煤矿隐蔽致灾地质体地震绕射波探测方法

　　摘 要:小尺度断层和陷落柱等隐蔽致灾地质体破坏煤层的连续性,易诱发瓦斯突出和采空区突水等事故,严重威胁煤矿生产安全。 传统地震勘探方法以反射波为主,对隐蔽致灾地质体分辨率有限。 本文提出基于曲波稀疏变换和平面波分解的多参数稀疏优化绕射波分离方法,能够解决在地震波场相交和相切情况下绕射波分离问题,并且分离的绕射波具有波形一致性和完整性。三维数值模拟测试结果表明,该方法能够有效消除强反射波对弱信号的屏蔽作用,分离出完整的绕射波/ 散射波,提高断层断点和散射点成像精度,其中极性反转成像特征可用于区分不同类型小尺度地质构造。 山西阳泉煤业二矿九采扩区实际数据应用证实,本文提出的方法能够有效去除煤层强反射信息屏蔽作用,叠加剖面中绕射波的双曲形态可以质控绕射波分离可靠性。 在利用绕射波成像资料解释时,结合反射波场成像结果提供的宏观地质背景,可更好揭示隐蔽致灾地质体,两者相辅相成。 绕射波成像对陷落柱的边界形态和内部结构刻画更为清晰,对小尺度断裂的展布规律描述更能够准确,是一种高分辨率的地震波成像方法,在隐蔽致灾地质体探测上具有很大潜力,一定程度上为我国煤矿安全高效开采提供技术支撑。

　　关键词:隐蔽体;绕射波分离;稀疏优化;高分辨率探测

　　赵惊涛; 彭苏萍; 陈宗南; 柳倩男矿业科学学报2021-12-01

　　在煤矿开采过程中,隐蔽小尺度断层和陷落柱等不连续地质体破坏煤层的连续性,易诱发透水与瓦斯突出等事故,严重威胁煤矿安全生产[1] 。 断层易使顶板岩层破碎,支架失稳,陷落柱迫使采煤机械停产搬家,由此造成的储量损失高达 15% ~30% 。长期以来,我国地质、采矿界科技人员对此类问题十分重视,进行了大量的研究工作,但由于小尺度断层和陷落柱隐伏性强、分布规律性差,仅靠地质和钻井资料无法满足煤矿生产需求,矿井设计存在盲目性,制约矿井安全高效生产。 三维地震勘探方法,广泛应用在断层和陷落柱等不连续地质体空间分布的研究上。 但传统三维地震勘探以反射波为主。 在此基础上开展的不连续地质体检测方法,如相干技术[2] 、地震属性分析方法[3] 和蚂蚁体追踪算法[4]等,主要适用于大尺度断层和陷落柱, 分辨率难以满足煤矿安全高效生产需求。 一般地, 煤矿隐蔽性小尺度地质异常体主要指长轴直径小于 20 m 的陷落柱和落差小于 5 m 的断层。 据统计,传统三维地震勘探技术,对于长轴直径 20 m 以上陷落柱解释的准确率约为 40% ~ 50% ,在探明落差小于 5 m 断层上仍存在极大挑战[5] 。 因此, 如何提高隐蔽小尺度断层和陷落柱探测精度,一直都是地震勘探的难题。

