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1、槽波勘探,井下槽波工作步骤,反射槽波法及应用实例,探测结果验证,1,2,3,4,7,引言,防爆槽波地震仪,槽波的产生,槽波勘探结果的效益分析及展望,透射槽波法及应用实例,2,一、引言,早在一九五五年，F.F.艾维逊就对槽波用于采矿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。 目前，在西德、英国、澳大利亚、美国、俄罗斯、匈牙利等国，槽
2、波数字地震勘 探技术已成为一种比较成熟的矿井地质勘探手段。西德在六十至七十年代，曾用光点 地震仪进行槽波探测，一直不甚成功。八十年代前后，采用防爆数字地震仪在煤矿井 下进行槽波勘探，所取得的资料经过包络叠加等特殊处理，取得了突破性进展，并获 得成功。此外，西德DMT公司早在上世纪80年代就研制出了世界上最先进的矿井专 用安全火花槽波数字地震仪（SEAMEX-80、SEAMEX-85）。随后英国在槽波数字地 震探测技术方面也做了很多研发工作，他们采用改装的“SN-338HR数字地震仪”， 处理上采用了特殊的动态道集法，将槽波数字地震探测技术应用于生产，成功的对数 百个工作进行了槽波勘探，效果良好
3、。上世纪末和本世纪初，德国DMT公司对 SEAMEX-85槽波地震仪做了全面的改进和更新，先后推出Summit防爆槽波地震仪和 Summit 防爆槽波地震仪，成为世界上最先进的防爆槽波地震系统，在德国、欧洲 其他国家和俄罗斯等国得到成功应用。,3,槽波又称之为导波、层波、板状波或煤层波。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基本小 于围岩的一半，所以在煤层内震源激发的弹性波大部分能量不能向三维方向传播，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。槽波是由在煤层中传播的机械弹性波和该波在煤层
4、顶底板产生的反射机 械弹性波相互干涉形成的。笼统地讲，槽波是煤层中和直接从顶底板反射回煤层中的 纵波和横波的合成波。人们将具有纵波和垂直于煤层极化的横波（SV波）质点运动分 量称之为”瑞雷型槽波”（PSV波）；而将含有平行于煤层极化的横波质点运动分 量称之为“拉夫型槽波”（SH波）。因为只有在煤层顶底板的横波速度显著的大于 煤层纵波速度时，才适合于瑞雷型槽波的应用，因此，在实际槽波测量时应该主要运 用拉夫型槽波，而瑞雷型槽波更适用在物理模型中使用。根据槽波地震探测震源激发 点位置，可以将槽波划分为对称型槽波和非对称型槽波。理论和实践均证明：“对称 拉夫型槽波”更适合于煤矿地质探测，所以一般情况
5、下，震源激发点总是设置在煤层 的中心。,4,槽波地震探测技术的主要用途是在井下探测煤层的不连续性，如小断层、陷落柱、 火成岩侵入体、古河床冲刷、岩墙、老窑等。而这些尺寸只要12米的地质异常在地 面用地震勘探和其他勘探手段均不能探测出来，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，我国已有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，耗资达上亿元。 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。从一个废弃的工作面移到一个新的工作面总耗 资可达上亿元。因此，现代
6、化采煤技术迫切需要超前查明工作面前方的煤层状况。 当前，解决矿井地质小构造的主要方法是断层分布的地质规律统计和矿体几何推断、 煤层内打钻法和槽波地震探测技术等。国际上公认其中以“槽波地震探测技术”的地 质效果和功能价格比最好。,5,地震波的形成 地质介质在外力的作用下，即可显示弹性也可以显示的塑性。在矿井的地震勘探中，一般采用炸药和锤击震源以激发地震波。这时，震源附近的岩石因受到瞬间巨大的激发力的作用，产生破裂和塑性形变，在距震源远的地方，地质介质只受到一个瞬间，微小的外力作用，因此，几乎可以把介质看做一个理想的完全弹性体。,6,二、地震波与槽波,1.地震波类型 1）.P波与S波,7,2）.面
7、波 P波与S波统称体波。当体波沿地面或地层界面传播时它们会相互叠加，相长干涉，结 果便会产生面波，包括：瑞利波（R波），勒夫波（L波），地滚波和斯通利波等。面 波沿地表传播或在地层界面附近传播，如果在低速层（如煤层）传播，就叫槽波。,8,（1）瑞利波（R）波,9,瑞利波是地震勘探中常见的面波，勒夫波较少见。 瑞利波是P波和S波在界面传播合成后形成的。其质点在垂直于传播方向的铅直面内 沿椭圆轨迹做反时针运动。 瑞利波速度随深度而加大，但振幅随深度呈指数衰减，在半个波长深度上已衰减 70%，所以瑞利波向下探测很浅。 瑞利波频率低，振幅强，传播速度低，它对地震勘探中的有效纵波及横波形成强烈干 扰。
8、由于瑞利波是由不同速度的P波和S波在界面附近叠加，相干而成，所以瑞利波中含 有不同频率，不同速度的子波。子波速度称为相速度，瑞利波速度称为群速度，这种 现象称为频散。,10,（2）勒夫波（L波） 勒夫波是一种SH型面波，其质点平行于地面振动，它产生在地表低速落层的低界 面上，并沿界面方向传播，其振幅沿深度方向也呈指数衰减。,11,3）.地震波的透射，反射，折射，全反射 1）透射波与反射波之间满足斯奈尔定律： 2）折射波,全反射 当透射角达到90 时（当入射角加大时，或速度V2明显大于速度V1时），地震波 便沿着界面滑行，并向上返回到入射波所在的介质当中。此时地震波的入射角称为临 界角，沿界面滑
