煤層下方地質(zhì)異常體的探測(cè)

煤層下方地質(zhì)異常體的探測(cè)摘要煤炭是我國的基礎(chǔ)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(fèi)總量的占比逐年減小，甚至在今年消費(fèi)占比首次低于60%，但在未來的一段時(shí)期內(nèi)，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(qiáng)度開發(fā)，開采深度不斷增大，開采環(huán)境日益復(fù)雜，由斷層、陷落柱、孤石等地質(zhì)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(zhì)異常體的精細(xì)探測(cè)具有重要意義。主動(dòng)源產(chǎn)生的瑞雷波在層狀介質(zhì)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(yīng)用最廣泛的一種主動(dòng)源面波提取頻散曲線的方法，將互相關(guān)技術(shù)與相移法結(jié)合進(jìn)行頻散成像，可提高面波頻散成像的質(zhì)量。對(duì)于被動(dòng)源，背景噪聲互相關(guān)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(dòng)源和被動(dòng)源聯(lián)合探測(cè)，使用互相關(guān)相移法和FTAN法對(duì)山西大同某一煤礦中采集的主動(dòng)源信號(hào)和被動(dòng)源信號(hào)提取頻散曲線，從而對(duì)下方的地質(zhì)異常體進(jìn)行探測(cè)。通過互相關(guān)相移法和FTAN法對(duì)主動(dòng)源信號(hào)和被動(dòng)源信號(hào)提取頻散曲線，得到如下結(jié)論：互相關(guān)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(zhì)。(2)主動(dòng)源互相關(guān)相移得到的相速度與實(shí)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(zhì)異常體。(3)主動(dòng)源互相關(guān)后，通過FTAN法提取頻散曲線得到的相速度與實(shí)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(cè)該區(qū)域地下較為均勻，無地質(zhì)異常體。(4)對(duì)同一側(cè)的背景噪聲按三種方法來截取進(jìn)行互相關(guān)相移得到的結(jié)果較差，可靠性較低。(5)對(duì)對(duì)穿的背景噪聲進(jìn)行互相關(guān)后，通過FTAN法提取頻散曲線得到的群速度約為1000m/s，與實(shí)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(zhì)異常體。關(guān)鍵詞：瑞雷波；頻散曲線；煤層；主動(dòng)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(nèi)外研究現(xiàn)狀 27558_WPSOffice_Level31.2.1煤層巷道地質(zhì)異常探測(cè)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(nèi)容及章節(jié)安排 56742_WPSOffice_Level31.3.1主要研究內(nèi)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(guān)相移法 829430_WPSOffice_Level22.2背景噪聲互相關(guān)技術(shù) 827567_WPSOffice_Level22.3頻時(shí)分析法 1030663_WPSOffice_Level1第三章數(shù)據(jù)處理 1313542_WPSOffice_Level23.1預(yù)處理 1319653_WPSOffice_Level23.2主動(dòng)源數(shù)據(jù)處理 1432031_WPSOffice_Level33.2.1互相關(guān) 154894_WPSOffice_Level33.2.2相移法 1828463_WPSOffice_Level33.2.3時(shí)頻分析法 191854_WPSOffice_Level23.3被動(dòng)源數(shù)據(jù)處理 2026359_WPSOffice_Level33.3.1整體互相關(guān) 202571_WPSOffice_Level33.3.2傳送帶互相關(guān) 2327716_WPSOffice_Level33.3.3剩余部分互相關(guān) 2527823_WPSOffice_Level1第四章結(jié)論和建議 286621_WPSOffice_Level24.1結(jié)論 2823538_WPSOffice_Level24.2建議 2931239_WPSOffice_Level1致謝 3027642_WPSOffice_Level1參考文獻(xiàn) 31緒論選題的目的與意義煤炭是我國的基礎(chǔ)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(jì)、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(nèi)外經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不確定因素，國家的科技進(jìn)步等，導(dǎo)致煤炭的生產(chǎn)總量和消費(fèi)總量的占比逐年減小，甚至在今年消費(fèi)占比首次低于60%，但在未來一段時(shí)期內(nèi)，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(qiáng)度開發(fā)，淺部煤炭資源已不滿足于現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)狀況，開采深度必然不斷增大，開采環(huán)境日益復(fù)雜，開采條件變得困難，導(dǎo)致工作面內(nèi)的地質(zhì)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(nèi)的地質(zhì)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(zhì)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(zhì)作用或人為原因引起的地質(zhì)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(zhì)異常體的存在嚴(yán)重影響采煤機(jī)的正常工作。斷層、撓曲、煤層變薄帶或無煤區(qū)等地質(zhì)異常會(huì)使煤層突然間斷，從而迫使切割機(jī)“割頂破底”，進(jìn)而影響煤炭的質(zhì)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(nèi)涌水(吳榮新等,2013)。因此，開展煤礦下方地質(zhì)異常體的精細(xì)探測(cè)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(dòng)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(chǎng)，從地下傳播后返回到地面，從地面接收到的地震信號(hào)中選擇有效的瑞雷波信號(hào)來提取瑞雷波相速度頻散曲線。另一類為被動(dòng)源方法，該方法利用隨機(jī)震源產(chǎn)生的地震波和背景噪聲提取瑞雷波頻散曲線?？傊?