煤矿微震震源参数反演及震源破裂机理研究

摘要

我国煤矿煤岩动力灾害非常严重。随着开采深度的不断增加，煤岩动力灾害日趋严重及复杂，对深部资源的安全高效开采造成重大影响。微震监测技术作为一种在煤矿中广泛应用的地球物理监测手段，在矿震及冲击地压的震源定位和能量分析、冲击地压演化过程以及监测预警等方面能发挥重要作用。然而，煤系地层非均质性强且多变，波场结构复杂，微震定位精度和稳定性难以满足现场需求，国内外对煤矿微震震源参数及震源破裂机理缺乏深入系统的研究。本文采用实验室实验、理论分析、数值模拟和现场试验验证等方法，以复杂煤岩介质条件下波场传播特征为切入点，深入研究基于高精度震源定位的震源参数和震源破裂机理，并进行现场验证与应用。论文得到的主要研究成果如下： 针对煤系地层复杂波场结构，基于声波方程的空间域4阶、时间域2阶高阶有限差分法，对各种复杂煤岩介质条件下的波场传播特征（波场快照和单炮记录）进行了模拟分析。结果表明：在不同的介质分界层产生的反射波、透射波以及各种转换波的形状都不同；在断层处会形成一个新的震源并产生折射波和绕射波；在双相介质中会产生慢P波和慢S波；在随机离散介质下，会产生复杂的散射波。为引入震源联合定位法和求取震源参数（尤其是品质衰减因子Q）打下基础。 提出了单纯形和双差联合微震定位方法，对煤矿现场微震震源位置进行了校正，提高了震源定位的精度。结果表明：单纯形和双差联合定位法给出的爆破事件的震源定位误差控制在20m以内，事件残差控制在15ms以内，验证了联合定位法的精度；通过联合定位法对煤矿微震事件重定位后的均方根残差由1.35s降到0.62s，震源定位精度提高，该方法有效地减少了地壳速度结构模型不精确导致的误差，保证了震源定位和求取震源参数的精度。 基于ω2模型，系统地分析了实验室小尺度煤岩体破裂和煤矿微震的震源参数（拐角频率f0、品质衰减因子Q、震源能量E、地震矩M0、震源半径R、应力降△ζ、视应力ζa）和震级，揭示了震源大小和应力状态等震源性质及震源参数随地震矩的变化特征。结果表明：小尺度破裂的震源参数f0和ζa随M0的增加线性减小，震源参数R和E随M0的增加线性增加，△ζ整体上围绕着某一个值上下波动；老虎台煤矿微震的震源参数f0随M0的增加线性减小，震源参数R、E和△ζ随M0的增加线性增加，但是△ζ与M0的线性关系较弱，ζa几乎围绕某一值上下波动，而且老虎台煤矿微震的f0和△ζ值明显小于天然地震对应震源参数的值。 研究了小尺度破裂和煤矿微震的震源破裂机制、破裂尺度和破裂面上的滑动分布，揭示了震源破裂机理。结果表明：通过矩张量反演法反演出的震源沙滩球， 清楚地判别了小尺度破裂和煤矿微震震源破裂存在的剪切破坏、剪切张拉破坏和剪切挤压破坏特征。根据建立的震源破裂尺度与矩震级的关系式求取了震源的破裂面积、长度、宽度和滑动分布，对震源的破裂范围进行了系统地评价。基于求取的破裂尺度和k2滑动破裂模型得出了不同震级破裂事件的震源滑动分布，揭示了震源的滑动破裂过程。 开发了“微震震源参数反演与震源破裂机理分析软件”，实现了对微震监测波形数据的自动处理、定位计算、震源参数反演及破裂机理分析。揭示了千秋煤矿冲击地压破坏的震源参数特征和机制，得到了4次冲击地压事件的震源破裂尺度和滑动分布数据，结果与现场实际情况基本吻合。揭示了矿震破裂面上滑动大的区域容易诱发冲击地压，因此可基于破裂面上滑动分布，对冲击地压进行有效的分区域防治。 研究成果对于进一步提高煤矿微震震源定位的精度、揭示矿震及冲击地压灾害震源破裂机理、准确评价和预测冲击地压、有效防治冲击地压灾害具有重要的理论意义和应用价值。

目录

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景及意义（Research Background and Significance）

1.2 煤矿微震研究综述（Research in Microseismic Monitoring Technique）

1.3. 存在的问题及不足（Problems and Inadequacies）

1.4 主要研究内容及研究方法（Research Outline and Technical Approach）

2不同煤岩介质条件下的波场特征分析

2.1 有限差分法的相关理论（Relevant Theories of Finite Difference Method）

2.2 二维声波方程有限差分格式的建立（ Establishment of Finite Difference Scheme for Two-Dimensional Acoustic Wave Equation）

2.3 基于高阶有限差分法的不同煤岩介质波场特征分析（ Wave Field Characteristics Analysis of Different Coal and Rock Media Based on High-order Finite Difference Method）

2.4 本章小结（Summary）

3基于单纯形和双差的联合定位法

3.1单纯形法和双差法的相关理论(Relevant Theories of Simplex Method and Double Difference Method)

3.2 单纯性和双差联合定位法的建立及定位精度验证（Establishment of Simple and Double Difference Joint Location Method and Verification of Location Accuracy）

3.3 基于联合定位法的煤矿微震震源定位校正 (Location Correction of Microseismic Source in Coal Mine Based on Joint Location Method)

3.4 本章小结（Summary）

4 小尺度破裂震源参数分析

4.1 震源参数分析相关理论(Relevant Theories of Source Parameter Analysis)

4.2 小尺度破裂的震源参数分析(Analysis of the Source Parameters of Small-scale Coal-rock Rupture in Laboratory)

4.3 本章小结（Summary）

5煤矿微震震源参数分析

5.1 老虎台煤矿微震事件的基本特征（ Basic Characteristics of Microseismic Events in Laohutai Coal Mine）

5.2 老虎台煤矿微震震源参数的求取（ Calculating parameters of microseismic source in Laohutai Coal Mine）

5.3 震源参数与地震矩的关系分析(Analysis of the Relation between Source Parameters and Earthquake Moment)

5.4Mw与ML的关系分析(Analysis of the relationship between Mw and ML)

5.5 本章小结（Summary）

6 小尺度破裂和煤矿微震的震源机制解和破裂面上滑动分布研究

6.1矩张量反演震源机制解 (Relevant Theories of Source Mechanism)

6.2震源破裂尺度和平均滑动分析(Analysis of Source Rupture Scale and Average Slip)

6.3小尺度破裂和煤矿微震震源破裂面上的滑动分布(Slip Distribution of Small Scale Rupture and Coal Mine Microseismic Source Rupture Surface)

6.4 本章小结（Summary）

7微震震源参数反演与震源破裂机理分析应用研究

7.1 重定位后震源参数的结果和关系分析(Calculation and Relationship Analysis of Source Parameters after Relocation)

7.2 矩张量反演震源机制解（ Solution of Source Mechanism for Moment Tensor Inversion）

7.3 震源破裂尺度和破裂面上滑动分布分析（ Analysis of Source Rupture Scale and Sliding Distribution on Rupture Surface）

7.4冲击地压震源参数和破裂机理分析及冲击地压防治研究（Analysis of source parameters and rupture mechanism of rock burst）

7.5 本章小结（Summary）

8全文总结、创新点及展望

8.1全文总结（Conclusions）

8.2创新点（Innovations）

8.3展望（Prospects）

参考文献

作者简历

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