1、 分类号 ： 2011 届 本科生毕业论文 题目： 震波 CT 探测效果影响因素 分析 2011年 4 月 10日 院 系、专 业： 地球科学与工程学院 、 地质工程 研 究 方 向： 矿 井 物 探 学 生 姓 名： 汤 明 学 号： 2007100614 指导教师姓名： 刘 向 红 指导教师职称： 讲 师 摘要 摘 要 震波 CT 探测技术是一种物理前提条件很好、应用领域很广、发展前景很大的地球物理勘探新技术，近年来煤矿井下探测中更是取得很大的研究进展。本次在淮北矿业集团朱仙庄矿进行的震波 CT 探测，利用了纵波波速异常，横波波速异常，以及泊松比异常，目的是查明工作 面内的地质构造情况，为
2、煤炭安全开采提供有利保障。 为了研究如何提高震波 CT 对面内构造的探测精度，本文主要从观测系统的设计，以及反演方法的选择上去研究。 关键词： 震波 CT； 采煤工作面； 地质构造； 纵波； 横波； 泊松比； 观测系统 宿州学院毕业论文 (设计 ) ABSTRACT CT detection technology shock is a physical prerequisite for good applications is very broad, geophysical exploration and development prospects of great new technolog
3、ies, in recent years in the coal mine detection research is made great progress. The in Huaibei Mining Group conducted Zhuxianzhuang mine shock wave CT detection, use of the longitudinal wave velocity anomalies, shear wave velocity anomalies, and Poissons ratio anomaly, aimed at identifying the geol
4、ogical structure face the situation of coal mining to provide a favorable safety protection. 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. Keywords: Seismic C
5、T； Coal face； Geological structure； Longitudinal wave；transverse wave； Poissons ratio 目录 目 录 摘 要 . - 0 - ABSTRACT. - 0 - 1 引 言 . - 1 - 1.1 研究背景 . - 0 - 1.2 研究意义 . - 0 - 1.3 研究内容、思路及方法 . - 0 - 2 地震 CT 的基本原理以及分类 . - 0 - 2.1 基本原理 . - 0 - 2.2 地震 CT 成像方法的分类 . - 0 - 3 影响震波 CT 探测效果的因素及应对措施 . - 0 - 3.1 数据投影
6、角度不全的问题 . - 0 - 3.2 数据不均匀覆盖 . - 0 - 3.3 参考模型引起的非线性误差问题 . - 8 - 3.4 边界作用 . - 8 - 3.5 数据的不确定性问题 . - 8 - 3.6 模型参数不同分量的不确定性不同的问题 . - 8 - 4 工程实例 . - 0 - 4.1 工作面概况 . - 0 - 4.2 探测技术方案 . - 1 - 4.2.1 探测的任务 . - 1 - 4.2.2 地球物理前提及探测方法选择 . - 1 - 4.3 探测布置及数据采集 . - 0 - 4.3.1 仪器设备 . - 0 - 4.3.2 探测布置 . - 0 - 4.3.3 数
7、据采集 . - 0 - 4.4 地震数据处理 . - 1 - 4.4.1 处理方法及流程 . - 1 - 4.4.2 网格划分 . - 1 - 4.4.3 记录整理 . - 0 - 目录 4.4.4 CT 反演 . - 0 - 4.5 CT 反演结果与解释 . - 0 - 4.6 综合地质解析分析 . - 0 - 4.7 结论和建议 . - 1 - 5 对震波 CT 探测技术的几点认识 . - 1 - 5.1 震波 CT 成像的基础理论问题 . - 1 - 5.2 震波 CT 在采煤工作面的应用特点 . - 0 - 参考文献 . - 0 - 致 谢 . 1 宿州学院毕业论文 (设计 ) - 1
