槽波地震勘探研究进展

郭银景，巨媛媛，范晓静，张建华

槽波地震勘探研究进展

郭银景，巨媛媛，范晓静，张建华

(山东科技大学 电子信息工程学院，山东 青岛 266590)

槽波地震勘探技术经过长期发展与完善，在探测煤层内部构造发育、煤层厚度变化、夹矸分布形态等方面均取得了较为可靠的效果。为全面系统地了解槽波地震勘探技术，促进槽波地震勘探技术的发展，回顾了槽波地震勘探技术现状。首先，简述槽波地震勘探的原理；然后，依据槽波地震勘探的流程，按照震源激发、信号采集、预处理、信号提取、数据处理与分析的步骤，对相关技术的工作原理及方法进行分类整理，并对不同震源激发形式、信号提取方式以及数据处理技术做了对比分析；最后，系统总结了槽波地震勘探技术在煤厚分析、夹矸判别、构造识别等方面的工作和应用现状。目前，煤矿井下槽波地震勘探技术存在一定的局限性，探测精度等难以满足地质探测需求，今后，开发槽波雷达提高槽波地震勘探的精度是一个很好的发展方向。

槽波地震勘探；煤厚分析；构造识别；煤矿安全；槽波雷达

槽波地震勘探(In-Seam Seismic，简称ISS)是在井下煤层开采工作面内进行的，直接探测煤层内地质构造或地质异常体，是目前最有效、最精确、分辨率最高的井下地震勘探方法，受到相关学者的广泛关注。

1955年，F. F. Evison[1]第一次应用槽波勘探并揭示了槽波的频散特性，将场数据频散曲线与Love波理论进行了比较，预测了槽波地震勘探应用前景；T. C. Krey[2]在比较煤层和周围岩石的性质后，对煤层中槽波进行验证和分析，提出可通过槽波来识别地质异常体，为槽波地震勘探奠定了基础。此后，对槽波的研究越来越多。E. Liu等[3]研究了Love波在煤层和围岩之间存在裂缝时的性质；Yang zhen等[4]使用数值分析方法计算了槽波的频散曲线。槽波地震勘探方法分为透射波法、反射波法和联合勘探法，首先应用于断层识别。F. K. Brentrup[5]总结了德国200个煤矿中ISS技术探测断层的成果，其中，反射法成功率为66%，透射法成功率为83%。透射法主要基于层析成像原理探测工作面内部异常[6-8]；反射法有包络叠加和动态道集叠加[9]等，还有基于偏移类的方法[10-13]。

经过几十年的发展，ISS技术已较为成熟，能够成功揭示煤层的不连续性，如断层或断裂带，泥床分布和冲刷带等，是一种有效的小构造探测方法[14-16]。C. Guo等[17]结合遗传算法(Genetic Algorithm，GA)和同时迭代重建技术(Simultaneous Iterative Reconstruction Technique，SIRT)提出了GA-SIRT混合方法，提高了煤厚反演的准确性；D. J. Yancey等[18]利用透射和反射联合勘探法成功探测了煤矿采空区。国内近年来对ISS的研究也越来越多，荣晓伟[19]通过槽波频散曲线提取，实现了夹矸的厚度、位置以及速度等属性预测；廉洁等[20]采用反射法，计算并预测了断层走向及位置，偏差小于5 m；李江华等[21]为解除导水构造对工作面安全开采的隐患，采用槽波透射波法和瞬变电磁法实现了地质构造导水通道的精细探测，为工作面的水害防治提供了重要依据。

通过相关文献学习发现，较为完整系统地介绍ISS技术的文章较少，因此，为进一步提升对ISS的关注和理解，推动ISS技术的不断发展，本文对ISS方法进行了详细的介绍，基于ISS的工作流程，从震源激发、信号采集、预处理、信号提取以及数据处理与分析等方面，对现有研究工作进行了详细的介绍、分析和对比。同时，针对现有的ISS技术应用，如煤厚识别以及构造识别等进行了相应的介绍和分析。

1 槽波地震勘探原理

1.1 槽波的形成

在含煤地层中，煤层与围岩相比具有密度小、震波速度低的特点，形成一个低速夹层[22]。当在煤层中激发一个震动时，产生地震波，包括 P 波和S波，P波包括PP波和PS波，S波又包括 SH 波和 SV波，地震波传播到上下围岩界面时被全部反射和折射回煤层内部，混响、叠加形成槽波，如图1所示。因此，槽波是在煤层中形成的地震波，其传播距离远、能量强、波形特征易于识别，具有明显的频散特征[23]。