，這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(jìn)行淺層探測(cè)的無損技術(shù)(Parketal.,1999)，由于具有線性排列、識(shí)別和隔離噪聲、計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此被普遍應(yīng)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(shí)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(jìn)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(dòng)源和被動(dòng)源結(jié)合的方法，獲得兩種方法的相速度頻散圖像，通過對(duì)比，從而驗(yàn)證煤礦井下是否含有地質(zhì)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(guān)方法與相移法結(jié)合的方法，偏移距為兩個(gè)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(shí)通過引入互相關(guān)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(zhì)量。本文又運(yùn)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(zhì)異常體提供另一依據(jù)。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀煤層巷道地質(zhì)異常探測(cè)現(xiàn)狀目前探測(cè)煤層下方地質(zhì)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(duì)電磁波吸收能力不同進(jìn)行探測(cè)的一種物探方法。利用這一規(guī)律，在工作面巷道一側(cè)發(fā)射電磁波，另一側(cè)接收電磁波，若傳播過程中遇到地質(zhì)異常，會(huì)接收不到信號(hào)或接受的信號(hào)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(cè)煤層構(gòu)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(cè)中也已經(jīng)有了幾十年的歷史，技術(shù)也較為成熟，先后有多個(gè)地區(qū)進(jìn)行了實(shí)踐，如高一峰對(duì)開灤某礦的工作面進(jìn)行了工程方面的實(shí)踐，討論了各項(xiàng)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(duì)于煤層工作面內(nèi)的地質(zhì)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(cè)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(jìn)。直流電透視法。該方法是以探測(cè)目標(biāo)與圍巖間存在電性差異為基礎(chǔ)的，通常煤層顯示為高電阻率，而泥巖、砂巖、泥質(zhì)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(duì)較低。該方法目前還在試驗(yàn)中，未成功進(jìn)行實(shí)踐。劉天放和李志聃首先在煤層礦井中嘗試應(yīng)用直流電法進(jìn)行探測(cè)(劉天放和李志聃,1993)。劉志新等進(jìn)行正演模擬，證實(shí)了直流電透視法能探測(cè)煤層礦井中的構(gòu)造異常體，為后續(xù)的研究提供了方法技術(shù)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(cè)法將該方法應(yīng)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(yīng)用于大傾角條件下，拓寬了該方法的應(yīng)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(shí)，體波部分能量由于煤層頂?shù)椎娜瓷淞粼诿簩又校诿簩又邢嚅L干涉形成的一種擾動(dòng)波(蔣錦朋,2018)。若工作面內(nèi)地質(zhì)異常，則槽波的傳播就會(huì)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(jì)50年代開始出現(xiàn)，90年代在煤層小構(gòu)造探測(cè)方面應(yīng)用較廣。Ge等在美國一煤礦利用反射勒夫型槽波對(duì)該煤礦的采空區(qū)邊界進(jìn)行了探測(cè)(Geetal.,2007)。隨后又有學(xué)者通過反射型槽波測(cè)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(duì)透射勒夫型槽波的傳播特征進(jìn)行了研究(Yangetal.,2009)。王偉等在在河南義馬礦區(qū)應(yīng)用透射勒夫型槽波探測(cè)方法對(duì)煤層的速度、厚度進(jìn)行了探測(cè)(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(duì)煤層構(gòu)造異常進(jìn)行探測(cè)。槽波勘探探測(cè)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(dá)時(shí)刻很難辨別，分析解釋的方法不夠成熟，測(cè)量結(jié)果有待提高(胡澤安等,2017)。地震波層析成像技術(shù)（地震波CT）。地震波層析成像探測(cè)技術(shù)是利用透射波在經(jīng)過地下傳播時(shí)，遇到不連續(xù)的地層，其速度、振幅、頻率等均會(huì)發(fā)生變化來進(jìn)行地質(zhì)異常探測(cè)的一種方法。地震波層析成像技術(shù)于20世紀(jì)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(jì)80年代在我國開始進(jìn)行可行性分析(曹德欣和曹思遠(yuǎn),1992)。鄭高升和凌標(biāo)燦在1998年使用該方法探測(cè)了新集礦區(qū)巷道內(nèi)的構(gòu)造異常(鄭高升和凌標(biāo)燦,1998)。彭蘇萍在2002年首次采用地震層析成像技術(shù)，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(cè)技術(shù)，對(duì)煤礦采動(dòng)時(shí)底板的破壞規(guī)律進(jìn)行了探測(cè)(張平松等,2006)。方良成等利用地震波層析成像技術(shù)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(shù)精度較高，但數(shù)據(jù)采集過程復(fù)雜，并且不適用于長期進(jìn)行監(jiān)測(cè)。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(dòng)源法，一類為被動(dòng)源法。面波主動(dòng)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(chǎng)，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(hào)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(jìn)行淺層能源探測(cè)(劉康等,2018)。英國數(shù)學(xué)物理學(xué)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(xué)者們通過對(duì)瑞雷波的研究，在20世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)了其在層狀介質(zhì)中的頻散特性，隨后嘗試將這種地震波應(yīng)用到對(duì)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測(cè)的研究中。