孔–巷联合随采地震相关时差层析成像

王云宏，王保利，程建远，崔伟雄，金 丹

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

煤矿井下随采地震技术是利用采煤机在割煤壁时产生的震动信号作为震源，探测工作面内部一定区域内地质构造的一种被动地震勘探方法。该方法属于噪声成像技术的应用范畴，基本原理是利用地震干涉技术，将得到的噪声源信号与检波器接收得到的噪声信号做数学相关处理，把噪声信号转换为脉冲震源激发信号。在此基础上利用地震波层析成像技术，对勘探区域进行CT 成像，得到勘探区的地质构造信息。

20 世纪80 年代，D.J.Buchanan 等[1]提出了利用采煤机切割煤壁的震动作为震源的思路，但由于各种原因，未能获得有效信号；20 世纪90 年代，美国矿业局的E.C.Westman 等[2-3]采用随采地震方法，进行地震层析成像，研究采煤工作面前方顶板的应力状况，但成像精度不理想。2002 年，L.Petronio 等[4]研究了利用掘进机作为震源的信号转换方法，并于2019 年开展了等效反射地震剖面的方法研究。Luo Xun 等[5-7]开展了随采地震方法研究，并给出了一个实例。

国内最早开始研究随采地震的是中煤科工集团西安研究院有限公司，近年来取得了一些研究成果[8-18]。覃思等[10]、程建远等[11]开展了随采地震反射波勘探试验研究，展示了随采地震的探测潜力；陆斌等[12]研究了随采地震信号干涉方法的适用性，得到了初步应用；覃思[13]利用井–地联合的观测方式，将随采地震技术与煤矿井下超前探测技术结合，取得了较好的应用效果；刘强[14]对随采地震信号的噪声衰减做了研究，并将小波变换方法应用到随采地震数据处理中；覃思等[15]提出了一种自动定量化评估随采地震数据质量的方法，有效提高了随采地震的数据质量；陆斌等[16-17]提出一种基于孔间地震密集动态探测的随采地震方法，并应用于智能开采透明工作面地质构造的探测。

随采地震成像方面，由于随采地震信号通过干涉脉冲化处理后存在发震延迟时间，一般将发震时间作为反演变量或者通过采煤机定位求取地震波绝对时间后，再利用初至进行CT 成像。如基于贝叶斯反演的随采地震槽波层析成像方法[18]、基于分段波形互相关的井下随采地震数据成像方法[19]，均是利用绝对走时进行工作面内部成像。

以往随采地震的观测方式主要是将地震检波器布置在工作面的2 个巷道(回风巷&运输巷)，这样布置的最大缺点是成像区域为三角区域，导致成像面积不足。

本文提出了孔–巷联合观测的随采地震技术，在传统仅在工作面巷道布置检波器的基础上，利用钻孔将检波器布置在工作面内，采用地震干涉技术，获得随采地震有效信号，通过基于互相关走时的随采地震层析成像方法，提高了成像范围和成像精度，取得较好的应用效果。

1 观测系统设计

通常随采地震将传感器布置在工作面两巷道，即在回风巷道和运输巷道一定范围内布置地震检波器接收信号。根据透射波层析成像方法原理，其成像区域由2个最远检波器决定的三角成像区叠加组成(图1a)，其中成像区3 的射线密度、成像精度最高，但存在成像盲区，图1 中背景云图为射线密度。图1b 是在工作面远端钻孔内安装孔中检波器，采用孔–巷联合随采地震观测系统下绘制的成像区，成像区为一矩形区域，相比图1a 的成像区域更大，不存在成像盲区。

