槽波地震仪组成-课件

槽波勘探2井下槽波工作步骤井下槽波工作步骤反射槽波法及应用实例反射槽波法及应用实例探测结果验证探测结果验证12347引言引言防爆槽波地震仪防爆槽波地震仪槽波的产生槽波的产生5槽波勘探结果的效益分析及展望槽波勘探结果的效益分析及展望68透射槽波法及应用实例透射槽波法及应用实例 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。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。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，所以一般情况下，震源激发点总是设置在煤层的中心。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。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。1.地震波类型1）.P波与S波 2）.面波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。（1）瑞利波（R）波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。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。（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。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，沿界面滑行并向上返回的地震波称为折射波，此现象也叫全反射。21sinsinVV2.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。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。防爆槽波地震仪Summit Ex由下列部分组成：l Summit Ex-pc中心站l Summit Ex数据采集站l Summit Ex中继站l Summit Ex触发单元l Summit Ex触发单元脉冲l Summit Ex双分量检波器l Summit Ex数据传输电缆l 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。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 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，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。需知：在地下或其他爆炸性气体环境中，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。2.Summit Ex 采集站采集站由Ex-PC 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！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检波器探头进行地震勘查时就可以进行这样的连接。GS-A检波器探头有两个记录分量，通过连接器与采集站连接。如图3-3所示，2组状态指示灯LED表明当前状态下，采集站执行的指令。表3-1则说明不同的状态指示灯LED代表的指令表3-1：状态指示灯LED代表采集站指令 LED1（SPM）LED2（BPM）运行状态绿色 绿色 等待红色 绿色 触发允许（等待触发）-红色 充电橙色 红色闪烁 取消充电-睡眠/充电完成 采集站通过双芯summit线缆与中心站（Ex-PC 中心站）连接，而线缆与采集站则通过SNAP接头连接。采集站可随意连接到线缆上的任意地方。Summit采集软件根据每个采集站的系列号分配站号和线号，也可通过蓝牙进行配置（如iRock）。需知：每根线缆（250米）最多可连接45个采集站，5个中继站 和2个触发单元。3.Summit Ex 中继站 中继站用于在地表进行二维或三维时 排列时使用，用来增强接收到的信号。