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关键词：地震勘探；槽波反射法；断层
0 前言
煤层中赋存着不同规模的地质构造，特别是断层构造，严重影响着采掘布置和安全生产，如果采掘过程中无计划揭露断层构造，将会发生冒顶、突水、瓦斯突出等灾难事故，严重威胁着矿工的生命安全，也会造成巨大的经济损失。因此，断层构造的准确探查和预测、预报，对采煤矿井的安全生产至关重要。
目前，矿井地质构造勘探的主要手段包括地面三维地震勘探、井下无线电波透视和井下钻探。地面三维地震勘探受施工条件约束，地面地形高差大，反演成果存在偏差、准确率不高，且施工周期长、成本较高；井下无线电波透视发展相对成熟，但传播距离有限，探测纵向分辨率较差，抗电干扰能力弱，对断层的反应不明显，且无法利用单条巷道进行勘探[2]；井下钻探只能依据物探成果展开定向探测，若无固定靶区，则费时费力，且成本过高。
槽波地震勘探[1]作为一种新型的可应用于井下的高精度探测方法，具有探测距离大(透射法探测距离为煤厚的300倍，反射法探测距离为煤厚的150倍)、震源信号强(采用放炮进行地震波激发)、抗电干扰能力强、精度高、波形特征较易识别(埃里相频率高能量强)、异常对比性强且探测结果直观等特点，正在广泛展开推广和应用，是矿井地质构造探测中备受关注、最有前景的地球物理勘探方法之一[3]。目前，槽波地震透射法勘探技术相对成熟，但反射法勘探正在研究当中，特别是对断层构造精确探查的适应性还暂无定论，因此，本次研究对煤矿的安全生产意义重大。
1 槽波反射法勘探原理
当在煤层中激发一个震动时，便会产生地震波，包括P波和S波，S波又包括SH波和SV波。这些地震波向四周扩散传播。由于在煤层中波速明显低于顶板和底板的波速，当震源产生的地震波传播到煤层顶板和底板界面时将会被全部反射和折射回煤层内部，相互混响、叠加形成槽波，如图1-1所示。当煤层的连续性发生变化时，槽波特征会随之改变，槽波地震勘探便是据此原理完成地质构造的精细化探查。
图1-1 槽波的形成原理示意图
槽波地震勘探分为透射法、反射法和透射／反射联合法探测。槽波反射法探测是将炮点与数据采集站布置在同一巷道内，当震源激发的槽波沿煤层向远处传播过程中遇到异常界面时，将改变地震波的传播方向，产生反射槽波信号，利用布置在侧帮的检波器就可以接收到这些反射槽波信号，通过识别和分析，追踪反射槽波埃里相同相轴，便能查明断层、岩墙等地质构造的所在位置和延展深度[4-5]，如图1-2所示。
图1-2 槽波反射法勘探示意图
槽波地震反射法勘探只适用于槽波赋存特性好或较好的煤层(主要包括：煤层的导槽性好、槽波埃里相频率较高和槽波埃里相群速度低)，但是槽波反射法勘探的影响因素众多(主要包括：槽波反射信号信噪比低、频散导致分辨率低、反射系数、反射面不平、反射体产状、断层落差、断层面倾角、大断层阻挡多条断层叠加探测盲区、空气声波干扰煤层、褶曲、检波器二次谐振等)，特别是在断层探测中，如果断层走向与观测系统轴线的角度过大，将会影响反射槽波的有效接收，如果探测区域浅部存在落差大于煤层厚度断层，将会对深部的断层信息进行阻挡，所以，观测系统的合理布置和反射槽波的数据处理至关重要。
2Ⅲ16-1(1)工作面概况及观测系统布置
Ⅲ16-1(1)工作面包含Ⅲ16-1(1)轨道顺槽、Ⅲ16-1(1)运输顺槽、Ⅲ16-1(1)工作面切眼。工作面平均可采走向投影长941m，平均投影斜长183m。根据三维地震结果显示，Ⅲ16-1(1)工作面轨道顺槽外侧发育有一条落差接近30m的断层，倾角64°，走向南北，与巷道呈近平行夹角，为了查明该断层的赋存情况，以及为该区域的开拓布置以及安全生产提供技术资料，特在轨道顺槽开展了槽波反射勘探。
本次槽波反射勘探采用了福州华虹的KDZ31114矿井分布式震波勘探仪，勘探线长度520m，布置53个检波器，布置39个炮点，单孔药量200g，均采用一段瞬时雷管引爆炸药，从切眼至巷口方向依次激发和接收。Ⅲ16-1(1)工作面轨道顺槽外帮槽波勘探施工布置如图2-1所示。
