李亞豪，程久龍，姜 旭，董 毅

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083)

礦井巷道掘進(jìn)時(shí)經(jīng)常遇到斷層、陷落柱等地質(zhì)異常體，這些地質(zhì)異常體除延緩施工進(jìn)度外，還可能引起礦井水害與瓦斯突出，極大影響礦井安全。目前礦井巷道地球物理超前探測(cè)方法有地震方法、直流電法、瞬變電磁法、探地雷達(dá)法和紅外測(cè)溫法等，其中，地震類方法探測(cè)距離遠(yuǎn)、分辨率高、信息豐富[1]，但常規(guī)地震類方法探測(cè)時(shí)需要暫停掘進(jìn)作業(yè)，且炸藥震源成本高，可能存在安全隱患。隨掘地震超前探測(cè)是一種新型礦井巷道地震超前探測(cè)方法，該方法以掘進(jìn)機(jī)截割頭切割巖石產(chǎn)生的振動(dòng)作為震源，對(duì)巷道掘進(jìn)影響極小，具有成本低、施工方便、可實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。由于礦井掘進(jìn)巷道空間狹窄、數(shù)據(jù)采集條件較差，加上隨掘地震超前探測(cè)震源與常規(guī)震源存在一定的差異，導(dǎo)致了隨掘地震超前探測(cè)數(shù)據(jù)處理與解釋存在很大困難。

20世紀(jì)80年代，BUCHANAN等[2]提出利用采煤機(jī)切割煤壁產(chǎn)生的振動(dòng)作為震源，對(duì)煤層中的斷層進(jìn)行探測(cè)。此后，許多學(xué)者對(duì)以采掘機(jī)械切割巖石作為震源的探測(cè)方法進(jìn)行了研究。NEIL等[3]以巷道掘進(jìn)機(jī)作為震源，在鉀鹽礦內(nèi)部進(jìn)行地震反射試驗(yàn)，最終在成像疊加結(jié)果上看到多條同相軸，但未與實(shí)際地層信息進(jìn)行驗(yàn)證。LUO等[4]以采煤機(jī)作為震源，對(duì)采煤工作面前方煤層頂板巖層應(yīng)力狀況進(jìn)行研究。陸斌等[5]對(duì)采煤機(jī)震源信號(hào)進(jìn)行提取，使用地震干涉法進(jìn)行成像，對(duì)工作面地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)。覃思等[6-7]對(duì)隨采地震反射波勘探進(jìn)行研究，進(jìn)行反射波提取試驗(yàn)，并進(jìn)行隨采地震井-地聯(lián)合超前探測(cè)試驗(yàn)，探測(cè)結(jié)果與常規(guī)炸藥震源地震井-地聯(lián)合探測(cè)結(jié)果相近。近年來(lái)有學(xué)者[8-11]研究了隨掘地震超前探測(cè)震源特征、傳播特征、波場(chǎng)特征以及成像方法，對(duì)隨掘地震超前探測(cè)的原理和數(shù)據(jù)處理有了更深的了解。程久龍等[12]通過(guò)對(duì)隨掘地震超前探測(cè)數(shù)據(jù)中的干擾波成分進(jìn)行分析，根據(jù)干擾波的不同類型使用了不同方法進(jìn)行去噪，取得了較好的效果。姜旭等[13]進(jìn)行隨掘地震數(shù)值模擬，對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并使用τ-p變換處理，去除了直達(dá)波與有效信號(hào)混疊的干擾。由于礦井掘進(jìn)巷道空間狹窄、數(shù)據(jù)采集條件較差，加上隨掘地震超前探測(cè)震源與常規(guī)震源存在一定的差異，導(dǎo)致了隨掘地震超前探測(cè)數(shù)據(jù)處理與解釋存在很大困難。本文根據(jù)隨掘地震超前探測(cè)震源是連續(xù)的特點(diǎn)，使用互相關(guān)方法對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行壓縮，增強(qiáng)地震記錄中較弱的反射信號(hào)，使用奇異值分解方法進(jìn)行地震波場(chǎng)分離，降低干擾波影響，提高隨掘地震超前探測(cè)效果。

1 隨掘地震超前探測(cè)

隨掘地震超前探測(cè)以掘進(jìn)機(jī)切割巖石產(chǎn)生的振動(dòng)作為震源，探測(cè)時(shí)掘進(jìn)機(jī)正常作業(yè)，安全高效，掘進(jìn)機(jī)切割巖石產(chǎn)生的地震波在遇到地震反射界面時(shí)，會(huì)有一部分能量發(fā)生反射，通過(guò)在巷道中布置檢波器進(jìn)行接收，可以獲得含有巷道前方地質(zhì)信息的地震記錄，如圖1所示。

