工作面断层的三维槽波波场模拟与探测方法研究

摘要

随着煤矿机械化开采程度的不断提高，煤矿井下工作面内断层已成为影响煤矿安全与高效开采重要因素之一，由于地面物探与井下无线电波透视方法探测断层的局限，为此，需要发展在煤矿井下近距离、大透距、高精度查明影响煤矿安全开采断层的物探方法。槽波接收点和震源接近探测目标体，具有穿透距离大、频率高、能量强、信噪比高的特点，在井下小断层探测中具有明显的优势。论文采用GPU并行算法进行三维槽波弹性波场模拟，分析井下工作面断层的槽波波场特征，探讨透射槽波探测断层的分辨能力，进行断层落差预测，优化观测系统，以提高槽波探测断层的能力与精度。
　　采用CUDA编程技术和优化技术，研究基于GPU并行计算的三维槽波快速高精度交错网格高阶有限差分数值模拟方法，降低三维数值模拟计算中的存储问题，模拟断层三维槽波波场精度高，与基于CPU平台运算结果比，占用内存更低，运算速度更快。
　　通过槽波频散分析，选取Airy相附近频率为子波主频，建立了一系列井下工作面断层关键地质参数断层模型，模拟断层落差、倾角、走向、顶底板岩性和组合方式，进行频散分析与改进层析成像CT成像，从理论上探讨透射槽波探测断层的分辨能力。数值模拟分析表明，槽波振幅衰减系数随断层落差增加而增大，随煤层厚度增加而减小，推导一定煤厚条件下槽波衰减系数与断层落差关系式，并制作衰减系数、断层落差与煤厚关系量板图。为了提高槽波对断层横向分辨力，尝试采用槽波属性RGB融合方法，提高了信噪比和分辨能力，将振幅衰减系数、断层落差与煤厚关系量板图，及槽波属性RGB融合方法，应用于实际资料解释中，解释的断层落差与巷道实际揭露吻合较好。
　　通过正演模拟，基于CT成像效果以测量值相对误差与射线密度两个标准，探讨槽波观测系统对工作面断层的探测能力，优化观测系统。并应用到工程实践，建立了一套基于透射槽波高精度断层探测方法。

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 研究目的和意义(Aim and Significance of the Research)

1.2 国内外研究现状(Research Reviews)

1.3 研究内容和创新点(Research Contents and Innovation)

2 三维槽波波场模拟原理与方法

2.1 弹性波方程交错网格高阶有限差分数值解的推导（Derivation of Finite Difference Numerical Solution of Staggered - grid in Elastic Wave Equation）

2.2 GPU并行加速计算原理（GPU Parallel Acceleration Calculation Principle）

2.3 基于多GPU平台的三维弹性波数值模拟算法实现（Realization of Three-Dimensional Elastic Wave Numerical Simulation Algorithm Based on Multi-GPU Platform）

2.4 GPU并行算法模型测试（Model Test of GPU Parallel Algorithm）

2.5 小结（Summary）

3 断层槽波三维波场模拟与特征分析

3.1 槽波频散分析与改进层析成像 CT 算法(Seam Wave Dispersion Analysis and Improved CT Algorithm)

3.2 工作面断层基本模型与震源子波选择（ The Basic Model of Working Face and The Selection of Source Wave）

3.3 断层走向、倾向相同时，不同落差断层模型槽波三维波场模拟及特征分析（ Three-Dimensional Wave Field Simulation and Characteristic Analysis of Seam Wave of Fault Model That Same Direction、Tendency and Different Throw）

3.4 断层落差、走向相同时，不同倾角断层模型槽波三维波场模拟及特征分析（ Three-Dimensional Wave Field Simulation and Characteristic Analysis of Seam Wave of Fault Model That Same Throw、Strike and Different Tendency）

3.5 断层落差、倾角相同时，不同走向断层模型槽波三维波场模拟及特征分析（ Three-Dimensional Wave Field Simulation and Characteristic Analysis of Seam Wave of Fault Model That Same Throw、Tendency and Different Strike）

3.6 其他类型的断层模型槽波三维波场模拟及特征分析（ Three-Dimensional Wave Field Simulation and Characteristic Analysis of Seam Wave of Fault Model That Special Types）

3.7 小结（Summary）

4 槽波属性RGB融合解释技术

4.1 RGB融合技术原理（RGB Joint Rendering Technology Principle）

4.2 断层模型槽波属性 RGB 融合分析（ Analysis of Seam Wave Attributes RGB Fusion of Faults）

4.3 槽波属性RGB融合应用（RGB Fusion Application of Seam Wave Attributes）

4.4 小结（Summary）

5 基于数值模拟断层落差经验公式推导及最佳观测系统布置

5.1 槽波断层落差预测量板（Fault Drop Prediction Plate Template of Seam Wave）

5.2 基于数值模拟最佳观测系统布置（ Optimal Observation System Layout Based on Numerical Simulation）

5.3 基于模型研究结果的工程应用（ Practical engineering application based on model research results）

5.4 小结（Summary）

6 结论与建议

6.1 结论(Conclusions)

6.2 存在问题与建议(Existent Problems and Suggestions)

参考文献

作者简历

学位论文数据集