CO2集中力源的地震波场特征及应用.pdf

第4 6 卷第2 期 2 0 2 1 年2 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．2 F e b ．2 0 2 l C 0 2 集中力源的地震波场特征及应用 王勃1 ’2 ⋯，孙华超2 ，李兴兴3 ，邢世雨3 ，丁 昕2 1 ．中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州2 2 l l l 6 ；2 ．中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 ； 3 ．中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏徐州2 2 1 11 6 摘要c 0 ，震源通过调节泄压头的出气口控制激发方向，实现集中力源的定向激发，克服了传统 震源激发方向不可控的难题，然而c O ，集中力源在煤层中激发的三维波场特征尚未揭示。基于 此，笔者通过三维数值模拟、物理分析、现场试验对C 0 ，集中力源进行研究，结果表明不同集中力 源在煤层中激发的地震波场差异显著，通过力学机制分析了均匀模型及煤一岩一煤模型x 方向集中 力源下多分量不同方向纵波、横波及槽波振幅差异特性，研究了煤层界面对地震波传播的影响机 制，进一步解释了煤层内部激发x 方向集中力源加载下体波、槽波的波场特征和传播机理。研究 发现x 方向集中力源在x 分量中沿着震源位置的l ，方向槽波振幅最强，y 方向集中力源在y 分量 中沿着震源位置的x 方向槽波振幅最强，z 方向集中力源的z 分量槽波振幅强。因此，x 方向集中 力源适合回采工作面L o v e 型槽波透射探测，y 方向集中力源适合掘进工作面L o v e 型槽波超前探 测，z 方向集中力源适合R a y l e i 曲型槽波勘探。利用x 方向集中力源进行了面内透射试验，对多组 C O 集中力源激发多道接收的地震记录进行了槽波能量衰减成像，探钻对比结果验证了C O 集中 力源地震成像结果的可靠性。下一步重点围绕c O ，震源多类型激发条件下的多波多分量地震波 场特征开展研究。 关键词C O 震源；集中力源；槽波勘探；方向激发 中图分类号P 6 3 1文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 2 0 5 5 6 一1 0 S e i s m i cw a V en e l dc h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o no fC 0 2 c o n c e n t r a t e df ．0 r c es o u r c e W A N GB o1 ，2 ⋯，S U NH u a c h a 0 2 ，L IX i n g x i n 9 3 ，X I N GS h i y u 3 ，D I N GX i n 2 1 ．s t 眦‰y ￡n b o m t o 叫D e e pG e o m e c h 。n 记s ＆U n d e r g m u 确E n g i n 舵 n g ，c h i n oU n 妇n i ￡y M i n i n gn 以R c h 册| o g y ，x M 小o u2 2 u 1 6 ，C h i №；2 ．S c h o o l 矿R 黜o u r c e 口砌眈n 危s c 据朋e ，∞i n o ‰眦乃吵o ，埘凡i 昭n 删丁k n o z p 彰，x 比危。“2 2 1 1 1 6 ，c i n 口；3 ．＆ 0 0 f ∥肫c 鲫泌Ⅱn dC 训E n g i 珊e 增，∞i 加‰i 一 卯巧盼o ，肘i n i n g Ⅱn d 扎c 加f o 酊，．