一种基于AVO反演的煤与瓦斯突出危险区预测方法与流程

本申请涉及矿山安全技术领域，具体涉及一种基于avo反演的煤与瓦斯突出危险区预测方法。

背景技术：

煤与瓦斯突出是指在压力作用下，破碎的煤与瓦斯由煤体内突然向采掘空间大量喷出，是一种瓦斯特殊涌出的现象。大量的现场调查和试验研究，发现煤与瓦斯突出总是首先发生在煤体结构遭到严重破坏的软煤分层中，大部分煤与瓦斯突出危险区域都是构造煤的分布区域，实际上关于构造煤的研究资料表明：

1)构造煤发育区域由于煤体孔隙度、渗透性大而成为瓦斯良好富集带；

2)构造煤具有解析速度快的特点；

3)构造煤发育区域容易引起地应力集中；

4)构造煤强度低，抵抗外来破坏的能力最小。

因此，在煤岩层和瓦斯组成的力学系统中，构造煤起到了核心作用。煤与瓦斯突出发生与否就取决于地压和瓦斯膨胀能对煤壁所产生的侧向压力大小和煤体抵抗破坏能力两方面的关系。也就是，如果将煤与瓦斯突出看为一个力学过程，它必然有一个作用于物质实体(比如原生煤、构造煤)的动力，同时煤体也产生抵抗力，即阻力。当阻力大于动力，突出就被有效地遏制，而阻力小于动力时，突出就不可避免地发生。基于以上大部分煤与瓦斯突出危险区域都是构造煤的分布区域的认识，认为煤与瓦斯突出危险区的预测以构造煤分布规律为基础，可以利用煤体结构探测来进行煤与瓦斯突出危险区的预测。

相关技术中，对构造煤的描述方法存在多种，主要是从构造煤与地质构造的关系，寻找构造部位进行预测，该方法由于受到钻孔点信息与地质体的不可见性，对于构造煤的预测具有很大的主观性。并且传统方法使用的已知地面或井下钻孔、取芯等散点数据，只能进行大面积的大体预测，无法进行局部点性精细预测。

技术实现要素：

为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种基于avo反演的煤与瓦斯突出危险区预测方法。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种基于avo反演的煤与瓦斯突出危险区预测方法，包括：

使用叠前地震数据体进行三参数avo反演，获得煤层密度、体积模量和剪切模量；

根据煤层密度、体积模量和剪切模量确定预测指标；

将目标区域的预测指标、煤层密度、体积模量和剪切模量的分布情况进行综合分析，获得煤与瓦斯突出危险区的分级预测结果。

进一步地，所述使用叠前地震数据体进行三参数avo反演，包括：

根据三参数avo反演方法获得密度变化率、纵波速度变化率、横波速度变化率；

根据三角关系式将反演公式进行转换；

根据转换后的公式计算煤层密度；

根据纵波速度、横波速度和煤层密度计算煤层体积模量、煤层剪切模量。

进一步地，获得密度变化率、纵波速度变化率、横波速度变化率的三参数avo反演方法公式为：

r(θ)＝a+bsin²(θ)+csin²(θ)tan²(θ)；

其中，r(θ)为纵波入射角θ的反射系数；a为截距，地震波垂直入射时的反射系数；b为梯度，地震波反射系数变化梯度；

分别为密度变化率、纵波速度变化率、横波速度变化率。

进一步地，所述根据三角关系式将反演公式进行转换，转换后的公式为：

进一步地，所述根据转换后的公式计算煤层密度，包括：

对地震道时间域上的n个点：t1，…，ti，…，tn，有以下关系：

将上式两边求和，变换后获得煤层密度ρ：

进一步地，所述煤层体积模量k为：

所述煤层剪切模量μ为：

进一步地，所述预测指标为：

ρ×k×μ。

进一步地，所述方法还包括：

将地震数据进行保真处理，获得叠前地震数据体。

进一步地，所述方法还包括：

针对具体矿井进行地球物理预测、地球地质预测和钻探实测；

根据物理预测、地球地质预测和钻探实测结果对分级预测结果进行验证。

根据本申请实施例的第二方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任意一种实施例所述方法的操作步骤。

