觀測系統對回采工作面地震CT成像質量影響規律研究

王書文 馮美華

(1. 煤炭科學研究總院開采研究分院，北京市朝陽區，100013； 2.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京市朝陽區，100013)

★ 煤炭科技·地質與勘探★

觀測系統對回采工作面地震CT成像質量影響規律研究

王書文1,2馮美華1，2

(1. 煤炭科學研究總院開采研究分院，北京市朝陽區，100013； 2.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京市朝陽區，100013)

為探索觀測系統對回采工作面地震CT成像質量的影響規律，建立了7種回采工作面地震CT探測波速異常區數值模擬模型，利用正演獲取的地震波場數據進行反演計算，將獲取的反演結果與模型對比分析。提出了利用真異常可區分度γ、假異常單元數e及真異常值誤差率d評價成像質量的方法。基于數值模擬提出了提高成像質量的觀測系統布置原則及方法。研究成果可為回采工作面地震CT探測方案設計及誤差分析提供依據。

地震CT 觀測系統 成像質量 誤差分析 數值模擬

地震CT技術(地震計算機輔助層析成像技術)以地質體本身作為主要研究對象，通過地震波穿越該介質時的走時或能量變化，獲得介質內部地震波速或地震波衰減系數分布圖像，根據該圖像信息與地質體應力及結構特征的對應關系，識別探測區域內相關特性的分布規律。地震CT自20世紀80年代初進入地學研究領域以來，廣泛應用于地球內部結構成像，石油、金屬礦產、地熱等資源勘探以及土木建筑、災害防治等領域。近年來，該技術在煤礦領域的應用日益廣泛，主要用于探測煤巖層內部地質構造、應力異常分布等，尤其在回采工作面沖擊地壓危險源探測方面取得顯著進展。

目前，地震CT很難達到醫學CT的精度，這與礦山井下實際條件導致觀測系統布置受限密切相關。在設計觀測系統時，需綜合考慮現場回采工作面傾向長度、可利用巷道數量及方位、設備探測通道數量、現場施工條件等因素。充分掌握不同觀測系統對反演成像的影響特征和程度，才能夠積極利用有限的條件，設計出現場允許的最佳觀測系統，而利用地震波場數值模擬是實現以上目標的有效方法。本文采用有限差分算法，建立回采工作面地震CT探測正演模型，變換觀測系統并進行反演成像，分析回采工作面常見觀測系統對成像質量的影響規律，以期為現場地震CT探測方案設計提供依據。

1 模擬方法及評價指標

采用聲波方程正演模擬煤巖層結構地震波場演化特征，利用獲取的地震波場數據進行反演計算，將獲取的反演結果與正演模型對比，即可判斷反演成像的質量。改變正演模型中觀測系統的布置方法，對比分析觀測系統對反演結果的影響。為定量化評價成像質量，設計3個評價指標。

(1)真異常可區分度γ。為考察模型中設置的異常區域是否能在反演圖像被顯著的區分開來，引入真異常可區分度γ，用于表征反演圖像異常區可被區分的程度：

(1)

式中：m——異常區內待比較的單元個數；

n——背景區內待比較的單元個數；

vA0——模型中異常區波速，m/ms；

vAi——反演結果中異常區波速，m/ms；

v0——模型中背景波速，m/ms；

vj——反演結果中背景波速，m/ms。

γ越大，表明可區分度越好，反之亦然。對于模擬中的正演模型，背景值與異常值之差為0.5 m/ms，因此式(1)可簡化為：

(2)

(2)假異常單元數e。用于考察模型中設置的背景區域內是否出現顯著的假異常。為量化假異常程度，可利用上述可區分度γ，若待比較區域的可區分度大于0.3，則認為反演圖像中形成假異常，然后統計所有假異常單元數e。

(3)真異常值誤差率d。由于反演誤差的存在，反演圖像異常區波速與模型異常區波速不完全一致，有必要對反演波速偏離模型波速的程度進行評價，真異常值誤差率d用下式表示：

(3)

2 觀測系統對地震CT成像質量的影響規律

2.1 走向排列長度對成像質量的影響

為研究工作面地震CT探測時走向排列長度對成像質量的影響，建立了4個回采工作面內異常體正演模型，模型異常區波速vA0=2.0 m/ms，模型背景波速v0=1.5 m/ms。模型尺寸及觀測系統參數如表1、圖1所示。不同模型反演結果見圖2～圖5。

利用構建的評價指標對不同模型反演結果進行評價，結果如表2所示。

模型編號評價指標γ走向傾向ed/%走向傾向單元大小/m模型一09504750506110×10模型二07504917686015×15模型三07105314806620×20模型四0690548775525×25

由圖2可以看出，模型一中走向排列長度為300 m，反演圖像異常區在走向上的邊界可清晰分辨，與模型異常區邊界吻合性較好，而傾向邊界分辨效果差。同時，在反演圖像出現了模型中未設置的假異常現象，主要分布在圖像的四角，經統計假異常單元共有30個，對真異常區的辨識造成較大干擾。