8、 - 震波 CT 探测效果影响因素分析 汤明 （ 宿州学院 地理与环境科学系，安徽 宿州 234000） 1 引 言 震波 CT 即地震层析成像是地球物理学科的一个研究领域。在地球物理学研究中勘探地球物理是一个青的学科，它起源于 20 世纪 30 年代 .早期的地球物理勘探和地球物理方法从属于地 质方法 ， 即地质学家预测一个构造，地球物理学家用他们的原始的勘探技术去验证这一结构。 60 年代，地球物理学家获得了地下二维数字记录，使得地球物理学家从野外回到了室内，为从数字记录中获得地下结构的图 像 开始了精细的数据处理与解释的研究。 80 年代，随着计算机工作站的发展，数字处理技术从二维向三维
9、迅速发展，地球物理学家可以清晰地看清地下结构的图 像 。从而地球物理学完成了从受地质学驱使到驱动地质学发展的循环12（ Russell， 1999) ，即地球物理学家通过使用地球物理的数据采集技术、数字处理技术和可视化技术看清三 维地下结构。目前，勘探地球物理已经成为经济和生产领域的高技术之一。 20 世纪 60 年代初期，美国科学家 Cormack 从数学和实验结果证实了根据 X射线的投影可以唯一地确定人体内部结构，从而奠定了医学诊断上图像重建的理论基础 ， 即 X 射线 CT（ X Ray Computer Tomography)。 60 年代中期和 70 年代中期，随着数学图像重建方法在
10、射电天文学和电子显微学等方面的应用和发展，在数学方法上出现了本质上与奥地利数学家 1917年提出的 Rndon逆变换方法相同的褶积投影方法， Chapman13首先从理论 上证明了地震学中的 -P 变换即是 Rndon 变换（ Chapman， 1981) 。此后，地学界借助医学 CT思想，利用地震波的传播对地壳乃至上地幔结构开始进行半定量研究 .从此，地震层析成像成为地球物理学研究的一个新领域。 地震层析成 像 的研究在 70 年代首先以井间速度结构调查为研究对 像14(Boisetal， 1972)。 1979 年， Dines 和 Lytle15首先对地震层析成像做了大量数值模拟 ， 并
11、公布了利用弯曲的地震波射线进行地下地震波速度成像的结果，并首先将层析成 像 (Computerized Geophysical Tomography)这一名词用于论文的标题。1984 年，美国的 Anderson16利用天然地震数据着手全球构造研究，并公布了全球三维速度结构 ， 从而使人们对重力场变化、密度结构、地幔物质流动有了新的认识。 80 年代，地震层析成像发展到勘探地球物理学界，自从在亚特兰大 (Atlanta)召开的第 54届地球物理勘探学家协会 (SEG (Society of Exploration Geophysicists) )年 会 上 设置 了 地震 层 析成 像 研究
12、内 容的 专题 之 后， 以 Daily(1984) , Somerstein17(1984) ,Prattand Worthington18(1984)， Bishop19(1985)等人的研究为震波 CT 探测效果影响因素分析 - 2 - 代表 ， 利用人工地震发射与接收系统的地震层析成 像 理论、方法和技术以数值模拟的形式得到深入、广泛的研究。 90 年代，不论是利用天然地震数据还是人工地震数据的地震层析成像方法在认识地球的基础研究领域以及在资源勘探、工程勘探、环境保护、文物调查、防灾减灾等许多应用领域都得到实验性研究并取得有效的进展。 1.1 研究背景 煤炭是中国重要的基础能源和重要原
13、料，在国民经济中具有重要的战略 地位。煤炭在中国一次能源消费构成中的比例一直占以上，中国煤炭资源约占化石能源的。因此，可以说煤炭是中国主体能源，是能源安全的基石。 煤炭的基础地位也就决定了，做好煤矿安全的重要性。但是煤矿在生产过程中经常会遇到很多地质灾害，例如： 2010 年 3 月 1 日 神华集团乌海能源有限责任公司骆驼山煤矿发生特别重大透水事故，造成 32 人死亡、 7 人受伤，直接经济损失 4853 万元。 2010 年 3 月 28 日，华晋焦煤有限责任公司王家岭矿在基建施工中发生透水事故，造成 38 人死亡、 115 人受伤，直接经济损失 4937 万元。这些都是 2010 年发生
