基于地震槽波全波形反演的煤矿井下构造成像方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于地震槽波全波形反演的煤矿井下小构造成像方法及系统，将地震弹性波全波形反演技术应用于煤矿井下回采工作面的地震槽波探测中，设计了一种新的算法，利用了观测到的地震弹性波的运动学和动力学信息，可精确成像煤层中一些小的、复杂的构造和地质异常体，可为割煤机回采工作的设计和煤矿开发中的安全提供更多的技术保障。本发明专利技术的核心内容是时间域多尺度地震槽波全波形反演算法，主要工作流程为：回采工作面地震数据采集，地震数据的振幅平衡和恢复处理，以及滤波处理等，时间域多尺度地震槽波全波形反演，反演结果的三维可视化显示。

Imaging method and system of underground structure in Coal Mine Based on full waveform inversion of seismic trough wave

The invention provides an imaging method and system of small structure in Coal Mine Based on full waveform inversion of seismic trough wave. The full waveform inversion technology of seismic elastic wave is applied to seismic trough wave detection in coal mine mining face, and a new algorithm is designed. By utilizing the kinematics and dynamics information of observed seismic elastic wave, some small and complex structures in coal seam can be accurately imaged. The miscellaneous structure and geological anomalies can provide more technical guarantee for the design of coal cutter mining work and the safety of coal mine development. The core content of the present invention is a full-waveform inversion algorithm of multi-scale seismic trough wave in time domain. The main work flow is as follows: seismic data acquisition at mining face, amplitude balance and recovery processing of seismic data, filtering processing, full-waveform inversion of multi-scale seismic trough wave in time domain, and three-dimensional visualization display of inversion results.

【技术实现步骤摘要】
基于地震槽波全波形反演的煤矿井下构造成像方法及系统
本专利技术涉及煤矿井下地质异常体探测的矿井安全
，更具体地说，涉及一种基于地震槽波全波形反演的煤矿井下构造成像方法及系统，用于对煤层中的陷落柱、小断层、夹矸、煤层起伏走势等进行探测，除了能用于大构造和大的地质异常体的成像外，能够精确地反演煤层回采工作面内的小构造形态和物性参数(包括纵波速度、横波速度、密度等)。
技术介绍
许多煤矿的开采条件复杂而又困难。由于浅层地质条件较好的煤层已经不多，目前煤炭开采逐步向更深、地质条件更差的方向发展。煤层中的地质异常体，如陷落柱、断层、夹矸及冲刷带等，容易诱发煤矿冒顶、塌方、突水等灾害事故，严重威胁煤矿安全生产，同时也会严重影响综采机械的正常开采工作。因此，开展煤矿井下地质条件的精细探测至关重要。槽波勘探是目前煤矿井下工作面异常体探测较常用的方法。槽波勘探有透射波法、反射波法和透射波-反射波联合勘探法(胡国泽等，2013)。透射槽波方法主要基于层析成像原理探测工作面内部异常构造，目前应用较多(王伟等，2012；姬广忠等，2014；任亚平，2015)；反射槽波方法有基于常规的包络叠加(王一,2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于地震槽波全波形反演的煤矿井下构造成像方法，其特征在于，包含如下步骤：S1、建立煤矿井下的初始模型，初始模型中的模型参数为纵波速度、横波以及密度；S2、获取回采工作面的地震槽波的观测数据以及模拟数据；其中，观测数据是由多个检波器接收的数据，每个检波器形成一道数据；S3、将观测数据和模拟数据相减获得残差记录，然后对每一道数据的所有采样点的残值进行平方再累加求和，从而构建出观测数据与模拟数据的二范数形式的目标函数；S4、利用震源进行一次正演模拟，得到震源波场，然后利用残差记录作为震源进行一次逆向正演模拟，得到残差波场，将震源波场和残差波场进行互相关，求得关于纵波速度、横波以及密度的目标函...

【技术特征摘要】
1.一种基于地震槽波全波形反演的煤矿井下构造成像方法，其特征在于，包含如下步骤：S1、建立煤矿井下的初始模型，初始模型中的模型参数为纵波速度、横波以及密度；S2、获取回采工作面的地震槽波的观测数据以及模拟数据；其中，观测数据是由多个检波器接收的数据，每个检波器形成一道数据；S3、将观测数据和模拟数据相减获得残差记录，然后对每一道数据的所有采样点的残值进行平方再累加求和，从而构建出观测数据与模拟数据的二范数形式的目标函数；S4、利用震源进行一次正演模拟，得到震源波场，然后利用残差记录作为震源进行一次逆向正演模拟，得到残差波场，将震源波场和残差波场进行互相关，求得关于纵波速度、横波以及密度的目标函数梯度；S5、采用L-BFGS方法构建各所述目标函数梯度的下降方向；S6、给定三个测试步长，通过所述下降方向计算出测试步长对应的三个模型，分别对三个模型进行正演获得模拟地震记录，然后利用模拟记录和对应的真实记录分别计算出三个目标函数值，再根据计算出的三个目标函数值，通过拟合方法估计最优步长；S7、利用求得的目标函数下降方向和最优步长，对上次的模型进行更新，通过不断迭代，当残差小于时，即得到最终的反演模型；其中第一次迭代前的模型为所述初始模型。2.根据权利要求1所述的基于地震槽波全波形反演的煤矿井下构造成像方法，其特征在于，所述观测数据是进行振幅平衡和恢复，以及滤波处理后的数据。3.根据权利要求1所述的基于地震槽波全波形反演的煤矿井下构造成像方法，其特征在于，步骤S3中：二范数形式的目标函数E(m)的具体形式如下：其中，ucal和uobs分别表示模拟和观测得到的质点位移，Δu为ucal和uobs之差，m为模型参数，xs和xr分别为震源和检波器的坐标位置，ns和ng分别表示震源和检波器数目，T表示时间变量t的地震波最大传播时间，上标“*”表示共轭转置。4.根据权利要求1所述的基于地震槽波全波形反演的煤矿井下构造成像方法，其特征在于，步骤S4中：目标函数关于密度的梯度通过拉梅参数梯度转化算出：目标函数关于速度的梯度利用链式法则通过拉梅参数梯度转化得到：其中，s表示对所有震源波场求和，σij表示震源波场质点应力，Σij表示残差反传波场质点应力，ψi表示残差反传波场质点位移，vi表示震源波场质点速度，其中i＝x、y或z，j＝x、y或z，x、y、z分别表示x轴、y轴、z轴，Vp为纵波速度，Vs为横波速度，ρ为密度，T表示时间变量t的地震波最大传播时间，δλ、δμ和δρ分别表示目标函数关于拉梅参数和密度的梯度；δVp，δVs和δρvel分别表示目标函数关于速度参数和密度的梯度。5.根据权利要求1所述的基于地震槽波全波形反演的煤矿井下构造成像方...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱培民，蒋锦朋，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北,42