煤矿井下防爆槽波地震仪

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1、 槽波煤矿井下地震勘探和防爆槽波地震仪 北京欧华联看见有限责任公司010-82920623 & 82920624 BOST 煤矿井下地震勘探和煤矿井下地震勘探和 防爆槽波地震仪防爆槽波地震仪 最有效、最精确的井下地震勘探方法 一、一、前言前言 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。

2、 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

3、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 12 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

4、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， 槽波煤矿井下地震勘探和防爆槽波地震仪 北京欧华联看见有限责任公司010-82920623 & 82920624 BOST 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

5、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 Summit 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、槽波二、槽波 1. 1. 槽波形成槽波形成 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

6、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。 图图 1 1（根据杨真资料）（根据杨真资料） 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 炮 点炮 点槽波煤矿井下地震勘探和防爆槽波地震仪 北京欧华联看见有限责任公司010-8292

7、0623 & 82920624 BOST 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. 2. 井下槽波勘探中记录到的地震波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

8、探中记录到的地震波有： 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。 图图 2 2 井下槽波勘探记录到的地震波形（动校正后）井下槽波勘探记录到的地震波形（动校正后） 图图 3 3 井下槽波勘探记录到的原始地震数据井下槽波勘探记录到的原始地震数据 槽波煤矿井下地震勘探和防爆槽波地震仪 北京欧华联看见有限责任公司010-82920623 & 82920624 BOST 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

9、号（左侧） ，一个是 Y 分量信号（右侧） 。Y 分量垂直巷道壁，X 分量平行巷道壁。在透射法测量时，各炮点到检波器 Y 分量的联接与检波器的夹角是各异的，这将影响记录的槽波幅度，因此必须用矢量合成方法算出不同炮点与检波器联线方向上的分量值以及相应垂直方向上的分量值，称其为“旋转透射槽波数据” 。透射槽波的数据处理和分析，均以“旋转 透射槽波数据”为基础。 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

10、 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

11、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。 图图 4 4 井下槽波勘探覆盖叠加示意图井下槽波勘探覆盖叠加示意图 假设在通风巷道内布置 26 个数据采集单元，在运输巷道内仅设置三个炮点，那么在三 槽波煤矿井下地震勘探和防爆槽波地震仪 北京欧华联看见有限责任公司010-82920623 & 82920624 BOST 个炮点所产生的地震覆盖区域内的任何一点都有三条地震射线穿过。炮点数越多，穿过同一地点的地震射线数越多，观测的数据信噪比越高，相位越清晰。 3. 3. 勒夫波频散分析勒夫波频散分析 勒夫波是频散波，即波速随频率改变，在同一频率下的勒夫波波速与煤层厚度和结构有关，

12、因此勒夫波的频散特征能反映煤层内部的很多信息。图 5 是勒夫波的频散分析，它给出了在不同煤层厚度情况下勒夫波的频散分布及勒夫波能量与煤层厚度的关系。 从图 5 可见，勒夫波频率范围很宽，但在煤厚 1.00m 情况下，勒夫波能量主要分布在850-1000Hz 之间（图 5a） ，在煤厚 1.30m 情况下主要分布在 550-1000Hz 之间（图 5b） 。 图图 5 5 不同煤层厚度的勒夫波频散曲线及能量分布不同煤层厚度的勒夫波频散曲线及能量分布 图 6 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 6 还告诉我们，在什么煤层厚度情况下选择何种频率的

13、勒夫波速度成像，对煤层厚度变化最敏感。 图图 6 6 勒夫波频散与煤层厚度的变化勒夫波频散与煤层厚度的变化 单煤层厚度 速 度 （m/s）图 5a 频率（Hz） 图 5b 频率（Hz） 槽波煤矿井下地震勘探和防爆槽波地震仪 北京欧华联看见有限责任公司010-82920623 & 82920624 BOST 图 7 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。 图图 7 7 勒夫波频散夹矸层厚度的关系勒夫波频散夹矸层厚度的关系 三、槽波

14、勘探方法与应用实例三、槽波勘探方法与应用实例 1. 1. 槽波勘探方法及应用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 1）透射勘探法（图）透射勘探法（图 8 8） 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，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，古河床冲刷，岩墙，老窑等窑等， 在某些情况下判断煤层

15、内部压力相对变化。 透射法的探测距离是煤层厚度的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 300300 倍。倍。 夹矸层厚度 （0-200cm） 速 度 （m/s）槽波煤矿井下地震勘探和防爆槽波地震仪 北京欧华联看见有限责任公司010-82920623 & 82920624 BOST 图图 8 8 透射法勘探原理透射法勘探原理 2 2）反射勘探法（图）反射勘探法（图 9 9） 炮点与数据采集站布置在同一巷道内，接收来自工作面内的地震反射信号。主要用于主要用于探测煤层内的各种大、小正断层和逆断层以及侵入体和岩墙等。探测煤层内的各种大、小正断层和逆断层以及侵入体和岩墙等。 图图 9 9 反射法勘探原理反射法勘探原理 3 3）透射）透射/ /反射联合勘探法反射联合勘探法 若炮点位于通风巷道内，则数据采集站同时布置在通风巷道和运输巷道内。通风巷道内的数据采集站接收反射波信号，运输巷道内的数据采集