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第 48 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.3 2020 年 6 月 COAL GEOLOGY transmission in-seam wave; energy attenuation; velocity filtering; fault; CT imaging 随着煤矿机械化开采程度的不断提高，迫切需 要在工作面回采前对隐伏构造进行探查，以避免因 构造落实不清而造成的灾难性事故[1]。三维地震勘 探技术虽已成为地面构造探测的首选方法，但受其 分辨率的限制，难以探明这些小构造。尤其是当煤 层厚度较薄时，3 m 左右的小断层往往也会对工作 ChaoXing 第 3 期 杨辉 薄煤层透射槽波探测技术及应用 177 面的回采造成严重影响。近年来，煤矿井下探测技 术发展迅速，尤其是以槽波探测为主要技术手段， 已成为煤矿井下高精度构造探测的首选技术[2]。煤 矿井下透射槽波探测技术优势明显，具有探测距离 远、不受井下电磁环境的干扰，可以查明直径大于 20 m 的陷落柱，落差大于 1/2 煤厚的断层，圈定煤 层变薄区的范围、采空巷道等异常，在许多煤矿已 得到实际资料的验证，取得了良好的地质效果[3-7]。 这得益于对槽波技术认识的不断深入，何文欣[8]利 用槽波波速来识别速度异常体；金丹等[9]采用极化 滤波方法对槽波信号进行增强，提高了槽波成像质 量；姬广忠等[10]采用槽波衰减系数成像法对工作面 内部异常构造进行探测；姬广忠等[11]对含垂直裂隙 HTI 煤层介质槽波频散特征进行初步研究。但是， 槽波探测也有其适定性问题，其探测效果受多方面 因素的制约，煤厚、煤岩物性条件、夹矸、构造和 煤层结构的复杂程度都对槽波探测的效果有直接影 响。一般而言，在中厚煤层厚度大于 3.0 m 及以上 探测效果最好，薄煤层效果次之[12] 。 目前，槽波探测工程实例[13-17]大多在中厚煤层 中进行，较少有人开展薄煤层槽波的频散特性与地 质异常探测之间的关联研究[18]，尤其是含异常构造 时煤层内 Love 型槽波传播规律，更缺乏探测实例。 H. Rueter 等[19]按透射法计算 Love 型槽波合成记录， 其研究表明，当槽波传播距离小于 250 m 时，埃里 震相始终很强，当传播距离大于 250 m 以后，随着 传播距离的增大，埃里相则迅速衰减。近年来，在 槽波的研究文献中，仅杨真等[20]研究了 0.9 m 薄煤 层 SH 型槽波频散特征及波形模式，认为薄煤层中 槽波在频率域中存在两个不连续的波段，尚未见其 他研究成果。在我国许多矿区东部矿区、两淮地区 等都存在着大量的煤层厚度小于 2.0 m 的情况，这 就需要对薄煤层中槽波探测效果进行分析，以证实 其探测的有效性。因此，笔者以山东某矿 15 号煤层 平均厚度 1.5 m为研究对象，针对薄煤层中槽波发 育差、传播距离近的实际情况，采用相应的技术手 段，开展 1.5 m 煤层槽波探测成像质量及探测效果 研究。 1 薄煤层透射槽波探测技术 1.1 不同煤厚时槽波的 Airy 频率变化情况 槽波传播距离的远近受多种因素影响，如震源 能量强弱，煤层与其顶底围岩的物性、Q 值、煤厚、 煤层内构造和非构造地质破坏情况、 裂隙发育程度、 煤层夹矸、人为干扰等。排除构造与非构造因素、 人为干扰和震源能量等因素以外，槽波在传播过程 中主要受煤层厚度和煤岩结构影响，煤岩结构是煤 层与其顶底围岩物性的客观反映，存在一定的地区 差异。槽波的优势能量集中在 Airy 相附近，本次重 点分析不同煤厚情况下，槽波的频散特征。因此， 设计 3 层对称模型，中间层是煤层，煤层中部均含 0.2 m 夹矸。煤层顶、底板围岩物性相同，纵波速度 均为 4 000 m/s，横波速度均为 2 300 m/s，密度 2.7 g/cm3；煤层纵波速度 2 200 m/s，横波速度为 1 300 m/s，密度为 1.3 g /cm3。