观测系统对回采工作面地震CT成像质量影响规律研究

王书文 冯美华

(1. 煤炭科学研究总院开采研究分院，北京市朝阳区，100013； 2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013)

★ 煤炭科技·地质与勘探★

观测系统对回采工作面地震CT成像质量影响规律研究

王书文1,2冯美华1，2

(1. 煤炭科学研究总院开采研究分院，北京市朝阳区，100013； 2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013)

为探索观测系统对回采工作面地震CT成像质量的影响规律，建立了7种回采工作面地震CT探测波速异常区数值模拟模型，利用正演获取的地震波场数据进行反演计算，将获取的反演结果与模型对比分析。提出了利用真异常可区分度γ、假异常单元数e及真异常值误差率d评价成像质量的方法。基于数值模拟提出了提高成像质量的观测系统布置原则及方法。研究成果可为回采工作面地震CT探测方案设计及误差分析提供依据。

地震CT 观测系统 成像质量 误差分析 数值模拟

地震CT技术(地震计算机辅助层析成像技术)以地质体本身作为主要研究对象，通过地震波穿越该介质时的走时或能量变化，获得介质内部地震波速或地震波衰减系数分布图像，根据该图像信息与地质体应力及结构特征的对应关系，识别探测区域内相关特性的分布规律。地震CT自20世纪80年代初进入地学研究领域以来，广泛应用于地球内部结构成像，石油、金属矿产、地热等资源勘探以及土木建筑、灾害防治等领域。近年来，该技术在煤矿领域的应用日益广泛，主要用于探测煤岩层内部地质构造、应力异常分布等，尤其在回采工作面冲击地压危险源探测方面取得显著进展。

目前，地震CT很难达到医学CT的精度，这与矿山井下实际条件导致观测系统布置受限密切相关。在设计观测系统时，需综合考虑现场回采工作面倾向长度、可利用巷道数量及方位、设备探测通道数量、现场施工条件等因素。充分掌握不同观测系统对反演成像的影响特征和程度，才能够积极利用有限的条件，设计出现场允许的最佳观测系统，而利用地震波场数值模拟是实现以上目标的有效方法。本文采用有限差分算法，建立回采工作面地震CT探测正演模型，变换观测系统并进行反演成像，分析回采工作面常见观测系统对成像质量的影响规律，以期为现场地震CT探测方案设计提供依据。

1 模拟方法及评价指标

采用声波方程正演模拟煤岩层结构地震波场演化特征，利用获取的地震波场数据进行反演计算，将获取的反演结果与正演模型对比，即可判断反演成像的质量。改变正演模型中观测系统的布置方法，对比分析观测系统对反演结果的影响。为定量化评价成像质量，设计3个评价指标。

(1)真异常可区分度γ。为考察模型中设置的异常区域是否能在反演图像被显著的区分开来，引入真异常可区分度γ，用于表征反演图像异常区可被区分的程度：

(1)

式中：m——异常区内待比较的单元个数；

n——背景区内待比较的单元个数；

vA0——模型中异常区波速，m/ms；

vAi——反演结果中异常区波速，m/ms；

v0——模型中背景波速，m/ms；

vj——反演结果中背景波速，m/ms。

γ越大，表明可区分度越好，反之亦然。对于模拟中的正演模型，背景值与异常值之差为0.5 m/ms，因此式(1)可简化为：

(2)

(2)假异常单元数e。用于考察模型中设置的背景区域内是否出现显著的假异常。为量化假异常程度，可利用上述可区分度γ，若待比较区域的可区分度大于0.3，则认为反演图像中形成假异常，然后统计所有假异常单元数e。

(3)真异常值误差率d。由于反演误差的存在，反演图像异常区波速与模型异常区波速不完全一致，有必要对反演波速偏离模型波速的程度进行评价，真异常值误差率d用下式表示：

(3)

2 观测系统对地震CT成像质量的影响规律

2.1 走向排列长度对成像质量的影响

为研究工作面地震CT探测时走向排列长度对成像质量的影响，建立了4个回采工作面内异常体正演模型，模型异常区波速vA0=2.0 m/ms，模型背景波速v0=1.5 m/ms。模型尺寸及观测系统参数如表1、图1所示。不同模型反演结果见图2～图5。

