槽波地震仪

北京欧华联科技有限责任公司

一、概况   

1955年Frank Foster Evison在新西兰煤矿中首次观测到煤层波（in-seam seismic），也称之为槽波，发表了首篇槽波论文，并试图将其作为地震导波应用在煤层探测之中^[1]。上世纪60年代德国Prakla地震公司采纳了这篇论文的想法。1978年在美国Texas公司模拟地震仪DSF-V的基础上，德国研发出首台防爆数字槽波地震仪，与此同时，德国DMT公司开始对槽波勘探方法和仪器进行深入研究，并在1982年推出12位数字防爆槽波地震仪SEAMEX 80，获得推广应。1984年Doyel,J等人总结了澳大利亚的槽波工作经验^[2]。1985DMT公司年推出20位分辨率的防爆数字槽波地震仪SUMMIT UT，2010年研发出最新一代的，带有15寸彩色显示器和实时监控数据采集质量的，具有最高分辨率和最高防爆等级的SUMMITⅡEx槽波地震仪，同时在煤矿井下槽波勘探方法和应用以及数据分析等方面也积累了很多经验，取得了大量的成功应用实例。到目前，德国、英国、西班牙、波兰、捷克、俄罗斯、哈萨克斯坦、乌克兰、墨西哥、韩国等很多国家都在应用SUMMITⅡEx槽波地震仪，仅DMT就协助采集了400多个地震槽波勘探项目。

1985年我国西安煤科院引进SEAMEX80槽波地震仪，开始应用于煤矿井下勘探^[3].1994年刘天放等人编著了我国第一本槽波专著“槽波地震勘探”^[4], 1998年中国矿业大学（徐州）从DMT引进SUMMIT UT槽波地震仪，由于不同原因没有得到广泛应用。2010年河南省义马煤业集团和河北煤炭科学研究院先后引进了最新一代的SUMMITⅡ Ex槽波地震仪，2012年山东省兖矿集团和黑龙江省龙煤集团地质勘探公司、鹤岗煤矿和鸡西煤矿各引进一套SUMMITⅡEx槽波地震仪，2013年中国矿业大学，2014年山东科技大学，山东能源集团肥城煤业，河南焦作煤业集团，山西晋煤集团也分别引进了SUMMITⅡEx槽波地震仪。在过去四年中我国已有8个煤业集团，两所高校，一个研究院11个单位从德国DMT公司共购买11套SUMMITⅡEx槽波地震仪，早期购买者例如河南义马煤业集团，河北煤炭科学研究院和中国矿业大学等都取得了显著的槽波应用效果。

    为提高我国槽波勘探科技水平，2012年滕吉文院士牵头，中科院地质和地球物理研究所、河南义马煤业集团、中国地震局地质研究所、中科院地理和资源研究所和德国DMT公司参与下，获得国家自然科学基金的重点项目支持，简称槽波示范研究，为期五年。在执行此基金项目的前半期，义马煤业集团仅在探测煤层厚度变化，合理设计采煤工作面的应用中就创造了巨额的经济效益。义马煤业集团的实践，可以认为槽波在探测煤厚变化，探测断层和陷落柱等方面已取得了肯定性结果，在试验探测高瓦斯区、高应力区和采空区方面也取得了阶段性结果。

    我国是煤炭消耗大国，煤炭产量几乎占全世界产量的50%，然而我国多数煤矿地质构造复杂，重大灾害事故频发，特别是瓦斯、透水和冲击地压突发事件造成重大人员伤亡和财产损失，目前我国槽波勘探除在探测煤层结构、构造和地质异常体，为科学开采提供依据外，在预测瓦斯突出、透水事故和冲击地压突发事件上也取得了一定进展。

二、槽波勘探原理

1. 槽波的形成

图1   透射法槽波射线分布

1)         激发源在煤层内产生的地震波有纵波P和横波S。由于煤层的密度和波速值明显低于顶板和底板，所以P,S波沿顶、底板传播一段距离后便全反射和折射到煤层内部，并在煤层内部混响、叠加，形成槽波，也叫煤层波^[5]。

2)         槽波是频散波，即槽波速度值随频率而变化，这是透射法槽波分析的核心内容。

3)         由于槽波仅在煤层内部传播，所以它携带着煤层内部的所有信息，例如煤层厚度变化，断层展布，夹矸层厚度，煤层分叉，冲刷带，侵入体，陷落柱，采空区等异常体分布，对槽波数据进行采集和分析，可以圈定这些异常体。分析沿顶、底板传播的直达P波和S波可以获得顶、底板信息。

