孔–巷聯(lián)合隨采地震相關(guān)時(shí)差層析成像

王云宏，王保利，程建遠(yuǎn)，崔偉雄，金 丹

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤礦井下隨采地震技術(shù)是利用采煤機(jī)在割煤壁時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)信號(hào)作為震源，探測(cè)工作面內(nèi)部一定區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的一種被動(dòng)地震勘探方法。該方法屬于噪聲成像技術(shù)的應(yīng)用范疇，基本原理是利用地震干涉技術(shù)，將得到的噪聲源信號(hào)與檢波器接收得到的噪聲信號(hào)做數(shù)學(xué)相關(guān)處理，把噪聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖震源激發(fā)信號(hào)。在此基礎(chǔ)上利用地震波層析成像技術(shù)，對(duì)勘探區(qū)域進(jìn)行CT 成像，得到勘探區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造信息。

20 世紀(jì)80 年代，D.J.Buchanan 等[1]提出了利用采煤機(jī)切割煤壁的震動(dòng)作為震源的思路，但由于各種原因，未能獲得有效信號(hào)；20 世紀(jì)90 年代，美國礦業(yè)局的E.C.Westman 等[2-3]采用隨采地震方法，進(jìn)行地震層析成像，研究采煤工作面前方頂板的應(yīng)力狀況，但成像精度不理想。2002 年，L.Petronio 等[4]研究了利用掘進(jìn)機(jī)作為震源的信號(hào)轉(zhuǎn)換方法，并于2019 年開展了等效反射地震剖面的方法研究。Luo Xun 等[5-7]開展了隨采地震方法研究，并給出了一個(gè)實(shí)例。

國內(nèi)最早開始研究隨采地震的是中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，近年來取得了一些研究成果[8-18]。覃思等[10]、程建遠(yuǎn)等[11]開展了隨采地震反射波勘探試驗(yàn)研究，展示了隨采地震的探測(cè)潛力；陸斌等[12]研究了隨采地震信號(hào)干涉方法的適用性，得到了初步應(yīng)用；覃思[13]利用井–地聯(lián)合的觀測(cè)方式，將隨采地震技術(shù)與煤礦井下超前探測(cè)技術(shù)結(jié)合，取得了較好的應(yīng)用效果；劉強(qiáng)[14]對(duì)隨采地震信號(hào)的噪聲衰減做了研究，并將小波變換方法應(yīng)用到隨采地震數(shù)據(jù)處理中；覃思等[15]提出了一種自動(dòng)定量化評(píng)估隨采地震數(shù)據(jù)質(zhì)量的方法，有效提高了隨采地震的數(shù)據(jù)質(zhì)量；陸斌等[16-17]提出一種基于孔間地震密集動(dòng)態(tài)探測(cè)的隨采地震方法，并應(yīng)用于智能開采透明工作面地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)。

隨采地震成像方面，由于隨采地震信號(hào)通過干涉脈沖化處理后存在發(fā)震延遲時(shí)間，一般將發(fā)震時(shí)間作為反演變量或者通過采煤機(jī)定位求取地震波絕對(duì)時(shí)間后，再利用初至進(jìn)行CT 成像。如基于貝葉斯反演的隨采地震槽波層析成像方法[18]、基于分段波形互相關(guān)的井下隨采地震數(shù)據(jù)成像方法[19]，均是利用絕對(duì)走時(shí)進(jìn)行工作面內(nèi)部成像。

以往隨采地震的觀測(cè)方式主要是將地震檢波器布置在工作面的2 個(gè)巷道(回風(fēng)巷&運(yùn)輸巷)，這樣布置的最大缺點(diǎn)是成像區(qū)域?yàn)槿菂^(qū)域，導(dǎo)致成像面積不足。

本文提出了孔–巷聯(lián)合觀測(cè)的隨采地震技術(shù)，在傳統(tǒng)僅在工作面巷道布置檢波器的基礎(chǔ)上，利用鉆孔將檢波器布置在工作面內(nèi)，采用地震干涉技術(shù)，獲得隨采地震有效信號(hào)，通過基于互相關(guān)走時(shí)的隨采地震層析成像方法，提高了成像范圍和成像精度，取得較好的應(yīng)用效果。

