曹 伟
（晋能控股煤业集团晋华宫矿，山西 大同 037016）
晋华宫矿8712 工作面东部、西部均尚未开拓，南部与盘区运输大巷相接，北部邻近塔山矿矿界。该工作面走向长度950 m，倾斜长184 m，主采5号煤，煤层总厚度为9.65～14.11 m，平均煤厚11.98 m。煤层结构复杂，厚度变化稳定，中部含泥岩及火成岩。晋华宫矿对该工作面采用槽波方法进行探测，主要对工作面内断距大于1/2 煤厚的断层发育情况。工作面内长轴直径大于20 m 以上陷落柱的发育情况以及可能存在的其他适合于槽波探测的地质异常体进行探明，实现井下煤层赋存的准确测定，为煤层开采方式和工艺的选择以及安全开采作业提供详实的资料依据。
槽波地震勘探在地质勘探中应用较广，相较于其他物探手段，具有地质特征勘探简单、识别度高、物探波形解释性强等优势[1]。其原理为通过设备在煤层中产生槽波，地质结构不同的煤层对槽波的吸收能力和吸收特征不同[2]，槽波经过煤层顶底板岩层的反复反射，最终表现出具有明显特征的波形，通过对接收到槽波的特征分析，即可探明探测区域的地质结构。该方法主要用于对煤层断层、陷落柱以及煤层厚度变化探测[3]。槽波形成原理示意图如图1。
图1 槽波形成原理示意图
槽波地震勘探本质上是反射槽波与透射槽波组合测量的方法[4]。反射槽波测量方法需要将槽波发生装置与槽波接收装置布置在相同的巷道，通过接收装置中的检波器能否接收到震源产生并经过煤层反射后的反射槽波来判断被探测区域的煤层连续性[5]；
透射槽波测量方法需要将槽波发生装置与槽波接收装置布置在不同的巷道，探测时震源产生的震波被另一巷道中的检波器接收到，通过对比不同位置检波器波形，确定探测扇形区域内煤层的地质特点[6]。在槽波地震勘探中，震源炮点只需布置在一侧巷道内，则数据采集站需要布置在巷道的两侧道内，与炮点同一巷道的检波器接收反射槽波，不同巷道的检波器接收透射槽波[7]。
（1）激发接收参数确定
井下环境噪声比较大，会严重影响数据质量，对探测结果造成严重干扰。完成仪器检测，确认地震采集系统正常工作后，从单炮记录上可以看出，井下无明显的较大噪声源，基本满足地震数据采集条件。图2 为此次施工采集的槽波单炮记录，可知槽波发育清晰，噪声相对较小，数据采集质量基本满足技术要求。
图2 单炮地震剖面记录
（2）观测系统设计
8712 工作面槽波地震勘探距离950 m，切眼宽度184 m。煤层内部结构较为复杂，采用透射加反射槽波地震勘探法观测系统设计。与炮点同巷道的检波器接收到的是反射槽波，与炮点不同巷道布置的检波器接收到的是透射槽波。通过数据采集站，分析检波器信号后，形成清晰、稳定的槽波图形，解释槽波图形后确定探测区域地质结构。选择在21517 巷、51517 巷同时布置炮点、检波点，测线长度1900 m。具体参数见表1。
表1 观测系统炮点、检波点参数表
（1）透射槽波单炮记录分析
在8712 工作面内槽波地震勘探中，检波器共接收到84 个炮眼产生的地震剖面记录，经校核全部有效。分析地震剖面记录筛选出了检波器接收到的多种地震波形，其中明显的有直达P 波、S 波以及槽波，布置在不同位置的检波器都是最先接收到P 波信号，最晚完成槽波的接收。由于槽波是地震波在煤层地质结构中经过不断的反射透射后形成的，其携带的煤层地质信息最为全面，将槽波作为分析重点。
相较于直达P 波和S 波，槽波具有明显的区别特征，即其传播速度是频率的函数。槽波的频散特征在单炮地震记录中表现为较长的波列，且随着炮检距越大，波列越长，整个波列呈扇形状。在理论上，勒夫型槽波的群速度频散曲线中的极小值点（即曲线的驻点）对应的震相叫做埃里震相，其一般具有振幅强、频率高和速度低的特点。如图3 所示，其分别是8712 工作面第23、36 炮的单炮透射地震槽波记录，图中分别标注了槽波及槽波能量缺失的位置。
