煤層下方地質異常體的探測

煤層下方地質異常體的探測摘要煤炭是我國的基礎能源和重要原料，占我國的化石能源資源的90%以上。雖然近年來煤炭的生產(chǎn)總量和消費總量的占比逐年減小，甚至在今年消費占比首次低于60%，但在未來的一段時期內，煤炭仍將是我國的主體能源。我國煤炭經(jīng)過多年來的高強度開發(fā)，開采深度不斷增大，開采環(huán)境日益復雜，由斷層、陷落柱、孤石等地質異常體引起的安全和生產(chǎn)問題日益突出。因此，開展煤礦下方地質異常體的精細探測具有重要意義。主動源產(chǎn)生的瑞雷波在層狀介質中具有頻散現(xiàn)象。相移法為從多道面波地震記錄中提取頻散曲線的一種方法，是目前應用最廣泛的一種主動源面波提取頻散曲線的方法，將互相關技術與相移法結合進行頻散成像，可提高面波頻散成像的質量。對于被動源，背景噪聲互相關后包含有面波的頻散信息，F(xiàn)TAN法為提取背景噪聲中頻散曲線的一種傳統(tǒng)方法。本文采用主動源和被動源聯(lián)合探測，使用互相關相移法和FTAN法對山西大同某一煤礦中采集的主動源信號和被動源信號提取頻散曲線，從而對下方的地質異常體進行探測。通過互相關相移法和FTAN法對主動源信號和被動源信號提取頻散曲線，得到如下結論：互相關相移法不依賴于震源信息，適用面廣泛，還可以提高頻散圖像的品質。(2)主動源互相關相移得到的相速度與實際煤層中面波相速度較為接近，但提取的頻率范圍較高，可能為信噪比低的原因造成的。三次錘擊得到的相速度相差較小，說明該區(qū)域地下較為均勻，無地質異常體。(3)主動源互相關后，通過FTAN法提取頻散曲線得到的相速度與實際煤層中面波相速度較為接近，且各段頻散曲線變化不大，可推測該區(qū)域地下較為均勻，無地質異常體。(4)對同一側的背景噪聲按三種方法來截取進行互相關相移得到的結果較差，可靠性較低。(5)對對穿的背景噪聲進行互相關后，通過FTAN法提取頻散曲線得到的群速度約為1000m/s，與實際煤層的速度較為接近，說明該區(qū)域地下較為均勻，無地質異常體。關鍵詞：瑞雷波；頻散曲線；煤層；主動源；背景噪聲

AbstractCoalisChina'sbasicenergyandimportantrawmaterials,accountingformorethan90%ofChina'sfossilenergyresources.Althoughtheproportionoftotalcoalproductionandtotalconsumptionhasdecreasedyearbyyearinrecentyears,eventhisyear'sconsumptionratioisbelow60%forthefirsttime,butinthefuture,coalwillstillbeChina'smainenergysource.Afteryearsofhigh-intensitydevelopmentofcoalinChina,theminingdepthhasbeenincreasing,theminingenvironmenthasbecomeincreasinglycomplex,andthesafetyandproductionproblemscausedbygeologicalanomaliessuchasfaults,subsidedcolumnsandboulderhavebecomeincreasinglyprominent.Therefore,itisofgreatsignificancetocarryoutfinedetectionofgeologicalanomaliesbelowthecoalmine.TheRayleighwavegeneratedbytheactivesourcehasadispersionphenomenoninthelayeredmedium.Thephaseshiftmethodisamethodforextractingthedispersioncurvefrommulti-surfacewaveseismicrecords.Itisthemostwidelyusedmethodforextractingthedispersioncurveofactivesourcesurfacewaves.Thecross-correlationtechniqueiscombinedwiththephaseshiftmethod.Dispersiveimagingimprovesthequalityofsurfacewavedispersionimaging.Forthepassivesource,theambientnoiseiscorrelatedwiththedispersioninformationofthesurfacewave,andtheFTANisatraditionalmethodforextractingthedispersioncurveinthebackgroundnoise.Inthispaper,theactivesourceandpassivesourcejointdetectionisused,andthecross-correlationphaseshiftmethodandFTANareusedtoextractthedispersioncurveoftheactivesourcesignalandthepassivesourcesignalcollectedinacoalmineinDatong,Shanxi,soastodetectthegeologicalanomalybelow.Thedispersioncurveisextractedfromtheactivesourcesignalandthepassivesourcesignalbythecross-correlationphaseshiftmethodandtheFTAN,andthefollowingconclusionsareobtained:(1)Thecross-correlationphaseshiftmethoddoesnotdependonthesourceinformation,andhasawiderangeofapplications,andcanalsoimprovethequalityofthescatteredimage.