基于互相关的随掘地震超前探测有效信号提取方法研究

2020-05-22李亚豪程久龙

中国矿业 2020年5期

李亚豪，程久龙，姜旭，董毅

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

矿井巷道掘进时经常遇到断层、陷落柱等地质异常体，这些地质异常体除延缓施工进度外，还可能引起矿井水害与瓦斯突出，极大影响矿井安全。目前矿井巷道地球物理超前探测方法有地震方法、直流电法、瞬变电磁法、探地雷达法和红外测温法等，其中，地震类方法探测距离远、分辨率高、信息丰富[1]，但常规地震类方法探测时需要暂停掘进作业，且炸药震源成本高，可能存在安全隐患。随掘地震超前探测是一种新型矿井巷道地震超前探测方法，该方法以掘进机截割头切割岩石产生的振动作为震源，对巷道掘进影响极小，具有成本低、施工方便、可实时连续监测等优点。由于矿井掘进巷道空间狭窄、数据采集条件较差，加上随掘地震超前探测震源与常规震源存在一定的差异，导致了随掘地震超前探测数据处理与解释存在很大困难。

20世纪80年代，BUCHANAN等[2]提出利用采煤机切割煤壁产生的振动作为震源，对煤层中的断层进行探测。此后，许多学者对以采掘机械切割岩石作为震源的探测方法进行了研究。NEIL等[3]以巷道掘进机作为震源，在钾盐矿内部进行地震反射试验，最终在成像叠加结果上看到多条同相轴，但未与实际地层信息进行验证。LUO等[4]以采煤机作为震源，对采煤工作面前方煤层顶板岩层应力状况进行研究。陆斌等[5]对采煤机震源信号进行提取，使用地震干涉法进行成像，对工作面地质构造进行探测。覃思等[6-7]对随采地震反射波勘探进行研究，进行反射波提取试验，并进行随采地震井-地联合超前探测试验，探测结果与常规炸药震源地震井-地联合探测结果相近。近年来有学者[8-11]研究了随掘地震超前探测震源特征、传播特征、波场特征以及成像方法，对随掘地震超前探测的原理和数据处理有了更深的了解。程久龙等[12]通过对随掘地震超前探测数据中的干扰波成分进行分析，根据干扰波的不同类型使用了不同方法进行去噪，取得了较好的效果。姜旭等[13]进行随掘地震数值模拟，对模拟数据进行分析并使用τ-p变换处理，去除了直达波与有效信号混叠的干扰。由于矿井掘进巷道空间狭窄、数据采集条件较差，加上随掘地震超前探测震源与常规震源存在一定的差异，导致了随掘地震超前探测数据处理与解释存在很大困难。本文根据随掘地震超前探测震源是连续的特点，使用互相关方法对模拟数据进行处理，将持续时间较长的信号进行压缩，增强地震记录中较弱的反射信号，使用奇异值分解方法进行地震波场分离，降低干扰波影响，提高随掘地震超前探测效果。

1 随掘地震超前探测

随掘地震超前探测以掘进机切割岩石产生的振动作为震源，探测时掘进机正常作业，安全高效，掘进机切割岩石产生的地震波在遇到地震反射界面时，会有一部分能量发生反射，通过在巷道中布置检波器进行接收，可以获得含有巷道前方地质信息的地震记录，如图1所示。

图1 随掘地震超前探测示意图

Fig.1 Seismic while drilling ahead detection

与常规地震勘探采用的炸药震源不同，随掘地震超前探测震源是连续信号，这使得常规的数据处理方式难以取得较好的效果。随钻地震与随掘地震超前探测类似，互相关处理技术是连续震源数据处理的核心，通过互相关处理可以将连续的震源信号压缩成脉冲信号，同时压制随机噪声，得到较好的勘探结果[14]。针对随掘地震超前探测与随钻地震的相似性，提出对随掘地震超前探测数据进行互相关处理，以压缩震源信号，提高数据信噪比。

2 理论基础

2.1 互相关理论

互相关函数是信号处理的一种方法，用来描述两个信号在时域上的相似性。假设检波器接收到的地震信号为x1(n),则有式(1)。

x1(n)=s(n+τ1)+f

(1)

式中：s(n)为震源信号；τ1为检波器与震源位置的相对时差；f为噪声信号。

将x1(n)和震源信号s(n)作互相关，可得式(2)。

(2)

式中：φ为互相关函数；T为信号长度；τ为两信号之间的时移。由于s(n)与噪声f不相关，所以式(2)可以化为式(3)。

(3)

