CN112363210B - 基于透射槽波波速和衰减系数联合反演的煤厚定量预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于透射槽波波速和衰减系数联合反演的煤厚定量预测方法，利用已采集的透射槽波数据，分别计算透射槽波速度和透射槽波衰减系数，再通过钻孔探测煤厚数据，联合透射槽波速度和透射槽波衰减系数，建立回归分析模型进行处理，直接反演出煤厚与速度和衰减系数的互相关联的数学模型，通过反演的速度和衰减系数数据和数学模型结合，得到最终煤厚反演数据；与单一频率的槽波速度与实揭地质结果构建煤厚定量预测模型相比，本发明方法可以得到多个因素影响的煤厚图，具有广泛的适用性；同时，可有效减少速度反演误差和衰减系数反演误差等因素对煤厚定量预测的干扰，提高预测准确性；最终为煤矿智能化开采提供高精度、定量化的煤厚信息。

Description

基于透射槽波波速和衰减系数联合反演的煤厚定量预测方法

技术领域

本发明涉及煤层探测技术领域，尤其涉及基于透射槽波波速和衰减系数联合反演的煤厚定量预测方法。

背景技术

随着煤矿开采深度和速度的增加，开采条件变得更为复杂，煤矿灾害问题日趋突出，特别是在回采过程中会突然遇到一些未知的地质异常构造，不仅影响正常生产，造成经济损失，还会使井下工作人员的生命安全受到威胁。由于这些地质异常构造均与煤厚变化直接相关，而且工作面内部煤厚变化情况对于地质异常构造的判断及采区接替部署和工作面的合理布置具有重要的参考意义，因此煤层厚度的探测在矿井生产中至关重要。

煤层厚度的探测主要采用的方法有三大类：第一类以地面钻孔资料为约束条件，结合三维地震数据进行探测，该方法对于测区的钻孔密度要求较高，而且预测精度受三维地震数据的质量等因素影响，预测精度波动大。第二类为矿井地球物理透视法，其主要包括无线电波坑透和透射地震体波层析法；无线电波坑透根据煤层厚度变化时会引起无线电波信号的能量衰减异常，进而圈定煤层异常区；而透射地震体波层析法根据地震波速度与煤厚的对应关系，在一定程度上能够有效地圈定工作面内煤层变薄带范围，但矿井地球物理透视法受回采工作面探测施工条件和反演方法限制，导致此方法对煤厚及其构造探测精度不高。第三类为槽波勘探，槽波勘探具有直接携带煤层信息的特点，是目前煤层厚度定量探测领域的重点研究对象。

但是现有技术中的槽波勘探煤厚预测，通常根据某一频率的槽波速度与实揭地质结果构建煤厚定量预测模型，煤厚定量预测模型多基于某个矿区的经验公式，某个矿区的经验公式不适合其他矿区使用，不易推广使用。

专利公布号为CN111077572A、专利名称为一种基于透射槽波频散曲线反演的煤厚定量预测方法的专利中公开了一种探测方法，其先建立煤层厚度检测***，获取多层透射槽波信号；然后提取出多层透射槽波信号的透射槽波频散曲线；建立多层水平层状介质反演模型，通过对模型参数进行敏感度分析，得出模型的反演参数仅考虑层厚度和横波速度；再建立初始反演模型，然后求解初始反演模型对应的理论频散曲线，并与实际数据频散曲线进行迭代拟合计算，最终根据得出的上下极值，得出该透射槽波信号所经过路径上煤层厚度的定量探测结果，该探测结果不受各矿区经验公式的限制，具有较广泛的适用性。但是该煤厚定量预测方法在反演处理过程中处理方法跟实际矿区煤厚联系不大，单纯依靠频散曲线进行处理，比较单一，而实际煤厚预测是根据采集数据多方面物理参数得到得。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供基于透射槽波波速和衰减系数联合反演的煤厚定量预测方法，通过对钻孔数据、透射槽波波速和衰减系数等数据进行分析，利用联合反演方法探测煤层厚度，大大提高预测准确性，而且本预测方法不受矿区经验公式限制，适用性广。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于透射槽波波速和衰减系数联合反演的煤厚定量预测方法，包括如下步骤：

01、根据已有透射槽波数据，通过地震走时层析成像，采用共轭梯度法或稳定双共轭梯度法求解自适应阻尼因子最小二乘解反演，得到透射槽波速度V＝(V₁,...,V_n)，其中n为二维平面网格划分总个数；

02、根据已有透射槽波数据，通过透射槽波衰减系数层析成像算法，采用共轭梯度法或稳定双共轭梯度法求解自适应阻尼因子最小二乘解反演，得到透射槽波衰减系数S＝(S₁,...,S_n)，其中n为二维平面网格划分总个数；

