基于多参数约束和结构校正的随掘巷道全波形反演方法

1.本发明涉及矿山勘探成像技术领域，尤其涉及一种基于多参数约束和结构校正的随掘巷道全波形反演方法，更具体的说是涉及一种基于多参数加权约束与波速剖面空间结构校正的随掘巷道探测弹性波全波形反演方法。


背景技术：

2.作为煤矿生产的两大核心环节之一，掘进智能化发展需求极为迫切，但巷道掘进过程中，煤与瓦斯突出、突水等灾害严重威胁着掘进生产安全和矿工的人身安全。地质保障技术是煤炭智能化生产安全保障的基础，是实现巷道掘进施工前、中、后地质预判、扰动感知与风险评估的基础数据来源，是一切智能掘进关键技术实施的前提保障。
3.但是，目前矿山地震超前探测成像解释结果多为“画弧”，假异常界面较多，成像精度较低(如图1所示)，难以满足巷道智能掘进地质保障需求。
4.全波形反演方法可以充分利用地震波的运动学和动力学特征来获取地下模型参数信息，具有复杂构造成像精度高、物性参数反演效果好等优点，在地表地震勘探中取得了很好的应用效果，是未来矿山地震超前探测成像的最优选择，可以满足巷道智能掘进地质保障需求。但地震超前探测模式与地表探测有所不同，其观测系统限制性较强，仅在掘进迎头后方中心线上布设一系列成线性排列的炮点与检波点，对于掘进前方异常体近似于单偏移距探测，并且，受探测空间限制，布设的炮点与检波点数量有限，因此，该探测模式数据量较少且偏移距偏小，会导致全波形反演的多解性增强，物性参数计算误差增大。
5.因此，如何提供一种适用于矿山随掘巷道探测模式下的高精度全波形反演方法是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种基于多参数约束和结构校正的随掘巷道全波形反演方法，结合多参数加权约束和波速剖面空间结构校正，有效解决巷道超前探测中观测系统限制性较强、探测数据量较少且偏移距偏小、波形反演多解性强的问题，提升反演效果，实现掘进前方异常地质构造高精度成像。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种基于多参数约束和结构校正的随掘巷道全波形反演方法，包括以下步骤：
9.步骤1、输入理论模拟数据或实测常规巷道地震超前数据，构建全波形反演初始模型，再采用多尺度弹性波全波形反演方法对初始模型进行单一尺度反演；
10.步骤2、对步骤1得到的单一尺度反演结果进行多参数加权约束结构校正，得到初步校正结果；
11.步骤3、基于预先设定的限制条件，对初步校正结果进行一维波速剖面空间结构校正和平滑约束，得到二次校正结果；
12.步骤4、将步骤3得到的二次校正结果作为下一尺度的初始模型，继续按照步骤1的
方式进行全波形反演；
13.步骤5、重复执行步骤2～步骤4，直至所有尺度反演完成，得到巷道超前探测弹性波全波形反演结果。
14.进一步的，步骤2中，按照下式进行多参数加权约束结构校正：
[0015][0016]
其中，δm为单次迭代模型更新量；δm
′
为多参数加权结构校正后的模型更新量；m为初始模型；i,j分别表示z,x方向上网格节点的位置；m
i,jp
为纵波速度、横波速度或密度单一参数初始模型i,j网格节点位置的参数数值；nz为模型竖向网格点数，nx为模型横向网格点数；v
p
为纵波速度；vs为横波速度；den为密度。
[0017]
进一步的，步骤3中，预先设定的限制条件为：
[0018]
根据实际需要设置限制条件一，限制条件一以空间校正下限value值为判定依据，将低于空间校正下限value值的模型更新量进行压制，变为0；
[0019]
根据实际需要设置限制条件二，限制条件二以结构校正区域范围以及区域之间距离为判定依据，当模型更新量为负值区域两侧均存在一更新量为正值区域、或者当模型更新量为正值区域两侧均存在一更新量为负值区域，当区域范围以及区域之间距离满足限制条件二时，将负值区域两侧存在的正值区域内或者正值区域两侧存在的负值区域内的模型更新量进行压制，变为原来模型更新数值的1/5。
[0020]
进一步的，步骤3包括：
[0021]
