郭銀景，巨媛媛，范曉靜，張建華

槽波地震勘探研究進展

郭銀景，巨媛媛，范曉靜，張建華

(山東科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山東 青島 266590)

槽波地震勘探技術(shù)經(jīng)過長期發(fā)展與完善，在探測煤層內(nèi)部構(gòu)造發(fā)育、煤層厚度變化、夾矸分布形態(tài)等方面均取得了較為可靠的效果。為全面系統(tǒng)地了解槽波地震勘探技術(shù)，促進槽波地震勘探技術(shù)的發(fā)展，回顧了槽波地震勘探技術(shù)現(xiàn)狀。首先，簡述槽波地震勘探的原理；然后，依據(jù)槽波地震勘探的流程，按照震源激發(fā)、信號采集、預(yù)處理、信號提取、數(shù)據(jù)處理與分析的步驟，對相關(guān)技術(shù)的工作原理及方法進行分類整理，并對不同震源激發(fā)形式、信號提取方式以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)做了對比分析；最后，系統(tǒng)總結(jié)了槽波地震勘探技術(shù)在煤厚分析、夾矸判別、構(gòu)造識別等方面的工作和應(yīng)用現(xiàn)狀。目前，煤礦井下槽波地震勘探技術(shù)存在一定的局限性，探測精度等難以滿足地質(zhì)探測需求，今后，開發(fā)槽波雷達提高槽波地震勘探的精度是一個很好的發(fā)展方向。

槽波地震勘探；煤厚分析；構(gòu)造識別；煤礦安全；槽波雷達

槽波地震勘探(In-Seam Seismic，簡稱ISS)是在井下煤層開采工作面內(nèi)進行的，直接探測煤層內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造或地質(zhì)異常體，是目前最有效、最精確、分辨率最高的井下地震勘探方法，受到相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注。

1955年，F(xiàn). F. Evison[1]第一次應(yīng)用槽波勘探并揭示了槽波的頻散特性，將場數(shù)據(jù)頻散曲線與Love波理論進行了比較，預(yù)測了槽波地震勘探應(yīng)用前景；T. C. Krey[2]在比較煤層和周圍巖石的性質(zhì)后，對煤層中槽波進行驗證和分析，提出可通過槽波來識別地質(zhì)異常體，為槽波地震勘探奠定了基礎(chǔ)。此后，對槽波的研究越來越多。E. Liu等[3]研究了Love波在煤層和圍巖之間存在裂縫時的性質(zhì)；Yang zhen等[4]使用數(shù)值分析方法計算了槽波的頻散曲線。槽波地震勘探方法分為透射波法、反射波法和聯(lián)合勘探法，首先應(yīng)用于斷層識別。F. K. Brentrup[5]總結(jié)了德國200個煤礦中ISS技術(shù)探測斷層的成果，其中，反射法成功率為66%，透射法成功率為83%。透射法主要基于層析成像原理探測工作面內(nèi)部異常[6-8]；反射法有包絡(luò)疊加和動態(tài)道集疊加[9]等，還有基于偏移類的方法[10-13]。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，ISS技術(shù)已較為成熟，能夠成功揭示煤層的不連續(xù)性，如斷層或斷裂帶，泥床分布和沖刷帶等，是一種有效的小構(gòu)造探測方法[14-16]。C. Guo等[17]結(jié)合遺傳算法(Genetic Algorithm，GA)和同時迭代重建技術(shù)(Simultaneous Iterative Reconstruction Technique，SIRT)提出了GA-SIRT混合方法，提高了煤厚反演的準(zhǔn)確性；D. J. Yancey等[18]利用透射和反射聯(lián)合勘探法成功探測了煤礦采空區(qū)。國內(nèi)近年來對ISS的研究也越來越多，榮曉偉[19]通過槽波頻散曲線提取，實現(xiàn)了夾矸的厚度、位置以及速度等屬性預(yù)測；廉潔等[20]采用反射法，計算并預(yù)測了斷層走向及位置，偏差小于5 m；李江華等[21]為解除導(dǎo)水構(gòu)造對工作面安全開采的隱患，采用槽波透射波法和瞬變電磁法實現(xiàn)了地質(zhì)構(gòu)造導(dǎo)水通道的精細探測，為工作面的水害防治提供了重要依據(jù)。

