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关键词：槽波地震勘探；无线电波透视；构造；CT成像
1 概况与任务
施工地点为山西某矿21107工作面，21107工作面地面位置位于此煤矿东风井西南方向278米处，地表为黄土覆盖。其北为二采轨道巷(90°)保安煤柱，东为21108工作面(未掘)，南为F3断层，西为21106工作面(未掘)。工作面走向长1284m，倾斜长180m。工作面开采太原组9－10－11#煤，根据临近二采大巷揭露的实际煤层情况知：该区域地质构造较为复杂，煤层总厚度平均约8.01米，煤层结构为7.61(0.07)0.33，属复杂结构煤层，稳定可采，煤种为瘦煤。地质构造方面，据上组煤地质资料及二采三条大巷地质资料分析：本工作面地质构造较复杂,为断层构造区，且陷落柱较发育，区域内煤岩层倾角平均2°。水文地质方面，该区域煤层上覆含水层主要为煤层顶板K2灰岩，另外还有K3、K4灰岩含水层，其含水量丰富，但补给不足，以静储量为主，在裂隙发育处有淋水现象，对本工作面掘进影响不大；下伏含水层为奥陶系石灰岩，其含水量丰富，根据水文补勘资料知，该工作面不带压、正常情况下预计不会影响工作面掘进。预计本工作面涌水量为20－50m³/h。
本次勘探范围为切眼至切眼后退990m，切眼长180m，勘探面积178200㎡，勘探任务如下：
1)查明工作面内落差大于1/2煤厚的已揭露及隐伏断层的延展发育情况。
2)查明工作面内直径大于30m的隐伏陷落柱的展布情况。
2 勘探方法及原理
2.1 槽波地震勘探原理
在含煤地层中，煤层是一个相对低速的地震槽。煤层与围岩间的界面，一般呈现良好的反射面，煤层与其顶底板围岩相比总是以低速度、低密度，从而以低波阻抗出现。在煤层中激发地震波，所激发的纵波、横波均以震源为中心，以球面体波形式向四周传播，并以不同的角度入射到顶底板界面，如图2-1。当入射角小于临界角时，大部分能量将透射到围岩之中，只有少部分能量能量反射回到煤层中，返回到煤层的能量，在煤层来回多次反射、透射而迅速衰减(漏失模式)；当入射角大于等于临界角时，则入射到顶、底板界面的的地震波能量将全反射回到煤层，并在煤层中多次反射，最后禁锢在煤层之中(正常模式)。地震波在煤层这个低速槽内向外扩散传播，其中上行、下行波在煤层中相互干涉、迭加，多数谐波成分相互抵消、削弱，而逐渐消失；只满足一定条件的各种谐波，在槽内相长干涉而形成垂直于煤层面的驻波，在煤层内不断向前传播，这就形成了槽波(channel waves)，也称煤层波(seam waves)。
图2-1 槽波的形成原理示意图
由于不同体波干涉，形成的槽波具有不同特点，通常将槽波分为两种：
(1)瑞雷(Rayleigh)型槽波，这是由P波与SV波相互干涉形成的，其质点是在垂直于煤层，而包含射线的平面内作椭圆形逆行极化。
(2)拉夫(Love)型槽波。它是SH波干涉形成的，它的质点是在平行于煤层的平面、垂直于传播方向的平面内作线性极化振动，是一种纯SH波。
煤矿探测中通常使用拉夫型槽波。在井下使用拉夫型槽波比较有利。
槽波透射法所用的有效波是从震源透过煤层传至接收点的直达槽波信号。如图2-2所示，炮点与检波点(接收点)布置在采区周围不同巷道内。根据槽波的有无、强弱来判断在相应的透射射线扇形区内有无构造异常。
(1)瑞雷(Rayleigh)型槽波，这是由P波与SV波相互干涉形成的，其质点是在垂直于煤层，而包含射线的平面内作椭圆形逆行极化。
(2)拉夫(Love)型槽波。它是SH波干涉形成的，它的质点是在平行于煤层的平面、垂直于传播方向的平面内作线性极化振动，是一种纯SH波。
煤矿探测中通常使用拉夫型槽波。在井下使用拉夫型槽波比较有利。
槽波透射法所用的有效波是从震源透过煤层传至接收点的直达槽波信号。如图2-2所示，炮点与检波点(接收点)布置在采区周围不同巷道内。根据槽波的有无、强弱来判断在相应的透射射线扇形区内有无构造异常。
图2-2 槽波透射法勘探示意图
2.2无线电波透视勘探原理
