CN111812714B - 基于折射纵波与高频槽波的煤层纵横波速度求取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纵波与横波速度求取方法，属于煤炭探测技术领域，具体是涉及一种基于折射纵波与高频槽波的煤层纵横波速度求取方法。本发明提供的煤层纵波与横波速度求取方法，能够依托槽波探测工程，在不增加成本的前提下，依据煤层纵波与折射纵波周期和速度以及煤层厚度的关系求取煤层纵波速度，依据煤层横波与高频槽波的关系求取煤层横波速度，操作简便，人为误差小，能够为岩性反演提供准确的约束参数，提高反演的准确度，为进一步圈定异常区位置和类型提供支撑，保障煤矿安全高效开采。

Description

基于折射纵波与高频槽波的煤层纵横波速度求取方法

技术领域

本发明涉及一种纵波与横波速度求取方法，属于煤炭探测技术领域，具体是涉及一种基于折射纵波与高频槽波的煤层纵横波速度求取方法。

背景技术

对煤田勘探而言，采煤工作面内的煤层纵波速度与煤层横波速度是重要的地球物理参数。准确求取这两种速度(煤层纵波速度、煤层横波速度)对于工作面内煤层裂隙带、应力集中区、瓦斯聚集区等致灾区域的探测具有重要作用。由于地震波在煤层中以槽波的形式传播，仅从井下地震数据出发，现有方法无法直接求出煤层纵波速度和煤层横波速度。

目前，槽波探测工程已在采煤工作面的掘进和回采阶段广泛开展，所采集的井下地震数据中不仅包含沿煤层传播的槽波，也包含沿煤层与顶底板岩层分界面传播的折射波。事实上，折射波与槽波的速度是由煤层与顶底板围岩的速度共同决定的。高频槽波速度近似于煤层横波速度，折射纵波的速度和周期则与煤厚和煤层纵波速度有关。因此，对井下地震数据进行处理，拾取各个地震道数据上折射纵波到时与高频槽波到时，依据折射波和槽波与煤层纵波与煤层横波的关系，将二者转化为各道的煤层纵波到时和煤层横波到时，再通过速度反演就可以得到工作面内的煤层纵波与煤层横波速度的成像结果。由此方式获得的是整个工作面范围内的煤层纵波与煤层横波速度，以此为依据反演工作面内煤层的孔隙度、含气量等岩性参数，就可实现工作面内致灾区域的探测。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明主要目的是提供一种基于折射纵波与高频槽波的煤层纵波与煤层横波速度求取方法，该方法用折射波速度和槽波速度与煤层纵波和煤层横波速度的关系，能够从在煤层中激发和接收的井下地震波中获得煤层纵波速度、煤层横波速度在工作面内的分布情况。

为解决上述问题，本发明的方案是：

一种基于折射纵波与高频槽波的煤层纵波与煤层横波速度求取方法，其特征在于，包括：

基于获得的煤层的波型到时，利用层析成像方法采用以下迭代公式计算工作面内煤层的波型速度：

式中，m是迭代的步数，a_n是地震道从发射点到接收点的第n道射线在各网格内的长度，t_n是第n道的波形到时，λ为松弛因子，v^(m-1)是第m-1次迭代的波形速度，v^(m)为第m次迭代的波形速度。