Y 胁o “2 2 1 1 1 6 ，劬i n n A b s t r a c t T h ee x c i t a t i o nd i r e c t i o no fC 0 2s o u r c ei sc o n t m l l e db ya d j u s t i n gt h eo u t l e to ft h ep r e s s u r er e l i e fh e a dt or e a l i z e t h ed i r e c t i o n a le x c i t a t i o no fc o n c e n t r a t e df o r c es o u r c e ，w h i c ho v e r c o m e st h ep r o b l e mt h a tt h ee x c i t a t i o nd i r e c t i o no ft h e t r a d i t i o n a ls o u r c ei sn o tc o n t r 0 1 l a b l e ．H o w e v e r ．t h et h I ℃e ．d i m e n s i o n a lw a v ef i e l dc h a r a c t e r i s t i c so fC 0 ，s o u I ℃ec o n c e n t r a t e df o r c es o u r c ei nc o a ls e a mh a v en o tb e e nr e v e a l e d ．T h i sp a p e rs t u d i e dt h eC O ，c o n c e n t r a t e df o r c es o u r c eb vt h r e e ．d i ． m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，p h y s i c a la n a l y s i sa n d6 e l dt e s t ．T h er e s u l t ss h o wt h a tn l es e i s m i cw a v e 矗e l de x c i t e db y 收稿日期2 0 2 0 一1 2 一0 1修回日期2 0 2 1 一O 卜0 4责任编辑钱小静D o I l O ．1 3 2 2 5 ／jc nk ij c c s ．x R 2 0 ．1 8 7 5 基金项目国家自然科学基金重点资助项目 5 1 7 3 4 0 0 9 ；国家自然科学基金面上资助项目 4 1 9 7 4 1 4 9 ；国家自然科 学基金青年资助项目 4 1 6 0 4 0 8 2 作者简介王勃 1 9 8 4 一 ，男，安徽安庆人，副研究员，硕士生导师。E m a i l w b s y e s 1 2 6 ．c o m 通讯作者孙华超 1 9 9 6 一 ，男，安徽全椒人，硕士研究生。E m a 订s h c 0 6 2 7 1 2 6 ．c o m 引用格式王勃，孙华超，李兴兴，等．C 0 2 集中力源的地震波场特征及应用[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 l ，4 6 2 5 5 6 5 6 5 ． W A N GB o ，S U NH u a c h a o ，L lX i n g x i “g ，e ta 1 ．S e i s m i cw a v e6 e l dc h a m c t e s l i c sa n da p p l i c a I i o no fC 0 2c o n c e n t m t - e df o r c es o u r c e [ J ] ．J o u m a Io fc h i n ac o a IS o c i e 【y ，2 0 2 l ，4 6 2 5 5 6 5 6 5 ． 移动阅读 万方数据 第2 期王勃等c 0 ，集中力源的地震波场特征及应用 5 5 7 d i { I e r e n tc o n c e n t r a t e d { b r c es o u r c e si nc o 出s e a mi ss i g n i f i c a n t l yd i f I e r e n t ．’