基于地震多屬性融合技術(shù)的煤層巷道識別方法

彭 凡，杜文鳳，劉洪栓

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

20世紀(jì)80年代，小煤窯私采偷采現(xiàn)象普遍，由于受當(dāng)時的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等條件限制，常采用房柱式或巷道式方法開采[1-2]。由于缺少采掘資料，其開采范圍已無從可知，留下的采空巷道會對后續(xù)礦山生產(chǎn)建設(shè)產(chǎn)生很大安全隱患，因此，需要查明采空巷道范圍以保障后續(xù)煤礦的安全開采[3-5]。關(guān)于常規(guī)采空區(qū)的探測識別研究工作已經(jīng)做了很多[6-8]，而對采空巷道識別的研究相對較少。地球物理技術(shù)是探測地下情況的有效手段，電法非常適合用于檢測含水性，但是探測深度相對較淺[9]；探地雷達(dá)探測深度淺，但可以達(dá)到很高的精度[10]；三維地震方法探測深度深，是應(yīng)用最廣的方法[11]。張愛敏等[12]首次提出利用三維地震技術(shù)，根據(jù)巷道反射波特征可以直接在時間剖面上識別出巷道。程建遠(yuǎn)等[13]認(rèn)為地震水平切片是探測巷道的有效手段，由于巷道斷面小，只有在“三高”地震資料上才能識別出巷道[13]。朱紅娟[14]在常規(guī)地震解釋的基礎(chǔ)上，利用地震屬性對巷道做了定位解釋。

巷道本身由于斷面較小，探測識別難度大，提高地震技術(shù)識別精度是急需解決的問題?；诖?，首先通過建立地震正演模型研究了巷道的地震響應(yīng)特征，正演結(jié)果表明地震屬性可以很好地識別出巷道產(chǎn)生的異常。然后從實(shí)際地震數(shù)據(jù)中提取了相對波阻抗、瞬時振幅和平均振幅3種不同地震屬性，利用RGB融合技術(shù)對這3種屬性進(jìn)行融合，利用融合屬性成功探測識別出了巷道的平面位置和邊界范圍，為巷道的精細(xì)探測識別提供理論及實(shí)例依據(jù)。

1 巷道地震響應(yīng)特征

1.1 地質(zhì)模型設(shè)計

為了研究采空巷道的地震響應(yīng)特征，參考研究區(qū)各煤層的實(shí)際深度和厚度，設(shè)計了二維地震正演地質(zhì)模型。正演地質(zhì)模型如圖1所示，為便于直觀了解模型，對煤層及巷道做了一定程度的放大處理，模型的實(shí)際參數(shù)見表1。模型長1 000 m，深1 000 m，共設(shè)計3層煤，從淺到深依次為3煤、9煤和15煤。其中，3煤深度為500 m，厚度為4 m；9煤深度為550 m，厚度為5 m；15煤深度為600 m，厚度為5 m。3煤中設(shè)計有2條寬為5 m，高為4 m的巷道，兩條巷道間距90 m。巷道1充滿空氣，位于水平方向455 m處；巷道2充填地下水，位于水平方向545 m處。

圖1 正演地質(zhì)模型Fig.1 Forward geological model

表1 地質(zhì)模型參數(shù)Table 1 Geological model parameters

為快速獲取模型的正演結(jié)果，采用聲波方程正演模擬方法，正演結(jié)果如圖2所示。圖2a為正演地震剖面，可以看到兩處巷道位置處的3號煤層反射波出現(xiàn)較明顯的局部振幅增強(qiáng)現(xiàn)象，而巷道下方的煤層反射波出現(xiàn)局部振幅減弱現(xiàn)象。并且由于填充物不同，地震波振幅增強(qiáng)或減弱的幅度也不同。相比而言，在填充空氣的巷道1處振幅的變化明顯，而填充水的巷道2處振幅的變化較弱。

為了更直觀地說明這種振幅上的變化，分別沿各煤層提取了地震振幅屬性，如圖2b所示，從上到下依次為3、9和15煤的振幅屬性。從振幅屬性上能夠看到更直觀清晰的振幅異?，F(xiàn)象，3煤巷道處的振幅明顯變大，填充空氣巷道的異常比填充水巷道的增大幅度更大，而巷道下方的煤層反射同相軸出現(xiàn)振幅減弱的情況。