03、通过钻孔获得探测平面内各钻孔处的煤厚数据m＝(m₁,...,m_n)，其中m为钻孔个数，记录各个钻孔坐标值(x,y)＝(x₁,y₁；…x_n,y_n)；

04、将各个钻孔对应的坐标值及煤厚数据在步骤01中反演得到透射槽波速度V对应的槽波速度值v＝(v₁,...,v_n)；

05、将各个钻孔对应的坐标值及煤厚数据在步骤02中反演得到槽波衰减系数S对应的衰减系数值s＝(s₁,...,s_n)；

06、将步骤04和05反演得到的槽波速度V和衰减系数值S作为自变量输入，对应步骤03中各个钻孔的煤层厚度数据m作为因变量输入；通过多元回归分析，得到回归系数，通过回归系数得到煤厚与槽波速度和衰减系数预测模型，再结合步骤01、02中数据，计算出整个平面煤厚分布图。

进一步的，所述步骤06包括：

A、槽波速度V和衰减系数值S作为自变量输入，煤层厚度信息m作为因变量输入；

B、建立因变量与速度槽波速度V和衰减系数值S线性和纯二次多元二项式回归模型，回归模型公式如下：y＝β₀+β₁x₁+…+β_m x_m (1)；

C、通过最小二乘原理，得到A^TAβ＝A^Tb方程，其中β为回归系数，b为因变量值，A为自变量正定矩阵；

D、求解方程A^TAβ＝A^Tb，解出回归系数值β；

E、通过回归系数值得到槽波速度V和衰减系数值S与煤层厚度信息m之间的拟合关系，由不同的回归模型公式(1)和(2)分别得到不同β值，其中：线性回归系数值β＝(β₀,β₁,...,β_m)，纯二次回归系数值β＝(β₀，β₁，…，β_m，β₁₁，…，β_mm)；

实际计算拟合如下：

线性回归模型计算为：k_i＝β₀+β₁v_i+β₂s_i，(i＝1,...,n，n为钻孔个数)(1-1)；

纯二次回归模型计算为：k_i′＝β₀+β₁v_i+β₂s_i+β₁₁v_i ²+β₂₂s_i ²，(i＝1,...,n，n为钻孔个数)(2-1)；

G、分别对预测模型公式(1-1)和(2-1)进行误差分析，计算公式分别如下：

根据上述公式算出的误差分析值e的大小，选择最终预测模型拟合关系是采用模型公式(1-1)还是(2-1)；

G、通过F中选择的模型公式计算得到煤厚和槽波速度与衰减系数之间的预测模型：

当e＞e′时：选择模型计算公式(1-1)；当e≤e′时，选择模型计算公式(2-1)，再将步骤01与02中V和S逐个网格代入计算，得到整个平面煤厚分布图。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明利用已采集的透射槽波数据，基于槽波速度层析反演算法和衰减系数反演成像算法分别计算透射槽波速度和透射槽波衰减系数，再通过已有的钻孔探测煤厚数据，联合透射槽波速度和透射槽波衰减系数，建立回归分析模型，对数据进行处理，直接反演出煤厚与速度和衰减系数的互相关联的数学模型，通过已知反演的速度和衰减系数数据和数学模型结合，得到最终煤厚反演数据；与单一频率的槽波速度与实揭地质结果构建煤厚定量预测模型相比，本发明方法可以得到多个因素影响的煤厚图，具有广泛的适用性；同时，可有效减少速度反演误差和衰减系数反演误差等因素对煤厚定量预测的干扰，提高预测准确性；最终为煤矿智能化开采提供高精度、定量化的煤厚信息。

附图说明

图1为本发明槽波反演速度图；

图2为本发明槽波反演衰减系数图；

图3为本发明煤厚数据及其坐标值显示图；

图4为本发明最终联合反演计算后的煤厚分布图；

图5为本发明煤厚定量预测方法的流程步骤示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

参见附图1-5所示，基于透射槽波波速和衰减系数联合反演的煤厚定量预测方法，包括如下步骤：

01、根据已有透射槽波数据，通过地震走时层析成像，采用共轭梯度法或稳定双共轭梯度法求解自适应阻尼因子最小二乘解反演，得到透射槽波速度V＝(V₁,...,V_n)，其中n为二维平面网格划分总个数；

02、根据已有透射槽波数据，通过透射槽波衰减系数层析成像算法，采用共轭梯度法或稳定双共轭梯度法求解自适应阻尼因子最小二乘解反演，得到透射槽波衰减系数S＝(S₁,...,S_n)，其中n为二维平面网格划分总个数；

03、通过钻孔获得探测平面内各钻孔处的煤厚数据m＝(m₁,...,m_n)，其中m为钻孔个数，记录各个钻孔坐标值(x,y)＝(x₁,y₁；…x_n,y_n；)；

04、将各个钻孔对应的坐标值及煤厚数据在步骤01中反演得到透射槽波速度V对应的槽波速度值v＝(v₁,...,v_n)；

05、将各个钻孔对应的坐标值及煤厚数据在步骤02中反演得到槽波衰减系数S对应的衰减系数值s＝(s₁,...,s_n)；

06、将步骤04和05反演得到的槽波速度V和衰减系数值S作为自变量输入，对应步骤03中各个钻孔的煤层厚度数据m作为因变量输入；通过多元回归分析，得到回归系数，通过回归系数得到煤厚与槽波速度和衰减系数预测模型，再结合步骤01、02中数据，计算出整个平面煤厚分布图。