(2)Thephasevelocityobtainedbytheactivesourcecross-correlationphaseshiftisclosetothephasewavevelocityintheactualcoalseam,buttheextractedfrequencyrangeishigher,whichmaybecausedbythelowsignal-to-noiseratio.Thephasevelocityobtainedbythreehammeringsisrelativelysmall,indicatingthattheareaisrelativelyuniformundergroundandthereisnogeologicalanomaly.(3)Aftertheactivesourcecross-correlation,thephasevelocityobtainedbyextractingthedispersioncurvebyFTANmethodisclosetothephasewavevelocityintheactualcoalseam,andthedispersioncurveofeachsegmentdoesnotchangemuch.Itcanbeinferredthattheareaisrelativelyuniformunderground,noGeologicalanomaly.(4)Thebackgroundnoiseofthesamesideisinterceptedbythreemethods,andtheresultofcross-correlationphaseshiftispoor,andthereliabilityislow.(5)Aftercross-correlationofthebackgroundnoiseofthepair,thegroupvelocityobtainedbyextractingthedispersioncurvebyFTANmethodisabout1000m/s,whichisclosetotheactualcoalseamvelocity,indicatingthattheareaisrelativelyuniformunderground,andthereisnogeologicalanomaly.KeyWords:Rayleighwave;Dispersioncurve;Coalseam;Activesource;Ambientnoise

目錄31866_WPSOffice_Level1第一章緒論 122599_WPSOffice_Level21.1選題的目的與意義 12514_WPSOffice_Level21.2國內外研究現(xiàn)狀 27558_WPSOffice_Level31.2.1煤層巷道地質異常探測現(xiàn)狀 217377_WPSOffice_Level31.2.2面波勘探方法現(xiàn)狀 423842_WPSOffice_Level21.3主要研究內容及章節(jié)安排 56742_WPSOffice_Level31.3.1主要研究內容 532259_WPSOffice_Level31.3.2章節(jié)安排 67824_WPSOffice_Level1第二章基本原理 716855_WPSOffice_Level22.1多道面波分析法 721035_WPSOffice_Level32.1.1相移法 722504_WPSOffice_Level32.1.2互相關相移法 829430_WPSOffice_Level22.2背景噪聲互相關技術 827567_WPSOffice_Level22.3頻時分析法 1030663_WPSOffice_Level1第三章數(shù)據(jù)處理 1313542_WPSOffice_Level23.1預處理 1319653_WPSOffice_Level23.2主動源數(shù)據(jù)處理 1432031_WPSOffice_Level33.2.1互相關 154894_WPSOffice_Level33.2.2相移法 1828463_WPSOffice_Level33.2.3時頻分析法 191854_WPSOffice_Level23.3被動源數(shù)據(jù)處理 2026359_WPSOffice_Level33.3.1整體互相關 202571_WPSOffice_Level33.3.2傳送帶互相關 2327716_WPSOffice_Level33.3.3剩余部分互相關 2527823_WPSOffice_Level1第四章結論和建議 286621_WPSOffice_Level24.1結論 2823538_WPSOffice_Level24.2建議 2931239_WPSOffice_Level1致謝 3027642_WPSOffice_Level1參考文獻 31緒論選題的目的與意義煤炭是我國的基礎能源和重要原料，在我國占化石能源資源的90%以上，是經(jīng)濟、穩(wěn)定以及自主保障程度很高的一種能源。雖然近年來由于國內外經(jīng)濟發(fā)展的不確定因素，國家的科技進步等，導致煤炭的生產(chǎn)總量和消費總量的占比逐年減小，甚至在今年消費占比首次低于60%，但在未來一段時期內，煤炭仍將是我國的主體能源(李好管,2017)。我國煤炭經(jīng)過多年來的高強度開發(fā)，淺部煤炭資源已不滿足于現(xiàn)有經(jīng)濟狀況，開采深度必然不斷增大，開采環(huán)境日益復雜，開采條件變得困難，導致工作面內的地質異常體引起的安全和生產(chǎn)問題越來越突出(樂勇等,2013)。