随采地震噪声衰减研究_刘强.pdf

第 47 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.3 2019 年 6 月 COAL GEOLOGY Guizhou Science and Technology Major Projects [2018]3003-1； Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG2018XAYZD02 作者简介 刘强，1988 年生，男，陕西蒲城人，博士，研究方向为地震信号噪声衰减与波场分离. E-mailliuqiang 引用格式 刘强. 随采地震噪声衰减研究[J]. 煤田地质与勘探，2019，47325–28. LIU Qiang. Study on noise attenuation of seismic while mining[J]. Coal Geology noise attenuation; cross-correlation; wavelet trans 保障煤矿井下作业人员人身安全是煤矿安全开 采过程中首要考虑的因素，而最理想的解决方案即 以井下少人/无人的智能化开采模式代替现有传统 开采方式。随着煤矿井下智能探测技术的发展，井 下少人/无人的开采方式也在逐步探索和实现中，其 中，随采地震勘探技术即是实现煤矿井下智能化探 测技术的方法之一。传统煤矿井下地震勘探技术一 般采用炸药激发的能量作为震源，但炸药会产生许 多威胁矿工人身安全的潜在不利因素，例如煤岩应 力状态的瞬时急剧改变、巷道粉尘的增加以及操作 ChaoXing 26 煤田地质与勘探 第 47 卷 不当引起电火花等。为了解决上述炸药激发产生的 安全隐患，随采地震勘探技术逐步在煤矿井下开始 试验。随采地震勘探技术，即在对工作面开展地震 勘探的过程中，将采煤机截割煤岩体的能量作为震 源以替换炸药震源， 随着采煤机作业的同时， 同步进 行地震勘探[1-4]。此项技术革新不仅可以解决炸药激 发引起的各种安全隐患问题， 而且可以达到即时探测 因煤岩体采动而诱发的瞬时地应力变化及断层活化 等灾变地质体的目的，同时不干预煤矿正常作业。 虽然随采地震勘探技术具有上述优势，但由于 采煤机截割煤岩体的震动能量远小于炸药激发产生 的能量，因此随采勘探方式采集到的有效信号能量 也低于采用炸药作为震源的传统勘探方式，并且由 于长时间的持续探测，环境噪声如单频干扰、机械 振动干扰以及随机干扰等也会被更多引入，导致采 集数据的信噪比降低，严重影响后续频散分析、反 演成像等处理精度。综上所述，在开展后续信号处 理之前，必须对原始采集信号开展信噪分析及噪声 衰减处理。笔者通过对贵州众一金彩黔矿业有限公 司岩脚煤矿随采数据的信噪分析发现，单频和随机 噪声严重影响了信号质量，鉴于此，提出了联合互 相关和小波变换技术进行噪声衰减的新方法，通过 模拟数据和实际数据证明，本方法可以在很大程度 上提高信号的信噪比。 1 方法原理 衰减随机噪声的方法相对成熟，其中基于时频 变换的方法得到了广泛应用[5-8]，笔者采用了基于小 波变换的时频变换方法压制随机干扰，其中，信号 s 的小波变换可以表达为[9-10]   * 1 ,d ,0 m V m nsn nn         1 式中 ,V m n为小波系数；  称为母小波；母小 波通过不同时移参数 m 和尺度参数 n 生成对应小波 库后参与信号的小波变换；  * 为母小波的复共 轭，τ 为时间。 根据式1所述小波变换原理可知，在小波域， 随机信号的系数一般小于有效信号，通过设置合适 的阈值即可达到衰减随机噪声的目的[8]，但当有强 干扰的单频噪声存在时， 将严重影响噪声衰减效果。 基于此，提出先衰减单频噪声，再压制随机噪声的 思路。 不同于其他单频噪声的压制方法[11-13]，提出基 于互相关干涉原理的同步衰减多道单频噪声的方 法，在构建随采地震记录的同时降低单频噪声的能 量。其中，频率域互相关原理可描述为[14-15]   2 * ,, abab CWfG rf Grf 2 式中 ab C表示互相关结果， Wf表示震源响应因 子，, a G rf代表震源 f 到检波器 a r的格林函数， , b G rf代表震源 f 到检波器 b r的格林函数， * G表 示G的复共轭。 根据式2可知，当采集环境中单频干扰稳定 时，参考道指检波器 a r或 b r若无单频干扰，互相关 地震记录的单频能量将远低于参考道有单频干扰的 情况。据此，提出了下述步骤衰减单频和随机噪声， 噪声衰减流程如图 1 所示。 图 1 随采地震噪声衰减流程图 Fig.1 Flow chart of the noise attenuation of seismic while mining 首先，压制参考道信号的单频噪声，构建互相 关记录，即可得到单频噪声能量较小的互相关地震 信号； 然后，采用基于小波变换的方法将互相关记录 转换入小波域，选择合适的阈值方法衰减随机噪声 和残余单频噪声，其中，阈值计算公式为[16-17] 2lnk 3 式中 medianmedian/0.674 5 ss VV  。