4)         由于槽波被限制在煤层内部传播，能量基本不外泄，所以传播距离远，探测距离长。透射槽波探测距离是煤厚的300倍，反射槽波探测距离是煤厚的150倍。

5)         由于槽波射线在煤层内部的分布密度取决于炮点数和接收点数，可根据探测目标体设计合理的射线路径和足够的射线密度，因此分辨率高，探测精度高。例如在工作面内布置24个数据采集站，50个激发点，便有24X50=1200条槽波射线穿过工作面。

2. 槽波记录

图2   槽波原始记录（单炮激发）

从图2可见，槽波记录包括：

•         直达P波和直达S波

•         勒夫波（L）和埃里震相

    对直达波进行速度成像可以了解顶、底板的速度分布，煤层的后期构造破坏，如断层、破碎带等都会出现在顶、底板内，因此直达波的速度成像，除了解顶、底板的性质和结构外，也可帮助了解煤层内部的后期构造破坏。

    勒夫波沿水平方向传播，质点垂直传播方向做水平运动。埃里相位是勒夫波的主相位，是槽波（即煤层波）的一部分，它的幅度最强，随激发源距离衰减慢，传播速度最低,频率最高。勒夫波的频散特征、即波速随频率变化特征，对煤层厚度变化，矸石层分布和煤层内的各种地质异常反映最敏感；勒夫波CT速度成像能清晰地显示煤层内部结构和各种地质异常的位置和大小；勒夫波CT能量成像能清晰地反映煤层的完整性和遭受破坏的程度，是开采安全评估的重要依据^[6]。

    瑞利波也是槽波，它的质点沿水平传播方向做垂直运动，在我们应用x，y双向水平检波器记录的槽波信号中很难显现。

3. 频散分析

图3   在同一工作面两处不同煤厚的勒夫波频散曲线：图a煤厚1m，主频（振幅最强、速度最低）950Hz， 图b煤厚1.3m，主频800Hz。可见频散曲线主频与煤厚密切相关

图4  不同煤厚的理论频散曲线，可见随着煤厚增加，主频（埃里相）向低频移动，在给定的频率下速度降低

频散分析是计算槽波速度随频率的变化^[4]，它能清晰地反应煤厚变化，断层分布，煤层内部构造等各种煤层不连续问题，是透射槽波勘探的基本依据。

图3是在同一工作面内实测的、两处不同煤厚勒夫波的频率分析结果：一处煤厚1.00m，在炮点S₄₁激发，G₃₈点接收，计算的勒夫波主频（埃里相）950Hz，另一处煤厚1.30m，在炮点S₂₄激发，G₂₃接收，计算的勒夫波主频（埃里相）700Hz。频率曲线的灰度表示勒夫波在传播过程中的能量分布，当煤层减薄或遭受构造破坏时能量衰减快，透射率低（图11）。

图4是对不同煤厚计算的理论频散曲线，可见在煤厚1.50m情况下勒夫波主频约450Hz，当煤厚增加到4.00m时勒夫波主频降至约150Hz，同时在给定的频率下勒夫波速度值随煤厚增加而快速下降。

图5是煤层构造破坏与频散曲线质量的关系，可见在煤层未遭受破坏的情况下，频散曲线质量最好，随着煤层遭受构造破坏加剧，频散曲线质量变坏。

图5   槽波频散质量与煤层结构破坏的关系

4. 槽波勘探方法

1）透射法：数据采集站位于煤层工作面的一个巷道内，炮点（激发点）位于煤层工作面的另一个巷道内，地震射线透过整个工作面。通过对煤层内透射射线的频散分析探测煤层内部的各种异常体，称为透射法。透射法探测距离是煤厚的300倍，图6。

图6  假设在通风巷道内布置26个数据采集单元S，在运输巷道内仅设置三个炮点，那么在三个炮点所产生的地震射线覆盖区域内的任何一点都有三条地震射线穿过。炮点数越多，穿过同一地点的地震射线数越多，观测的数据信噪比越高，分辨率越高