步骤301、选取一个纵轴网格坐标yi，沿巷道轴线提取一维波速剖面其中，x为横轴坐标；
[0022]
步骤302、计算一维波速剖面对应的模型更新量与斜率
[0023]
步骤303、将低于空间校正下限value值的模型更新量进行压制，变为0，得到校正后的模型更新量
[0024]
步骤304、根据校正后的模型更新量按照限制条件二对一维波速剖面上的每个网格点进行逐一判定和校正，得到校正后的模型更新量
[0025]
步骤305、根据校正后的模型更新量与斜率按照斜率符号变化情况对一维波速剖面上的每个网格点进行逐一判定，得到校正后的模型更新量
[0026]
步骤306、根据校正后的模型更新量计算校正后的一维波速剖面
[0027]
步骤307、取下一个纵轴网格坐标y
i 1
，重复步骤302～步骤306，直至完成所有网格一维波速剖面的校正，得到一维波速剖面空间结构校正与平滑约束后的二次校正结果。
[0028]
进一步的，步骤305包括：
[0029]
当斜率符号发生变化的相邻三个点之间存在两个模型更新量为零的点，该两个点
前后网格点模型更新量符号发生变化，且该两个点之间没有斜率为0的点，则对斜率符号发生变化的相邻三个点之间区域内的网格点的模型更新量进行校正，变为第一个斜率符号变化点与第三个斜率符号变化点两点模型更新量的平均值，得到校正后的模型更新量
[0030]
再根据校正后的模型更新量继续校正，当斜率符号发生变化的不相邻的两个点之间范围内所有网格点模型更新量符号未发生改变，则对两个斜率符号变化点之间区域内的网格点的模型更新量进行校正，变为区域内所有网格点模型更新量的平均值，得到校正后的模型更新量
[0031]
进一步的，步骤5中的反演结果包括：纵波反演结果、横波反演结果和密度反演结果。
[0032]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于多参数约束和结构校正的随掘巷道全波形反演方法，具有以下有益效果：
[0033]
(1)本发明采用的是弹性波全波形反演方法，利用的是观测记录中的纵波速度、横波速度及密度参数，可得到比声波全波形反演更为准确的地下介质信息。
[0034]
(2)本发明通过对单一尺度下的反演结果进行多参数加权约束结构校正和一维波速剖面空间结构校正和平滑约束，进行了两次校正，实现了巷道掘进前方异常地质构造的高精度成像，成像结果可以准确判断地质异常体的位置和产状，并填补了矿山超前探测领域全波形反演技术空白。
[0035]
(3)本发明反演策略不仅为下一尺度反演提供了精度更高的初始模型，同时也避免了多次迭代假异常过度加重的问题，假异常被结构校正消除后，约束了全波形反演的方向。
[0036]
(4)本发明基本解决了巷道超前探测中探测数据量较少且偏移距偏小、波形反演多解性强的问题，提升了反演效果，全波形反演精度提升了20％左右。
[0037]
(5)本发明在提高反演精度的同时，不会造成全波形反演计算量的增加。
附图说明
[0038]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0039]
图1为本发明提供的常规矿山地震超前探测成像结果；
[0040]
图2为本发明提供的随掘巷道探测弹性波全波形反演方法的流程图；
[0041]
图3为本发明提供的一维波速剖面模型更新量和斜率变化判定示意图；
[0042]
图4为本发明提供的初始模型的结构示意图；
[0043]
图5为本发明提供的复杂超前地质理论模型；
[0044]
图6为本发明提供的采用本发明方法得到的反演结果；
[0045]
图7为本发明提供的采用常规时间域多尺度弹性波全波形反演结果。
具体实施方式
[0046]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]
如图2所示，本发明实施例公开了一种基于多参数约束和结构校正的随掘巷道全波形反演方法，包括以下步骤：
[0048]
