基于互相關的隨掘地震超前探測有效信號提取方法研究

李亞豪，程久龍，姜 旭，董 毅

(中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

礦井巷道掘進時經常遇到斷層、陷落柱等地質異常體，這些地質異常體除延緩施工進度外，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方法有地震方法、直流電法、瞬變電磁法、探地雷達法和紅外測溫法等，其中，地震類方法探測距離遠、分辨率高、信息豐富[1]，但常規地震類方法探測時需要暫停掘進作業，且炸藥震源成本高，可能存在安全隱患。隨掘地震超前探測是一種新型礦井巷道地震超前探測方法，該方法以掘進機截割頭切割巖石產生的振動作為震源，對巷道掘進影響極小，具有成本低、施工方便、可實時連續監測等優點。由于礦井掘進巷道空間狹窄、數據采集條件較差，加上隨掘地震超前探測震源與常規震源存在一定的差異，導致了隨掘地震超前探測數據處理與解釋存在很大困難。

20世紀80年代，BUCHANAN等[2]提出利用采煤機切割煤壁產生的振動作為震源，對煤層中的斷層進行探測。此后，許多學者對以采掘機械切割巖石作為震源的探測方法進行了研究。NEIL等[3]以巷道掘進機作為震源，在鉀鹽礦內部進行地震反射試驗，最終在成像疊加結果上看到多條同相軸，但未與實際地層信息進行驗證。LUO等[4]以采煤機作為震源，對采煤工作面前方煤層頂板巖層應力狀況進行研究。陸斌等[5]對采煤機震源信號進行提取，使用地震干涉法進行成像，對工作面地質構造進行探測。覃思等[6-7]對隨采地震反射波勘探進行研究，進行反射波提取試驗，并進行隨采地震井-地聯合超前探測試驗，探測結果與常規炸藥震源地震井-地聯合探測結果相近。近年來有學者[8-11]研究了隨掘地震超前探測震源特征、傳播特征、波場特征以及成像方法，對隨掘地震超前探測的原理和數據處理有了更深的了解。程久龍等[12]通過對隨掘地震超前探測數據中的干擾波成分進行分析，根據干擾波的不同類型使用了不同方法進行去噪，取得了較好的效果。姜旭等[13]進行隨掘地震數值模擬，對模擬數據進行分析并使用τ-p變換處理，去除了直達波與有效信號混疊的干擾。由于礦井掘進巷道空間狹窄、數據采集條件較差，加上隨掘地震超前探測震源與常規震源存在一定的差異，導致了隨掘地震超前探測數據處理與解釋存在很大困難。本文根據隨掘地震超前探測震源是連續的特點，使用互相關方法對模擬數據進行處理，將持續時間較長的信號進行壓縮，增強地震記錄中較弱的反射信號，使用奇異值分解方法進行地震波場分離，降低干擾波影響，提高隨掘地震超前探測效果。

1 隨掘地震超前探測

隨掘地震超前探測以掘進機切割巖石產生的振動作為震源，探測時掘進機正常作業，安全高效，掘進機切割巖石產生的地震波在遇到地震反射界面時，會有一部分能量發生反射，通過在巷道中布置檢波器進行接收，可以獲得含有巷道前方地質信息的地震記錄，如圖1所示。

圖1 隨掘地震超前探測示意圖

Fig.1 Seismic while drilling ahead detection

與常規地震勘探采用的炸藥震源不同，隨掘地震超前探測震源是連續信號，這使得常規的數據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類似，互相關處理技術是連續震源數據處理的核心，通過互相關處理可以將連續的震源信號壓縮成脈沖信號，同時壓制隨機噪聲，得到較好的勘探結果[14]。針對隨掘地震超前探測與隨鉆地震的相似性，提出對隨掘地震超前探測數據進行互相關處理，以壓縮震源信號，提高數據信噪比。

2 理論基礎

2.1 互相關理論

互相關函數是信號處理的一種方法，用來描述兩個信號在時域上的相似性。假設檢波器接收到的地震信號為x1(n),則有式(1)。

x1(n)=s(n+τ1)+f

(1)

式中：s(n)為震源信號；τ1為檢波器與震源位置的相對時差；f為噪聲信號。

將x1(n)和震源信號s(n)作互相關，可得式(2)。

(2)

式中：φ為互相關函數；T為信號長度；τ為兩信號之間的時移。由于s(n)與噪聲f不相關，所以式(2)可以化為式(3)。

(3)

由互相關函數的性質可知，當τ1-τ=0時，φ取得高值，則可以推斷當震源信號與地震道信號的互相關函數取得高值時，此時的時移也即地震道與震源位置的相對時差。

在隨掘地震數據處理中，將距掘進機最近處地震道作為參考信號，將其與地震記錄作互相關處理，互相關結果的高值點即為參考信號與地震記錄相關程度較強的時移位置，從而壓縮連續信號，提高地震數據質量。

