槽波地震勘探研究进展_郭银景.pdf
第 48 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.2 2020 年 4 月 COAL GEOLOGY coal thickness analysis; structural recognition; coal mine safety; channel wave radar 槽波地震勘探In-Seam Seismic,简称 ISS是在 井下煤层开采工作面内进行的,直接探测煤层内地 质构造或地质异常体,是目前最有效、最精确、分 辨率最高的井下地震勘探方法,受到相关学者的广 泛关注。 1955 年,F. F. Evison[1]第一次应用槽波勘探并 揭示了槽波的频散特性,将场数据频散曲线与 Love 波理论进行了比较, 预测了槽波地震勘探应用前景; T. C. Krey[2]在比较煤层和周围岩石的性质后,对煤 层中槽波进行验证和分析,提出可通过槽波来识别 ChaoXing 第 2 期 郭银景等 槽波地震勘探研究进展 217 地质异常体,为槽波地震勘探奠定了基础。此后, 对槽波的研究越来越多。E. Liu 等[3]研究了 Love 波 在煤层和围岩之间存在裂缝时的性质;Yang zhen 等[4]使用数值分析方法计算了槽波的频散曲线。槽 波地震勘探方法分为透射波法、反射波法和联合勘 探法,首先应用于断层识别。F. K. Brentrup[5]总结了 德国 200 个煤矿中 ISS 技术探测断层的成果, 其中, 反射法成功率为 66,透射法成功率为 83。透射 法主要基于层析成像原理探测工作面内部异常[6-8]; 反射法有包络叠加和动态道集叠加[9]等,还有基于 偏移类的方法[10-13]。 经过几十年的发展,ISS 技术已较为成熟, 能够成功揭示煤层的不连续性,如断层或断裂 带,泥床分布和冲刷带等,是一种有效的小构造 探测方法[14-16]。 C. Guo 等[17]结合遗传算法Genetic Algorithm,GA和同时迭代重建技术Simultaneous Iterative Reconstruction Technique,SIRT提出了 GA-SIRT 混合方法,提高了煤厚反演的准确性; D. J. Yancey 等[18]利用透射和反射联合勘探法成功 探测了煤矿采空区。国内近年来对 ISS 的研究也越 来越多,荣晓伟[19]通过槽波频散曲线提取,实现了 夹矸的厚度、位置以及速度等属性预测;廉洁等[20] 采用反射法,计算并预测了断层走向及位置,偏差 小于 5 m;李江华等[21]为解除导水构造对工作面安 全开采的隐患,采用槽波透射波法和瞬变电磁法实 现了地质构造导水通道的精细探测,为工作面的水 害防治提供了重要依据。 通过相关文献学习发现,较为完整系统地介绍 ISS 技术的文章较少,因此,为进一步提升对 ISS 的关注和理解,推动 ISS 技术的不断发展,本文对 ISS 方法进行了详细的介绍,基于 ISS 的工作流程, 从震源激发、信号采集、预处理、信号提取以及数 据处理与分析等方面,对现有研究工作进行了详细 的介绍、分析和对比。同时,针对现有的 ISS 技术 应用,如煤厚识别以及构造识别等进行了相应的介 绍和分析。 1 槽波地震勘探原理 1.1 槽波的形成 在含煤地层中,煤层与围岩相比具有密度小、 震波速度低的特点,形成一个低速夹层[22]。当在煤 层中激发一个震动时,产生地震波,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, 地震波传播到上下围岩界面时被全部反射和 折射回煤层内部,混响、叠加形成槽波,如图 1 所 示。因此,槽波是在煤层中形成的地震波,其传播 距离远、能量强、波形特征易于识别,具有明显的 频散特征[23]。 图 1 槽波形成原理示意图 Fig.1 Channel wave ation schematic 1.2 槽波地震勘探原理 槽波能够应用于超前探测的前提是煤层具有波 导性。地震波在上下围岩中的传播速度大于在煤层 中的传播速度,且上下围岩界面具有非常强的波阻 抗,因此,形成一个以煤层为中心的波导层,使地 震波在煤层中多次全反射[24]。