0 引 言
1955年，Evison首次在2 m厚的煤层中激发并接收到Love型槽波[1]，Krey在1963年计算出了槽波在煤层中传播的数学公式，证明槽波可以作为一种勘探手段对工作面内的构造进行预测[2]。在其后的40年间，槽波地震勘探的技术与装备得到了较大发展[3]。国内从1977开始引进槽波勘探技术，其后的20年间发展迅速，尤其是经历了1997—2007年的停滞阶段后，出现了槽波勘探技术的快速进步[4]。目前无论是方法技术，勘探装备还是处理解释系统都形成了体系[5]。但是从国外到国内，槽波勘探技术的研究主要着眼于Love型槽波，最主要的原因有3点：①传统理论认为，Love型槽波的产生条件简单，只要求煤层S波速度小于围岩的S波速度[6]；②Love型槽波传播形势简单，因为质点只在水平方向振动，所以能量只存在于x分量和y分量(水平平面)，使得接收条件相对简单[7]；③Love槽波数学模型容易建立，易求解[8]。但是，在工程应用中发现，Love型槽波中的x分量和y分量的接收存在一定问题：第一，需要使用双分量检波器，设备笨重导致仪器的带道能力有限，且施工效率偏低[9]；第二，由于井下施工时，炮点不总在y分量的轴线上，使得炮检连线(炮点和检波点的连线，下同)与检波器的夹角各不相同，数据处理前必须用矢量合成的方法计算出炮检连线方向上分量值和响应垂直方向上的分量值[10]。鉴于此，在保证探勘效果的前提下，如果能有一种接收方式，可以提高施工效率，并且简化处理流程，则一定可以使槽波勘探技术更高效地为煤矿安全生产提供保障。
Rayleigh型槽波的垂直分量(称z分量)接收方式即可很好的满足要求。Rayleigh型槽波是P波和SV波的干涉波，质点在与煤层面垂直与传播方向平行的平面内振动，振动轨迹为逆时针旋转的椭圆[11]。可在理论上证明Rayleigh型槽波形成条件并不苛刻，与顶底板和煤层中的S波速度关系不大。笔者将对Rayleigh型槽波z分量探测进行讨论。
1 Rayleigh型槽波z分量探测的可行性分析
槽波的基本类型分为：Love型槽波和Rayleigh型槽波，其中Love型槽波是由全反射的SH波干涉形成，即Love型槽波能量分布在水平平面的x分量和y分量[12]；Rayleigh型槽波是由全反射的P波和全反射的SV波干涉形成，即Rayleigh型槽波能量分布在x、y、z三个分量上[13]。尝试使用z分量接收后发现，确实能够接收到槽波信号，而且z分量数据在处理时不需要旋转操作，因此如果Rayleigh型槽波z分量探测可以成功运用，一定能够大幅提高施工效率和处理流程简易。
1.1 Rayleigh型槽波z分量的理论分析
假设上下弹性半空间为围岩，密度、P波速度、S波速度和切变模量分别为ρ1、vP1、vS1和μ1；煤层的相应参数为ρ2、vP2、vS2、μ2，并且有vP1>vP2，vS1>vS2，厚度为2d，如图1所示，三层对称模型的具体参数见表1。
图1 对称三层模型
Fig.1 Three-layer symmetry model for channel wave dispersion computation
表1 三层对称模型参数
Table 1 Parameters ofthree-layer symmetric model
模型层厚/mρ/(g·cm-3)vS/(g·cm-3)vP/(m·s-1)顶板∞2.501 6002 800煤层31.259001 710底板∞2.501 6002 800
由于煤层为非均匀各向同性，以及点震源激发力的非完全球对称，在煤层中使用炸药震源激发地震波时，一般除P波外，还激发S波[14]，其中S波又分为SH波和SV波。
因为vS1>vS2，所以当S波以大于临界角的角度入射到底(顶)板时，如图2所示。
图2 入射SV波示意
Fig.2 Diagram of incident SV wave
根据斯奈尔(Snell)定律公式为
可知，vS2值最小，且vP2<vP1，即，β恒小于β2和α2，所以可以产生全反射的SV波和转换P波[15]。
同理，vP1>vP2，在煤层中激发的P波，射线以大于临界角入射到底(顶)板时，如图3所示。
图3 入射P波示意
Fig.3 Diagram of incident P wave
根据斯奈尔定律为
可知，如果vP2>vS1所以α恒大于β2，即，入射P波不会产生全反射的转换SV波，透射SV波始终存在，有一定的转换SV波能量漏失；如果vP2<vS1，即α恒小于β2和α2，可以产生全反射是P波和全反射的转换SV波。
