基于三维地震数据动态解释技术的透明工作面研究

《Engineering Applications of Artificial Intelligence》：Research on transparent working face based on dynamic interpretation technology of three-dimensional seismic data

三维地震数据动态解释方法提升透明工作面检测精度，通过目标处理与动态建模整合地表钻探和井下数据，采用离散平滑插值优化地质模型。结合灰色关联分析及粒子群优化算法改进随机森林模型，实现双程旅行时与煤层底板标高的非线性关系建模，使预测准确率达75%，底板标高误差控制在1.33米内。

　　

魏立|赵雷|刘在斌|刘文明|李波|严俊生|王华辉

中国煤炭研究院，北京，100013，中国

摘要

随着煤炭开采向更深的层次延伸，准确检测煤层底部的起伏、识别煤层厚度的变化以及识别诸如坍塌柱等复杂的地质特征变得越来越重要。这些挑战对采矿作业的安全性和效率提出了更高的要求。本研究提出了一种基于三维（3D）地震数据的动态解释方法，以提高检测煤层地质结构的准确性。该方法综合应用目标处理和动态解释技术，对煤层底部高程和平均速度场进行精确分析。通过整合地面钻孔和地下巷道数据，数据模型得到动态更新，从而显著提高了模型的准确性和可靠性。研究表明，改进的数据校正方法显著提高了模型的准确性和可靠性。在结构预测中，通道波的检测准确率达到75%，同时保持煤层底部剖面预测的最大绝对误差在1.33米以内。随机森林模型作为一种机器学习方法，通过结合灰度相关性和粒子群优化（PSO）算法得到了改进，进一步揭示了煤层底部高程与双向旅行时间（TWTT）之间的复杂关系。该方法不仅利用人工智能（AI）技术提高了透明工作面的检测精度和效率，还为安全煤炭开采提供了可靠的地质支持。随着地质数据的持续动态更新，该方法能够实现采矿决策的实时优化，并降低地质灾害的风险。

引言

随着全球能源需求的持续增长，煤炭在全球能源供应系统中占据了关键地位（Sun等人，2023年）。然而，传统的煤炭开采方法面临诸多挑战，包括资源浪费、环境退化以及安全问题（Wang等人，2020b年）。近年来，技术的快速发展，特别是3D地震技术的出现，为煤炭行业带来了新的机遇和可能性。

自1975年首次应用于石油勘探以来，3D地震技术迅速成为地质勘探中不可或缺的工具（Bloch和Voola，2004年）。其原理基于反射和折射地震波的处理和成像，从而提供地下地质结构的三维视图。这使得地质学家和工程师能够更准确地识别断层、褶皱和其他结构特征。多年来，全球主要煤炭开采国家在检测采矿所需的地质条件方面进行了广泛的研究，重点关注技术、理论、方法以及仪器的开发（Guo等人，2024年；Liu等人，2023年），取得了显著进展。美国、俄罗斯和沙特阿拉伯等国家通过联合项目和先进设备的发展，不断推进3D地震技术的应用前沿（Riyadi，2022年）。这些研究不仅提高了资源储量评估的准确性，还在资源开发决策中发挥了关键作用。此外，计算机技术和数据处理算法的进步显著提高了3D地震数据处理的速度和精度（Mandelli等人，2018年）。在伊拉克中部调查区的研究中（Fadhel和Al-Rahim，2019年），利用高分辨率3D地震数据成功识别并绘制了七个主要正断层的地图，详细说明了断层的规模、方向和相对位移。同样（Alao等人，2013年），利用3D地震技术识别断层并创建了地层图，从而获得了岩石物理参数和时深结构图。此外（Hernández-Molina等人，2022年），使用深度偏移技术对3D地震数据进行了高精度分析，详细记录了盆地内 Contourite 沉积系统的结构。同时，动态3D解释和建模技术以及数字孪生在工业安全中的应用也日益成熟。Wang等人（2023年）提出了一个五维数字孪生框架，用于煤矿安全管理，为风险预警和决策提供支持。这些研究表明，3D地震技术在地质勘探中的应用已经从最初的简单结构识别发展到现在的高分辨率成像和煤层预测。这项技术在复杂的地质条件下展示了出色的检测能力。

