基于地震干涉的回采工作面随采地震成像方法_陆斌(1).pdf

第 44 卷 第 6 期煤田地质与勘探Vol. 44 No.6 2016 年 12 月COALGEOLOGY Postdoctoral Science Foundation Funded Project of China2012M511967 第一作者简介 陆斌1973，男，甘肃榆中人，博士，助理研究员，从事煤矿井下地震方面研究工作. E-maillubin 引用格式 陆斌. 基于噪声地震干涉的煤矿工作面随采成像方法[J]. 煤田地质与勘探，2016，446142–147. LU Bin.ASeismic while mining mathod of coal working-face based on seismic interferometry[J]. Coal Geology in order to get high-accuracy arrival time and high -accuracy CT, two step interference is effective. The can realize real-time imaging the working face, and find the velocity change area thereby warning geological disasters in time. Key words coal shear; working face; seismic interferometry; noise imaging; in-seam wave 煤矿回采工作面的地质条件精细探测是一个技 术难题，基于采煤机震源的随采地震成像提供了一 种可能的解决途径。一般而言，地面三维地震很难 有效探测到工作面内的微小构造，因为地面反射地 震的波长为 4050 m，而工作面内断层的断距和陷 落柱的直径往往只有此波长的十分之一[1]；同时， 煤矿开采引起的围岩失稳、矿压显现是一个动态的 发展过程，迫切要求开发一种实时获取这些动态信 息的探测方法。借鉴随钻地震实时近距离对前方地 层进行精细探测的思路[2]，人们提出以采煤机为震 源、利用地震干涉对工作面进行实时精细成像的随 采地震方法。 以采煤机为震源的随采地震探测技术很早就受 到关注。1980 年就有人提出利用采煤机作为震源探 测煤层中断层的思想[3]，不过没有开展实际研究工 作；1990 年，美国矿山局曾致力于发展以采煤机为 震源的地震层析成像技术，以预测前方煤层的应力 条件[4]，但因当时采煤机的位置无法准确知道、也 不清楚采煤机地震能量是否足够等原因，未能深入 下去；2009 年，有学者提出利用采煤机信号开展煤 层顶板的层析成像，以探测前方煤层顶板稳定性的 方法，并给出了一个实例[5-6]，他们将检波器布置在 回风巷顶板内约 1 m 深处，采煤机在掌子面上的精 确位置由一种新式定位设备实时获得，利用谱相干 ChaoXing 第 6 期陆斌 基于地震干涉的回采工作面随采地震成像方法143 技术提取了体波的透射速度，最终得到了掌子面和 回风巷之间三角形区域煤层顶板的体波速度分布图 像。近年来，国内也将此研究列为重点发展方向， 并取得了一定的成果[7-10]。总的来看，采煤机为震 源的随采地震思想提出的比较早， 但发展相对缓慢， 最近几年才逐渐被重视起来。 随采地震这种被动源探测技术再次受到重视，主 要得益于地震干涉技术在近几年取得的快速进步[11]。 与传统的互相关相比，反褶积干涉和互相干干涉对 频带较窄的被动震源有较好的适应性，本文在分析 采煤机信号特征的基础上，研究了采煤机信号的各 种地震干涉方法；在取得干涉炮集后，利用被动源 数据的冗余性， 用二次干涉方法进一步提高信噪比； 最后利用贝叶斯反演获得了回采工作面的层析成像 结果，该方法可以利用先验的波速、波速的协方差、 数据的协方差等信息约束优化范围，即使对不适定 性较高的反演问题也能得到合理的结果。 