Jones在早期提出布設(shè)兩個(gè)檢波器來接收地震波，挑選其中穩(wěn)態(tài)的瑞雷波進(jìn)行互相關(guān)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(gè)檢波器與震源位于同一直線上進(jìn)行接收，將采集的兩道記錄在頻率域進(jìn)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(gè)檢波器處在一條直線上來進(jìn)行接收，該方法具有線性排列、可識(shí)別和隔離噪聲、計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，被大家廣泛應(yīng)用(MillerRDetal.,1999)。Hayashi等提出將互相關(guān)技術(shù)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(gè)頻率附近的任意兩道信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)，同時(shí)進(jìn)行相位角掃描，因此每兩道信號(hào)可以構(gòu)成一個(gè)頻散圖像，提取面波的頻散曲線，將互相關(guān)與多道面波分析法結(jié)合應(yīng)用起來(Luoetal.,2008b)。伍敦仕等提出CCPS法(Cross-CorrelationandPhase-Shifting)，是一種將互相關(guān)技術(shù)與相移法聯(lián)合應(yīng)用的頻散成像方法，該方法通過將互相關(guān)技術(shù)引入，可提高面波頻散成像的質(zhì)量(伍敦仕等,2017)。被動(dòng)源法用隨機(jī)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(guān)法(spatialautocorrelation,SPAC)(Aki,1957)?？臻g自相關(guān)法主要用于淺層勘探，如探測(cè)地鐵工程中的“孤石”(徐佩芳等,2012)，目前也被運(yùn)用于反演較大尺度的地殼橫波速度結(jié)構(gòu)(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(diǎn)點(diǎn)連線形成頻散曲線(Capon,1970)。Okada等將空間自相關(guān)法進(jìn)行擴(kuò)展，提出了為擴(kuò)展空間自相關(guān)法(Okadaetal.,2003)。之后隨著背景噪聲技術(shù)的興起，使用背景噪聲互相關(guān)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(xué)者成功試驗(yàn)(Picozzietal.,2009;deNiscoandNunziata,2011)。之后國內(nèi)也有很多學(xué)者將NCF法成功運(yùn)用于小尺度面波勘探中，如李成等在合肥市區(qū)布設(shè)臺(tái)站，通過NCF法提取了面波頻散曲線，反演地下橫波速度結(jié)構(gòu)(李成等,2014)?？臻g自相關(guān)法和背景噪聲互相關(guān)法在物理方面的理論上是一致的(YokoiandMargaryan,2008;TsaiandMoschetti,2010)，但空間自相關(guān)法得到的是布設(shè)排列下方區(qū)域的平均頻散曲線，背景噪聲互相關(guān)函數(shù)法得到的是任意兩個(gè)地震臺(tái)站之間路徑上的頻散曲線。NCF法對(duì)臺(tái)站的布置位置較為自由，采集方便，僅需要兩個(gè)臺(tái)站就可以提取頻散，而且能更好地覆蓋所探測(cè)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(hào)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(diǎn)連線形成頻散曲線。國內(nèi)有很多學(xué)者都對(duì)這種方法提取瑞雷波波頻散曲線時(shí)可能存在的問題進(jìn)行過討論，如李子偉等研究了空間假頻對(duì)F-K域Rayleigh波頻散曲線反演的結(jié)果(李子偉和劉學(xué)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(jìn)，為由Park等1998年SEG年會(huì)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(duì)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(yùn)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(jìn)行重建，提出了高分辨率的拉動(dòng)變換法(SacchiandUlrych,1995)。隨后Luo等應(yīng)用高分辨率拉東變換法實(shí)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(nèi)容及章節(jié)安排主要研究內(nèi)容針對(duì)煤層巷道下地質(zhì)異常體的探測(cè)問題，采用主動(dòng)源和被動(dòng)源聯(lián)合應(yīng)用的方法，分別提取頻散圖像。由于主動(dòng)源對(duì)淺層分辨力較高，勘探深度淺，被動(dòng)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(nèi)容如下：主動(dòng)源面波勘探主動(dòng)源勘探采用多道面波分析法（MASW），并且將互相關(guān)與常規(guī)相移法結(jié)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(zhì)量。之后又運(yùn)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(zhì)是否均勻，為探測(cè)地質(zhì)異常體提供另一依據(jù)。被動(dòng)源面波勘探被動(dòng)源勘探采用背景噪聲互相關(guān)法（NCF），由于地震背景噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)疊加后包含有面波的頻散信息，從而可提取面波信號(hào)，然后類似于主動(dòng)源勘探的多道面波分析法，利用相移法得到頻散圖像，進(jìn)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(duì)國內(nèi)外煤層巷道地質(zhì)異常探測(cè)現(xiàn)狀以及面波勘探主動(dòng)源方法及被動(dòng)源方法現(xiàn)狀進(jìn)行了回顧。然后概括了本文所研究的內(nèi)容。闡述了主動(dòng)源多道面波法提取頻散圖像時(shí)采用的常規(guī)相移法的基本原理以及互相關(guān)相移法的基本原理。然后論證了被動(dòng)源互相關(guān)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理。然后對(duì)采集的主動(dòng)源進(jìn)行互相關(guān)，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(duì)主動(dòng)源提取頻散曲線，與相移法得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。之后對(duì)被動(dòng)源分三類進(jìn)行互相關(guān)，分別為：整體進(jìn)行互相關(guān)、傳送帶信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)、去除傳送帶信號(hào)后剩余部分進(jìn)行互相關(guān)，對(duì)三類互相關(guān)結(jié)果進(jìn)行相移，得到頻散圖像，分析相速度頻散曲線，并將其與主動(dòng)源結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)論和建議。對(duì)本次所做工作進(jìn)行了總結(jié)，并指出目前的不足之處，為日后進(jìn)一步研究進(jìn)行展望。