通過相關(guān)文獻學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)，較為完整系統(tǒng)地介紹ISS技術(shù)的文章較少，因此，為進一步提升對ISS的關(guān)注和理解，推動ISS技術(shù)的不斷發(fā)展，本文對ISS方法進行了詳細的介紹，基于ISS的工作流程，從震源激發(fā)、信號采集、預(yù)處理、信號提取以及數(shù)據(jù)處理與分析等方面，對現(xiàn)有研究工作進行了詳細的介紹、分析和對比。同時，針對現(xiàn)有的ISS技術(shù)應(yīng)用，如煤厚識別以及構(gòu)造識別等進行了相應(yīng)的介紹和分析。

1 槽波地震勘探原理

1.1 槽波的形成

在含煤地層中，煤層與圍巖相比具有密度小、震波速度低的特點，形成一個低速夾層[22]。當(dāng)在煤層中激發(fā)一個震動時，產(chǎn)生地震波，包括 P 波和S波，P波包括PP波和PS波，S波又包括 SH 波和 SV波，地震波傳播到上下圍巖界面時被全部反射和折射回煤層內(nèi)部，混響、疊加形成槽波，如圖1所示。因此，槽波是在煤層中形成的地震波，其傳播距離遠、能量強、波形特征易于識別，具有明顯的頻散特征[23]。

圖1 槽波形成原理示意圖

1.2 槽波地震勘探原理

槽波能夠應(yīng)用于超前探測的前提是煤層具有波導(dǎo)性。地震波在上下圍巖中的傳播速度大于在煤層中的傳播速度，且上下圍巖界面具有非常強的波阻抗，因此，形成一個以煤層為中心的波導(dǎo)層，使地震波在煤層中多次全反射[24]。當(dāng)工作面前方有地質(zhì)異常時，沿煤層傳播的槽波受到阻斷，在同一煤層巷道煤壁上或鉆孔中適當(dāng)安置檢波器，可接收到槽波并送到地震儀記錄下來，通過分析槽波的有無、強弱及其相關(guān)運動學(xué)、動力學(xué)特征來判斷地質(zhì)異常[21]。

2 槽波地震勘探方法

槽波地震勘探方法分為透射波法、反射波法和聯(lián)合勘探方法[25]。

2.1 透射波法

如圖2所示，震源激發(fā)裝置和檢波器分別布置在煤層兩邊的巷道內(nèi)。當(dāng)煤層厚度小于異常構(gòu)造厚度時，槽波信號被完全阻斷，無法采集槽波信號；當(dāng)煤層厚度的一半等于異常構(gòu)造厚度時，槽波信號部分被阻斷，信號能量有不同程度的減弱。透射波法一般用于探測煤層內(nèi)部地質(zhì)結(jié)構(gòu)，例如：探明煤層厚度變化情況，探測斷層、陷落柱以及夾矸分布等，藺國華[27]和N. E. Huang等[26]，采用透射波法準(zhǔn)確預(yù)測了斷層的發(fā)育位置，李剛等[28]和焦陽等[29]應(yīng)用于陷落柱的位置及范圍探測。

圖2 透射波勘探法示意圖

2.2 反射波法

如圖3所示，檢波器和震源激發(fā)裝置布置在同一巷道內(nèi)，直接接收反射信號，根據(jù)振幅值的大小和波速等參數(shù)來判斷煤層異常與否。在斷層落差與煤厚相差不大時，槽波發(fā)生反射現(xiàn)象，斷層附近的密度和波速出現(xiàn)不同；斷層落差較小時，部分槽波被反射，此時信號幅值較小。反射波法常用于探測煤層內(nèi)的沖刷帶、斷層等分布情況，W. Wang等[16]，姚小帥等[22]，焦陽等[23]和李雪梅[30]均利用反射波法成功探測出了沖刷帶及斷層等異常構(gòu)造，且具有較高的精度。

圖3 反射波勘探法示意圖

2.3 聯(lián)合勘探法

透射–反射聯(lián)合勘探法綜合以上兩種方法，如圖4所示，煤層兩邊巷道的煤壁上均布放檢波器，炮點放置在通風(fēng)巷內(nèi)，通風(fēng)巷的檢波器接收反射波信號，運輸巷的檢波器接收透射信號。根據(jù)實際情況，采用合理的觀測系統(tǒng)，聯(lián)合勘探的效果可能最好[31]，D. J. Yancey等[18]，宋保陵等[25]和張強等[32]采用聯(lián)合勘探法對地質(zhì)異常進行勘探，均取得了較好的探測結(jié)果。