中继站是一个双向操作的设备，右侧 来的信号经由中继站增强，从中继站 左侧输出，同样来自左侧的信号经中 继站增强后从其右侧输出。图3-4 中继站 每个采集站都有唯一的地址码，标在外壳盖儿上，很容易看到。采集站和中继站的地址码总是重合的，但Ex-PC 中心站能够识别出两者，并进行合适地操作。中继站由6节镍镉电池提供电力支持，这6节电池可给两块板供电，一组是RPM（中继处理模块）一组是BPM（电池电源模块）。RPM对接收到的信号进行预处理和前置放大。BPM为RPM提供电力支持并为电池充电。EX-RP的外壳同样也是导电塑料材质。给内部电池充电需要连接2根线缆外加一个充电器线缆，因此中继站的Snap接口相应地需接两个连接器。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！中继站用于连接两根线缆。通常中继站安装在一个线缆的末梢接口和另一个线缆前端的位置。利用这样连接方法可以同时连接多条线缆，从而形成一个长长的二维排列。同样，中继站也可将一个传输线路切分为多个勘测线路（交叉站）。原则上，采集站可随意连接到线缆的任意位置便于延长信号传输路径或是拆分信号传输路径。需知：每条线缆允许连接的中继站最多不可超过5个，同时与线缆(250米)连接的有summit单元不可多于45个。中继站和采集站一样也有两个状态指示灯LED用以表明当前状态下，采集站执、行的指令。表3-2说明不同的状态指示灯LED代表的指令：表3-2：状态指示灯LED代表采集站指令 LED1（SPM）LED2（BPM）运行状态 红色闪烁 绿色 传输数据 绿色 绿色 等待 -红色 充电 橙色 红色闪烁 取消充电 -睡眠/充电完成 4.Summit Ex 触发单元（TU)触发单元主要负责在触发信号通过线缆向Ex-PC 中心站传输之前能及时展开对某点的地震装备的记录。触发单元的外观设计与采集站相似。只是右侧的构造略有不同，采集站右侧安装的是检波器（信道2），而触发单元右侧安装的是一个七针触发接口，连接触发脉冲单元。触发单元左侧的检波器接口（信道1+2）仍具有采集站的检波器接口一样的功能，但此时触发单元只有信道1可像采集站一样使用，而信道2则负责接收触发信号。由此触发单元可被视为一个单通道采集站。借助SNAP接头触发单元可随意连接到线缆上的任意位置。为了避免与采集站混淆，触发单元的外壳把手上都标有红色反光标示符以示区别。一旦summit采集软件（Ex-PC 中心站）向系统发出记录操作（触发允许指令）的OK信号，触发单元便被激活，等待接收触发信号。如果触发单元探测到触发信号（电压脉冲或是短路），便会将触发指令发送至所有相连接的采集站和Ex-PC 中心站开始记录信号。触发信号可以来自正电压脉冲或是触发电路短路。哪种触发信号更为合适最大程度上取决于震源形式 例如爆炸，锤击等。一般的地下作业，爆破被用作震源信号。为了防止爆炸引起地震效应，触发脉冲单元会接收起爆机产生的起爆脉冲并转换成触发单元所需的电压脉冲。每一个触发单元和其他Summit 单元一样，也都有唯一的地址码，标在外壳盖儿上，很容易看到。同样触发单元也是由6节镍镉电池提供电力支持，这6节电池给两块板供电，一组为经过改进的SPM（信号处理模块），一组为BPM（电池电源模块）。SPM进行数据记录并启动地震装备。BPM为SPM提供电力支持并为电池充电。触发单元的外壳也为导电塑料材质。2组彩色状态指示灯LED表明当前状态下，触发单元执行的指令。表3-3说明不同状态指示灯LED代表的指令。表3-3 触发单元状态指示灯LED指令。LED1（SPM）LED2（BPM）运行状态 绿色 绿色 备用 红色 绿色 触发允许 -红色 充电 橙色 红色闪烁 取消充电 -睡眠/充电完成 5.Summit Ex触发脉冲单元图3-5 触发脉冲单元 触发脉冲单元是连接起爆机和地震装备之间的纽带。该单元连接触发单元的触发输入或是Ex-PC中心站。触发脉冲单元接收起爆炸机发出的绝缘脉冲并发送至触发单元或是Ex-PC中心站。触发脉冲单元环圈穿过钻孔与起爆网路两根线缆中的一根相连接。6.Summit Ex检波器探头 检波器探头是探测地震传播的传感器，用于探测 近地表以地震波方式传播的震动。GS-A检波器探 头是一种钻井工具，其钻井口直径为55毫米。检 波器探头主要由2个检波器组成，且互相垂直安装。（一个安装在刀轴处，另一个则与其垂直安装）。图3-6 检波器探头 线缆连接处有阀门。通过阀门向探头中填充压缩空气以实现探针与近地表岩石之间的机械接触。