圖2 正演模擬結(jié)果Fig.2 Forward results

1.2 正演結(jié)果分析

對于常規(guī)采空區(qū)來說，頂部圍巖會在上覆巖層壓力作用下逐漸坍塌陷落。相比于完整圍巖，塌陷后的采空區(qū)變得松散、密實(shí)度降低，形成雜亂、松散的特殊地質(zhì)體[15]。由于不會形成明顯的波阻抗界面，所以在剖面上多表現(xiàn)出同相軸不連續(xù)、錯亂且反射能量弱等特點(diǎn)。而對于巷道或巷道采空區(qū)來說，由于巷道斷面小，其頂板在相對較長時間內(nèi)不會垮塌，巷道內(nèi)常被地下水或空氣充填。從垂直方向上看，巷道可認(rèn)為是處于煤層之中并且與煤層有著共同頂?shù)装鍘r層的特殊地質(zhì)空腔體。由于存在有明顯的波阻抗界面，這種情況下能夠形成明顯的反射波，其反射振幅可通過反射系數(shù)來進(jìn)行分析。

反射系數(shù)定義為反射波振幅與入射波振幅的比值，可以用式(1)來進(jìn)行計算[15]，即

(1)

式中:R為反射系數(shù)；ρ1、v1分別為反射界面上部介質(zhì)的密度和速度，ρ2、v2分別為反射界面下部介質(zhì)的密度和速度；密度和速度的乘積為波阻抗，反射系數(shù)為負(fù)值時表明反射波與入射波極性相反。

根據(jù)式(1)和表1中的介質(zhì)參數(shù)計算出各主要反射界面的反射系數(shù)，結(jié)果見表2。由反射系數(shù)定義可知，當(dāng)入射波振幅不變時，界面的反射系數(shù)越大，則反射波的振幅也就越大。無論是空氣還是水，密度和速度都遠(yuǎn)小于煤層，其與圍巖界面的反射系數(shù)大于正常賦存煤層與圍巖界面的反射系數(shù)，所以由此界面產(chǎn)生的反射波的振幅會大于正常反射波振幅，在剖面上表現(xiàn)出同相軸振幅增大、能量增強(qiáng)的現(xiàn)象。并且，由于空氣與巷道界面的反射系數(shù)大于地下水與巷道界面的反射系數(shù)，所以巷道1比巷道2的反射波振幅更大。

表2 主要界面的反射系數(shù)Table 2 Reflection coefficients of main interfaces

由正演結(jié)果(圖2)還可知，巷道下方煤層產(chǎn)生的反射波出現(xiàn)有振幅減弱現(xiàn)象，這是由于巷道的屏蔽作用引起的。由反射系數(shù)定義易知，低速低密度地層會與圍巖形成強(qiáng)反射界面，導(dǎo)致大部分入射能量會被反射回去，而能夠透過界面繼續(xù)向下傳播的能量就會大幅減少，導(dǎo)致下方地層的反射波能量降低，該現(xiàn)象為反射型能量屏蔽現(xiàn)象[17]。由于巷道處形成的強(qiáng)反射界面的屏蔽作用阻礙了地震波繼續(xù)向下傳播，這就使巷道下方煤層成為了“被屏蔽”區(qū)，導(dǎo)致在剖面上下方煤層的同相軸振幅減弱。該現(xiàn)象增加了解釋人員將其錯誤解釋成地質(zhì)構(gòu)造的可能性，但如果解釋人員能夠識別出巷道并且認(rèn)識到這是由于巷道屏蔽引起的，那么在解釋過程中就能夠減少甚至避免這種錯誤解釋的可能性。

