煤矿井下地震勘探和 防爆槽波地震仪
——最有效、最精确的井下地震勘探方法
一、前言
众所周知，地面地震勘探方法是物探方法中分辨率最高，最精确的勘探手段，也是煤田勘探中普遍应用的方法。井下槽波地震勘探法是在煤矿巷道内勘探工作面内的煤层结构和各种地质异常。地震测线和激发点（炮点）距离目标体很近，并且槽波对异常体非常敏感，槽波数据解释又是以巷道已知地质资料为依据、从已知到未知，因此槽波地震勘探是最有效、最精确、分辨率最高的井下地震勘探方法。
早在一九五五年，F.F.艾维逊就对槽波用于采煤业的可能性做了预见性的肯定。 但直 到一九六三年才由T.C.克雷正式发表了关于槽波在煤层中传播模式理论。经过三十多年世界若干个研究团体的努力，槽波方法已经发展成为一种成功率很高的实用性的“槽波地震勘探技术”（ISS）。ISS在科学上得到了证明，在仪器和方法上得到了发展，并成功地用在世界上各种各样的煤矿区。 德国、英国、澳大利亚、美国、波兰、西班牙、俄罗斯、匈牙利等国，已将井下槽波地震勘探作为采前最有效的勘探手段。
槽波又称之为导波或煤层波。槽波在煤层中激发，通过同一煤层传播、衰减和反射，并在同一煤层中被接收。由于煤的密度和弹性波传播速度大体上小于围岩的一半，所以在煤层内激发的弹性波大部分能量不能向煤层外部传播，而总是在两个界面（煤层顶板和底板）之间反射和混响，从而形成一种特殊的弹性地震波——槽波。
槽波地震探测技术主要用于井下探测煤层的不连续性，如煤层厚度变化，矸石层分布，大、小断层，陷落柱，剥蚀带，古河床冲刷，岩墙，老窑等，并可判断煤层压力的相对变化。而这些尺寸只有1~2米或更小的地质异常在地面上用地震勘探和其他勘探手段是无法探测出来的，可就是这些不能预先被测出来的小构造能给正规的采煤工作造成很大的经济损失。目前，我国许多煤矿采用综合机械化采煤设备，由于机械设备多，装备一个工作面要好几个月的时间，耗资数千万元，如果遇上一个未知的落差约为煤层厚度大小的断层，其费用会增加20%以上，若遇到未知的大断层，这种工作面就将报废。如果遇到陷落柱将会造成灾难性的损失。因此，现代化采煤技术迫切需要超前查明工作面前方的煤层状况，
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槽波地震探测技术是一种最佳的选择。
俄罗斯在上世纪70年代早期研制了首台井下槽波地震仪（Tektonika1M），是12道模拟信号，动态范围仅40dB，主机重120Kg，很庞大。美国Texas研究所于1975年研制了MDH-01井下槽波地震仪，是24道模拟信号，该设备需要15个包装箱，很笨重。德国DMT公司在上世纪80年代研制出了世界上最先进的煤矿井下防爆槽波数字地震仪（SEAMEX-80、SEAMEX-85），并广泛应用于井下槽波勘探。上世纪末和本世纪初，DMT公司对 SEAMEX-85槽波地震仪做了全面改进和更新，先后推出Summit防爆槽波地震仪和 SummitⅡ Ex防爆槽波地震仪，成为世界上最先进的防爆槽波地震勘探系统。
二、槽波
1. 槽波形成
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。这个地震波向四周扩散，传播。在煤层内部直接向前传播的称为直达波。由于煤层的波速明显低于顶板和底板的围岩波速，当震源产生的地震波传播到煤层顶板和底板界面上将会被全部反射回煤层之中，相互混响、叠加形成槽波。如图所示。
炮点这种全反射使地震波能量被限制在煤层之中，基本上不向顶底板围岩扩散，因此槽波在煤层中能传播的很远。煤层中槽波还与煤层厚度有关，煤层越薄，槽波频率越高，在煤层中传播的距离就越短。因此槽波法探测的距离与煤层厚度成正比。但煤层越薄槽波的频散特性也越强。
上图描述的槽波形成过程是：煤层内炮点产生的地震波，向顶底板传播，在A区由于
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图1（根据杨真资料）
地震波的入射角小于临界角，所以一部分能量透过顶底板向围岩中泄露，而另一部分能量反射回煤层内部，A区成为泄露区。