煤層工作面內的地質異常體可分為兩大類，一類是在成煤過程中產(chǎn)生的原生地質異常體，如煤層變薄帶或無煤區(qū)等。另一類是煤層形成后由于后期地質作用或人為原因引起的地質異常體，如斷層、陷落柱、孤石、撓曲、富水區(qū)等(劉天放等,1994)。這些地質異常體的存在嚴重影響采煤機的正常工作。斷層、撓曲、煤層變薄帶或無煤區(qū)等地質異常會使煤層突然間斷，從而迫使切割機“割頂破底”，進而影響煤炭的質量及產(chǎn)量；陷落柱為灰?guī)r巖溶，從而基巖斷裂產(chǎn)生，該地區(qū)易產(chǎn)生淹井事故，影響生產(chǎn)安全；較大的富水區(qū)容易使工作面內涌水(吳榮新等,2013)。因此，開展煤礦下方地質異常體的精細探測十分重要。面波方法根據(jù)震源的不同類型可以分為兩類，一類為主動源方法，該方法利用人工震源（如爆炸、錘擊、落重等）在地表激發(fā)，產(chǎn)生地震波場，從地下傳播后返回到地面，從地面接收到的地震信號中選擇有效的瑞雷波信號來提取瑞雷波相速度頻散曲線。另一類為被動源方法，該方法利用隨機震源產(chǎn)生的地震波和背景噪聲提取瑞雷波頻散曲線?？傊@兩類方法都是利用面波提取提取相速度頻散曲線，來獲得橫波速度的方法。本文使用的多道面波分析方法(MASW)首先由Park在1999年引入，該方法是一種使用地震面波來進行淺層探測的無損技術(Parketal.,1999)，由于具有線性排列、識別和隔離噪聲、計算速度快等優(yōu)點，因此被普遍應用?，F(xiàn)在被廣泛使用的多道面波頻散成像方法主要有：f-k變換法、相移法、拉東變換法等，這些方法都是將時間域的面波信息變換到頻率域中，然后拾取頻率域能量的最大值，并進行一些變換操作，即可得到頻散曲線(伍敦仕等,2017)。本文采用面波主動源和被動源結合的方法，獲得兩種方法的相速度頻散圖像，通過對比，從而驗證煤礦井下是否含有地質異常體。由于本次數(shù)據(jù)沒有炮檢距信息，僅有檢波器間距，采用常規(guī)相移法誤差很大，本文采用互相關方法與相移法結合的方法，偏移距為兩個檢波器之間的距離，避免了由于缺失炮檢距信息產(chǎn)生的誤差，同時通過引入互相關方法，也提高了利用相移法在面波頻散成像中獲得的相速度頻散圖像的質量。本文又運用FTAN方法提取相速度頻散曲線，觀察相速度變化情況，為判斷煤層下是否含有地質異常體提供另一依據(jù)。國內外研究現(xiàn)狀煤層巷道地質異常探測現(xiàn)狀目前探測煤層下方地質異常的主要物探方法有：無線電波透視勘探、直流電透視勘探、槽波勘探、地震波層析成像。無線電波透視法。該方法是利用不同巖礦石對電磁波吸收能力不同進行探測的一種物探方法。利用這一規(guī)律，在工作面巷道一側發(fā)射電磁波，另一側接收電磁波，若傳播過程中遇到地質異常，會接收不到信號或接受的信號很弱。美國礦業(yè)局在1927年發(fā)現(xiàn)了無線電波可以在煤層中傳播，從此開始了利用這種方法探測煤層構造情況的研究。無線電波透視法在我國煤層巷道工作面探測中也已經(jīng)有了幾十年的歷史，技術也較為成熟，先后有多個地區(qū)進行了實踐，如高一峰對開灤某礦的工作面進行了工程方面的實踐，討論了各項參數(shù)的選擇及排除干擾的方法(高一峰,2007)。無線電波透視法對于煤層工作面內的地質異常反映較為明顯，保障了安全高效的煤炭生產(chǎn)。無線電波透視法也有一些缺陷，由于容易受到其他電磁波干擾，采集數(shù)據(jù)的易發(fā)生畸變，容易誤判；由于電磁波能量衰減很快，也使得透視探測的距離有限(胡澤安等,2017)。近年來，無限電波透視法的發(fā)展朝著多參數(shù)、大寬度采煤工作面(吳榮新等,2010)及更精確的分析解釋(白永利等,2015)方面前進。直流電透視法。該方法是以探測目標與圍巖間存在電性差異為基礎的，通常煤層顯示為高電阻率，而泥巖、砂巖、泥質砂巖等顯示為低電阻率，因此煤層中的富水區(qū)電阻率也相對較低。該方法目前還在試驗中，未成功進行實踐。劉天放和李志聃首先在煤層礦井中嘗試應用直流電法進行探測(劉天放和李志聃,1993)。劉志新等進行正演模擬，證實了直流電透視法能探測煤層礦井中的構造異常體，為后續(xù)的研究提供了方法技術及理論依據(jù)(劉志新等,2003)。吳榮新等采用雙巷并行電法探測法將該方法應用到了較寬的工作面中(吳榮新等,2009)。張平松等將直流電透視法應用于大傾角條件下，拓寬了該方法的應用范圍(張平松等,2015)。槽波勘探。槽波是由震源在煤層中激發(fā)時，體波部分能量由于煤層頂?shù)椎娜瓷淞粼诿簩又?，在煤層中相長干涉形成的一種擾動波(蔣錦朋,2018)。若工作面內地質異常，則槽波的傳播就會被中斷，使得透射槽波不能通過并產(chǎn)生反射。槽波勘探在20世紀50年代開始出現(xiàn)，90年代在煤層小構造探測方面應用較廣。Ge等在美國一煤礦利用反射勒夫型槽波對該煤礦的采空區(qū)邊界進行了探測(Geetal.,2007)。隨后又有學者通過反射型槽波測定了煤礦的區(qū)域分布及走向(Xuetal.,2009;Lietal.,2011)。Yang等通過小波變換分析方法對透射勒夫型槽波的傳播特征進行了研究(Yangetal.,2009)。王偉等在在河南義馬礦區(qū)應用透射勒夫型槽波探測方法對煤層的速度、厚度進行了探測(王偉等,2012)。目前主要利用反射勒夫型槽波的偏移成像和透射勒夫型槽波的頻散和衰減對煤層構造異常進行探測。槽波勘探探測的深度較其他方法要大、信噪比較高，但槽波的產(chǎn)生不易確定，到達時刻很難辨別，分析解釋的方法不夠成熟，測量結果有待提高(胡澤安等,2017)。地震波層析成像技術（地震波CT）。地震波層析成像探測技術是利用透射波在經(jīng)過地下傳播時，遇到不連續(xù)的地層，其速度、振幅、頻率等均會發(fā)生變化來進行地質異常探測的一種方法。