优选的，上述的一种基于折射纵波与高频槽波的煤层纵波与煤层横波速度求取方法，所述波型到时包括煤层纵波到时t_pn，所述煤层纵波到时t_pn的求取基于下式：

式中，L_n是第n道射线的传播距离，h是煤层厚度，T_n是折射纵波周期，t_rpn是折射纵波到时。

优选的，上述的一种基于折射纵波与高频槽波的煤层纵波与煤层横波速度求取方法，所述折射纵波到时t_rpn的求取包括：

通过观察地震记录，给出折射纵波的最小速度v_p0，使得v_p0的时距曲线以上仅有折射纵波的波列；

将各道地震数据d_n(t)中折射纵波以外的数据点置零，得到折射纵波数据p_n(t)；

构建以折射纵波主频f_p为主频的最小相位子波w_p(τ)；

对于折射纵波数据p_n(t)的每一个时间点t，求出该点前后波形与子波w_p(τ)的相似比r_pn(t)；

求出各道地震数据中使r_pn(t)达到最大的t_max,则t_max就是该道的折射纵波到时t_rpn。

优选的，上述的一种基于折射纵波与高频槽波的煤层纵波与煤层横波速度求取方法，所述折射纵波周期T_n的求取包括：

用短时傅里叶变换求出p_n(t)的时频谱P_n(t,f)；

取出折射纵波主频f_p上的时频谱切片P_n(t,f_p)；

对P_n(t,f_p)以T为周期采样，求出采样点上的平均振幅A_n(T)：

其中K是折射纵波的波列长度中能够包含周期T的个数，即：

求出使A_n(T)到达最大的T_max,则T_max就是该道的折射纵波周期T_n。

优选的，上述的一种基于折射纵波与高频槽波的煤层纵波与煤层横波速度求取方法，所述折射纵波主频f_p的求取包括：

用傅里叶变换求出p_n(t)的振幅谱，寻找到最大振幅谱对应的频率f_max，则f_max就是折射纵波的主频f_p。

优选的，上述的一种基于折射纵波与高频槽波的煤层纵波与煤层横波速度求取方法，所述波型到时包括煤层横波到时t_sn，所述煤层横波到时t_sn的求取包括：

对各道地震数据d_n(t)进行高通滤波后，求出振幅包络E_n(t)；

对E_n(t)的每一个时间点t，求出该点前后的平均振幅比r_En(t)；

求出各道地震数据中使r_En(t)达到最大的t_max,则t_max就是该道的煤层横波到时t_sn。

因此，本发明相对于现有技术来说，具备以下优点：本发明提供的煤层纵波与煤层横波速度求取方法，能够依托槽波探测工程，在不增加成本的前提下，准确求取工作面内各区域的煤层纵波速度和煤层横波速度，操作简便，人为误差小，能够为岩性反演提供准确的约束参数，提高反演的准确度。在反演结果的基础上，进一步圈定煤层内异常区位置和类型，从而更好地为煤矿安全高效开采提供保障。

附图说明

并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。

图1为基于折射纵波与高频槽波的煤层纵波与煤层横波速度求取方法的总流程图。

图2为含煤层速度异常区的工作面模型图及参数。

图3为模型的三维弹性波正演模拟结果。

图4为截取的折射纵波。

图5为构建的折射纵波子波。

图6为两道折射纵波的波列。

图7为两道折射纵波的时频谱，图中，(a)为第142道时频谱，(b)为第100道时频谱。

图8为两道主频上的时频谱频率切片，图中，(a)为第142道时频谱频率切片，(b)为第100道时频谱频率切。

图9为两道平均振幅随周期分布图，图中，(a)为第142道周期平均振幅，(b)为100道周期平均振幅。

图10为高频槽波及煤层纵波到和煤层横波到时。

图11为求出的煤层纵波速度和煤层横波速度的层析成像结果，图中(a)为煤层纵波速度，(b)为煤层横波速度。

具体实施方式

实施例

本实施例中的折射波是指：震源在煤层内激发后产生的沿着煤层与岩层分界面传播，并受到层间多次反射影响而具有强周期性的地震波。

参见图1，为本发明的基于折射纵波与高频槽波的煤层纵波与煤层横波速度求取方法。具体包括：

井下地震数据中每一次震源激发、每一个检波器接收到的地震波记录为一个地震道。对实际数据进行延时校正、去噪等预处理后，根据各道所对应的激发点和接收点位置求出各道对应的射线传播距离。对于第n道数据，其激发点位置为(x_sn,y_sn)，接收点位置为(x_rn,y_rn)，则其对应的射线传播距离L_n为：

分析工作面地质资料，根据工作面钻孔柱状图和巷道实际揭露情况获得工作面平均煤层厚度h。

接下来求出折射纵波主频f_p，具体措施为：

通过观察地震记录图，给出折射纵波的最小速度v_p0，使得v_p0的时距曲线以上仅有折射纵波的波列。对v_p0仅需大致估计，操作地震记录显示软件，只要将振幅明显更强的折射横波波列排除即可。

将各道地震数据d_n(t)中折射纵波以外的数据点置零，得到折射纵波数据p_n(t)，即

用傅里叶变换求出p_n(t)的振幅谱P_n(f)，并将所有道的振幅谱叠加后，寻找到最大振幅谱对应的频率f_max，则f_max就是折射纵波主频f_p。

在求出折射纵波主频f_p后，求取各道的折射纵波到时t_rpn，具体措施为：

构建以f_p为主频的最小相位子波w_p(τ)：

其中k为波峰与波谷的比值，可根据实际情况在1.01至1.2之间选取；e是自然常数；τ为采样点，τ∈[0，M]，M为子波长度，一般为3～4个周期T_p，T_p＝1/f_p。

