數(shù)矢量基本上是超定的，在迭代反演過程中很快收斂；對(duì)應(yīng)小本征值的模型參數(shù)矢量基本上是欠定的分量，在迭代反演過程中收斂很慢；而對(duì)應(yīng)零本征值的模型參數(shù)矢量對(duì)應(yīng)著處于模型零空間的分量，這些分量對(duì)數(shù)據(jù)沒有影響，因

56、而是無法反演出來的。在很多最小二乘法問題中，零空間分量和欠定分量集中分布在某個(gè)譜帶之內(nèi)[26]，如在井間層析中零空間和欠定譜分量主要與水平波數(shù)有關(guān)，而在上面提到的速度和靜校正量同時(shí)反演的問題中，當(dāng)用直射線和井間觀測(cè)方式時(shí)對(duì)慢度擾動(dòng)參數(shù)來說，水平波數(shù)是欠定的，而對(duì)靜校正量參數(shù)來說，直流分量位于零空間，對(duì)于某些其它模型來說靜校正量的低波數(shù)分量也是欠定的[23]。在波形反演中，甚低波數(shù)的速度變化處于零空間。</p><p&

57、gt;　　模型參數(shù)中欠定的分量和處于零空間的分量有時(shí)對(duì)于解估計(jì)逼近真實(shí)模型很重要，因此在層析反演過程中，對(duì)這些模型參數(shù)中欠定的和處于零空間，的分量通過約束補(bǔ)充以減少這些分量的不確定性十分必要。不進(jìn)行特別處理，輕則在層析反演結(jié)果中引入假象，重則使層析反演結(jié)果完全畸變。</p><p>　　解決模型參數(shù)不同分量之間的不確定性不同的問題的方法是加入平滑和規(guī)則化約束。平滑方法主要分為靜態(tài)平滑法和動(dòng)態(tài)平滑法，靜態(tài)平滑法指在

58、層析反演的過程中平滑因子保持不變，而動(dòng)態(tài)平滑則在層析反演的過程中根據(jù)具體情況調(diào)整平滑因子的大小和形狀。動(dòng)態(tài)平滑[27,28]的效果要優(yōu)于靜態(tài)平滑。動(dòng)態(tài)平滑方法有多種，如多重網(wǎng)格法[27]和褶積壓制法[28]，多重網(wǎng)格法是一種收斂速度很快且計(jì)算量較小的方法，其收斂速度是線性的且與網(wǎng)格大小無關(guān)，而很多其它的迭代方法的收斂速度均依賴于網(wǎng)格大小且隨著網(wǎng)格大小趨近于零而惡化。其計(jì)算量小是因?yàn)樵摲椒ㄖ辉谧畲值木W(wǎng)格上進(jìn)行精確計(jì)算，而在細(xì)網(wǎng)格上都通過下

59、落到粗網(wǎng)格上近似計(jì)算。該方法首先從細(xì)網(wǎng)格下落到粗網(wǎng)格，然后又重新上升到粗網(wǎng)格，從細(xì)網(wǎng)格到粗網(wǎng)格由限制映射實(shí)現(xiàn)，由粗網(wǎng)格到細(xì)網(wǎng)格由延拓映射實(shí)現(xiàn)。整個(gè)過程基本上由前光滑、粗網(wǎng)格校正和后光滑三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)[29]。而在褶積壓制法中平滑子作用（一種褶積作用）于射線路徑矩陣的每一行，使射線路徑被拓寬成一個(gè)帶，帶的寬度由平滑函數(shù)的寬度決定，即褶積壓制法認(rèn)為鄰近網(wǎng)格點(diǎn)的速度值是高度相關(guān)的，該方法實(shí)際上是控制分辨率和方差之間的折衷程度的一種方法。<

60、/p><p>　　規(guī)則化方法一般分為阻尼型規(guī)則化和導(dǎo)數(shù)型規(guī)則化。當(dāng)在層析反演中采取阻尼性規(guī)則化方式時(shí)，普通的CG（共軛梯度）法很容易收斂，而當(dāng)在層析反演中采用導(dǎo)數(shù)型規(guī)則化方式時(shí)，CG法不容易收斂。VanDecar和 Snieder (1994)對(duì)采用導(dǎo)數(shù)型規(guī)則化方式的 CG法進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì) CG法的搜索方向進(jìn)行預(yù)處理，并利用規(guī)則化方程中的先驗(yàn)“構(gòu)造”信息，使該算法只依賴于模型參數(shù)的個(gè)數(shù)</p><