地震波層析成像技術于20世紀70年代末在匈牙利開始用于研究煤礦中瓦斯的問題。該方法從20世紀80年代在我國開始進行可行性分析(曹德欣和曹思遠,1992)。鄭高升和凌標燦在1998年使用該方法探測了新集礦區(qū)巷道內的構造異常(鄭高升和凌標燦,1998)。彭蘇萍在2002年首次采用地震層析成像技術，判定了放頂煤工作面隱伏斷層(彭蘇萍等,2002)。張平松等通過地震波層析成像探測技術，對煤礦采動時底板的破壞規(guī)律進行了探測(張平松等,2006)。方良成等利用地震波層析成像技術與無線電波透視法聯(lián)合勘探，成功圈定了煤層中陷落柱的邊界范圍(方良成等,2013)。地震波層析成像技術精度較高，但數(shù)據(jù)采集過程復雜，并且不適用于長期進行監(jiān)測。面波勘探方法現(xiàn)狀面波勘探方法根據(jù)震源的不同類型可以分為兩類，一類為主動源法，一類為被動源法。面波主動源法為在地表激發(fā)人工震源（如爆炸、錘擊、落重等），產(chǎn)生地震波場，經(jīng)過地下傳播返回地面，從地面接收到的地震記錄中選擇有效的面波信號來提取瑞雷波相速度頻散曲線的一種方法。該方法受激發(fā)震源的頻率的影響，目前主要用于進行淺層能源探測(劉康等,2018)。英國數(shù)學物理學家Rayleigh在1887年首先發(fā)現(xiàn)了瑞雷波的存在，并揭示了其在彈性半空間中的傳播特性(Rayleigh,1887)。學者們通過對瑞雷波的研究，在20世紀50年代發(fā)現(xiàn)了其在層狀介質中的頻散特性，隨后嘗試將這種地震波應用到對地球內部結構探測的研究中。Jones在早期提出布設兩個檢波器來接收地震波，挑選其中穩(wěn)態(tài)的瑞雷波進行互相關的方法(Jones,1958)。之后Stokoe等提出瞬態(tài)面波譜分析法(SASW)(StokoeandNazarian,1983)，該方法通常采用人工錘擊或落重作為震源，兩個檢波器與震源位于同一直線上進行接收，將采集的兩道記錄在頻率域進行互譜，從而提取瑞雷波頻散信息。后來將SASW發(fā)展為多道面波分析法(MASW)(劉云禎和王振東,1996)。多道面波分析法為多個檢波器處在一條直線上來進行接收，該方法具有線性排列、可識別和隔離噪聲、計算速度快等優(yōu)點，被大家廣泛應用(MillerRDetal.,1999)。Hayashi等提出將互相關技術引入到了多道面波分析法中，可提高橫向速度的分辨力(HayashiandSuzuki,2004)。Luo等將某個頻率附近的任意兩道信號進行互相關，同時進行相位角掃描，因此每兩道信號可以構成一個頻散圖像，提取面波的頻散曲線，將互相關與多道面波分析法結合應用起來(Luoetal.,2008b)。伍敦仕等提出CCPS法(Cross-CorrelationandPhase-Shifting)，是一種將互相關技術與相移法聯(lián)合應用的頻散成像方法，該方法通過將互相關技術引入，可提高面波頻散成像的質量(伍敦仕等,2017)。被動源法用隨機震源產(chǎn)生的地震波和背景噪聲來提取瑞雷波頻散曲線。Aki早在1957年就提出了一種從背景噪聲中提取瑞雷波頻散信息的方法，即空間自相關法(spatialautocorrelation,SPAC)(Aki,1957)。空間自相關法主要用于淺層勘探，如探測地鐵工程中的“孤石”(徐佩芳等,2012)，目前也被運用于反演較大尺度的地殼橫波速度結構(徐佩芳等,2013b)。Capon隨后提出使用頻率-波數(shù)變換法提取頻散曲線，該方法的原理為在頻率域中拾取能量最大值，再將拾取的這些點點連線形成頻散曲線(Capon,1970)。Okada等將空間自相關法進行擴展，提出了為擴展空間自相關法(Okadaetal.,2003)。之后隨著背景噪聲技術的興起，使用背景噪聲互相關法(NFC)提取格林函數(shù)的方法在淺層面波勘探中被國外多名學者成功試驗(Picozzietal.,2009;deNiscoandNunziata,2011)。之后國內也有很多學者將NCF法成功運用于小尺度面波勘探中，如李成等在合肥市區(qū)布設臺站，通過NCF法提取了面波頻散曲線，反演地下橫波速度結構(李成等,2014)?？臻g自相關法和背景噪聲互相關法在物理方面的理論上是一致的(YokoiandMargaryan,2008;TsaiandMoschetti,2010)，但空間自相關法得到的是布設排列下方區(qū)域的平均頻散曲線，背景噪聲互相關函數(shù)法得到的是任意兩個地震臺站之間路徑上的頻散曲線。NCF法對臺站的布置位置較為自由，采集方便，僅需要兩個臺站就可以提取頻散，而且能更好地覆蓋所探測的區(qū)域。目前普遍使用的多道面波提取相速度頻散信息的方法主要有：頻率-波數(shù)法、頻率-慢度法、相移法、拉東變換法等。頻率-波數(shù)法即把瑞雷波信號從空間域變換到頻率-波數(shù)域，在頻率-波數(shù)域中拾取能量峰值，再將這些峰值點連線形成頻散曲線。國內有很多學者都對這種方法提取瑞雷波波頻散曲線時可能存在的問題進行過討論，如李子偉等研究了空間假頻對F-K域Rayleigh波頻散曲線反演的結果(李子偉和劉學偉,2013)。頻率-慢度變換法是由McMechan等最早提出，用來提取石油勘探中的面波頻散信息(McMechanandYedlin,1981)。相移法是f-k法的改進，為由Park等1998年SEG年會上提出的將多道面波地震記錄提取頻散曲線的一種方法(Parketal.,1998)。DalMoro等對比了上述三種提取頻散曲線的方法，發(fā)現(xiàn)相移法在抗噪性、運行效率等方面上都要優(yōu)于其他兩種方法(DalMoroetal.,2003)。Sacchi為了將缺失道的數(shù)據(jù)進行重建，提出了高分辨率的拉動變換法(SacchiandUlrych,1995)。