通过往井中探头内充气使其膨胀，接触片继而连同检波器一起紧紧地贴在井壁上。移除检波器探头时，只需打开阀门，释放探头中的压缩空气使探头直径减小，从而将其移出。在把探头下到井中之前，首先必须确保钻井的直径合乎要求并且钻井中的岩石碎屑已经清除完毕（利用压缩空气的方法清除）。进行槽波探测时，通常是水平打钻直到煤层。与探头相连的线缆用于与summit 采集站（左边检波器接口，信道1+2）建立连接.7.Summit Ex 线缆 线缆（通常是双芯扁平线缆）是实现Summit各单元之间连接的装置。DMT使用自己的Snap连接技术使得线缆之间可以根据需要任意连接。使用SNAP插头连接线缆时，需要将2根不锈钢插针透过线缆外皮直插入双芯以完成连接。由于线缆具有绝缘特性，取走SNAP接头后线缆上插针穿过的地方会重新密合。图3-7 线缆 Summit II Ex 线缆与标准的summit线缆在颜色和最大长度上都有不同，Summit II Ex线缆的颜色为蓝色，线缆的长度不能超过250米。并且每根线缆的末端都配有一个180欧姆的电阻器以防止线缆产生反射效应。电阻器安装在每根线缆末端的热缩盒内。需知：严禁在爆炸性气体环境中使用标准（黄色的）summit 线缆进行地震探测。在使用缆筒时，即使只用到部分线缆，也要确保整条线缆总是处于展开状态，因为这样可避免线缆自身发生电感应（缆筒相当于一个感应线圈）而干扰数据传输。8.SNAP插头 SNAP 接头包括一个针式及插槽式接口，一个缆槽以及一个用于固定的盖子。使用SNAP接头时，要将线缆平铺在缆槽中，合紧盖子，卡好；操作时，需要把2个不锈钢插针插入线缆，建立一个连通电路。因数据是对称传输，故安装插针时可忽略正负极方向。如果在连接线缆的时候，不是平铺或是水平方向布置，即使盖子已合好，表面看似连接正确，但是实际上这样的连接会导致电路故障或会连接失败。实际操作中，插针嵌入线缆后，会在线缆上留下破孔，不过由于线缆自身具有绝缘特性，这些破孔经过一段时间后会慢慢密合，但如果线缆的绝缘性明显受损，就需要进行修复或是替换。1.准备工作 实际的操作之前，要对所有Summit 单元进行测试以确保各方面都能正常操作。建议在实际操作之前，可提前在试验室将系统与一根线缆相连进行系统检验。另外在勘探之前释放所有电池的电量(由summit 采集软件执行释放电池电量的指令)，之后再重新给电池充满电，以此可避免电池的存储效应从而可增加电池的使用寿命。如果结束上次勘探结束后，没有对线缆进行检验，那么在开始新的勘探之前要对线缆做全面检查，尤其要确保线缆两端的终端电阻器是否依旧完好无损。在勘探准备过程中，要额外准备一些备用的Summit 单元以防止某个单元不能正常工作时（电池没电），可随时启用备用单元完成勘探工作。该情况对中继站尤其重要，因为如果中继站发生问题，那么整个的线缆连接将处于瘫痪状态，系统将无法正常工作。检波器点、爆破点以及中心站的位置一定要慎重选择。各单元之间的连接以及线缆布置也要精心安排以充分确保线缆和中继站能够顺利完成勘探操作。2.勘探工作 如果能事先妥当安排勘探的后勤准备工作，现场操作起来会很轻松顺利。勘探工作的第一步首先是要备好安装检波器和炮点的钻孔，然后布好数据传输电缆，再将检波器和采集站环检波点和爆破点周围布置，并连接准确。布点时要弄清楚采集站在测线上的具体位置，以便通过summit采集软件对探测进行合理布局。此项位置布置工作可由电脑直接完成。布站完成后便可连接EX-PC 中心站并启动Summit采集软件。这时仍需通过线缆对 summit系统进行检验以确保所有安装好的采集站都布置到位，工作正常。炮点起爆之前仍需再做一次系统检验。设计槽波勘探任务井下巷道形式，工作面布置和几何尺寸巷道地质图方法选择：透射法槽波、反射法槽波、透射反射联合接收及炮点布置确定炮点和接收点位置3637布线和安置Summit单元3839放炮前检测观测系统404142 槽波分透射槽波勘探和反射槽波勘探。透射槽波勘探法的应用高于反射槽波勘探法的应用。透射槽波观测的是直达槽波而非反射槽波。透射槽波勘探需要在煤层的一条巷道中安置检波器，在该煤层的另一条巷道或钻至该煤层的钻孔中布置炮点。透射槽波的勘探距离是煤层厚度的300倍。通过观察直达槽波的有无，可以判断炮点至接收点（检波器布置点）之间所包括的煤层中是否有不连续体存在，例如断层、陷落柱、夹石层，底板起伏，侵入体、剥蚀带等等。图5-1 煤矿井下巷道形成是复杂多样的，槽波透射法的实施不仅要有适合的巷道条件，同时还受到井下地质条件、运输条件、矿井机电状况和风流瓦斯等因素的制约。