模型二中走向排列長度為450 m，反演圖像異常區在走向上和傾向上的邊界均可清晰分辨，總體輪廓大致為模型中的矩形，異常區走向分辨率優于傾向分辨率。走向上的邊界可分辨性變差，而傾向邊界可分辨性略優。與模型一相比，模型二在反演圖像的四角未顯著出現假異常現象，但在異常區傾向兩端有17個單元出現假異常。

模型三中走向排列長度為600 m，反演圖像異常區在走向上和傾向上的邊界仍可分辨。但由于圖像離散單元擴大至20 m×20 m，異常區邊角的分辨率有所降低，反演后異常區總體輪廓趨于橢圓形。

模型四中走向排列長度為750 m，圖像離散單元擴大至25 m×25 m，異常區邊角更加模糊，反演后異常區總體輪廓趨于橢圓形。

可見，對于固定斜長回采工作面，走向測線長度對反演圖像的精度影響顯著，令走向測線長度與工作面斜長比值為p，進而得出p與γ的關系曲線，如圖3所示。

圖3 不同p值條件下反演結果真異常可區分度

綜合分析圖3可得出以下規律：

(1)僅在工作面兩巷布置測線時，反演圖像中異常體沿走向的分辨率顯著優于沿傾向的分辨率。

(2)走向測線長度與工作面斜長比值p越大，反演圖像中異常體沿走向可區分度越低，而傾向可區分度越高。隨著p的增大，該變化趨于緩和。

(3)假異常單元數e隨著p增大而減小；當p值等于1時，假異常主要分布在反演區的四角；隨著p的增大，假異常向真異常區周邊集中，以傾向兩端為主。

(4)反演圖像真異常值與模型異常值差異較小，當1≤p≤2.5時，真異常值誤差率均保持在8%之內。

(5)p值越大，探測面積越大，而總的地震數據量未變，導致單位面積數據覆蓋次數降低，離散圖像反演時則需選用更大尺寸的單元，因此，成像的分辨率逐漸降低，在邊角位置最為顯著。

2.2 非完全觀測系統對成像質量的影響

回采工作面地震CT探測時，由于巷道的限制，往往只能布置非完全觀測系統，對成像結果造成一定影響。為研究回采工作面常見類型的非完全觀測系統對成像結果的影響特征，建立了回采工作面常見觀測系統正演模型，模型參數如表3所示，模型大小及異常區參數與前文中模型一相同。

模型五模擬了在軌道巷和工作面均布置激發炮的情形，模型及反演結果如圖4所示。模型六中工作面前方存在可布置檢波器的聯絡巷，從而形成軌道巷激發，運輸巷接收；工作面激發，聯絡巷接收，實現了完全觀測系統布置，數值模型及反演結果如圖5所示。

表3 回采工作面常見觀測系統正演模型參數

圖4 模型五數值模擬模型及反演結果

模型一、五、六反演結果的相關評價指標見表4，3種模型真異常可區分度變化曲線如圖6所示。

表4 模型一、五、六反演結果評價指標

以上3種模型中，模型六為完全觀測系統，可實現射線的全方位透射，數據投影角度完全，射線覆蓋密度大，數據投影均勻度高。模型一和模型五均屬于非完全觀測系統，射線角度不完全。由于模型五在工作面設置了激發點，因此其射線正交性要優于模型一。由表4和圖6得出以下規律：

(1)完全觀測系統條件下，異常區沿走向和傾向的區分度均較高，與正演模型區分度接近，且反演區域內未出現假異常現象。

(2)與完全觀測系統相比，不同形式的非完全觀測系統條件下，成像質量不同程度的降低。從真異常可區分度及假異常單元數指標來看，兩側激發效果均要顯著優于單側激發。

(3)綜合考慮各評價指標，工作面及單側巷道組成的“L”型激發測線能夠滿足探測需求，且相對完全觀測系統而言，現場可操作性更強。

圖5 模型六數值模擬模型及反演結果

圖6 不同觀測系統反演結果真異常可區分度及假異常單元數量

2.3 “缺炮”對成像質量的影響

回采工作面開展地震CT探測時，時常出現“缺炮”現象，導致部分區域未能有效激發設計震源，或激發后的震波未被檢波器接收，從而導致部分區域數據缺失。為揭示“缺炮”對最終成像效果影響規律，建立正演模型七。與模型五類似，模型七觀測系統采用軌道巷及工作面兩側激發，運輸巷31道接收，道間距10 m；軌道巷25炮激發，炮間距10 m，但軌道巷側第7～12炮缺失；工作面14炮激發，炮間距20 m。模型七計算模型及反演結果如圖7所示。