3 槽波地震勘探信號處理

ISS基于接收到的槽波信號，通過分析其頻散特性、衰減特性等來判別煤層中的異常結(jié)構(gòu)，其主要包含5個步驟，如圖5 所示。首先，震源激發(fā)后利用檢波器接收槽波信號；其次，對所收集到的信號進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、異常道檢測與剔除等一系列預(yù)處理；然后再對信號進行濾波處理，進一步獲取有用信息；濾波之后用頻散反演、CT層析成像、包絡(luò)疊加等方法處理槽波數(shù)據(jù)；最后，對處理后的數(shù)據(jù)進行頻散分析、速度分析及能量衰減分析等，以此來識別判斷煤層中的異常結(jié)構(gòu)。下面分別對各個步驟進行詳細介紹。

3.1 槽波震源的激發(fā)

槽波震源的激發(fā)是勘探工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，震源的激發(fā)決定了勘探效果。常用的震源激發(fā)方法有兩類：一類是機械震源法，用錘擊產(chǎn)生震源；另一類是爆炸震源法，由雷管或炸藥產(chǎn)生震源[33]。兩類震源激發(fā)的具體情況見表1。

圖5 槽波地震勘探流程

表1 兩類震源激發(fā)形式對比

3.2 信號采集

槽波信號的采集是ISS中的重要一步，采集到有效的槽波信號對后續(xù)處理分析尤為重要[34-35]。通常采用二分量或三分量檢波器與信號采集板來拾取槽波信號，一個分量垂直于煤壁，其余分量平行于煤壁或巷道。開始工作時，兩個方向的分量同時接收信號，分別從兩個互相獨立的信號通道送入信號采集板。為了能準(zhǔn)確地接收到高質(zhì)量的槽波信號，信號采集系統(tǒng)應(yīng)具有較小時延或一致的響應(yīng)特性，確保各個接收端的一致性[33]。

3.3 預(yù)處理

由于外界干擾因素眾多，采集到的原始槽波信號信噪比低，若直接對這些數(shù)據(jù)進行處理會嚴重影響處理效果。因此，需要先對其進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、異常道檢測與剔除等預(yù)處理過程。

a. 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)錄和記錄格式轉(zhuǎn)換 將原始槽波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)理系統(tǒng)中要求的地震數(shù)據(jù)個數(shù)(SGY)。

b. 異常道檢測與剔除 大量的異常道會影響后續(xù)的處理效果，能量較強的異常道對寬頻濾波、透射槽波能量成像等多道處理有不良的影響，因此，需對異常道進行檢查，剔除壞道，空道。

c. 建立觀測系統(tǒng) 觀測系統(tǒng)建立的準(zhǔn)確性對后續(xù)數(shù)據(jù)處理有直接影響。建立時要指定震源激發(fā)點與接收點的空間坐標(biāo)，建立炮點與檢波點的對應(yīng)關(guān)系。

d. 初至校正 起爆到爆炸有一定的時差，若初至?xí)r間存在誤差，則會對反演成像的質(zhì)量與準(zhǔn)確度造成嚴重影響，所以初至校正是數(shù)據(jù)處理前的關(guān)鍵步驟。

e.能量擴散補償 地震波傳播過程中，其能量隨距離增大而不斷減小，頻率也隨之不斷下降。通過補償，同一單炮多道原始地震記錄在記錄后期的遠端波形能量得到增加，并且道與道間的能量得到均衡，解決了能量衰減問題。能量擴散補償前后波形如圖6所示。

圖6 能量擴散補償前后波形

3.4 信號提取

對原始槽波信號進行預(yù)處理之后，為有效提純槽波，還需對其作濾波分析。一維濾波、二維濾波、-變換及經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解是4種常用的槽波信號提取方法。表2為4種常見槽波信號提取方式優(yōu)缺點的對比。

a. 一維濾波 在槽波信號的處理中，最常用的是傅立葉變換，基本思想為一個和時間相關(guān)的槽波信號可以分解為不同頻率的正弦信號的疊加。離散傅立葉變換表示為式(1)：

式中：()和X均為有限長序列；()為采樣的模擬信號；X為()的傅里葉變換在頻率區(qū)間[0,2]上的點等間隔采樣；為波數(shù)，?[0,–1]；為序列()的長度。

帶通濾波器抽取特定頻率范圍內(nèi)的波，通過頻譜分析來確定槽波的頻率范圍，采用高斯窗口濾波，以達到提純槽波的目的[36]。姚小帥等[22]和李雪梅[30]采用傅里葉變換、希爾伯特變換等方法對槽波信號進行濾波，提取到了更有價值的槽波信號。

式中：為圓頻率；(,)為多道瑞利波地震記錄。

理想情況下，F(xiàn)-K 域內(nèi)的槽波形態(tài)應(yīng)為一條較窄的斜線或曲線，以該曲線為中心設(shè)計濾波器，對信號進行濾波處理，再將信號轉(zhuǎn)換回時間–空間域后即可突出信號中的槽波成分，壓制噪聲和其他波場成分[37-38]。