由于巷道斷面尺寸較小，反映在剖面上巷道引起的振幅異常幅度不明顯容易被忽略，但是利用地震屬性卻能夠直觀且清晰的識別出這種異常。地震屬性是識別地下異常地質(zhì)體的有效手段，并且，由于巷道本身分布的規(guī)律特點(diǎn)，其在平面上更容易識別，因此利用地震屬性解釋方法來識別巷道是可行的。為避免單一屬性解釋精度不高，難以全面反映地下地質(zhì)問題，考慮采用地震多屬性融合方法來進(jìn)行巷道的識別探測。

圖3展示了沿目的煤層從正演結(jié)果中提取的不同地震屬性，從上到下依次為相對波阻抗屬性、瞬時振幅屬性以及瞬時頻率屬性。相對波阻抗屬性用來描述地層的相對波阻抗大小，能夠很好地識別出巷道引起的波阻抗變化；振幅類屬性對地下異常地質(zhì)體有良好的反映，能夠很好地識別出巷道產(chǎn)生的異常；頻率屬性雖然也可以識別出巷道，但對于不同填充介質(zhì)的巷道卻有著近乎相同的異常特征。所以在進(jìn)行多屬性融合時可以優(yōu)先考慮相對波阻抗和振幅類的屬性。

圖3 目的煤層地震屬性Fig.3 Seismic attributes of target coal seam

2 地震多屬性解釋

地震屬性是由地震數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的非線性數(shù)學(xué)變換得到的關(guān)于地震波幾何學(xué)、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)以及統(tǒng)計學(xué)特征的度量。眾所周知，地下介質(zhì)的變化會引起地震屬性發(fā)生相應(yīng)的變化，因此利用地震屬性研究地下異常地質(zhì)體是可行的。地震屬性能夠描述地下某些地質(zhì)現(xiàn)象，如河道、斷層或斷裂、巖性變化以及儲層變化等，廣泛應(yīng)用于構(gòu)造解釋、地層解釋、巖性解釋和模擬以及儲層描述等多個方面[18]。

目前，針對各種不同地質(zhì)任務(wù)提出的地震屬性達(dá)到上百種之多[19]。根據(jù)使用的數(shù)學(xué)變換算法不同，得到的地震屬性也就不同。地震屬性能用來凸顯地質(zhì)體的某些特殊地質(zhì)學(xué)特征，并在一定程度上輔助地震解釋工作。然而，單一屬性信息量少，通常不能全面反映地質(zhì)體特征，存在多解性可能導(dǎo)致片面結(jié)果；利用多種屬性單獨(dú)解釋、相互印證的方式，工作量變大且難以得到統(tǒng)一的結(jié)果[20]。因此，需要1種聯(lián)合多種屬性的解釋方法。

目前用到的地震多屬性解釋方法一般可分為以下3種：

1)多屬性疊合方法。這是過去常用的多屬性解釋方法，通過將多種地震屬性圖像一張張地疊合在一起，進(jìn)行分析和解釋工作。

2)多屬性組合方法。主要用于2種屬性的情況。首先為一種屬性選取一個閾值，然后將該屬性小于閾值的位置顯示為另一種屬性，通過這種方法將2種屬性組合起來。

3)多屬性融合方法。該方法能夠?qū)⒍喾N屬性融合為一種新的屬性，融合后的屬性同時包含參與融合的多種原始屬性中的信息。

RGB色彩融合方法是常用的地震多屬性融合方法，可用于3種地震屬性融合。其思路是選取3種地震屬性，分別將這3種屬性視為紅、綠、藍(lán)(RGB)3個顏色分量，然后在RGB顏色空間將這3種屬性融合為1種屬性，最后利用融合后的屬性圖像進(jìn)行地震解釋。通過利用這種方法可以克服單一屬性的局限性，提高地震解釋的精度。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于沁水盆地北部含煤地層穩(wěn)定，地層平緩。由淺到深，區(qū)內(nèi)主要有3、9、15煤。其中，3煤深度為366～660 m ，平均厚度為2.58 m；9煤深度為418～688 m ，平均厚度為4.10 m；15煤深度為484～766 m，平均厚度為4.32 m。在三維地震數(shù)據(jù)采集之前，沿3煤層已開拓部分主要巷道，為研究提供了基礎(chǔ)。