所述步骤06包括：

A、槽波速度V和衰减系数值S作为自变量输入，煤层厚度信息m作为因变量输入；

B、建立因变量与速度槽波速度V和衰减系数值S线性和纯二次多元二项式回归模型，回归模型公式如下：y＝β₀+β₁x₁+…+β_m x_m (1)；

C、通过最小二乘原理，得到A^TAβ＝A^Tb方程，其中β为回归系数，b为因变量值，A为自变量正定矩阵；

D、求解方程A^TAβ＝A^Tb，解出回归系数值β；

E、通过回归系数值得到槽波速度V和衰减系数值S与煤层厚度信息m之间的拟合关系，由不同的回归模型公式(1)和(2)分别得到不同β值，其中：线性回归系数值β＝(β₀,β₁,...,β_m)，纯二次回归系数值β＝(β₀，β₁，…，β_m，β₁₁，…，β_mm)；

实际计算拟合如下：

线性回归模型计算为：k_i＝β₀+β₁v_i+β₂s_i，(i＝1,...,n，n为钻孔个数)(1-1)；

纯二次回归模型计算为：(i＝1,...,n，n为钻孔个数)(2-1)；

H、分别对预测模型公式(1-1)和(2-1)进行误差分析，计算公式分别如下：

根据上述公式算出的误差分析值e的大小，选择最终预测模型拟合关系是采用模型公式(1-1)还是(2-1)；

G、通过F中选择的模型公式计算得到煤厚和槽波速度与衰减系数之间的预测模型：

当e＞e′时：选择模型计算公式(1-1)；当e≤e′时，选择模型计算公式(2-1)，再将步骤01与02中V和S逐个网格代入计算，得到整个平面煤厚分布图。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.基于透射槽波波速和衰减系数联合反演的煤厚定量预测方法，其特征在于：包括如下步骤：

01、根据已有透射槽波数据，通过地震走时层析成像，采用共轭梯度法或稳定双共轭梯度法求解自适应阻尼因子最小二乘解反演，得到透射槽波速度V＝(V₁,...,V_n)，其中n为二维平面网格划分总个数；

02、根据已有透射槽波数据，通过透射槽波衰减系数层析成像算法，采用共轭梯度法或稳定双共轭梯度法求解自适应阻尼因子最小二乘解反演，得到透射槽波衰减系数S＝(S₁,...,S_n)，其中n为二维平面网格划分总个数；

03、通过钻孔获得探测平面内各钻孔处的煤厚数据m＝(m₁,...,m_n)，其中m为钻孔个数，记录各个钻孔坐标值(x,y)＝(x₁,y₁；…x_n,y_n)；

04、将各个钻孔对应的坐标值及煤厚数据在步骤01中反演得到透射槽波速度V对应的槽波速度值v＝(v₁,...,v_n)；

05、将各个钻孔对应的坐标值及煤厚数据在步骤02中反演得到槽波衰减系数S对应的衰减系数值s＝(s₁,...,s_n)；

06、将步骤04和05反演得到的槽波速度值v和衰减系数值s作为自变量输入，对应步骤03中各个钻孔的煤厚数据m作为因变量输入；通过多元回归分析，得到回归系数，通过回归系数得到煤厚与槽波速度和衰减系数预测模型，再结合步骤01、02中数据，计算出整个平面煤厚分布图；

所述步骤06包括：

A、槽波速度值v和衰减系数值s作为自变量输入，煤厚数据m作为因变量输入；

B、建立因变量与槽波速度值v和衰减系数值s线性和纯二次多元二项式回归模型，回归模型公式如下：y＝β₀+β₁x₁+…+β_mx_m (1)；

C、通过最小二乘原理，得到A^TAβ＝A^Tb方程，其中β为回归系数，b为因变量值，A为自变量正定矩阵；

D、求解方程A^TAβ＝A^Tb，解出回归系数值β；

E、通过回归系数值得到槽波速度值v和衰减系数值s与煤厚数据m之间的拟合关系，由不同的回归模型公式(1)和(2)分别得到不同β值，其中：线性回归系数值β＝(β₀,β₁,...,β_m)，纯二次回归系数值β＝(β₀，β₁，…，β_m，β₁₁，…，β_mm)；

实际计算拟合如下：

线性回归模型计算为：k_i＝β₀+β₁v_i+β₂s_i(1-1)，其中i＝1,...,n，n为钻孔个数；

纯二次回归模型计算为：其中i＝1,...,n，n为钻孔个数；

F、分别对预测模型公式(1-1)和(2-1)进行误差分析，分别得到预测模型公式(1-1)的分差分析值e和预测模型公式(2-1)的分差分析值e′；

G、当e＞e′时：选择模型计算公式(1-1)；当e≤e′时，选择模型计算公式(2-1)，再将步骤01与02中V和S逐个网格代入计算，得到整个平面煤厚分布图。