2Ⅲ16-1(1)工作面概况及观测系统布置
Ⅲ16-1(1)工作面包含Ⅲ16-1(1)轨道顺槽、Ⅲ16-1(1)运输顺槽、Ⅲ16-1(1)工作面切眼。工作面平均可采走向投影长941m，平均投影斜长183m。根据三维地震结果显示，Ⅲ16-1(1)工作面轨道顺槽外侧发育有一条落差接近30m的断层，倾角64°，走向南北，与巷道呈近平行夹角，为了查明该断层的赋存情况，以及为该区域的开拓布置以及安全生产提供技术资料，特在轨道顺槽开展了槽波反射勘探。
本次槽波反射勘探采用了福州华虹的KDZ31114矿井分布式震波勘探仪，勘探线长度520m，布置53个检波器，布置39个炮点，单孔药量200g，均采用一段瞬时雷管引爆炸药，从切眼至巷口方向依次激发和接收。Ⅲ16-1(1)工作面轨道顺槽外帮槽波勘探施工布置如图2-1所示。
图2-1 Ⅲ16-1(1)工作面轨道顺槽外帮槽波反射勘探施工布置图
3 Ⅲ16-1(1)工作面槽波反射数据处理
在槽波反射法勘探中，震源激发后形成的槽波呈环状扩散，由于检波器与激发点位于巷道同侧，一部分槽波直接沿煤壁表面最先到达接收点，形成直达槽波，另一部分槽波遇到异常界面后产生反射，形成反射槽波，且传播路径远大于直达槽波，故滞后到达接收点。
由图3-1可以看出，180～270ms存在反射槽波，其震相清晰，振幅大，衰减慢，表现出槽波高频和低速的特点，而反射槽波的形成也间接说明了探测区域内异常界面的存在。
在槽波反射法勘探中，震源激发后形成的槽波呈环状扩散，由于检波器与激发点位于巷道同侧，一部分槽波直接沿煤壁表面最先到达接收点，形成直达槽波，另一部分槽波遇到异常界面后产生反射，形成反射槽波，且传播路径远大于直达槽波，故滞后到达接收点。
由图3-1可以看出，180～270ms存在反射槽波，其震相清晰，振幅大，衰减慢，表现出槽波高频和低速的特点，而反射槽波的形成也间接说明了探测区域内异常界面的存在。
图3-1 第26炮共炮点道集原始记录
本次槽波地震勘探数据处理工作采用了福州华虹智能科技股份有限公司发行的《KDZ3114—槽波地震数据处理解释系统》软件平台，主要处理流程包括：
(1)数据录入：将本次采集到的39个单炮记录数据进行格式转换，并导入处理工作站，加载到槽波处理软件中，建立处理工程。
(2)预处理：主要包括异常道检查、剔除坏道、空道等。
(3)观测系统加载：依据炮点和检波器位置建立勘探观测系统。
(4)初至延时校正(静校正)：本次放炮采用的是l段雷管，存在0-15ms的延时误差，需进行校正。
(5)主频分析：地震道记录的信号包含各种干扰信号，如P波、S波、声波等信号，各种信号重叠混淆在一起，但由于其触发机制和传播路径的不同，不同波的波速以及频率都有差异，通过时频分析以及频散分析[7-8]等，确定本次勘探反射槽波的埃里相主频频率在80-120Hz范围内。
(6)AGC增益和滤波：通过利用AGC进行深部信号增益，以及利用F-K窄带滤波等技术，对原始数据进行了批处理，对反射槽波的信号进行了提取和凸显，由图3-2可以看出，180-300ms的反射槽波信号得到了加强。
(1)数据录入：将本次采集到的39个单炮记录数据进行格式转换，并导入处理工作站，加载到槽波处理软件中，建立处理工程。
(2)预处理：主要包括异常道检查、剔除坏道、空道等。
(3)观测系统加载：依据炮点和检波器位置建立勘探观测系统。
(4)初至延时校正(静校正)：本次放炮采用的是l段雷管，存在0-15ms的延时误差，需进行校正。
(5)主频分析：地震道记录的信号包含各种干扰信号，如P波、S波、声波等信号，各种信号重叠混淆在一起，但由于其触发机制和传播路径的不同，不同波的波速以及频率都有差异，通过时频分析以及频散分析[7-8]等，确定本次勘探反射槽波的埃里相主频频率在80-120Hz范围内。