其中， median 表示求取中值运算， s V表示待处理的小波系 数，k 表示参与计算的小波系数数量。 最后，将小波域信号逆变换至时间域，可计算 得出高信噪比的互相关记录。 2 算 例 2.1 模拟数据 首先利用模拟数据证明方法的效果，其中模拟 数据的观测系统依据实际随采地震系统构建，如图 2 所示。 图 2 中，采煤机震源以 150 个随机震源模拟计 算，2 号和 3 号虚线处各布置了 30 个检波器，时间 采样率 0.5 ms， 速度模型为 1 700 m/s的均匀速度场。 从 2 号检波器阵列中选取了一个检波器与 3 号检波 器阵列进行互相关得到如图 3 所示记录。 ChaoXing 第 3 期 刘强 随采地震噪声衰减研究 27 图 2 随采地震观测系统平面图 Fig.2 Plan of the seismic while mining observation system 图 3 无噪地震信号模拟记录 Fig.3 Analog noise-free seismic signals 在互相关计算之前将原始数据的第 16第 30 道添加了 50 Hz 的单频噪声，其中单频噪声能量为 有效信号的 3 倍。 进行互相关运算后得到如图 4a 所 示的地震记录，同时在记录中添加了信噪比为 0.1 的随机噪声，取出其中第 16 道进行时频分析如图 4b 所示，图中可以看出 50 Hz 处有较强的能量。若 仅采用基于小波变换的方法进行去噪，则记录中依 然残留单频干扰噪声，如图 4c 所示。如果继续增加 阈值系数压制单频噪声，则将损失有效信号。 通过式2可计算得出， 当参考道单频噪声能量减 少至初始能量的 1/N 时，互相关结果中对应的单频能 量也将减少至原始能量的 1/N。对待处理实际含噪数 据的频谱分析发现，一般情况下单频噪声的能量高于 有效信号的 10 倍， 因此通过上述降低参考道单频噪声 能量然后互相关的方法将图 4a 中的单频信号能量降 低为初始的 1/10，结果如图 5a 所示，图 5b 为其中第 16 道对应的时频谱， 从中亦可发现单频噪声能量被大 幅衰减，最后采用与图 4 相同的去噪方法即可得到高 信噪比的去噪结果，如图 5c 所示。 2.2 实际数据 实际数据采集于贵州众一金彩黔矿业有限公司 图 4 模拟数据噪声衰减随机噪声和时频分析 Fig.4 Noise attenuationrandom noise and time-frequency analysis of analog data 图 5 模拟数据噪声衰减随机噪声和单频噪声和时频分析 Fig.5 Noise attenuationrandom noise and single-frequency noise and time-frequency analysis of analog data ChaoXing 28 煤田地质与勘探 第 47 卷 岩脚煤矿 12701 工作面，观测系统平面简图如图 2 所示图中，灰色区域表示采煤工作面，风巷、机 巷和切眼的相对位置如图中标记所示，工作面宽度 200 m 左右， 此次试验检波器位于图中虚线所示的 4 个深孔中，孔深 90 m，道间距 15 m。其中靠近切眼 位置的深孔为 2 号深孔，向后为 3 号深孔。 根据图 2 所示的参考道和采煤机的相对位置， 通过互相关得出如图 6a 所示的地震记录，图中， 15 道位于机巷 3 号深孔中，611 道位于风巷 3 号深孔中，其中，小号位于孔底，大号位于孔口。 由图 6a 可以看出， 记录中存在很强的单频和随机噪 声干扰。 图 6 实际数据噪声衰减随机噪声和单频噪声 Fig.6 Noise attenuation of actual datarandom noise and single-frequency noise 采用上述噪声衰减方法首先压制参考道的单频 噪声，然后进行互相关可得到图 6b 所示的记录，相 比图 6a，单频噪声得到很大程度的压制，最后采用 基于小波变换的方法压制随机噪声和残余单频噪 声，去噪结果如图 6c 所示，相较于图 6a，互相关 记录的信噪比得到大幅提升，证明了该方法的去噪 效果，噪声衰减结果也将为后期的成像处理提供更 高质量的基础数据。 3 结 论 a. 实际随采数据中，当随机噪声和强单频干扰 共同存在时，首先对强单频噪声进行一定程度的压 制，然后衰减随机噪声和残余单频干扰，可以获得 高信噪比的去噪结果。 b. 通过提出的联合互相关和小波变换技术的 新方法，可以有效去除随采地震探测信号中强单频 和随机干扰噪声。 致谢感谢贵州众一金彩黔矿业有限公司织金 县少普乡岩脚煤矿给予本次试验提供的场地和人员 支持 参考文献 [1] BUCHANAN D J， MASON I M， DAVIS R . 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