1 1 1 ea m p l i t u d ed i f I e r e n c ec h a m c t e r i s t i c so t m u I t i - c o m p o n e n tP - w a v e s ，S w a v e sa n dc h a n n e lw a V e si nd i f k r e n td i r e c t i o n su n d e r Xd i r e c t i o nc o n c e n t r a t e df o r c es o u r c e o fu n i f o 彻m o d e la n dc o a l m c k c o a lm o d e lw e r em e c h a n i c a l l ya n a l y z e d ，t h ei n n u e n c em e c h a n i s mo fc o a ls e a mi n t e d a c e o ns e i s m i cw a v ep r o p a g a t i o nw a ss t u d i e d ，a n dt h ew a v ef i e l dc h a r a c t e r i s t i c sa n dp r o p a g a t i o nm e c h a n i s mo fb o d yw a V e s a n dc h a n n e lw a v e se x c i t e db yX d i r e c t i o nc o n c e n t m t e df o r c es o u r c ei nc o a ls e a mw e r ef u r t h e re x p l a i n e d ．T h er e s u l t s s h o wt h a tt h ea m p l i t u d eo fc h a n n e lw a v e se x c i t e di nt h eXd i r e c t i o nc o n c e n t r a t e df o r c es o u r c ea l o n gt h eyd i r e c t i o no f s o u r c ep o s i t i o ni st h es t r o n g e s ti nX c o m p o n e n t ，a n dt h ea m p l i t u d eo fc h a n n e lw a v ee x c i t e di nt h el ，d i r e c t i o nc o n c e n t r a t e df o r c es o u r c ea l o n gt h eXd i r e c t i o no fs o u r c ep o s i t i o ni st h es t r o n g e s ti nl ，c o m p o n e n t ，a n dt h eZd i r e c t i o nc o n c e n t r a t e d s o u r c eh a ss t m n ga m p l i t u d ei nZc o m p o n e n tc h a n n e lw a v e ．T h eXd i r e c t i o nc o n c e n t m t e df o r c es o u r c ei ss u i t a b l ef o rt h e L o v ec h a n n e lw a v et r a n s m i s s i o nd e t e c t i o no ft h ew o r k i n gf a c e ，t h eYd i r e c t i o nc o n c e n t r a t e df o r c es o u r c ei ss u i t a b l ef o r t h eI ■v ec h a n n e lw a v e sa d v a n c e dd e t e c t i o ni nt h eh e a d i n gf a c e ，a n dt h eZd i r e c t i o nc o n c e n t r a t e df o r c es o u r c ei ss u i t a b l e f o rR a y l e 培hc h a n n e lw a v ed e t e c t i o n ．