表2 槽波信號提取方式對比

3.5 數(shù)據(jù)處理

槽波數(shù)據(jù)處理在ISS中十分重要，通過數(shù)據(jù)處理，可以識別和提取槽波的不同震相、壓制噪聲與干擾，有效定位地質(zhì)構(gòu)造的位置。槽波的頻散特性及煤層中異常體走向的隨意性，使槽波數(shù)據(jù)處理具有一些特殊方法，例如極化分析與旋轉(zhuǎn)、頻散反演、包絡(luò)疊加、再壓縮或反褶積、動態(tài)道集(DTG)疊加、ALS(自適應(yīng)延遲求和)偏移成像和CT成像技術(shù)等。

3.5.1 透射槽波數(shù)據(jù)處理流程

圖7為透射槽波地震勘探數(shù)據(jù)處理流程：

a. 極化分析與旋轉(zhuǎn) 采用雙分量檢波器接收槽波數(shù)據(jù)，分量軸線平行于煤層和煤壁，分量軸線平行于煤層、垂直于煤壁。透射法采集數(shù)據(jù)時，各炮點與檢波器的連線與檢波器的夾角不同。為便于分析地震波極化特征，進一步為速度分析、圖像重建提供參數(shù)，需將所有地震道雙分量信號通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)公式(7)校正到水平平行波傳播方向和水平垂直波傳播方向[40]。

圖7 透射槽波數(shù)據(jù)處理流程

Fig.7 Processing flow chart of transmitted channel wave data

式中：為坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度，可利用縱波傳播能量法則計算[41]；、為原始槽波地震雙分量信號；′為水平平行地震波傳播方向分量；′為水平垂直地震波傳播方向分量。

b. 頻散反演 槽波的反演是利用其頻散特性對煤厚進行預(yù)測。通過理論計算與試驗驗證得知，隨著煤厚的增加，埃里相頻率隨之下降，埃里相表現(xiàn)得愈加凸顯，通過這種對應(yīng)關(guān)系，在頻散曲線的分析與提取中就可以掌握回采工作面內(nèi)煤厚的發(fā)育情況。不同煤厚的頻散曲線如圖8所示。

圖8 不同煤厚的頻散曲線

c. CT層析成像技術(shù) CT成像借助計算機圖像重建技術(shù)，通過非均勻介質(zhì)中傳播的透射時間或振幅衰減恢復(fù)煤層中的速度場或吸收系數(shù)場，使異常成像，從而預(yù)測異常情況。目前CT層析成像方法有槽波能量衰減系數(shù)CT成像方法(能量法)、槽波速度CT成像方法(速度法)等。李剛等[28]、張強等[32]、馬欣等[39]和王季[40]在對槽波原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理之后采用CT成像技術(shù)使地質(zhì)構(gòu)造異常成像，從而預(yù)測構(gòu)造異常。圖9為某工作面槽波能量衰減系數(shù)層析成像圖。暖色區(qū)表示槽波能量衰減嚴重，可能為地質(zhì)構(gòu)造異常，綠色及冷色區(qū)域表示槽波能量均衡，判斷為正常煤體。

圖9 槽波能量衰減系數(shù)層析成像

3.5.2 反射槽波數(shù)據(jù)處理流程

圖10為反射槽波地震勘探數(shù)據(jù)處理流程：

a. 包絡(luò)疊加 地震數(shù)據(jù)是高頻數(shù)據(jù)。非常小的時移也可能造成“脫相”和疊加中的相消干涉，因此，多采用包絡(luò)疊加的方法處理數(shù)據(jù)，首先用窄帶通濾波提取原始記錄的埃里相，計算地震道的包絡(luò)線，抽取更深度點包絡(luò)道集，然后用提取的埃里相速度數(shù)據(jù)在包絡(luò)道集上進行正常的時差校正，最后將動校正后的包絡(luò)道集進行疊加[42]。

以山西某礦為例，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后，利用反射槽波包絡(luò)疊加法對50個單炮數(shù)據(jù)進行處理，如圖11所示。處理后成像結(jié)果如圖12，圖中深色背景區(qū)域為煤層正常區(qū)域，虛線圈內(nèi)為構(gòu)造異常區(qū)域。綜合研究區(qū)地質(zhì)資料與成像結(jié)果，判斷CF1、CF2為兩條斷層。驗證結(jié)果表明斷層實際位置與預(yù)測位置一致[43]。