14、的特大型矿难事故，伤亡人数较少的小矿难就更多了。因此，加强地质灾害的预报对煤矿的安全生产有重要作用。目前解决 煤矿地质灾害预报经济高效的 方法就是矿井物探 ,与钻探相比物探更经济且效率高。物探的方法也很多，但是近几年在国内对预测断层等地质构造效果较好的是震波 CT 探测技术。 断层等地质构造及其异常是影响煤层安全高效开采的最主要的地质因素，其主要特征是使得煤层的稳定性、连续性、及倾角等发生较大变化，给煤矿综合机械采煤带来很大影响。目前在矿井工作面中真正对生产影响最大的落差为 3 5m的中小断层构造，这也是 矿井地质工作研究的主要内容。为了保证开采工作的顺利进行，通常需在工作面回采前利用各种探测
15、手段，对工作面中地质条件进行探测与评价，查明工作面内已揭露和隐伏的断层构造是评价目标之一。目前对采煤工作面中地质构造及异常的探测方法相对比较少，无线电波坑透方法往往受到电磁波衰减的影响较大，在工作面内的穿透距离有限，一般只有几十米，且解释的构造迹线不够明显。地质雷达法同样遭受干扰因素较多，而且探测距离有限。与此相比，井巷间地震波 CT 技术能够对地质构造行迹进行全面细致的判定，并能对煤层顶板稳定性、煤体破坏等特征进行解释，具 有较好的应用价值 1-2。 1.2 研究意义 在前人研究的基础上，继续研究影响震波 CT 探测效果的各种因素、造成影响的原因以及采取何种措施才能有效地避免或尽量减小这种影
16、响。知道了可能对探测效果会造成不好影响的因素后，在 CT探测实施前做好炮点和检波点的设计、对巷道内的不利条件提前做好准备、仪器安装按照标准操作减小误差提高探测的宿州学院毕业论文 (设计 ) - 3 - 精度，较为全面的掌握工作面内的地质信息，为煤矿的高效安全生产提供保障。 1.3 研究内容、思路及方法 本文主要从震波 CT的观测系统的设计现场操作，以及反演方法的选择上来，提高震波 CT 的探测 精度。然而提高探测精度一般可以从前期的数据采集和后期的数据处理两个方面着手。 1.通过作对比实验分析观测系统各个因素的变化对探测效果的影响，确定最合适的观测系统，总结观测系统设计的一般原则，最终达到提高
17、探测精度的目的。 2.分析数据反演成像中存在的一些问题，提出理论上可行的改进方法，在处理软件上进行调整，然后用调整后的软件处理数据，和以前的软件对比，分析处理效果。 最后以一个震波 CT 探测在某煤矿工作面的实际探测说明的探测效果。 2 地震 CT 的基本原理以及分类 2.1 基本原理 震波 CT 技术，即地震层析成像技 术，它是地震 CT是通过地质体（结构）的外部地震波走时和衰减的观测数据，来准确、可靠地反演出地质体内部结构的直观图像。地震波穿透岩土介质时，其速度快慢与岩土介质的弹性模量、剪切模量、密度有关。密度大、强度高的岩石模量大、波速高、走时短，反之亦然。完整坚硬、孔隙度小的岩体波速高
18、，吸收弱、能量衰减小；破碎岩体和松散的土体波速低、吸收强、能量衰减大，因而地震 CT 图像能可靠地反应各类岩土体的分布界线及岩体的破碎程度和分布。地震 CT 勘探特别适用于研究各类地层、构造、岩体、土体的分布界线及其力学性状在工程地质勘察中常被用 来探查断裂带、节理带、含水带、溶洞、风化带等不良地质体（结构）的位置、形态及力学强度等。随着方法研究的深入和日益广泛的应用，地震 CT勘探已经发展为一个方法系列，成像物理量包括波速、能量衰减、泊松比等多种类型，成像方式可以利用直达波、反射波、折射波、面波等多种形式组合，可利用钻孔、隧道、隧洞、边坡、山体、地面等多种观测条件，进行二维、三维地质成像 4
19、-6。本文主要研究地震波在不同介质中的走时差，通过在探测区域内构成切片，根据地震波信号初至时间数据的变化，利用计算机通过不同的数学处理方法重建介质速度的二维图像 7-8。 根据一定的观测系统，由此获得地震波初至时的数据并进行慢度 )( yxS ， 或速度 )( yxv ， 分布反演，即 )(/1)( yxSyxv ， （ 1） 震波 CT 探测效果影响因素分析 - 4 - 假设地震波的第 l 个路径为 il ，其地震波初至时间为 it ，则 ili dsyxSt ),( （ 2） 式中： ds 为弧长微元。通常在速度场变化不大的情况下，可近似把射线路径作为直线求解，这样 it 为已知，从而可反
20、演慢度或速度值。对速度场图像重建，首先使用反投演法 ( BPT 法 )计算出叠代初值，并进一步采用算术迭代法 (ART 法 )和联合迭代法 (SIRT 方法 )进行终值叠代，由于 SIRT 方法收敛速度较快，而且对投影数据误差的敏感度小，结果多选取 SIRT 方法反演结果为地震波 CT 图像进行地质解释 7-11。 2.2 地震 CT 成像方法的分类 地震层析成像从不同的角度可以进行不同的分类。 1) 根据地震勘探中的布局方式，分为地表反射（或折射）层析成像、井间层析成像、 VSP 层析成像和反向 VSP 层析成像； 2) 根据所利用的数据类型分为反射层析、透射层析和折射层析； 3) 根据所利