61、p>　　與數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)無關(guān)，大大減少了迭代次數(shù)[30]。采用導(dǎo)數(shù)型規(guī)則化方式得到的解為最少“構(gòu)造”解，與在模型參數(shù)的先驗(yàn)估計(jì)不能比較精確地給出時(shí)按照最接近初始模型的選擇標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的解估計(jì)（這樣的解估計(jì)中包含的“構(gòu)造”量比解釋數(shù)據(jù)必需的“構(gòu)造”量更多，稱為更多“構(gòu)造”解）相比較，最少“構(gòu)造”解中只包含能夠與數(shù)據(jù)匹配的最少的“構(gòu)造”量（最不復(fù)雜的解）[30]。模型中包含的“構(gòu)造”量由一階或二階導(dǎo)數(shù)定義，一階導(dǎo)數(shù)約束得到最平解，二階導(dǎo)數(shù)約束

62、得到最平滑解。</p><p>　　Phillips和Fehler (1991)針對(duì)線性問題對(duì)很多常用的平滑和規(guī)則化方法（中值平滑法、空間平均平滑法、褶積壓制法、網(wǎng)格移動(dòng)平滑法、一階差商規(guī)則化法、僅在水平方向一階差商規(guī)則化法、IRIS 法、DLS法等使用單約束參數(shù)的方法）的效果進(jìn)行了比較[31]，認(rèn)為一階差商規(guī)則化法在逼近真解的程度和處理不同噪音數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性兩方面表現(xiàn)最好，且對(duì)高噪音數(shù)據(jù)和低噪音數(shù)據(jù)都適用.褶積壓

63、制法是以DLS法為基礎(chǔ)的方法中在逼近真解的程度和穩(wěn)定性兩方面表現(xiàn)最好的，但平滑的形狀限制了該方法能實(shí)現(xiàn)的分辨率的上限。而空間平均平滑和中值平滑各有特點(diǎn)，空間平均平滑后的圖像較平滑（“構(gòu)造”更少），而中值平滑后的圖像“構(gòu)造”更多些。</p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用中，模型參數(shù)的不確定性一般由模型協(xié)方差矩陣表示，即各種平滑和規(guī)則化約束主要體現(xiàn)在模型協(xié)方差矩陣的構(gòu)造中。同數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣類似，模型協(xié)方差矩陣也很難精確確定

64、。應(yīng)用中使用的模型協(xié)方差矩陣大多數(shù)是對(duì)角的，這意味著模型的各個(gè)參數(shù)之間是不相關(guān)的，但實(shí)際情況并非總是如此，很多情況下不同類型參數(shù)之間是相關(guān)的，同一類型的參數(shù)之間也可能相關(guān)。因此使用非對(duì)角的模型協(xié)方差矩陣十分必要，但這會(huì)在實(shí)際計(jì)算上造成困難，因?yàn)閷?shí)際計(jì)算要求模型協(xié)方差矩陣的逆。本文推薦一種構(gòu)成非對(duì)角模型協(xié)方差矩陣的十分實(shí)用的方法，模型協(xié)方差矩陣的逆可以作為線性濾波器矩陣的自協(xié)方差得出，而避免了直接計(jì)算模型協(xié)方差矩陣的逆[32]，濾波器對(duì)應(yīng)

65、著不穩(wěn)定的譜分量，即只對(duì)處于零空間或欠定的譜分量進(jìn)行約束。通過把先驗(yàn)信息的應(yīng)用解釋為一個(gè)簡(jiǎn)單的線性濾波運(yùn)算，則構(gòu)造非對(duì)角的模型協(xié)方差矩陣的問題歸結(jié)為構(gòu)造零空間和欠定分量的傅立葉系數(shù)矩陣的問題。一旦理解了這種線性濾波器的解釋，則對(duì)于任何的病態(tài)反問題構(gòu)造非對(duì)角阻尼矩陣都是很直接的。</p><p><b>　　4 工程實(shí)例</b></p><p><b>　　4

66、.1工作面概況</b></p><p>　　（1） 工作面位置及地質(zhì)概況Ⅱ</p><p>　　10715工作面在礦井最南部一水平，七采區(qū)南翼八區(qū)段，主采10煤層。工作面走向長(zhǎng)平均460m，傾斜寬平均170m。南至朱仙莊礦與蘆嶺礦井田邊界的分界線；北至七采107運(yùn)輸上山；上鄰10713工作面(已回采)；下為Ⅱ1051工作面(正在準(zhǔn)備)。</p><p>