假定煤层顶底板物性 相同且稳定不变，正演计算煤层厚度为 1.0、1.5、 2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 m 时的槽波频散 曲线。 理论计算出的频散曲线如图 1 所示，从图 1 可 以看出， 煤层厚度变化对 Love 型槽波频散特征影响 较大，随着煤层厚度的减小，槽波的 Airy 相频率逐 渐升高， 如 5.0 m 煤厚的槽波 Airy 相频率在 110 Hz； 2.0 m 煤厚的槽波 Airy 相频率在 290 Hz， 1.0 m 煤厚 的槽波 Airy 相频率在 550 Hz 左右。 图 1 不同煤层厚度时的频散曲线 Fig.1 Frequency dispersion curves of different coal seam thickness 频率越高，介质的吸收衰减越严重，地震波传 播的距离越近。因此，随着煤层厚度的变薄，槽波 Airy 相的传播距离也越近。而实际介质并非理想的 完全弹性介质，加之“岩–煤–岩”结构上的差异，槽 波施工一般采用炸药震源，Z 分量接收方式进行， 采集到的槽波数据的频散曲线与理论计算结果存在 一定差异，槽波的 Airy 相频率会向低频移动，能量 主要集中大于 Airy 相频率的某一个频带范围内。如 山西某矿山西组 3 号煤，平均煤厚 2.2 m，实际槽波 Airy 相频率在 220 Hz，如图 2a 所示，能量主要集 中在 240380 Hz 的频带范围内；淮北某矿 10 号 煤，平均煤厚 2.8 m，槽波 Airy 相频率在 180 Hz， 如图 2b 所示，能量主要集中在 190380 Hz 的频 带范围内。 ChaoXing 178 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 2 不同矿区采集的槽波频散曲线 Fig.2 Typical frequency dispersion curves of channel wave in different areas 1.2 1.5 m 煤层中槽波的衰减程度分析 由槽波的传播理论可知，槽波能量与介质能量 衰减系数和传播距离的关系为 0e x x AA   1 式中 x A为槽波传播了距离 x 后的振幅； 0 A为震源 处槽波的振幅；x 为槽波传播的距离；为槽波在 这条射线上总的能量衰减系数。由于震源处的槽波 振幅很难估计，引入参数 0 x kAA，来评价槽波的 衰减程度，则 0e x x kAA   2 从式2可以看出，参数 k 是槽波传播距离的函 数。结合本次 1.5 m 煤层槽波探测实例，设计地质 模型，参数如下煤层顶底板围岩物性相同，纵波 速度均为 4 400 m/s，横波速度均为 1 650 m/s，密度 2.7 g/cm3；煤层纵波速度 2 200 m/s，横波速度为 1 300 m/s，密度为 1.3 g/cm3，煤层厚度 1.5 m；煤层 中部含有夹矸， 厚度为0.20 m， 纵波速度为3 000 m/s， 横波速度均为 1 600 m/s，密度 2.2 g/cm3。该工作面 长度为 950 m， 宽度为 120 m， 正演结果如图 3a 所示。 通过计算不同接收点处槽波的能量并绘制k与距离 x 的曲线， 分析槽波在薄煤层中的能量衰减情况。 从图 3b 可以看出，随着传播距离 x 的增大，系数k衰减 较快，当传播距离达到约 430 m 时，k值接近 2， 能量已损失严重，肉眼基本无法进行分辨。这说明， 在厚度为 1.5 m 的薄煤层中，槽波衰减较快，从趋势 来看，其传播距离不大于 500 m。 图 3 1.5 m 煤厚槽波合成记录及其能量衰减曲线 Fig.3 Synthetic record and attenuation curve of 1.5 m thick coal seam 理论模拟数据无噪声影响，而在实际资料中， 还需充分考虑噪声对槽波信号的影响，只有在信噪 比较高、资料可信的情况下，才能对槽波的衰减进 行分析。以本次探测实例数据为基础，选取槽波较 为发育的单炮资料进行分析图 4。