1 觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通常隨采地震將傳感器布置在工作面兩巷道，即在回風(fēng)巷道和運(yùn)輸巷道一定范圍內(nèi)布置地震檢波器接收信號(hào)。根據(jù)透射波層析成像方法原理，其成像區(qū)域由2個(gè)最遠(yuǎn)檢波器決定的三角成像區(qū)疊加組成(圖1a)，其中成像區(qū)3 的射線密度、成像精度最高，但存在成像盲區(qū)，圖1 中背景云圖為射線密度。圖1b 是在工作面遠(yuǎn)端鉆孔內(nèi)安裝孔中檢波器，采用孔–巷聯(lián)合隨采地震觀測(cè)系統(tǒng)下繪制的成像區(qū)，成像區(qū)為一矩形區(qū)域，相比圖1a 的成像區(qū)域更大，不存在成像盲區(qū)。

圖1 觀測(cè)系統(tǒng)與成像范圍Fig.1 The observation system and the imaging area

2 隨采地震干涉方法

隨采地震干涉方法就是將連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖震源信號(hào)的方法，一般采用互相關(guān)方法。隨采地震有效信號(hào)轉(zhuǎn)換方法類似于地震可控震源或隨鉆地震方法，即：

式中：s(t)為相關(guān)后得到的地震信號(hào)；w(t)為源信號(hào)，對(duì)應(yīng)采煤機(jī)激發(fā)的震動(dòng)信號(hào)；g(t)為檢波器接收得到的地震信號(hào)；*為互相關(guān)運(yùn)算。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于隨采地震信號(hào)數(shù)據(jù)量較大，通常在頻率域處理，以提高計(jì)算效率。時(shí)域信號(hào)的相關(guān)在頻域中為乘積運(yùn)算，即：

式中：S(w)、W(w)分別為s(t)、w(t)對(duì)應(yīng)的頻率域信號(hào)；G*(w)為g(t)頻域信號(hào)的共軛。

隨采地震觀測(cè)獲得采煤機(jī)信號(hào)w(t)和對(duì)應(yīng)的每個(gè)接收檢波器信號(hào)g(t)，通過式(1)或式(2)計(jì)算，可以得到隨采地震相關(guān)記錄。在相關(guān)地震記錄中，可以獲得震源到每個(gè)地震傳感器的相對(duì)到時(shí)，通過相對(duì)到時(shí)對(duì)采煤工作面內(nèi)部進(jìn)行層析成像，探測(cè)工作面內(nèi)部的地質(zhì)構(gòu)造信息。

除了互相關(guān)干涉方法外，還可利用反褶積干涉、互相干干涉等方法，提取隨采地震有效信號(hào)，文獻(xiàn)[12]中詳述了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，在此不再贅述。

將采煤機(jī)的連續(xù)震動(dòng)信號(hào)通過數(shù)學(xué)相關(guān)后獲得類似人工激發(fā)的炮集記錄的過程也被稱為脈沖化處理。圖2a 是按圖1a 觀測(cè)系統(tǒng)模擬的隨采地震原始信號(hào)[20]，圖2b 是利用互相關(guān)算法，將震源處信號(hào)和各道信號(hào)做數(shù)學(xué)相關(guān)處理得到的等效炮集。

圖2 隨采地震信號(hào)脈沖化處理Fig.2 Pulse processing of seismic-while-mining signal

3 基于互相關(guān)時(shí)差的隨采地震層析成像方法

隨采地震成像是利用互相關(guān)后的地震脈沖化地震記錄，拾取互相關(guān)的初至走時(shí)，構(gòu)建基于初至走時(shí)的地震層析方程，然后通過CT 成像算法，求解工作面速度模型。一般情況下，可將發(fā)震時(shí)刻作為未知量，代入方程求解?；谪惾~斯的隨采地震層析成像方法[18]和的基于分段波形互相關(guān)的隨采地震成像方法[19]，其基本思路是利用采煤機(jī)位置，計(jì)算得到粗略的發(fā)震時(shí)刻和波速，將其作為反演初值，發(fā)震時(shí)刻也作為未知量，求取絕對(duì)走時(shí)后，采用層析反演解決隨采地震層析成像問題。本文提出直接利用相關(guān)時(shí)差進(jìn)行層析成像的方法，求解過程中無需計(jì)算發(fā)震時(shí)刻。