因此，对一个煤层进行巷道槽波透射法探测时，要根据具体的探测任务进行综合考虑。选择合适的巷道条件进行槽波透射法探测的首要条件。这是一种比较简单的使用环境，只要求有一条平巷和一个钻孔。检波器可布置在平巷或钻孔中，炮孔亦然。钻孔是煤巷中的钻孔，也可是地面打到煤层中的钻孔，但检波器和炮点必须布置在同一煤层中。使用该方法探测范围仅是钻孔到平巷所构成的三角覆盖区域，探测范围小。此法可判别钻孔到平巷间不连续体存在与否，但不能确切位置。这是两条不相交的煤巷。检波器要依巷道的实际条件选择布置。根据具体的探测任务布置炮点和检波器以满足透射法应用条件。该环境探测区域较大，探测能力也较强，是一种较常用的探测环境。透射范围要依施工设计和井下实际条件决定。通常最大炮检距不应超过1000m。在两条煤巷较长时，炮点和接收点间的距离可大些，探测所覆盖区域面积也相应大些。反之，炮点和接收点的间距设置小些。在构造简单的探测区域，炮点和接收点的间距可大些；在构造复杂的区域，炮点和接收点的间距可密些。这是一种二条煤巷相交（包括延伸相交）的使用环境，所探测区为三角带所覆盖的有效区域，也是一种较常见的使用环境，通常可确定出三角覆盖区内不连续体的有无及其位置。激发点和接收点可分别布置在两条煤巷中。检波器和炮点的位置要依探测任务和巷道的实际条件选择。在条件适宜时，可确定出两条煤巷相交的小断层（包括断层延伸的方向同两条煤巷相交）的位置。在二条巷道长时，对探测区的有效覆盖面积比较大，所得透射资料信息多。在条件复杂的区域，炮点和接收点间距不宜设置太大，否则将影响探测效果或使探测无意义。即相邻三条煤巷所圈定的工作面或盘区，这是一种较常见、最重要的探测环境。通常，三条煤巷均可布置炮点或检波器，仅靠巷道槽波透射法对工作面探测的有效覆盖区就可确定煤层的不连续性，包括小断层的位置和延伸方向、陷落柱等等；在条件有利时，尚可确定断层的落差大小和工作面煤层的变化情况、炮点和检波点的设置与工作区域内构造复杂程度有关。即四条煤巷圈出的工作面或盘区。这四条煤巷均可安置炮点和检波器，这是对槽波透射法应用极为有利的条件。这时，仅用槽波透射法即可查明工作面覆盖区的不连续性，包括小断层的位置、延伸情况和大致落差等等。指的是弯曲煤巷及非规则煤巷的情况，槽波探测能力依巷道条件而定。通常，要在探测区的多个方向上布置炮点和接收点，并使透射距离适中。射线所覆盖的区域为巷道透射法的有效覆盖区。尽可能增加透射线的密度可更好地发挥透射方法的效力。影响槽波透射法的不利因素有如下几种情况：（1）煤层的槽波赋存特性对巷道槽波透射法的探测能力有着决定性的影响，槽导性好，埃里相频率高，埃里相群速度低的煤层可望获得高精度的槽波透射法探测结果。（2）探测区煤层的巷道条件对巷道槽波透射法的探测能力有着极其重要的影响。探测区四周均有可供放炮和安置检波器的煤巷时，可望获得高精度的探测结果，而当只有少量的巷道可供放炮和安置检波器时，巷道槽波透射法仅能给出煤层中不连续体分布带的概念，不能判断其准确位置。（3）槽波的透射距离直接影响透射法的探测能力。透射距离加大时，探测的分辨率和精度均会下降，甚至可能得出不正确的结论或变成毫无意义的探测。（4）探测区内地质构造的复杂程度也影响探测精度。当探测区内的地质构造很复杂时（如平行排列的小断层等）槽波透射法仅能得出煤层不连续体分布带的概念，不能给出小构造的准确位置，此时采用反射槽波勘探。（5）观测系统的设计方案和巷道透射的射线密度也直接影响透射法的探测能力。此外，探测区及其附近的工业干扰比较大时，会使槽波透射信噪比降低；解释人员的经验水平也会对透射法的探测结果起到一定的影响。1.探测断层 图5-2 从图可见，在运输巷道及开采面上布置了27个接收点，在通风巷道中布置了14个炮点。炮点14位于已知断层的左边。14号爆炸点产生的透射槽波图5-3 从图可见，当在已知断层左侧炮点14激发时，接收站1-25均接收到了清晰的直达波，与炮点14同位于已知断层左边的接收站1-11均接收到了清晰的槽波，但位于已知断层右边的12-27接收站没有接收到槽波信号（见右侧小图），这是因为已知断层阻挡了槽波向其右边传播。12号爆炸点产生的透射槽波图 5-4 当在已知断层右侧炮点12激发时，接收站1-25均收到了清晰的直达波，而与炮点12同位于已知断层右边的接收站12-20收到了清晰的槽波，但位于已知断层的左边的接收站1-11没有槽波信号（见右侧小图），这是因为已知断层阻挡了槽波向其左边传播。