(6)AGC增益和滤波：通过利用AGC进行深部信号增益，以及利用F-K窄带滤波等技术，对原始数据进行了批处理，对反射槽波的信号进行了提取和凸显，由图3-2可以看出，180-300ms的反射槽波信号得到了加强。
图3-2 AGC增益和滤波处理后的第26炮共炮点道集
(7)动校正：借此可以消除单个检波器中的反射时差，把不同的炮检距还原至0，而通过直达槽波到达时间和偏移距的对应关系可计算得出本次探测区域的槽波速度[6]约900m/s。
(8)包络计算：利用希尔伯特变换，将高频埃里相变为低频包络，强化相间地震道的相干性。
(9)CPM包络叠加：把经过包络的共反射点道集进行叠加，提高信噪比，突出反射震相。
(10)时深转换和相位偏移：结合槽波速度及相关偏移算法纠正反射震相位置，最终得到准确的反演成果，如图3-3所示，但是，由于槽波的频散特性，使得反射槽波不是集中在一条同相轴上，而是分布在一定宽度的时间域内，因此，按照”取中原则＂勾画出异常位置(图3-3中青色实线所示)，命名为CBFl。
(8)包络计算：利用希尔伯特变换，将高频埃里相变为低频包络，强化相间地震道的相干性。
(9)CPM包络叠加：把经过包络的共反射点道集进行叠加，提高信噪比，突出反射震相。
(10)时深转换和相位偏移：结合槽波速度及相关偏移算法纠正反射震相位置，最终得到准确的反演成果，如图3-3所示，但是，由于槽波的频散特性，使得反射槽波不是集中在一条同相轴上，而是分布在一定宽度的时间域内，因此，按照”取中原则＂勾画出异常位置(图3-3中青色实线所示)，命名为CBFl。
图3-3 Ⅲ16-1(1)工作面轨道顺槽外帮槽波反射水平叠加偏移剖面图
(11)ALS偏移成像：反射绕射偏移的根本目的是确定工作面前方煤层内反射体，如断层等地质异常体的空间位置，利用ALS偏移成像技术最终得到的反射结果如图3-4所示，异常位置为图中黄红色等能量大的位置，异常范围用紫色实线表示，异常命名为CBF1。
图3-4 Ⅲ16-1(1)工作面轨道顺槽外帮槽波反射ALS偏移成像结果图
4 Ⅲ16-1(1)工作面槽波反射勘探结果验证对比
为验证槽波反射法预测F21断层的准确性，在轨道顺槽距切眼10m与50m处施工1、2号验证钻孔，其中，1号孔揭露断层位置(图4-1中蓝色圆点)距轨道顺槽91m，而槽波反射推测的F21断层(图中棕色断煤交线表示的位置)距轨道顺槽为99m，误差为8m。2号钻孔揭露的断层位置距轨道顺槽104m，而槽波反射推测的F21断层距轨道顺槽为110m，误差为6m。另外，槽波反射推测的F21断层位置与地面三维地震探测的断层位置(图中红色断煤交线所处的位置)几乎重合。
为验证槽波反射法预测F21断层的准确性，在轨道顺槽距切眼10m与50m处施工1、2号验证钻孔，其中，1号孔揭露断层位置(图4-1中蓝色圆点)距轨道顺槽91m，而槽波反射推测的F21断层(图中棕色断煤交线表示的位置)距轨道顺槽为99m，误差为8m。2号钻孔揭露的断层位置距轨道顺槽104m，而槽波反射推测的F21断层距轨道顺槽为110m，误差为6m。另外，槽波反射推测的F21断层位置与地面三维地震探测的断层位置(图中红色断煤交线所处的位置)几乎重合。
图4-1 Ⅲ16-1(1)工作面轨道顺槽外帮槽波反射勘探结果验证对比图
5 结论
(1)研究槽波反射法勘探发现，探测区域的槽波速度约900m/s，槽波主频区间为80-120Hz，可为矿井内邻近采面的槽波地震探测解析提供理论的基础参数。
(2)研究槽波反射法勘探发现，探测异常位置，与断层实际位置和赋存特征近乎吻合，偏差不大于10m，探测效果良好，同时有效纠正了地面三维地震勘探结果的误差，是一种探测断层构造的行之有效的地球物理勘探方法，对保障矿井安全生产意义重大。
(3)由于槽波本身的频散特性，且信噪比不高，增大了槽波速度准确计算的难度，难免存在解释成果的位置偏差。另外，观测系统轴线与探测断层走向夹角对解析成果准确性的影响应作为今后槽波反射法探测断层的一个研究重点。
参考文献
[1]刘天放,潘冬明,李德春,等槽波地震勘探[M]徐州:中国矿业大学出版社,1994.
