孔–巷聯合隨采地震相關時差層析成像

王云宏，王保利，程建遠，崔偉雄，金 丹

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤礦井下隨采地震技術是利用采煤機在割煤壁時產生的震動信號作為震源，探測工作面內部一定區域內地質構造的一種被動地震勘探方法。該方法屬于噪聲成像技術的應用范疇，基本原理是利用地震干涉技術，將得到的噪聲源信號與檢波器接收得到的噪聲信號做數學相關處理，把噪聲信號轉換為脈沖震源激發信號。在此基礎上利用地震波層析成像技術，對勘探區域進行CT 成像，得到勘探區的地質構造信息。

20 世紀80 年代，D.J.Buchanan 等[1]提出了利用采煤機切割煤壁的震動作為震源的思路，但由于各種原因，未能獲得有效信號；20 世紀90 年代，美國礦業局的E.C.Westman 等[2-3]采用隨采地震方法，進行地震層析成像，研究采煤工作面前方頂板的應力狀況，但成像精度不理想。2002 年，L.Petronio 等[4]研究了利用掘進機作為震源的信號轉換方法，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，并給出了一個實例。

國內最早開始研究隨采地震的是中煤科工集團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]、程建遠等[11]開展了隨采地震反射波勘探試驗研究，展示了隨采地震的探測潛力；陸斌等[12]研究了隨采地震信號干涉方法的適用性，得到了初步應用；覃思[13]利用井–地聯合的觀測方式，將隨采地震技術與煤礦井下超前探測技術結合，取得了較好的應用效果；劉強[14]對隨采地震信號的噪聲衰減做了研究，并將小波變換方法應用到隨采地震數據處理中；覃思等[15]提出了一種自動定量化評估隨采地震數據質量的方法，有效提高了隨采地震的數據質量；陸斌等[16-17]提出一種基于孔間地震密集動態探測的隨采地震方法，并應用于智能開采透明工作面地質構造的探測。

隨采地震成像方面，由于隨采地震信號通過干涉脈沖化處理后存在發震延遲時間，一般將發震時間作為反演變量或者通過采煤機定位求取地震波絕對時間后，再利用初至進行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的井下隨采地震數據成像方法[19]，均是利用絕對走時進行工作面內部成像。

以往隨采地震的觀測方式主要是將地震檢波器布置在工作面的2 個巷道(回風巷&運輸巷)，這樣布置的最大缺點是成像區域為三角區域，導致成像面積不足。

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

1 觀測系統設計

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

圖1 觀測系統與成像范圍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信號轉化為脈沖震源信號的方法，一般采用互相關方法。隨采地震有效信號轉換方法類似于地震可控震源或隨鉆地震方法，即：

式中：s(t)為相關后得到的地震信號；w(t)為源信號，對應采煤機激發的震動信號；g(t)為檢波器接收得到的地震信號；*為互相關運算。

在實際應用中，由于隨采地震信號數據量較大，通常在頻率域處理，以提高計算效率。時域信號的相關在頻域中為乘積運算，即：

式中：S(w)、W(w)分別為s(t)、w(t)對應的頻率域信號；G*(w)為g(t)頻域信號的共軛。

隨采地震觀測獲得采煤機信號w(t)和對應的每個接收檢波器信號g(t)，通過式(1)或式(2)計算，可以得到隨采地震相關記錄。在相關地震記錄中，可以獲得震源到每個地震傳感器的相對到時，通過相對到時對采煤工作面內部進行層析成像，探測工作面內部的地質構造信息。

除了互相關干涉方法外，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，文獻[12]中詳述了各種方法的優缺點，在此不再贅述。

將采煤機的連續震動信號通過數學相關后獲得類似人工激發的炮集記錄的過程也被稱為脈沖化處理。圖2a 是按圖1a 觀測系統模擬的隨采地震原始信號[20]，圖2b 是利用互相關算法，將震源處信號和各道信號做數學相關處理得到的等效炮集。

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

3 基于互相關時差的隨采地震層析成像方法

隨采地震成像是利用互相關后的地震脈沖化地震記錄，拾取互相關的初至走時，構建基于初至走時的地震層析方程，然后通過CT 成像算法，求解工作面速度模型。一般情況下，可將發震時刻作為未知量，代入方程求解。基于貝葉斯的隨采地震層析成像方法[18]和的基于分段波形互相關的隨采地震成像方法[19]，其基本思路是利用采煤機位置，計算得到粗略的發震時刻和波速，將其作為反演初值，發震時刻也作為未知量，求取絕對走時后，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時差進行層析成像的方法，求解過程中無需計算發震時刻。

層析成像最經典的算法是代數重建算法(ART)和聯合代數重建算法(SART)，基本思想是利用觀測得到的炮檢絕對走時，先對成像區域網格化并賦初值，再將所得投影值殘差一個個沿其射線方向均勻地反投影回去，不斷對圖像進行校正，直到滿足成像精度，結束迭代過程。但在隨采地震層析成像中，還需考慮每個有效炮集的發震時刻t0。