67、　　10715工作面為七采區(qū)10煤層最下面一個(gè)工作面，根據(jù)現(xiàn)有資料分析，工作面風(fēng)巷外段受F5-2斷層影響，風(fēng)巷中段受F5-2-1斷層影響，由于兩斷層落差較大使煤層有一定的錯(cuò)動(dòng)，對(duì)風(fēng)巷的掘進(jìn)有一定影響。機(jī)巷預(yù)計(jì)煤層為緩慢上坡，無大斷層影響，但可能局部有小斷層影響。</p><p>　　（2） 煤層及頂、底板特征</p><p>　　十層煤為穩(wěn)定煤層,宏觀煤巖類型以半亮煤為主，亮煤次之，油脂光

68、澤，塊狀、鱗片狀等構(gòu)造。普氏硬度平均f ：1，煤層較硬。受沉積環(huán)境和區(qū)域構(gòu)造影響局部煤層較薄。煤層產(chǎn)狀為：走向130°～140°、傾向40°～50°、傾角10°～20°、平均15°。</p><p><b>　　4.2探測(cè)技術(shù)方案</b></p><p>　　4.2.1 探測(cè)的任務(wù)</p>

69、;<p>　　該面地質(zhì)條件極為復(fù)雜，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際揭露資料分析，工作面探測(cè)區(qū)域內(nèi)共揭露落差在>1.0m的斷層7條。其中在施工過程中揭露F5-2()、10715F4()、10715F6()等>4m落差斷層，對(duì)巷道施工和工作面回采將會(huì)帶來很大的影響。受上述斷層影響，該面隱伏斷層發(fā)育，在構(gòu)造附近的煤層起伏及將來工作面的高效安全生產(chǎn)，需查清面內(nèi)隱伏斷層及掘進(jìn)過程中已經(jīng)較大，發(fā)育極不穩(wěn)定，對(duì)回采會(huì)造成不良影響。為確保工作面

70、的順利回采，以揭露的斷層在該工作面展布和連通情況。故而確定本次探測(cè)具體任務(wù)為：</p><p>　　1) 查明工作面巷道已揭露的落差1m以上的斷層在工作面內(nèi)的延展情況；</p><p>　　2) 查明工作面內(nèi)隱伏的3m以上的斷層在工作面內(nèi)的延展長(zhǎng)度、延展方向；</p><p>　　3) 查明工作面內(nèi)煤層厚度小于1m的“煤層厚度變薄帶”的分布發(fā)育情況。</p&g

71、t;<p>　　4.2.2地球物理前提及探測(cè)方法選擇</p><p>　　一般來講，靜水沉積環(huán)境中形成的煤層賦存狀態(tài)近乎水平，同期煤層的地球物理性質(zhì)彈性相近，但由于后期構(gòu)造應(yīng)力作用，改變了煤體賦存狀態(tài)，煤層變得起伏、扭曲、錯(cuò)斷，煤體原生結(jié)構(gòu)被破壞，煤體變得糜棱、松散。落差大于煤厚的斷層構(gòu)造使得煤層不再連續(xù)，錯(cuò)斷的巖層代替了煤層，因此斷層構(gòu)造的存在引起的煤體介質(zhì)彈性性質(zhì)明顯變化：</p>

72、<p>　　1) 錯(cuò)斷的巖層代替了煤層，而巖層地震波速度、彈性系數(shù)一般要高于煤層，即巖層與煤層之間存在彈性差異。</p><p>　　2) 斷層帶附近的煤由于原生結(jié)構(gòu)被破壞，波速明顯降低，彈性系數(shù)變小，另外受構(gòu)造應(yīng)力破壞程度不同煤的彈性也不同，即煤體受構(gòu)造影響產(chǎn)生了彈性差異。上述煤體彈性差異的存在為能夠應(yīng)用地震方法來勘探和分析斷層等構(gòu)造的分布提供了前提條件。</p><p>　

73、　4.3探測(cè)布置及數(shù)據(jù)采集</p><p>　　4.3.1 儀器設(shè)備</p><p>　　地震探測(cè)采用礦井本安型多道分布式數(shù)字地震儀(本次采用60道，以下簡(jiǎn)稱多道數(shù)字地震儀)和TZBS系列(主頻為100Hz)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。主要使用的地震儀器設(shè)備有：</p><p>　　1) 多道數(shù)字地震儀1臺(tái)。</p><p>　　2) TZBS系列(