无线电波透视是用来探测顺煤层两煤巷、两钻孔或煤巷与钻孔之间的各种地质构造异常体。发射机与接收机分别位于不同巷道或钻孔中，同时做等距离移动，逐点发射和接收。或发射机在一定时间内相对固定位置，接收机在一定范围内逐点观测其场强值。如图2-3所示。
无线电波透视是用来探测顺煤层两煤巷、两钻孔或煤巷与钻孔之间的各种地质构造异常体。发射机与接收机分别位于不同巷道或钻孔中，同时做等距离移动，逐点发射和接收。或发射机在一定时间内相对固定位置，接收机在一定范围内逐点观测其场强值。如图2-3所示。
图2-3 无线电波透视原理图
交替成层的含煤地层总体上是非均匀介质，电磁波在含煤地层中传播可分解为垂直层理和平行层理方向，在垂直层理方向是非均匀介质，在同一煤层一定范围内平行层理方向上可近似认为是均匀的。电磁波透视是在顺煤层的两巷道或两钻孔中进行。假设辐射源(天线轴)中点为原点，在近似均匀、各项同性煤层中，观测点到点的距离为，点的电磁波场强度由下式表示：
(1)
式中：H0——在一定的发射功率下，天线周围煤层的初始场强；单位A/m。
β——煤层对电磁波的吸收系数；
r——P点到o点的直线距离，单位m；
f(θ)——方向性因子，θ是偶极子轴与观测点方向的夹角，一般采用f(θ)=sin(θ)来计算。
在辐射条件不随时间变化时，是一常数，吸收系数是影响场强幅值的主要参数，它的值越大，场强变化就越大。吸收系数与电磁波频率和煤层的电阻率等电性参数有直接关系：在同一均匀煤层中，频率越高吸收系数就越大，电磁波穿透煤层距离就近；煤层电阻率越低，吸收系数也越大。
煤层中断裂构造的界面，构造引起的煤层破碎带、煤层破坏软分层带以及富含水低电阻率带等都能对电磁波产生折射、反射和吸收，造成电磁波能量的损耗。如果发射源发射的电磁波穿越煤层途径中，存在断层、陷落柱、富含水带、顶板垮塌和富集水的采空区、冲刷、煤层产状变化带、煤层厚度变化和煤层破坏软分层带等地质异常体时，接收到的电磁波能量就会明显减弱，这就会形成透视阴影(异常区)。矿井无线电波透视技术，就是根据电磁波在煤层中的传播特性而研制的一种收、发电磁波的仪器和资料处理系统。
3 观测系统及施工布置
3.1 槽波勘探观测系统施工布置
本次探测采用槽波透射勘探法观测系统。即在一条巷道布置发射，另一条巷道及切眼同时布置接收，之后换巷发射，接收不变，重复探测至施工结束。
(1)式中：H0——在一定的发射功率下，天线周围煤层的初始场强；单位A/m。
β——煤层对电磁波的吸收系数；
r——P点到o点的直线距离，单位m；
f(θ)——方向性因子，θ是偶极子轴与观测点方向的夹角，一般采用f(θ)=sin(θ)来计算。
在辐射条件不随时间变化时，是一常数，吸收系数是影响场强幅值的主要参数，它的值越大，场强变化就越大。吸收系数与电磁波频率和煤层的电阻率等电性参数有直接关系：在同一均匀煤层中，频率越高吸收系数就越大，电磁波穿透煤层距离就近；煤层电阻率越低，吸收系数也越大。
煤层中断裂构造的界面，构造引起的煤层破碎带、煤层破坏软分层带以及富含水低电阻率带等都能对电磁波产生折射、反射和吸收，造成电磁波能量的损耗。如果发射源发射的电磁波穿越煤层途径中，存在断层、陷落柱、富含水带、顶板垮塌和富集水的采空区、冲刷、煤层产状变化带、煤层厚度变化和煤层破坏软分层带等地质异常体时，接收到的电磁波能量就会明显减弱，这就会形成透视阴影(异常区)。矿井无线电波透视技术，就是根据电磁波在煤层中的传播特性而研制的一种收、发电磁波的仪器和资料处理系统。
3 观测系统及施工布置
3.1 槽波勘探观测系统施工布置
本次探测采用槽波透射勘探法观测系统。即在一条巷道布置发射，另一条巷道及切眼同时布置接收，之后换巷发射，接收不变，重复探测至施工结束。
图3-1 槽波透射勘探炮点及检波点布置示意图(运输巷放炮、材料巷+切眼接收)
图3-2 槽波透射勘探炮点及检波点布置示意图(材料巷放炮、运输巷+切眼接收)
3.2无线电波透视勘探现场施工布置
本次21107工作面无线电波透视工程共布置38个发射点，200个接收点，具体施工图如3-3所示：
本次21107工作面无线电波透视工程共布置38个发射点，200个接收点，具体施工图如3-3所示：
图3-3 无线电波透视勘探现场布置示意图
4 勘探设备