利用构建的评价指标对不同模型反演结果进行评价，结果如表2所示。

模型编号评价指标γ走向倾向ed/%走向倾向单元大小/m模型一09504750506110×10模型二07504917686015×15模型三07105314806620×20模型四0690548775525×25

由图2可以看出，模型一中走向排列长度为300 m，反演图像异常区在走向上的边界可清晰分辨，与模型异常区边界吻合性较好，而倾向边界分辨效果差。同时，在反演图像出现了模型中未设置的假异常现象，主要分布在图像的四角，经统计假异常单元共有30个，对真异常区的辨识造成较大干扰。

模型二中走向排列长度为450 m，反演图像异常区在走向上和倾向上的边界均可清晰分辨，总体轮廓大致为模型中的矩形，异常区走向分辨率优于倾向分辨率。走向上的边界可分辨性变差，而倾向边界可分辨性略优。与模型一相比，模型二在反演图像的四角未显著出现假异常现象，但在异常区倾向两端有17个单元出现假异常。

模型三中走向排列长度为600 m，反演图像异常区在走向上和倾向上的边界仍可分辨。但由于图像离散单元扩大至20 m×20 m，异常区边角的分辨率有所降低，反演后异常区总体轮廓趋于椭圆形。

模型四中走向排列长度为750 m，图像离散单元扩大至25 m×25 m，异常区边角更加模糊，反演后异常区总体轮廓趋于椭圆形。

可见，对于固定斜长回采工作面，走向测线长度对反演图像的精度影响显著，令走向测线长度与工作面斜长比值为p，进而得出p与γ的关系曲线，如图3所示。

图3 不同p值条件下反演结果真异常可区分度

综合分析图3可得出以下规律：

(1)仅在工作面两巷布置测线时，反演图像中异常体沿走向的分辨率显著优于沿倾向的分辨率。

(2)走向测线长度与工作面斜长比值p越大，反演图像中异常体沿走向可区分度越低，而倾向可区分度越高。随着p的增大，该变化趋于缓和。

(3)假异常单元数e随着p增大而减小；当p值等于1时，假异常主要分布在反演区的四角；随着p的增大，假异常向真异常区周边集中，以倾向两端为主。

(4)反演图像真异常值与模型异常值差异较小，当1≤p≤2.5时，真异常值误差率均保持在8%之内。

(5)p值越大，探测面积越大，而总的地震数据量未变，导致单位面积数据覆盖次数降低，离散图像反演时则需选用更大尺寸的单元，因此，成像的分辨率逐渐降低，在边角位置最为显著。

2.2 非完全观测系统对成像质量的影响

回采工作面地震CT探测时，由于巷道的限制，往往只能布置非完全观测系统，对成像结果造成一定影响。为研究回采工作面常见类型的非完全观测系统对成像结果的影响特征，建立了回采工作面常见观测系统正演模型，模型参数如表3所示，模型大小及异常区参数与前文中模型一相同。

模型五模拟了在轨道巷和工作面均布置激发炮的情形，模型及反演结果如图4所示。模型六中工作面前方存在可布置检波器的联络巷，从而形成轨道巷激发，运输巷接收；工作面激发，联络巷接收，实现了完全观测系统布置，数值模型及反演结果如图5所示。

表3 回采工作面常见观测系统正演模型参数

图4 模型五数值模拟模型及反演结果

模型一、五、六反演结果的相关评价指标见表4，3种模型真异常可区分度变化曲线如图6所示。

表4 模型一、五、六反演结果评价指标

以上3种模型中，模型六为完全观测系统，可实现射线的全方位透射，数据投影角度完全，射线覆盖密度大，数据投影均匀度高。模型一和模型五均属于非完全观测系统，射线角度不完全。由于模型五在工作面设置了激发点，因此其射线正交性要优于模型一。由表4和图6得出以下规律：

(1)完全观测系统条件下，异常区沿走向和倾向的区分度均较高，与正演模型区分度接近，且反演区域内未出现假异常现象。

(2)与完全观测系统相比，不同形式的非完全观测系统条件下，成像质量不同程度的降低。从真异常可区分度及假异常单元数指标来看，两侧激发效果均要显著优于单侧激发。

(3)综合考虑各评价指标，工作面及单侧巷道组成的“L”型激发测线能够满足探测需求，且相对完全观测系统而言，现场可操作性更强。

图5 模型六数值模拟模型及反演结果

图6 不同观测系统反演结果真异常可区分度及假异常单元数量

2.3 “缺炮”对成像质量的影响

回采工作面开展地震CT探测时，时常出现“缺炮”现象，导致部分区域未能有效激发设计震源，或激发后的震波未被检波器接收，从而导致部分区域数据缺失。为揭示“缺炮”对最终成像效果影响规律，建立正演模型七。与模型五类似，模型七观测系统采用轨道巷及工作面两侧激发，运输巷31道接收，道间距10 m；轨道巷25炮激发，炮间距10 m，但轨道巷侧第7～12炮缺失；工作面14炮激发，炮间距20 m。模型七计算模型及反演结果如图7所示。