74、主頻為100Hz)高阻尼傳感器62組。</p><p>　　3) 數(shù)據(jù)傳送電纜600m、配套電纜大線800m。</p><p>　　4) 啟動(dòng)、通訊電纜900m。</p><p>　　5) 發(fā)爆器1個(gè)，錘擊開關(guān)一個(gè)，啟動(dòng)芯片若干。</p><p>　　6) 本安礦用直通電話2部。</p><p>　　4.3.2 探測(cè)布

75、置</p><p>　　在10715工作面中利用震波CT方法進(jìn)行探測(cè)，其中對(duì)整個(gè)工作面進(jìn)行震波CT。結(jié)合10715工作面的實(shí)際情況，本著工作面CT測(cè)線設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量讓地震波旅行射線在工作面中分布比較平均，不出現(xiàn)射線空白區(qū)等原則，本次工作面探測(cè)測(cè)線設(shè)計(jì)如下。</p><p><b>　　1) 激發(fā)點(diǎn)參數(shù)：</b></p><p>　　激發(fā)點(diǎn)測(cè)線布置

76、于風(fēng)巷中，測(cè)線總長(zhǎng)約450m，炮間距為5m，設(shè)計(jì)總炮數(shù)90個(gè)。</p><p><b>　　2) 接收點(diǎn)參數(shù)：</b></p><p>　　接收測(cè)線布置于切眼和機(jī)巷，現(xiàn)場(chǎng)共布置一站，測(cè)線總長(zhǎng)約600m，道間距10m，測(cè)點(diǎn)總數(shù)60個(gè)。</p><p><b>　　3) 測(cè)站設(shè)計(jì)：</b></p><p&g

77、t;　　本儀器系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)工作量為1站。測(cè)線長(zhǎng)為600m。每一接收點(diǎn)要求布置在煤層中心部位，將鋼釬插入煤層，要求鋼釬平行于頂?shù)装澹鞲衅鞴潭ㄔ阡撯F上保證傳感器的良好耦合。炮點(diǎn)孔徑42mm，以炮點(diǎn)為激發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行震波激發(fā)；檢波點(diǎn)為接收點(diǎn)，放入TZBS系列傳感器。</p><p>　　4.3.3 數(shù)據(jù)采集</p><p>　　地震數(shù)據(jù)的采集采用1臺(tái)多道數(shù)字地震儀在機(jī)巷接收透射CT數(shù)據(jù)，形成

78、單站一次接收60道的數(shù)據(jù)采集裝置，將60個(gè)TZBS系列傳感器固定于機(jī)巷中所打入的鋼釬上，安裝時(shí)嚴(yán)格控制傳感器和鋼釬的安裝方向。爆破使用180g乳膠炸藥，將藥卷送至孔底，使用炮泥將孔封好，并接好爆炸起爆器和儀器啟動(dòng)器，待接收站和激發(fā)站安裝就緒后，電話聯(lián)絡(luò)開啟儀器，設(shè)置好參數(shù)，由接收站指揮激發(fā)站放炮，記錄各炮波形信號(hào)數(shù)據(jù)。</p><p>　　現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)地震儀器工作參數(shù)設(shè)置如下：</p><p>

79、;<b>　　多道數(shù)字地震儀：</b></p><p>　　通 道 數(shù)：60道； 采樣間隔：200us；</p><p>　　采樣頻帶：2500Hz低通； 固定增益：-48～-81dB；</p><p>　　采樣長(zhǎng)度：4K； 采樣延遲：0.0ms。</p><p>　　本次采集，采用連續(xù)高效放

80、炮，同組接收點(diǎn)固定接收的作業(yè)方式，目的保證了扇形的最大覆蓋范圍和探測(cè)區(qū)域。</p><p>　　4.4 地震數(shù)據(jù)處理</p><p>　　4.4.1 處理方法及流程</p><p>　　數(shù)據(jù)處理，主要使用KDZ2002及SCT2.0礦井震波CT處理軟件來進(jìn)行的，該軟件使用方便，成果解析直觀。首先對(duì)多道數(shù)字地震儀內(nèi)部數(shù)據(jù)通過通訊模塊傳入微機(jī)，在KDZ2002工作站上進(jìn)