当工作面前方有地质异 常时,沿煤层传播的槽波受到阻断,在同一煤层巷道 煤壁上或钻孔中适当安置检波器,可接收到槽波并送 到地震仪记录下来,通过分析槽波的有无、强弱及其 相关运动学、动力学特征来判断地质异常[21]。 2 槽波地震勘探方法 槽波地震勘探方法分为透射波法、反射波法和 联合勘探方法[25]。 2.1 透射波法 如图 2 所示,震源激发装置和检波器分别布置 在煤层两边的巷道内。当煤层厚度小于异常构造厚 度时,槽波信号被完全阻断,无法采集槽波信号; 当煤层厚度的一半等于异常构造厚度时,槽波信号 部分被阻断,信号能量有不同程度的减弱。透射波 法一般用于探测煤层内部地质结构,例如探明煤 层厚度变化情况,探测断层、陷落柱以及夹矸分布 等,蔺国华[27]和 N. E. Huang 等[26],采用透射波法 准确预测了断层的发育位置,李刚等[28]和焦阳等[29] 应用于陷落柱的位置及范围探测。 图 2 透射波勘探法示意图 Fig.2 Schematic diagram of transmission wave exploration ChaoXing 218 煤田地质与勘探 第 48 卷 2.2 反射波法 如图 3 所示,检波器和震源激发装置布置在同 一巷道内,直接接收反射信号,根据振幅值的大小 和波速等参数来判断煤层异常与否。在断层落差与 煤厚相差不大时,槽波发生反射现象,断层附近的 密度和波速出现不同;断层落差较小时,部分槽波 被反射,此时信号幅值较小。反射波法常用于探测 煤层内的冲刷带、断层等分布情况,W. Wang 等[16], 姚小帅等[22],焦阳等[23]和李雪梅[30]均利用反射波法 成功探测出了冲刷带及断层等异常构造,且具有较 高的精度。 图 3 反射波勘探法示意图 Fig.3 Schematic diagram of reflected wave exploration 2.3 联合勘探法 透射–反射联合勘探法综合以上两种方法, 如图 4 所示,煤层两边巷道的煤壁上均布放检波器,炮点 放置在通风巷内, 通风巷的检波器接收反射波信号, 运输巷的检波器接收透射信号。根据实际情况,采 用合理的观测系统,联合勘探的效果可能最好[31], D. J. Yancey 等[18],宋保陵等[25]和张强等[32]采用联 合勘探法对地质异常进行勘探,均取得了较好的探 测结果。 图 4 联合勘探法示意图 Fig.4 Joint exploration 3 槽波地震勘探信号处理 ISS 基于接收到的槽波信号,通过分析其频散 特性、衰减特性等来判别煤层中的异常结构,其主 要包含 5 个步骤,如图 5 所示。首先,震源激发后 利用检波器接收槽波信号;其次,对所收集到的信 号进行数据格式转换、异常道检测与剔除等一系列 预处理;然后再对信号进行滤波处理,进一步获取 有用信息;滤波之后用频散反演、CT 层析成像、包 络叠加等方法处理槽波数据;最后,对处理后的数 据进行频散分析、速度分析及能量衰减分析等,以 此来识别判断煤层中的异常结构。下面分别对各个 步骤进行详细介绍。 3.1 槽波震源的激发 槽波震源的激发是勘探工作的关键环节, 震源的激发决定了勘探效果。常用的震源激发 方法有两类一类是机械震源法,用锤击产生 震源;另一类是爆炸震源法,由雷管或炸药产 生震源 [33]。两类震源激发的具体情况见表 1。 图 5 槽波地震勘探流程 Fig.5 Channel wave seismic exploration process 表 1 两类震源激发形式对比 Table 1 Comparison of two types of source excitation s 震源类型 优 势 不 足 机械震源 激发的槽波频谱成分优良,可重复多次激发; 施工简单、安全,易于控制产生所需要的波形 波形能量低,探测距离较短; 同一点多次激发导致激发点处岩体产生附加性破坏问题 爆炸震源 激发的震源能量大,探测距离较远,震源能量的大小 可通过炸药的药量来调节控制; 多孔爆炸方法可激发出 Love 型槽波,同时可较大地 改善定向辐射特性和频谱成分 难以产生定向辐射的槽波,且波形的重复性较差; 炸药药量过大会造成干扰水平高、分辨有效波困难且巷道煤 壁破坏严重 ChaoXing 第 2 期 郭银景等 槽波地震勘探研究进展 219 3.2 信号采集 槽波信号的采集是 ISS 中的重要一步,采集到 有效的槽波信号对后续处理分析尤为重要[34-35]。