[2]汤友谊,陈江峰,彭立世,无线电波坑道透视构造煤的研究[J] .煤炭学报,2002,30(7):254-258.
[3]程建远,李浙龙,张广忠,等煤矿井下地震勘探技术应用现状与发展展望[J]勘探地球物理进展,2009,32(2):76-82.
[4]焦阳,卫金善,窦文武.槽波反射法在断层探测中的应用研究[J] .山西煤炭,2017,37(1):4.
[5]吕振绘.槽波反射法在矿井断层探测中的应用[J] .山西能源学院学报,2020,33(2):3.
[6]杨元海槽波速度谱相对透射系数图法[J]煤田地质与勘探.1993,21(4) :53-56.
[7]乔勇虎,滕吉文,皮娇龙.含小断层煤层Rayleigh型槽波波场和频散分析[J] .地球物理学报，2018,61(12):4976-4987.
[8]张碧星,香来玉,用频率－波数法分析瑞利波频散曲线[J] .工程地球物理学报,2005,2(4):245-255.
(1)研究槽波反射法勘探发现，探测区域的槽波速度约900m/s，槽波主频区间为80-120Hz，可为矿井内邻近采面的槽波地震探测解析提供理论的基础参数。
(2)研究槽波反射法勘探发现，探测异常位置，与断层实际位置和赋存特征近乎吻合，偏差不大于10m，探测效果良好，同时有效纠正了地面三维地震勘探结果的误差，是一种探测断层构造的行之有效的地球物理勘探方法，对保障矿井安全生产意义重大。
(3)由于槽波本身的频散特性，且信噪比不高，增大了槽波速度准确计算的难度，难免存在解释成果的位置偏差。另外，观测系统轴线与探测断层走向夹角对解析成果准确性的影响应作为今后槽波反射法探测断层的一个研究重点。
参考文献
[1]刘天放,潘冬明,李德春,等槽波地震勘探[M]徐州:中国矿业大学出版社,1994.
[2]汤友谊,陈江峰,彭立世,无线电波坑道透视构造煤的研究[J] .煤炭学报,2002,30(7):254-258.
[3]程建远,李浙龙,张广忠,等煤矿井下地震勘探技术应用现状与发展展望[J]勘探地球物理进展,2009,32(2):76-82.
[4]焦阳,卫金善,窦文武.槽波反射法在断层探测中的应用研究[J] .山西煤炭,2017,37(1):4.
[5]吕振绘.槽波反射法在矿井断层探测中的应用[J] .山西能源学院学报,2020,33(2):3.
[6]杨元海槽波速度谱相对透射系数图法[J]煤田地质与勘探.1993,21(4) :53-56.
[7]乔勇虎,滕吉文,皮娇龙.含小断层煤层Rayleigh型槽波波场和频散分析[J] .地球物理学报，2018,61(12):4976-4987.
[8]张碧星,香来玉,用频率－波数法分析瑞利波频散曲线[J] .工程地球物理学报,2005,2(4):245-255.
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