步骤1、输入理论模拟数据或实测常规巷道地震超前探测数据，构建全波形反演初始模型(如图4所示)，再采用多尺度弹性波全波形反演方法对初始模型进行单一尺度反演；反演包括三组参数，即纵波速度模型、横波速度模型和密度模型。
[0049]
步骤2、对步骤1得到的单一尺度反演结果进行多参数加权约束结构校正，得到初步校正结果；
[0050]
步骤3、基于预先设定的限制条件，对初步校正结果进行一维波速剖面空间结构校正和平滑约束，得到二次校正结果；
[0051]
步骤4、将步骤3得到的二次校正结果作为下一尺度的初始模型，继续按照步骤1的方式进行全波形反演；
[0052]
步骤5、重复执行步骤2～步骤4，直至所有尺度反演完成，得到巷道超前探测弹性波全波形反演结果。反演结果包括：纵波反演结果、横波反演结果和密度反演结果。
[0053]
本发明中，震源分布在煤层中部，多个水平分量和垂直分量检波器与震源成线性排列同样分布在煤层中部接收地震信号，按照均匀层状煤系地层介质情况设置反演初始模型。
[0054]
由于巷道超前探测特殊的观测系统条件，常规时间域多尺度弹性波全波形反演方法多解性问题增强，很难从数据角度进一步改善反演精度。本发明从模型结构出发，发现了巷道超前探测全波形反演结果中地质异常体暗含的特殊结构特征，并根据结构特征构建校正项，约束全波形反演的方向，得到了满足预设结构特征的反演结果，提高了反演效果。
[0055]
发现的巷道超前探测弹性波全波形反演结果中地质异常体暗含的特殊结构特征为：
[0056]
(1)对于异常地质构造的恢复，密度参数的反演效果最好，而纵横波参数中假异常与扰动干扰压制效果更好；
[0057]
(2)纵、横波以及密度虽然在物性参数上具有较大的差异，但它们具有相同的地质结构特征；
[0058]
(3)异常地质构造两侧边界附近均存在与自身属性特征相反的假异常区域；
[0059]
(4)垂直方向网格点横向速度-深度曲线中存在“w”或“m”型异常特征，且该“w”或“m”区域中间范围模型更新符号与两侧范围模型更新符号相反；
[0060]
(5)体积较大构造内部垂直方向网格点横向速度-深度曲线存在“波浪线”特征，且该“波浪线”涉及范围内模型更新符号一致。
[0061]
基于发现的上述特征，本发明引入了多参数加权约束和一维波速剖面空间结构校正对反演结果进行多次校正，能够有效解决巷道超前探测中探测数据量较少且偏移距偏小、波形反演多解性强的问题，提升反演效果，实现掘进前方异常地质构造高精度成像。
[0062]
下面，对步骤2和步骤3的校正方式进行详细说明。
[0063]
在一个具体实施例中，步骤2中，按照下式进行多参数加权约束结构校正：
[0064][0065]
其中，δm为单次迭代模型更新量(即本次迭代与上一次迭代模型之间的变化量)；δm
′
为多参数加权结构校正后的模型更新量；m为初始模型；i,j分别表示z,x方向上网格节点的位置；m
i,jp
为纵波速度、横波速度或密度单一参数初始模型i,j网格节点位置的参数数值；nz为模型竖向网格点数，nx为模型横向网格点数；v
p
为纵波速度；vs为横波速度；den为密度
[0066]
在一个具体实施例中，步骤3中，预先设定的限制条件为：
[0067]
限制条件一，限制条件一以空间校正下限value值为判定依据，将低于空间校正下限value值的模型更新量进行压制，变为0；实际应用时，根据数据处理效果进行自主设定，一般通过正式反演前的实验确定。例如，将该值设定为小于初始模型参数的5％。
[0068]
限制条件二，限制条件二以结构校正区域范围以及区域之间距离为判定依据，当模型更新量为负值区域两侧均存在一更新量为正值区域、或者当模型更新量为正值区域两侧均存在一更新量为负值区域，当区域范围以及区域之间距离满足限制条件二时，将负值区域两侧存在的正值区域内或者正值区域两侧存在的负值区域内的模型更新量进行压制，变为原来模型更新数值的1/5。
[0069]
其中，“区域之间距离”是指：当“负值区域两侧均存在一更新量为正值区域”时，单侧“正值区域”距离中间“负值区域”的距离；或者是：“更新量为正值区域两侧均存在一更新量为负值区域”时，单侧“负值区域”距离中间“正值区域”的距离。
