煤礦隱蔽致災(zāi)地質(zhì)體地震繞射波探測方法

　　摘 要:小尺度斷層和陷落柱等隱蔽致災(zāi)地質(zhì)體破壞煤層的連續(xù)性,易誘發(fā)瓦斯突出和采空區(qū)突水等事故,嚴(yán)重威脅煤礦生產(chǎn)安全。 傳統(tǒng)地震勘探方法以反射波為主,對隱蔽致災(zāi)地質(zhì)體分辨率有限。 本文提出基于曲波稀疏變換和平面波分解的多參數(shù)稀疏優(yōu)化繞射波分離方法,能夠解決在地震波場相交和相切情況下繞射波分離問題,并且分離的繞射波具有波形一致性和完整性。三維數(shù)值模擬測試結(jié)果表明,該方法能夠有效消除強(qiáng)反射波對弱信號的屏蔽作用,分離出完整的繞射波/ 散射波,提高斷層斷點(diǎn)和散射點(diǎn)成像精度,其中極性反轉(zhuǎn)成像特征可用于區(qū)分不同類型小尺度地質(zhì)構(gòu)造。 山西陽泉煤業(yè)二礦九采擴(kuò)區(qū)實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)用證實(shí),本文提出的方法能夠有效去除煤層強(qiáng)反射信息屏蔽作用,疊加剖面中繞射波的雙曲形態(tài)可以質(zhì)控繞射波分離可靠性。 在利用繞射波成像資料解釋時(shí),結(jié)合反射波場成像結(jié)果提供的宏觀地質(zhì)背景,可更好揭示隱蔽致災(zāi)地質(zhì)體,兩者相輔相成。 繞射波成像對陷落柱的邊界形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)刻畫更為清晰,對小尺度斷裂的展布規(guī)律描述更能夠準(zhǔn)確,是一種高分辨率的地震波成像方法,在隱蔽致災(zāi)地質(zhì)體探測上具有很大潛力,一定程度上為我國煤礦安全高效開采提供技術(shù)支撐。

　　關(guān)鍵詞:隱蔽體;繞射波分離;稀疏優(yōu)化;高分辨率探測

　　趙驚濤; 彭蘇萍; 陳宗南; 柳倩男礦業(yè)科學(xué)學(xué)報(bào)2021-12-01

　　在煤礦開采過程中,隱蔽小尺度斷層和陷落柱等不連續(xù)地質(zhì)體破壞煤層的連續(xù)性,易誘發(fā)透水與瓦斯突出等事故,嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)[1] 。 斷層易使頂板巖層破碎,支架失穩(wěn),陷落柱迫使采煤機(jī)械停產(chǎn)搬家,由此造成的儲量損失高達(dá) 15% ~30% 。長期以來,我國地質(zhì)、采礦界科技人員對此類問題十分重視,進(jìn)行了大量的研究工作,但由于小尺度斷層和陷落柱隱伏性強(qiáng)、分布規(guī)律性差,僅靠地質(zhì)和鉆井資料無法滿足煤礦生產(chǎn)需求,礦井設(shè)計(jì)存在盲目性,制約礦井安全高效生產(chǎn)。 三維地震勘探方法,廣泛應(yīng)用在斷層和陷落柱等不連續(xù)地質(zhì)體空間分布的研究上。 但傳統(tǒng)三維地震勘探以反射波為主。 在此基礎(chǔ)上開展的不連續(xù)地質(zhì)體檢測方法,如相干技術(shù)[2] 、地震屬性分析方法[3] 和螞蟻體追蹤算法[4]等,主要適用于大尺度斷層和陷落柱, 分辨率難以滿足煤礦安全高效生產(chǎn)需求。 一般地, 煤礦隱蔽性小尺度地質(zhì)異常體主要指長軸直徑小于 20 m 的陷落柱和落差小于 5 m 的斷層。 據(jù)統(tǒng)計(jì),傳統(tǒng)三維地震勘探技術(shù),對于長軸直徑 20 m 以上陷落柱解釋的準(zhǔn)確率約為 40% ~ 50% ,在探明落差小于 5 m 斷層上仍存在極大挑戰(zhàn)[5] 。 因此, 如何提高隱蔽小尺度斷層和陷落柱探測精度,一直都是地震勘探的難題。

