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        基于地震多屬性融合技術(shù)的煤層巷道識(shí)別方法

        2021-07-06 09:23:38杜文鳳劉洪栓
        煤炭科學(xué)技術(shù) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:波阻抗反射系數(shù)振幅

        彭 凡,杜文鳳,劉洪栓

        (1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;2.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)

        0 引 言

        20世紀(jì)80年代,小煤窯私采偷采現(xiàn)象普遍,由于受當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等條件限制,常采用房柱式或巷道式方法開(kāi)采[1-2]。由于缺少采掘資料,其開(kāi)采范圍已無(wú)從可知,留下的采空巷道會(huì)對(duì)后續(xù)礦山生產(chǎn)建設(shè)產(chǎn)生很大安全隱患,因此,需要查明采空巷道范圍以保障后續(xù)煤礦的安全開(kāi)采[3-5]。關(guān)于常規(guī)采空區(qū)的探測(cè)識(shí)別研究工作已經(jīng)做了很多[6-8],而對(duì)采空巷道識(shí)別的研究相對(duì)較少。地球物理技術(shù)是探測(cè)地下情況的有效手段,電法非常適合用于檢測(cè)含水性,但是探測(cè)深度相對(duì)較淺[9];探地雷達(dá)探測(cè)深度淺,但可以達(dá)到很高的精度[10];三維地震方法探測(cè)深度深,是應(yīng)用最廣的方法[11]。張愛(ài)敏等[12]首次提出利用三維地震技術(shù),根據(jù)巷道反射波特征可以直接在時(shí)間剖面上識(shí)別出巷道。程建遠(yuǎn)等[13]認(rèn)為地震水平切片是探測(cè)巷道的有效手段,由于巷道斷面小,只有在“三高”地震資料上才能識(shí)別出巷道[13]。朱紅娟[14]在常規(guī)地震解釋的基礎(chǔ)上,利用地震屬性對(duì)巷道做了定位解釋。

        巷道本身由于斷面較小,探測(cè)識(shí)別難度大,提高地震技術(shù)識(shí)別精度是急需解決的問(wèn)題?;诖?,首先通過(guò)建立地震正演模型研究了巷道的地震響應(yīng)特征,正演結(jié)果表明地震屬性可以很好地識(shí)別出巷道產(chǎn)生的異常。然后從實(shí)際地震數(shù)據(jù)中提取了相對(duì)波阻抗、瞬時(shí)振幅和平均振幅3種不同地震屬性,利用RGB融合技術(shù)對(duì)這3種屬性進(jìn)行融合,利用融合屬性成功探測(cè)識(shí)別出了巷道的平面位置和邊界范圍,為巷道的精細(xì)探測(cè)識(shí)別提供理論及實(shí)例依據(jù)。

        1 巷道地震響應(yīng)特征

        1.1 地質(zhì)模型設(shè)計(jì)

        為了研究采空巷道的地震響應(yīng)特征,參考研究區(qū)各煤層的實(shí)際深度和厚度,設(shè)計(jì)了二維地震正演地質(zhì)模型。正演地質(zhì)模型如圖1所示,為便于直觀了解模型,對(duì)煤層及巷道做了一定程度的放大處理,模型的實(shí)際參數(shù)見(jiàn)表1。模型長(zhǎng)1 000 m,深1 000 m,共設(shè)計(jì)3層煤,從淺到深依次為3煤、9煤和15煤。其中,3煤深度為500 m,厚度為4 m;9煤深度為550 m,厚度為5 m;15煤深度為600 m,厚度為5 m。3煤中設(shè)計(jì)有2條寬為5 m,高為4 m的巷道,兩條巷道間距90 m。巷道1充滿(mǎn)空氣,位于水平方向455 m處;巷道2充填地下水,位于水平方向545 m處。

        圖1 正演地質(zhì)模型Fig.1 Forward geological model

        表1 地質(zhì)模型參數(shù)Table 1 Geological model parameters

        為快速獲取模型的正演結(jié)果,采用聲波方程正演模擬方法,正演結(jié)果如圖2所示。圖2a為正演地震剖面,可以看到兩處巷道位置處的3號(hào)煤層反射波出現(xiàn)較明顯的局部振幅增強(qiáng)現(xiàn)象,而巷道下方的煤層反射波出現(xiàn)局部振幅減弱現(xiàn)象。并且由于填充物不同,地震波振幅增強(qiáng)或減弱的幅度也不同。相比而言,在填充空氣的巷道1處振幅的變化明顯,而填充水的巷道2處振幅的變化較弱。