T r a n s m i s s i o nt e s ti nw o r k i n gf a c ew a sc 枷e do u tb yu s i n gXd i r e c t i o nc o n c e n t r a t e d f o r c es o u r c e ．T h ec h a n n e lw a v ee n e r g ya t t e n u a t i o ni m a g i n gw a sp e d b 瑚e do nt h es e i s m i cr e c o r d se x c i t e db ym u l t i p l eo f C 0 2c o n c e n t r a t e df o r c es o u r c e s ，a n dt h er e l i a b i l i t yo ft h es e i s m i ci m a g i n gr e s u l t so fC 0 2c o n c e n t r a t e df o r c es o u r c e sw a s v e r i f i e db yt h ec o m p a r i s o nr e s u l t so fd e t e c t i o na n dd r i U i n g ．T h en e x ts t e pf b c u s e so nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i - w a V ea n d m u l t i c o m p o n e n ts e i s m i cw a v e6 e l du n d e rt h em u l t i - t y p ee x c i t a t i o no fC 0 2s o u r c e ． K e yw o r d s C 0 2s o u r c e ；C 0 2c o n c e n t r a t e df o r c es o u r c e ；i n s e a ms e i s m i cs u r v e y ；d i r e c t i o n a ls o u r c e 煤矿井下非接触类勘探方法中地震波法被广泛 使用且效果显著⋯，其中槽波地震勘探已成为回采 工作面采前的常规工作旧] 。合理震源选择及激发方 式对于槽波地震勘探尤为重要，差异化的震源激发方 式及激发条件产生不同特征的地震波场[ 3 ‘4J ，故针对 震源开展研究具有重要意义。 震源按照力的性质可分为压力源 胀缩源 ∞J 、 剪切源∞J 、集中力源“ J 、偶极子源旧J 、双力偶源一』、矢 量源0 。、矩张量源⋯1 等。地震勘探中常用震源主要 有压力源、剪切源、集中力源2 | ，其中压力源激发后 只产生纵波，剪切源激发只产生横波，集中力源激发 既产生纵波也产生横波3 I 。董清华4 1 利用傅氏变 换法分析了胀缩源、方向力震源、剪切源在均匀各向 同性介质中的传播特征。全红娟等拍3 利用二维数 值模拟研究了胀缩源、集中力源、剪切源在各向异性 介质中的波场特征；并且探究了不同震源在三维裂缝 介质中的横波分裂特征‘。蒋锦朋等列通过数值模 拟发现垂直于顶板的z 方向集中力源激发的地震波 场受巷道干扰小，更易于识别特征波。 c 0 震源通过调节泄压头的出气口方向控制能 量的激发方向，满足集中力源的加载方式，进而实现 震源的定向激发，同时c o 震源具有安全、无污染等 优势，可在高瓦斯矿井中安全使用⋯。该震源由 C O 相变致裂技术演变而来7 | ，2 0 1 8 年，笔者副发 现其具有地震勘探震源的应用前景。随后，李海军、 李稳等9 。2 0 1 证明了c O 震源作为地面勘探震源的可 行性。2 0 2 0 年，笔者心开展了井下C 0 ，震源槽波地 震勘探研究，发现C O 震源的集中力源激发方式有 利于槽波发育，但未考虑c 0 差异集中力源的方向 特性及波场特征。 基于此，笔者通过三维数值模拟研究不同集中力 源在“岩一煤一岩”介质中的地震波场特征，以均匀介 质模型波场特征为参照，探究集中力源的震源机制及 三维三分量传播特性，获取煤层条件下不同集中力源 的优势激发方向和检波器的最优接收方向，并利用 c 0 集中力源开展透射槽波勘探试验研究。 