本申请的实施例提供的技术方案具备以下有益效果：

本申请提出的三参数avo分析方法能够直接反演出地质介质地震响应的密度ρ、体积模量k和剪切模量μ三个弹性参数特征，到了三维反演，能够更准确地反映地质体的岩石物性差异，预测效果好；能够精准地查明煤与瓦斯突出灾害源分布特征，显著提高了煤与瓦斯突出危险区的可预测性以及预测的精准度和可视性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1根据一示例性实施例示出的一种基于avo反演的煤与瓦斯突出危险区预测方法的流程图。

图2是煤层密度分布图。

图3是煤层剪切模量分布图。

图4是煤层体积模量分布图。

图5是煤层p波速度分布图。

图6是煤层横纵波速度比vs/vp分布图。

图7是煤层泊松比分布图。

图8是基于三参数avo属性的煤与瓦斯突出危险区“四图三测”的预测法技术路线图。

图9是煤层的预测指标(密度×剪切模量×体积模量)分布图。

图10是煤层地质体与地震体之间的一、二、三维正反演关系示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的方法的例子。

为更清楚地阐明本申请的技术方案，首先对本方案的技术原理进行说明。

利用地球物理方法预测煤与瓦斯突出危险区域的关键是如何将突出区域的地质特征表现为地震数据的地球物理响应特征，进而利用地球物理响应特征反演预测煤与瓦斯突出的危险区域，具有区域性宏观把握与可视性，是煤与瓦斯突出灾害源预测的发展方向。

地震振幅随炮检距变化在高精度勘探中已证明是十分有效的，岩石物性的变化分别控制了反射波的强度和avo响应的特征。目前，常规的avo分析方法是从地震资料中提取振幅，并通过截距和斜率两种属性将振幅随炮检距的变化与岩石物性联系起来。由于截距是地层纵波速度vp和密度ρ的函数，斜率是地层纵波速度vp和横波速度vs的函数。这就使得主要的三个弹性参数vp、vs、ρ中的任意2个被捆在了一起，不能分离，在许多情况下两参数反演会失效，如岩性变化剧烈、储层的含气饱和度低。振幅属性的变化取决于岩石物性的综合影响，受到多种因素的叠加复合。

melly和skidmore(2001)等提出密度、纵波速度、横波速度的变化率δρ/ρ、δvp/vp、δvs/vs三个参数的三参数avo反演方法。在某些情况下，这三个属性也不能直接反映煤层密度ρ、体积模量k和剪切模量μ三个弹性参数。

因此，利用地震资料有效预测瓦斯突出的危险区域，需要基于煤与瓦斯突出危险区的弹性参数响应特征，本发明提出了一种能直接反演出低密度和(或)低剪切模量以及体积模量区域的三参数avo反演方法。

图1根据一示例性实施例示出的一种基于avo反演的煤与瓦斯突出危险区预测方法的流程图。该方法可以包括以下步骤：

步骤s1：使用叠前地震数据体进行三参数avo反演，获得煤层密度、体积模量和剪切模量；

步骤s2：根据煤层密度、体积模量和剪切模量确定预测指标；

步骤s3：将目标区域的预测指标、煤层密度、体积模量和剪切模量的分布情况进行综合分析，获得煤与瓦斯突出危险区的分级预测结果。

本申请提出的三参数avo分析方法能够直接反演出地质介质地震响应的密度ρ、体积模量k和剪切模量μ三个弹性参数特征，到了三维反演，能够更准确地反映地质体的岩石物性差异，预测效果好；实现利用三维地震资料进行区域性预测评价煤与瓦斯突出煤层突出危险区与非突出安全区；能够精准地查明煤与瓦斯突出灾害源分布特征，显著提高了煤与瓦斯突出危险区的可预测性以及预测的精准度和可视性。