圖10 反射槽波數(shù)據(jù)處理流程

圖11 反射槽波包絡(luò)處理前后數(shù)據(jù)對比

圖12 包絡(luò)疊加反射成像構(gòu)造解釋

b. 再壓縮或反褶積 該方法目的是消除先前濾波作用，通過壓縮基本子波來提高槽波地震數(shù)據(jù)的垂向分辨率。理想情況下，反褶積可以壓縮直達槽波，增強反射槽波。

c. 動態(tài)道集(DTG)疊加 針對ISS中反射體走向與測線夾角的隨意性、槽波的頻散性及槽波數(shù)據(jù)的冗余有限性而設(shè)計的一種改進的CDP疊加，修改普通的CDP多次疊加技術(shù)以適應(yīng)ISS條件的特殊性。

d. ALS偏移成像 ALS(Alternating Least Squares)偏移成像是LS偏移技術(shù)的改進，在ALS偏移技術(shù)網(wǎng)格化模式下，對與接收點成不同夾角的可能存在地質(zhì)異常體的區(qū)域賦予不同的加權(quán)數(shù)，從而計算出振幅概率密度，得出振幅或者能量分布圖。宋保陵等[25]采用透射–反射聯(lián)合勘探方法，對槽波數(shù)據(jù)進行偏移成像處理，成功預(yù)測出多個斷層和一個陷落柱。

3.6 數(shù)據(jù)分析

接收到的槽波信號進行一系列處理步驟之后，對其進行分析，以此來分類識別地質(zhì)異常結(jié)構(gòu)，例如頻散分析、速度分析及能量衰減分析等。

a. 頻散分析 頻散，即槽波的群速度和相速度均隨頻率而改變，是槽波的最根本特征。槽波的頻散特性里攜帶有圍巖和煤層的速度和結(jié)構(gòu)信息，可以用來進行異常探測[44-45]。頻散分析就是從旋轉(zhuǎn)后的槽波記錄中提取群速度和相速度隨頻率變化的曲線。槽波頻散曲線如圖13所示。

圖13 槽波頻散曲線

b. 速度分析 速度分析貫穿于槽波數(shù)據(jù)采集、處理和解釋的整個過程，合理準(zhǔn)確的速度分析可以提高探測精度，去除接收時差及求取槽波群速度，確保后續(xù)槽波 CT 成像及準(zhǔn)確構(gòu)造定位。

c. 能量衰減分析 煤厚變化及異常構(gòu)造的存在影響了槽波的傳播，通過反演計算可獲得工作面內(nèi)的能量衰減系數(shù)。超出煤層厚度，槽波信息將無法傳播；若斷層落差在煤厚與煤厚的一半之間，煤層具有部分連續(xù)性，則頻散曲線會向高頻部分過度，低頻槽波被斷層阻擋，高頻槽波透過斷層繼續(xù)傳播，透過的槽波能量減弱，減弱越明顯表示斷距越大；若斷層落差小于煤厚的一半，槽波能量衰減不明顯，大部分槽波信息透射過工作面，則很難分辨斷層。

4 槽波地震勘探應(yīng)用

相較于其他的煤礦井下物探方法，ISS技術(shù)具有能量可控、距目標(biāo)體近、分辨精度高、受影響因素少等特點，可有效診斷地質(zhì)的異常狀況，廣泛應(yīng)用于煤厚分析、夾矸判別、構(gòu)造識別等方面。

4.1 煤厚分析

煤厚的精確預(yù)測對于實現(xiàn)智能化和無人化開采至關(guān)重要。由于槽波波形易于識別，傳播距離長且能量較強，因此廣泛用于煤厚度反演。

C. Guo等[17]結(jié)合遺傳算法(GA)和同時迭代重建技術(shù)(SIRT)提出了GA-SIRT混合方法，提高了煤厚度反演的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和整體計算效率。該混合模型可根據(jù)槽波精確地分辨和識別煤的厚度。

侯志星[46]的“基于地震屬性的煤層厚度分析系統(tǒng)”已經(jīng)在各大煤礦針對不同煤層做了煤厚預(yù)測的試驗性研究，并取得了較好的效果。

廉潔等[20]使用德國 SUMMIT-ⅡEX 槽波地震儀，采用透射法，在選定適宜頻率進行波速成像后，根據(jù)波速與煤層厚度的負相關(guān)關(guān)系，對煤層厚度進行定量化預(yù)測，準(zhǔn)確率達86%。

4.2 夾矸判別

煤層中的夾矸分布廣泛且規(guī)模大小不一，常造成煤層分叉變薄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣、煤質(zhì)變差，給回采工作增加了難度。因此，對夾矸的特性研究，具有重要的理論及實際意義。