对p_n(t)的每一个时间点t，求出该点前后一个子波长度M的范围内波形与子波w_p(τ)的相似比r_pn(t)：

求出各道地震数据中使r_pn(t)达到最大的t_max,则t_max就是该道的折射纵波到时t_rpn。

接下来求出各道的折射纵波周期T_n，具体措施为：

用短时傅里叶变换求出p_n(t)的时频谱P_n(t,f)；

令f＝f_p，取出折射纵波主频f_p上的时频谱切片P_n(t,f_p)；

对P_n(t,f_p)以T为周期采样，求出采样点上的平均振幅A_n(T)：

其中K是折射纵波的波列长度中能够包含周期T的个数，即：

求出使A_n(T)到达最大的T_max,则T_max就是该道的折射纵波周期T_n。

接下来求出各道的煤层纵波到时t_pn。根据t_pn与折射纵波周期T_n、煤层厚度h、折射纵波到时t_rpn的关系可以推导出：

其中L_n是第n道的传播距离。对于煤层厚度稳定的工作面，可由此式求出煤层纵波到时t_pn。

接下来求出各道的煤层横波到时t_sn。由于高频槽波的速度无限接近于煤层横波速度，而高通滤波能够有效消除折射波和槽波的Airy相而保留高频槽波，因此可由高频槽波的速度替代煤层横波的速度。利用高通滤波后的地震数据求t_sn。具体措施如下：

对各道地震数据d_n(t)进行高通滤波后，求出振幅包络E_n(t)。

对E_n(t)的每一个时间点t，求出该点前后的平均振幅比r_En(t)：

求出各道地震数据中使r_En(t)达到最大的t_max,则t_max就是该道的煤层横波到时t_csn。

在求得了各个地震道上煤层纵波到时t_pn和煤层横波到时t_sn后，利用层析成像算法就可以得到工作面内煤层纵波速度v_p、煤层横波速度v_s的反演结果。以煤层纵波速度v_p为例，在求得每个地震道上的煤层纵波到时t_pn之后，将工作面划分为K个网格，设每个网格的煤层纵波速度为v_pk，根据空间关系求出每个地震道从发射点到接收点的射线在每个网格内的长度a_kn，k∈[1，K]，n∈[1，N]，K为总网格数，N为总道数。将a_kn写为矩阵形式A，将v_pk和t_pn分别写为向量形式v和t，则有方程组

Av＝t

其中A和t已知。求解该方程组，就可得到每个网格的v_rpk，从而得到工作面内围岩纵波速度v_rp的分布情况。可采用ART算法求解该方程组，对v根据经验设定初始值后，采用以下迭代公式求解：

其中m是迭代的步数，a_n是第n道射线在各网格内的长度，λ为松弛因子。t_n是第n道的到时，v是所求速度在各网格内的值所构成的向量。当求煤层纵波速度v_p时，上式中t_n为t_pn；当求煤层横波速度v_s时，上式中t_n为t_sn。

一般迭代数次后就可以得到较为理想的结果。依次将t_pn和t_sn代入方程组，就可以求出工作面内v_p和v_s的分布情况。

本实施例所需的井下观测***布置方式与槽波探测工程相同，可与槽波探测工程同时开展，不需要额外的施工。

本实施例井下地震数据中的折射纵波不是围岩的纵波，折射纵波速度小于围岩纵波速度，且折射纵波具有很强的周期性，其周期与煤厚有关。

下面以理论模型为例说明本发明效果：

模型由顶板、煤层、底板三层组成，顶板与底板岩性相同。围岩纵波速度4000m/s，围岩横波速度2300m/s，密度2.56g/cm³；煤层厚度10m，煤层纵波速度2000m/s，煤层横波速度1050m/s，密度1.4g/cm³。模型中包含两个煤层低速区，其中低速区纵波速度1600m/s，低速区横波速度850m/s。低速区的位置与观测***布置如图2所示。图3为根据三维弹性波正演模拟方法得到的第25炮正演模拟的结果，经过振幅增益控制处理后，可从中分辨出折射纵波、折射横波和槽波。现依据本发明步骤由数据求出煤层纵波速度和煤层横波速度。

执行步骤1，计算各道的传播距离L_n。

执行步骤2，煤层厚度取10m。

执行步骤3，通过观察图3，令v_p0＝2900m/s，截取折射纵波。截取后的折射纵波如图4。

执行步骤4，求出折射纵波主频f_p为500Hz。k值取1.02，构建主频f_p为500Hz的子波，如图5。

执行步骤5，求出各道的折射纵波到时t_rpn。

执行步骤6，以第100道和第142道为例，此两道中的折射纵波如图6，分别进行短时傅里叶变换，得到的时频谱如图7。

执行步骤7，取出f_p上的时频谱切片P_n(t,f_p)，如图8。

执行步骤8，计算各周期上的平均振幅分布图，如图9；取最大平均振幅对应的周期为该道的折射纵波周期T_n，得到的第142道的T_n＝87ms，第100道的T_n＝116ms。

