一种基于透射槽波相邻道质心频率的层析成像方法

1.本发明涉及一种地震层析成像的方法，具体是一种基于透射槽波相邻道质心频率的层析成像方法。


背景技术：

2.近年来煤炭工业智能无人化开采成绩显著，然而我国煤炭开采条件复杂，亟需查明和重构煤炭开采透明化地质条件。煤层开采过程中存在很多影响安全生产的小型地质构造(小断层和陷落柱等)，槽波勘探是小构造探测的有效手段之一(如图1所示)。目前槽波勘探主要是利用煤层工作面地质异常体对透射槽波能量衰减的影响，但槽波信号采集过程中由于检波器耦合等因素，一般都存在较严重的噪声干扰，实测信号的保幅性较低。该现象会造成槽波信号的能量差异过大，降低直接利用槽波能量进行成像的适用性，因此需开发一种稳定性更高、适用性更强的数据处理方法。目前利用槽波频率域特征成像是一种比较好的槽波数据处理思路。
3.槽波频率域特征成像采用质心频率偏移法，其主要原理是利用地震信号频谱高低频能量的统计学关系，因此受噪声和检波器耦合因素的干扰较小，具有更好的稳定性。现有关于质心频率偏移法的计算过程中是给予fs一个经验值，但由于在透射槽波勘探中并不采集震源信号，进而槽波震源的频率期望fs无法准确计算，仅能凭经验赋值。同时，该方法面临着fs估算困难且无法兼顾不同震源之间的差异性，最终导致求取的煤槽频移特征只能是一个相对值。因此如何能避免震源频率fs由于人为选择不当对成像结果造成的影响，从而能高精度的对煤层工作面进行层析成像，是本行业的研究方向之一。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于透射槽波相邻道质心频率的层析成像方法，无需确定fs值，避免震源频率fs由于人为选择不当对成像结果造成的影响，从而能高精度的对煤层工作面进行层析成像。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于透射槽波相邻道质心频率的层析成像方法，具体步骤为：
6.a、采集透射槽波信号及形成多个共炮点道集：在煤层工作面一侧的巷道侧壁呈一排等间隔设置多个震源点、另一侧的巷道侧壁呈一排等间隔设置多个检波器，且多个震源点与多个检波器均处于同一水平面，多个检波器均与地震仪连接，形成煤层透射槽波勘探观测系统；从各个震源点依次向煤层发射透射槽波信号，各个震源点的透射槽波信号经过煤层透射后被各个检波器接收，地震仪将各个检波器接收的多道透射槽波信号，按照多个检波器各自接收同一震源点的透射槽波信号形成一个共炮点道集，从而每个震源点均形成一个共炮点道集；
7.b、对各个检波器接收的各道透射槽波信号进行质心频率提取：根据地震信号的振幅-频率谱的统计学关系，将每个检波器获取的各个震源激发的各道透射槽波信号的质心
频率提取，得到每道透射槽波信号的质心频率；
8.c、根据每道透射槽波信号的质心频率计算其相邻道质心频率的衰减参数：该步骤是在求取每道槽波信号质心频率的基础上，进行相邻道质心频率的计算获取衰减参数，该步骤算法可准确估算槽波质心频率的衰减变化，且克服了震源差异性和fs人为选择不当对成像结果造成的影响等情况，相邻道质心频率的衰减参数计算过程为：先选择一个震源点，然后确定距离该震源点最短的检波器为起始检波器，将该检波器接收该震源点激发的透射槽波质心频率设定为初始值，起始检波器两侧距离该检波器最近的检波器获取的同一震源点激发的透射槽波质心频率分别与初始值进行相邻道计算，具体为：
9.a)已知透射槽波频率的衰减传播距离呈线性关系，有：
[0010][0011]
式中：fs、分别为震源点激发出透射槽波信号的质心频率，方差；αo为槽波频率衰减系数；fr为检波器接收该震源点的单道透射槽波信号的质心频率；
[0012]
b)根据公式(2)假定为定值，则式(2)能简化为：
[0013]
kα0lr＝f
s-frꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0014]