图 5-5 图5上图中1、10、59三点组成的三角形面积内，没有断层存在，因为1-10号接收道均收到了信噪比很高的槽波震相，见图5下图。图5上图中11、28、59三点组成的三角面积内有断层存在，因为15-28接收点均未收到槽波信号，见图5下图。它就是图5上图中FE112断层。2.探测矸石层厚度透射槽波确定工作面内煤层中的矸石层厚度（240Hz时波速成像结果）图 5-6 图中曲线上的数字频率240Hz时的频散波速值。该速度值随矸石层厚度的增加而增加，在工作面的右边最高速度值达2000m/s，此外矸石层最厚达2.1m。在工作面的中部和左边该速度值仅为1100m/s，其对应的煤层厚度为2.3m，不含矸石层。3.探测煤层厚度变化透射槽波确定煤层厚度变化（250Hz时波速成像结果）图5-7 在工作面中部，在250Hz的频散波速值从1200m/s逐渐增高至1700m/s（绿色和红色区），对应的煤层厚度2.0m-1.7m；在工作面的其它部分频散速度值为1100m/s-1200m/s，对应的煤层厚度2.2m/2.1m。4.矸石层厚度与槽波频散速度的关系槽波频散波速值（240Hz）与矸石带厚度的关系曲线图5-8 利用该曲线可根据槽波的频散速度值，计算工作面内的矸石层厚度分布。5.煤层厚度与槽波频散速度的关系单煤层情况下槽波频散速度值于煤层厚度的关系图 5-9 利用该曲线根据槽波的频散速度值，计算工作面内的煤层厚度分布。6.双煤层情况下中间矸石层厚度与槽波频散速度的关系图 5-107.槽波勘探确定剥蚀带 图 5-11在三个工作面内剥蚀带在三个工作面内剥蚀带（红色，高度带）是连（红色，高度带）是连续的，它们是古河道的续的，它们是古河道的反应。反应。反射槽波是在巷道内接收来自于煤层内的反射波。因此炮点和接收点均位于同一巷道内。反射槽波法多用于探测工作面内的多条断层（正断层或逆断层）和断层组的分布，煤层冲蚀带和岩墙分布等等。其探测距离为煤层厚度的100倍。1.反射槽波勘探原理图6-12.反射槽波勘探应用实例反射槽波法探测工作面内断层图6-2反射槽波法探测工作面内多组断层图6-3下图是反射槽波，上图是解释的断层 下面给出几个槽波探测结果的验证实例：透射槽波确定的工作面内断层及煤层厚度变化与开采结果的对比 图7-1可见采后地质图中暗灰色部分是矸石层分布区，与槽波图像的高速区（左图红色区）是一致的；采后地质图中的断层与槽波图像中 速度梯度带是一致的。开采中发现的矸石带分布于槽波速度分布对比图7-2 图中曲线值是槽波速度值分布，图中的浅灰色条带是开采中遇到的矸石带，可见槽波高速带（1700-1800m/s）分布与矸石带分布基本一致。反射槽波勘探以及采区地质填图图 7-3 对于煤矿的储藏情况我们不能改变它，虽然通过良好的矿山设计可以合理的进行开采，但在开采中遇到的地质构造变动，如断层、陷落柱、煤层厚度变薄和夹矸现象等问题并不是事先能够完全预测的，即使用密集的钻探也无法完全预测。如果在井下应用槽波地震法进行探测，就可以事先发现这些问题，以便采取措施使开采能顺利进行。多年来在德国平巷的掘进后，大部分情况下紧接着通常由德国矿业技术有限公司（DMT）进行槽波地震勘探。这一方法至今已发展非常完善，使得人们想要得到原定计划的产量就不能放弃这一方法，例如：一个宽250米，长1200米，煤层厚度为3米的工作面用开煤机开采，每天的开采量为5000吨，每吨煤矿业可得盈利为12.5。在开采区进入100米之后开采面遇到煤层厚度变薄，在20个支护架范围内煤层厚度变为1.5米，由于煤层厚度变薄在掘进高强硬度围岩时明显的限制了采煤机的采煤能力，其日产量从5000吨降低到1000吨。这意味20多天的总产量降低了80000吨。如果对这一工作面事先进行槽波勘探，将会有另一种开采设计方案，或是采取新的措施来对待这一煤层厚度变化，从而大大降低经济损失。在德国普罗斯佩尔煤矿槽波勘探实例：普罗斯佩尔矿山是德国硬煤公司的一个矿区，位于鲁尔区的中部，拥有4200名职工，每年品煤产量3.5百万吨。从三个采煤区采煤，该矿区用槽波地震勘探方法对即将开采的双层煤层O/N进行勘探。长度为275米、标号为698的回采工作面和长度为290米、编号为697的回采工作面其开采能力分别约为每天1000吨和1150吨，总投资约为三千万美元，所以要求用所有可能的地质方法和地球物理方法来保证尽可能地探明地下煤层的地质情况。在南部O和N两个煤层聚合在一起，在北部这两煤层中间夹有一层厚约60厘米的岩石夹层。