圖7 模型七數值模擬模型及反演結果

表5為模型五、七反演結果的相關評價指標。

表5 模型五、七反演結果評價指標

由圖7和表5可得：

(1)“缺炮”將導致反演結果中真異常可區分度整體顯著下降，假異常單元數量顯著增加，真異常值誤差率增大。

(2)“缺炮”導致相應區域出現射線盲區，盲區附近假異常現象顯著。另外，在遠離盲區的位置亦可能引起假異常。可見，局部的“缺炮”將對模型全局反演質量造成不利影響。

3 回采工作面地震CT探測觀測系統布置原則及方法

投影數據的質量直接影響著反演成像的可靠性。評價區域內投影數據的質量主要從數據覆蓋密度、覆蓋均勻度和投影角度等方面考量，一般而言，數據密度和投影角度越大，數據覆蓋越均勻，則對成像越有利。

(1)兩巷道觀測布置時，應擴大排列長度與工作面斜長的比值。受采煤工作面現場條件的限制，部分探測項目只能在工作面兩巷布置測線，共炮點射線最大覆蓋角度隨著走向測線與工作面斜長比值p的增大而增大，如圖8、9所示。隨著p增大，目標異常體的總體分辨率較好，尤其可以提高傾向上的分辨率。

圖8 共炮點射線覆蓋角度示意圖

數據的投影方向決定了地震CT成像在各方向的分辨率，當在工作面兩巷分別布置震源和檢波點時，若投影角度較小，使得目標異常體沿工作面走向的分辨率較好，而沿傾向分辨率較差。因此，在條件允許時，應盡量增大p值，該原則對工作面沿近走向隱伏斷層的反演成像有重要的影響。

圖9 共炮點射線覆蓋角度隨排列長度與工作面斜長比值的變化曲線

(2)充分利用切眼、工作面或聯絡巷，提高射線正交性。除了在巷道內布置激發炮外，在條件允許時，可在切眼、聯絡巷或工作面補充若干激發炮，不但可以提高真異常分辨率，而且削弱了假異常的干擾程度，顯著改善成像質量。此外，該措施對成像質量的優化效率顯著高于提高p值的方式，主要因為其對射線正交性的充分改善。

(3)對于大斜長工作面，以子觀測系統聯合布置代替獨立布置。對大斜長工作面開展地震CT探測時，在總工程量未增加的前提下，將子觀測系統進行交差聯合布置以代替獨立布置，可以顯著提高射線正交性和射線均勻度，從而有效提高反演成像質量。

(4)縮小“盲區”，控制“瞎炮”，提高射線覆蓋均勻度。在CT反演中，如果對數據的不均勻覆蓋問題不進行處理，則會以一種不均勻且不可預測的方式使反演結果發生畸變。

4 結論

(1)建立了7種回采工作面地震CT探測異常區數值模擬模型，并進行反演成像。提出了利用真異常可區分度γ、假異常單元數e及真異常值誤差率d評價成像質量的方法。

(2)對于固定斜長回采工作面，走向排列長度與工作面斜長比值越大，反演圖像中異常體沿走向可區分度越低，而傾向可區分度越高。

(3)相對完全觀測系統，非完全觀測系統條件下的反演圖像真異常可區分度降低，且有假異常的出現。工作面及單側巷道組成的“L”型激發測線基本滿足成像要求。

(4)“缺炮”導致射線盲區出現顯著假異常，可對模型全局反演質量造成不利影響

(5)基于數值模擬結論，提出了提高成像質量的觀測系統布置原則及方法。

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StudyontheinfluenceofobservationsystemonworkingfaceseismicCTimagingquality

Wang Shuwen1,2, Feng Meihua1,2

(1. Coal Mining Research Branch of China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China; 2.Coal Mining & Designing Department, Tiandi Science & Technology Co. Ltd., Chaoyang, Beijing 100013, China)

In order to explore the influence of observation system on working face seismic CT imaging quality, seven kinds of numerical simulation model of seismic CT detection at working face were established, and back calculation was carried out by using seismic wave data of forward modeling, and the inversion results were analyzed by comparing to modeling. Based on the analysis results, the evaluation method of imaging quality was put forward by using the true anomaly distinguishing degreeγ, the false abnormal unit numbereand the true anomaly error rated. According to the numerical simulation, the layout principle and method of observation system with improved imaging quality were put forward, and the study achievement could provide the basis for the schematic design and error analysis of the working face seismic CT detection.

seismic CT, observation system, imaging quality, error analysis, numerical simulation

國家重點研發計劃資助項目(2017YFC0804204、2016YFC0801402)

王書文，馮美華. 觀測系統對回采工作面地震CT成像質量影響規律研究[J]. 中國煤炭，2017，43(10)：33-38，59.

Wang Shuwen, Feng Meihua. Study on the influence of observation system on working face seismic CT imaging quality[J]. China Coal, 2017, 43(10):33-38，59.

P631.4

A

王書文(1983-)，男，山東魚臺人，助理研究員，博士研究生, 從事煤礦沖擊地壓研究。

(責任編輯 郭東芝)