圖1 隨掘地震超前探測(cè)示意圖

Fig.1 Seismic while drilling ahead detection

與常規(guī)地震勘探采用的炸藥震源不同，隨掘地震超前探測(cè)震源是連續(xù)信號(hào)，這使得常規(guī)的數(shù)據(jù)處理方式難以取得較好的效果。隨鉆地震與隨掘地震超前探測(cè)類似，互相關(guān)處理技術(shù)是連續(xù)震源數(shù)據(jù)處理的核心，通過(guò)互相關(guān)處理可以將連續(xù)的震源信號(hào)壓縮成脈沖信號(hào)，同時(shí)壓制隨機(jī)噪聲，得到較好的勘探結(jié)果[14]。針對(duì)隨掘地震超前探測(cè)與隨鉆地震的相似性，提出對(duì)隨掘地震超前探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)處理，以壓縮震源信號(hào)，提高數(shù)據(jù)信噪比。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 互相關(guān)理論

互相關(guān)函數(shù)是信號(hào)處理的一種方法，用來(lái)描述兩個(gè)信號(hào)在時(shí)域上的相似性。假設(shè)檢波器接收到的地震信號(hào)為x1(n),則有式(1)。

x1(n)=s(n+τ1)+f

(1)

式中：s(n)為震源信號(hào)；τ1為檢波器與震源位置的相對(duì)時(shí)差；f為噪聲信號(hào)。

將x1(n)和震源信號(hào)s(n)作互相關(guān)，可得式(2)。

(2)

式中：φ為互相關(guān)函數(shù)；T為信號(hào)長(zhǎng)度；τ為兩信號(hào)之間的時(shí)移。由于s(n)與噪聲f不相關(guān)，所以式(2)可以化為式(3)。

(3)

由互相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)可知，當(dāng)τ1-τ=0時(shí)，φ取得高值，則可以推斷當(dāng)震源信號(hào)與地震道信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)取得高值時(shí)，此時(shí)的時(shí)移也即地震道與震源位置的相對(duì)時(shí)差。

在隨掘地震數(shù)據(jù)處理中，將距掘進(jìn)機(jī)最近處地震道作為參考信號(hào)，將其與地震記錄作互相關(guān)處理，互相關(guān)結(jié)果的高值點(diǎn)即為參考信號(hào)與地震記錄相關(guān)程度較強(qiáng)的時(shí)移位置，從而壓縮連續(xù)信號(hào)，提高地震數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2.2 SVD波場(chǎng)分離理論

奇異值分解將包含地震信號(hào)和噪聲信息的矩陣分解到一系列正交子空間中，不同地震信號(hào)和噪聲對(duì)矩陣奇異值的貢獻(xiàn)有別，根據(jù)地震波的相干性差異來(lái)達(dá)到波場(chǎng)分離與去噪[15-16]。

假設(shè)二維地震剖面為X，道數(shù)為m，采樣點(diǎn)數(shù)為n，則有式(4)。

X=UΣVT

(4)

式中：U由XXT的特征值向量構(gòu)成；V由XTX的特征值向量構(gòu)成；Σ由奇異值(XXT或XTX的非負(fù)平方根)構(gòu)成。奇異值由大到小排列在矩陣的主對(duì)角線上，見(jiàn)式(5)和式(6)。

(5)

E=diag(δ1,δ2,…,δr)

(6)

式(4)從左端到右端屬于分解過(guò)程，從右端到左端為重建過(guò)程，地震數(shù)據(jù)的總能量可表示為式(7)。

(7)

對(duì)于地震數(shù)據(jù)，如果選用較大的特征值來(lái)重構(gòu)數(shù)據(jù)即是弱信號(hào)與隨機(jī)噪聲的消除，也可以通過(guò)舍去較大的特征值消除特定的同相軸[16]。

3 數(shù)值模擬

建立常見(jiàn)的二維含斷層超前探測(cè)地質(zhì)模型，模型大小為200 m×200 m，煤層與巷道高度為5 m，巷道迎頭前方40 m處存在傾角為60°的正斷層，斷層落差為8 m，斷層破碎帶寬度為5 m，地質(zhì)模型如圖2所示，各地層參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 隨掘地震超前探測(cè)地質(zhì)模型

Fig.2 Geology model of seismic while drilling ahead detection

表1 模型參數(shù)表

3.1 連續(xù)信號(hào)震源

根據(jù)上述地質(zhì)模型，采用交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分法進(jìn)行地震波場(chǎng)數(shù)值模擬。由于隨掘地震超前探測(cè)震源具有能量隨機(jī)、頻率隨機(jī)、連續(xù)的特點(diǎn)，使用一組隨機(jī)分布的反射系數(shù)與200 Hz雷克子波的褶積模擬隨掘地震超前探測(cè)震源，長(zhǎng)度為0.12 s。將檢波器布置在底板-100 m(巷道后方)至0 m(巷道迎頭)處，道間距為1 m，采樣間隔為0.1 ms，采樣總時(shí)長(zhǎng)為0.25 s，地震記錄(垂直速度分量)如圖3所示。