9、行并向上返回的地震波称为折射波，此现象也叫全反射。,12,2. 槽波 当在煤层中激发一个震动时，便会产生地震波。这个地震波包括纵坡（P波）和 横波（SH、SV）。由于煤层的波速明显低于顶板和底板的围岩波速，所以震源产生 的地震波将在煤层顶板和底板界面上被全部反射回煤层之中，形成槽波。如图所示。,13,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：煤层内震源产生的地震
10、波，向顶底板传播，在A区由 于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。,14,三、防爆槽波地震仪SummitEx 防爆槽波地震仪Summit Ex由下列部分组成： Summit Ex-pc中心站 Summit Ex数据采集站 Summit Ex中继站 Summit Ex触发单元 Summit
11、Ex触发单元脉冲 Summit Ex双分量检波器 Summit Ex数据传输电缆 SNAP接头 Summit Ex防爆槽波地震仪是专门为煤矿井下探测而设计。其工作过程是， 在煤层中由炮点产生的震动被双分量检波器所接收并转换为电信号，该电信号传输给 数据采集站并转换为数字信号，然后通过数据传输电缆输送至中心站保存，用于事后 的数据处理和解释。,15,16,当煤层中的炮点起爆时，首先启动触发脉冲单元和触发单元。触发单元立即唤 醒各数据采集站开始记录来自检波器的地震信号，再通过数据传输电缆传输过程至中 心站。传输过程中地震信号不可避免的要衰减，因此每隔250m要加一个中继站，对 衰减的数字信号进行放
12、大，以便继续传输。上述的所有过程都是由中心站控制的。 现分述如下： 1.Summit Ex-pc中心站 Ex-PC中心站是Summit Ex勘探系统的中心站。 Ex-PC中心站耗电小，操作安全，整个外壳采用不 锈钢金属材料，键盘为不锈钢设计和手控轨迹球 （鼠标功能），Ex-PC中心站配有15英才LED背光 彩色显示屏，四节镍镉充电电池，可连续供电3 个小时。 图3-1 Ex-PC中心站,17,可在地下更换电池组（见图3-2），但充电过程必须在地面完成。每次更换电池， 首先要将电脑关机，切断电源，以避免数据丢失。将电池组装入PC正面的安插槽内， 卡紧。每一组电池配有3个安插槽，只有一种安插方式，
13、以确保能按照正负极正确安 插电池。电脑背后配有4个旋转螺丝防止电池脱落。电脑运行时分别由2组电池同时供 电。右侧2节电池为处理机模块供电，左侧2节电池为显示屏，键盘和线缆接口供电。 图3-2 Ex-PC中心站电池组 电脑的操作系统为Windows XP。在此系统下，管理summit数据采集工具的软 件与Summit II Plus所使用的软件相似。Window XP配置限制数据重写功能。通常 情况下，数据保存在C盘当中，数据的读取要在电脑运行的情况下进行。电脑关机或 是重启时，数据将会丢失，所以切记要及时将勘测数据存入USB闪存器内，以防止发 生数据遗失。,18,需知： 在地下或其他爆炸性气体
14、环境中，只能使用Summit 自身配备的，通过 ATEX认证的USB 闪存器进行数据存储。 EX-PC 中心站必须连接summit线缆来控制采集站进行地震勘探。Ex-PC 中心 站后方有2个连接槽，其中一个用 SNAP连接summit线缆，另外一个则用于连接触发 连接。Ex-PC 中心站可以通过 SNAP随意连接到summit线缆上的任意位置，寻找最 佳位置进行地震探测。 触发连接用于把触发信号输入Ex-PC以启动地震记录。要把信号输入Ex-PC 中心 站还需要在此连接基础上外加一条线来连接地震源。但在实际操作中，我们往往直接 用触发单元代替该外加线缆来连接地震源附近的summit线缆；触发单
15、元与爆破点的 震源同步获得触发信号。只有当记录道少，排列短或是触发单元不可用时，我们才会 使用触发连接的方法。但是不管是利用Ex-PC上的触发连接还是利用触发单元连接来 输入触发信号，两者的效果都一样。无论是触发单元输入信号还是触发连接Ex-PC 中 心站输入信号，只有一次可进入系统。 不锈钢键盘上有5个状态指示灯LED。左侧2个绿灯变亮时表示供电电压已加到两 个电路上。 右侧3个状态指示灯LED（绿，红，黄）代表线路接口通电情况。绿灯亮，表明线 路接口通电；红灯亮起，表明触发允许指令有效；黄灯闪，表明summit线缆正运行 传输指令。,19,2. Summit Ex 采集站 采集站由Ex-P
16、C 中心站控制。并与双 芯扁平线缆共同完成数据和指令的传 输工作。每一个采集站都有唯一的地 址码，标在外壳盖儿上，很容易看到。 6节镍镉电池充电电池为采集站提供电 力支持，这6节电池可给两块板供电， SPM（信号处理模块）和BPM（电池 电源模块）。SPM 对检波器收集到的 信号进行前置放大，检波，数字化， 叠加，相关和存储。BPM负责为SPM 提供电力支持和给电池充电。Ex 采集 图3-3 采集站 站的外壳为导电塑料材质。 采集站有两个检波器接口，分别为SNAP连接口和电池充电器的连接口。 需知：严禁在地下以及爆炸性气体环境中连接电池与其充电器并对电池进行充电！,20,一个采集站可以对两个信道的模拟信号进行数字化。每个信道分别连接到左右 两个检波器连接器上，也可将2个信道同时连接在左边的检波器连接器上。当使用 GS-A检波器探头进