        為了更直觀地說(shuō)明這種振幅上的變化,分別沿各煤層提取了地震振幅屬性,如圖2b所示,從上到下依次為3、9和15煤的振幅屬性。從振幅屬性上能夠看到更直觀清晰的振幅異常現(xiàn)象,3煤巷道處的振幅明顯變大,填充空氣巷道的異常比填充水巷道的增大幅度更大,而巷道下方的煤層反射同相軸出現(xiàn)振幅減弱的情況。

        圖2 正演模擬結(jié)果Fig.2 Forward results

        1.2 正演結(jié)果分析

        對(duì)于常規(guī)采空區(qū)來(lái)說(shuō),頂部圍巖會(huì)在上覆巖層壓力作用下逐漸坍塌陷落。相比于完整圍巖,塌陷后的采空區(qū)變得松散、密實(shí)度降低,形成雜亂、松散的特殊地質(zhì)體[15]。由于不會(huì)形成明顯的波阻抗界面,所以在剖面上多表現(xiàn)出同相軸不連續(xù)、錯(cuò)亂且反射能量弱等特點(diǎn)。而對(duì)于巷道或巷道采空區(qū)來(lái)說(shuō),由于巷道斷面小,其頂板在相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)垮塌,巷道內(nèi)常被地下水或空氣充填。從垂直方向上看,巷道可認(rèn)為是處于煤層之中并且與煤層有著共同頂?shù)装鍘r層的特殊地質(zhì)空腔體。由于存在有明顯的波阻抗界面,這種情況下能夠形成明顯的反射波,其反射振幅可通過(guò)反射系數(shù)來(lái)進(jìn)行分析。

        反射系數(shù)定義為反射波振幅與入射波振幅的比值,可以用式(1)來(lái)進(jìn)行計(jì)算[15],即

        (1)

        式中:R為反射系數(shù);ρ1、v1分別為反射界面上部介質(zhì)的密度和速度,ρ2、v2分別為反射界面下部介質(zhì)的密度和速度;密度和速度的乘積為波阻抗,反射系數(shù)為負(fù)值時(shí)表明反射波與入射波極性相反。

        根據(jù)式(1)和表1中的介質(zhì)參數(shù)計(jì)算出各主要反射界面的反射系數(shù),結(jié)果見(jiàn)表2。由反射系數(shù)定義可知,當(dāng)入射波振幅不變時(shí),界面的反射系數(shù)越大,則反射波的振幅也就越大。無(wú)論是空氣還是水,密度和速度都遠(yuǎn)小于煤層,其與圍巖界面的反射系數(shù)大于正常賦存煤層與圍巖界面的反射系數(shù),所以由此界面產(chǎn)生的反射波的振幅會(huì)大于正常反射波振幅,在剖面上表現(xiàn)出同相軸振幅增大、能量增強(qiáng)的現(xiàn)象。并且,由于空氣與巷道界面的反射系數(shù)大于地下水與巷道界面的反射系數(shù),所以巷道1比巷道2的反射波振幅更大。

        表2 主要界面的反射系數(shù)Table 2 Reflection coefficients of main interfaces

        由正演結(jié)果(圖2)還可知,巷道下方煤層產(chǎn)生的反射波出現(xiàn)有振幅減弱現(xiàn)象,這是由于巷道的屏蔽作用引起的。由反射系數(shù)定義易知,低速低密度地層會(huì)與圍巖形成強(qiáng)反射界面,導(dǎo)致大部分入射能量會(huì)被反射回去,而能夠透過(guò)界面繼續(xù)向下傳播的能量就會(huì)大幅減少,導(dǎo)致下方地層的反射波能量降低,該現(xiàn)象為反射型能量屏蔽現(xiàn)象[17]。由于巷道處形成的強(qiáng)反射界面的屏蔽作用阻礙了地震波繼續(xù)向下傳播,這就使巷道下方煤層成為了“被屏蔽”區(qū),導(dǎo)致在剖面上下方煤層的同相軸振幅減弱。該現(xiàn)象增加了解釋人員將其錯(cuò)誤解釋成地質(zhì)構(gòu)造的可能性,但如果解釋人員能夠識(shí)別出巷道并且認(rèn)識(shí)到這是由于巷道屏蔽引起的,那么在解釋過(guò)程中就能夠減少甚至避免這種錯(cuò)誤解釋的可能性。

