CN105549087B - 一种煤矿井下槽波地震勘探的走时和振幅联合反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种煤矿井下槽波地震勘探的走时和振幅联合反演方法，包括走时提取走时和振幅联合反演成像，利用实际走时数据和实际振幅数据，同时开始各自的反演计算，联合评价慢度模型解和衰减系数模型解，并计算经验相似系数模型分布，从而进行综合地质解释步骤，本发明与现有技术相比，本发明利用槽波某一主频的走时和艾利相振幅信息，进行联合反演，可有效的减少反演的多解性问题，增强反演结果的准确性。从而，在复杂煤层地质条件下，采用此方法可使反演成像结果更为稳定和可靠。

Description

一种煤矿井下槽波地震勘探的走时和振幅联合反演方法

技术领域

本发明涉及煤矿巷道掘进、工作面回采等矿井安全技术领域，用于精确探测煤巷工作面内的小断层、陷落柱、采空区、煤层厚度变化及夹矸分布等地质异常情况，具体涉及一种煤矿井下槽波地震勘探的走时和振幅联合反演方法。

背景技术

煤层中小断层、陷落柱等小构造在煤田普查勘探中很难被发现，但这些煤层地质中存在的小构造严重威胁煤矿生产安全，尤其是在实际采掘阶段，由于煤层地质中无法探明各种潜在的构造，可能在采掘过程中出现塌方、冒顶、跑水、瓦斯泄露等生产事故，严重危害生产工人的生命安全，同时也会导致该开采区的采掘无法实现最大化，造成各种资源的浪费。现有的物探技术中，井下槽波地震勘探对于解决这些问题具有良好的效果，首先，由于槽波是形成于煤层内的一种特殊地震波，槽波的频散特征直接反映了煤层的结构特点；其次，槽波的传播局限于煤槽内，携带了大量煤层内的地质构造信息；再者，在实际煤矿井下地震勘探采集到的地震信号中，槽波具有较强的能量且信噪比高。在煤层地质条件较为单一的情况下，利用透射槽波的艾利相振幅或者某一主频的走时信息，通过传统的单一参数的反演方法可以有效的成像出煤层中的某一主要的地质构造，如小断层、陷落柱、煤厚变化或者夹矸分布。但是，在煤层地质条件较为复杂的煤层中，如断层发育较多、煤厚变化(或夹矸变化)加杂其它地质构造的情况，则传统的单一参数的反演方法的结果往往与实际煤层地质情况存在较大差异。

发明内容

根据上述阐述，本发明的目的在于提供一种煤矿井下槽波地震勘探的走时和振幅联合反演方法，在煤层地质条件较为复杂的煤层中，可以有效的成像出煤层中的某一主要的地质构造，如小断层、陷落柱、煤厚变化或者夹矸分布。

本发明提供的一种煤矿井下槽波地震勘探的走时和振幅联合反演方法，利用槽波(勒夫型或瑞雷型)的艾利相振幅和某一主频的走时信息，采用分别独立计算和联合收敛的方式，其反演计算可采用ART、SIRT、共轭梯度方法或阻尼最小二乘方法，迭代过程中采用模型解的联合评价及修正，最终得到速度模型和衰减系数模型，在复杂地质条件下，可以减少反演结果的多解性，使槽波反演成像结果更加稳定、准确。

本发明提供如下的技术方案：

一种煤矿井下槽波地震勘探的走时和振幅联合反演方法，包括以下步骤：

A、走时提取：将槽波数据进行预处理、滤波、频散分析后得到每一道的频散曲线谱图，对所有有效的道记录，从其频散曲线谱图中拾取槽波某一主频的走时数据；

B、振幅提取：经去噪、几何扩散校正、频散分析和时频分析、高斯带通滤波、包络计算后，拾取完成所有道的艾利相振幅值；

C、走时和振幅联合反演成像：利用步骤A中的实际走时数据和步骤B中的实际振幅数据，同时开始各自的反演计算，联合评价速度模型解和衰减系数模型解，并计算经验相似系数模型分布；

D、综合地质解释：根据步骤C中反演得到的速度模型和衰减系数模型图，结合已有的地质资料，进行综合的地质解释。

上述技术方案中，所述步骤A之前，还包括步骤：透射槽波数据的预处理和分析：所述步骤将透射槽波数据进行置道头、去坏道及切除、旋转、频谱分析、极化分析及震相识别。

上述技术方案中，所述步骤C中，如满足要求，则输出最终模型解；否则，根据相似系数模型分布，进行加权模型平滑，并再次进行反演迭代计算。

上述技术方案中，所述步骤C中，反演方法可任一选择采用ART、SIRT、阻尼最小二乘法和共轭梯度方法。

本发明与现有技术相比，本发明利用槽波某一主频的走时和艾利相振幅信息，进行联合反演，可有效的减少反演的多解性问题，增强反演结果的准确性。从而，在复杂煤层地质条件下，采用此方法可使反演成像结果更为稳定和可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为透射槽波走时和振幅联合反演方法流程图；

图2为实际透射槽波观测勘探施工设计图；

图3为实际透射槽波原始单炮地震剖面记录；

图4为典型透射槽波地震信号频散分析图；

图5为实际槽波层析成像及地质解释图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例为某矿一个工作面内透射槽波勘探施工设计图，根据图2所示，该工作面开采深度达1000多米，地压较高，且位于一大向斜构造侧翼，倾角达30°，导致内部构造复杂，槽波勘探的工作面范围为长750m，宽150m，且煤层倾角约30°。野外观测***设计参数为：道间距10m，炮间距30m，总炮数25，总道数76。