执行步骤9，由T_n、t_rpn、L_n和h计算出各道的煤层纵波到时t_pn。

执行步骤10，对数据进行500Hz以上的高通滤波，获得高频槽波。

执行步骤11，求出煤层横波到时t_csn。图10为高频槽波以及求出的煤层纵波到时t_pn和煤层横波到时t_sn。

执行步骤12，对t_pn和t_sn进行速度层析成像，得到工作面煤层纵波速度v_p和煤层横波速度v_s的层析成像结果，分别如图11(a)和图11(b)中所示。可以看出，图11(a)反演出的煤层纵波速度为2000m/s与模型一致，其中低速区的速度约为1650m/s，接近模型的1600m/s；图11(b)反演出的围岩横波速度为1050m/s与模型一致，其中低速区的速度约为810m/s，接近模型的850m/s。总体而言，本发明能够准确求出煤层纵波速度和煤层横波速度在工作面的分布情况，并由此实现围岩内速度异常区的检测。

注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (4)

1.一种基于折射纵波与高频槽波的煤层纵波与煤层横波速度求取方法，其特征在于，包括：

基于获得的煤层的波型到时，利用层析成像方法采用以下迭代公式计算工作面内煤层的波型速度：

式中，m是迭代的步数，a_n是地震道从发射点到接收点的第n道射线在各网格内长度所组成的向量，||a_n||是这条射线的长度，λ为松弛因子，t_n是第n道的波形到时，v是所求速度在各网格内的值所构成的向量，v^(m-1)是第m-1次迭代的波形速度，v^(m)为第m次迭代的波形速度；

其中，当求煤层纵波速度v_p时，所述第n道的波形到时t_n取煤层纵波到时t_pn；当求煤层横波速度v_s时，所述第n道的波形到时t_n取煤层横波到时t_sn；

其中，

所述煤层纵波到时t_pn的求取基于下式：

式中，L_n是第n道射线的传播距离，h是煤层厚度，T_n是该地震道上折射纵波的周期，t_rpn是该道上折射纵波的到时；

所述煤层横波到时t_sn的求取包括：

对各道地震数据d_n(t)进行高通滤波后，求出振幅包络E_n(t)；

对E_n(t)的每一个时间点t，求出该点前后的平均振幅比r_En(t)；

求出各道地震数据中使r_En(t)达到最大的t_max,则t_max就是该道的煤层横波到时t_sn。

2.根据权利要求1所述的一种基于折射纵波与高频槽波的煤层纵波与煤层横波速度求取方法，其特征在于，所述折射纵波到时t_rpn的求取包括：

通过观察地震记录，给出折射纵波的最小速度v_p0，使得v_p0的时距曲线以上仅有折射纵波的波列；

将各道地震数据d_n(t)中折射纵波以外的数据点置零，得到折射纵波数据p_n(t)；

构建以折射纵波主频f_p为主频的最小相位子波w_p(τ)；

对于折射纵波数据p_n(t)的每一个时间点t，求出该点前后波形与子波w_p(τ)的相似比r_pn(t)；

求出各道地震数据中使r_pn(t)达到最大的t_max,则t_max就是该道的折射纵波到时t_rpn。

3.根据权利要求2所述的一种基于折射纵波与高频槽波的煤层纵波与煤层横波速度求取方法，其特征在于，所述折射纵波周期T_n的求取包括：

用短时傅里叶变换求出p_n(t)的时频谱P_n(t,f)；

取出折射纵波主频f_p上的时频谱切片P_n(t,f_p)；

对P_n(t,f_p)以T为周期采样，求出采样点上的平均振幅A_n(T)：

其中K是折射纵波的波列长度中能够包含周期T的个数，即：

求出使A_n(T)到达最大的T_max,则T_max就是该道的折射纵波周期T_n。

4.根据权利要求2所述的一种基于折射纵波与高频槽波的煤层纵波与煤层横波速度求取方法，其特征在于，所述折射纵波主频f_p的求取包括：

用傅里叶变换求出p_n(t)的振幅谱，寻找到最大振幅谱对应的频率f_max，则f_max就是折射纵波的主频f_p。

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