由圖3可知，由于震源為連續(xù)信號(hào)，會(huì)產(chǎn)生持續(xù)振動(dòng)的地震波，因此在地震記錄上各種地震波也會(huì)連續(xù)出現(xiàn)。 地震記錄上同相軸1的波速約為2 500 m/s，推斷為直達(dá)縱波，同相軸2的波速約為1 400 m/s，推斷為連續(xù)的直達(dá)橫波。直達(dá)橫波能量最強(qiáng)，在地震記錄中最為明顯，能量較弱的反射波被直達(dá)橫波掩蓋，無(wú)法觀察到連續(xù)的同相軸。

3.2 雷克子波震源

根據(jù)上述地質(zhì)模型，使用200 Hz雷克子波作為震源，其余布置與連續(xù)信號(hào)震源中布置相同，可得地震記錄(垂直速度分量)如圖4所示。

圖3 連續(xù)信號(hào)震源地震記錄

Fig.3 Seismic record of continuity signals source

圖4 單個(gè)雷克子波震源地震記錄

Fig.4 Seismic record of single Ricker wavelet source

由圖4可知，同相軸1的波速約為2 500 m/s，推斷為直達(dá)縱波，同相軸2的波速約為1 400 m/s，推斷為直達(dá)橫波，同相軸3的波速約為2 500 m/s，根據(jù)同相軸形態(tài)推斷為斷層反射縱波，同相軸4的波速約為1 400 m/s，根據(jù)同相軸形態(tài)推斷為灰?guī)r反射橫波，同相軸5的波速約為1 400 m/s，根據(jù)其形態(tài)推斷為斷層反射橫波。

綜合圖3和圖4可以看出，在初至橫波到達(dá)之前，連續(xù)信號(hào)震源地震記錄與雷克子波地震記錄幾乎完全相同，但由于連續(xù)信號(hào)震源的原因，在圖3中會(huì)持續(xù)出現(xiàn)能量較強(qiáng)的橫波，導(dǎo)致在圖4中能夠觀察到的同相軸3、同相軸4、同相軸5等反射信號(hào)在圖3中被直達(dá)波掩蓋，難以達(dá)到預(yù)期的勘探效果。

4 模擬數(shù)據(jù)處理

使用模擬連續(xù)震源信號(hào)作為參考信號(hào)，與各道數(shù)據(jù)作互相關(guān)，結(jié)果如圖5所示。圖5中能夠看到在原始地震記錄中被掩蓋的斷層反射縱波和灰?guī)r反射橫波，即同相軸3與同相軸4。經(jīng)過(guò)互相關(guān)處理，較弱的反射信號(hào)得到增強(qiáng)，但原始地震記錄中能量較強(qiáng)的直達(dá)橫波也得到增強(qiáng)，影響處理效果。為削弱互相關(guān)記錄中直達(dá)橫波的影響，使用奇異值分解(SVD)進(jìn)行波場(chǎng)分離，結(jié)果如圖6所示。

圖5 互相關(guān)記錄

Fig.5 Records of cross-correlation

圖6 SVD分離結(jié)果

Fig.6 Results after SVD

經(jīng)過(guò)波場(chǎng)分離，互相關(guān)記錄中較強(qiáng)的直達(dá)橫波干擾被較好地去除，得到3個(gè)較為清晰的同相軸：同相軸1、同相軸3與同相軸4，即直達(dá)縱波、斷層反射縱波與灰?guī)r反射橫波，與圖4中單個(gè)雷克子波震源模擬結(jié)果較為吻合。

通過(guò)使用連續(xù)震源信號(hào)與地震記錄的互相關(guān)處理，增強(qiáng)了反射信號(hào)，并且壓縮了連續(xù)信號(hào)，得到與單個(gè)雷克子波震源類似的地震記錄，將連續(xù)震源勘探問(wèn)題轉(zhuǎn)化為類似單炮震源勘探問(wèn)題進(jìn)行處理，提高了勘探效果。

5 結(jié) 論

1) 隨掘地震超前探測(cè)數(shù)據(jù)中，不同類型的地震波混疊在一起，反映構(gòu)造信息的反射信號(hào)能量較弱，在地震記錄中難以識(shí)別。

2) 使用隨掘地震超前探測(cè)連續(xù)震源信號(hào)作為參考信號(hào)，對(duì)隨掘地震記錄進(jìn)行互相關(guān)處理，能夠增強(qiáng)反射信號(hào)。

3) 互相關(guān)處理能夠?qū)㈦S掘地震超前探測(cè)的連續(xù)信號(hào)進(jìn)行壓縮，使用奇異值分解進(jìn)行波場(chǎng)分離，得到與子波震源類似的地震記錄，從而將連續(xù)震源勘探問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單炮震源勘探問(wèn)題。