通 常采用二分量或三分量检波器与信号采集板来拾取 槽波信号,一个分量垂直于煤壁,其余分量平行于 煤壁或巷道。开始工作时,两个方向的分量同时接 收信号,分别从两个互相独立的信号通道送入信号 采集板。为了能准确地接收到高质量的槽波信号, 信号采集系统应具有较小时延或一致的响应特性, 确保各个接收端的一致性[33]。 3.3 预处理 由于外界干扰因素众多,采集到的原始槽波信 号信噪比低,若直接对这些数据进行处理会严重影 响处理效果。因此,需要先对其进行数据格式转换、 异常道检测与剔除等预处理过程。 a. 数据转录和记录格式转换 将原始槽波数 据转换成数理系统中要求的地震数据个数SGY。 b. 异常道检测与剔除 大量的异常道会影响 后续的处理效果,能量较强的异常道对宽频滤波、 透射槽波能量成像等多道处理有不良的影响, 因此, 需对异常道进行检查,剔除坏道,空道。 c. 建立观测系统 观测系统建立的准确性对 后续数据处理有直接影响。建立时要指定震源激发 点与接收点的空间坐标,建立炮点与检波点的对应 关系。 d. 初至校正 起爆到爆炸有一定的时差, 若初 至时间存在误差,则会对反演成像的质量与准确度 造成严重影响,所以初至校正是数据处理前的关键 步骤。 e. 能量扩散补偿 地震波传播过程中,其能量 随距离增大而不断减小,频率也随之不断下降。通 过补偿,同一单炮多道原始地震记录在记录后期的 远端波形能量得到增加,并且道与道间的能量得到 均衡,解决了能量衰减问题。能量扩散补偿前后波 形如图 6 所示。 图 6 能量扩散补偿前后波形 Fig.6 Wave before and after energy diffusion compensation 3.4 信号提取 对原始槽波信号进行预处理之后,为有效提纯 槽波,还需对其作滤波分析。一维滤波、二维滤波、 τ-p变换及经验模态分解是4种常用的槽波信号提取 方法。表 2 为 4 种常见槽波信号提取方式优缺点的 对比。 a. 一维滤波 在槽波信号的处理中,最常用的 是傅立叶变换,基本思想为一个和时间相关的槽波 信号可以分解为不同频率的正弦信号的叠加。离散 傅立叶变换表示为式1 2π 1 0 0e,,1 N kn N k k nXNx n , 1 式中xn和 Xk均为有限长序列;xn为采样的模拟 信号; Xk为 xn的傅里叶变换在频率区间[0,2n]上的 N 点等间隔采样;k 为波数,k[0, N–1];N 为序列 xn的长度。 带通滤波器抽取特定频率范围内的波,通过频 谱分析来确定槽波的频率范围, 采用高斯窗口滤波, 以达到提纯槽波的目的[36]。姚小帅等[22]和李雪梅[30] 采用傅里叶变换、希尔伯特变换等方法对槽波信号 进行滤波,提取到了更有价值的槽波信号。 b. F-K 滤波 F-K 变换时间–空间域滤波即 利用有效波和干扰波的频谱及视速度间的差异来处 理槽波,是地震信号处理中一种常用的二维变换方 法。使用透射法采集到的单炮井下地震数据 dx,t, 可看作一个时空域函数,分别沿时间方向和空间方 向做傅里叶变换,即可将时空域数据 , d x t变换到 F-K 域,即 i2πd , , ed d ft x F f kf t xt x 2 式中频率2πf 。在 F-K 域利用 , Hk滤波器 对 , Dk进行二维滤波,将其重新变换到时间空间–域 即可得到滤波后的信号 , d x t i , , , ed d t kx d x tDk Hkk 3 式中ω 为圆频率;Dω,k为多道瑞利波地震记录。 理想情况下,F-K 域内的槽波形态应为一条较 窄的斜线或曲线,以该曲线为中心设计滤波器,对 信号进行滤波处理, 再将信号转换回时间–空间域后 即可突出信号中的槽波成分,压制噪声和其他波场 成分[37-38]。 c. -p变换 提取槽波对其做-p变换,相当 于对地震记录做一次坐标变换,将地震记录从时 间–空间t-x域变换到-p域。设t-x域的地震记录 为 , t x, , p 为变换后域地震记录。