本发明提供了一种直接反演岩体介质密度ρ、体积模量k和剪切模量μ的三参数地震avo技术，来探测和预测严重威胁煤矿安全高效生产的煤与瓦斯突出危险源的方法，主要是通过三维反射波地震资料直接获取煤层密度ρ、体积模量k和剪切模量μ的三弹性参数数据体，建立了煤与瓦斯突出危险区的地球物理响应特征与识别模式，提取了三参数avo综合属性，构建了突出危险区域预测avo属性指标，最后提出了一套全新的完整的基于三参数avo属性的煤与瓦斯突出危险区预测方法。

一些实施例中，所述使用叠前地震数据体进行三参数avo反演，包括：

根据三参数avo反演方法获得密度变化率、纵波速度变化率、横波速度变化率；

根据三角关系式将反演公式进行转换；

根据转换后的公式计算煤层密度；

根据纵波速度、横波速度和煤层密度计算煤层体积模量、煤层剪切模量。

1、直接获取煤层密度ρ、体积模量k和剪切模量μ的三弹性参数avo反演算法：

melly和skidmore(2001)等提出了获取密度、纵波速度、横波速度的变化率三个参数的三参数avo反演方法公式(a)，

r(θ)＝a+bsin²(θ)+csin²(θ)tan²(θ)

r(θ)为纵波入射角θ的反射系数；a为截距，地震波垂直入射时的反射系数；b为梯度，地震波反射系数变化梯度。

分别为密度、纵波速度、横波速度的变化率。

根据三角关系式，本发明将其改写为公式(b)：

对地震道时间域上的n个点：t1，...，ti，...，tn(其中δt＝ti+1-ti为采样间隔)；有以下关系：

将上式两边求和，则有：

ρ(tn)即为煤层密度。

同理，煤层体积模量：

煤层剪切模量：

melly和skidmore(2001)等提出的avo反演的结果实际上是获取密度、纵波速度、横波速度的变化率三个参数，这三个属性不能直接反映介质的密度ρ、体积模量k和剪切模量μ三个弹性参数。本发明提出了一种新的三参数avo反演方法，可直接反演出密度ρ、体积模量k和剪切模量μ三个弹性参数，并利用ρ、k和μ讨论煤岩介质的岩性问题，进而奠定了煤层煤体结构类型的预测划分基础。

2、建立煤与瓦斯突出危险区的地球物理响应特征与识别模式

表1是杨陆武和彭立世(1995)给出的构造煤和原生煤的弹性参数。可以看出，构造煤的剪切模量远远小于原生煤的剪切模量，构造煤体积模量与密度也小于原生煤，这是由于构造煤的裂隙比原生煤的裂隙更为发育，利用这一弹性参数特点能够很好地区分构造煤和原生煤，预测瓦斯突出的危险区域可通过预测低密度、低体积模量、低剪切模量区域来实现。

表1煤体结构弹性参数

3、提取三参数avo综合属性

从煤层密度ρ、体积模量k和剪切模量μ三参数avo属性，进一步提取了其它四种煤层相关的属性参数：p波速度、横纵波速度比vs/vp、泊松比、密度×剪切模量×体积模量，形成了煤层三参数avo属性系列。如此本发明共提取了煤层密度ρ、体积模量k、剪切模量μ、p波速度、横纵波速度比vs/vp、泊松比、密度×剪切模量×体积模量，共计七种煤层三参数地震avo属性。

表2煤层三参数avo属性

(3.1)煤层密度ρ，其可反映介质的岩性、矿物成分、孔隙、裂隙和压实程度、流体含量。本发明提出反演方法直接得出煤层密度ρ如图2所示，密度较小的区域表明储层空隙裂隙发育，构造煤的可能性很大，同时瓦斯含量较高；

(3.2)剪切模量μ，可用于标明岩性变化、区分孔隙和裂隙类储层、区分固体和流体介质。本发明提出反演方法直接得出剪切模量μ如图3所示，裂隙发育、压实程度差会使剪切模量变小，值的变化与是否含有流体或流体性质无关，剪切模量较小的区域表明储层空隙裂隙发育、压实程度差，构造煤的可能性很大；