基本原理2.1多道面波分析法多道面波分析法進(jìn)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(shí)間域的面波記錄通過傅里葉變化轉(zhuǎn)到頻率域中，拾取頻率域中的能量峰值進(jìn)行簡單變化即可得到相速度頻散曲線。本文主要運(yùn)用互相關(guān)與相移法結(jié)合的方法進(jìn)行面波頻散成像。2.1.1相移法相移法為1998年P(guān)ark等在SEG年會(huì)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(jìn)，其本質(zhì)為將記錄轉(zhuǎn)換到頻率域進(jìn)行傾斜疊加。假設(shè)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(shí)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(duì)振幅項(xiàng)進(jìn)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(shí)驗(yàn)的相速度值，逐個(gè)地震道進(jìn)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(hào)。觀察(3)式，發(fā)現(xiàn)當(dāng)實(shí)驗(yàn)相速度等于真實(shí)相速度時(shí)，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(qiáng)。然后對(duì)每個(gè)頻率都進(jìn)行計(jì)算，即可得到相速度頻散圖像。2.1.2互相關(guān)相移法伍敦仕等在2017年提出了互相關(guān)相移法，該方法為一種將相移法與互相關(guān)技術(shù)相結(jié)合的頻散成像方法(伍敦仕等,2017)。如果在進(jìn)行相移時(shí)，不只是對(duì)某一道的相位角進(jìn)行掃描疊加，而是將所有道的相位差信息全部放進(jìn)來參與掃描疊加，則可能提高頻散成像的品質(zhì)。對(duì)上述(3)式進(jìn)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(jìn)一步展開（5）由(5)式顯然可知，當(dāng)?shù)扔谡鎸?shí)相速度時(shí)，上述公式求和得到最大值，是常規(guī)相移法計(jì)算結(jié)果的倍。將互相關(guān)技術(shù)引入相移法中，可以減弱其他干擾對(duì)面波頻散成像品質(zhì)的影響。2.2背景噪聲互相關(guān)技術(shù)在聲學(xué)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(guān)并疊加后包含了介質(zhì)的本征信息。很多學(xué)者也通過地震背景噪聲的觀測(cè)資料處理結(jié)果證實(shí)了兩臺(tái)站長時(shí)間觀測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)疊加后包含有面波的頻散信息。朱良保在2011年證實(shí)了地震背景噪聲互相關(guān)函數(shù)與面波的激發(fā)公式是等價(jià)的(朱良保等,2011)。其文章假設(shè)地球?yàn)橐粋€(gè)水平的且橫向均勻的層狀模型。假設(shè)背景噪聲是不規(guī)則震源產(chǎn)生的波且進(jìn)行疊加而成的，震源位置為，觀測(cè)點(diǎn)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(guān)的相位，為激發(fā)點(diǎn)到接收點(diǎn)的距離。某一臺(tái)站的地震背景噪聲記錄可以看作為這個(gè)區(qū)域內(nèi)所有的隨機(jī)噪聲源產(chǎn)生的地震波的疊加，可表示為（7）其中上角標(biāo)表示對(duì)所有噪聲源進(jìn)行求和，為第個(gè)噪聲源發(fā)震時(shí)刻與參考時(shí)間的時(shí)間差。同理對(duì)另一臺(tái)站進(jìn)行處理。將和臺(tái)站采集的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)，得到頻率域表達(dá)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(tái)站連線上的震源，稱為有效震源區(qū)，在這一區(qū)域中，（為臺(tái)站間距），并且兩觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)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。可將右行波表示為（11）其中上角標(biāo)表示對(duì)有效震源區(qū)內(nèi)的噪聲源進(jìn)行求和，上角標(biāo)表示對(duì)有效震源區(qū)之外的噪聲源進(jìn)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(duì)左行波進(jìn)行處理得（17）式(16)、(17)為背景噪聲互相關(guān)的面波理論表達(dá)式，與(6)式相似，因此背景噪聲互相關(guān)處理后的地震波與面波的激發(fā)是等價(jià)的。對(duì)采集的地震背景噪聲進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，利用不同間距的互相關(guān)得到了不同到時(shí)的面波信號(hào)，與主動(dòng)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(shí)分析法Bensen在2007年對(duì)背景噪聲層析成像的數(shù)據(jù)處理過程進(jìn)行了總結(jié)，文中對(duì)提取頻散曲線的傳統(tǒng)方法，即頻時(shí)分析法(FTAN)進(jìn)行了概括(Bensenetal.,2007)。假設(shè)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(jìn)行傅里葉逆變換得到時(shí)間域的表達(dá)式如下：（19）其中為的希爾伯特變化。為了構(gòu)造頻時(shí)函數(shù)，解析信號(hào)要進(jìn)行中心頻率為的高斯窄帶濾波，即（20）（21）其中為調(diào)諧參數(shù)。將每個(gè)帶通函數(shù)變換為時(shí)間域得到平滑的二維包絡(luò)函數(shù)和相位函數(shù)。群速度通過包絡(luò)函數(shù)被測(cè)得，相速度通過相位函數(shù)被測(cè)得。對(duì)于高斯濾波中心頻率為，其包絡(luò)函數(shù)的峰值處群速度到時(shí)為。因此群速度為（22）其中為臺(tái)站間距。用瞬時(shí)頻率代替高斯帶通濾波器的中心頻率，瞬時(shí)頻率定義為時(shí)間時(shí)刻解析信號(hào)的相位的時(shí)間變化率。瞬時(shí)頻率表示如下：（23）分析包絡(luò)函數(shù)和測(cè)得的群速度曲線。相速度不能通過群速度直接導(dǎo)出，但相速度可以計(jì)算群速度。假設(shè)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(guān)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(gè)頻率可知，。然而這個(gè)在一般情況下并不適用。相速度曲線的測(cè)量除了群速度包絡(luò)函數(shù)的測(cè)量還需要一些信息，該信息源自解析信號(hào)的相位，可近似認(rèn)為由傳播項(xiàng)、初始源相位和相位模糊項(xiàng)組成。瞬時(shí)頻率為時(shí)可以寫為：（27）其中為旅行時(shí)，為臺(tái)站間距，為波數(shù)，為源相位，為相位模糊相。用觀測(cè)到的群速度到達(dá)時(shí)間估計(jì)觀測(cè)相位，令，得到相慢度的表達(dá)式：（28）對(duì)于背景噪聲互相關(guān)，源相位為0。對(duì)于垂直分量背景噪聲互相關(guān)之間的速度波形，相位模糊項(xiàng)(Linetal.,2007)。因此，對(duì)于垂直分量背景噪聲互相關(guān)中導(dǎo)出的相位慢度可以寫為：（29）其中。