图1 观测系统与成像范围Fig.1 The observation system and the imaging area

2 随采地震干涉方法

随采地震干涉方法就是将连续信号转化为脉冲震源信号的方法，一般采用互相关方法。随采地震有效信号转换方法类似于地震可控震源或随钻地震方法，即：

式中：s(t)为相关后得到的地震信号；w(t)为源信号，对应采煤机激发的震动信号；g(t)为检波器接收得到的地震信号；*为互相关运算。

在实际应用中，由于随采地震信号数据量较大，通常在频率域处理，以提高计算效率。时域信号的相关在频域中为乘积运算，即：

式中：S(w)、W(w)分别为s(t)、w(t)对应的频率域信号；G*(w)为g(t)频域信号的共轭。

随采地震观测获得采煤机信号w(t)和对应的每个接收检波器信号g(t)，通过式(1)或式(2)计算，可以得到随采地震相关记录。在相关地震记录中，可以获得震源到每个地震传感器的相对到时，通过相对到时对采煤工作面内部进行层析成像，探测工作面内部的地质构造信息。

除了互相关干涉方法外，还可利用反褶积干涉、互相干干涉等方法，提取随采地震有效信号，文献[12]中详述了各种方法的优缺点，在此不再赘述。

将采煤机的连续震动信号通过数学相关后获得类似人工激发的炮集记录的过程也被称为脉冲化处理。图2a 是按图1a 观测系统模拟的随采地震原始信号[20]，图2b 是利用互相关算法，将震源处信号和各道信号做数学相关处理得到的等效炮集。

图2 随采地震信号脉冲化处理Fig.2 Pulse processing of seismic-while-mining signal

3 基于互相关时差的随采地震层析成像方法

随采地震成像是利用互相关后的地震脉冲化地震记录，拾取互相关的初至走时，构建基于初至走时的地震层析方程，然后通过CT 成像算法，求解工作面速度模型。一般情况下，可将发震时刻作为未知量，代入方程求解。基于贝叶斯的随采地震层析成像方法[18]和的基于分段波形互相关的随采地震成像方法[19]，其基本思路是利用采煤机位置，计算得到粗略的发震时刻和波速，将其作为反演初值，发震时刻也作为未知量，求取绝对走时后，采用层析反演解决随采地震层析成像问题。本文提出直接利用相关时差进行层析成像的方法，求解过程中无需计算发震时刻。

层析成像最经典的算法是代数重建算法(ART)和联合代数重建算法(SART)，基本思想是利用观测得到的炮检绝对走时，先对成像区域网格化并赋初值，再将所得投影值残差一个个沿其射线方向均匀地反投影回去，不断对图像进行校正，直到满足成像精度，结束迭代过程。但在随采地震层析成像中，还需考虑每个有效炮集的发震时刻t0。

假定成像区域为一矩形区域，将其离散为规则矩形网格，每个网格内有一慢度值sk，sk表示第k个网格的慢度。第i条射线的走时为：

式中：lik为第i条射线在第k个网格内的长度；ti0为第i条射线的发震时刻；N为网格总数。

同理，第j条射线的走时可表示为：

对于同一炮集的不同射线，有t i0=tj0，将式(3)与式(4)相减得：

其中，1≤i≤M–1，i

式(6)表示的是1 个震源(M条射线N个网格)对应的层析成像方程，简写为：

当多个震源同时反演时，式(7)变为：

式中：K表示相关得到的互相关炮集数，Δt通过互相关后容易得到。该方法的使用条件与文献[16-17]提出的方法基本一致，需要提前获得每个炮集震源的位置，即每个炮集对应的采煤机位置。与它们不同之处在于：通过射线两两相减，将震源的发震时刻消除，不用将发震时刻作为变量去求解方程，即不用计算绝对走时；除此之外，相对于绝对走时层析成像，基于互相关时差的层析成像方法降低了对初始速度的依赖，特别适于切眼附近速度变化较快、速度初始模型精度较低等情形。

4 实验结果及分析

4.1 模型试算

为验证本文方法，构建如图3 所示的模型，工作面长300 m，宽100 m，背景速度2 000 m/s，工作面内部存在一个30 m×30 m 的异常体，异常体速度2 500 m/s。基于二维声波方程，采用时间2 阶空间8 阶的交错网格有限差分方法进行波场正演模拟，模拟时采用的震源信号为10～80 Hz 的带限伪随机噪声序列；震源移动速度0.2 m/min，每刀进尺0.6 m。观测系统采用孔–巷联合观测系统，如图3 中蓝色圆点所示，巷道和孔中检波器道距均为10 m。