对于连续 函数,-p变换公式可表示为 ChaoXing 220 煤田地质与勘探 第 48 卷 , , d t pt xl 4 式4表示的是沿直线l求积分的过程。 直线l的 方程可表示为tpx,d /dptx为直线l的斜 率。对应式4的逆变换公式可表示为 , , d t t xpl 5 式5中直线l方程为tpx ,d /dxp 。 - t x域中每点记录可通过求取其在域中所对应的直 线l的积分得到。根据槽波速度慢的特点,可提取 出槽波信号,马欣等[39]用-p变换成功提取了槽波 信号。 d. 经验模态分解Empirical Mode Decomposi- tion,EMD 一种非平稳信号的处理方法[26],广泛 应用于煤矿地震信号处理等领域。EMD 是将一个 非平稳信号分解为若干个固有模态函数Intrinsic Mode Function,IMF的过程。以信号 st为例,首 先将所有极大、 极小值点分别用一条曲线连接起来, 使两条曲线间包含所有信号, 从而得到 st的上、 下 包络线。将 st与两条包络线的平均值差记作 h,即 stmh,将h看作是新的 st,重复此步骤,直到 h 满足 IMF 的条件时,记 c1h,将 c1作为第一个 IMF 1 s tcr,视 r 为新的 st,重复以上过程, 依次得到第二个、第三个,直到第 n 个 IMF,直到 r 满足给定的终止条件时结束。由此可以得到 st 1 n i i s tcr 6 式中r为残余函数,代表信号的平均趋势。每个 IMF 并无严格的频率范围, 各 IMF 之间也并非严格 的频率递减关系。这对于处理槽波信号这种具有频 散性质的非平稳信号十分适合[26]。 王季[40]采用 EMD 算法对原始信号进行分解, 实现了槽波信号的提纯。 表 2 槽波信号提取方式对比 Table 2 Comparison of channel wave signal extraction s 滤波类型 优 点 缺 点 一维滤波 可有效提取槽波 只能提取其主频信息,会造成一部分信号的损失 F-K 滤波 通过波数和频率两个参数控制来提取槽波,效果良好 τ-p 变换 通过视速度来滤波,频率没有损失 在视速度相差不大的情况下,效果不明显 EMD 对于提高信号的信噪比有其独特作用,对于杂乱的、非 对称干扰信号效果较明显 若干扰信号对称规则,效果不太明显 3.5 数据处理 槽波数据处理在 ISS 中十分重要,通过数据处 理,可以识别和提取槽波的不同震相、压制噪声与 干扰,有效定位地质构造的位置。槽波的频散特性 及煤层中异常体走向的随意性,使槽波数据处理具 有一些特殊方法,例如极化分析与旋转、频散反演、 包络叠加、再压缩或反褶积、动态道集DTG叠加、 ALS自适应延迟求和偏移成像和 CT 成像技术等。 3.5.1 透射槽波数据处理流程 图 7 为透射槽波地震勘探数据处理流程 a. 极化分析与旋转 采用双分量检波器接收 槽波数据,X 分量轴线平行于煤层和煤壁,Y 分量 轴线平行于煤层、垂直于煤壁。透射法采集数据时, 各炮点与检波器的连线与检波器的夹角不同。为便 于分析地震波极化特征,进一步为速度分析、图像 重建提供参数,需将所有地震道双分量信号通过坐 标旋转公式7校正到水平平行波传播方向和水平 垂直波传播方向[40]。 cossin cossin xxy yyx 7 图 7 透射槽波数据处理流程 Fig.7 Processing flow chart of transmitted channel wave data 式中θ 为坐标旋转角度,可利用纵波传播能量法 则计算[41];x、y 为原始槽波地震双分量信号;x′为 水平平行地震波传播方向分量;y′为水平垂直地震 波传播方向分量。 b. 频散反演 槽波的反演是利用其频散特性 对煤厚进行预测。通过理论计算与试验验证得知, ChaoXing 第 2 期 郭银景等 槽波地震勘探研究进展 221 随着煤厚的增加,埃里相频率随之下降,埃里相表 现得愈加凸显,通过这种对应关系,在频散曲线的 分析与提取中就可以掌握回采工作面内煤厚的发育 情况。不同煤厚的频散曲线如图 8 所示。 