1采煤机的信号特征 目前大部分煤矿采用长壁采煤法，它是利用巷 道分割出一片待采工作面，利用采煤机沿着长壁往 复切割，切下的煤利用运输皮带运出煤矿，长壁后 的液压支架可自动前移保护采煤机械和人员的安 全。其中最常见的采煤机是滚筒采煤机，这种采煤 机上安装有截煤滚筒，这是一种螺旋叶片式圆筒形 部件，其上装有截齿，工作时滚筒旋转带动截齿切 割煤层。采煤机的工作是落煤和装煤，落煤是把煤 从掌子面上采下来， 装煤是把煤装到刮板运输机上， 这里只考虑与采煤机震源相关的落煤过程。 采煤机总的做功包括扭矩作的功和垂直煤壁力 作的功， 对于采煤机来说主要是扭矩做功。总的功为 RPMTOBROPWOB mine 3 2π 603.6 10 VFSF W    1 式中VRPM表示滚筒每分钟旋转的圈数； TOB F表示 滚筒的扭矩，kNm； ROP S表示每小时在煤壁垂向力 方向掘进的量，m/h； WOB F表示煤壁垂向力，kN； 其中，等式右边第一项是旋转切割的功，第二项是 垂向煤壁力作的功，例如采煤机的总装机功率约 为1 000 kW，截深800 mm，滚筒转速28 r/min，则 采煤机每秒的总输出能量约等于238 g炸药的能量。 采煤破岩做的功被分配到3个方面产生新表 面Wbreak、发热Wheat、振动Wvibr。 minebreakheatvibr WWWW2 Simon利用格里菲斯的断裂力学理论估计新表 面能 break W约占总能量的1。对于一般的钻头，总 能量的99转化为热能，1用于产生新表面，约 0.0004产生远场辐射的弹性波[12]。 2随采地震信号的提取方法 将连续的机械噪音转化为有意义信号的方法， 一般采用互相关方法[13]。近几年，随着噪音成像技 术的快速发展，除了互相关方法外，反褶积干涉、 互相干干涉等陆续成为研究热点。 和相关干涉相比， 反褶积干涉能够自动消除震源子波的自相关函数， 对于具有复杂时间结构的震源，反褶积干涉能得到 更好的图像[14]，互相干cross coherence干涉与反褶 积干涉类似[15]。3种方法相比较互相关方法稳定 但不适用于子波频带较窄的震源；反褶积干涉对频 带较窄的震源有适应性，但有潜在的不稳定性，需 要正则化；互相干方法对于被不稳定且强的加性噪 音污染的数据可能更适合，如从汽车和火车等震动 中提取体波和面波[16]。 2.1地震干涉原理 a. 互相关干涉原理 通常的地震干涉是一种求取各个检波器之间格 林函数的方法。对于某个震源s，  ,A G r s是s到检 波器 A r的格林函数， ,B G r s是s到检波器 B r的格林 函数，两个检波器记录 A r和 B r的互相关函数为   2 * ,,ABAB CW sG r s Gr s3 其中，  2 W s是震源函数的自相关函数。 如果有多个震源，均匀环绕两个检波点 A r和 B r， 那么积分这些震源的 AB C，可以得到两个检波点之间 的格林函数。这是通常的地震干涉的基本内容。 随采地震比较特殊，震源采煤机只在掌子面 运动，而检波器安装在两边的巷道里，因为没有地 震射线先后穿过两个检波点，因而不能得到检波器 之间的绝对到时差。此时，互相关得到的只是地震 波到达两个检波器的相对到时。所以在反演时，需 要同时将发震时刻列为未知数。 b. 反褶积干涉原理 反褶积干涉的频率域表示为   * ,, 2 , AB AB B G r s Gr s D G r s 4 反褶积干涉 AB D中，源信号的影响 2 W s可以 被消除，但存在分母  2 ,B G r s为0或接近于0的问 ChaoXing 144煤田地质与勘探第44卷 题，需要做正则化处理。 反褶积算法有很多，最简单的是“水位”反褶积[17]， 表示为   * ,, 22 ,, AB AB BB G r s Gr s D G r sG r s   5 式中  2 ,B G r s是 B r的功率谱的均值，调节水位ε 的大小可起正则化的作用。当比较小时，反褶积 可能会不稳定；当较大时，反褶积结果与互相关 接近。这种反褶积算法简单快速。 c. 