81、行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。并在SCT2.0礦井震波CT處理軟件系統(tǒng)預(yù)處理模塊支持下，對(duì)各個(gè)單炮記錄進(jìn)行抽道集重排，使井下記錄轉(zhuǎn)換成共炮點(diǎn)記錄(CSP)、共接收點(diǎn)記錄(CGP)。并進(jìn)行文頭編輯、道數(shù)據(jù)編輯、二次采樣、噪聲剔除、頻譜分析、初至識(shí)取等處理過程。其具體處理總流程見框圖1所示。</p><p>　　4.4.2 網(wǎng)格劃分</p><p>　　在反演計(jì)算時(shí)，為了計(jì)算方便多用均勻的矩形網(wǎng)格劃分探測(cè)區(qū)

82、域，形成一個(gè)尺度大致相同的像元，并把像元內(nèi)的平均波速值作為其中心點(diǎn)的值。要進(jìn)行網(wǎng)格劃分首先得建立恰當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)。</p><p>　　由于像元的寬度是成像時(shí)可分辨尺度的極限，對(duì)走時(shí)反演成像方法來說，為了提高成像的分辨率，當(dāng)然希望像元越小越好，但是像元尺寸又受震源間距和接收器間距的限制。因?yàn)橐粋€(gè)像元最少要有一條射線通過，否則這個(gè)像元就沒有存</p><p>　　在的意義，因此本次考慮實(shí)際的情況，

83、如圖2所示采用10m×10m網(wǎng)格單元的劃分。在實(shí)際的網(wǎng)格劃分中，考慮到程序反演的邊界問題，把反演區(qū)域擴(kuò)大成720m×180m的區(qū)域。</p><p>　　4.4.3 記錄整理</p><p>　　記錄整理以每組工作道60道為接收排列，固定排列并按每組放炮序順次進(jìn)行記錄拼接。記下每炮所對(duì)應(yīng)的接收點(diǎn)序號(hào)，如遇接收點(diǎn)序號(hào)不連續(xù)(個(gè)別儀器或道數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題)，以補(bǔ)空道形式形成整個(gè)

84、CT記錄處理文件即可。</p><p>　　在拼接時(shí)，首先對(duì)炮記錄的延時(shí)、采樣延時(shí)T、采樣間隔dt、采樣點(diǎn)數(shù)m進(jìn)行歸一化處理，即取=0.0ms，T=0.0ms，dt=0.2ms，m=4096。最終形成總記錄文件。</p><p>　　4.4.4 CT反演</p><p>　　使用KDZ2002工作站中自動(dòng)初至拾取模塊進(jìn)行到時(shí)拾取，并校正到第二波組(S波)初至處，得到

85、P時(shí)間函數(shù)。為了提高解析精度，本次計(jì)算采用P波、S波初至?xí)r間進(jìn)行CT反演。圖3為自動(dòng)初至拾取的透射震波波形單炮記錄。將網(wǎng)格劃分參數(shù)及炮、檢點(diǎn)位置坐標(biāo)等輸入到ART、SIRT三種CT成像模塊，首先以BPT的計(jì)算結(jié)果作為CT計(jì)算的慢度初值，其中Mpmax=6、Mpmin=0.5、Mpspace=0.5。再進(jìn)行ART、SIRT迭代計(jì)算得出CT反演結(jié)果。</p><p>　　4.5 CT反演結(jié)果與解釋</p>

86、;<p>　　震波CT資料的處理與解釋以波的旅行時(shí)特性為基礎(chǔ)，縱波先行到達(dá)且不受其它類型波干擾，具有速度最高、頻率高的特征，較易識(shí)別與處理；橫波特征為能量大、頻率低、波組特征明顯的特點(diǎn)。震波CT以縱波速度和橫波速度CT切片為主，并輔以泊松比反演切片進(jìn)行綜合解釋。</p><p>　　具體來說，地震波在煤層中傳播，由于煤層是波的低速介質(zhì)，從波速分布CT切片中可以看出，當(dāng)煤層均勻分布時(shí)，應(yīng)當(dāng)為一較均勻分