图 4a 为实际数 据提取的共接收点道集，通过分析、拾取槽波传播 不同距离后的实际振幅值，并计算其与震源处槽波 能量的比值，即k值，绘制k与x的关系，如图 4b 所示。 由图 4a 可以看出， 随着槽波传播距离的增大， 槽波能量逐渐减弱，直至槽波能量与背景噪声完全 混合，无法区分。当槽波传播距离小于 250 m 时， 槽波能量肉眼上无明显减弱，可有效识别槽波；当 槽波传播距离大于 250 m 且小于 340 m 时，槽波能 量衰减较快，但仍能有效识别；当槽波传播距离大 ChaoXing 第 3 期 杨辉 薄煤层透射槽波探测技术及应用 179 于 400 m 时，槽波已衰减至无法识别，或与背景完 全混淆。这说明在实际资料中，当槽波传播距离大 于 350 m 时， 资料已变得不可信。 从图 4b 可以看出， 当槽波传播距离约为 300 m 时，槽波的振幅与初始 振幅的比值接近 2，距离大于 300 m 时，能量衰减 很快，数据已变得不可信。 图 4 实际槽波记录滤波后及其能量衰减曲线 Fig.4 Actual channel wave record after filtering and its attenuation curve 1.3 槽波 CT 成像技术 层析成像技术又称 CTComputerized tomography 技术，早先是医学界用 X 射线或超声波为病人迅速 诊断而发展起来的一种成像方法。后来，该技术被 引入到地球物理领域，开始应用于研究地球内部构 造及天然地震等。目前，基于槽波能量的 CT 成像 方法主要是利用槽波衰减系数属性进行 CT 成像。 当槽波遇到断层等构造影响，槽波能量会发生剧烈 变化，在消除因震源和检波器耦合影响后，利用槽 波能量衰减系数属性对目标区进行 CT 成像，以反 映目标区内异常构造的位置等参数。 对于透射槽波，介质本身对槽波的吸收衰减不 同于断层等构造因素的影响，对于同一工作面的煤 层，围岩的波速、品质因子基本不变，所以，波速 和品质因子是煤厚变化的函数。假设槽波在其传播 路径上总的能量衰减系数为，介质的吸收衰减系 数为 1 ， 构造因素造成的衰减系数为 2 ， 12  。 对于中厚煤层，“煤槽”效应好，槽波一般也发育较 好，传播距离较远，介质的吸收衰减作用不强，对 于槽波传播路径上总的衰减因素而言，断层等构造 因素是其主要的影响因素，即 21 ββ， 2 。 在实际槽波 CT 成像计算中，先将目标区划分为小 网格，由于槽波的优势能量在 Airy 相部分，煤厚不 变，Airy 相频率不变，所以槽波的振幅选用接收到 的槽波包络的最大振幅，其求解方程可变为 , 0 ln j i i j j A x A       3 式中 , i j x 为一个给定网格的距离，下标i和j分别 表示网格与射线数。但对于薄煤层而言，槽波的传 播距离有限，介质的吸收衰减作用不可忽视。为提 高薄煤层透射槽波成像结果的可靠性，即成像结果 更能反映因构造因素造成的异常。对式3增加一个 约束条件，假设在薄煤层中槽波在无构造影响的介 质中的最大传播距离为D，即当炮点到接收点的距 离 , i j Dx  ≥时，接收道不参与成像结果的计算， 以减小非构造因素造成的影响。在进行薄煤层槽波 CT 成像时，对炮能量、检波器耦合因素进行一致性 校正等处理，通过选择适宜的槽波最大传播距离D 来约束成像结果，使其更能反映因构造因素造成的 槽波异常。 2 应用实例 2.1 工作面概况 山东某工作面走向长度约 950 m，宽度 120 m， 开采 15 号煤层，煤层赋存稳定，厚度 1.41.6 m， 平均 1.5 m，中间含 2030 cm 的夹矸。主要受断层 构造影响，两巷道揭露断层 4 条，对工作面回采均 有较大影响。槽波探测测线沿运输巷、切巷和轨道 巷布置，似“U”型，炮间距为 20 m，道间距 10 m。 2.2 数据分析 当槽波在正常煤层传播时，槽波能量强，当遇 到断层等构造遮挡时，槽波能量会减弱。若断层断 距大于煤层厚度，槽波无法穿透。