        由于巷道斷面尺寸較小,反映在剖面上巷道引起的振幅異常幅度不明顯容易被忽略,但是利用地震屬性卻能夠直觀且清晰的識(shí)別出這種異常。地震屬性是識(shí)別地下異常地質(zhì)體的有效手段,并且,由于巷道本身分布的規(guī)律特點(diǎn),其在平面上更容易識(shí)別,因此利用地震屬性解釋方法來(lái)識(shí)別巷道是可行的。為避免單一屬性解釋精度不高,難以全面反映地下地質(zhì)問(wèn)題,考慮采用地震多屬性融合方法來(lái)進(jìn)行巷道的識(shí)別探測(cè)。

        圖3展示了沿目的煤層從正演結(jié)果中提取的不同地震屬性,從上到下依次為相對(duì)波阻抗屬性、瞬時(shí)振幅屬性以及瞬時(shí)頻率屬性。相對(duì)波阻抗屬性用來(lái)描述地層的相對(duì)波阻抗大小,能夠很好地識(shí)別出巷道引起的波阻抗變化;振幅類(lèi)屬性對(duì)地下異常地質(zhì)體有良好的反映,能夠很好地識(shí)別出巷道產(chǎn)生的異常;頻率屬性雖然也可以識(shí)別出巷道,但對(duì)于不同填充介質(zhì)的巷道卻有著近乎相同的異常特征。所以在進(jìn)行多屬性融合時(shí)可以?xún)?yōu)先考慮相對(duì)波阻抗和振幅類(lèi)的屬性。

        圖3 目的煤層地震屬性Fig.3 Seismic attributes of target coal seam

        2 地震多屬性解釋

        地震屬性是由地震數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一定的非線(xiàn)性數(shù)學(xué)變換得到的關(guān)于地震波幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)以及統(tǒng)計(jì)學(xué)特征的度量。眾所周知,地下介質(zhì)的變化會(huì)引起地震屬性發(fā)生相應(yīng)的變化,因此利用地震屬性研究地下異常地質(zhì)體是可行的。地震屬性能夠描述地下某些地質(zhì)現(xiàn)象,如河道、斷層或斷裂、巖性變化以及儲(chǔ)層變化等,廣泛應(yīng)用于構(gòu)造解釋、地層解釋、巖性解釋和模擬以及儲(chǔ)層描述等多個(gè)方面[18]。

        目前,針對(duì)各種不同地質(zhì)任務(wù)提出的地震屬性達(dá)到上百種之多[19]。根據(jù)使用的數(shù)學(xué)變換算法不同,得到的地震屬性也就不同。地震屬性能用來(lái)凸顯地質(zhì)體的某些特殊地質(zhì)學(xué)特征,并在一定程度上輔助地震解釋工作。然而,單一屬性信息量少,通常不能全面反映地質(zhì)體特征,存在多解性可能導(dǎo)致片面結(jié)果;利用多種屬性單獨(dú)解釋、相互印證的方式,工作量變大且難以得到統(tǒng)一的結(jié)果[20]。因此,需要1種聯(lián)合多種屬性的解釋方法。

        目前用到的地震多屬性解釋方法一般可分為以下3種:

        1)多屬性疊合方法。這是過(guò)去常用的多屬性解釋方法,通過(guò)將多種地震屬性圖像一張張地疊合在一起,進(jìn)行分析和解釋工作。

        2)多屬性組合方法。主要用于2種屬性的情況。首先為一種屬性選取一個(gè)閾值,然后將該屬性小于閾值的位置顯示為另一種屬性,通過(guò)這種方法將2種屬性組合起來(lái)。

        3)多屬性融合方法。該方法能夠?qū)⒍喾N屬性融合為一種新的屬性,融合后的屬性同時(shí)包含參與融合的多種原始屬性中的信息。

        RGB色彩融合方法是常用的地震多屬性融合方法,可用于3種地震屬性融合。其思路是選取3種地震屬性,分別將這3種屬性視為紅、綠、藍(lán)(RGB)3個(gè)顏色分量,然后在RGB顏色空間將這3種屬性融合為1種屬性,最后利用融合后的屬性圖像進(jìn)行地震解釋。通過(guò)利用這種方法可以克服單一屬性的局限性,提高地震解釋的精度。

        3 應(yīng)用實(shí)例

        3.1 研究區(qū)概況

        研究區(qū)位于沁水盆地北部含煤地層穩(wěn)定,地層平緩。由淺到深,區(qū)內(nèi)主要有3、9、15煤。其中,3煤深度為366~660 m ,平均厚度為2.58 m;9煤深度為418~688 m ,平均厚度為4.10 m;15煤深度為484~766 m,平均厚度為4.32 m。在三維地震數(shù)據(jù)采集之前,沿3煤層已開(kāi)拓部分主要巷道,為研究提供了基礎(chǔ)。