1 原理 1 ．1 C o 集中力源激发 启爆器接通引爆电流后，加热棒迅速释放大量热 量，管内液态c o 转换为高压气体，致使管内气压急 速升高，气体压力超过剪切片控制压力阈值时，剪切 片被击穿，超高压c 0 通过泄压头从出气口喷出，定 向释放爆破力，产生地震波旧2 | 。C 0 震源通过改变 泄压头的出气口结构控制能量的激发方向 图l b ～ d ，进而实现x ，l ，，z 方向集中力源的 定向激发。 现场施工时，将c O 震源送至钻孔中，在钻杆输 送夹持装置进行标记，标记位置与震源出气口方向一 致，输送及增加钻杆时确保钻杆与输送夹持装置紧密 连接，直至送至孑L 底，实现定向激发。同时为了进一 步确定钻孔的实际轨迹，在c o 震源装置后安装随 钻装置旧3 l ，获取震源准确位置，为后期数据处理提供 准确的观测系统参数。 万方数据 煤炭学报 ～≈ b 。v 方『柚出‘i 【】 c r 力’向“5 。i l d z 方『柚j7 i 图lC 0 震源系统示意 F i g ．1C 0 二s o u r c e8 y s t e n l 1 ．2 集中力源 集中力源模拟是差分网格某个结点卜施加一个 随时间变化的作用力。7 ，力的作用分别沿着x ，l ，，z 方向，其中x ，y ，z 单向集中力源加载公式为 p 警 警 斋 警 觚p ≯2i 百 i ∥r p 窘 翟 等 警 西 ㈩ p 紊 等 等 署 碰 式中，戈， ’，。分别为坐标轴的3 个方向；p 为弹性介质 巾质点的密度；盯。，盯，。盯。为正应力分越Ⅳ。、，丁，，．。二 为切应力分量；z z ，j [ ’，川分别为二维坐标系中戈，h 。轴 } 的位移分量；z 为地震波的传播时间；∥，西，碰分 别为力函数在x ，l ，，z 方向上的等效体力分量，如 O E1 0 0 闩 2 0 0 3 0 0 a _ 三维模刑 式 2 所示 r ／ s P 、 1 sd I s P 、 。o s 卢】 s P 二c o sy I l 厂 s P 、 m sd 2 s P 、【m s 卢2 s P c o sy 2 2 ∥ s P 。 1 0 s 仅1 s P 、 ． s 卢3 s P c o sy 3 式中，s 为震源函数≯。，口、，P 为x ，y ，z 轴方向单位 向量；理，卢和y 分别为集中力与坐标轴戈，1 。和。的夹 角，町表示为 d 厂，互 ，卢 ／’， 。 ，y ／’，。 3 其中，x 方向集中力源的d ，口，y 夹角为0 。，9 0 。，9 0 。， 所以．厂 、；同理。f 5 P 、∥ s P 。 2 数值模拟 2 ．1 模型参数及观测系统 设计“岩一煤一岩”三维层状模型，如图2 a 所 示。以模型边界交点为原点，x 轴方向沿着煤层走向 方向，y 轴方向垂直于走向方向，z 轴方向垂直于顶 底板，利用不同方向集中力源 X 方向、l ，方向、Z 方 向 进行激发，模型大小为3 0 0m 3 0 0m 3 0 0m ，煤 层中心位于z 1 5 0 Ⅲ处，煤厚条测线沿着x 方向，l 号检波器位置为 8 0m ，8 0t T l ，1 5 0m ，1 5 号检波器位 置为 2 2 0m ，8 0m ，1 5 0m ，第2 条测线沿着y 方向， 1 6 号检波器位置为 8 0n ，，8 0m ，1 5 0n ， 与第l 条测 线l 号检波器位置蘑合 ，3 0 号检波器位置为 8 0m ， 2 2 0r n ，1 5 0m ，检波器道间距为1 0m ，震源位置 为 1 5 0m ，1 5 0m ，1 5 0m ，观测系统示意图如图2 所示。模型采用典型地震参数Jb ㈠，利用高阶交错 网格有限差分算法进行三维数值模拟心4 I 。 。W m O1 0 02 0 03 0 0 l O O 2 0 0 3 0 0 图2 模 鲤示意 g ．2M ‘ t l e l 【l i a 肼 2 ．2 波场特征分析 图3 为4 0m s 时刻的x ，y ，z 方向集巾力源的二 分量三维波场快照，波前面l 为折射纵波，波前面2 为折射横波和转换折射横波的混合波列，波前面3 为 槽波、波前面4 为透射纵波，波前面5 为透射转换横 ．，} 乃力 0I O O2 0 03 0 0 波，波前面6 为混合波列，由纵波在煤层界面形成的 透射转换横波和透射横波混叠形成。