4.1 槽波勘探使用设备
本次21107工作面槽波勘探设备使用福州华虹智能科技股份有限公司自主研发的“KDZ3114矿井分布式震波勘探仪系统”，该系统是新一代高效便携的专业型全方位矿井地震勘探系统。系统采用先进的分布式架构，利用自动化采集及高精度同步技术，可在井下灵活组合施工，实现工作面震波CT勘探、巷道超前探测、矿井地震勘探等多种震波观测方法的数据采集。系统由数据记录仪(采集器A)，放炮启动记录仪(采集器B)，传感器等组成，KDZ3114矿井分布式震波勘探仪系统设备图见图4-1。数据记录仪与放炮启动记录仪之间利用高精度时钟同步，在井下同步对时后，所有设备将以同一时间节拍独立工作。数据记录仪不间断连续采集并存储地震数据，放炮启动记录仪记录雷管起爆时间。在完成所有激发工作后进行数据回收，将所有设备构成总线网络，以放炮启动记录仪的放炮启动时间为0从数据记录中“裁剪”出各地震道，并形成单炮记录。
4.1 槽波勘探使用设备
本次21107工作面槽波勘探设备使用福州华虹智能科技股份有限公司自主研发的“KDZ3114矿井分布式震波勘探仪系统”，该系统是新一代高效便携的专业型全方位矿井地震勘探系统。系统采用先进的分布式架构，利用自动化采集及高精度同步技术，可在井下灵活组合施工，实现工作面震波CT勘探、巷道超前探测、矿井地震勘探等多种震波观测方法的数据采集。系统由数据记录仪(采集器A)，放炮启动记录仪(采集器B)，传感器等组成，KDZ3114矿井分布式震波勘探仪系统设备图见图4-1。数据记录仪与放炮启动记录仪之间利用高精度时钟同步，在井下同步对时后，所有设备将以同一时间节拍独立工作。数据记录仪不间断连续采集并存储地震数据，放炮启动记录仪记录雷管起爆时间。在完成所有激发工作后进行数据回收，将所有设备构成总线网络，以放炮启动记录仪的放炮启动时间为0从数据记录中“裁剪”出各地震道，并形成单炮记录。
KDZ3114-Z-A KDZ3114-Z-B HDQS-100
图4-1 KDZ3114矿井分布式震波勘探仪系统设备图
该套系统的特点有：(1)系统轻便，设备小巧；(2)不用布设较长的大线；(3)不用布设通讯线；(4)数据采集过程中无操作，自动连续记录；(5)独立分散工作，不会发生一起丢炮现象等。
4.2无线电波透视勘探使用设备
本次勘探使用YDT88矿用无线电波透视仪，该设备是由福州华虹智能科技股份有限公司联合相关高校院所，引进先进的数字通信调制、高速采集、嵌入式系统等技术开发完成的新一代无线电波透视仪系统设备图见图4-2。该仪器具有轻便灵活、智能高效、透视距大、抗干扰能力强、续航时间长等特点。基于仪器所形成的“一发双收”“一发一收”等现场工作方法，极大提高施工效率和探查精度。
4.2无线电波透视勘探使用设备
本次勘探使用YDT88矿用无线电波透视仪，该设备是由福州华虹智能科技股份有限公司联合相关高校院所，引进先进的数字通信调制、高速采集、嵌入式系统等技术开发完成的新一代无线电波透视仪系统设备图见图4-2。该仪器具有轻便灵活、智能高效、透视距大、抗干扰能力强、续航时间长等特点。基于仪器所形成的“一发双收”“一发一收”等现场工作方法，极大提高施工效率和探查精度。
图4-2 YDT88矿用无线电波透视仪系统组成图
5 物探成果分析与地质解释
5.1 槽波透视成果分析
综合21107工作面槽波勘探数据处理分析，并结合相关地质资料、现场实际揭露情况等，最终得出综合地质异常区6处，命名为CB1#～CB6#，21107工作面槽波透视勘探能量衰减系数成像图见图5-1，21107工作面槽波勘探综合地质解释成果图见图5-2。所有成果图件及表格中，横向距离均以切眼后退距离为准，纵向距离均以垂直运输巷向面内为准。
5.1 槽波透视成果分析
综合21107工作面槽波勘探数据处理分析，并结合相关地质资料、现场实际揭露情况等，最终得出综合地质异常区6处，命名为CB1#～CB6#，21107工作面槽波透视勘探能量衰减系数成像图见图5-1，21107工作面槽波勘探综合地质解释成果图见图5-2。所有成果图件及表格中，横向距离均以切眼后退距离为准，纵向距离均以垂直运输巷向面内为准。
表5-1 21107工作面槽波勘探综合地质异常表