(3.3)体积模量k，其可反映介质的岩性、矿物成分、孔隙、裂隙和压实程度、流体含量。本发明提出反演方法直接得出煤层密度ρ如图4所示，受空隙裂隙发育状况、流体充填、储层的压实程度、流体类型、饱和度和储层的岩性变化的影响，体积模量较小的区域表明储层空隙裂隙发育、压实程度差，构造煤的可能性很大，同时瓦斯含量较高；

(3.4)p波速度，其可反映介质的岩性、矿物成分、孔隙、裂隙和压实程度、含量、密度。可由弹性参数之间的转换关系式计算。

如图5所示煤层的p波速度展布图。密度、空隙裂隙发育状况、流体充填、储层的压实程度、流体类型、饱和度和储层的岩性变化都会不同程度p波速度，对于构造煤，其p波速度为较小值，当其富含瓦斯时其p波速度更为降低。

(3.5)横纵波速度比vs/vp，其可反映介质的岩性、流体特征。可由弹性参数之间的转换关系式计算。

如图6所示，横纵波速度比vs/vp展布图，值的大小受剪切模量和体积模量共同影响，横纵波速度比vs/vp较小的区域反映了构造煤发育和瓦斯富集区。

(3.6)泊松比v，其可反映介质的岩性、流体特征。可由弹性参数之间的转换关系式计算。

如图7所示，煤层的泊松比展布图，值的大小受剪切模量和体积模量的影响，是横向变形系数，反映介质横向变形的弹性常数，泊松比较大的区域反映了构造煤发育。

(3.7)密度×剪切模量×体积模量(ρ×k×μ)，是一个复合指标，反映了介质的密度、剪切模量和体积模量，由三者乘积计算。该值较大的区域反映了构造煤发育，瓦斯较为富集，煤与瓦斯突出危险性较大。

4、构建突出危险区域预测avo属性指标

煤与瓦斯突出区域具有岩物性孔隙度大、煤体结构以构造煤为主的特点。构造煤在弹性参数方面，表现为密度和剪切模量相对较低。另一方面，瓦斯含量的增加会降低煤层的体积模量。也就是说突出危险区域往往密度、剪切模量和体积模量都相对低。

因此，根据煤与瓦斯突出危险区的弹性参数特征，构建了一个预测指标ρ×k×μ——煤层密度、剪切模量和体积模量乘积，作为突出危险区域预测avo属性指标，该值较大的区域反映了构造煤发育，瓦斯较为富集，煤与瓦斯突出危险性较大。

基于以上煤与瓦斯突出危险区的弹性参数响应特征，利用地震资料可以反演出低密度和(或)低剪切模量以及体积模量区域，进而预测瓦斯突出的危险区域。根据地震avo理论，提出可以直接提取密度、剪切模量和体积模量三种弹性参数的avo反演技术，选取三参数avo属性中这三个的乘积属性作为突出危险区域预测指标，乘积值越低危险性越高，如图7所示，密度×剪切模量×体积模量(ρ×k×μ)较大的区域煤与瓦斯突出危险性越大。

5、基于三参数avo属性的煤与瓦斯突出危险区预测。本发明的技术路线如图8所示，具体实施如下：

(5.1)地震数据通过保真处理之后，获得叠前地震数据体；

(5.2)随后即可作三参数avo属性反演计算，获得煤层密度ρ、体积模量k和剪切模量μ三个弹性参数数据体，进而获得突出危险区域预测指标密度×剪切模量×体积模量(ρ×k×μ)的分布图，并在关键位置、区域逐一分析密度、剪切模量和体积模量分布图；

(5.3)针对具体矿井，已发生过突出灾害的区域进行煤岩采集，进行实验室岩石物理测试，实测分析其突出区的地球物理相应机理与特征及其识别模式进行地球物理预测；对于未发生过突出灾害的矿井，可以根据周边相似煤层地质条件的矿井采集或借鉴其突出区岩石物理参数，建立其突出区的地球物理特征与识别模式；