图 8 不同煤厚的频散曲线 Fig.8 Dispersion curves of different coal thicknesses c. CT 层析成像技术 CT 成像借助计算机图像 重建技术,通过非均匀介质中传播的透射时间或振 幅衰减恢复煤层中的速度场或吸收系数场,使异常 成像,从而预测异常情况。目前 CT 层析成像方法 有槽波能量衰减系数 CT 成像方法能量法、 槽波速 度 CT 成像方法速度法等。李刚等[28]、张强等[32]、 马欣等[39]和王季[40]在对槽波原始数据进行预处理 之后采用 CT 成像技术使地质构造异常成像,从而 预测构造异常。图 9 为某工作面槽波能量衰减系数 层析成像图。暖色区表示槽波能量衰减严重,可能 为地质构造异常,绿色及冷色区域表示槽波能量均 衡,判断为正常煤体。 图 9 槽波能量衰减系数层析成像 Fig.9 Tomography of channel wave energy attenuation coefficient 3.5.2 反射槽波数据处理流程 图 10 为反射槽波地震勘探数据处理流程 a. 包络叠加 地震数据是高频数据。非常小的 时移也可能造成“脱相”和叠加中的相消干涉, 因此, 多采用包络叠加的方法处理数据,首先用窄带通滤 波提取原始记录的埃里相,计算地震道的包络线, 抽取更深度点包络道集,然后用提取的埃里相速度 数据在包络道集上进行正常的时差校正,最后将动 校正后的包络道集进行叠加[42]。 以山西某矿为例,原始数据经过预处理后,利 用反射槽波包络叠加法对 50 个单炮数据进行处理, 如图 11 所示。处理后成像结果如图 12,图中深色 图 10 反射槽波数据处理流程 Fig.10 The processing flow of reflected ISS 图 11 反射槽波包络处理前后数据对比 Fig.11 Data comparison chart before and after reflection groove wave envelope processing 图 12 包络叠加反射成像构造解释 Fig.12 Structural interpretation by enveloped superposition reflected imaging ChaoXing 222 煤田地质与勘探 第 48 卷 背景区域为煤层正常区域,虚线圈内为构造异常区 域。综合研究区地质资料与成像结果,判断 CF1、 CF2 为两条断层。验证结果表明断层实际位置与预 测位置一致[43]。 b. 再压缩或反褶积 该方法目的是消除先前 滤波作用,通过压缩基本子波来提高槽波地震数据 的垂向分辨率。理想情况下,反褶积可以压缩直达 槽波,增强反射槽波。 c. 动态道集DTG叠加 针对 ISS中反射体走 向与测线夹角的随意性、 槽波的频散性及槽波数据 的冗余有限性而设计的一种改进的 CDP 叠加,修 改普通的 CDP 多次叠加技术以适应 ISS 条件的特 殊性。 d. ALS 偏 移 成 像 ALSAlternating Least Squares偏移成像是 LS 偏移技术的改进,在 ALS 偏移技术网格化模式下,对与接收点成不同夹角的 可能存在地质异常体的区域赋予不同的加权数,从 而计算出振幅概率密度, 得出振幅或者能量分布图。 宋保陵等[25]采用透射–反射联合勘探方法, 对槽波数 据进行偏移成像处理,成功预测出多个断层和一个 陷落柱。 3.6 数据分析 接收到的槽波信号进行一系列处理步骤之后, 对其进行分析,以此来分类识别地质异常结构,例 如频散分析、速度分析及能量衰减分析等。 a. 频散分析 频散,即槽波的群速度和相速度 均随频率而改变,是槽波的最根本特征。槽波的频 散特性里携带有围岩和煤层的速度和结构信息,可 以用来进行异常探测[44-45]。频散分析就是从旋转后 的槽波记录中提取群速度和相速度随频率变化的曲 线。槽波频散曲线如图 13 所示。 图 13 槽波频散曲线 Fig.13 Channel wave dispersion curve b. 速度分析 速度分析贯穿于槽波数据采集、 处理和解释的整个过程,合理准确的速度分析可以 提高探测精度,去除接收时差及求取槽波群速度, 确保后续槽波 CT 成像及准确构造定位。 c. 能量衰减分析 煤厚变化及异常构造的存 在影响了槽波的传播,通过反演计算可获得工作面 内的能量衰减系数。