煤礦隱蔽致災地質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地質體破壞煤層的連續性,易誘發瓦斯突出和采空區突水等事故,嚴重威脅煤礦生產安全。 傳統地震勘探方法以反射波為主,對隱蔽致災地質體分辨率有限。 本文提出基于曲波稀疏變換和平面波分解的多參數稀疏優化繞射波分離方法,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。三維數值模擬測試結果表明,該方法能夠有效消除強反射波對弱信號的屏蔽作用,分離出完整的繞射波/ 散射波,提高斷層斷點和散射點成像精度,其中極性反轉成像特征可用于區分不同類型小尺度地質構造。 山西陽泉煤業二礦九采擴區實際數據應用證實,本文提出的方法能夠有效去除煤層強反射信息屏蔽作用,疊加剖面中繞射波的雙曲形態可以質控繞射波分離可靠性。 在利用繞射波成像資料解釋時,結合反射波場成像結果提供的宏觀地質背景,可更好揭示隱蔽致災地質體,兩者相輔相成。 繞射波成像對陷落柱的邊界形態和內部結構刻畫更為清晰,對小尺度斷裂的展布規律描述更能夠準確,是一種高分辨率的地震波成像方法,在隱蔽致災地質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支撐。

　　關鍵詞:隱蔽體;繞射波分離;稀疏優化;高分辨率探測

　　趙驚濤; 彭蘇萍; 陳宗南; 柳倩男礦業科學學報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地質體破壞煤層的連續性,易誘發透水與瓦斯突出等事故,嚴重威脅煤礦安全生產[1] 。 斷層易使頂板巖層破碎,支架失穩,陷落柱迫使采煤機械停產搬家,由此造成的儲量損失高達 15% ~30% 。長期以來,我國地質、采礦界科技人員對此類問題十分重視,進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、分布規律性差,僅靠地質和鉆井資料無法滿足煤礦生產需求,礦井設計存在盲目性,制約礦井安全高效生產。 三維地震勘探方法,廣泛應用在斷層和陷落柱等不連續地質體空間分布的研究上。 但傳統三維地震勘探以反射波為主。 在此基礎上開展的不連續地質體檢測方法,如相干技術[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需求。 一般地, 煤礦隱蔽性小尺度地質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。 據統計,傳統三維地震勘探技術,對于長軸直徑 20 m 以上陷落柱解釋的準確率約為 40% ~ 50% ,在探明落差小于 5 m 斷層上仍存在極大挑戰[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,繞射波是地質體尺度小于一個菲涅爾帶的地震響應,攜帶了關于斷層、尖滅點、陷落柱和巖溶洞穴等小尺度地質體信息,因此有效利用地震數據中的繞射波,對提高三維地震成像分辨率至關重要。 但由于繞射波能量較反射波弱 1 ~ 2 個數量級,因此繞射波利用難度較大,需單獨分離繞射波。 近年來,利用繞射波識別小尺度不連續地質體(斷層、巖溶洞穴和陷落柱等) 的研究日益增多,研究熱點集中三維疊前繞射波分離與成像方法。 繞射波為弱信號,通常淹沒在強反射波背景中,因此分離繞射波是研究難點,在方法上主要分為數據域和成像域兩類。數據域分離方法研究較早,是指在地震數據偏移之前通過信號變換等方法分離繞射波,主要利用數據域反射波和繞射波幾何形態差異,通過壓制平滑連續的反射波,分離曲率大、動力學特征連續性差的雙曲繞射波。 Asgedom 等[6] 研究基于相似度和多重信號分類準則的繞射波分離方法,用于增強繞射波能量。 Figueiredo 等[7]利用模式識別技術研究繞射波自動成像方法,通過 k 最近鄰值技術區分反射波與繞射波。 為克服地震采集數據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測反演方法實現了炮集數據繞射波分離。 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擬合最優化方法,研究了炮集數據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,研究了共偏移距數據繞射波分離方法,解決了在噪聲背景下反射波傾角估計穩定性問題。

　　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動學和動力學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,實現了疊前時間域繞射波成像。 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]利用逆時偏移方法產生共成像點道集,并采用 Radon 變換分離繞射波,但由于逆時偏移對速度模型依賴性極強,該方法應用難度較大。

　　綜上所述,數據域分離方法難以有效處理復雜波場情況下繞射波分離問題,當地震波相交和相切時,很難保證繞射波極性和振幅特征完整性,致使在后續繞射波成像過程中小尺度地質信息極易缺失;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,復雜地質條件適用性不強。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稀疏優化繞射波分離方法,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,進而實現繞射波單獨成像,提高不連續地質體成像分辨率。 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地質體探測難題,為我國煤礦安全高效開采提供技術支撐。

　　1 繞射波弱信號提取方法

　　傳統繞射波分離方法一般利用平面波破壞濾波方法,在共偏移距數據分離繞射波。 該方法要求觀測系統規則化,但一般近偏移距和遠偏移距中地震數據分布不規則,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,結合平面波分解,構建三維疊前炮域多參數稀疏優化繞射波分離方法,解決在地震波場相交和相切情況下繞射波分離難題。 首先,對三維疊前炮集數據動校正,消除偏移距造成的時差,使得反射波表現為線性特性, 而繞射波為雙曲線特征;其次,利用曲波變換和平面波分解,構建多參數稀疏最小二乘目標函數,其中曲波變換系數為稀疏約束,對應于繞射波,而平面波分解算子對應的傾角場為平滑約束,對應于反射波;最后,通過反動校正算子,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,在每個象限每個角度的網格是一樣的,每個曲波變換都有正確的方向,定義笛卡爾坐標下的曲波系數為 c(j,l,k) = ∫