其中lr为每个检波器到震源点的传播距离；
[0015]
c)根据公式(3)，有每个检波器的共炮点道集中第i道的结果：
[0016]
kα0li＝f
s-fi,i＝1,2,.....,n
[0017]
在透射槽波勘探观测系统中，相邻道传播路径相近，因此设定这两条传播路径中的槽波质心频率衰减系数相同，则有：
[0018]
kαi(l
i 1-li)＝(f
s-f
i 1
)-(f
s-fi)＝f
i-f
i 1
[0019]
然后，根据上式求取每个震源点被各个检波器接收到的透射槽波信号的质心频率fi和传播距离li，并将计算得到的频率衰减系数kαi定义为第i条传播路径上的结果，即
[0020][0021]
式中：mi为每个共炮点道集中第i道槽波质心频率的衰减参数，此参数与传播路径和频率衰减系数呈线性关系且参数由共炮点道集的相邻道槽波信号计算得到；
[0022]
根据上式，能获得各个震源点激发的每道透射槽波信号相邻道的槽波质心频率的衰减参数；
[0023]
d、根据获取的数据进行层析成像：采用层析成像技术，将步骤c获取的各个相邻道质心频率的衰减参数进行反演并估算出煤层工作面内m值的分布情况，从而实现对探测区域的地质成像。
[0024]
进一步，所述步骤b中每道透射槽波信号的质心频率的求取方法为：
[0025]
①
设透射槽波的时间信号为a(ti)，i＝1,....,n为采样点数，采样间隔为δt，采样时间t＝δt*(n-1)；
[0026]
②
透射槽波信号经过fft变换，得到频率-振幅谱r(fj)，
[0027][0028]
式中，fr为单道透射槽波信号的质心频率；
[0029]
通过上式，能得出各个检波器中每道透射槽波信号。
[0030]
进一步，所述步骤d中反演计算时采用离散图像的重建技术，其表达式为
[0031][0032]
式中，δfi为透射槽波的总频移量；m为对应网格内的频移量；d
ij
为第i条射线上第j个网格中射线的长度；n为射线总数；k为网格数；此时能在探测区域建立一个网格矩阵a(n
×
k)，进而形成如下矩阵方程：
[0033]
m＝aδf-1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0034]
对公式(6)的系数矩阵进行求解，即能得到探测区域内的煤层m值的分布信息。
[0035]
与现有技术相比，本发明先根据地震信号振幅-频率谱的统计学规律，求取槽波信号的质心频率，再通过相邻道质心频率的算法得到质心频率变化特征，其中计算质心频率的算法与原有槽波信号的质心频率相结合，可准确估算槽波质心频率的衰减变化，并且在计算过程中无需确定各个震源点的fs值，从而克服了震源差异性和fs人为选择不当对成像结果造成的影响等情况，接着根据槽波质心频率的衰减变化规律进行线性层析成像，得到槽波质心频率的频移量m在煤层工作面内的分布，通过其分布能确定在探测区域内是否存在地质构造，若存在能高精度的确定其位置。
附图说明
[0036]
图1是本发明中透射槽波勘探观测系统的探测示意图；
[0037]
图2是本发明中透射槽波质心频率的衰减规律图；
[0038]
图3是本发明的层析成像结果图。
具体实施方式
[0039]
下面将对本发明作进一步说明。
[0040]
实施例：采用本发明的方法在某煤矿工作面进行实际探测，具体步骤为：
[0041]
a、采集透射槽波信号及形成多个共炮点道集：在煤层工作面一侧的巷道侧壁呈一排等间隔10m设置多个震源点、另一侧的巷道侧壁呈一排等间隔10m设置多个检波器，且多个震源点与多个检波器均处于同一水平面，多个检波器均与地震仪连接，形成煤层透射槽波勘探观测系统；从各个震源点依次向煤层发射透射槽波信号，各个震源点的透射槽波信号经过煤层透射后被各个检波器接收，地震仪将各个检波器接收的多道透射槽波信号，按照多个检波器各自接收同一震源点的透射槽波信号形成一个共炮点道集，从而每个震源点均形成一个共炮点道集，如图1所示；