在B区和C区入射角大于临界角，地震波在顶底板界面上被全反射和全折射回煤层之中，这些反射和折射回煤层之中地震波，在C区内相互叠加混响形成槽波。由于槽波是由不同类型和频率的地震波叠加而成，所以槽波的传播速度是频率的函数，槽波是频散波。
2. 井下槽波勘探中记录到的地震波
煤层内激发的地震波除图1所示在顶、底板形成透射、全反射和折射之外，还有直达波（直达P波和直达S波）。所以井下槽波勘探中记录到的地震波有：
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直达P波和直达S波（体波）
勒夫波（L）和埃里波（面波），统称为槽波
图2是上述波形的到时分布。
图2 井下槽波勘探记录到的地震波形（动校正后）
图3 井下槽波勘探记录到的原始地震数据
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图3表示34个数据采集站，即34个双分量水平检波器，在单炮情况下记录到的地震波原始数据。从图3可见，有两套相似的原始地震信号，其中一个是X分量信号（左侧），一个是Y分量信号（右侧）。记录双分量信号是为了保证获取更高质量的原始数据。因为激发点（炮点）是沿巷道移动的，而接收站是固定的，因此不同接收站X、Y分量与炮点的几何关系不同，所以X、Y分量接收到的地震信号强度有明显差异，在数据处理和解释时可以选取地震信号最强 的分量，以提高解释的可靠性。
图3记录的是未经动校正的原始地震信号，共有34个数据采集站，包含34个X分量检波器（1-34号）和34个Y分量检波器（35-68号）。炮点距离第17个数据采集站最近，也即距17号X分量检波器和52号Y分量检波器最近，因此直达波到达第17个数据采集站的时间最短，向两侧到时逐渐加长，所以图3中的原始地震信号 呈弧形分布。
从图3可见，最早到达的是直达P波，震相强，可连续追踪；紧随其后的是直达S波，在X分量中振幅很强，但向两侧减弱；最后到达的是埃里震相，振幅强，速度最低；勒夫震相位于直达S波和埃里震相之间，经滤波后相位特征将明显改善。 ? 最早到达的直达P波和S波在槽波勘探中很少应用。
? 最后到达的埃里波以峰值形式出现在波列的末端，频率高，震相清晰，主要用于反射
法槽波勘探。
? 勒夫波出现在直达S波和埃里波之间，在单炮情况下其相位没有直达P波和埃里波震
相清晰，但在多炮点覆盖、叠加情况下（图4）其相位将明显改善。
3. 勒夫波频散分析
图4是在单煤层情况下勒夫波频散与煤层厚度的关系，可见在同一频率下煤层越厚、勒夫波速度越低。图4还告诉我们，在什么煤层厚度情况下选择何种频率的勒夫波速度成像，对煤层厚度变化最敏感。
单煤层厚度 速度︵︶m/s
图4 勒夫波频散与煤层厚度的变化
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图5是在夹矸石存在的情况下，勒夫波的频散曲线分布，即勒夫波频散与夹矸石厚度的关系。可见，勒夫波在中频段（160-380Hz）其波速对夹矸石厚度变化最敏感，因此探测夹矸石厚度变化最好利用此频段的勒夫波速度成像。
夹矸层厚度（0-200cm） 速度︵︶三、槽波勘探方法与应用实例
1. 槽波勘探方法及应用
槽波勘探方法分为透射槽波勘探法、反射槽波勘探法和透射/反射联合勘探法。 1）透射勘探法（图6）
激发点（炮点）布置在工作面的一个巷道内，数据采集站布置在工作面的 另一个巷 道内，接收来自炮点激发的地震透射波信息。主要用于探测煤层的地质结构和内部异常，包括煤层厚度变化，夹矸石分布，大、小断层，陷落柱，剥蚀带 ，古河床冲刷，岩墙，老窑等，在某些情况下判断煤层内部压力相对变化。透射法的探测距离是煤层厚度的300倍。
m/s
图5 勒夫波频散夹矸层厚度的关系
图6 透射法勘探原理
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煤矿井下地震勘探和防爆槽波地震仪(简化) 2