也就是说可能会存在2种情况：①vP1>vP2>vS1时，P波入射产生的全反射P波、SV波入射产生的全反射SV波、SV波入射产生的全反射的转换P波相互干涉形成Rayleigh型槽波；②vP2<vS1<vP1时，P波入射产生的全反射P波、P波入射产生的全反射的转换SV波、SV波入射产生的全反射SV波、SV波入射产生的全反射的转换P波相互干涉形成Rayleigh型槽波。所以，无论哪种情况，在理论上均可以产生Rayleigh型槽波。
1.2 Rayleigh型槽波z分量在煤层中的振幅分布
槽波的振幅分布与槽波的基本类型、振型的阶数以及模型等有关系。对于三层对称模型的基阶振型槽波来说，Rayleigh型槽波的z分量(基阶)振幅关于煤层中心对称分布如图4所示，即煤层中心位置振幅最大[16]，向顶底板方向能量变弱，在顶底板内部能量很弱或几乎为零，具体煤层厚度参数见表1。
图4 Rayleigh型槽波z分量振幅分布
Fig.4 Amplitude-depth distribution curvefor z component of Rayleigh wave
已知Rayleigh型槽波的质点振动为逆时针方向转动的椭圆[17]如图5所示，水平方向是方向为波的传播方向，传播方向平行于煤层，竖直方向为垂直煤层方向，即能量分布在x、y、z三个分量上。
图5 Rayleigh型槽波质点振动
Fig.5 Particle vibratory of Rayleigh wave
根据能量守恒，当z分量能量最强时，x分量和y分量能量最弱或几乎为零，此时，质点应该为单纯的上下振动，恰好在椭圆的短轴两端如图6所示。
图6 Rayleigh型槽波z分量振动
Fig.6 Rayleigh wave’z component vibration
因为基阶的Rayleigh型槽波在煤层中央位置z分量质点只是单纯的上下振动[18]，跟炮检连线始终保持垂直，即，在垂直于煤层方向做上下振动。此时，z分量接收到的能量即炮点传播到检波器的实际能量(不考虑吸收衰减)，与炮检连线和检波器的角度无关，所以如果用z分量在煤层中心位置接收槽波，在后期数据处理时不需要进行两分量记录旋转操作。而且，Rayleigh型槽波z分量勘探在施工时固定检波器非常简单，可以不使用专用气囊式的双分量检波器，使用锚杆对接装置将普通动圈式检波器固定在煤层中央的锚杆上即可，施工效率极高。
1.3 Rayleigh型槽波z分量二维数值模拟
选取上述三层对称模型，参数见表1，建立正演模型。震源布置在煤层中央位置，为纵横波震源，雷克子波，震源主频120 Hz，吸收边界厚度为20 m，精度为时间二阶空间十阶交错有限差分，即O(2,100)。测线布置在工作面另一端，模型x、z方向大小200 m×30 m，煤厚5 m，工作面倾向长200 m，如图7所示，空间剖分网格间距0.2 m×0.1 m，时间采样间隔0.01 ms。得到z分量在煤层已经顶底板的振幅分布如图8所示。
图7 Rayleigh型槽波z分量正演模型
Fig.7 Forwaorcl model of Rayleigh wave’ s z component
图8 正演模拟的对称模型的振幅深度分布
Fig.8 Amplitude-depth distribution of Rayleigh wave’s z component of forward moclel
由图8可知，围岩中的P波(0.06 s处，速度为3 300 m/s)能量很弱，说明大部分的P波被禁锢在煤层中，与其他波形干涉；在0.11 s左右出现的同相轴为S波(速度1 800 m/s左右)，S波能量有一部分泄露到围岩当中，远离煤层时能量明显变弱；然后到达的是Rayleigh型槽波，其由禁锢在煤层中的P波和SV波干涉形成的，0.15～0.17 s到达的是基阶的Rayleigh型槽波埃里相，速度为1 176 m/s，能量最强，以z分量为主，主要集中在煤层中，且关于煤层中心对称。
煤层较稳定、煤质硬度不大时，低速的基阶槽波发育较好，反之，一阶槽波发育良好。绝大部分煤层能收到基阶槽波。一阶Rayleigh型槽波的z分量关于煤层中心奇对称，煤层中心能量最弱。可以选择适当振型的槽波进行处理解释。
2 Rayleigh型槽波z分量探测实例
中煤科工集团西安院有限公司使用Rayleigh型槽波z分量做了大量的探测工作，取得了很好的效果。笔者分别介绍Rayleigh型槽波z分量的透射和反射探测实例。