超出煤层厚度,槽波信息将无 法传播;若断层落差在煤厚与煤厚的一半之间,煤 层具有部分连续性, 则频散曲线会向高频部分过度, 低频槽波被断层阻挡, 高频槽波透过断层继续传播, 透过的槽波能量减弱,减弱越明显表示断距越大; 若断层落差小于煤厚的一半, 槽波能量衰减不明显, 大部分槽波信息透射过工作面,则很难分辨断层。 4 槽波地震勘探应用 相较于其他的煤矿井下物探方法,ISS 技术具 有能量可控、距目标体近、分辨精度高、受影响因 素少等特点,可有效诊断地质的异常状况,广泛应 用于煤厚分析、夹矸判别、构造识别等方面。 4.1 煤厚分析 煤厚的精确预测对于实现智能化和无人化开采 至关重要。由于槽波波形易于识别,传播距离长且 能量较强,因此广泛用于煤厚度反演。 C. Guo 等[17]结合遗传算法GA和同时迭代重 建技术SIRT提出了 GA-SIRT 混合方法,提高了煤 厚度反演的准确性、稳定性和整体计算效率。该混 合模型可根据槽波精确地分辨和识别煤的厚度。 侯志星[46]的“基于地震属性的煤层厚度分析系 统”已经在各大煤矿针对不同煤层做了煤厚预测的 试验性研究,并取得了较好的效果。 廉洁等[20]使用德国 SUMMIT-ⅡEX 槽波地震 仪,采用透射法,在选定适宜频率进行波速成像后, 根据波速与煤层厚度的负相关关系,对煤层厚度进 行定量化预测,准确率达 86。 4.2 夹矸判别 煤层中的夹矸分布广泛且规模大小不一,常造 成煤层分叉变薄、结构复杂多样、煤质变差,给回 采工作增加了难度。因此,对夹矸的特性研究,具 有重要的理论及实际意义。 荣晓伟[19]推导计算了含夹矸煤层 Love 型槽波 的频散方程,结果表明,含夹矸煤层中 Love 型槽波 具有明显的频散特性,且频散特性受夹矸厚度、夹 矸在煤层中位置以及夹矸的速度影响。通过频散曲 线提取,实现了夹矸厚度及夹矸位置的预测,为煤 层开采提供了有价值的信息。 王增玉等[47]通过研究含夹矸煤层对煤层 AVO ChaoXing 第 2 期 郭银景等 槽波地震勘探研究进展 223 特征的影响证明夹矸层在煤层中所处位置和分层 情况对煤层反射系数没有影响,但随夹矸层厚度的 增加, 煤层 PP 波 和 PS 波反射系数和相位会发生 变化,减弱构造煤的响应识别。在进行反演时,应 结合实际地质资料,排除夹矸影响,提高预测精度。 4.3 构造识别 煤系由于成煤期不同,以及后期构造作用,具 有多样性和复杂性。在煤矿综采过程中,准确预测 工作面前方的地质异常体对矿井的安全生产至关重 要。常见的地质构造有断层、陷落柱、冲刷带、采 空区、富水区、富气区、富压区等。表 3 为近年来 槽波地震勘探构造识别汇总。 a. 断 层 断层是煤层中的典型地质构造,且 种类繁多,形态各异,分布范围较广。对断层定位 表 3 近年来槽波地震勘探应用汇总 Table 3 Summary of application of ISS in recent years 文 献 勘探方法 信号提取 处理技术 应 用 研究结果 W. Wang 等[16] 反射法 希尔伯特 变换 Kirchhoff 积分偏移 共同中点叠后偏移 识别断层 准确预测了断层的结构和位置,迁移误差在5 m 以内 姚小帅等[22] 反射法 希尔伯特 变换 共反射点叠加 包络叠加 预测断层 位置 实际揭露断层与预测断层位置一致性较好,最大 偏差仅3.5 m,但由于槽波的频散特性,未能精确 定位断层边界 焦阳等[23] 反射法 带通滤波 速度分析、CMP 包 络叠加、相移偏移 识别断层 验证了断层的存在,其走向几乎一致,位置偏差 不大于10 m 宋保陵等[25] 透射–反射联合 勘探 F-K 滤波 偏移成像 预测断层、 陷 落柱 成功预测多个断层和1个陷落柱, 与实际探测结果 基本一致 张强等[32] 透射–反射联合 勘探 EMD 透射槽波 CT 成像、 反射槽波 CT 成像 预测断层 预测结果与实际揭露的断层比较, 二者较为吻合, 并对实际揭露断层的延展情况进行了校正 蔺国华[27] 透射法 带通滤波 代数重建法、 振幅衰 减系数 CT 成像 识别断层 预测出1个断距约为2 m 的隐伏断层,经工作面回 采揭露,该位置存在1个落差约2.2 m 的正断层, 精度较高 李刚等[28] 