互相干干涉原理 互相干干涉的频域表达式为[16]   * ,, ,, AB AB AB G r s Gr s H G r sG r s 6 互相干干涉用水位法分两步实现   * ,, 1 ,1, AB AB AA G r s Gr s H G r sG r s   7  1 ,2, AB AB B sB s H H G rG r   8 第1步与反褶积干涉很接近，差别在于分母的 振幅谱没有平方；第2步的分母是 B r的振幅谱。 2.2随采地震信号的地震干涉处理 井下试验记录到一些微震事件，可以用来与反 褶积结果作对比，作为一个检验标准。图3a是其中 的一个微震事件。 对采煤机噪音数据进行反褶积干涉处理，当 比较小时有许多假同相轴出现图1b；大小适当 的时候，反褶积干涉的结果比较理想图1c和图 1d。与微震图1a相比，信噪比相当，在个别道 甚至更高。图1d的远道初至比图1c更清楚，而图 1c的近道似乎更好；图1e是为14的干涉结果， 其信噪比远低于图1c和图1d。值很大时，相当 于互相关干涉。从这个例子看，反褶积干涉更适合 于随采地震数据处理。 利用互相关方法要得到比较 好的结果， 需要挑选参考信号， 而利用反褶积干涉， 几乎用任何一道作参考信号都能够稳定的得到较 好的结果。 图2展示了各种干涉方法在频率域的对比 图2a 是互相关，也就是 1AB H的分子，图2b和图2c分别是 A r和 B r的振幅谱的平方，图2e是反褶积干涉结果， 图2f是相干干涉的结果。从谱的光滑性和带宽上看， 互相关干涉图2a最差，反褶积干涉图2e得到了较 大改善，相干干涉图2f的谱最光滑也最宽虚线圆圈 标注的地方。这里的纵坐标是对数坐标。 图 11 个微震和不同水位时的反褶积干涉结果 Fig.1Deconvolution inteference result under a microseismic event and different water level ChaoXing 第6期陆斌基于地震干涉的回采工作面随采地震成像方法145 图 23 种干涉方法结果的功率谱对比 Fig.2Comparison of power spectra of three interferometry s 3工作面随采地震层析成像 利用采煤机作为震源，发震时刻是未知的，只 能得到各个道的相对到时，以参考信号的到时为0 时刻。因为采煤机位置已知，所以可以通过拟合得 到粗略的发震时刻和波速，在反演时作为初值。 由于槽波的频散特性，很难读到精确的到时； 再加上还有其他震相以及强噪音的干扰，靠近掌子 面记录的槽波到时很难获得。比较发现，远道的背 景噪音小，而且各种震相已经明显分开，到时的读 取比较容易。数据精度信息用方差表示，贝叶斯反 演可以利用这些先验信息约束反演结果，获得更可 靠的结果。 3.1基于贝叶斯的随采地震层析成像 层析成像一般都利用ART或SIRT等方法反演， 对逐条射线作调整，因而利用一般的计算机就可以 求解大型稀疏矩阵。随采地震层析成像一般都是不 适定性高的小型反演问题，为此需要加入先验信息 以降低不适定性。贝叶斯反演最大的优点就是可以 方便地加入先验信息，且是全局寻优的反演方法， 因而采用这种方法来解决随采地震层析成像问题。 a. 贝叶斯反演原理 给定一个数据 d 和模型m的关系式gdm， 数据的误差是高斯分布的协方差 D C,高斯分布的模 型初始值为 0 m，协方差为 M C。由贝叶斯理论，给 定模型的后验概率密度为   T 1 T 1 00 1 | exp[] 2 1 exp[] 2 D M pgg     m dmd mmCmm 9 最大概率模型参数可以通过令下式最小化获得  TT 11 00DM gg  mdm mCm m10 如果模型是线性的，即Gmd，后验概率密度 也是高斯型的[18]。最高概率的模型是   1 T11T11 0DMDM m   G CGCG CdCm11 该模型的不确定性用后验协方差矩阵表示  1 T11 MDM   CG CGC12 b. 相对到时层析成像原理 速度或慢度层析成像的一般方法是将介质离 散化为一个长方体格子集合， 每个格子有一个慢度， k s表示第k个格子的慢度。 