根据图1所示，将实施例按照本发明的一种煤矿井下槽波地震勘探的走时和振幅联合反演方法，其可通过以下步骤实现：

第一步：透射槽波数据的预处理和分析，透射槽波数据包括置道头、去坏道及切除、旋转、频谱分析、极化分析及震相识别。

第二步：走时属性提取，将预处理后的槽波数据，进行去噪、AGC及频散分析，从频散图中拾取每道的某一主频的走时信息。

第三步：振幅属性提取，将预处理后的槽波数据，进行去噪、频散分析、高斯带通滤波和包络计算，并从剖面图中拾取槽波的艾利相振幅值。

第四步：走时和振幅联合反演成像。

走时和振幅联合反演成像方法理论为：

在离散网格模型中，二维模型的速度分布v(x,y)和衰减系数分布α(x,y)，那么，基于射线理论，地震波走时和速度模型分布之间的关系可以表示为：

式中，t表示旅行时；R表示射线路径。

地震波振幅和衰减系数模型分布之间的关系可以表示为：

即，

式中，A₀表示震源振幅；A表示检波点振幅；其它同前。

以上2个关系式可统一表示如下：

式中，I·J表示模型离散后网格的总数；f_k表示射线k路径下的地震波的旅行时t或者振幅A的换算值；mij表示第i行j列网格单元上模型值(慢度或衰减系数)；rijk表示在第i行j列网格单元里的射线k的路径长度。

那么，反问题为：已知旅行时t、振幅A及射线路径R，求速度模型v(x,y)和衰减系数模型α(x,y)。这里的衰减系数应指视衰减系数，即包括物质内部的吸收衰减作用和地震波的散射作用。采用网格离散速度模型和衰减系数模型，则上式可表示为，

式中，I·J表示模型离散后网格的总数；f_k表示射线k路径下的地震波的旅行时或者振幅换算值；m_ij表示第i行j列网格单元上模型值(慢度或衰减系数)；r_ijk表示在第i行j列网格单元里的射线k的路径长度。

采用ART、SIRT、阻尼最小二乘法及共轭梯度方法，皆可求解上述反问题。

下面就采用SIRT方法实现步骤如下：

a)直射线路径计算。采用基于网格的射线追踪方法(如快速行进法，FMM)在初始模型中进行射线追踪。

b)分别计算剩余量。由给定的当前速度模型和衰减系数模型，根据(a)中的直射线路径，分别正演计算当前量，并求与实际量的差。

c)在最小能量改正准则下，分别计算出速度模型和衰减系数模型的改正量。

d)求取改正后的速度模型和衰减系数模型。此过程加以模型最大和最小值约束，以及模型平滑计算。

e)联合评价模型解。

可构建联合收敛函数φ如下：

φ(m₁,m₂)＝(1-ω)||P₀-P(m₁)||²+ω||t₀-t(m₂)||²+τ·R(m₁,m₂)式中，m₁,m₂分别表示慢度和衰减系数分布；P₀和t₀分别表示实际振幅换算值和走时；ω,τ为权重系数；R(m₁,m₂)表示2个模型解之间的相似系数分布。

其中，利用经验关系来构建相似系数计算公式。当相似系数小于0时，表示2种模型中此局部区域的解相互背离；当相似系数大于0时，表示2种模型解之间具有一定相关度。

如果模型解的联合评价满足终止条件，联合收敛函数φ值趋于稳定时，则输出最终的速度模型解和衰减系数模型解；反之，根据相似系数模型分布来加权进行模型平滑，并继续进行迭代反演计算(b)步骤。

根据图3、图4和图5所示，在实施例中，将采集到的透射槽波数据经过解编、置道头、切除、滤波、频散分析、包络计算、参数提取及层析成像处理，得到最终2D模型图，在经过综合分析，解释出的断层位置与巷道实际资料对比可知，吻合较好。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种煤矿井下槽波地震勘探的走时和振幅联合反演方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、走时提取：将槽波数据进行预处理、滤波、频散分析后得到每一道的频散曲线谱图，对所有有效的道记录，从其频散曲线谱图中拾取槽波某一主频的走时数据；

B、振幅提取：经去噪、几何扩散校正、频散分析和时频分析、高斯带通滤波、包络计算后，拾取完成所有道的艾利相振幅值；

C、走时和振幅联合反演成像：利用步骤A中的实际走时数据和步骤B中的实际振幅数据，同时开始各自的反演计算，联合评价速度模型解和衰减系数模型解，并计算经验相似系数模型分布；

D、综合地质解释：根据步骤C中反演得到的速度模型和衰减系数模型图，结合已有的地质资料，进行综合的地质解释。

2.根据权利要求1所述一种煤矿井下槽波地震勘探的走时和振幅联合反演方法，其特征在于：所述步骤A之前，还包括步骤：透射槽波数据的预处理和分析：所述步骤将透射槽波数据进行置道头、去坏道及切除、旋转、频谱分析、极化分析及震相识别。

3.根据权利要求1所述一种煤矿井下槽波地震勘探的走时和振幅联合反演方法，其特征在于：所述步骤C中，如满足要求，则输出最终模型解；否则，根据相似系数模型分布，进行加权模型平滑，并再次进行反演迭代计算。

4.根据权利要求1所述一种煤矿井下槽波地震勘探的走时和振幅联合反演方法，其特征在于：所述步骤C中，反演方法可任一选择采用ART、SIRT、阻尼最小二乘法和共轭梯度方法。