數(shù)據(jù)處理3.1預(yù)處理本次處理的為在山西大同某一煤層巷道內(nèi)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(nèi)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(shí)傳送帶和切割機(jī)均在運(yùn)行。在1號(hào)、10號(hào)、20號(hào)檢波器處分別錘擊10次，產(chǎn)生主動(dòng)源信號(hào)。同時(shí)也可將傳送帶作為主動(dòng)源進(jìn)行處理。圖3.1展示了200-300s這一時(shí)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(hào)即為傳送帶振動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)，每條斜信號(hào)的間隔時(shí)間大概為20秒。圖3.1200s-300s數(shù)據(jù)波形圖對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。將該數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變化轉(zhuǎn)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(hào)的振幅譜，對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。分析圖3.2，發(fā)現(xiàn)低頻能量較強(qiáng)，高頻能量較弱，而在巷道中切割機(jī)激發(fā)的信號(hào)表現(xiàn)為低頻，傳送帶激發(fā)的信號(hào)表現(xiàn)為高頻，說明切割機(jī)產(chǎn)生的能量相對(duì)較強(qiáng)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(nèi)分別布置了10道檢波器采集的（圖3.3），各巷道內(nèi)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(dòng)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(hào)，發(fā)現(xiàn)將傳送帶作為主動(dòng)源產(chǎn)生的信號(hào)傳播距離都比較近，傳播距離約10m左右，而將錘擊作為主動(dòng)源產(chǎn)生的信號(hào)傳播距離都相對(duì)較遠(yuǎn)一些，所以找到在1號(hào)、10號(hào)、20號(hào)檢波器處錘擊的信號(hào)作為本次數(shù)據(jù)處理的主動(dòng)源信號(hào)。將每一次錘擊產(chǎn)生的信號(hào)分別截取出來，截取的每一段時(shí)間長度均為0.15s。圖3.4展示了在10號(hào)點(diǎn)錘擊的信號(hào)，從上到下依次為第1道至第20道的信號(hào)。圖3.5展示了在10號(hào)點(diǎn)錘擊截取出來的某一段信號(hào)，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(hào)有延遲，第6-9道檢波器接收到的波形不符合實(shí)際，所以后續(xù)采用第11-14道的信號(hào)進(jìn)行處理。圖3.4在第10號(hào)檢波器處錘擊的波形圖圖3.5截取的在第10號(hào)檢波器處某一次錘擊產(chǎn)生的波形圖3.2.1互相關(guān)將截取的每一次錘擊信號(hào)兩兩進(jìn)行互相關(guān)。在1號(hào)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(hào)，將截取后的信號(hào)進(jìn)行兩兩互相關(guān)，然后將相同道互相關(guān)的結(jié)果進(jìn)行疊加，圖3.6展示了其兩兩互相關(guān)后疊加的結(jié)果，從上到下依次為1-2、1-3、1-4、2-3、2-4、3-4互相關(guān)結(jié)果。圖3.6在第1號(hào)檢波器旁激發(fā)的信號(hào)互相關(guān)疊加后的結(jié)果圖圖3.7在第10號(hào)檢波器旁激發(fā)的信號(hào)互相關(guān)疊加后的結(jié)果圖在10號(hào)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(hào)進(jìn)行兩兩互相關(guān)，然后將相同道互相關(guān)的結(jié)果進(jìn)行疊加，圖3.7展示了其兩兩互相關(guān)后疊加的結(jié)果，從上到下依次為11-12、11-13、11-14、12-13、12-14、13-14互相關(guān)結(jié)果。在20號(hào)檢波器旁錘擊（在該點(diǎn)共錘擊了10次），僅第17-20道能接收到明顯的信號(hào)，將截取后的信號(hào)進(jìn)行兩兩互相關(guān)，然后將相同道互相關(guān)的結(jié)果進(jìn)行疊加，圖3.7展示了其兩兩互相關(guān)后疊加的結(jié)果，從上到下依次為20-19、20-18、20-17、19-18、19-17、18-17互相關(guān)結(jié)果。觀察圖3.8，第20道與任何一道互相關(guān)結(jié)果都比較差。為了判斷互相關(guān)結(jié)果較差的原因，對(duì)其原始信號(hào)進(jìn)行分析（圖3.9），發(fā)現(xiàn)第20道檢波器接收到的原始信號(hào)就比較差。又對(duì)其進(jìn)行頻譜分析（圖3.10），第20道低頻能量較強(qiáng)，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(hào)檢波器旁激發(fā)的信號(hào)互相關(guān)疊加后的結(jié)果圖圖3.9第20號(hào)檢波器處某一次錘擊產(chǎn)生的波形圖圖3.10第20號(hào)檢波器處錘擊產(chǎn)生信號(hào)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(guān)結(jié)果進(jìn)行相移，得到頻散圖像（圖3.11）。由于互相關(guān)最大間距為15m，所以只能得到高頻的速度。圖3.11(a)為1號(hào)檢波器旁錘擊的信號(hào)互相關(guān)相移得到的結(jié)果，相速度約為1100m/s，實(shí)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(hào)，認(rèn)為造成這個(gè)情況的原因?yàn)樾旁氡容^低。圖3.11(b)為10號(hào)檢波器旁錘擊的信號(hào)互相關(guān)相移得到的結(jié)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(hào)及互相關(guān)結(jié)果，認(rèn)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(hào)檢波器旁錘擊的信號(hào)互相關(guān)相移得到的結(jié)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(guān)結(jié)果進(jìn)行疊加相移得到的結(jié)果，相速度約為1100m/s，比實(shí)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(nèi)無地質(zhì)異常體。