地震波在煤岩双相介质中传播衰减特征研究

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目前,地震勘探技术在煤田地质精细勘探与矿井煤岩动力灾害的预测预报方面有着较为广阔的应用前景,也是近些年煤炭领域学者们研究应用的一项关键技术。该技术是以不同煤岩体的弹性差异为基础,通过观测和研究地震波在地下岩层中的传播特性来实现井田地质勘查的地球物理方法。煤岩体是地震波在井下传播的主要介质,煤岩体的各向异性、强粘性使地震波在传播过程中发生强衰减和高频散。因此,研究地震波在煤岩体中的传播衰减特征可为利用地震波的属性来进行探测和判识矿井煤岩瓦斯动力灾害的危险性区域提供理论基础。本文采取实验室测试、理论推导和数值模拟相结合的方法开展了地震波在煤岩双相介质中传播衰减特征的相关研究工作。首先,利用低频储层岩石跨频段地震弹性参数测试系统测量煤样的地震波声学参数,分析得到震波参数随频率增加不具有明显变化,计算得到逆品质因子1/Q与频率的相关性较弱;同时不同围压下岩样(代表煤层顶底板)的测试结果表明1#砂岩与2#砂岩中的纵横波波速与频率、围压成正相关。该实验结果为论文后期的数值模拟提供了基础数据。然后,基于弹性波波动方程和含瓦斯煤岩体的强粘弹性特征,对比分析麦克斯韦模型、开尔文模型、标准线型模型和达朗贝尔模型四种粘弹性模型的优缺点,得出达朗贝尔模型能体现含瓦斯煤岩的强粘弹性特征,并具有简单实用、可操作性强的特点。将达朗贝尔模型进行适当修正,引入到弹性波波动方程中,建立了含瓦斯煤岩体弹性波传播的粘弹性波动方程,该方程能更有效地反映地震波在煤岩体中的传播衰减特征。最后,为了验证模型的科学性和正确性,利用低频测试的实验数据,进行COMSOL数值模拟,分别模拟了不同频率下中等尺度三层介质(岩柱-煤柱-岩柱)、中等尺度五层介质(岩柱-煤柱-岩柱-煤柱-岩柱)以及大尺度三层介质(岩柱-煤柱-岩柱)下的地震波传播云图与声压传播特性,得出地震波在煤岩体中传播的波速和能量衰减特征,验证了粘弹性波动方程的正确性和可靠性。本文中有图59幅,表10个,参考文献69篇。
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