2.2 SVD波場分離理論

奇異值分解將包含地震信號和噪聲信息的矩陣分解到一系列正交子空間中，不同地震信號和噪聲對矩陣奇異值的貢獻有別，根據地震波的相干性差異來達到波場分離與去噪[15-16]。

假設二維地震剖面為X，道數為m，采樣點數為n，則有式(4)。

X=UΣVT

(4)

式中：U由XXT的特征值向量構成；V由XTX的特征值向量構成；Σ由奇異值(XXT或XTX的非負平方根)構成。奇異值由大到小排列在矩陣的主對角線上，見式(5)和式(6)。

(5)

E=diag(δ1,δ2,…,δr)

(6)

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

(7)

對于地震數據，如果選用較大的特征值來重構數據即是弱信號與隨機噪聲的消除，也可以通過舍去較大的特征值消除特定的同相軸[16]。

3 數值模擬

建立常見的二維含斷層超前探測地質模型，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，地質模型如圖2所示，各地層參數見表1。

圖2 隨掘地震超前探測地質模型

Fig.2 Geology model of seismic while drilling ahead detection

表1 模型參數表

3.1 連續信號震源

根據上述地質模型，采用交錯網格有限差分法進行地震波場數值模擬。由于隨掘地震超前探測震源具有能量隨機、頻率隨機、連續的特點，使用一組隨機分布的反射系數與200 Hz雷克子波的褶積模擬隨掘地震超前探測震源，長度為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，采樣總時長為0.25 s，地震記錄(垂直速度分量)如圖3所示。

由圖3可知，由于震源為連續信號，會產生持續振動的地震波，因此在地震記錄上各種地震波也會連續出現。 地震記錄上同相軸1的波速約為2 500 m/s，推斷為直達縱波，同相軸2的波速約為1 400 m/s，推斷為連續的直達橫波。直達橫波能量最強，在地震記錄中最為明顯，能量較弱的反射波被直達橫波掩蓋，無法觀察到連續的同相軸。

3.2 雷克子波震源

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

圖3 連續信號震源地震記錄

Fig.3 Seismic record of continuity signals source

圖4 單個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，推斷為直達縱波，同相軸2的波速約為1 400 m/s，推斷為直達橫波，同相軸3的波速約為2 500 m/s，根據同相軸形態推斷為斷層反射縱波，同相軸4的波速約為1 400 m/s，根據同相軸形態推斷為灰巖反射橫波，同相軸5的波速約為1 400 m/s，根據其形態推斷為斷層反射橫波。

綜合圖3和圖4可以看出，在初至橫波到達之前，連續信號震源地震記錄與雷克子波地震記錄幾乎完全相同，但由于連續信號震源的原因，在圖3中會持續出現能量較強的橫波，導致在圖4中能夠觀察到的同相軸3、同相軸4、同相軸5等反射信號在圖3中被直達波掩蓋，難以達到預期的勘探效果。

4 模擬數據處理

使用模擬連續震源信號作為參考信號，與各道數據作互相關，結果如圖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巖反射橫波，即同相軸3與同相軸4。經過互相關處理，較弱的反射信號得到增強，但原始地震記錄中能量較強的直達橫波也得到增強，影響處理效果。為削弱互相關記錄中直達橫波的影響，使用奇異值分解(SVD)進行波場分離，結果如圖6所示。

圖5 互相關記錄

Fig.5 Records of cross-correlation

圖6 SVD分離結果

Fig.6 Results after SVD

經過波場分離，互相關記錄中較強的直達橫波干擾被較好地去除，得到3個較為清晰的同相軸：同相軸1、同相軸3與同相軸4，即直達縱波、斷層反射縱波與灰巖反射橫波，與圖4中單個雷克子波震源模擬結果較為吻合。

通過使用連續震源信號與地震記錄的互相關處理，增強了反射信號，并且壓縮了連續信號，得到與單個雷克子波震源類似的地震記錄，將連續震源勘探問題轉化為類似單炮震源勘探問題進行處理，提高了勘探效果。

5 結 論

1) 隨掘地震超前探測數據中，不同類型的地震波混疊在一起，反映構造信息的反射信號能量較弱，在地震記錄中難以識別。

2) 使用隨掘地震超前探測連續震源信號作為參考信號，對隨掘地震記錄進行互相關處理，能夠增強反射信號。

3) 互相關處理能夠將隨掘地震超前探測的連續信號進行壓縮，使用奇異值分解進行波場分離，得到與子波震源類似的地震記錄，從而將連續震源勘探問題轉化為單炮震源勘探問題。