榮曉偉[19]推導(dǎo)計算了含夾矸煤層Love型槽波的頻散方程，結(jié)果表明，含夾矸煤層中Love型槽波具有明顯的頻散特性，且頻散特性受夾矸厚度、夾矸在煤層中位置以及夾矸的速度影響。通過頻散曲線提取，實現(xiàn)了夾矸厚度及夾矸位置的預(yù)測，為煤層開采提供了有價值的信息。

王增玉等[47]通過研究含夾矸煤層對煤層 AVO 特征的影響證明：夾矸層在煤層中所處位置和分層情況對煤層反射系數(shù)沒有影響，但隨夾矸層厚度的增加，煤層 PP 波和PS 波反射系數(shù)和相位會發(fā)生變化，減弱構(gòu)造煤的響應(yīng)識別。在進行反演時，應(yīng)結(jié)合實際地質(zhì)資料，排除夾矸影響，提高預(yù)測精度。

4.3 構(gòu)造識別

煤系由于成煤期不同，以及后期構(gòu)造作用，具有多樣性和復(fù)雜性。在煤礦綜采過程中，準(zhǔn)確預(yù)測工作面前方的地質(zhì)異常體對礦井的安全生產(chǎn)至關(guān)重要。常見的地質(zhì)構(gòu)造有斷層、陷落柱、沖刷帶、采空區(qū)、富水區(qū)、富氣區(qū)、富壓區(qū)等。表3為近年來槽波地震勘探構(gòu)造識別匯總。

a. 斷層 斷層是煤層中的典型地質(zhì)構(gòu)造，且種類繁多，形態(tài)各異，分布范圍較廣。對斷層定位誤差較大則會影響煤礦安全，有時甚至可能造成嚴重人員傷亡。

表3 近年來槽波地震勘探應(yīng)用匯總

為了提高斷層的定位精度，W. Wang等[16]在河南義馬礦2505工作面進行反射槽波觀測，利用Kirchhoff積分偏移和共同中點疊后偏移對斷層成像，成功揭示了斷層的結(jié)構(gòu)和位置，根據(jù)采礦檢查，斷層的遷移誤差在5 m以內(nèi)。

姚小帥等[22]對義煤公司某礦11100 工作面軌道巷外幫進行反射法勘探，綜合預(yù)測斷層位置。經(jīng)鉆探驗證，實揭斷層與預(yù)測斷層位置最大偏差僅3.5 m。但由于槽波的頻散特性，很難精確定位斷層邊界。

廉潔等[20]利用槽波沿煤層傳播時遇到斷層等波阻抗界面會產(chǎn)生反射的現(xiàn)象，根據(jù)槽波傳播速度及反射波到達檢波器的時間，計算并預(yù)測了斷層走向位置，偏差小于5 m。

張強等[32]以金家渠煤礦110301工作面為研究對象，采用反射法和透射法對工作面內(nèi)部隱伏斷層進行探測，與巷道掘進實揭斷層相比，二者較吻合，并對實揭斷層的延展情況作了校正。

藺國華[26]以某礦區(qū)2.5 m煤厚的工作面為例，在經(jīng)過對槽波原始數(shù)據(jù)濾波、振幅衰減系數(shù)CT成像后，確定一個斷距約為2 m的隱伏斷層。后經(jīng)工作面回采揭露，該位置存在一個落差約2.2 m的正斷層，驗證了槽波探測的有效性。

b. 陷落柱 陷落柱是巖溶空頂塌陷的產(chǎn)物，對煤層的破壞性很大，主要表現(xiàn)在減少煤炭儲量、降低煤礦開采的效率和質(zhì)量、增加煤礦開采成本等方面[48]。

李剛等[28]在分析陷落柱危害的基礎(chǔ)上，結(jié)合山西某礦1201工作面陷落柱探測成果，探采對比表明，基于透射槽波的陷落柱CT成像技術(shù)能夠解釋煤礦陷落柱位置，且準(zhǔn)確率較高。

劉強隆等[49]分析了葛泉巖溶陷落柱的分布特征和發(fā)育規(guī)律，建立了控制隱伏導(dǎo)水陷落柱的指標(biāo)體系和模糊判別模型，對陷落柱作半定量化預(yù)測并劃定其出現(xiàn)概率最大的區(qū)域，預(yù)測結(jié)果不太理想，證明人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)和模糊綜合評判模型在陷落柱的定量預(yù)測上還處于探索階段。