圖3.11相移后得到的頻散圖像(a)第1個(gè)檢波器旁錘擊(b)第10個(gè)檢波器旁錘擊(c)第20個(gè)檢波器旁錘擊(d)疊加3.2.3時(shí)頻分析法運(yùn)用FTAN法對(duì)互相關(guān)結(jié)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(guān)結(jié)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(guān)結(jié)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(guān)結(jié)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(shí)際的面波相速度高一些，可能是因?yàn)樾盘?hào)受傳送帶和切割機(jī)的影響，信噪比較低造成的，還可能是因?yàn)闄z波器在野外接收數(shù)據(jù)太久，導(dǎo)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(duì)較小，說明該區(qū)域地下20m以內(nèi)較為均勻，無地質(zhì)異常體。圖3.12FTAN法提取的頻散曲線(a)1-4互相關(guān)(b)10-13互相關(guān)(c)17-20互相關(guān)3.3被動(dòng)源數(shù)據(jù)處理將第一組數(shù)據(jù)，即檢波器布設(shè)在煤層一側(cè)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行被動(dòng)源處理又分為了三個(gè)部分。第一部分為將全長7200s的數(shù)據(jù)兩兩進(jìn)行互相關(guān)，運(yùn)用相移法從該互相關(guān)結(jié)果中提取頻散信息。第二部分為將傳送帶部分截取出來進(jìn)行兩兩進(jìn)行互相關(guān)后，運(yùn)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(hào)截掉的剩余部分進(jìn)行兩兩進(jìn)行互相關(guān)后，運(yùn)用相移法提取頻散信息。背景噪聲在進(jìn)行互相關(guān)前需要進(jìn)行一系列處理，包括去均值、去趨勢(shì)、去儀器響應(yīng)、濾波、時(shí)間歸一化、頻譜白化等。通常，波形數(shù)據(jù)總會(huì)存在一個(gè)非零的均值或者存在一個(gè)長周期的線性趨勢(shì)，這會(huì)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(shì)。從信號(hào)處理的角度來看，常見的地震儀是一個(gè)帶通濾波器，對(duì)地震學(xué)不關(guān)心的超高頻和超低頻的信號(hào)進(jìn)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(yīng)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，只留下對(duì)所研究內(nèi)容有用的頻率段，便于分析信號(hào)。時(shí)間歸一化是為了減少地震、臺(tái)站附近非平穩(wěn)噪聲源等產(chǎn)生的影響，常見的五種時(shí)域歸一化的方法分別為：“one-bit”法、閾值截?cái)喾ā⒌卣鹗录詣?dòng)檢測(cè)去除法、滑動(dòng)絕對(duì)平均歸一化、水準(zhǔn)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(guān)圖3.1展示了原始信號(hào)中的一段，對(duì)這個(gè)原始信號(hào)整體進(jìn)行兩兩互相關(guān)，互相關(guān)前需要進(jìn)行上述去均值、去趨勢(shì)、去儀器響應(yīng)、濾波、時(shí)間歸一化、頻譜白化等處理，之后再進(jìn)行互相關(guān)。本次時(shí)間歸一化采用的方法為“one-bit”歸一化，即令時(shí)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(guān)結(jié)果，第一個(gè)波形為所有間距5m的地震道進(jìn)行互相關(guān)之后疊加的結(jié)果，第二個(gè)波形為所有間距10m的道進(jìn)行互相關(guān)疊加的結(jié)果，第三個(gè)波形為所有間距15m的道進(jìn)行互相關(guān)疊加的結(jié)果，按這個(gè)規(guī)律從上到下依次排列。本次互相關(guān)結(jié)果呈現(xiàn)“8字型”，說明互相關(guān)受檢波器位置的影響嚴(yán)重。圖3.13時(shí)間歸一化(one-bit法)圖3.14整體互相關(guān)結(jié)果由于將整體進(jìn)行互相關(guān)得到的結(jié)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(guān)結(jié)果來提取頻散信息，將這三段波形截取至-0.1s-0.1s進(jìn)行相移，截取的波形如圖3.15所示。提取頻散結(jié)果如圖3.16所示，相速度大約為800m/s，與實(shí)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(nèi)無地質(zhì)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(jié)果并不好，所以推測(cè)的結(jié)果可靠性較低。對(duì)其進(jìn)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(dāng)。圖3.15整體互相關(guān)截取后的結(jié)果圖3.16整體互相關(guān)相移后得到的頻散圖像圖3.17整體互相關(guān)第10道的振幅譜3.3.2傳送帶互相關(guān)首先將每一段傳送帶的信號(hào)垂直截取出來，然后再從每一段中沿著與傳送帶信號(hào)平行的方向?qū)⒚總€(gè)信號(hào)斜著截取出來，圖3.18為其中某一段截取的結(jié)果。圖3.18截取的某一段傳送帶信號(hào)將截取的每一段信號(hào)進(jìn)行兩兩互相關(guān)，進(jìn)行互相關(guān)前同樣需要進(jìn)行去均值、去趨勢(shì)、去儀器響應(yīng)、濾波、時(shí)間歸一化、頻譜白化等一系列操作，之后在再進(jìn)行互相關(guān)。圖3.19為傳送帶互相關(guān)結(jié)果，第一個(gè)波形為所有間距5m的地震道進(jìn)行互相關(guān)之后疊加的結(jié)果，第二個(gè)波形為所有間距10m的道進(jìn)行互相關(guān)疊加的結(jié)果，按這個(gè)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(dòng)互相關(guān)得到的，在其兩邊有兩個(gè)關(guān)于這個(gè)正波形對(duì)稱的負(fù)波形，為截取信號(hào)時(shí)兩邊都為0造成的影響。圖3.19中第一道和第二道0時(shí)刻附近的強(qiáng)信號(hào)為我們想要的同一個(gè)震源激發(fā)在各道接收到的信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)的結(jié)果。所以又選取間距為5m、10m、15m的結(jié)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(jìn)行相移，相移結(jié)果如圖3.22所示。由于信噪比低，提取的頻散結(jié)果并不好，相速度難以判斷。對(duì)其進(jìn)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(qiáng)，說明切割機(jī)產(chǎn)生的影響較大。圖3.19截取的傳送帶信號(hào)互相關(guān)結(jié)果圖3.20傳送帶部分互相關(guān)截取后的結(jié)果圖3.21傳送帶互相關(guān)第10道的振幅譜圖3.22傳送帶互相關(guān)相移后得到的頻散圖像3.3.3剩余部分互相關(guān)將之前每一段垂直截取的信號(hào)中去掉傳送帶產(chǎn)生的信號(hào)，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(hào)將截取的每一段信號(hào)進(jìn)行兩兩互相關(guān)，進(jìn)行互相關(guān)前同樣需要進(jìn)行去均值、去趨勢(shì)、去儀器響應(yīng)、濾波、時(shí)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(hào)后進(jìn)行互相關(guān)的結(jié)果，第一個(gè)波形為所有間距5m的地震道進(jìn)行互相關(guān)之后疊加的結(jié)果，第二個(gè)波形為所有間距10m的道進(jìn)行互相關(guān)疊加的結(jié)果，按這個(gè)規(guī)律從上到下依次排列。