　　從地震波場看,繞射波是地質(zhì)體尺度小于一個(gè)菲涅爾帶的地震響應(yīng),攜帶了關(guān)于斷層、尖滅點(diǎn)、陷落柱和巖溶洞穴等小尺度地質(zhì)體信息,因此有效利用地震數(shù)據(jù)中的繞射波,對提高三維地震成像分辨率至關(guān)重要。 但由于繞射波能量較反射波弱 1 ~ 2 個(gè)數(shù)量級,因此繞射波利用難度較大,需單獨(dú)分離繞射波。 近年來,利用繞射波識別小尺度不連續(xù)地質(zhì)體(斷層、巖溶洞穴和陷落柱等) 的研究日益增多,研究熱點(diǎn)集中三維疊前繞射波分離與成像方法。 繞射波為弱信號,通常淹沒在強(qiáng)反射波背景中,因此分離繞射波是研究難點(diǎn),在方法上主要分為數(shù)據(jù)域和成像域兩類。數(shù)據(jù)域分離方法研究較早,是指在地震數(shù)據(jù)偏移之前通過信號變換等方法分離繞射波,主要利用數(shù)據(jù)域反射波和繞射波幾何形態(tài)差異,通過壓制平滑連續(xù)的反射波,分離曲率大、動(dòng)力學(xué)特征連續(xù)性差的雙曲繞射波。 Asgedom 等[6] 研究基于相似度和多重信號分類準(zhǔn)則的繞射波分離方法,用于增強(qiáng)繞射波能量。 Figueiredo 等[7]利用模式識別技術(shù)研究繞射波自動(dòng)成像方法,通過 k 最近鄰值技術(shù)區(qū)分反射波與繞射波。 為克服地震采集數(shù)據(jù)有限孔徑和帶寬限制,Gelius 等[8]利用共反射面元疊加和多重信號分類方法,探討了窗口導(dǎo)向的高分辨率繞射波成像方法。 朱生旺等[9] 利用局部傾角濾波和預(yù)測反演方法實(shí)現(xiàn)了炮集數(shù)據(jù)繞射波分離。 蔣波等[10] 利用反射層拉平方法研究了繞射波分離問題。 劉太臣等[11]研究了基于奇異值分解的共偏移距繞射波分離方法。 Zhao 等[12-13]利用一致漸近繞射理論和雙指數(shù)擬合最優(yōu)化方法,研究了炮集數(shù)據(jù)域繞射波分離與成像方法,以及基于馬氏距離和繞射波振幅衰減的繞射波自動(dòng)分離與成像方法。 Yu 等[14]通過正則化平面波破壞方法,研究了共偏移距數(shù)據(jù)繞射波分離方法,解決了在噪聲背景下反射波傾角估計(jì)穩(wěn)定性問題。

　　成像域分離方法需要提供偏移速度模型,利用反射波和繞射波在成像域的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征差異來分離繞射波。孫贊東 [15] 提出了一種基于 傾角域反射波廣義拉東譜的繞射波分離方法。 Zhang 等[16] 通過在角度域壓制菲涅爾帶,實(shí)現(xiàn)了疊前時(shí)間域繞射波成像。 劉斌等[17] 在傾角域研究了基于局部傾角估計(jì)的繞射波分離與成像方法。利用張角和地層傾角成像的集中反射波和繞射波特征差異,徐輝[18] 通過傾角信息分離了繞射波。 Silvestrov 等[19]利用逆時(shí)偏移方法產(chǎn)生共成像點(diǎn)道集,并采用 Radon 變換分離繞射波,但由于逆時(shí)偏移對速度模型依賴性極強(qiáng),該方法應(yīng)用難度較大。

　　綜上所述,數(shù)據(jù)域分離方法難以有效處理復(fù)雜波場情況下繞射波分離問題,當(dāng)?shù)卣鸩ㄏ嘟缓拖嗲袝r(shí),很難保證繞射波極性和振幅特征完整性,致使在后續(xù)繞射波成像過程中小尺度地質(zhì)信息極易缺失;成像域分離方法雖能夠利用偏移算子處理地震波場相交情況下繞射波分離問題,但對速度模型依賴性強(qiáng),復(fù)雜地質(zhì)條件適用性不強(qiáng)。本文基于曲波稀疏變換和平面波分解,研究三維疊前炮域多參數(shù)稀疏優(yōu)化繞射波分離方法,解決在地震波場相交和相切情況下繞射波分離的難題, 使得分離的繞射波具有波形一致性和完整性,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)繞射波單獨(dú)成像,提高不連續(xù)地質(zhì)體成像分辨率。 該研究一定程度上解決了煤礦小尺度斷層和陷落柱等隱蔽致災(zāi)地質(zhì)體探測難題,為我國煤礦安全高效開采提供技術(shù)支撐。

　　1 繞射波弱信號提取方法

　　傳統(tǒng)繞射波分離方法一般利用平面波破壞濾波方法,在共偏移距數(shù)據(jù)分離繞射波。 該方法要求觀測系統(tǒng)規(guī)則化,但一般近偏移距和遠(yuǎn)偏移距中地震數(shù)據(jù)分布不規(guī)則,繞射波難以有效分離,且在地震波場交叉或相切情況下,該方法也不能保證繞射波分離的完整性。本研究以曲波變換表示繞射波,結(jié)合平面波分解,構(gòu)建三維疊前炮域多參數(shù)稀疏優(yōu)化繞射波分離方法,解決在地震波場相交和相切情況下繞射波分離難題。 首先,對三維疊前炮集數(shù)據(jù)動(dòng)校正,消除偏移距造成的時(shí)差,使得反射波表現(xiàn)為線性特性, 而繞射波為雙曲線特征;其次,利用曲波變換和平面波分解,構(gòu)建多參數(shù)稀疏最小二乘目標(biāo)函數(shù),其中曲波變換系數(shù)為稀疏約束,對應(yīng)于繞射波,而平面波分解算子對應(yīng)的傾角場為平滑約束,對應(yīng)于反射波;最后,通過反動(dòng)校正算子,完成三維疊前炮域繞射波分離。

　　1. 1 多尺度多方向曲波變換方法

　　基于 Wrapping 算法的曲波變換,在每個(gè)象限每個(gè)角度的網(wǎng)格是一樣的,每個(gè)曲波變換都有正確的方向,定義笛卡爾坐標(biāo)下的曲波系數(shù)為 c(j,l,k) = ∫