一种基于小波域的槽波衰减成像方法

技术领域

本发明涉及煤矿工作面内部结构探测成像技术领域，具体涉及一种基于小波域的槽波衰减成像方法。

背景技术

在煤层中激发的地震波相互干涉形成了槽波，槽波信号在沿煤层传播路径上受到河流冲刷带、煤层变薄带、断层、陷落柱、煤层厚度变化、夹矸石分布及剥蚀带等不连续性地质体的影响，其速度、振幅、相位、频率等参数会发生变化。利用槽波能量强、易于识别和频散效应明显的特性可以探测煤层的地质构造和内部异常(刘钢，2022)。槽波地震勘探是一种有效的矿井构造探测手段(党保全等，2022)，通过利用在煤层中激发和传播的槽波可以实现煤层的不连续性探测。

煤矿槽波振幅能量衰减成像方法主要包括频率域的谱比法、质心频率偏移法、上升时间法和振幅衰减法4种。其中，上升时间法和振幅衰减法属于时间域方法；质心频率偏移法和频谱比法属于频率域方法。但当前不同的衰减类成像均为采用直接反演方法，存在反演模型参数量较大、反演矩阵条件数大和反演系统欠定的问题(杨焱钧，2022)，以及在遇到工作面内部结构突变时(如断层、陷落柱)，存在无法刻画异常机构突变边界的问题。

小波分析多尺度分解槽波衰减系数反演方法，是将直接求解衰减系数转化到小波域中反演小波系数的反演问题。利用小波多尺度之间的内在联系及小波系数的稀疏性，有效避免目标函数落入局部极值和反演计算量大的问题。多尺度反演从小波分解的大尺度开始，在较大尺度下模型网格下目标函数呈现较强的凸性及较少的局部极值，有利于收敛至全局最优化解。利用不同小波变换为基础的多尺度分解理论应用于传统模型参数中，在反演过程中根据数据的分辨极限自动对模型进行多尺度划分。这种方法起到了不同尺度网格剖分的作用，先在大尺度网格上迭代反演，得到稳定的粗糙的模型，再将这个初始反演结果作为较小尺度网格的初始模型反演，直至反演出目标函数的全局最优解，这种反演策略的优点是对初始模型选择依赖性减小、更适合于大扰动异常体成像，成像分辨率和和可靠性均得到有效提高(高级等，2016)。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种基于小波域的槽波衰减成像方法，将小波多尺度分解应用到煤矿工作面槽波衰减成像，在减小反演系统欠定问题及提高突变异常体成像方面均具有重要意义。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于小波域的槽波衰减成像方法，具体过程为：

S1、透射槽波探测：在工作面一侧的巷道激发炮点，在工作面另一侧的巷道通过布设检波器接收槽波；

S2、小波域衰减成像反演：将模型的衰减系数变换到小波域，进而获得工作面内部不同网格衰减系数；

S3、根据步骤S2所得的工作面内部不同网格衰减系数，输出工作面衰减图。

进一步地，步骤S1中，利用检波器采集得到槽波数据后，先对槽波数据进行预处理，所述预处理包括坏道剔除、极性校正和槽波提取。

进一步地，步骤S2的具体过程为：

当炮点处激发的槽波能量为A

A＝A

式中，透射槽波衰减系数

xd＝lnA

当有一条射线y

式中，

Gm＝d(4)

式中，d为观测数据，即接收到的槽波能量；m为工作面内不同网格的衰减系数，G为灵敏度矩阵；

利用正交小波变换性质，有W

Δd＝GW

Δm为衰减系数的更新量，W为小波变换矩阵；取

式(6)为式(5)的不同尺度下的小波系数表示，即将原来求解衰减系数方程变换到小波域的求解小波系数；

求解得到系数的小波系数后，根据

本发明的有益效果在于：利用本发明，可以减小传统均匀网格模型反演系统的模型参数，提高反演结果的可靠性，同时提高对属性突变的地质异常体的成像识别能力，进而提高工作面内部构造探测的准确性，为工作面回采提供直接技术支持。

附图说明

图1为本发明实施例1方法的流程示意图；

图2为本发明实施例1中槽波观测系统布置示意图；

图3为本发明实施例2中衰减系数模型与小波系数模型的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

实施例1

本实施例提供一种基于小波域的槽波衰减成像方法，如图1所示，具体过程为：

S1、透射槽波探测：在工作面一侧的巷道激发炮点，在工作面另一侧的巷道通过布设检波器接收槽波。如图2所示，在巷道2的激发点为炮点，巷道1的接收点yi为检波器位置。

S2、小波域衰减成像反演：

当炮点处激发的槽波能量为A

A＝A

式中，透射槽波衰减系数

xd＝lnA

图2所示是网格化工作面的示意图。例如在区域内有一条射线y

式中，

Gm＝d(4)

式中，d为观测数据，即接收到的槽波能量；m为工作面内不同网格的衰减系数，G为灵敏度矩阵。

小波域衰减成像反演的技术关键是将模型的衰减系数变换到小波域，利用正交小波变换性质，有W

Δd＝GW

Δm为衰减系数的更新量，W为小波变换矩阵；取

式(6)为式(5)的不同尺度下的小波系数表示，即将原来求解衰减系数方程变换到小波域的求解小波系数；

求解得到系数的小波系数后，根据

S3、根据步骤S2所得的工作面内部不同网格衰减系数，输出工作面衰减图。

进一步地，在本实施例中，步骤S1中，采集得到槽波数据后，对槽波数据进行预处理，所述预处理包括坏道剔除、极性校正和槽波提取。

实施例2

图3的(a)和(b)所示分别为煤矿工作面衰减系数模型与小波域小波系数模型网格图，模型剖分网格间距10m，代表工作面长度1000m、宽度320m。模型包括垂向32个网格，水平方向100个网格，共有3200个网格。在常规反演中需要反演3200个槽波衰减系数。小波系数模型中共有非零元素125个，即在反演时只要反演125个非零小波系数即可。因此，可以看出在小波域反演模型参数相比原来的3200模型参数下降到了96.09％，而观测数据没有变化，因此可以极大的提高反演方程的稳定性，提高反演的可靠性。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。