層析成像最經(jīng)典的算法是代數(shù)重建算法(ART)和聯(lián)合代數(shù)重建算法(SART)，基本思想是利用觀測(cè)得到的炮檢絕對(duì)走時(shí)，先對(duì)成像區(qū)域網(wǎng)格化并賦初值，再將所得投影值殘差一個(gè)個(gè)沿其射線方向均勻地反投影回去，不斷對(duì)圖像進(jìn)行校正，直到滿足成像精度，結(jié)束迭代過程。但在隨采地震層析成像中，還需考慮每個(gè)有效炮集的發(fā)震時(shí)刻t0。

假定成像區(qū)域?yàn)橐痪匦螀^(qū)域，將其離散為規(guī)則矩形網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)有一慢度值sk，sk表示第k個(gè)網(wǎng)格的慢度。第i條射線的走時(shí)為：

式中：lik為第i條射線在第k個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的長(zhǎng)度；ti0為第i條射線的發(fā)震時(shí)刻；N為網(wǎng)格總數(shù)。

同理，第j條射線的走時(shí)可表示為：

對(duì)于同一炮集的不同射線，有t i0=tj0，將式(3)與式(4)相減得：

其中，1≤i≤M–1，i

式(6)表示的是1 個(gè)震源(M條射線N個(gè)網(wǎng)格)對(duì)應(yīng)的層析成像方程，簡(jiǎn)寫為：

當(dāng)多個(gè)震源同時(shí)反演時(shí)，式(7)變?yōu)椋?/p>

式中：K表示相關(guān)得到的互相關(guān)炮集數(shù)，Δt通過互相關(guān)后容易得到。該方法的使用條件與文獻(xiàn)[16-17]提出的方法基本一致，需要提前獲得每個(gè)炮集震源的位置，即每個(gè)炮集對(duì)應(yīng)的采煤機(jī)位置。與它們不同之處在于：通過射線兩兩相減，將震源的發(fā)震時(shí)刻消除，不用將發(fā)震時(shí)刻作為變量去求解方程，即不用計(jì)算絕對(duì)走時(shí)；除此之外，相對(duì)于絕對(duì)走時(shí)層析成像，基于互相關(guān)時(shí)差的層析成像方法降低了對(duì)初始速度的依賴，特別適于切眼附近速度變化較快、速度初始模型精度較低等情形。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 模型試算

為驗(yàn)證本文方法，構(gòu)建如圖3 所示的模型，工作面長(zhǎng)300 m，寬100 m，背景速度2 000 m/s，工作面內(nèi)部存在一個(gè)30 m×30 m 的異常體，異常體速度2 500 m/s?；诙S聲波方程，采用時(shí)間2 階空間8 階的交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分方法進(jìn)行波場(chǎng)正演模擬，模擬時(shí)采用的震源信號(hào)為10～80 Hz 的帶限偽隨機(jī)噪聲序列；震源移動(dòng)速度0.2 m/min，每刀進(jìn)尺0.6 m。觀測(cè)系統(tǒng)采用孔–巷聯(lián)合觀測(cè)系統(tǒng)，如圖3 中藍(lán)色圓點(diǎn)所示，巷道和孔中檢波器道距均為10 m。

圖3 速度模型及觀測(cè)系統(tǒng)Fig.3 The velocity model and observation system

采用頻率域互相關(guān)算法對(duì)隨采地震原始信號(hào)脈沖化處理后，得到切眼處100 炮等效炮集記錄(1 m/炮)，采用本文提出的基于互相關(guān)時(shí)差的層析成像方法得到的反演結(jié)果如圖4 所示。圖中虛線方框?yàn)槟Ｐ退俣犬惓^(qū)域，從圖中可以看出，成像結(jié)果與模型吻合很好，驗(yàn)證了本文方法的正確性。

圖4 互相關(guān)走時(shí)CT 反演結(jié)果Fig.4 The CT inversion results using correlation time