[0070]“区域范围”是指：“负值区域两侧均存在一更新量为正值区域”时，单侧“正值区域”的范围大小，或者是：“更新量为正值区域两侧均存在一更新量为负值区域”时，单侧“负值区域”的范围大小。
[0071]
区域范围以及区域之间距离一般通过正式反演前的实验确定。例如：“区域范围：“负值区域两侧均存在一更新量为正值区域”时，单侧“正值区域”的范围大小不能小于中间“正值区域”范围的1/2。
[0072]“区域之间距离”：当“负值区域两侧均存在一更新量为正值区域”时，单侧“正值区域”距离中间“负值区域”的距离不能大于中间“负值区域”的大小。
[0073]
具体的，步骤3包括：
[0074]
步骤301、选取一个纵轴网格坐标yi，沿巷道轴线提取一维波速剖面其中，x为横轴坐标；
[0075]
步骤302、计算一维波速剖面对应的模型更新量与斜率
[0076]
其中，模型更新量：其中，模型更新量：为第e次迭代时的一维波速剖
面，为第e-1次迭代时的一维波速剖面。
[0077]
斜率：斜率：为一维波速剖面横向第j个网格点的数值，为一维波速剖面横向第j-1个网格点的数值，dx为模型横向网格间距。
[0078]
步骤303、将低于空间校正下限value值的模型更新量进行压制，变为0，得到校正后的模型更新量
[0079]
步骤304、根据校正后的模型更新量按照限制条件二对一维波速剖面上的每个网格点进行逐一判定和校正，得到校正后的模型更新量
[0080]
步骤305、根据校正后的模型更新量与斜率按照斜率符号变化情况对一维波速剖面上的每个网格点进行逐一判定，得到校正后的模型更新量
[0081]
当斜率符号发生变化的相邻三个点之间存在两个模型更新量为零的点(如图3所示)，该两个点前后网格点模型更新量符号发生变化，且该两个点之间没有斜率为0的点，则对斜率符号发生变化的相邻三个点之间区域内的网格点的模型更新量进行校正，变为第一个斜率符号变化点与第三个斜率符号变化点两点模型更新量的平均值，得到校正后的模型更新量
[0082]
再根据校正后的模型更新量继续校正，当斜率符号发生变化的不相邻的两个点之间范围内所有网格点模型更新量符号未发生改变，则对两个斜率符号变化点之间区域内的网格点的模型更新量进行校正，变为区域内所有网格点模型更新量的平均值，得到校正后的模型更新量
[0083]
为控制校正范围，需按照设定的区域范围限值进行搜索判定。也就是说控制最大校正范围，比如设置为10个网格点，“按照设定的区域范围限值进行搜索判定”就是按照10个网格点为一个轮次依次搜索。
[0084]
步骤306、根据校正后的模型更新量计算校正后的一维波速剖面
[0085]
步骤307、取下一个纵轴网格坐标y
i 1
，重复步骤302～步骤306，直至完成所有网格一维波速剖面的校正，得到一维波速剖面空间结构校正与平滑约束后的二次校正结果。
[0086]
为了进一步验证本发明基于多参数加权约束与波速剖面空间结构校正的随掘巷道探测弹性波全波形反演方法的有效性与高效性，将本发明提出的方案用于复杂超前地质理论模型中(图5)，得到反演结果如图6所示。
[0087]
将以常规时间域多尺度弹性波全波形反演结果(如图7所示)为对比研究对象，对比图6与图7可以看出，本发明得到的全波形反演结果更接近真实模型。反演结果中陷落柱与断层破碎带构造两侧边界清晰且构造内部参数恢复较好，而且小尺寸断层岩性分界面也有恢复和显现；最明显的是结果中的假异常与扰动干扰基本压制完全，反演精度得到了大幅度的提高。对比反演结果与真实模型的数值差异程度，全波形反演精度提升了20％左右。
[0088]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置
而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0089]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。