假定成像區域為一矩形區域，將其離散為規則矩形網格，每個網格內有一慢度值sk，sk表示第k個網格的慢度。第i條射線的走時為：

式中：lik為第i條射線在第k個網格內的長度；ti0為第i條射線的發震時刻；N為網格總數。

同理，第j條射線的走時可表示為：

對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 個震源(M條射線N個網格)對應的層析成像方程，簡寫為：

當多個震源同時反演時，式(7)變為：

式中：K表示相關得到的互相關炮集數，Δt通過互相關后容易得到。該方法的使用條件與文獻[16-17]提出的方法基本一致，需要提前獲得每個炮集震源的位置，即每個炮集對應的采煤機位置。與它們不同之處在于：通過射線兩兩相減，將震源的發震時刻消除，不用將發震時刻作為變量去求解方程，即不用計算絕對走時；除此之外，相對于絕對走時層析成像，基于互相關時差的層析成像方法降低了對初始速度的依賴，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 實驗結果及分析

4.1 模型試算

為驗證本文方法，構建如圖3 所示的模型，工作面長300 m，寬100 m，背景速度2 000 m/s，工作面內部存在一個30 m×30 m 的異常體，異常體速度2 500 m/s。基于二維聲波方程，采用時間2 階空間8 階的交錯網格有限差分方法進行波場正演模擬，模擬時采用的震源信號為10～80 Hz 的帶限偽隨機噪聲序列；震源移動速度0.2 m/min，每刀進尺0.6 m。觀測系統采用孔–巷聯合觀測系統，如圖3 中藍色圓點所示，巷道和孔中檢波器道距均為10 m。

圖3 速度模型及觀測系統Fig.3 The velocity model and observation system

采用頻率域互相關算法對隨采地震原始信號脈沖化處理后，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時差的層析成像方法得到的反演結果如圖4 所示。圖中虛線方框為模型速度異常區域，從圖中可以看出，成像結果與模型吻合很好，驗證了本文方法的正確性。

圖4 互相關走時CT 反演結果Fig.4 The CT inversion results using correlation time

4.2 實際資料測試

1) 數據采集

某礦A 工作面長度650 m，切眼寬度200 m，煤層平均厚度1.30 m，平均傾角8°～10°，工作面內地質構造簡單，初勘存在3 條斷層，斷距均小于1 m。在回風巷和運輸巷分別布置72 個檢波器，采用孔–巷聯合觀測的方式，布置工作面內鉆孔檢波器24 個，道距10 m，觀測系統如圖5 所示。

圖5 隨采地震觀測系統Fig.5 The observation system of seismic-while-mining

在開展隨采地震試驗前，進行了槽波地震勘探和無線電波透視探測工作，利用其勘探成果結合巷道揭露，構建如圖6 所示的工作面地質模型。

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據進行了處理，圖7 為典型的隨采地震原始記錄波形。利用采煤機割煤時的震動信號，通過頻域相關處理后得到的脈沖化信號如圖8所示，從圖8 可以清晰辨識直達波(橫波)初至，為后續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

隨采監測期間，系統24 h 連續采集，利用采煤機從左至右割一刀煤產生的隨采震動信號，通過隨采地震相關處理、互相關時差層析成像方法，獲得一張工作面內的速度成像剖面。本文選取其中6 組成像數據來說明隨采地震的探測效果，如圖9 所示。圖中的相鄰成像剖面間隔 10 刀，每刀進尺約0.65 m，即相鄰兩個剖面采煤機向前推進距離約6.5 m，切眼位置由左向右逐漸推移。

圖9 隨采地震成像結果Fig.9 The imaging results of seismic-while-mining

從成像結果來看，圖中紅色方框內速度異常區對應圖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，異常位置并未發生變化，這也說明了本文方法的穩定性，即靜態地質異常體的隨采地震成像結果并不隨工作面推進，異常空間位置發生變化，與實際相符。圖中黑色方框內的能量團為一高速異常體，但隨著工作面采煤的推進，異常逐漸變弱，分析其為掌子面前方超前支撐應力集中區的反應(表現為高速，應力越大速度越高)，隨著工作面切眼的靠近，應力集中區逐漸釋放并不斷前移，此解釋與礦山壓力分析結果是一致的。

綜上，隨采地震成像結果在靜態地質異常體的探測上，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結果；除此之外，還可實現對工作面內由于采動引起的應力集中區變化的實時動態監測。

5 結論

a.相比常規的僅在巷道觀測的隨采地震觀測系統，基于孔–巷聯合觀測的隨采地震技術在成像范圍、射線密度等方面具有優勢。

b.基于相關時差的隨采地震層析成像方法，在求解過程中無需計算發震時刻，解決了隨采地震成像中絕對走時難以獲取的問題。

c.理論模型和實際資料的測試結果表明，基于相關時差的隨采地震層析成像方法可以解決工作面內部的地質構造探測問題，在開采動力地質災害的超前探測上，具有一定的優勢。