图7 模型七数值模拟模型及反演结果

表5为模型五、七反演结果的相关评价指标。

表5 模型五、七反演结果评价指标

由图7和表5可得：

(1)“缺炮”将导致反演结果中真异常可区分度整体显著下降，假异常单元数量显著增加，真异常值误差率增大。

(2)“缺炮”导致相应区域出现射线盲区，盲区附近假异常现象显著。另外，在远离盲区的位置亦可能引起假异常。可见，局部的“缺炮”将对模型全局反演质量造成不利影响。

3 回采工作面地震CT探测观测系统布置原则及方法

投影数据的质量直接影响着反演成像的可靠性。评价区域内投影数据的质量主要从数据覆盖密度、覆盖均匀度和投影角度等方面考量，一般而言，数据密度和投影角度越大，数据覆盖越均匀，则对成像越有利。

(1)两巷道观测布置时，应扩大排列长度与工作面斜长的比值。受采煤工作面现场条件的限制，部分探测项目只能在工作面两巷布置测线，共炮点射线最大覆盖角度随着走向测线与工作面斜长比值p的增大而增大，如图8、9所示。随着p增大，目标异常体的总体分辨率较好，尤其可以提高倾向上的分辨率。

图8 共炮点射线覆盖角度示意图

数据的投影方向决定了地震CT成像在各方向的分辨率，当在工作面两巷分别布置震源和检波点时，若投影角度较小，使得目标异常体沿工作面走向的分辨率较好，而沿倾向分辨率较差。因此，在条件允许时，应尽量增大p值，该原则对工作面沿近走向隐伏断层的反演成像有重要的影响。

图9 共炮点射线覆盖角度随排列长度与工作面斜长比值的变化曲线

(2)充分利用切眼、工作面或联络巷，提高射线正交性。除了在巷道内布置激发炮外，在条件允许时，可在切眼、联络巷或工作面补充若干激发炮，不但可以提高真异常分辨率，而且削弱了假异常的干扰程度，显著改善成像质量。此外，该措施对成像质量的优化效率显著高于提高p值的方式，主要因为其对射线正交性的充分改善。

(3)对于大斜长工作面，以子观测系统联合布置代替独立布置。对大斜长工作面开展地震CT探测时，在总工程量未增加的前提下，将子观测系统进行交差联合布置以代替独立布置，可以显著提高射线正交性和射线均匀度，从而有效提高反演成像质量。

(4)缩小“盲区”，控制“瞎炮”，提高射线覆盖均匀度。在CT反演中，如果对数据的不均匀覆盖问题不进行处理，则会以一种不均匀且不可预测的方式使反演结果发生畸变。

4 结论

(1)建立了7种回采工作面地震CT探测异常区数值模拟模型，并进行反演成像。提出了利用真异常可区分度γ、假异常单元数e及真异常值误差率d评价成像质量的方法。

(2)对于固定斜长回采工作面，走向排列长度与工作面斜长比值越大，反演图像中异常体沿走向可区分度越低，而倾向可区分度越高。

(3)相对完全观测系统，非完全观测系统条件下的反演图像真异常可区分度降低，且有假异常的出现。工作面及单侧巷道组成的“L”型激发测线基本满足成像要求。

(4)“缺炮”导致射线盲区出现显著假异常，可对模型全局反演质量造成不利影响

(5)基于数值模拟结论，提出了提高成像质量的观测系统布置原则及方法。

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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

国家重点研发计划资助项目(2017YFC0804204、2016YFC0801402)

王书文，冯美华. 观测系统对回采工作面地震CT成像质量影响规律研究[J]. 中国煤炭，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

王书文(1983-)，男，山东鱼台人，助理研究员，博士研究生, 从事煤矿冲击地压研究。

(责任编辑 郭东芝)