        3.2 實(shí)例分析

        從疊前時(shí)間偏移地震數(shù)據(jù)中沿3煤提取了相對(duì)波阻抗、瞬時(shí)振幅和平均振幅3種地震屬性。相對(duì)波阻抗屬性可以用來(lái)描述地層的相對(duì)波阻抗大小,適合用于描述地層變化情況;振幅類(lèi)屬性計(jì)算穩(wěn)定性好,對(duì)地下異常地質(zhì)體有良好的反映,能夠用來(lái)刻畫(huà)地質(zhì)體邊界。

        各種屬性量綱不同,在進(jìn)行屬性融合之前需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,由于RGB圖像的顏色分量取值在0~255,所以需要利用式(2)將每種屬性的取值標(biāo)準(zhǔn)化到0~255。

        Z=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)×255

        (2)

        式中:Z為標(biāo)準(zhǔn)化后的屬性值;X為原始屬性值;Xmax和Xmin分別為原始屬性的最大值和最小值。

        標(biāo)準(zhǔn)化處理之后,進(jìn)行RGB屬性融合。由排列組合知識(shí)易知,3種屬性的不同排列順序共有6種,圖4給出了這6種不同排列順序的屬性融合結(jié)果。由圖4知,不同順序?qū)傩匀诤闲Ч嗖畈皇呛艽?。最終選擇將相對(duì)波阻抗屬性視為紅色分量R,瞬時(shí)振幅屬性視為綠色分量G,平均振幅屬性視為藍(lán)色分量B。在RGB色彩空間對(duì)這3種屬性進(jìn)行融合,得到最終融合屬性。

        圖4 不同RGB順序融合結(jié)果Fig.4 Different RGB sequence fusion results

        圖5展示了研究區(qū)地震多屬性融合結(jié)果,圖5a為相對(duì)波阻抗屬性,圖5b為瞬時(shí)振幅屬性,圖5c為平均振幅屬性,圖5d為融合后的屬性。由圖5知,雖然3種原始屬性都能大致顯示出條帶狀巷道,但整體上巷道較為模糊且邊界斷斷續(xù)續(xù)不能連續(xù)追蹤。如圖5a相對(duì)波阻抗屬性在區(qū)內(nèi)東部基本上不能識(shí)別出巷道的邊界;而在圖5b和圖5c中,區(qū)內(nèi)南部和東部的巷道斷斷續(xù)續(xù),不能連續(xù)追蹤。而經(jīng)過(guò)多屬性融合后,在圖5d融合后的屬性中巷道表現(xiàn)更為連續(xù),邊界也更清晰,很容易刻畫(huà)出巷道邊界和延伸范圍。

        圖5 地震多屬性融合結(jié)果Fig.5 Results of seismic multi-attribute fusion

        圖6為利用融合屬性進(jìn)行巷道識(shí)別的結(jié)果與巷道的實(shí)際位置對(duì)比,圖6a為識(shí)別結(jié)果,圖6b為實(shí)際位置。由圖6知融合屬性識(shí)別出的結(jié)果與實(shí)際巷道展布范圍和邊界位置對(duì)應(yīng)十分準(zhǔn)確。由于巷道之間的距離較小(東西向巷道間距為25 m,南北向巷道間距為40 m),反映在地震屬性上會(huì)疊加成更寬的條帶異常。對(duì)于單個(gè)巷道來(lái)說(shuō),由于沒(méi)有相鄰巷道做疊加,其異常條帶較弱,相對(duì)而言較難準(zhǔn)確分辨出其位置。最終結(jié)果表明,多屬性融合技術(shù)能夠成功識(shí)別出巷道的平面位置及其邊界范圍。

        圖6 巷道識(shí)別結(jié)果與實(shí)際位置對(duì)比Fig.6 Roadway identification result and actual position

        4 結(jié) 論

        1)煤層巷道采空是特殊地質(zhì)空腔體并與其頂?shù)讎鷰r形成強(qiáng)反射界面,引起所在煤層地震屬性發(fā)生變化,利用這種異常變化可以識(shí)別出巷道采空的位置及邊界范圍。

        2)相對(duì)波阻抗、振幅和頻率屬性都能夠很好地反應(yīng)出巷道產(chǎn)生的異常變化,但對(duì)于不同的填充物前兩者的變化幅度也不相同,而頻率屬性分不出來(lái)這種不同。

        3)RGB多屬性融合技術(shù)能夠綜合多種屬性的信息,相比于單一屬性,融合后的屬性可以展現(xiàn)出更豐富的地質(zhì)信息,提髙解釋精度,顯示出更為清晰、連續(xù)的巷道邊界范圍。

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