焦陽等[29]針對典型礦井，展開透射法和反射法勘探，結(jié)果證明，利用槽波透射法速度分析來準(zhǔn)確圈定陷落柱異常范圍較困難，但透射法能量分析可作為探測陷落柱的手段之一，若陷落柱與煤體交界面完好，槽波反射法速度分析可以準(zhǔn)確劃定陷落柱邊界。

馬欣等[39]利用透射法在煤層物理模型中采集槽波數(shù)據(jù)，并計算出各通道的振幅能量衰減系數(shù)，利用槽波數(shù)據(jù)波形圖來分析波速，使用平滑偽魏格納威利分布(SPWVD)時頻分析方法，最終確定陷落柱的位置。

c. 沖刷帶 沖刷帶是一種常見的礦井地質(zhì)現(xiàn)象，直接關(guān)系到掘進率、回采率等生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益，是影響煤礦綜采生產(chǎn)的重要地質(zhì)因素。

管永偉等[50]以新景礦蘆南二區(qū)為研究區(qū)，利用現(xiàn)有的三維地震資料，綜合瞬時振幅屬性特征、地震相分類特征及聲波阻抗響應(yīng)特征，圈定了沖刷帶的平面位置及分布范圍，且與實測結(jié)果較為吻合。

李雪梅[30]通過分析山東某煤礦已知三維地震勘探資料反射波組特征，提取反射波均方根振幅切片屬性，分析沖刷帶的響應(yīng)特征，圈定了沖刷帶的范圍，并在后期巷道開拓中得到了證實。

崔凡等[51]使用防爆探地雷達系統(tǒng)配合對新景礦 3215 輔助進風(fēng)巷掘進面進行超前探測。結(jié)果表明：煤層內(nèi)部沖刷帶的實測雷達信號響應(yīng)特征與正演模擬結(jié)果的相似性極高，對掘進面前方50 m范圍內(nèi)的沖刷帶進行了有效識別。

d. 采空區(qū) 采空區(qū)是由人為挖掘或者天然地質(zhì)運動在地表下面產(chǎn)生的“空洞”，采空區(qū)的存在使得礦山生產(chǎn)面臨很大的安全問題。D. J. Yancey等[18]利用透射導(dǎo)波和反射槽波探測煤礦采空區(qū)；丁衛(wèi)[52]采用反射法探測采空區(qū)，通過改進優(yōu)化的觀測系統(tǒng)，解決了繞射疊加偏移的畫弧現(xiàn)象，根據(jù)每道地震記錄的成像弧段的交點位置為地質(zhì)異常點的概率最大原理，提高了采空區(qū)超前探測的反演精度。

除此之外，許多專家學(xué)者利用槽波地震勘探方法對地質(zhì)構(gòu)造異常進行了研究。M. Ge等[53]采用橢圓映射方法，通過反射槽波法在Harmony煤礦46 m處的工作面上定位空隙邊界，誤差僅為4.6 m。

李江華等[21]采用ISS透射法和瞬變電磁法對趙莊煤業(yè) 3307工作面地質(zhì)構(gòu)造及導(dǎo)水性進行探測，運用時頻分析和層析成像等方法對地震數(shù)據(jù)進行處理，共探測出7條斷層、1個陷落柱和2處裂隙水異常區(qū)，其中4條斷層導(dǎo)水，實現(xiàn)了工作面地質(zhì)構(gòu)造及導(dǎo)水通道的精細探測，提高了探測成果的可靠性，為工作面的水害防治提供了重要依據(jù)。

王季等[54]采用透射槽波能量衰減系數(shù) CT成像技術(shù)在多個礦井工作面內(nèi)對斷層、陷落柱、薄煤帶等典型地質(zhì)異常體進行探測。將探測結(jié)果與現(xiàn)有資料對比表明：透射槽波在遇地質(zhì)異常時，能量有明顯的衰減現(xiàn)象，槽波能量衰減系數(shù)CT成像結(jié)果能夠有效反映多種地質(zhì)異常體的位置與范圍，不同類型異常體的衰減系數(shù)有一定差異但并不顯著。