　　从地震波场看,绕射波是地质体尺度小于一个菲涅尔带的地震响应,携带了关于断层、尖灭点、陷落柱和岩溶洞穴等小尺度地质体信息,因此有效利用地震数据中的绕射波,对提高三维地震成像分辨率至关重要。 但由于绕射波能量较反射波弱 1 ~ 2 个数量级,因此绕射波利用难度较大,需单独分离绕射波。 近年来,利用绕射波识别小尺度不连续地质体(断层、岩溶洞穴和陷落柱等) 的研究日益增多,研究热点集中三维叠前绕射波分离与成像方法。 绕射波为弱信号,通常淹没在强反射波背景中,因此分离绕射波是研究难点,在方法上主要分为数据域和成像域两类。数据域分离方法研究较早,是指在地震数据偏移之前通过信号变换等方法分离绕射波,主要利用数据域反射波和绕射波几何形态差异,通过压制平滑连续的反射波,分离曲率大、动力学特征连续性差的双曲绕射波。 Asgedom 等[6] 研究基于相似度和多重信号分类准则的绕射波分离方法,用于增强绕射波能量。 Figueiredo 等[7]利用模式识别技术研究绕射波自动成像方法,通过 k 最近邻值技术区分反射波与绕射波。 为克服地震采集数据有限孔径和带宽限制,Gelius 等[8]利用共反射面元叠加和多重信号分类方法,探讨了窗口导向的高分辨率绕射波成像方法。 朱生旺等[9] 利用局部倾角滤波和预测反演方法实现了炮集数据绕射波分离。 蒋波等[10] 利用反射层拉平方法研究了绕射波分离问题。 刘太臣等[11]研究了基于奇异值分解的共偏移距绕射波分离方法。 Zhao 等[12-13]利用一致渐近绕射理论和双指数拟合最优化方法,研究了炮集数据域绕射波分离与成像方法,以及基于马氏距离和绕射波振幅衰减的绕射波自动分离与成像方法。 Yu 等[14]通过正则化平面波破坏方法,研究了共偏移距数据绕射波分离方法,解决了在噪声背景下反射波倾角估计稳定性问题。

　　成像域分离方法需要提供偏移速度模型,利用反射波和绕射波在成像域的运动学和动力学特征差异来分离绕射波。孙赞东 [15] 提出了一种基于 倾角域反射波广义拉东谱的绕射波分离方法。 Zhang 等[16] 通过在角度域压制菲涅尔带,实现了叠前时间域绕射波成像。 刘斌等[17] 在倾角域研究了基于局部倾角估计的绕射波分离与成像方法。利用张角和地层倾角成像的集中反射波和绕射波特征差异,徐辉[18] 通过倾角信息分离了绕射波。 Silvestrov 等[19]利用逆时偏移方法产生共成像点道集,并采用 Radon 变换分离绕射波,但由于逆时偏移对速度模型依赖性极强,该方法应用难度较大。

　　综上所述,数据域分离方法难以有效处理复杂波场情况下绕射波分离问题,当地震波相交和相切时,很难保证绕射波极性和振幅特征完整性,致使在后续绕射波成像过程中小尺度地质信息极易缺失;成像域分离方法虽能够利用偏移算子处理地震波场相交情况下绕射波分离问题,但对速度模型依赖性强,复杂地质条件适用性不强。本文基于曲波稀疏变换和平面波分解,研究三维叠前炮域多参数稀疏优化绕射波分离方法,解决在地震波场相交和相切情况下绕射波分离的难题, 使得分离的绕射波具有波形一致性和完整性,进而实现绕射波单独成像,提高不连续地质体成像分辨率。 该研究一定程度上解决了煤矿小尺度断层和陷落柱等隐蔽致灾地质体探测难题,为我国煤矿安全高效开采提供技术支撑。

　　1 绕射波弱信号提取方法

　　传统绕射波分离方法一般利用平面波破坏滤波方法,在共偏移距数据分离绕射波。 该方法要求观测系统规则化,但一般近偏移距和远偏移距中地震数据分布不规则,绕射波难以有效分离,且在地震波场交叉或相切情况下,该方法也不能保证绕射波分离的完整性。本研究以曲波变换表示绕射波,结合平面波分解,构建三维叠前炮域多参数稀疏优化绕射波分离方法,解决在地震波场相交和相切情况下绕射波分离难题。 首先,对三维叠前炮集数据动校正,消除偏移距造成的时差,使得反射波表现为线性特性, 而绕射波为双曲线特征;其次,利用曲波变换和平面波分解,构建多参数稀疏最小二乘目标函数,其中曲波变换系数为稀疏约束,对应于绕射波,而平面波分解算子对应的倾角场为平滑约束,对应于反射波;最后,通过反动校正算子,完成三维叠前炮域绕射波分离。

　　1. 1 多尺度多方向曲波变换方法

　　基于 Wrapping 算法的曲波变换,在每个象限每个角度的网格是一样的,每个曲波变换都有正确的方向,定义笛卡尔坐标下的曲波系数为 c(j,l,k) = ∫