2）反射法：数据采集站和炮点均位于工作面的同一巷道内，当地震射线遇到工作面内的断层、陷落柱、岩墙等反射体时，就会产生反射或衍射，图7。通过追踪反射震相或衍射震相确定煤层内反射体的位置和走向。反射法的探测距离是煤厚的150倍。

图7   反射法示意图

三、应用实例

1. 透射和反射槽波同时勘探          

俄罗斯伏尔加斯切克煤矿构造比较复杂，勘探目的是确定掘进巷道揭露的5号断层（断距1.1m）是否穿过工作面，C₂¹断层是否向工作面内延伸以及煤层厚度的变化（图8）。

图8  伏尔加斯切克煤矿某采煤工作面布置图（据Mr.Volker Schaepe资料简化）

根据上述勘探任务，采用反射法和透射法同时进行。在切眼内布置反射法装置（接收站1-3号，炮点号4-14），用以确定5号断层的延伸情况，在巷道内布置透射法装置（接收站4-12号，炮点号15-45号）探测煤厚变化（图9）。

图9  伏尔加斯切克煤矿某采煤工作面槽波勘探布置图（据Mr.Volker Schaepe资料简化）

图10是在图8勘探布置条件下的槽波射线路径和密度分布。

图10  在图9槽波勘探布置下的槽波射线路径和密度分布图

2 .  数据分析

      对上述透射槽波勘探数据做下述分析^[7]：

1）透射率分析

      透射率表示透射槽波能量穿过工作面时的衰减情况，也叫透射槽波能量传播成像。

图11  透射率分布

图11槽波透射率（能量传播）成像，可见透射率呈东向西展布，与煤层走向一致。浅绿色和淡灰色表示透射率高，槽波能量衰减弱，煤层没受扰动；兰色表示透射率低，槽波能量衰减强，煤层遭受强烈扰动或减薄；黄色表示透射率极低，槽波能量几乎衰减殆尽，几乎没有煤层存在，（图11） 。

2）频散曲线分析

图12   透射槽波频散曲线

图a：是在图11中的上巷道S31号炮点放炮，下巷道右边接收，从图11可见沿该射线路径的透射率最高，所以频散曲线最规整。

图d：是在图11中的上巷道S45号炮点放炮，下巷道最右边接收，可见沿该射线路径的透射率最低，所以频散曲线质量最差。

3）勒夫波频散速度分析

图13   伏尔加斯切克某采煤工作面的勒夫波速度图（据Mr.Volker Schaepe资料）

 勒夫波频散速度呈东西向分布，与煤层走向一致。速度值1100m/s—1200m/s的绿色区域也是透射率最强的区域（图11），频散曲线最完整的区域（图12），是煤层最厚、最稳定的区域；其西部速度值1000m/s的兰色区域，可能是因为临近射线空白区（图10）所导致的结果；右侧速度值1200m/s-1300m/s的高速区（黄色）是透射率低值区，是底板隆起的煤层减薄区；左下角的高速区（红色）是底板凸起导致的煤层极薄区。

4）根据切眼的反射数据分析，没有发现反射震相，所以5号断层没有穿过工作面。C₂¹断层也没有向工作面内延伸。

3. 透射法探测高压带

    冲击地压常发生在煤层高压地区，高压导致煤层压实，速度增高，所以通过透射槽波的频散速度分析，可以确定高压带的存在。

瓦克捷斯加亚煤矿有两层煤，其间相距20m。下层煤的大部分已经开采，但遗留有东西向分布的煤柱。

图14   瓦克捷斯加亚煤矿有两层煤，间距20m，下层煤采后留有煤柱（据Mr.Volker Schaepe资料）

图15   上煤层厚约3m，稳定，有0.3m厚的矸石夹层。在上煤层工作面内进行透射槽波勘探。该图是频散速度分布（据Mr.Volker Schaepe资料）

从图15可见：

1）东西向高速带正好位于下煤层的煤柱上方，所以这个高压带是煤柱引起的压力增高带；

2）该高速带两侧的低速带是煤柱两侧卸压的结果；

3）与此高速带相垂直的近南北向的第二个高速区可能与下列的某种原因有关：

•       矸石层厚度略有增加

•       煤层厚度略有减薄

•       矸石层向顶板上隆

•       煤层压力增加

4. 透射法探测 应力转移

图16   透射槽波探测应力转移

德国某煤层有上、下两个煤层，在煤层1未开采情况下，煤层中的压力分布为Po（图16上部），在煤层1部分开采后，在准备开采的煤层2中做透射法探测并获得勒夫波速度分布图（图16下部）。发现在煤层1采空区下方的煤层2中勒夫波速度显著降低，表明煤层1采后导致其下方的煤层2压力下降；在煤层1未采区下方的煤层2中勒夫波速度显著升高，表明煤层1部分采后发生应力转移导致煤层2压力升高（图16上部红曲线所示）。