从图3 可以看出，在0～34、65～90 道槽波出现能量断裂或不同程度的能量降低现象，表明该处的检波器接收到的槽波被吸收的程度较大，地质结构存在明显异常；
在0～50 道槽波同样出现能量断裂或不同程度的能量降低现象，表明该处的检波器接收到的槽波被吸收的程度较大，地质结构存在明显异常。
图3 8712 工作面透射槽波单炮记录图（处理后）
（2）透射槽波能量CT 成像成果分析
透射槽波能量CT 成像是2D 视衰减系数模型图，衰减系数大会导致成像颜色变浅，即煤层对地震波的吸收强度较大，表明该探测区域存在地质结构异常点；
衰减系数小则在CT 成像图上表现出颜色深，对地震波的吸收强度不大，表明该探测区域的地质结构均匀，煤层赋存相对稳定。在煤矿地质结构探测中，一般煤层成分均匀，地质结构稳定，地震波在煤层中传播的过程，损失程度很小；
但当煤层组分复杂或者存在明显断层时，地震波在煤层中的传播会受到很大阻力，导致检波器接收到的槽波能力降低，会出现明显的色域不同现象。
图4 是槽波能量CT 成像图。利用数据的振幅特性，建立衰减系数模型。深色表示槽波在煤层中衰减很弱；
浅色表示槽波遇到构造异常体，能量有较大的衰减。在图中存在3 个明显异常区域。
图4 8712 工作面透射槽波能量CT 成像图
（3）反射槽波频谱分析
频谱分析反映的是地震信号中包含的频率成分及其能量大小。通过快速傅里叶变换方法，可以快速计算得到各个地震道的频谱曲线，该频谱曲线特征反映了地震波能量分布的频带范围。槽波的频率与煤层厚度相关，如果槽波的频率大部分保持在低频区域，则反映出探测区域的煤层较厚；
反之，槽波频率大部分保持在高频区域，则表明探测区域煤层厚度不大。一般情况下，槽波的频率高于体波的频率。如图5 为第7 炮第45 道、第9 炮第62 道的原始炮集地震记录及其各地震道信号的频谱分析图。
图5 一维频谱记录分析
由一维频谱分析可知，地震波能量的主要频带范围在100～150 Hz 之间，结合槽波煤厚与频率的频散曲线，确定本次勘探中接收到的槽波的主要频段为100～200 Hz 频段之间，为本次反射槽波滤波处理和叠后偏移的主要参数依据。
透射法槽波地质解释时，采用如下方法：（1）分析槽波特征。对96 张地震记录中槽波的波形、振幅、频率变化及其频散特征进行对比分析和总结。（2）槽波能量层析成像。经过处理分析后，拾取每一个地震道记录中的槽波埃里相振幅值，得出2D 视衰减系数图。通过对成像图的解释，确定探测区域的地质结构异常位置和地质结构类型。槽波地震勘探综合地质成果，与揭露断层区域重合，可视为同一异常。成果解释图见图6 所示，对比分析见表2。
图6 8712 工作面槽波地震勘探成果解释图
表2 8712 工作面槽波地震勘探成果综合对比表
通过对晋华宫矿8712 工作面使用YTC12 槽波地震仪，采用透射法、反射进行地质勘探，形成以下结论：
（1）8712 工作面槽波地震勘探工作量950 m，设计炮点84 个，检波点176 个，测线总长1900 m；
（2）8712 工作面槽波地震勘探结果显示该工作面具有三处断层；
（3）本次地震槽波探查除以上异常外未发现长轴直径大于20 m 的陷落柱及其他适合于槽波探测的地质异常体。
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