分别对3 种集 中力源波场快照进行分析①x 方向集中力源x 分 量j ，各类纵波在垂直于震源位置的阳z 而上振幅 缺失，槽波在垂直于震源位置的x l ，面卜．沿着x 轴 万方数据 第2 期F 勃等c 集r | 1 力源的地震波场特征及应用 5 5 9 方向振幅缺失，沿着y 轴方向振幅最强；y 分量f ，各 类纵波、横波以及槽波在垂直于震源位簧的x r ，z 和 y D z 面上振幅均缺失；么分量上，各类纵波、横波以及 槽波在垂随于震源位置的阳z 面七振幅缺失，时 折射纵波在垂直j 震源f 移置的x D y 面t 振幅棚对较 弱；②，，办向集q 1 力源爿分量h 各类纵波、横波以 及槽波在垂直于震源位嚣的义f ，z 和y D z 面l 振幅 缺失；l ，分量上，各类纵波在垂f 门二震源位置的x D z 【f 『fI 二振幅缺失，槽波在币区于震源位置的x D y 而上 } f } 着x 方向振幅最强，沿着y 方向振幅缺失；z 分量 g z 方向集巾力源激发的 x 分最三维波场快照 0 0 基 商 上，各类纵波、横波以及槽波在垂商于震源位置的 阳z 平面上振幅缺失，同时折射纵波在垂直于震源 位置的x D y1 面E 振幅较弱；③z 方m 集中力源x 分 量上，各类纵波、横波以及槽波在垂盲于震源位置的 阳z 阿E 振幅缺失；y 分量上，各类纵波、各类横波以 及槽波在垂直于震源位置的x D z 面卜振幅缺失；z 分量h 各类横波在难直于震源位嚣的x D z 和Ⅷz 面上沿着z 轴方向『振幅出现缺火，折射纵波在畦 直于震源位置的x D y 而上振幅出现缺失，折射横波、 槽波振幅强。 h z 方向集中力源激发的 y 分量三维波场快照 i z 方向集中力源激发的 z 分量三维波场快照 O O H3 。Y ，y ，z 力‘⋯集中力源三维i 分键波场快照 1 ．1 i g ．3 T 1 1 I P P 一 1 i f l ㈣南J 1 a lt 1 1 r P P 一【。o m l 【1 P n tw a v Pf i P l d 呲“ } 1 l { Y 1 i r e c t i o l l ，y 1 i r ⋯i t J l la 1 1 1Z 1 i r e 。t i f Ⅲ ’ n ‘e 1 1 t r 舭 1 f 州Ps u l c e 图4 为x ，y ，z 方| i _ I J 集中力源振幅州一化后的 二分量地震记录，旧相轴l 为折射纵波，同卡轴2 为折射横波和转换折射横波的混合波列，同剌轴3 为槽波。分别对3 种震源三分 } 地震记录进行分 析①x 方向集f f I 力源地震记求x 分 地震波振 幅最强，y 分{ l } 次之，z 分城最弱，在x 分量地震记 录中，第l 条测线中心位置槽波振幅最强，第2 条 测线槽波在测线中心位置振幅出现缺失；在y 分 量地震记录f { ，，两条测线中心位嚣地震波振幅均 缺失；z 分量地震信哆信噪比相对较低，因此，x 分 万方数据 5 6 0 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 量中沿着震源位置的l ，方向为震源优势分量的优 势方向。②l ，方向集中力源地震记录，，分鲢地 震波振幅最强，x 分量次之，z 分量最弱，x 分量地 震记录中，两条测线中心位置的地震波振幅均出 现缺失；在l ，分越地震记录中，第1 条测线中心位 置槽波振幅出现缺失，第2 条测线中心槽波振幅 a 肪向单向集中力源激发 的x 分最地震记录 d 叻向单向集中力源激发 的爿分鼍地震记录 榆波器道数 g 功向单向集中力源激发 的x 分精地震记求 强，z 方向振幅相对较弱，因此，】，分量中沿着震源 位置的x 方向是震源优势分量的优势方向。③z 方向集中力源地震记录主能量集中在z 分量√I 两条测线的槽波振幅均未缺失，x 分量和y 分量 地震波振幅相对较弱，因此震源z 分量为优势分 齄。 b 肪向单向集中力源激发 的y 分最地震记录 e 唠向单向集中力源激发 的y 分量地震记录 榆波器道数 h 功向单向集中力源激发 的y 分肇地震记录 检波器道数 01 02 03 0 寄5 0 1 0 0 {{{{{ c 肪向单向集中力源激发 的Z 分最地震记录 f 坊向单向集中力源激发 的z 分最地震记录 O 口5 0 1 0 0 榆波；{ } } 道数 l O2 03 0 i z 方向单向集中力源激发 的Z 分最地震记录 蚓4x ， ，，z 方向集t 卜力源i 分量地震记录 一化处州 F i g ．