隨后Luo等應用高分辨率拉東變換法實現(xiàn)了面波多模式高分辨率頻散成像，極大提高了相速度分辨率(Luoetal.,2008a)。主要研究內容及章節(jié)安排主要研究內容針對煤層巷道下地質異常體的探測問題，采用主動源和被動源聯(lián)合應用的方法，分別提取頻散圖像。由于主動源對淺層分辨力較高，勘探深度淺，被動源勘探深度大，聯(lián)合勘探有利于提高勘探精度和分辨能力。主要研究內容如下：主動源面波勘探主動源勘探采用多道面波分析法（MASW），并且將互相關與常規(guī)相移法結合，避免了由于缺少炮檢距信息造成的誤差，也提高了利用相移法在面波頻散成像中獲得的相速度頻散圖像的質量。之后又運用FTAN方法提取相速度頻散曲線，觀察相速度變化情況，判斷煤層下介質是否均勻，為探測地質異常體提供另一依據(jù)。被動源面波勘探被動源勘探采用背景噪聲互相關法（NCF），由于地震背景噪聲數(shù)據(jù)進行互相關疊加后包含有面波的頻散信息，從而可提取面波信號，然后類似于主動源勘探的多道面波分析法，利用相移法得到頻散圖像，進而得到煤層下方的相速度，以判斷煤層下方的情況。章節(jié)安排主要闡述了本文的選題目的與意義，對國內外煤層巷道地質異常探測現(xiàn)狀以及面波勘探主動源方法及被動源方法現(xiàn)狀進行了回顧。然后概括了本文所研究的內容。闡述了主動源多道面波法提取頻散圖像時采用的常規(guī)相移法的基本原理以及互相關相移法的基本原理。然后論證了被動源互相關疊加后包含面波的頻散信息。最后介紹了采用FTAN法提取頻散曲線的基本原理。介紹了數(shù)據(jù)處理的過程。首先對數(shù)據(jù)進行了預處理。然后對采集的主動源進行互相關，采用相移法提取頻散信息，分析相速度頻散曲線。又采用了FTAN法對主動源提取頻散曲線，與相移法得到的結果進行對比分析。之后對被動源分三類進行互相關，分別為：整體進行互相關、傳送帶信號進行互相關、去除傳送帶信號后剩余部分進行互相關，對三類互相關結果進行相移，得到頻散圖像，分析相速度頻散曲線，并將其與主動源結果進行對比分析。結論和建議。對本次所做工作進行了總結，并指出目前的不足之處，為日后進一步研究進行展望。

基本原理2.1多道面波分析法多道面波分析法進行頻散曲線成像的方法主要有：頻率波數(shù)法、頻率慢度法、相移法、拉東變換法。將時間域的面波記錄通過傅里葉變化轉到頻率域中，拾取頻率域中的能量峰值進行簡單變化即可得到相速度頻散曲線。本文主要運用互相關與相移法結合的方法進行面波頻散成像。2.1.1相移法相移法為1998年Park等在SEG年會上提出的將多道面波地震記錄提取頻散曲線的一種方法(Parketal.,1998)。相移法可以說是頻率波數(shù)法的改進，其本質為將記錄轉換到頻率域進行傾斜疊加。假設接收到的多道面波記錄為，將該記錄經(jīng)過傅里葉變化到頻率域后，得到頻譜（1）式中為振幅譜，為相位譜，為炮檢距，為真實相速度。地震記錄經(jīng)過傅里葉變化到頻率域后表示為了振幅和相位的乘積。由于相速度頻散信息包含在相位譜中，可對振幅項進行歸一化處理，從而減少振幅譜衰減產(chǎn)生的影響，得到的歸一化頻譜為（2）掃描實驗的相速度值，逐個地震道進行求和，即可得到該頻率的相速度譜為（3）其中N為接收地震波的道數(shù)，n為接收的道號。觀察(3)式，發(fā)現(xiàn)當實驗相速度等于真實相速度時，上述公式求和得到最大值，因此相速度頻散圖像上疊加能量最強。然后對每個頻率都進行計算，即可得到相速度頻散圖像。2.1.2互相關相移法伍敦仕等在2017年提出了互相關相移法，該方法為一種將相移法與互相關技術相結合的頻散成像方法(伍敦仕等,2017)。如果在進行相移時，不只是對某一道的相位角進行掃描疊加，而是將所有道的相位差信息全部放進來參與掃描疊加，則可能提高頻散成像的品質。對上述(3)式進行改變：（4）其中*表示共軛，表示第道與第道之間的相位差信息。將(4)式進一步展開（5）由(5)式顯然可知，當?shù)扔谡鎸嵪嗨俣葧r，上述公式求和得到最大值，是常規(guī)相移法計算結果的倍。將互相關技術引入相移法中，可以減弱其他干擾對面波頻散成像品質的影響。2.2背景噪聲互相關技術在聲學中發(fā)現(xiàn)，兩段不同儀器中記錄到的背景噪聲求取互相關并疊加后包含了介質的本征信息。很多學者也通過地震背景噪聲的觀測資料處理結果證實了兩臺站長時間觀測到的數(shù)據(jù)進行互相關疊加后包含有面波的頻散信息。朱良保在2011年證實了地震背景噪聲互相關函數(shù)與面波的激發(fā)公式是等價的(朱良保等,2011)。其文章假設地球為一個水平的且橫向均勻的層狀模型。假設背景噪聲是不規(guī)則震源產(chǎn)生的波且進行疊加而成的，震源位置為，觀測點為，震源激發(fā)產(chǎn)生的面波的垂直分量在頻率域中可如下表示：（6）其中為振幅譜，為與震源位置和方位角有關的相位，為激發(fā)點到接收點的距離。某一臺站的地震背景噪聲記錄可以看作為這個區(qū)域內所有的隨機噪聲源產(chǎn)生的地震波的疊加，可表示為（7）其中上角標表示對所有噪聲源進行求和，為第個噪聲源發(fā)震時刻與參考時間的時間差。同理對另一臺站進行處理。將和臺站采集的噪聲數(shù)據(jù)進行互相關，得到頻率域表達式為（8）將的波形定義為右行波，的波形定義為左行波，把(8)式分為了左行波部分和右行波部分，右行波部分表示為（9）左行波部分表示為（10）將產(chǎn)生右行波的震源又分為了兩部分，一部分為位于兩臺站連線上的震源，稱為有效震源區(qū)，在這一區(qū)域中，（為臺站間距），并且兩觀測點相對于震源的方位角相同，即。另一部分為上述有效震源區(qū)外的震源?？蓪⒂倚胁ū硎緸椋?1）其中上角標表示對有效震源區(qū)內的噪聲源進行求和，上角標表示對有效震源區(qū)之外的噪聲源進行求和。令（12）（13）于是右行波可以簡寫為（14）令（15）于是（16）同理對左行波進行處理得（17）式(16)、(17)為背景噪聲互相關的面波理論表達式，與(6)式相似，因此背景噪聲互相關處理后的地震波與面波的激發(fā)是等價的。