矿井物探-地震槽波勘探

第7章 槽波地震勘探
2.2 槽波的首次试验与总结
据krey,TH（1963）
第7章 槽波地震勘探
2、槽波勘探在国外
2.2 槽波的首次试验与总结
据krey,TH（1963）
第7章 槽波地震勘探
槽波勘探技术的全面发展 在上个世纪六十年代中期至八十年代中期，是煤矿槽波
勘探技术发展的黄金时期，世界上主要产煤大国如德国
第7章 槽波地震勘探
槽波的发现
一篇十分有名的文章，新西兰地球物理学家 Evison, FF (1955): “A coal seam as a guide for seismic energy. Nature 116: 12241225”被认为槽波的发现者。
据Evison（1955）
第7章 槽波地震勘探
t t ——分别代表P波与S波的折射角
c
——波前沿煤—岩分界面传播的速度
第7章 槽波地震勘探
7.1.2 槽波的形成
由P波与SV波激发的槽 波——简振型及漏能振 型
当煤层中激发的体波以入射角小于临界角入射到煤－岩分解面时，尽管这 些界面都是反射系数的强反射面，在其界面上产生强的反射返回煤层；但同时 仍有相当多的能量，由于折射作用，以体波的形式向围岩辐射，因而，使这些
实际上“槽波”术语来源于天然地震学，“槽波”被认 为存在于大气层、海洋水层和岩石圈低速层中，最为代表两 位 是 Gurtenberg B., Channel Waves in the Earth‘s Crust. Geophysics, Vol. XX ， No. 2, pp. 283-294 (1955 ). 和 Press F. & M. Ewing,Two Slow Surface waves across North America. Bull. Seism. Soc. Amer., vol. 42, No.3, pp. 219-228 (1952)。 在岩石圈低速层中存在两种类型的槽波一种是体波在低 俗速度槽中的射线弯曲和能量的制导，另外一种则是类似于 面波的制导波，包括 rayleigh 面波和 love 面波，有关此类面 波的相关特性早在 1924 年 Stoneley R (1924) Elastic waves at the surface of separation of two solids. Proc Roy Soc. (London) A 106: 416-428有了关于低速夹 层介质下频散特征方程的推导与讨论。
及邻近岩石的一个薄层
中，不向围岩辐射而损 耗，形成简正振型（图 7-2d、g、h) 由P波与SV波激发的槽波——简振型及漏能振型 第7章 槽波地震勘探
§7.1 槽波的形成
7.1.2 槽波的形成
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§7.1 槽波的形成
在煤层中可能同时存在P波、SV波和SH波。煤层中的SH波由于质点振动平面垂直于P波、 SV波质点振动平面，在煤－岩分界面上没有波型转换，在煤层内只存在 SH波与SH波的干涉 模式。对于P波与SV波，则由于质点振动在同一平面，且在煤－岩分界面上可以相互转换， 干涉模式要复杂得多。如图所示，在煤层内 P波与SV波干涉示意图中，从点①、②发出的上 行P波，经上界面全反射的P波，与点②、③发出的上行S波，经上界面全反射的转换P波在 同一方向传播；同理，点③、④发出的P波，经上界面全反射的转换S波与④、⑤的上行S波 经上界面全反射的S波在同一方向传播。此后经下界面全反射，在点⑥的 P波与S波只要考虑 到上下界面全反射相移、波长与煤厚关系适当，在煤层内将形成 P－SV波的相长干涉。这样 可能有两类干涉振动，作为简正振型在煤层内传播。
、英国、前苏联、澳大利亚、捷克斯洛伐克、美国等都 对其有所应用，槽波勘探得到快速的发展，包括全面的
理论与方法研究、先进的槽波专用仪器的研制、深入的
技术的开发以及大量的实际勘探的实施，使槽波勘探水 平得到了极大的提高，取得了相当良好的效果。这其中
，德国据领先地位。其主要理论、方法、技术和成果集
中体现在1994年出版的这一本书上L. Dresen, H. Rüter （1994）： Seismic coal exploration: In-seam seismics
第7章 槽波地震勘探
槽波地震勘探（In-Seam Seismics缩写为ISS）是利 用在煤层中激发和传播的导波、以探查煤层不连续性的一种 地球物理方法。它是地震勘探的一个分支。槽波地震勘探具
有探测距离大、精度高、抗电干扰能力强、波形特征较容易
识别以及最终成果直观的优点。
1955年，Evison在一篇短论文中首先报道了他在新西兰一个煤矿里激发与接收到了 煤层波，认为它是由煤层制导的洛夫波，并预言了该导波可能在采矿业中得到应用。 1963年，TH.克雷（Kery）教授发表了有关地震波在煤层中传播的理论和数学推导。 上世纪70年代后期，随着数字地震技术、计算机、仪器发展及煤炭生产需要， ISS在 联邦德国、英国、澳大利亚、匈牙利、捷克斯洛伐克、前苏联、美国等国家迅速发展起 来，并逐渐用于生产，成为一种可供选择的、成功的矿井地球物理方法之一。