4 r l 、} 1 r e ec 1 1 1 p o n e n ts e i s m i cr P ’ r d sf f ‘t 1 1 ‘’e n t r a l r If r ’PH } 【J ei n 』Y ‘“r e ‘t i Ⅲ，y 1 i l ’e 。l ；t f 1a n 1ZI | i l ‘e ’t i Ⅲ Ⅲl r f l l a l i z a t i npr ‘e s s i l l g 综』二所述，1 ．o v e 型槽波的优势分量为爿分量 和y 分糙，z 分量是R a y l e 唔h 型槽波的优势分 量心5 I 。假设以x 方向为巷道掘进方向 通常为煤 层走向 以及y 方向为面内方向 通常为煤层倾 向 时，，，方向集中力源适合I 舯v e 型槽波超前探 测，由于检波器和震源在同一巷道，因此检波器应 采集y 分量信号；x 方向集中力源适合面内探测， 当检波器与震源在同一条巷道，检波器应采集x 分量地震记录；当检波器与巷道不在同一条巷道 但与震源巷道平行时，检波器应采集x 分量地震 记录，当检波器。j 震源不在同一条巷道且与震源 激发巷道垂直时，检波器应接收l ，分璇地震记录； z 方向集中力源适合R a y l e i g h 型槽波勘探，此时， 检波器只需要采集z 分量地震信号，由于两条测 线均／f i 缺失，因此，既适合地震超前探测，也适合 面内地震勘探。 3力学机理 3 ．1 均匀模型集中力源的体波形成机理 根据震源力的加载方式进行物理分析，以均匀模 型为背景条件，分析x 方向集中力源力学特性 图5 ， 其中，1 波为纵波，s 波为横波，其质，一＆振动力‘向与传 播方向垂直的波，具体在三维空间卜可分为2 种质 点振动发生在与波的传播丽相垂直的面内的波为s V 波，质点振动发生在‘了波的传播面相平行的而内的波 为S H 波 。纵波的偏振方向与传播方向一致，横波 万方数据 第2 期王勃等 二集中力源的地震波场特征及应用 5 6 1 的偏振力‘向与传播方向垂直，在x y 面上，根据地震 波的传播方向将震源力沿着纵波的偏振方向和横波 的偏振方向进行分解 图5 b ；再将纵波偏振方向 的力沿着x 分量币y 分二漩进行投影，如图5 c 所示； 同时将横波偏振方向的力沿着x 分量和l ，分谴进行 投影，如图5 c 1 所示。X 分量的戈O y 【面上，堆直于 震源位置x 方向卜沿着地震波传播方向力的投影值 最大，因此纵波沿着该方向振幅最强，y 方向一f 沿着 地震波传播方向力的投影值为0 ，所以纵波振幅缺 失，而其他方向沿着地震波传播力‘向力的投影f } I | [ 均不 ＼ ，／＼ 一 ，／ ≥中 z 石， - ＼ ／ 一 ＼ ，／ ＼ 芦 泰 ／ 一 ＼ ／ b 加y ⋯I 一的力沿苻地震波 传播方㈣和垂A 力‘向分解 x Z Z ＼一 ＼ ∥ ≮ ￡，o ／ ／ 一 ，r ／ ＼ z ，‘ 甙 ／ 一 ＼ ／ ／ e 。Y D z 面卜的，J 沿着地震波 传播，J 向和雄“力向分角犁 y ＼ ．． ／ ＼一 毖 ≥、中 ／ I ＼ ／ 一一 ＼ ，／ ＼ z ‘ ＼ ／ 一 甙 ／ ＼ ＼ Z 为o ，因此纵波振幅不缺失，但弱于x 方向纵波振幅； 沿着震源位置的l ，力‘向上垂直于传播方向力的投影 值最大，因此横波沿着该方向振幅最强，沿着x 方向 上垂直于传播方向卜力的投影值为0 ，横波振幅缺 失，而其他方向上垂直于传播方向力的投影值均不为 0 ，因此横波振幅不缺失，但弱于y 方向的横波振幅。 】，分蜒的x D l ，面上，山于震源位置的x 方向和y 方 向上} 7 _ } 着地震传播方向和垂卣方向上力的投影值均 为0 ，所以纵波、横波沿着震源位置的x 方向和】，方 向振幅均缺失，但其他方向_ J 沿着地震波传播方向和 a 力。产模拟示意 Xx ≮∥ ∥≮ c 纵波偏振几m 的力“} ’ 彤’j l l 和彤’啦力的分解 x Z Z 可∥ 妗．≮ f 纵波偏振力‘向的力泔着 x 分鼠相『z 分{ } } 力的分解 y ．