87、布的波速圖。當(dāng)煤層中出現(xiàn)構(gòu)造時(shí)，正斷層常表現(xiàn)為高速異常區(qū)，分析為斷層部分的煤層為頂或底板巖石代替所形成。通常煤層破碎的區(qū)域也表現(xiàn)為低速區(qū)域；煤層變薄或巖層變厚的區(qū)域表現(xiàn)為高速異常區(qū)域，從而得出地質(zhì)結(jié)論。</p><p>　?。?）縱波波速和橫波波速CT反演切片如下圖4和圖5</p><p>　　圖中依次以冷色(藍(lán)色)到暖色(紅色)從小到大來代表速度值，從速度值可以看出工作面速度比較均勻，縱

88、波速度平均值為3.4m/ms，橫波速度平均值為1.7m/ms，速度異常定義為平均值的20%以上，較高速度為高速異常，較低速度為低速異常，則得出10715工作面縱波高速異常速度為4.0m/ms，低速異常速度為2.8m/ms；橫波高速異常速度為2.0m/ms，低速異常速度為1.4m/ms。</p><p>　　波速CT圖中，斷層的落差可依據(jù)波速的高或低異常值進(jìn)行綜合判定，一般</p><p>

89、　　可通過波速高異?；虻彤惓５木唧w大小定性評(píng)價(jià)，或結(jié)合工作面實(shí)際揭露斷層波速異常值與落差大小進(jìn)行類比，并做定量評(píng)價(jià)。</p><p>　　通過縱波和橫波波速CT計(jì)算，見圖4工作面縱波波速CT反演切片圖和圖5工作面橫波波速CT反演切片圖，通過對(duì)異常區(qū)進(jìn)行提取后，總體上劃分出幾個(gè)大區(qū)域的高速異常帶。</p><p>　　(2) 泊松比CT反演切片如下圖6 </p><p&g

90、t;　　泊松比隨巖性、孔隙和流體成分的變化而變化，變化范圍一般在0到0.5之間。對(duì)于不同巖體來說，反映了不同介質(zhì)的強(qiáng)度，巖石固結(jié)度愈高，其泊松比愈小，松散風(fēng)化表層的泊松比可高達(dá)0.45。對(duì)于同種巖體而言，如煤體其泊松 比值越大，則孔隙度越大，故在泊松比值較大的區(qū)域可以解釋為煤體結(jié)構(gòu)比較破碎或孔隙發(fā)育。煤的泊松比變化范圍是：>0.26；一般砂巖的泊松比的變化范圍是：0.12～0.26；風(fēng)化層的泊松比可能會(huì)高達(dá)0.45

91、。在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)將泊松比和縱波速度資料一起使用，繪成交會(huì)圖的形式，可以取得更好的效果。如砂巖為低泊松比、高速度，呈對(duì)稱寬帶；煤巖為高泊松比、低速度，呈對(duì)稱窄帶。從圖4和圖5切片中可以看出煤巖大致分布情況。</p><p>　　4.6 綜合地質(zhì)解析分析</p><p>　　比較對(duì)照地震波速CT反演切片和其他彈性參數(shù)CT反演切片，結(jié)合10715工作面巷道地質(zhì)編錄剖面及相關(guān)資料對(duì)本次探測(cè)解

92、釋進(jìn)行同步驗(yàn)證。得出如圖7所示10715工作面構(gòu)造探測(cè)綜合地質(zhì)成果解釋圖。</p><p><b>　　解釋分析如下：</b></p><p>　　1) 巷道實(shí)際揭露斷層(落差大于1m)修正解釋情況</p><p>　　進(jìn)一步修正解釋了7條已巷道揭露的斷層，</p><p>　　風(fēng)巷：F5-2、10715F2、10715

93、F3、10715F5、10715F7；</p><p>　　橫穿工作面：10715F4、10715F6；</p><p>　　從震波CT地震屬性參數(shù)圖中可以清晰看出這7條斷層的構(gòu)造形跡。這7條斷層與巷道掘進(jìn)時(shí)揭露斷層位置吻合很好，上盤下移造成部分正常的煤層被頂或底板巖石代替所形成高速異常區(qū)，都是正斷層。且10715F2、10715F3是F5-2斷層的兩個(gè)分支斷層；且10715F5是1071

94、5F4斷層的一個(gè)分支斷層。修改斷層解釋的具體情況見表1所示。表中解釋類別是以原地質(zhì)推斷或三維地震解釋的資料的位置和重新解釋工作面內(nèi)的隱伏斷層作為對(duì)像。</p><p>　　總之，從斷層在工作面面內(nèi)延展長(zhǎng)度和斷層落差兩個(gè)角度來看：巷道實(shí)揭的斷層除了10715F5斷層以外，其他實(shí)揭的斷層對(duì)工作面的回采影響均較大。</p><p>　　2) 新解釋3條的隱伏斷層(落差0—3m)：、、。</