2.1 透射探测
本次探测在山西某矿，该工作面煤厚5.0 m，探测区域1 440 m×365 m。采用单边透射探测，在3505进风巷激发，3505回风巷接收。其中炮点间距为30 m，孔深2.5～3.0 m，使用瞬发雷管激发，炮孔用炮泥封孔以减少声波干扰；道距为10 m，所有检波器都使用z分量接收，使用锚杆转接装置固定在煤层中央的锚杆上。由于接收的z分量的振动，所以在数据处理时可以省去2个分量记录旋转操作，进行常规处理后直接进行反演成像，Rayleigh型槽波能量强于Love型槽波，其中，反演方法采用的是SIRT，能量反演，效果明显。观测系统如图9所示，反演结果如图10所示。
图9 观测系统布置
Fig.9 Diagrammatic sketch of observation system
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ—异常区编号
图10 成像结果
Fig.10 Tomography results
由槽波成像结果判断，探测区域内有明显的3个能量异常区(红色区域)，从左到右分别为Ⅰ号、Ⅱ号和Ⅲ号，分别位于回风巷的开切眼向大巷方向360—410 m、840—950 m、990—1 150 m。其中Ⅰ号异常经过打钻验证，为一个陷落柱，直径50 m左右；Ⅱ号异常是由于3505放水巷以及3505回风巷措施巷、3505回风巷绕道2段的影响，由于此3条巷道均为空巷，使得槽波能量被遮挡，显示能量异常，可以排除隐患；Ⅱ号异常未验证。
2.2 反射探测
本次探测在河南某矿工作面，为反射勘探。主要任务是查明该工作面一侧未开采区域200 m范围内的构造情况，施工巷道长度720 m。
经过现场勘查发现该工作面煤层厚度为5.5～6.1 m，煤层分布稳定，巷道沿煤层顶板掘进，巷高为3.5 m，总体条件比较适合槽波反射勘探的施工。本次勘探共设计上巷激发点20个，间距20 m，炮孔位于煤层中间位置，且孔深为2.5～3.0 m，使用瞬发雷管激发，炮孔用炮泥封孔以减少声波干扰；上巷布置接收点共39个，道间距10 m，全部使用z分量采集数据，检波器通过锚杆转接装置固定在锚杆上，接收点编号分别为G1—G39。观测系统布置如图11所示。反演成像时，首先建立x方向260 m，y方向200 m的成像区，然后对成像区内每个点计算叠加振幅，按照入射角度对叠加结果加权，就可以得到成像结果如图12所示。
图11 观测系统布置
Fig.11 Diagrammatic sketch of observation system
图12 反射槽波成像结果
Fig.12 Results of reflection channel wave imaging
从上巷成像结果上看，探测范围内(190 m)有一处相对明显的异常区域。位置大概在S11～S16炮点位置向内60～85 m，呈线装分布，初步估计为一条断层，落差在2～3 m。此结果与前期地面三维地震资料吻合度较高。
3 结 论
从此前开展的槽波透射和反射探测实例来看，无论是在数采集阶段还是数据处理、反演成像阶段，Rayleigh型槽波z分量的应用存在很大的优势。具体表现在：
1)由于炸药震源激发的弹性波以P波为主，所以Rayleigh型槽波能量比Love型槽波强，所以用振幅成像时，效果更加明显。
2)数据采集阶段，在保证单炮数据质量以及覆盖次数的前提下，由于可以免去检波器打孔以及安装的流程，使得施工工艺更加流畅，施工效率大幅提高，比前期可以省去为检波器打孔的工作，设备总重量可以大幅下降，相应的人员配置也可以大幅减少，与使用孔中双分量检波器的分布式地震仪相比，数据采集前的测线布置及数据采集后的回收测线，总的施工时间可以缩短至其1/3甚至1/6。
3)在数据处理时，z分量接收到的能量即炮点传播到检波器的实际能量(不考虑吸收衰减)，与炮检连线和检波器的角度无关，所以如果用z分量在煤层中心位置接收槽波，在后期数据处理时不需要进行两分量记录旋转操作。
Rayleigh型槽波z分量探测刚刚开始研究，理论方面没有完全成熟，尤其是在使用锚杆接收方面还存在一定问题，需要进一步研究。
致谢：感谢中煤科工集团西安研究院有限公司张广忠老师指导，感谢山东科技大学姬广忠老师帮助，感谢审稿专家提出审稿意见和编辑部的大力支持！
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