3.2 實(shí)例分析

從疊前時間偏移地震數(shù)據(jù)中沿3煤提取了相對波阻抗、瞬時振幅和平均振幅3種地震屬性。相對波阻抗屬性可以用來描述地層的相對波阻抗大小，適合用于描述地層變化情況；振幅類屬性計算穩(wěn)定性好，對地下異常地質(zhì)體有良好的反映，能夠用來刻畫地質(zhì)體邊界。

各種屬性量綱不同，在進(jìn)行屬性融合之前需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，由于RGB圖像的顏色分量取值在0～255，所以需要利用式(2)將每種屬性的取值標(biāo)準(zhǔn)化到0～255。

Z=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)×255

(2)

式中:Z為標(biāo)準(zhǔn)化后的屬性值；X為原始屬性值；Xmax和Xmin分別為原始屬性的最大值和最小值。

標(biāo)準(zhǔn)化處理之后，進(jìn)行RGB屬性融合。由排列組合知識易知，3種屬性的不同排列順序共有6種，圖4給出了這6種不同排列順序的屬性融合結(jié)果。由圖4知，不同順序?qū)傩匀诤闲Ч嗖畈皇呛艽?。最終選擇將相對波阻抗屬性視為紅色分量R，瞬時振幅屬性視為綠色分量G，平均振幅屬性視為藍(lán)色分量B。在RGB色彩空間對這3種屬性進(jìn)行融合，得到最終融合屬性。

圖4 不同RGB順序融合結(jié)果Fig.4 Different RGB sequence fusion results

圖5展示了研究區(qū)地震多屬性融合結(jié)果，圖5a為相對波阻抗屬性，圖5b為瞬時振幅屬性，圖5c為平均振幅屬性，圖5d為融合后的屬性。由圖5知，雖然3種原始屬性都能大致顯示出條帶狀巷道，但整體上巷道較為模糊且邊界斷斷續(xù)續(xù)不能連續(xù)追蹤。如圖5a相對波阻抗屬性在區(qū)內(nèi)東部基本上不能識別出巷道的邊界；而在圖5b和圖5c中，區(qū)內(nèi)南部和東部的巷道斷斷續(xù)續(xù)，不能連續(xù)追蹤。而經(jīng)過多屬性融合后，在圖5d融合后的屬性中巷道表現(xiàn)更為連續(xù)，邊界也更清晰，很容易刻畫出巷道邊界和延伸范圍。

圖5 地震多屬性融合結(jié)果Fig.5 Results of seismic multi-attribute fusion

圖6為利用融合屬性進(jìn)行巷道識別的結(jié)果與巷道的實(shí)際位置對比，圖6a為識別結(jié)果，圖6b為實(shí)際位置。由圖6知融合屬性識別出的結(jié)果與實(shí)際巷道展布范圍和邊界位置對應(yīng)十分準(zhǔn)確。由于巷道之間的距離較小(東西向巷道間距為25 m，南北向巷道間距為40 m)，反映在地震屬性上會疊加成更寬的條帶異常。對于單個巷道來說，由于沒有相鄰巷道做疊加，其異常條帶較弱，相對而言較難準(zhǔn)確分辨出其位置。最終結(jié)果表明，多屬性融合技術(shù)能夠成功識別出巷道的平面位置及其邊界范圍。

圖6 巷道識別結(jié)果與實(shí)際位置對比Fig.6 Roadway identification result and actual position

4 結(jié) 論

1)煤層巷道采空是特殊地質(zhì)空腔體并與其頂?shù)讎鷰r形成強(qiáng)反射界面，引起所在煤層地震屬性發(fā)生變化，利用這種異常變化可以識別出巷道采空的位置及邊界范圍。

2)相對波阻抗、振幅和頻率屬性都能夠很好地反應(yīng)出巷道產(chǎn)生的異常變化，但對于不同的填充物前兩者的變化幅度也不相同，而頻率屬性分不出來這種不同。

3)RGB多屬性融合技術(shù)能夠綜合多種屬性的信息，相比于單一屬性，融合后的屬性可以展現(xiàn)出更豐富的地質(zhì)信息，提髙解釋精度，顯示出更為清晰、連續(xù)的巷道邊界范圍。