图5-1 21107工作面槽波透视勘探能量衰减系数成像图
图5-2 21107工作面槽波勘探综合地质异常解释成果图
5.2 无线电波透视成果分析
据实测场强曲线值变化特征、吸收系数、实测场强CT成像图、地质资料和现场情况综合分析，本次探测区域内存在4处异常区，并编号为KT1#～KT4#。具体如表5-2及图5-3与图5-4所示。
据实测场强曲线值变化特征、吸收系数、实测场强CT成像图、地质资料和现场情况综合分析，本次探测区域内存在4处异常区，并编号为KT1#～KT4#。具体如表5-2及图5-3与图5-4所示。
表5-2 21107工作面无线电波透视探测综合地质异常表
图5-3 21107工作面无线电波透视勘探吸收系数CT成像成果图
图5-4 21107工作面无线电波透视勘探综合地质异常解释成果图
6 结论与建议
本次21107工作面槽波地震勘探工程根据项目任务要求，采用了井下槽波透射勘探与无线电波透视相结合的综合物探方法。经过现场踏勘、方案设计、数据采集、数据处理和资料解释几个阶段，形成《21107工作面槽波透视勘探能量衰减系数成像图》《21107工作面槽波勘探综合地质异常解释成果图》《21107工作面无线电波透视勘探吸收系数CT成像成果图》《21107工作面无线电波透视勘探综合地质异常解释成果图》。最终完成了项目规定的工作量和地质任务。
6.1 结论
(1)通过槽波透射地震勘探共得到6处工作面内部地质异常区，编号为CB1#～CB6#，其中CB1#范围：X方向切眼后退911-965m，Y方向垂直运输巷0-97m；CB2#范围：X方向切眼后退846-931m，Y方向垂直运输巷144-180m；CB3#范围：X方向切眼后退700-727m，Y方向垂直运输巷160-180m；CB4#范围：X方向切眼后退322-691m，Y方向垂直运输巷0-180m；CB5#范围：X方向切眼后退286-296m，Y方向垂直运输巷165-180m；CB6#范围：X方向切眼后退130-180m，Y方向垂直运输巷55-130m。
(2)通过无线电波透视勘探共得到4处工作面内部地质异常区，编号为KT1#～KT6#，其中KT1#范围：X方向切眼后退130-270m，Y方向垂直运输巷0-180m；KT1#范围：X方向切眼后退370-640m，Y方向垂直运输巷0-180m；KT1#范围：X方向切眼后退698-755m，Y方向垂直运输巷93-180m；KT1#范围：X方向切眼后退858-970m，Y方向垂直运输巷0-180m。
6.2 建议
(1)21107工作面槽波透射地震勘探共得到6处工作面内部地质异常,结合21107的相关地质资料推测陷落柱异常区3处，分别为CB1#、CB4#、CB6#，其中CB1#为运输巷该区域揭露陷落柱发育及其影响区；CB4#为工作面两巷揭露断层和陷落柱综合发育及影响区；CB6#为推测陷落柱发育及影响区。断层异常区3处，分别为CB2#、CB3#、CB5#，其中CB3#可能为材料巷揭露的断层(H=1.2m)发育及其影响区；CB5#可能为材料巷揭露断层(H=1.5m)在面内的延伸及其影响区。
(2)建议矿方对本次物探解析的工作面内部各处地质构造异常区进行钻探验证，特别是落差较大断层、直径较大陷落柱异常区，确定地质异常体的详细产状要素及对生产影响情况，从而更合理的指导生产。对于应力集中、破碎异常区，需通过打钻把控其具体情况；对于陷落柱及断层影响异常区，由于边界影响效应及反演收敛影响，物探对其陷落柱前后边界和断层带宽度的探测可能存在一些误差，需配合钻探实测来精准控制其规模和边界。通过钻探实测，然后再进行物探二次解释，能进一步提高物探成果的准确性。
(3)建议采掘过程中加强地质编录及电子归档，并及时反馈给我方，以便后续对勘探资料进行动态分析与解释，合理选取速度等关键技术参数，通过不断的探采对比，提高探测精度，以提高槽波资料的利用率，充分发挥本项目的经济和安全效益。
7验证
通过物探异常区与巷道实际揭露情况、钻探信息对比具有较高的一致性，有效反映出了地质构造发育及影响范围。
8 结束语