對采集的地震背景噪聲進行互相關運算，利用不同間距的互相關得到了不同到時的面波信號，與主動源勘探的多道面波分析法類似，因此同樣可采用相移法提取頻散圖像。2.3頻時分析法Bensen在2007年對背景噪聲層析成像的數(shù)據(jù)處理過程進行了總結，文中對提取頻散曲線的傳統(tǒng)方法，即頻時分析法(FTAN)進行了概括(Bensenetal.,2007)。假設地震記錄為，其傅里葉變換可以寫為。定義頻率域的解析函數(shù)為（18）將上式進行傅里葉逆變換得到時間域的表達式如下：（19）其中為的希爾伯特變化。為了構造頻時函數(shù)，解析信號要進行中心頻率為的高斯窄帶濾波，即（20）（21）其中為調諧參數(shù)。將每個帶通函數(shù)變換為時間域得到平滑的二維包絡函數(shù)和相位函數(shù)。群速度通過包絡函數(shù)被測得，相速度通過相位函數(shù)被測得。對于高斯濾波中心頻率為，其包絡函數(shù)的峰值處群速度到時為。因此群速度為（22）其中為臺站間距。用瞬時頻率代替高斯帶通濾波器的中心頻率，瞬時頻率定義為時間時刻解析信號的相位的時間變化率。瞬時頻率表示如下：（23）分析包絡函數(shù)和測得的群速度曲線。相速度不能通過群速度直接導出，但相速度可以計算群速度。假設群速度為，相速度為。則群慢度可以表示為，相慢度表示為，其中為波數(shù)。則（24）從而得到關于頻率的群慢度和相慢度的一階微分方程：（25）如果相速度曲線已知，群速度曲線可以直接從上述等式中求出。如果群速度曲線已知，則必須求解上述微分方程以找到相速度。求解如下：（26）其中積分常數(shù)可根據(jù)邊界條件寫出。相速度曲線在某個頻率可知，。然而這個在一般情況下并不適用。相速度曲線的測量除了群速度包絡函數(shù)的測量還需要一些信息，該信息源自解析信號的相位，可近似認為由傳播項、初始源相位和相位模糊項組成。瞬時頻率為時可以寫為：（27）其中為旅行時，為臺站間距，為波數(shù)，為源相位，為相位模糊相。用觀測到的群速度到達時間估計觀測相位，令，得到相慢度的表達式：（28）對于背景噪聲互相關，源相位為0。對于垂直分量背景噪聲互相關之間的速度波形，相位模糊項(Linetal.,2007)。因此，對于垂直分量背景噪聲互相關中導出的相位慢度可以寫為：（29）其中。

數(shù)據(jù)處理3.1預處理本次處理的為在山西大同某一煤層巷道內采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分為兩組。第一組數(shù)據(jù)為在巷道內沿傳送帶傳送的方向平行布置了20道檢波器采集的，檢波器間距為5m，采樣頻率為1000Hz，數(shù)據(jù)總長度為7200s。數(shù)據(jù)采集時傳送帶和切割機均在運行。在1號、10號、20號檢波器處分別錘擊10次，產(chǎn)生主動源信號。同時也可將傳送帶作為主動源進行處理。圖3.1展示了200-300s這一時間段的數(shù)據(jù)波形，從上到下依次為第1道至第20道。圖3.1中一條一條的斜信號即為傳送帶振動產(chǎn)生的信號，每條斜信號的間隔時間大概為20秒。圖3.1200s-300s數(shù)據(jù)波形圖對數(shù)據(jù)進行預處理。將該數(shù)據(jù)進行傅里葉變化轉換到頻率域中，由于每一道的振幅譜類似，圖3.2僅展示了第10道檢波器接收到信號的振幅譜，對該數(shù)據(jù)進行頻譜分析。分析圖3.2，發(fā)現(xiàn)低頻能量較強，高頻能量較弱，而在巷道中切割機激發(fā)的信號表現(xiàn)為低頻，傳送帶激發(fā)的信號表現(xiàn)為高頻，說明切割機產(chǎn)生的能量相對較強一些。圖3.2第10道檢波器的振幅譜第二組數(shù)據(jù)為在煤層兩邊的巷道內分別布置了10道檢波器采集的（圖3.3），各巷道內檢波器間距均為10m，采樣頻率為1000Hz，數(shù)據(jù)總長度為21600s。圖3.3煤層兩邊檢波器布置示意圖3.2主動源數(shù)據(jù)處理通過觀察采集的第一組數(shù)據(jù)的原始信號，發(fā)現(xiàn)將傳送帶作為主動源產(chǎn)生的信號傳播距離都比較近，傳播距離約10m左右，而將錘擊作為主動源產(chǎn)生的信號傳播距離都相對較遠一些，所以找到在1號、10號、20號檢波器處錘擊的信號作為本次數(shù)據(jù)處理的主動源信號。將每一次錘擊產(chǎn)生的信號分別截取出來，截取的每一段時間長度均為0.15s。圖3.4展示了在10號點錘擊的信號，從上到下依次為第1道至第20道的信號。圖3.5展示了在10號點錘擊截取出來的某一段信號，從上到下依次為第6道至第14道。觀察3.5發(fā)現(xiàn)，第10道檢波器接收到的信號有延遲，第6-9道檢波器接收到的波形不符合實際，所以后續(xù)采用第11-14道的信號進行處理。圖3.4在第10號檢波器處錘擊的波形圖圖3.5截取的在第10號檢波器處某一次錘擊產(chǎn)生的波形圖3.2.1互相關將截取的每一次錘擊信號兩兩進行互相關。在1號檢波器旁錘擊（共錘擊了10次），僅第1-4道能接收到明顯的信號，將截取后的信號進行兩兩互相關，然后將相同道互相關的結果進行疊加，圖3.6展示了其兩兩互相關后疊加的結果，從上到下依次為1-2、1-3、1-4、2-3、2-4、3-4互相關結果。圖3.6在第1號檢波器旁激發(fā)的信號互相關疊加后的結果圖圖3.7在第10號檢波器旁激發(fā)的信號互相關疊加后的結果圖在10號檢波器旁錘擊（共錘擊了10次），根據(jù)上述分析，選擇11-14道截取后的信號進行兩兩互相關，然后將相同道互相關的結果進行疊加，圖3.7展示了其兩兩互相關后疊加的結果，從上到下依次為11-12、11-13、11-14、12-13、12-14、13-14互相關結果。