本次僅去掉了一個(gè)方向的傳送帶產(chǎn)生的信號(hào)，但傳送帶上方和下方是向兩個(gè)方向滑動(dòng)的，因此截取后信號(hào)中還是存在傳送帶產(chǎn)生的信號(hào)?；ハ嚓P(guān)結(jié)果中最大的正波形為傳送帶每次振動(dòng)互相關(guān)得到的，在其兩邊有兩個(gè)關(guān)于這個(gè)正波形對(duì)稱的負(fù)波形，為截取信號(hào)時(shí)兩邊都為0造成的影響。因?yàn)榻厝〉囊欢沃锌赡苡胁恢灰粭l傳送帶產(chǎn)生的斜信號(hào)，所以互相關(guān)結(jié)果中就會(huì)出現(xiàn)很多個(gè)那種正極值并且兩邊伴游負(fù)極值的信號(hào)。圖3.24去掉傳送帶信號(hào)后剩余部分互相關(guān)結(jié)果圖3.24中前四道0時(shí)刻附近的強(qiáng)信號(hào)為我們想要的同一個(gè)震源激發(fā)，在各道接收到的信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)的結(jié)果。所以選取互相關(guān)間距為5m、10m、15m、20m的結(jié)果來提取頻散，將這四段波形截取至-0.1s-0.1s進(jìn)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(shí)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(nèi)無地質(zhì)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(jié)果并不好，所以推測(cè)的結(jié)果可靠性較低。對(duì)其進(jìn)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(qiáng)，說明切割機(jī)產(chǎn)生的影響較大。圖3.25剩余部分互相關(guān)截取后的結(jié)果圖3.26去掉傳送帶信號(hào)剩余部分互相關(guān)相移后得到的頻散圖像圖3.27剩余部分互相關(guān)第10道的振幅譜

結(jié)論和建議4.1結(jié)論隨著國內(nèi)煤礦開采深度的增大，工作面內(nèi)的地質(zhì)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(zhì)異常體的探測(cè)問題，本文采用主動(dòng)源與被動(dòng)源聯(lián)合的方法對(duì)其進(jìn)行勘探。由于主動(dòng)源沒有炮檢距，所以引入了互相關(guān)相移法對(duì)其提取頻散信息，又采用FTAN法對(duì)互相關(guān)結(jié)果提取頻散曲線，與之前相移法的結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證。綜上，本文得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：互相關(guān)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(zhì)。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(dòng)源方式獲得的面波記錄。(2)主動(dòng)源互相關(guān)相移得到的相速度約為1000m/s，與實(shí)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(shí)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(nèi)較為均勻，無地質(zhì)異常體。(3)主動(dòng)源三次錘擊的互相關(guān)結(jié)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(shí)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(cè)該區(qū)域地下20m范圍內(nèi)較為均勻，無地質(zhì)異常體。(4)對(duì)同一側(cè)的背景噪聲采集時(shí)周圍干擾較大，信噪比低，按三種方法來截取進(jìn)行互相關(guān)相移得到的結(jié)果較差，所以得到的結(jié)果可靠性較低。(5)對(duì)對(duì)穿的背景噪聲進(jìn)行互相關(guān)后，通過FTAN法提取頻散曲線得到的群速度約為1000m/s，與實(shí)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(zhì)異常體。4.2建議本文針對(duì)煤層下方地質(zhì)異常體的探測(cè)問題，將主動(dòng)源與被動(dòng)源方法相結(jié)合，得到的結(jié)果還有很多不足之處，還需要進(jìn)行深入的研究，具體如下：本文在對(duì)背景噪聲處理之前，沒有進(jìn)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(shí)可靠性較低。本文在處理對(duì)穿的情況時(shí)，只采用了被動(dòng)源的方法對(duì)其進(jìn)行了處理分析，后續(xù)可使用主動(dòng)源方法對(duì)其進(jìn)行探測(cè)，將主動(dòng)源結(jié)果和被動(dòng)源結(jié)果對(duì)比分析，增加探測(cè)的精度。本文對(duì)對(duì)穿的背景噪聲互相關(guān)僅提取了部分頻散曲線，后續(xù)工作將對(duì)其全部提取頻散曲線，并對(duì)其進(jìn)行層析成像?；ハ嚓P(guān)結(jié)果受檢波器位置的影響，但本文在疊加時(shí)并未考慮該影響，所以疊加結(jié)果成“8字型”，還需要進(jìn)一步考慮位置對(duì)互相關(guān)結(jié)果的影響，減小疊加造成的誤差。

參考文獻(xiàn)白永利,王云龍,張鵬.無線電波透視技術(shù)在探查隱伏地質(zhì)構(gòu)造中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),2015,34(10):107-109.曹德欣,曹思遠(yuǎn).用地震CT技術(shù)探測(cè)煤層的不連續(xù)性[J].CT理論與應(yīng)用研究,1992(03):1-6.方良成,吳榮新,張愛華.煤層工作面內(nèi)陷落柱綜合物探探查[J].中國煤炭地質(zhì),2013,25(11):51-54.高一峰.無線電波透視在煤礦中的應(yīng)用[J].物探與化探,2007(S1):105-107.胡澤安,張平松,許光泉.煤層工作面地震波層析成像技術(shù)研究進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2017,32(06):2451-2459.蔣錦朋.基于彈性波全波形反演的煤層異常體成像研究[D].武漢:中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院,2018.樂勇,王偉,申青春等.槽波地震勘探技術(shù)在工作面小構(gòu)造探測(cè)中的應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探,2013,41(4):74-77.李成.基于背景噪聲方法的合肥城市近地表速度結(jié)構(gòu)研究[C].//2014年中國地球科學(xué)聯(lián)合學(xué)術(shù)年會(huì)——專題14：地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)及其變化的地震面波、背景噪聲及尾波研究論文集.北京:中國地球物理學(xué)會(huì),2014:1.李好管.