21、用的地震剖面上的属性的不同可分为走时层析、振幅层析和波形层析； 4) 根据层析成像方法所利用的理论基础，基本可以分为以射线理论为基础的射线层析和以波动理论为基础的绕射层析。不同角度的分类之间是交叉的。 3 影响震波 CT探测效果的因素及应对措 施 震波 CT 成像在应用中主要存在的问题是：（ 1）数据投影角度不全；（ 2）数据不均匀覆盖；（ 3）参考模型引起的非线性误差；（ 4）边界作用；（ 5）数据的不确定性问题（即数据中含有噪音）；（ 6）模型参数中不同分量的不确定性不同。下面具体分析问题的产生原因 ,提出应对策略： 3.1 数据投影角度不全的问题 如果数据的投影角度不全，就不能唯一地恢复
22、图 像 函数 .在地震层析成像中，由于震源和检波器只能离散地分布在地面或井中，且数目有限，因而获得的投影数据的角度范围有限。决定了得到的解不唯一，只能依靠工作人员根据对工区实际情 况的了解以及工作经验 ,施加约束来得到唯一解 .而且射线的覆盖角度有限使得层析反演出的图 像 沿着射线路径模糊 .地震勘探的观测方式决定了数据投影角度不全的程度，对于地震勘探中的三种典型观测方式 VSP（垂直地震剖面）、Crosshole（井间地震勘探）和 SRP（地表反射地震勘探）： Crosshole 投影角度一般在 50 度之内； VSP 投影角居中；而 SRP 投影角最小，仅为 25 度。 地震勘探各种观测方
23、式中数据的投影方向决定了地震速度层析成像在各方宿州学院毕业论文 (设计 ) - 5 - 向的分辨率。在反射地震勘探中，由于射线主要是垂直方向的，因此在反射地震速度层析成像中，垂向分辨率不如横向分辨率 ;而井间地震勘探中，由于射线主要是水平方向的，因而横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) ， 而井间地震勘探中存 在横向模糊性 (Horizontal Smearing)20。反射地震勘探中的射线多为垂直方向的，因而能较好地确定了地质体垂向部分的左右边界，即地质体垂向部分左右边界清晰，而由于水平方向射线较少，因而地质体水平部分的上下边界相对模
24、糊，即垂向模糊 .由于多数地质体都是水平方向分布的，因而在反射地震勘探中层析反演 出来的 图像 将深受这种“垂向模糊性”的影响。同样的道理，由于井间地震勘探中水平方向的射线居多，因而地质体的水平部分的上下边界能够较精确地确定，而垂直部分的左右边界相对模糊，即横向模糊。 在实际应用中，主要从采集和处理两方面采取措施来减少数据投影角度不全的影响 。 在采集方面可以通过增大检波器排列的长度增大投影角度 ； 在数据处理方面发展更多扩展空间谱范围的方法。 3.2 数据不均匀覆盖 不均匀的射线覆盖主要有两方面原因：一方面与观测方式和数据采集的质量有关，如炮点之间不等距、检波点之间不等距、不同炮的数据偏移距
25、不同 、 不 同道的数据之间质量不同等。另一方面，对每一炮而言，所有的射线都从炮点出发，因此在炮点处射线是非常密集的，而在远离炮点的地方，射线相对稀疏。此外速度结构也影响射线的覆盖方式 ， 由于速度的非均匀性射线可能在某些地方聚集而在其它某些地方发散 21。在地震勘探的观测方式中， SRP 中射线的覆盖是相对均匀的，而 VSP 中射线覆盖最不均匀，因此 VSP 层析受数据不均匀覆盖的影响最为严重。 在层析反演中，如果对数据的不均匀覆盖不进行处理，则不均匀覆盖的数据会以一种不均匀且不可预测的方式使反演结果发生畸变 21。数据的不均匀覆 盖表明数据对不同模型参数的控制程度不同。而层析成像中最常用的
26、常规 DLS(阻尼最小二乘 )法的最优准则是使数据拟合差和解长度同时最小。而常规的 DLS 法中解长度的定义为 m m， 即所有的模型参数具有相同的权重 ， 因而常规的 DLS 法忽略了数据的不均匀覆盖的影响， Wang and Braile21证明用忽略数据不均匀覆盖影响的 DLS 法得出得模型校正量正比于射线的覆盖程度 .射线覆盖程度高的区域内的网格点被过分校正 ， 而射线覆盖程度低的区域内的网格点校正量不足，而那些没有任何射线穿过的网格点的校正量为零。 减少数据 不均匀覆盖对层析结果的不利影响的途径是减少模型校正量和射线覆盖程度的相关性。主要有两种方法 ， 一种是根据数据的控制程度对模型参数进行加权，如变阻尼法 21。另一种是采取某种措施使数据对每一模型参数的控