1)槽波地震与无线电波透视综合探测技术能够有效对回采工作面内部地质构造进行探查，且具有较好的应用效果，特别是落差在1/2煤后以上的断层、最大直径30m以上的陷落柱等。
2)无线电波透视技术主要用于探测出回采工作面沿走向某区段内的构造异常，槽波透射勘探技术能够有效对地质构造发育方位、形态等进行精细探查，两种方法综合探测能够相互验证，进一步提高工作面内隐伏构造探测的准确性，有效降低了多解性。
本次21107工作面槽波地震勘探工程根据项目任务要求，采用了井下槽波透射勘探与无线电波透视相结合的综合物探方法。经过现场踏勘、方案设计、数据采集、数据处理和资料解释几个阶段，形成《21107工作面槽波透视勘探能量衰减系数成像图》《21107工作面槽波勘探综合地质异常解释成果图》《21107工作面无线电波透视勘探吸收系数CT成像成果图》《21107工作面无线电波透视勘探综合地质异常解释成果图》。最终完成了项目规定的工作量和地质任务。
6.1 结论
(1)通过槽波透射地震勘探共得到6处工作面内部地质异常区，编号为CB1#～CB6#，其中CB1#范围：X方向切眼后退911-965m，Y方向垂直运输巷0-97m；CB2#范围：X方向切眼后退846-931m，Y方向垂直运输巷144-180m；CB3#范围：X方向切眼后退700-727m，Y方向垂直运输巷160-180m；CB4#范围：X方向切眼后退322-691m，Y方向垂直运输巷0-180m；CB5#范围：X方向切眼后退286-296m，Y方向垂直运输巷165-180m；CB6#范围：X方向切眼后退130-180m，Y方向垂直运输巷55-130m。
(2)通过无线电波透视勘探共得到4处工作面内部地质异常区，编号为KT1#～KT6#，其中KT1#范围：X方向切眼后退130-270m，Y方向垂直运输巷0-180m；KT1#范围：X方向切眼后退370-640m，Y方向垂直运输巷0-180m；KT1#范围：X方向切眼后退698-755m，Y方向垂直运输巷93-180m；KT1#范围：X方向切眼后退858-970m，Y方向垂直运输巷0-180m。
6.2 建议
(1)21107工作面槽波透射地震勘探共得到6处工作面内部地质异常,结合21107的相关地质资料推测陷落柱异常区3处，分别为CB1#、CB4#、CB6#，其中CB1#为运输巷该区域揭露陷落柱发育及其影响区；CB4#为工作面两巷揭露断层和陷落柱综合发育及影响区；CB6#为推测陷落柱发育及影响区。断层异常区3处，分别为CB2#、CB3#、CB5#，其中CB3#可能为材料巷揭露的断层(H=1.2m)发育及其影响区；CB5#可能为材料巷揭露断层(H=1.5m)在面内的延伸及其影响区。
(2)建议矿方对本次物探解析的工作面内部各处地质构造异常区进行钻探验证，特别是落差较大断层、直径较大陷落柱异常区，确定地质异常体的详细产状要素及对生产影响情况，从而更合理的指导生产。对于应力集中、破碎异常区，需通过打钻把控其具体情况；对于陷落柱及断层影响异常区，由于边界影响效应及反演收敛影响，物探对其陷落柱前后边界和断层带宽度的探测可能存在一些误差，需配合钻探实测来精准控制其规模和边界。通过钻探实测，然后再进行物探二次解释，能进一步提高物探成果的准确性。
(3)建议采掘过程中加强地质编录及电子归档，并及时反馈给我方，以便后续对勘探资料进行动态分析与解释，合理选取速度等关键技术参数，通过不断的探采对比，提高探测精度，以提高槽波资料的利用率，充分发挥本项目的经济和安全效益。
7验证
通过物探异常区与巷道实际揭露情况、钻探信息对比具有较高的一致性，有效反映出了地质构造发育及影响范围。
8 结束语
1)槽波地震与无线电波透视综合探测技术能够有效对回采工作面内部地质构造进行探查，且具有较好的应用效果，特别是落差在1/2煤后以上的断层、最大直径30m以上的陷落柱等。
2)无线电波透视技术主要用于探测出回采工作面沿走向某区段内的构造异常，槽波透射勘探技术能够有效对地质构造发育方位、形态等进行精细探查，两种方法综合探测能够相互验证，进一步提高工作面内隐伏构造探测的准确性，有效降低了多解性。
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