5. 透射槽波法煤厚变化

     图17 是义马新安矿13151 工作面勒夫波速度图。该工作面煤厚变化剧烈, 最薄处不到1m, 最厚处达6 ～7 m, 从图17 可见, 高速区煤厚变薄, 低速区煤厚增厚。图中的3条煤厚线是回采线的煤厚实测数据, 和槽波勘探成果对照较好。例如, 波速2400m/ s 的高速区, 煤厚只有0.9 m; 波速1250 m/ s 的中速区, 煤厚3.5 m。

在探测煤厚变化的应用中，勒夫波成像频率的选择非常重要，煤层薄、成像频率要高，煤层厚成像频率要低，也即成像频率要选在频散曲线变化最陡的频率上（图4）。

图17   新安矿13151工作面勒夫波速度图（据李松营等资料2014年）

6. 透射法探测煤层破碎带和剥蚀带

图18    左图是勒夫波频散速度成像，右图是采后地质图，可见长椭圆形高速体（红色）对应煤层剥蚀带，速度梯度带（绿色）对应断层破碎带

7. 透射法探测煤层冲刷带

图19   透射槽波探测煤层冲刷带

某煤矿在相邻的三个采煤工作面均做了透射槽波勘探，发现三个工作面中高速带（红色）连成一条完整的高速带，经采后验证它是一条冲刷煤层的古河道。

8. 透射法探测断层

     虽然反射法槽波是探测断层的主要手段，但透射法也可判断断层的位置和走向，如图20所示：当炮点在断层左侧14 点激发时, 各数据采集站均可收到直达P 波, 因为直达P波沿顶、底板界面传播不受断层阻挡; 位于断层左侧的接收站1～11 能接收到埃里相位, 但位于断层右侧各采集站由于断层阻挡收不到埃里相位。当炮点在断层右侧12 点激发时, 各采集站均可收到直达P 波, 同时位于断层右侧的采集站12～20 可以接收到埃里相位, 但位于断层左侧的采集站1～11 由于断层阻挡收不到埃里相位。所以在透射法勘探中可根据对埃里相位的追踪, 确定断层的存在和位置。

图20  透射法探测断层

9. 透射法探测陷落柱

图21  山西段王煤矿090606工作面陷落柱分布（据孙吉益等资料2013年）

由于陷落柱被顶板岩石充填，其速度值高于煤层，所以表现为高速体，已被采后证实。

10. 反射法探测断层

图22  反射法探测拟采工作面的断层分布（据孙吉益等资料2013年）

在邢东煤矿1126运料巷探测拟采1228工作面的断层分布。该图是反射叠加剖面，最早到达的是直达波，幅度强，其后跟随到达的是三个反射震相，它们分别是来自三条断层（绿线）的反射波，已被采后验证。兰色双宽线是地面三维地震圈定的断层，未被证实。

四、 槽波勘探设计、施工，数据处理和解释

1.       设计：

•       明确勘探任务，确定勘探方法（透射，反射，联合）；

•       研究勘探区的地质情况；

•       根据勘探任务和工作面结构设计炮点和接收站位置、炮点距和接收距；

•       计算射线路径和密度，是否保证勘探任务的完成。

2. 施工

两个关键问题是：

•       检波器要埋置在大约2m深、直径55mm的水平钻孔内，孔内煤屑必须清除干净，使检波器与煤壁能紧密接触，保证记录的数据质量；

•       每炮后都要实时检查各采道的记录质量，如果废道较多，要补炮重测。

2.       数据分析处理和解释：

1）槽波波场分析

单炮记录的槽波波场分析是指在透射法探测中某一炮点激发后，对所有接收站中记录的槽波信号进行定性分析，也即对该炮点和所有接收站构成的扇形截面内的槽波射线进行分析，它能定性的反映该扇形截面内煤层的结构、构造情况。