[0042]
b、对各个检波器接收的各道透射槽波信号进行质心频率提取：根据地震信号的振幅-频率谱的统计学关系，将每个检波器获取的各个震源激发的各道透射槽波信号的质心
频率提取，得到每道透射槽波信号的质心频率；其中每道透射槽波信号的质心频率的求取方法为：
[0043]
①
设透射槽波的时间信号为a(ti)，i＝1,....,n为采样点数，采样间隔为δt，采样时间t＝δt*(n-1)；
[0044]
②
透射槽波信号经过fft变换，得到频率-振幅谱r(fj)，
[0045][0046]
式中，fr为单道透射槽波信号的质心频率；
[0047]
通过上式，能得出各个检波器中每道透射槽波信号。
[0048]
c、根据每道透射槽波信号的质心频率计算其相邻道质心频率的衰减参数：该步骤是在求取每道槽波信号质心频率的基础上，进行相邻道质心频率的计算获取衰减参数，该步骤算法可准确估算槽波质心频率的衰减变化，且克服了震源差异性和fs人为选择不当对成像结果造成的影响等情况，相邻道质心频率的衰减参数计算过程为：先选择一个震源点，然后确定距离该震源点最短的检波器为起始检波器，将该检波器接收该震源点激发的透射槽波质心频率设定为初始值，起始检波器两侧距离该检波器最近的检波器获取的同一震源点激发的透射槽波质心频率分别与初始值进行相邻道计算，具体为：
[0049]
a)已知透射槽波频率的衰减传播距离呈线性关系，有：
[0050][0051]
式中：fs、分别为震源点激发时透射槽波信号的质心频率，方差；αo为槽波频率衰减系数；fr为检波器接收该震源点的单道透射槽波信号的质心频率；
[0052]
b)根据公式(2)假定为定值，则式(2)能简化为：
[0053]
kα0lr＝f
s-frꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0054]
其中lr为每个检波器到震源点的传播距离；
[0055]
c)根据公式(3)，有每个检波器的共炮点道集中第i道的结果：
[0056]
kα0li＝f
s-fi,i＝1,2,.....,n
[0057]
在透射槽波勘探观测系统中，相邻道传播路径相近，因此设定这两条传播路径中的槽波质心频率衰减系数相同，则有：
[0058]
kαi(l
i 1-li)＝(f
s-f
i 1
)-(f
s-fi)＝f
i-f
i 1
[0059]
然后，根据上式求取每个震源点被各个检波器接收到的透射槽波信号的质心频率fi和传播距离li，并将计算得到的频率衰减系数kαi定义为第i条传播路径上的结果，即
[0060][0061]
式中：mi为每个共炮点道集中第i道槽波质心频率的衰减参数，此参数与传播路径和频率衰减系数呈线性关系且参数由共炮点道集的相邻道槽波信号计算得到；
[0062]
根据上式，能获得各个震源点激发的每道透射槽波信号相邻道的槽波质心频率的衰减参数，如图2所示；
[0063]
d、根据获取的数据进行层析成像：采用层析成像技术，将步骤c获取的各个相邻道质心频率的衰减参数进行反演并估算出煤层工作面内m值的分布情况，从而实现对探测区域的地质成像；其中反演计算时采用离散图像的重建技术，其表达式为
[0064][0065]
式中，δfi为透射槽波的总频移量；m为对应网格内的频移量；d
ij
为第i条射线上第j个网格中射线的长度；n为射线总数；k为网格数；此时能在探测区域建立一个网格矩阵a(n
×
k)，进而形成如下矩阵方程：
[0066]
m＝aδf-1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0067]
对公式(6)的系数矩阵进行求解，即能得到探测区域内的煤层m值的分布信息，如图3所示。
[0068]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。