在20號檢波器旁錘擊（在該點共錘擊了10次），僅第17-20道能接收到明顯的信號，將截取后的信號進行兩兩互相關，然后將相同道互相關的結果進行疊加，圖3.7展示了其兩兩互相關后疊加的結果，從上到下依次為20-19、20-18、20-17、19-18、19-17、18-17互相關結果。觀察圖3.8，第20道與任何一道互相關結果都比較差。為了判斷互相關結果較差的原因，對其原始信號進行分析（圖3.9），發(fā)現(xiàn)第20道檢波器接收到的原始信號就比較差。又對其進行頻譜分析（圖3.10），第20道低頻能量較強，而其他道集低頻能量都較低，故第20道可能為壞道。圖3.8在第20號檢波器旁激發(fā)的信號互相關疊加后的結果圖圖3.9第20號檢波器處某一次錘擊產(chǎn)生的波形圖圖3.10第20號檢波器處錘擊產(chǎn)生信號的振幅譜(a)第17道(b)第18道(c)第19道(d)第20道3.2.2相移法將上述互相關結果進行相移，得到頻散圖像（圖3.11）。由于互相關最大間距為15m，所以只能得到高頻的速度。圖3.11(a)為1號檢波器旁錘擊的信號互相關相移得到的結果，相速度約為1100m/s，實際煤層相速度略低于900m/s，求得的速度偏高。中間250-300Hz速度整體向下掉，分析其原始信號，認為造成這個情況的原因為信噪比較低。圖3.11(b)為10號檢波器旁錘擊的信號互相關相移得到的結果，有效速度的頻段太短，無法判斷哪條為正確的相速度曲線，分析原始信號及互相關結果，認為提取的頻段太短還是由于信噪比太低造成的。圖3.11(c)為20號檢波器旁錘擊的信號互相關相移得到的結果，相速度大約為1000m/s，速度也偏高。圖3.11(d)為將相同間距的互相關結果進行疊加相移得到的結果，相速度約為1100m/s，比實際煤層的速度偏高。綜上，該區(qū)域淺層相速度約為1000m/s，但由于頻段較高，所以只能判斷該區(qū)域地下5m范圍內無地質異常體。圖3.11相移后得到的頻散圖像(a)第1個檢波器旁錘擊(b)第10個檢波器旁錘擊(c)第20個檢波器旁錘擊(d)疊加3.2.3時頻分析法運用FTAN法對互相關結果提取頻散曲線（圖3.12）。圖3.12(a)為第1道與第4道互相關結果提取的頻散曲線，相速度約為1000m/s。圖3.12(b)為第10道與第13道互相關結果提取的頻散曲線，相速度約為800m/s。圖3.12(c)為第17道與第20互相關結果提取的頻散曲線，相速度約為1100m/s。這三條頻散曲線的速度也比煤層實際的面波相速度高一些，可能是因為信號受傳送帶和切割機的影響，信噪比較低造成的，還可能是因為檢波器在野外接收數(shù)據(jù)太久，導致出現(xiàn)了一些壞道?？傊?，分析這三條頻散曲線，其相速度變化相對較小，說明該區(qū)域地下20m以內較為均勻，無地質異常體。圖3.12FTAN法提取的頻散曲線(a)1-4互相關(b)10-13互相關(c)17-20互相關3.3被動源數(shù)據(jù)處理將第一組數(shù)據(jù)，即檢波器布設在煤層一側時采集到的數(shù)據(jù)，進行被動源處理又分為了三個部分。第一部分為將全長7200s的數(shù)據(jù)兩兩進行互相關，運用相移法從該互相關結果中提取頻散信息。第二部分為將傳送帶部分截取出來進行兩兩進行互相關后，運用相移法提取頻散信息。第三部分為將傳送帶產(chǎn)生的信號截掉的剩余部分進行兩兩進行互相關后，運用相移法提取頻散信息。背景噪聲在進行互相關前需要進行一系列處理，包括去均值、去趨勢、去儀器響應、濾波、時間歸一化、頻譜白化等。通常，波形數(shù)據(jù)總會存在一個非零的均值或者存在一個長周期的線性趨勢，這會影響到數(shù)據(jù)的分析，所以必須在數(shù)據(jù)處理前去均值、去趨勢。從信號處理的角度來看，常見的地震儀是一個帶通濾波器，對地震學不關心的超高頻和超低頻的信號進行壓制，只保留感興趣的周期段，所以在數(shù)據(jù)處理前還要去除儀器響應。對數(shù)據(jù)進行濾波，只留下對所研究內容有用的頻率段，便于分析信號。時間歸一化是為了減少地震、臺站附近非平穩(wěn)噪聲源等產(chǎn)生的影響，常見的五種時域歸一化的方法分別為：“one-bit”法、閾值截斷法、地震事件自動檢測去除法、滑動絕對平均歸一化、水準量迭代歸一化。頻譜白化，可拓寬背景噪聲的頻帶。3.3.1整體互相關圖3.1展示了原始信號中的一段，對這個原始信號整體進行兩兩互相關，互相關前需要進行上述去均值、去趨勢、去儀器響應、濾波、時間歸一化、頻譜白化等處理，之后再進行互相關。本次時間歸一化采用的方法為“one-bit”歸一化，即令時間域中大于0的數(shù)據(jù)等于1，小于0的數(shù)據(jù)等于-1，如圖3.13所示。圖3.14為截取的-1s至1s的互相關結果，第一個波形為所有間距5m的地震道進行互相關之后疊加的結果，第二個波形為所有間距10m的道進行互相關疊加的結果，第三個波形為所有間距15m的道進行互相關疊加的結果，按這個規(guī)律從上到下依次排列。本次互相關結果呈現(xiàn)“8字型”，說明互相關受檢波器位置的影響嚴重。圖3.13時間歸一化(one-bit法)圖3.14整體互相關結果由于將整體進行互相關得到的結果，隨著檢波器間距的增大，受檢波器位置的影響也越大，所以選取間距為5m、10m、15m的互相關結果來提取頻散信息，將這三段波形截取至-0.1s-0.1s進行相移，截取的波形如圖3.15所示。提取頻散結果如圖3.16所示，相速度大約為800m/s，與實際煤層的速度較為接近，但其頻率較高，所以只能判斷該區(qū)域煤層下方7m內無地質異常體。由于采集的背景噪聲周圍干擾較大，信噪比低，提取頻散結果并不好，所以推測的結果可靠性較低。對其進行頻譜分析，圖3.17為其中某一道的頻譜，發(fā)現(xiàn)低頻和高頻能量相當。圖3.15整體互相關截取后的結果圖3.16整體互相關相移后得到的頻散圖像圖3.17整體互相關第10道的振幅譜3.3.2傳送帶互相關首先將每一段傳送帶的信號垂直截取出來，然后再從每一段中沿著與傳送帶信號平行的方向將每個信號斜著截取出來，圖3.18為其中某一段截取的結果。