编号为698回采工作面槽波勘探目的：693回采工作面在开采之前存在一个问题，即在这一回采工作面上部100米处的断层是否同样存在煤层O/N中。第二个任务是确定岩石夹层等厚线。第三个任务是根据开采厚度及和采煤机高度设计煤层厚度的允许变化范围。此外对整个工作面可能存在的煤层变薄或夹石层厚度进行探查。槽波探测结果：槽波地震勘探数据结果指出，这一长壁工作面无地质构造变动，煤层夹岩同样也没有，较大的煤层变薄现象也没有出现。在长壁工作面690岩石夹层厚度的分布（以米为单位）。在长壁工作面的北部和中部其夹石层厚度约为0.90米。在南部矸石组份增加到2米以上，如下图所示：从上图可见1米厚夹石层的分界线与运输平巷相交叉，继续向南夹石层厚度先是缓慢增加，约在2.50米站处（运输平巷）开始迅速增加，其值达到2.50米以上。在长壁工作面的东北角在煤层O2中含有矸石组份。典型的O/N煤层的结构：煤层N厚1.45米，煤层O厚1.30米，两者被60厘米厚的岩石夹层和由岩石高度嵌入的煤层O2相互 隔开。在开采区的南部其岩石夹层厚度迅速增加到2米以上上述的槽波探测结果通过开采而得到证明。开采中没有遇到地质异常现象，只是在煤层O中遇到了0.3米厚的煤层扰动。但在煤层N中无干扰。在南部将开采结束点向南推进了100米，多出了100000吨商品煤开采量。结论:槽波地震勘探是当今煤矿井下超前探测的一种有效方法，它在一方面能提高开采的准确度，另一方面能降低由于地质问题所引起的生产故障可能性。对于一个煤矿来说，井下槽波地震勘探应该属于常用的标准方法。反射和透射槽波联合勘探 上图是来自于反射法和透射法的槽波勘探结果。从反射资料可见工作面的左上方和右下方有清晰的反射槽波存在，它们是断层的反应，再结合透射法探测结果，给出了开采安全性评估：绿色区几乎没有危险 兰色区是低度危险区 橙色区是中等危险区 红色区是高度危险区，不适合开采可见根据这种评估来确定开采方案，可以保证安全生产。在煤矿生产中，很多透水事故都是由于水文地质资料缺失或不精确，而意外打通废弃矿井，含水空洞或储水构造所造成的。目前美国在利用槽波法探测煤层中的含水空洞和废弃老窑已取得很大进展，槽波法勘探工作面内的储水构造应能发挥很好作用。在煤矿开采中，瓦斯突爆是一种很难预测的巨大矿难，据认为，瓦斯突爆点与煤层中的掩断层和褶皱构造有关。据此可以设想，能否通过槽波法探明工作面内的类似断层和褶皱，并结合其它资料来预测瓦斯突爆点呢？nAverage time for buildup:1h 2hnAverage time for recording:10 15 shots per hournAverage time for teardown:1h 1h30nAverage number of stations:30 50 stations per surveynAverage number of shots:50 100 shots per surveyIn-Seam SeismicEstimation of timingn An initial pulse becomes a longer wave train with increasing distance.n With increasing time also the frequency content increases from low frequency to high frequency.n The end of a single trace builds a wave packet called Airy Phase.n The Airy Phase can be easily isolated by simple band pass filtering.n This wave packet is used for general fault detection and at reflection seismic surveys.DistanceTimeTheoretical Properties of In-Seam Seismic WavesSynthetic seismogramRecorded Wave Types Central Station:Screen-ShotTransmission example with 34 geophone stations Display of raw data including AGC and zoom