無論是在煤厚的精確預(yù)測、夾矸形態(tài)判別，還是在地質(zhì)異常構(gòu)造的識別上，ISS技術(shù)都取得了較好的應(yīng)用結(jié)果。煤厚的精準(zhǔn)預(yù)測是識別地質(zhì)構(gòu)造異常的前提，目前來說，應(yīng)用ISS技術(shù)對煤厚預(yù)測的精度達到70%左右，國內(nèi)外學(xué)者為提高其預(yù)測精度，將ISS技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合，將精度提高到了80%以上，未來對于煤厚的預(yù)測精度將達到更高。斷層、陷落柱以及沖刷帶等地質(zhì)異常構(gòu)造的識別是ISS技術(shù)應(yīng)用最多的方向，反射波法常用于探測采空區(qū)、沖刷帶及斷層等異常構(gòu)造，精度可達到90%以上，但是，該方法拾取的信號能量弱、有效信號的信噪比低，因此，難以準(zhǔn)確判斷出斷層的落差大小及異常體的尺寸；透射波法一般用于探測煤層內(nèi)部的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，例如：探明煤厚變化，探測大小斷層、陷落柱以及夾矸石等的分布情況等，透射波法目前最大探測距離可達煤層厚度的300倍，可滿足煤礦采掘生產(chǎn)的基本需要，但還沒能解決異常類型和尺寸的識別問題；聯(lián)合勘探法根據(jù)實際情況將兩種方法結(jié)合，探測效果在某些情況下可能會更好。由此可見，ISS對于地質(zhì)異常構(gòu)造類型的識別精度已較高，但對于異常體的尺寸及邊界的精確預(yù)測上還需要進一步探索。除此之外，ISS與其他各種探測技術(shù)相結(jié)合的綜合探測手段也是未來對于地質(zhì)異常構(gòu)造精細探測的一個重要方向。

5 結(jié)語

ISS可以有效診斷地質(zhì)的異常狀況，探測煤層內(nèi)部構(gòu)造發(fā)育、煤層厚度變化以及夾矸分布形態(tài)等，是目前最有效、最精確、分辨率最高的井下地震勘探方法，不僅提高了礦井綜采的效率，也為礦井安全生產(chǎn)提供了保障。但僅用頻散、頻譜、速度和時頻等參數(shù)來描述槽波，激發(fā)震源模式單一，很難提取遠端地質(zhì)構(gòu)造回波，不但無法準(zhǔn)確地判斷出斷層的落差大小及地質(zhì)異常體結(jié)構(gòu)的尺寸，而且無法滿足大部分場合地層探測要求。

未來，可將鉆探與槽波勘探相結(jié)合，直接將雷達收發(fā)裝置送到探測地層，避免槽波在地表和地層界面產(chǎn)生的強損耗，槽波回波信號高頻成分更加豐富，再結(jié)合非正交分解來提取槽波回波信號，提高目標(biāo)弱信號分量的信噪比，降低槽波波場分離難度。此后，利用ISS技術(shù)對于煤層內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造探測將更加精確，ISS的應(yīng)用也將更加廣泛。

請聽作者語音介紹創(chuàng)新技術(shù)成果等信息，歡迎與作者進行交流

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Progress in research of in-seam seismic exploration

GUO Yinjing, JU Yuanyuan, FAN Xiaojing, ZHANG Jianhua

(College of Electronic and Information Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

After long-term development and improvement, the in-seam seismic(ISS) technology has achieved relatively reliable results in detecting the internal structural development of the coal seam, the thickness variation of the coal seam, and the distribution pattern of the pinch. In order to comprehensively and systematically understand the ISS technology and promote the development of the ISS technology, the status of the ISS technology is reviewed. First, the principle of ISS is briefly described. Then, according to the process of ISS, according to the steps of source excitation, signal acquisition, preprocessing, signal extraction, data processing and analysis, the working principles and methods of related technologies are classified and the excitation modes and signals of different sources are applied. The extraction method and data processing technology were compared and analyzed. Finally, the system summarizes the work and application status of ISS technology in coal thickness analysis, pinch discrimination, structure identification and so on. At present, the coal mine underground ISS technology has certain limitations, and the detection accuracy is difficult to meet the geological exploration requirements. In the future, the development of channel wave radar to improve the accuracy of the ISS is a good development direction.

in-seam seismic(ISS); coal thickness analysis; structural recognition; coal mine safety; channel wave radar

P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.032

1001-1986(2020)02-0216-12

2019-06-25；

2019-09-06

國家自然科學(xué)基金項目(61471224)；山東省重點研發(fā)計劃項目(2013GHY115022)

National Natural Science Foundation of China(61471224)；Key R&D Project of Shandong Province(2013GHY115022)

郭銀景，1966年生，男，山東濟寧人，博士生導(dǎo)師，教授，研究方向為礦山無線通信、特種雷達技術(shù)等. E-mail：gyjlwh@163.com

郭銀景，巨媛媛，范曉靜，等. 槽波地震勘探研究進展[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(2)：216–227.

GUO Yinjing，JU Yuanyuan，F(xiàn)AN Xiaojing，et al. Progress in research of in-seam seismic exploration[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：216–227.

(責(zé)任編輯 聶愛蘭)