第j条射线的走时为 shot 1 N jk jkj k ts lt    13 式中 jk l是该射线在格子k内的长度， shot j t是发震时 刻。 将未知量装在一个矢量内 0 ,s t    x,方程可写为 矩阵形式 1,11,21, 1 2,12,22, 2 ,1,2, 11,11,21, 11,11,21, ,1,2, 1 00 1 00 0 10 0 10 0 01 0 01 N N jjjj N jjjjN MMMMN MMMM N lll t lll t tlll tlll tlll tlll                                        1 2 shot 1 shot 2 shot N K s s s t t t                  14 或 tLx15 ChaoXing 146煤田地质与勘探第44卷 L内的0和1的列用于结合到时及其相应的发 震时刻 shot j t，1jK≤≤，K是炮数或者采煤机位置 数。利用贝叶斯反演求解该问题，要按照平均慢度 给出初始慢度值，发震时刻初始值都设为0，两者 合起来表达为 0 x；除此之外，需要由经验值给出慢 度的协方差 x c和到时的协方差 T c， 这些先验信息对 反演提供了较强的约束，保证了搜索到的最优解是 符合物理认识的，对于不适定性较高的反演问题有 很好的适应性。反演的最大概率的结果是   1 T11T11 0TxTx x   xL CLCL CtC16 3.2相对到时的获得 到时的读取有两种方法第一种方法是以某一 道为参考道，与所有道做干涉，得到一个类似脉冲 源的单炮集后，以参考道最大值的时刻为0时，读 取各道的到时。这种方法很难准确读取近震源道的 到时，因为近震源道的噪音比较强，且震相复杂。 第二种方法是分别以各道为参考道与所有道做干 涉，得到一组单炮集，每个单炮集重排为一列，得 重排的各个炮集；然后，利用中间列为参考道再进 行互相关，得到图3。由最大值读取到时会受到局 部噪音影响，而由多次波的最大值读取相对到时可 以得到更好的结果。图3中，读取的相对到时是虚 线框内同相轴的最大值位置。 图 3相对到时的读取 Fig.3The acquisition of relative arrival time 3.3层析成像结果 利用得到的相对到时，经过去坏道等数据预处理 后，设置初始值和模型与数据的协方差。模型的协方 差表示工作面上的煤层波速偏离平均波速的程度，由 于煤层的均匀性很好，波速差异主要是地层应力调整 造成，因而可以设置一个较小的协方差 x C；由地震数 据得到的到时在某些道质量不够高，因而方差 T C要设 置的比 x C大一些。利用式13的贝叶斯方法反演得到 最终的层析成像结果，如图4所示。 图 4工作面层析成像 Fig.4Seismic tomography of working face 图4中，检波器都布置在运顺巷对面的回风巷 里，因为这里没有运输设备的噪音干扰。射线覆盖 区域是切眼和回风巷连线的三角形，射线覆盖区域 外的速度还是给定的初始值。在掌子面附近和巷道 附近的煤层慢度明显大于工作面内部，这是由于掌 子面受采掘扰动比较松软造成的。 4结 论 a. 利用反褶积干涉或互相干干涉提取地震信 号，其相干谱的主成分更宽、更平滑，对于含有较 强时间结构成分的机械噪音来说，这两种方法要比 互相关方法更具适应性。 b. 对由各个道分别作参考道得到的一组炮集 再做互相干，能得到信噪比更高的到时，这种二次 干涉方法充分利用了数据的冗余性。 c. 基于贝叶斯理论的反演利用了初始模型及 其协方差、到时的协方差等先验信息，比较适合处 理随采地震这种奇异性较高的反演问题。 参考文献 [1] KREYT.In-seamseismicexplorationtechniques[C]// Proceeding 1st International Coal Exploration Symposium ， London ， U.K. Coal Exploration ， vol.1. 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