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§7.1 槽波的形成
7.1.2 槽波的形成
反射和透射斯奈尔定律
vS 2 v S1 vP2 v P1 c sin sin sin t sin t
vP 2 vS 2 ——分别代表煤层的P波速度与S波速度 vP1 vS1 ——分别代表围岩的P波速度与S波速度
据郭恩惠（1990 年） ，煤田地质与勘探，1990，(2)
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进入九十年代中期以后，槽波在中国的应用也同
样步入低谷。进入新世纪后，随着煤炭工业的快速发展
，槽波勘探技术也被逐渐的重视，特别是在义煤集团、 河北煤炭研究院、龙煤集团、兖矿集团、中国矿业大学
在最近两年相继引进summit槽波地震仪后，制约槽波应
第7章 槽波地震勘探
§7.1 槽波的形成
7.1.3 槽波的类型
按物理构成及极化特征，槽 波分为瑞雷型槽波和洛夫
型槽波两类，简单记为R波
与L波。R波是由P波与SV波形
成的干涉波，质点在与煤层
面相互垂直、与传播方向平 行的平面内振动。由于既有 水平分量又有垂直分量，所 以质点振动的轨迹一般呈逆
行椭圆状。L波只由单一的SH
，Pergamon，- 433 页
第7章 槽波地震勘探
2.3 槽波勘探技术的全面发展
1994年出版 第7章 槽波地震勘探
2.3 槽波勘探技术的全面发展 进入上个世纪九十年代以来由于能源结构和经济 发展的大调整，槽波勘探似乎进入了低谷，少见国外相 关的研究、开发及应用的文献及报道。在进入新世纪以 来，随着煤炭需求的旺盛，槽波勘探有了再次发展的机 会和希望。这期间美国在2003至2007年后开展了较大规 模的槽波勘探活动，其主要目的是探测废弃的老窑，据 相关网站提供的成果显示该项目有三家机构（The Pennsylvania State University、LM Gochioco & Associates Inc.、Marshall miller&Associates inc.) 承担，由美国劳工部矿山安全与健康管理局提供相关经
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理论、方法基础清晰、科学研究深入：仅在上世纪七、 八十年代有关发表于著名杂志如《geophysics》《
geophysical prospecting》等上的文献多达数十篇，这在 煤矿地球物理勘探领域是少见的。 探测范围大：在中国条件下反射法可探测一般能达到 200米以上，透射法探测范围应该一般大于300米。 探测精度高：可探测落差1/2至1/3倍煤厚的断层，位置 误差可达15米以内，据德国对二百多个探测结果的统计，反 射法成功率约63 %，透射法成功率约83% 。国内据统计亦 有70-80%的准确率。 抗干扰能力强：对井下复杂的电流、甚至机械震动都有 较强的适应性。
地震体波在煤层内来回反射的过程中，迅速衰减而消失，形成 “泄漏”振型
（图7-2a、b、c、e、f） 第7章 槽波地震勘探
7.1.2 槽波的形成
当体波以入射角大于 临界角入射到煤－岩分 解面，即
c R v S1
，
vP 2 cR vS1
vS1 cR vP 2
则由于全反射，ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ震体 波的能量被限制在煤层
据张首恩（1983） ，地震槽波方法与试验，地球物理学报，1983,26（2），p198-203.
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1986年，我国引进了德国产SEAMEX85槽波地震仪及专用软件 ISS，先后在大同、开滦、平顶山、徐州、涟邵等大小矿务局、几十 个工作面上开展实际勘探和研究工作，在陷落柱、煤层冲刷带、断 层等小构造探测中，取得了相当的地质效果。
用和发展的最重要的瓶颈得到了解决，槽波地震勘探在 中国可能会再次得到应有的应用。
第7章 槽波地震勘探
§7.1 槽波的形成
7.1.1 岩石－煤－岩石剖面特征
煤层总是以泥岩、粉砂岩、砂岩或偶尔还有灰岩作为顶底板或为围 岩，而赋存于它们中间。与围岩相比，煤层具有速度低、密度小的特点 （见下表）。由表可知，在岩石－煤岩石剖面中，以煤层为中心形成了 一个低速“槽”。煤与围岩密度、速度的比值约为1:1.5～3.0之间。煤 层上、下界面都是一个极强的波阻抗分界面。
费。其研究成果全部发布在官方网站上（)
第7章 槽波地震勘探
2.3 槽波勘探技术的全面发展
据“”
第7章 槽波地震勘探
2.3 槽波勘探技术的全面发展
据“”
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1978年开始由原煤炭部组织技术人员赴德国考察调研，此后相关 单位组织技术人员开始进行现场试验、技术消化及矿井地震仪的研 制等，至1985年，进行了多次的井下实际勘探工作，取得十分宝贵 的资料和认识。