(5.4)再结合煤与瓦斯突出区的地质机理与规律进行地质预测，包括煤层构造、厚度、顶底板等赋存条件与稳定性、岩石力学特征、地应力场以及煤层瓦斯压力、含量、放散初速度等煤层与瓦斯地质因素与规律，如图9中所示的突出危险区域预测指标密度×剪切模量×体积模量(ρ×k×μ)分布图与煤层构造分布图相叠加，其中ρ×k×μ低值区域同时又有断层发育的地方，发生突出的危险性大增，应该重点关注；

(5.5)地球物理与地质预测均为间接预测方式，需要在前面两个预测的基础上利用钻探进行实测验证，确保可靠性；

(5.6)基于所述思路提出了基于三参数avo属性的煤与瓦斯突出危险区“四图双预测一实测”的区域性预测方法(四图三测法)，具体过程如前所述，进而为矿井安全高效生产提供基于三参数avo属性的煤与瓦斯突出危险区分类分级预测成果。

本发明还提供如下的实施例：

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现一种基于avo反演的煤与瓦斯突出危险区预测方法：使用叠前地震数据体进行三参数avo反演，获得煤层密度、体积模量和剪切模量；根据煤层密度、体积模量和剪切模量确定预测指标；将目标区域的预测指标、煤层密度、体积模量和剪切模量的分布情况进行综合分析，获得煤与瓦斯突出危险区的分级预测结果。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

本发明采用上述技术方案，具有如下优点：

(1)在介质中传播的地震波的特性取决于介质密度ρ、体积模量k和剪切模量μ，也就是说介质的地震响应是三元函数。地球物理反演的目的是如何从地震数据中提取介质密度ρ、体积模量k和剪切模量μ，并建立这三个基本物理量与地质体之间的联系，通过这种联系将求取地质体的岩性问题转化为求取地球物理响应的基本物理量的问题解决，在反演时可以精准地进行岩性预测。

如图10所示，示意了三种地震反演方法的关系与区别。常规的两参数avo分析方法是建立在shuey(1985)提出的r(θ)≈a+bsin²(θ)二项式基础上，是二维反演，所获得的截距a和斜率b两种属性是介质ρ、k、μ三个参数的函数，不能直接反应介质地震响应特征，对于岩石物性的解释，在许多情况下两参数会失效；从叠后的地震资料上提取信息即叠后地震波阻抗属性反演，是一维反演，存在更多的不确定性(多解性)。相比而言，本发明提出的基于密度ρ、体积模量k和剪切模量μ三参数avo分析方法的优点是能够直接反演出地质介质地震响应的三个弹性参数特征(ρ、k、μ)，做到了三维反演，能够更准确地反映地质体的岩石物性差异(地震响应意义下)。

(2)提取了七种煤层三参数地震avo属性，结合煤与瓦斯突出危险区的地球物理特征，提出了突出危险区域预测avo属性指标，煤层密度ρ、体积模量k和剪切模量μ乘积属性作为突出危险区域预测指标，乘积值越低危险性越高，该指标简单易于计算，综合考虑了突出危险区的弹性特征，具有较强的敏感性和指示性。

(3)基于三参数avo属性的煤与瓦斯突出危险区“四图双预测一实测”的预测方法(四图三测法)，是融合了地球物理、地质、钻探资料的综合性预测评价方法，与传统的地质预测和钻探预测相比，更加精准地查明煤与瓦斯突出灾害源分布特征，显著提高了煤与瓦斯突出危险区的可预测性以及预测的精准度和可视性，并指导钻探工作进行针对性的确定灾害源靶区，可大幅降低煤与瓦斯突出灾害防治成本。

(4)传统方法使用的已知地面或井下钻孔、取芯等散点数据，并结合瓦斯地质规律和特征进行点性实测和面性大体预测，本发明也使用这些已知数据，更重要的是结合地震数据进行约束外推，由于地震数据具有在横向上高密度网格的特征，使用地震数据的外推精度要明显高于单纯使用散点数据的结果，是一种更加高效有效地煤与瓦斯突出区域面性精准预测方法，并进一步指导煤与瓦斯突出局部点性精细预测。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。