正如前述，在透射法勘探中勒夫波主频、即埃里相是主要的研究对象，因此槽波波场分析主要是对埃里相进行相位分析，兹举例如下：

Ÿ   埃里相缺失

图23是大同煤矿某工作面运料巷右侧激发、通风巷接收的单炮槽波记录，可见在12-20接收点之间埃里相位缺失，依据巷道地质资料埃里相位缺失区是无煤区。

Ÿ   埃里相位中断

图24和图25是在鸡西煤矿某工作面运料巷炮点1和炮点10激发，通风巷接收的两个单炮槽波记录，可见埃里相位在接收点18消失，故可认为这里有断层，位于断层左侧的炮点1和炮点10激发的埃里相被断层阻挡，因此接收点18右侧接收不到埃里相位。该断层已被证实。

图23   大同煤矿某工作面透射槽波记录，其中埃里相位缺失区是无煤区（据杨真等资料，2014年）

图24 鸡西煤矿某工作面透射槽波第1炮记录。1-3号记录道是废道，原因是检波器钻孔未清除干净，接触不好。大于18号测点的埃里相位消失，是断层存在的标志。

图25   鸡西煤矿同一工作面透射槽波第10炮记录。1-3号记录道是废道，原因是检波器钻孔未清除干净，

接触不好。大于18号记录道的埃里相位消失，是断层存在的标志。

Ÿ   埃里相位变形

图26 晋城煤业集团某工作面多点放炮单点接收槽波记录

图26是山西晋城煤业集团某工作面多点放炮（0-17炮点）单点接收的透射槽波实测记录。通风巷放炮，运料巷内单点接收，接收点直接面对炮点17。从图可见，炮点15-炮点19激发的埃里相宽度显著变窄，振幅相对减弱，根据已知资料炮点15-19、接收点17直接面对工作面内的大型陷落柱。陷落柱导致埃里相变窄，振幅相对减弱。

Ÿ   埃里相频率和振幅变化

图27是义马新安矿11061工作面多点放炮，单点接收的槽波记录：在S1-S17点放炮。10号检波器接收，此时槽波射线均穿过工作面右半部的厚煤层地区，埃里相位频率和振幅都相对较低，煤层厚；S18-S36点放炮，第10号检波器接收，此时槽波射线均穿过工作面左半部的薄煤层地区，埃里相位频率和振幅都相对较高，煤层薄。

图27   埃里相位频率和振幅变化与煤厚变化有关

2）计算并分析勒夫波频散曲线

3）计算并分析勒夫波速度层析成像

4）计算并分析勒夫波传播质量（透射率）成像

    我们在此强调一点，即勒夫波的速度成像和传播质量成像与选择的成像频率密切相关，从图4的不同煤厚的勒夫波频散曲线可见：如果选择的成像频率高于主频，则速度成像结果对煤厚变化很不敏感；如果选择主频作为成像频率，对煤厚变化也不太敏感；若选择成像频率略低于主频，则煤厚变化引起的速度变化最明显。同样，勒夫波传播质量（透射率）成像也受选择的频率影响。某些透射槽波探测结果不成功，可能与勒夫波成像频率选择不当有关。

5）在反射槽波探测中，对槽波记录进行滤波处理、识别埃里相的反射相位和到时，根据透射法获得的速度值确定断层位置。

6）地质解释

     地质解释是槽波分析的关键步骤，它对槽波勘探的数据处理结果要给出合理的地质解释。由于某一数据处理结果，例如高速区或高速带可能与煤厚减薄有关，可能与矸石层增厚有关，可能是煤层压力增高的结果，也可能有其它原因，因此要给出正确的地质解释首先必须要与巷道揭露的地质资料结合起来；其次要对槽波计算给出的多个参数进行综合分析。

参考文献

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[3] 煤炭科学院地质勘探分院，1988，槽波勘探技术在涟邵矿务局应用前景（内部报告）

[4] 刘天放，潘东明，李德春，李海山，槽波地震勘探，中国矿业大学出版社，1994年

[5] 杨真，基于ISS的薄煤层采空边界探测理论与试验研究，2009年

[6] Lehman,B., Seismic traveltime tomography for engineering ａnd exploration applications,EAGE publications 2007

[7]郝向斌，刘志勇，2008年煤炭市场回顾及2009年展望[J].中国煤炭市场，2009，（1）：5-7