透射法 宽带滤波 速度分析、CT 成像 预测陷落柱 位置 精确预测了煤矿陷落柱位置 焦阳等[29] 透射–反射联合 勘探 速度分析、能量分 析,CT 成像 划定陷落柱 边界 透射法速度分析圈定陷落柱异常较难,透射法能 量分析可以预测陷落柱,反射法速度分析可以准 确划定陷落柱的边界 马欣等[39] 透射法 τ-p 变换 速度分析、 能量衰减 分析、时频分析 识别陷落柱有效预测了采煤工作面内的陷落柱 李雪梅[30] 反射法 一维滤波 速度分析、反褶积、 偏移处理 圈定冲刷带 范围 在后期巷道开拓中证实,范围出入不大 崔凡等[51] 反射法 二维滤波 正演模拟 偏移处理 识别冲刷带、 断层 煤层内部冲刷带的实测雷达信号响应特征与正演 模拟结果相似性高,对掘进面前方50 m 范围内的 冲刷带进行了有效识别 D. J. Yancey 等[18] 透射–反射联合 勘探 二维滤波 频散分析、 能量衰减分析 预测采空区 位置 槽波勘探采空区位置后,钻探证实了其准确性 丁卫[52] 反射法 带通滤波 速度分析 绕射偏移叠加 识别采空区提高了采空区超前探测的反演精度 M. Ge 等[53] 反射法 带通滤波 椭圆映射方法 定位采空区 边界 在工作面上准确定位采空区边界,误差仅为4.6 m 李江华等[21] 槽波透射法瞬 变电磁法 F-K 滤波 时频分析、 层析成像 预测导 水构造 实现了工作面地质构造及导水通道的精细探测, 提高了探测成果的可靠性,为工作面的水害防治 提供了重要依据 王季[40] 透射法 EMD 能量衰减系数 CT 成像技术 识别断层、 陷 落柱等 有效反映多种地质异常体的位置与范围,不同类 型异常体的衰减系数有一定差异但并不显著 ChaoXing 224 煤田地质与勘探 第 48 卷 误差较大则会影响煤矿安全,有时甚至可能造成严 重人员伤亡。 为了提高断层的定位精度,W. Wang 等[16]在河 南义马矿 2505 工作面进行反射槽波观测,利用 Kirchhoff 积分偏移和共同中点叠后偏移对断层成 像,成功揭示了断层的结构和位置,根据采矿检查, 断层的迁移误差在 5 m 以内。 姚小帅等[22]对义煤公司某矿 11100 工作面轨道 巷外帮进行反射法勘探, 综合预测断层位置。 经钻探 验证,实揭断层与预测断层位置最大偏差仅 3.5 m。 但由于槽波的频散特性,很难精确定位断层边界。 廉洁等[20]利用槽波沿煤层传播时遇到断层等 波阻抗界面会产生反射的现象,根据槽波传播速度 及反射波到达检波器的时间,计算并预测了断层走 向位置,偏差小于 5 m。 张强等[32]以金家渠煤矿 110301 工作面为研究 对象,采用反射法和透射法对工作面内部隐伏断层 进行探测,与巷道掘进实揭断层相比,二者较吻合, 并对实揭断层的延展情况作了校正。 蔺国华[26]以某矿区 2.5 m 煤厚的工作面为例, 在经过对槽波原始数据滤波、振幅衰减系数 CT 成 像后,确定一个断距约为 2 m 的隐伏断层。 后经工 作面回采揭露,该位置存在一个落差约 2.2 m 的正 断层,验证了槽波探测的有效性。 b. 陷落柱 陷落柱是岩溶空顶塌陷的产物, 对煤 层的破坏性很大,主要表现在减少煤炭储量、降低煤 矿开采的效率和质量、增加煤矿开采成本等方面[48]。 李刚等[28]在分析陷落柱危害的基础上,结合山 西某矿 1201 工作面陷落柱探测成果,探采对比表 明,基于透射槽波的陷落柱 CT 成像技术能够解释 煤矿陷落柱位置,且准确率较高。 刘强隆等[49]分析了葛泉岩溶陷落柱的分布特 征和发育规律,建立了控制隐伏导水陷落柱的指标 体系和模糊判别模型,对陷落柱作半定量化预测并 划定其出现概率最大的区域,预测结果不太理想, 证明人工神经网络ANN和模糊综合评判模型在陷 落柱的定量预测上还处于探索阶段。 焦阳等[29]针对典型矿井,展开透射法和反射法 勘探, 结果证明, 利用槽波透射法速度分析来准确圈 定陷落柱异常范围较困难, 但透射法能量分析可作为 探测陷落柱的手段之一,若陷落柱与煤体交界面完 好,槽波反射法速度分析可以准确划定陷落柱边界。 马欣等[39]利用透射法在煤层物理模型中采集槽波 数据,并计算出各通道的振幅能量衰减系数,利用槽 波数据波形图来分析波速,使用平滑伪魏格纳威利分 布SPWVD时频分析方法,最终确定陷落柱的位置。 