由互相关函数的性质可知，当τ1-τ=0时，φ取得高值，则可以推断当震源信号与地震道信号的互相关函数取得高值时，此时的时移也即地震道与震源位置的相对时差。

在随掘地震数据处理中，将距掘进机最近处地震道作为参考信号，将其与地震记录作互相关处理，互相关结果的高值点即为参考信号与地震记录相关程度较强的时移位置，从而压缩连续信号，提高地震数据质量。

2.2 SVD波场分离理论

奇异值分解将包含地震信号和噪声信息的矩阵分解到一系列正交子空间中，不同地震信号和噪声对矩阵奇异值的贡献有别，根据地震波的相干性差异来达到波场分离与去噪[15-16]。

假设二维地震剖面为X，道数为m，采样点数为n，则有式(4)。

X=UΣVT

(4)

式中：U由XXT的特征值向量构成；V由XTX的特征值向量构成；Σ由奇异值(XXT或XTX的非负平方根)构成。奇异值由大到小排列在矩阵的主对角线上，见式(5)和式(6)。

(5)

E=diag(δ1,δ2,…,δr)

(6)

式(4)从左端到右端属于分解过程，从右端到左端为重建过程，地震数据的总能量可表示为式(7)。

(7)

对于地震数据，如果选用较大的特征值来重构数据即是弱信号与随机噪声的消除，也可以通过舍去较大的特征值消除特定的同相轴[16]。

3 数值模拟

建立常见的二维含断层超前探测地质模型，模型大小为200 m×200 m，煤层与巷道高度为5 m，巷道迎头前方40 m处存在倾角为60°的正断层，断层落差为8 m，断层破碎带宽度为5 m，地质模型如图2所示，各地层参数见表1。

图2 随掘地震超前探测地质模型

Fig.2 Geology model of seismic while drilling ahead detection

表1 模型参数表

3.1 连续信号震源

根据上述地质模型，采用交错网格有限差分法进行地震波场数值模拟。由于随掘地震超前探测震源具有能量随机、频率随机、连续的特点，使用一组随机分布的反射系数与200 Hz雷克子波的褶积模拟随掘地震超前探测震源，长度为0.12 s。将检波器布置在底板-100 m(巷道后方)至0 m(巷道迎头)处，道间距为1 m，采样间隔为0.1 ms，采样总时长为0.25 s，地震记录(垂直速度分量)如图3所示。

由图3可知，由于震源为连续信号，会产生持续振动的地震波，因此在地震记录上各种地震波也会连续出现。地震记录上同相轴1的波速约为2 500 m/s，推断为直达纵波，同相轴2的波速约为1 400 m/s，推断为连续的直达横波。直达横波能量最强，在地震记录中最为明显，能量较弱的反射波被直达横波掩盖，无法观察到连续的同相轴。

3.2 雷克子波震源

根据上述地质模型，使用200 Hz雷克子波作为震源，其余布置与连续信号震源中布置相同，可得地震记录(垂直速度分量)如图4所示。

图3 连续信号震源地震记录

Fig.3 Seismic record of continuity signals source

图4 单个雷克子波震源地震记录

Fig.4 Seismic record of single Ricker wavelet source

由图4可知，同相轴1的波速约为2 500 m/s，推断为直达纵波，同相轴2的波速约为1 400 m/s，推断为直达横波，同相轴3的波速约为2 500 m/s，根据同相轴形态推断为断层反射纵波，同相轴4的波速约为1 400 m/s，根据同相轴形态推断为灰岩反射横波，同相轴5的波速约为1 400 m/s，根据其形态推断为断层反射横波。

综合图3和图4可以看出，在初至横波到达之前，连续信号震源地震记录与雷克子波地震记录几乎完全相同，但由于连续信号震源的原因，在图3中会持续出现能量较强的横波，导致在图4中能够观察到的同相轴3、同相轴4、同相轴5等反射信号在图3中被直达波掩盖，难以达到预期的勘探效果。

4 模拟数据处理

使用模拟连续震源信号作为参考信号，与各道数据作互相关，结果如图5所示。图5中能够看到在原始地震记录中被掩盖的断层反射纵波和灰岩反射横波，即同相轴3与同相轴4。经过互相关处理，较弱的反射信号得到增强，但原始地震记录中能量较强的直达横波也得到增强，影响处理效果。为削弱互相关记录中直达横波的影响，使用奇异值分解(SVD)进行波场分离，结果如图6所示。