自20世纪80年代以来，国内3D地震勘探技术取得了显著进展，能够在平原和丘陵地区检测到位移为3至5米的微小断层和直径超过20米的坍塌柱（Dong等人，2021年）。随着预堆叠偏移（Xu和Zhang，2024年）、3D目标处理以及复杂区域3D地震静态校正（Du等人，2022年）等技术的发展，3D地震勘探技术的准确性得到了显著提高。这种提升还得益于结合剖面分析、平面分析和体积分析的集成解释方法的应用。特别是切片解释（Jia等人，2022年）、地震属性解释（Jia等人，2023年）、断层模式识别、3D可视化以及利用相干性和方差体积的小结构解释等技术，显著提高了解释的精度和效率（Liu等人，2015年；G. Wang等人，2020a年）。同时，基于3D地震技术的一系列新的地震勘探方法也应运而生，包括垂直地震剖面（VSP）、反向VSP和时间延迟地震勘探（Lisitsa等人，2019年；Tao等人，2022年，2023年）。Liang等人（2025年）开发了一种基于深度神经网络的地震破裂模拟替代模型，显著提高了计算效率。Ahmadov和Amirov（2020年）通过将VSP勘探与测井数据结合，发现了储层中的速度反演和异常高压现象（Wapenaar和Van Ijsseldijk，2021年）。利用Marchenko多次散射方法成功分离了储层内的内部多次波，提高了检测时间变化的能力（Bilal等人，2024年，Bilal等人，2025a年）。表1展示了三维地震技术在地质勘探中的应用研究比较。

如表1所示，3D地震技术在地质勘探中得到了广泛应用。然而，其在煤炭生产过程中的地质数据集成仍然较为静态，缺乏动态更新机制。此外，煤矿生产对地质勘探的精度要求更高，包括准确检测煤层底部的起伏、识别煤层厚度的变化以及坍塌柱。为了解决这些挑战，本研究提出了一种基于3D地震数据动态解释的透明工作面方法。这项工作的新颖之处在于三个方面：（1）一个将目标导向的地震处理与动态解释相结合的集成框架，使得随着采矿的进行能够进行持续更新和迭代优化；（2）将地面地震数据与地下钻孔和巷道勘探暴露数据相结合，通过离散平滑插值（DSI）动态校正模型，从而显著提高地质模型的准确性和可靠性；（3）采用通过灰度相关性分析（GRA）和粒子群优化（PSO）优化的随机森林模型，实现更准确的时间-深度转换，并阐明煤层底部高程与双向旅行时间（TWTT）之间的复杂非线性关系。总体而言，这些进步旨在通过动态数据更新提高煤层底部高程预测的准确性。同时，它还旨在评估这种动态解释方法在识别复杂地质结构方面的有效性以及通过改进的机器学习模型评估的地震数据解释的可靠性问题。所提出的方法为安全高效的煤炭开采提供了更高精度的地质保障。

研究区域和数据

本研究聚焦于新源煤矿的XY-S工作面。该工作面开采3号煤层，煤层底部高程在508至582米之间。煤层厚度从2.60米变化到3.14米，平均厚度为2.78米，倾角在2度到6度之间。整体结构为从东向西倾斜的单斜构造，主要由具有良好内生裂隙的亮煤组成。进风巷和回风巷主要沿着3号煤层布置

煤层底部剖面分析

在工作面的研究中，通过钻孔获得了煤层底部高程、煤层厚度和地表高程的部分数据。图8(a)显示了各个钻孔的位置，其中XY钻孔代表含煤甲烷钻孔。

图8(b)显示了各个钻孔点的煤层高程，颜色从蓝色到红色变化，反映了煤层高程的空间梯度。最高的煤层底部高程为549.1米，位于

结论

本研究基于3D地震数据动态解释技术，研究了透明工作面的精确检测方法。对工作面的地震剖面、煤层底部高程与TWTT之间的关系、平均速度场以及煤层厚度进行了系统分析，采用了3D地震数据目标处理和动态解释方法。此外，还开发了一个改进的随机森林模型进行评估

CRediT作者贡献声明

魏立：撰写——原始草案，调查。赵雷：软件。刘在斌：项目管理，资金获取，概念化。刘文明：监督。李波：方法论。严俊生：概念化。王华辉：调查，正式分析。

资助

本工作得到了以下项目的支持：地下煤矿水库水位超限的预防和控制技术及设备研究 [资助编号 -->2024ZD1700102]，基于机器视觉的煤矿煤岩界面识别和定位技术研究 [资助编号 -->2025CY-YBXM-609]，智能矿山透明地质保障技术创新团队 [资助编号 -->2025SQTD-001]，三秦人才专项支持计划创新

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。