c. 冲刷带 冲刷带是一种常见的矿井地质现 象,直接关系到掘进率、回采率等生产效率和经济 效益,是影响煤矿综采生产的重要地质因素。 管永伟等[50]以新景矿芦南二区为研究区,利用 现有的三维地震资料,综合瞬时振幅属性特征、地 震相分类特征及声波阻抗响应特征,圈定了冲刷带 的平面位置及分布范围,且与实测结果较为吻合。 李雪梅[30]通过分析山东某煤矿已知三维地震 勘探资料反射波组特征,提取反射波均方根振幅切 片属性,分析冲刷带的响应特征,圈定了冲刷带的 范围,并在后期巷道开拓中得到了证实。 崔凡等[51]使用防爆探地雷达系统配合对新景 矿 3215 辅助进风巷掘进面进行超前探测。结果表 明煤层内部冲刷带的实测雷达信号响应特征与正 演模拟结果的相似性极高, 对掘进面前方 50 m 范围 内的冲刷带进行了有效识别。 d. 采空区 采空区是由人为挖掘或者天然地 质运动在地表下面产生的“空洞”,采空区的存在使 得矿山生产面临很大的安全问题。 D. J. Yancey 等[18] 利用透射导波和反射槽波探测煤矿采空区;丁卫[52] 采用反射法探测采空区, 通过改进优化的观测系统, 解决了绕射叠加偏移的画弧现象,根据每道地震记 录的成像弧段的交点位置为地质异常点的概率最大 原理,提高了采空区超前探测的反演精度。 除此之外,许多专家学者利用槽波地震勘探方 法对地质构造异常进行了研究。M. Ge 等[53]采用椭 圆映射方法, 通过反射槽波法在 Harmony 煤矿 46 m 处的工作面上定位空隙边界,误差仅为 4.6 m。 李江华等[21]采用 ISS 透射法和瞬变电磁法对赵 庄煤业 3307 工作面地质构造及导水性进行探测, 运用时频分析和层析成像等方法对地震数据进行处 理,共探测出 7 条断层、1 个陷落柱和 2 处裂隙水 异常区,其中 4 条断层导水,实现了工作面地质构 造及导水通道的精细探测,提高了探测成果的可靠 性,为工作面的水害防治提供了重要依据。 王季等[54]采用透射槽波能量衰减系数 CT 成像 技术在多个矿井工作面内对断层、陷落柱、薄煤带 等典型地质异常体进行探测。将探测结果与现有资 料对比表明透射槽波在遇地质异常时,能量有明 显的衰减现象,槽波能量衰减系数 CT 成像结果能 够有效反映多种地质异常体的位置与范围,不同类 型异常体的衰减系数有一定差异但并不显著。 无论是在煤厚的精确预测、夹矸形态判别,还 是在地质异常构造的识别上,ISS 技术都取得了较 ChaoXing 第 2 期 郭银景等 槽波地震勘探研究进展 225 好的应用结果。煤厚的精准预测是识别地质构造异 常的前提,目前来说,应用 ISS 技术对煤厚预测的 精度达到 70左右, 国内外学者为提高其预测精度, 将 ISS 技术与其他技术相结合,将精度提高到了 80以上,未来对于煤厚的预测精度将达到更高。 断层、陷落柱以及冲刷带等地质异常构造的识别是 ISS 技术应用最多的方向,反射波法常用于探测采 空区、冲刷带及断层等异常构造,精度可达到 90 以上,但是,该方法拾取的信号能量弱、有效信号 的信噪比低,因此,难以准确判断出断层的落差大 小及异常体的尺寸;透射波法一般用于探测煤层内 部的地质结构,例如探明煤厚变化,探测大小断 层、陷落柱以及夹矸石等的分布情况等,透射波法 目前最大探测距离可达煤层厚度的 300 倍,可满足 煤矿采掘生产的基本需要,但还没能解决异常类型 和尺寸的识别问题;联合勘探法根据实际情况将两 种方法结合,探测效果在某些情况下可能会更好。 由此可见,ISS 对于地质异常构造类型的识别精度 已较高,但对于异常体的尺寸及边界的精确预测上 还需要进一步探索。除此之外,ISS 与其他各种探 测技术相结合的综合探测手段也是未来对于地质异 常构造精细探测的一个重要方向。 5 结 语 ISS 可以有效诊断地质的异常状况,探测煤层 内部构造发育、 煤层厚度变化以及夹矸分布形态等, 是目前最有效、最精确、分辨率最高的井下地震勘 探方法,不仅提高了矿井综采的效率,也为矿井安 全生产提供了保障。但仅用频散、频谱、速度和时 频等参数来描述槽波,激发震源模式单一,很难提 取远端地质构造回波,不但无法准确地判断出断层 的落