图3 速度模型及观测系统Fig.3 The velocity model and observation system

采用频率域互相关算法对随采地震原始信号脉冲化处理后，得到切眼处100 炮等效炮集记录(1 m/炮)，采用本文提出的基于互相关时差的层析成像方法得到的反演结果如图4 所示。图中虚线方框为模型速度异常区域，从图中可以看出，成像结果与模型吻合很好，验证了本文方法的正确性。

图4 互相关走时CT 反演结果Fig.4 The CT inversion results using correlation time

4.2 实际资料测试

1) 数据采集

某矿A 工作面长度650 m，切眼宽度200 m，煤层平均厚度1.30 m，平均倾角8°～10°，工作面内地质构造简单，初勘存在3 条断层，断距均小于1 m。在回风巷和运输巷分别布置72 个检波器，采用孔–巷联合观测的方式，布置工作面内钻孔检波器24 个，道距10 m，观测系统如图5 所示。

图5 随采地震观测系统Fig.5 The observation system of seismic-while-mining

在开展随采地震试验前，进行了槽波地震勘探和无线电波透视探测工作，利用其勘探成果结合巷道揭露，构建如图6 所示的工作面地质模型。

图6 矿井物探解释成果Fig.6 Mine geophysical interpretation result

2) 随采地震成果

选取2018 年10 月15 日—2018 年11 月27 日采集的随采地震数据进行了处理，图7 为典型的随采地震原始记录波形。利用采煤机割煤时的震动信号，通过频域相关处理后得到的脉冲化信号如图8所示，从图8 可以清晰辨识直达波(横波)初至，为后续层析成像提供了保障。

图7 随采地震原始记录Fig.7 The original recording of seismic-while-mining

图8 随采地震的脉冲化记录Fig.8 Pulse recording of seismic-while-mining

随采监测期间，系统24 h 连续采集，利用采煤机从左至右割一刀煤产生的随采震动信号，通过随采地震相关处理、互相关时差层析成像方法，获得一张工作面内的速度成像剖面。本文选取其中6 组成像数据来说明随采地震的探测效果，如图9 所示。图中的相邻成像剖面间隔 10 刀，每刀进尺约0.65 m，即相邻两个剖面采煤机向前推进距离约6.5 m，切眼位置由左向右逐渐推移。

图9 随采地震成像结果Fig.9 The imaging results of seismic-while-mining

从成像结果来看，图中红色方框内速度异常区对应图6 矿井物探解释成果的F2 和F3 断层，且随着工作面采煤向前推进，异常位置并未发生变化，这也说明了本文方法的稳定性，即静态地质异常体的随采地震成像结果并不随工作面推进，异常空间位置发生变化，与实际相符。图中黑色方框内的能量团为一高速异常体，但随着工作面采煤的推进，异常逐渐变弱，分析其为掌子面前方超前支撑应力集中区的反应(表现为高速，应力越大速度越高)，随着工作面切眼的靠近，应力集中区逐渐释放并不断前移，此解释与矿山压力分析结果是一致的。

综上，随采地震成像结果在静态地质异常体的探测上，可以获得与槽波、无线电波透视等矿井物探方法一致的探测结果；除此之外，还可实现对工作面内由于采动引起的应力集中区变化的实时动态监测。

5 结论

a.相比常规的仅在巷道观测的随采地震观测系统，基于孔–巷联合观测的随采地震技术在成像范围、射线密度等方面具有优势。

b.基于相关时差的随采地震层析成像方法，在求解过程中无需计算发震时刻，解决了随采地震成像中绝对走时难以获取的问题。

c.理论模型和实际资料的测试结果表明，基于相关时差的随采地震层析成像方法可以解决工作面内部的地质构造探测问题，在开采动力地质灾害的超前探测上，具有一定的优势。