95、p><p>　　從形態(tài)特征上判斷三個(gè)條帶狀構(gòu)造，且上盤下移造成部分正常的煤層被頂或底板巖石代替所形成高速異常區(qū)，判斷為正斷層。且與10715F4、10715F6斷層斜交。三個(gè)隱伏斷層均為近似走向斷層，對(duì)工作面的回采相對(duì)較大。</p><p>　　其中在工作面內(nèi)的延展長(zhǎng)度超過55m，從縱波反演切片、橫波反演切片、泊松比反演切片圖中均對(duì)該條帶狀的地質(zhì)異常體有所反應(yīng)。通過異常值的大小半定性判斷其落差

96、0～3m，對(duì)工作面回采影響較大。</p><p>　　在工作面內(nèi)的延展長(zhǎng)度約為88m，從縱波反演切片、橫波反演切片、泊松比反演切片、剪切模量切片圖中對(duì)該條帶狀的異常體有所反應(yīng)。同樣通過異常值的大小半定性判斷其判斷落差0～3m，對(duì)工作面回采影響較大。</p><p>　　在工作面內(nèi)的延展長(zhǎng)度為97m，從縱波反演切片、橫波反演切片圖中均對(duì)該條帶狀的地質(zhì)異常體有所反應(yīng)。通過異常值的大小半定性判斷

97、其落差0～3m，對(duì)工作面回采影響較大。</p><p>　　表1 解釋斷層信息統(tǒng)計(jì)表</p><p><b>　　說明：</b></p><p>　　可信程度的計(jì)算原則：可信度是依據(jù)縱波波速CT反演切片圖(圖4)、橫波波速CT反演切片圖(圖5)、泊松比CT反演切片圖(圖6)中各個(gè)成果圖中是否解釋到異常情況給予一個(gè)綜合評(píng)價(jià)。</p>

98、<p>　　3) 探測(cè)解釋2個(gè)高速異常區(qū)：1#GY、2#GY。</p><p>　　1#GY異常區(qū)為斷層影響帶：橫貫整個(gè)工作面，對(duì)應(yīng)風(fēng)巷位于F8～F9之間，對(duì)應(yīng)機(jī)巷位于J2～J4之間，主要受10715F4、10715F5、10715F6、10715F7、和這6條斷層影響，使得部分段的煤被頂?shù)装宓膸r石取代形成高速異常區(qū)。尤其是沿著近似走向的和斷層影響帶，對(duì)工作面的回采影響很大。</p>

99、<p>　　2#GY異常區(qū)為斷層影響帶：位于工作面外段靠近風(fēng)巷，對(duì)應(yīng)風(fēng)巷位于F0～F5之間。主要受F5-2、10715F2、10715F3和這四條斷層影響，使得部分段的煤被頂?shù)装宓膸r石取代形成高速異常區(qū)。對(duì)工作面的回采影響很大，可能需要對(duì)該段區(qū)域巷道進(jìn)行改造。</p><p>　　這兩個(gè)高速異常區(qū)里面可能有其他隱伏的小斷層。由于這些高速異常區(qū)主要是回采機(jī)械會(huì)直接接觸巖層，因此在工作面回采中，要注意加強(qiáng)防

100、范工作，對(duì)工作面的回采影響較大。</p><p>　　4) 由于受風(fēng)巷外段全巖影響，沒有發(fā)現(xiàn)工作面內(nèi)煤層厚度小于1m煤層厚度變薄帶。</p><p><b>　　4.7結(jié)論和建議</b></p><p>　　1) 今后在工作面采動(dòng)過程中加強(qiáng)對(duì)斷層的進(jìn)一步判定與測(cè)量工作，及時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)回采資料進(jìn)行收集整理，以便進(jìn)行再分析，提高成果的綜合利用率。<

101、;/p><p>　　2) 加強(qiáng)對(duì)多種信息的地質(zhì)編錄，增強(qiáng)對(duì)地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)的利用程度，更有利于震波CT探測(cè)技術(shù)在本礦進(jìn)一步應(yīng)用，為煤礦的安全高效生產(chǎn)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　5 對(duì)震波CT探測(cè)技術(shù)的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)</p><p>　　5.1震波CT成像的基礎(chǔ)理論問題</p><p>　　地震層析成像中存在的這些問題各有特點(diǎn)，但又互相聯(lián)系。它