4.2 實(shí)際資料測(cè)試

1) 數(shù)據(jù)采集

某礦A 工作面長(zhǎng)度650 m，切眼寬度200 m，煤層平均厚度1.30 m，平均傾角8°～10°，工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，初勘存在3 條斷層，斷距均小于1 m。在回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷分別布置72 個(gè)檢波器，采用孔–巷聯(lián)合觀測(cè)的方式，布置工作面內(nèi)鉆孔檢波器24 個(gè)，道距10 m，觀測(cè)系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 隨采地震觀測(cè)系統(tǒng)Fig.5 The observation system of seismic-while-mining

在開展隨采地震試驗(yàn)前，進(jìn)行了槽波地震勘探和無線電波透視探測(cè)工作，利用其勘探成果結(jié)合巷道揭露，構(gòu)建如圖6 所示的工作面地質(zhì)模型。

圖6 礦井物探解釋成果Fig.6 Mine geophysical interpretation result

2) 隨采地震成果

選取2018 年10 月15 日—2018 年11 月27 日采集的隨采地震數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，圖7 為典型的隨采地震原始記錄波形。利用采煤機(jī)割煤時(shí)的震動(dòng)信號(hào)，通過頻域相關(guān)處理后得到的脈沖化信號(hào)如圖8所示，從圖8 可以清晰辨識(shí)直達(dá)波(橫波)初至，為后續(xù)層析成像提供了保障。

圖7 隨采地震原始記錄Fig.7 The original recording of seismic-while-mining

圖8 隨采地震的脈沖化記錄Fig.8 Pulse recording of seismic-while-mining

隨采監(jiān)測(cè)期間，系統(tǒng)24 h 連續(xù)采集，利用采煤機(jī)從左至右割一刀煤產(chǎn)生的隨采震動(dòng)信號(hào)，通過隨采地震相關(guān)處理、互相關(guān)時(shí)差層析成像方法，獲得一張工作面內(nèi)的速度成像剖面。本文選取其中6 組成像數(shù)據(jù)來說明隨采地震的探測(cè)效果，如圖9 所示。圖中的相鄰成像剖面間隔 10 刀，每刀進(jìn)尺約0.65 m，即相鄰兩個(gè)剖面采煤機(jī)向前推進(jìn)距離約6.5 m，切眼位置由左向右逐漸推移。

圖9 隨采地震成像結(jié)果Fig.9 The imaging results of seismic-while-mining

從成像結(jié)果來看，圖中紅色方框內(nèi)速度異常區(qū)對(duì)應(yīng)圖6 礦井物探解釋成果的F2 和F3 斷層，且隨著工作面采煤向前推進(jìn)，異常位置并未發(fā)生變化，這也說明了本文方法的穩(wěn)定性，即靜態(tài)地質(zhì)異常體的隨采地震成像結(jié)果并不隨工作面推進(jìn)，異?？臻g位置發(fā)生變化，與實(shí)際相符。圖中黑色方框內(nèi)的能量團(tuán)為一高速異常體，但隨著工作面采煤的推進(jìn)，異常逐漸變?nèi)酰治銎錇檎谱用媲胺匠爸螒?yīng)力集中區(qū)的反應(yīng)(表現(xiàn)為高速，應(yīng)力越大速度越高)，隨著工作面切眼的靠近，應(yīng)力集中區(qū)逐漸釋放并不斷前移，此解釋與礦山壓力分析結(jié)果是一致的。

綜上，隨采地震成像結(jié)果在靜態(tài)地質(zhì)異常體的探測(cè)上，可以獲得與槽波、無線電波透視等礦井物探方法一致的探測(cè)結(jié)果；除此之外，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面內(nèi)由于采動(dòng)引起的應(yīng)力集中區(qū)變化的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)論

a.相比常規(guī)的僅在巷道觀測(cè)的隨采地震觀測(cè)系統(tǒng)，基于孔–巷聯(lián)合觀測(cè)的隨采地震技術(shù)在成像范圍、射線密度等方面具有優(yōu)勢(shì)。

b.基于相關(guān)時(shí)差的隨采地震層析成像方法，在求解過程中無需計(jì)算發(fā)震時(shí)刻，解決了隨采地震成像中絕對(duì)走時(shí)難以獲取的問題。

c.理論模型和實(shí)際資料的測(cè)試結(jié)果表明，基于相關(guān)時(shí)差的隨采地震層析成像方法可以解決工作面內(nèi)部的地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)問題，在開采動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害的超前探測(cè)上，具有一定的優(yōu)勢(shì)。