“十三五”規(guī)劃關(guān)于中國能源、煤炭工業(yè)、煤炭深加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策導(dǎo)向(上)[J].煤化工,2017,45(3):1-6.李子偉,劉學(xué)偉.空間假頻對(duì)頻率—波數(shù)域瑞利面波頻散曲線反演的影響[J].石油地球物理勘探,2013,48(03):395-402.劉天放，李志聃.礦井地球物理勘探[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1993.劉云禎,王振東.瞬態(tài)面波法的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)及其應(yīng)用實(shí)例[J].物探與化探,1996,20(1):28-34.劉志新,岳建華,劉樹才.礦井直流電透視方法技術(shù)研究[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003(03):6-13.潘冬明,胡明順,崔若飛,李娟娟.基于拉東變換的瑞雷面波頻散分析與應(yīng)用[J].地球物理學(xué)報(bào),2010,53(11):2760-2766.彭蘇萍,凌標(biāo)燦,劉盛東.綜采放頂煤工作面地震CT探測(cè)技術(shù)應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002(12):1786-1790.王偉,高星,李松營,等.槽波層析成像方法在煤田勘探中的應(yīng)用——以河南義馬礦區(qū)為例[J].地球物理學(xué)報(bào),2012,55(03):1054-1062.伍敦仕,孫成禹,林美言.基于互相關(guān)相移的主動(dòng)源地震面波頻散成像方法[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2017,32(04):1693-1700.吳榮新,張平松,劉盛東.雙巷網(wǎng)絡(luò)并行電法探測(cè)工作面內(nèi)薄煤區(qū)范圍[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(09):1834-1838.吳榮新,劉盛東,肖玉林,等.工作面無線電波透視實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)成像分析及應(yīng)用[J].巖土力學(xué),2010,31(S1):435-440.吳榮新,肖玉林,張平松.坑透和并行電法探查大面寬綜采工作面地質(zhì)異常探討[J].中國煤炭地質(zhì),2013,25(04):63-67.徐佩芬.二維微動(dòng)剖面探測(cè)“孤石”:以深圳地鐵7號(hào)線為例[J].地球物理學(xué)報(bào),2012,55(6):2120-2128.徐佩芬,李世豪,凌甦群,等.利用SPAC法估算地殼S波速度結(jié)構(gòu)[J].地球物理學(xué)報(bào),2013b,56(11):3846-3854.徐義賢,羅銀河.噪聲地震學(xué)方法及其應(yīng)用[J].地球物理學(xué)報(bào),2015,58(08):2618-2636.張平松,吳基文,劉盛東.煤層采動(dòng)底板破壞規(guī)律動(dòng)態(tài)觀測(cè)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006(S1):3009-3013.張平松,凡凈,吳榮新,等.大傾角煤層工作面底板巖層富水異常區(qū)探查方法研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2015,32(04):639-643.張維,何正勤,胡剛,等.用面波聯(lián)合勘探技術(shù)探測(cè)淺部速度結(jié)構(gòu)[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2013,28(04):2199-2206.鄭高升,凌標(biāo)燦.地震CT技術(shù)在新集礦區(qū)的應(yīng)用[J].淮南礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1998(03):9-12.AkiK.Spaceandtimespectraofstationarystochasticwaves,withspecialreferencetomicrotremors[J].Bull.Earthq.Res.Inst.Tokyo,1957,35:415-456.BensenGD,RitzwollerMH,BarminMP,etal.Processingseismicambientnoisedatatoobtainreliablebroad-bandsurfacewavedispersionmeasurements.Geophys.J.Int.,2007,169(3):1239-1260.CaponJ.Applicationsofdetectionandestimationtheorytolargearrayseismology[J].Proc.IEEE,1970,58(5):760-770.DalMoroG,PipanM,ForteE,etal.DeterminationofRayleighwavedispersioncurvesfornearsurfaceapplicationsinunconsolidatedsediments[C].//SEGTechnicalProgramExpandedAbstracts.Dallas:SocietyofExplorationGeophysics,2003,1247-1250.DeNiscoG,NunziataC.VSProfilesfromNoiseCrossCorrelationatLocalandSmallScale[J].PureandAppliedGeophysics,2011,168(3-4):509-520.GeM,WangH,HardyHR,etal.Voiddetectionatananthracitemineusinganin-seamseismicmethod[J].InternationalJournalofCoalGeology,2007,73(3):201-212.HayashiK,SuzukiH.CMPcross-correlationanalysisofmultichannelsurface-wavedata[J].ExplorationGeophysics,35(1):7-13.JonesR.In-situmeasurementofthedynamicpropertiesofsoilbyvibrationmethods[J].Geotechnique,1958,8(1):1-21.LiDH,DongSH,ZhangC,etal.Applicationofmicro-seismicfaciestocoalbedmethaneexploration[J].MiningScienceandTechnology(China),2011,21(5):743-747.Lin,F.-C.,Ritzwoller,etal.AmbientnoiseRayleighwavetomographyofNewZealand,Geophys.J.Int.,inpress.2007.LuoYH,XiaJH,MillerRD,etal.Rayleigh-wavedispersiveenergyimagingusingahigh-resolutionlinearRadontransform[J].PureandAppliedGeophysics,2008a,165(5):903-922.LuoYH,XiaJH,LiuJP,etal.Generationofapseudo-2Dshear-wavevelocitysectionbyinversionofaseriesof1Ddispersioncurves[J].JournalofAppliedGeophysics,2008b,64(3-4):115-124.McMechanGA,YedlinMJ.Analysisofdispersivewavesbywavefieldtransformation[J].Geophysics,1981,46(6):86