102、們可以使層析反問題的性狀變壞。由于反問題性狀的好壞是影響反問題穩(wěn)定性的重要原因，因此在層析反演的前期及反演過程中針對(duì)這些因素進(jìn)行處理非常必要。</p><p>　　1）增大檢波器排列的長(zhǎng)度、發(fā)展多種擴(kuò)展空間譜范圍的方法及多種觀測(cè)方式獲得的數(shù)據(jù)聯(lián)合層析。數(shù)據(jù)投影角度不全問題。</p><p>　　2）根據(jù)數(shù)據(jù)的控制程度對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行加權(quán)和采取措施使數(shù)據(jù)對(duì)每一模型參數(shù)的控制程度近似相同的方法，

103、減少數(shù)據(jù)不均勻覆蓋對(duì)層析結(jié)果的不利影響。</p><p>　　3）參考模型引起的非線性誤差起源于參考模型和真實(shí)模型的偏差.改進(jìn)射線路徑誤差引起的非線性誤差的方法：一是利用盡可能多的先驗(yàn)信息，選擇最接近真實(shí)模型的參考模型；二是在改進(jìn)后的速度模型上重新追蹤和反演，用迭代線性反演來逼近真實(shí)的非線性反演.</p><p>　　4）邊界作用是由于在邊界處數(shù)據(jù)的覆蓋程度不足引起的，并由于大偏移距射線的

104、存在而使邊界作用影響工區(qū)的中間區(qū)域。利用增加探區(qū)寬度（增大檢波器的排列長(zhǎng)度）和在探區(qū)的邊界施加一些約束，減少邊界作用。</p><p>　　5）數(shù)據(jù)的不確定性是由數(shù)據(jù)中含有的不同類型或不同能量的噪音引起的。在處理方式上有兩種方法尤其值得考慮：一是把數(shù)據(jù)中的噪音（看作靜校正量）作為另一種未知參數(shù)處理，同時(shí)反演速度和靜校正量，避開確定數(shù)據(jù)協(xié)方差矩</p><p>　　陣的難度；二是使目標(biāo)函數(shù)聯(lián)

105、合范數(shù)最小，針對(duì)數(shù)據(jù)中的不同的噪音類型靈活處理，但不能避免確定數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣。</p><p>　　6）模型參數(shù)不同分量具有不同的不確定性是由地震層析問題中的各種因素決定的，前面所提到的各種因素對(duì)此都有貢獻(xiàn)。解決的辦法是加入各種平滑和規(guī)則化約束，二者在約束的性質(zhì)上有本質(zhì)的不同。</p><p>　　5.2震波CT在采煤工作面的應(yīng)用特點(diǎn)</p><p>　　地震波在煤

106、中的傳播速度較巖石低，且?guī)r石越破碎地震波的速度越低，巖石越完整越致密，地震波的傳播速度越大。震波波速CT的解釋就可根據(jù)震波在巖石中傳播的速度比在煤中傳播的速度快來進(jìn)行解釋判斷煤層的完整性。在煤層波速CT切片中，當(dāng)煤層均勻分布時(shí)，應(yīng)當(dāng)為一較均勻分布的波速圖。若在采煤工作面中出現(xiàn)了高速區(qū)，在無其他特殊條件影響下即是相對(duì)高速的頂、底板介質(zhì)取代了部分煤層位置，使得煤層變薄。而在大多數(shù)情況下，排除影響煤厚變化的其他因素，煤厚變化主要就是由構(gòu)造引起

107、的?？梢哉J(rèn)為波速CT圖中，高速線性條帶應(yīng)代表正斷層的一盤或煤層構(gòu)造變薄區(qū)。而低速條帶應(yīng)代表斷層構(gòu)造另一盤、巖煤體松軟區(qū)、淋水區(qū)、低應(yīng)力區(qū)、裂隙發(fā)育區(qū)或煤層增厚區(qū)等形跡 。</p><p>　　由于逆斷層是巖性斷層在工作面中表現(xiàn)為煤層增厚區(qū)，在波速CT圖中也表現(xiàn)為低速區(qū)。在波速的CT圖中，斷層的落差可依據(jù)波速的高或低異常值進(jìn)行綜合判定，一般可通過波速高異常或低異常的具體大小定性評(píng)價(jià)，或結(jié)合工作面揭露的斷層波速異常值