＼／- - ／＼ Z ＼ ／ ＼ ／ ／一 ／＼ ／＼ d 怙苣波偏振方向f | ‘J ／J 沿箱 肜州I l 利y 分督／J 的分解 ＼ 久 ／＼ ∥＼ g 雠波偏振方m 的力沿 彤’} l } 和z 分艟／J 的分自* y ＼ ／ ＼／ ／ ＼ ／＼ h 】，D z 而I 的力沿着地震波 i 纵波偏振，J ⋯晌力卅行 j 横波偏振方向的／J 沿营 传播方向和畦直方向分解y 分f 和Z ／’时力的分斛y 分砒和z 分请力『| ‘J 分解 一P 波相彤’萤的偏振投影 s 波存彤’量的偏振投影 震源力的方向 力F 、的投影为O 一为、方mn ‘J 震源力 P 波r i y 分量的偏振投影一s 波存y 分量的偏振投影一P 波的偏振方向 s 波的偏振投影为O P 波在z 分量的偏振投影一s 波往z 分量的偏振投影一S 波的偏振方向 P 波的偏振投影为0 H 5 ‘Y 力4 向单向集中力源物理分析 n g ．5I 1 1 y 赢a l 挂1 1 a l y s i st a g l ’a m ‘n Y 1 i M ‘“0 1 1 。0 1 1 ‘㈨№I e 1f o r ’Ps o u l c e 万方数据 5 6 2 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 垂卣方向力的投影值均不为o ，冈此其他方向纵波、 横波振幅均不缺失；z 分量的x D z 面卜‘，山于z 分量 在x o y 面上沿着地震波传播方向和垂卣方向力的各 方向投影值为0 ，因此z 分量x D 】，面上地震波振幅 3O 【 缺失。为了验证力学分析的准确性，利用爿方向集 中力源在均匀介质中进行i 维数值模拟 将图2r { l 岩一煤一岩模型中的煤层用围岩参数充填 ，数值模拟 结果与力学分析完全吻合 图6 。 a 肜} 量j 维波场快照 b y 分最i 维波场快照 c z 分啦i 维波场快照 图6均匀介质模型中Y 力‘向集t f 一力源4 m s 时刻的三维波场快照 卜1 i g ．6 T h r e e d i n l c n s i o n a lw d v e “e 1 Is n a p s h l Ha I4 01 1 1 s J ft h e 一l i I - e c t j ‘1 1 1 ‘o n c e l l f la l e f lf l o I ‘Ps J L i r c ei 1 1I h Pu n j f i ‘n 1 【n e 1 iL l I T lr r l o 1 e 同理，在x D z 面上，根据地震波的传播方向将震 源力沿着纵波的偏振方向和横波的偏振方向进行分 解，如图5 e 所示；再将纵波偏振方向的力沿着x 分 b } 和z 分量进行投影，如阁5 f 所示；同时将横波偏 振方向的力沿着x 分量和z 分量进行投影，如图 5 g 所示。x 分_ j 连的x f 膨面上，震源位置x 方向上 沿着地震波传播方向力的投影值最大，因此纵波沿着 该方向振幅最强，z 方向上沿着地震波传播方向力的 投影值为0 ，所以纵波振幅缺失，而其他方向沿着地 震波传播方向力的投影值均不为o ，因此纵波振幅不 缺失，但弱于爿方向纵波振幅；沿着震源位置的z 方 向上垂直于传播方向上力的投影值最大，因此横波沿 着该方向振幅最强，沿着x 方向上垂商于传播方向 上力的投影值为0 ，横波振幅缺失，而其他方向上垂 直于传播方向力的投影值均不为o ，冈此横波振幅不 缺失，但弱于z 方向的横波振幅。y 分量的x f 膨面 上，由于y 分量在y D zl 可上沿着地震波传播方向和 垂直方向力的各方向投影值为0 ，因此 ，分量x z 而上地震波振幅缺失；z 分量的x O z 面上，由于沿着 震源位置的x 方向和z 方向上沿着地震传播方向和 垂直方向』二力的投影值均为0 ，所以纵波、横波沿着 震源位置的x 方向和z 方向振幅均缺失，但其他方 向【二沿着地震波传播方向和垂直方向力的投影值均 不为0 ，因此其他方向纵波、横波振幅均不缺失。在 y r 肠面卜，沿着地震波传播方向力的投影值为o 图 5 h ～ i ，因此x 分齄、y 分链、z 分量上的纵波 振幅均缺失；沿着垂直于地震波的传播方向I _ 在y 分量和z 分量f 力的投影为0 ，闪此，y 分量、z 分量 在垂直于震源位置的阳z 而j _