通过对实际资料 的分析，估算出纵横波速度等参数，计算槽波频散 曲线，如图 5 所示，煤厚为 1.5 m 的槽波 Airy 相频 率在 200 Hz 附近，其能量主要集中在 190310 Hz 的频带范围内。据此对槽波进行必要的处理，以突 出槽波信号，压制其他类型的干扰波。 ChaoXing 180 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 5 透射槽波频散分析 Fig.5 Frequency dispersion analysis of transmission in-seam wave 2.3 成像结果及分析 选取适宜的参数对槽波数据进行一致性校正、 能量补偿、速度滤波等处理后，即可对数据进行 CT 成像。红黄色区域代表槽波能量衰减大，为异常区 域。考虑到探测工作面煤层厚度较薄，槽波能量衰 减严重。首先，对记录上的槽波进行有效识别；其 次，通过分析槽波记录中炮点到接收点的距离，并 对槽波的传播距离进行统计；最后，选取适宜的槽 波传播距离来约束 CT 成像结果。本探测实例中， 槽波最大的传播距离约为 350 m仅个别位置， 大部 分单炮上槽波的传播距离为 300 m 左右，因此，选 取D300 m 为约束条件，即当炮点到接收点的距离 大于 300 m 的接收道不参与计算，提高成像时可信 射线数量，减小槽波在薄煤层中衰减因素的影响， 突出了构造因素产生的槽波能量异常，约束槽波传 播距离后的 CT 成像结果图 6b，并与未进行距离 约束的成像结果图 6a相比， 图 6b 中异常能量更加 聚焦，所反映的异常形态也更加清晰。在 CT 成像 时，成像网格定义为 5 m5 m，将工作面进行网格 剖分，在不加距离约束的条件下，最高射线密度达 430 次，大部分射线密度大于 130 次，而增加距离 约束后，最高射线密度达 140 次，大部分射线密度 约 80 次以上。总的射线密度降低了，但从成像结果 来看，在增加距离约束后的 CT 成像结果异常形态 更聚焦、更清晰，正是因为提高了有效射线数量、 减少了远道对槽波异常产生干扰的原因。根据槽波 CT 成像中的异常特征， 结合巷道实见断点解释工作 面内部沿巷道走向的隐伏断层 5 条和与工作面斜交 的断层 4 条，对于靠近巷道的异常考虑是由于施工 时机械和人为干扰造成，未予解释。 图 6 槽波 CT 成像结果及构造解释 Fig.6 CT imaging of transmission in-seam wave and its structural interpretation 2.4 验证情况 本工作面开采 15 号煤层，上覆 11 号煤层距 离 15 号煤层约 40 m已开采完毕， 将其开采过程中 实见断层根据倾角向下进行地质推测， 其推断位置 如图 6b 红色所示，其推断位置与槽波解释断层位 置吻合较好，说明该断层在空间上已延伸到 15 号 煤层，说明增加距离约束后，槽波 CT 成像结果更 可靠。 3 结 论 a. 通过理论分析，确定槽波在 1.5 m 煤层中的 有效传播距离为 300 m，以此为约束条件对山东某 矿的槽波资料进行 CT 成像，显示采用槽波最大传 播距离约束 CT 成像的方法是可行的，断层解释精 度较高，位置可靠，为矿区安全开采提供了基础地 质数据。 ChaoXing 第 3 期 杨辉 薄煤层透射槽波探测技术及应用 181 b. 该方法与常规衰减系数成像相比，能够减小 介质吸收衰减因素的影响，突出构造因素形成的槽 波异常，克服了衰减系数成像方法在薄煤层中的受 限问题。 c. 受槽波传播距离的影响，有效射线密度降 低，规模较大的走向断层会对成像结果产生较大影 响，且对于垂直工作面走向的断层难于识别。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 程建远，朱梦博，王云宏，等. 煤炭智能精准开采工作面地 质模型梯级构建及其关键技术[J]. 煤炭学报，2019，448 2285–2295. 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