圖3.18截取的某一段傳送帶信號將截取的每一段信號進行兩兩互相關，進行互相關前同樣需要進行去均值、去趨勢、去儀器響應、濾波、時間歸一化、頻譜白化等一系列操作，之后在再進行互相關。圖3.19為傳送帶互相關結果，第一個波形為所有間距5m的地震道進行互相關之后疊加的結果，第二個波形為所有間距10m的道進行互相關疊加的結果，按這個規(guī)律從上到下依次排列。圖中最大的正波形為傳送帶每次振動互相關得到的，在其兩邊有兩個關于這個正波形對稱的負波形，為截取信號時兩邊都為0造成的影響。圖3.19中第一道和第二道0時刻附近的強信號為我們想要的同一個震源激發(fā)在各道接收到的信號進行互相關的結果。所以又選取間距為5m、10m、15m的結果來提取頻散。將這三段波形截取至-0.1s-0.1s（圖3.20），然后進行相移，相移結果如圖3.22所示。由于信噪比低，提取的頻散結果并不好，相速度難以判斷。對其進行頻譜分析，圖3.21為其中某一道的頻譜，發(fā)現(xiàn)低頻能量很強，說明切割機產(chǎn)生的影響較大。圖3.19截取的傳送帶信號互相關結果圖3.20傳送帶部分互相關截取后的結果圖3.21傳送帶互相關第10道的振幅譜圖3.22傳送帶互相關相移后得到的頻散圖像3.3.3剩余部分互相關將之前每一段垂直截取的信號中去掉傳送帶產(chǎn)生的信號，如圖3.23所示，從上到下依次為第一道至第20道。圖3.23截取的某一段去掉傳送帶部分后的信號將截取的每一段信號進行兩兩互相關，進行互相關前同樣需要進行去均值、去趨勢、去儀器響應、濾波、時間歸一化、頻譜白化等一系列處理。圖3.24為每一段去掉傳送帶信號后進行互相關的結果，第一個波形為所有間距5m的地震道進行互相關之后疊加的結果，第二個波形為所有間距10m的道進行互相關疊加的結果，按這個規(guī)律從上到下依次排列。本次僅去掉了一個方向的傳送帶產(chǎn)生的信號，但傳送帶上方和下方是向兩個方向滑動的，因此截取后信號中還是存在傳送帶產(chǎn)生的信號?；ハ嚓P結果中最大的正波形為傳送帶每次振動互相關得到的，在其兩邊有兩個關于這個正波形對稱的負波形，為截取信號時兩邊都為0造成的影響。因為截取的一段中可能有不只一條傳送帶產(chǎn)生的斜信號，所以互相關結果中就會出現(xiàn)很多個那種正極值并且兩邊伴游負極值的信號。圖3.24去掉傳送帶信號后剩余部分互相關結果圖3.24中前四道0時刻附近的強信號為我們想要的同一個震源激發(fā)，在各道接收到的信號進行互相關的結果。所以選取互相關間距為5m、10m、15m、20m的結果來提取頻散，將這四段波形截取至-0.1s-0.1s進行相移，圖3.25為截取后的波形，圖3.26為提取的頻散圖像，相速度大概為800m/s，與實際煤層的速度較為接近，但提取頻散信息頻段較高，因此只能判斷該區(qū)域煤層下方5m范圍內無地質異常體。由于采集的背景噪聲周圍干擾較大，信噪比低，提取頻散結果并不好，所以推測的結果可靠性較低。對其進行頻譜分析，圖3.27為某一道的振幅譜，發(fā)現(xiàn)低頻能量很強，說明切割機產(chǎn)生的影響較大。圖3.25剩余部分互相關截取后的結果圖3.26去掉傳送帶信號剩余部分互相關相移后得到的頻散圖像圖3.27剩余部分互相關第10道的振幅譜

結論和建議4.1結論隨著國內煤礦開采深度的增大，工作面內的地質異常體引起的安全和生產(chǎn)問題日益突出。為了解決煤層下地質異常體的探測問題，本文采用主動源與被動源聯(lián)合的方法對其進行勘探。由于主動源沒有炮檢距，所以引入了互相關相移法對其提取頻散信息，又采用FTAN法對互相關結果提取頻散曲線，與之前相移法的結果對比驗證。綜上，本文得到以下幾點結論：互相關相移法不僅可以不依賴于震源信息，而且可以提高頻散圖像的品質。該方法適用面很廣，可適用于工程地震和油氣勘探多種主動源方式獲得的面波記錄。(2)主動源互相關相移得到的相速度約為1000m/s，與實際煤層中面波相速度較為接近。但頻散圖像較差，提取的頻散曲線頻率較高，約為150Hz-400Hz，且頻散曲線不圓滑，分析其可能為信噪比低的原因造成的。三次錘擊得到的相速度相差較小，且與實際煤層中面波相速度較為接近，說明該區(qū)域地下7m范圍內較為均勻，無地質異常體。(3)主動源三次錘擊的互相關結果通過FTAN法提取頻散曲線得到的相速度分別為1000m/s、800m/s、1100m/s，與實際煤層中面波相速度較為接近。該方法提取的頻散曲線頻率較相移法低一些，為50Hz-250Hz，因此可判斷的深度范圍比相移法大一些。該方法得到的速度與相移法得到的速度也較為接近，因此可推測該區(qū)域地下20m范圍內較為均勻，無地質異常體。(4)對同一側的背景噪聲采集時周圍干擾較大，信噪比低，按三種方法來截取進行互相關相移得到的結果較差，所以得到的結果可靠性較低。(5)對對穿的背景噪聲進行互相關后，通過FTAN法提取頻散曲線得到的群速度約為1000m/s，與實際煤層的速度較為接近，說明該區(qū)域地下較為均勻，無地質異常體。4.2建議本文針對煤層下方地質異常體的探測問題，將主動源與被動源方法相結合，得到的結果還有很多不足之處，還需要進行深入的研究，具體如下：本文在對背景噪聲處理之前，沒有進行噪聲源分析，不了解產(chǎn)生噪聲的震源的情況，因此在處理時可靠性較低。本文在處理對穿的情況時，只采用了被動源的方法對其進行了處理分析，后續(xù)可使用主動源方法對其進行探測，將主動源結果和被動源結果對比分析，增加探測的精度。本文對對穿的背景噪聲互相關僅提取了部分頻散曲線，后續(xù)工作將對其全部提取頻散曲線，并對其進行層析成像。互相關結果受檢波器位置的影響，但本文在疊加時并未考慮該影響，所以疊加結果成“8字型”，還需要進一步考慮位置對互相關結果的影響，減小疊加造成的誤差。

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