图1 槽波形成原理示意图

1.2 槽波地震勘探原理

槽波能够应用于超前探测的前提是煤层具有波导性。地震波在上下围岩中的传播速度大于在煤层中的传播速度，且上下围岩界面具有非常强的波阻抗，因此，形成一个以煤层为中心的波导层，使地震波在煤层中多次全反射[24]。当工作面前方有地质异常时，沿煤层传播的槽波受到阻断，在同一煤层巷道煤壁上或钻孔中适当安置检波器，可接收到槽波并送到地震仪记录下来，通过分析槽波的有无、强弱及其相关运动学、动力学特征来判断地质异常[21]。

2 槽波地震勘探方法

槽波地震勘探方法分为透射波法、反射波法和联合勘探方法[25]。

2.1 透射波法

如图2所示，震源激发装置和检波器分别布置在煤层两边的巷道内。当煤层厚度小于异常构造厚度时，槽波信号被完全阻断，无法采集槽波信号；当煤层厚度的一半等于异常构造厚度时，槽波信号部分被阻断，信号能量有不同程度的减弱。透射波法一般用于探测煤层内部地质结构，例如：探明煤层厚度变化情况，探测断层、陷落柱以及夹矸分布等，蔺国华[27]和N. E. Huang等[26]，采用透射波法准确预测了断层的发育位置，李刚等[28]和焦阳等[29]应用于陷落柱的位置及范围探测。

图2 透射波勘探法示意图

2.2 反射波法

如图3所示，检波器和震源激发装置布置在同一巷道内，直接接收反射信号，根据振幅值的大小和波速等参数来判断煤层异常与否。在断层落差与煤厚相差不大时，槽波发生反射现象，断层附近的密度和波速出现不同；断层落差较小时，部分槽波被反射，此时信号幅值较小。反射波法常用于探测煤层内的冲刷带、断层等分布情况，W. Wang等[16]，姚小帅等[22]，焦阳等[23]和李雪梅[30]均利用反射波法成功探测出了冲刷带及断层等异常构造，且具有较高的精度。

图3 反射波勘探法示意图

2.3 联合勘探法

透射–反射联合勘探法综合以上两种方法，如图4所示，煤层两边巷道的煤壁上均布放检波器，炮点放置在通风巷内，通风巷的检波器接收反射波信号，运输巷的检波器接收透射信号。根据实际情况，采用合理的观测系统，联合勘探的效果可能最好[31]，D. J. Yancey等[18]，宋保陵等[25]和张强等[32]采用联合勘探法对地质异常进行勘探，均取得了较好的探测结果。

3 槽波地震勘探信号处理

ISS基于接收到的槽波信号，通过分析其频散特性、衰减特性等来判别煤层中的异常结构，其主要包含5个步骤，如图5 所示。首先，震源激发后利用检波器接收槽波信号；其次，对所收集到的信号进行数据格式转换、异常道检测与剔除等一系列预处理；然后再对信号进行滤波处理，进一步获取有用信息；滤波之后用频散反演、CT层析成像、包络叠加等方法处理槽波数据；最后，对处理后的数据进行频散分析、速度分析及能量衰减分析等，以此来识别判断煤层中的异常结构。下面分别对各个步骤进行详细介绍。

3.1 槽波震源的激发

槽波震源的激发是勘探工作的关键环节，震源的激发决定了勘探效果。常用的震源激发方法有两类：一类是机械震源法，用锤击产生震源；另一类是爆炸震源法，由雷管或炸药产生震源[33]。两类震源激发的具体情况见表1。

图5 槽波地震勘探流程

表1 两类震源激发形式对比

3.2 信号采集

槽波信号的采集是ISS中的重要一步，采集到有效的槽波信号对后续处理分析尤为重要[34-35]。通常采用二分量或三分量检波器与信号采集板来拾取槽波信号，一个分量垂直于煤壁，其余分量平行于煤壁或巷道。开始工作时，两个方向的分量同时接收信号，分别从两个互相独立的信号通道送入信号采集板。为了能准确地接收到高质量的槽波信号，信号采集系统应具有较小时延或一致的响应特性，确保各个接收端的一致性[33]。

3.3 预处理

由于外界干扰因素众多，采集到的原始槽波信号信噪比低，若直接对这些数据进行处理会严重影响处理效果。因此，需要先对其进行数据格式转换、异常道检测与剔除等预处理过程。

a. 数据转录和记录格式转换 将原始槽波数据转换成数理系统中要求的地震数据个数(SGY)。

b. 异常道检测与剔除 大量的异常道会影响后续的处理效果，能量较强的异常道对宽频滤波、透射槽波能量成像等多道处理有不良的影响，因此，需对异常道进行检查，剔除坏道，空道。

c. 建立观测系统 观测系统建立的准确性对后续数据处理有直接影响。建立时要指定震源激发点与接收点的空间坐标，建立炮点与检波点的对应关系。

d. 初至校正 起爆到爆炸有一定的时差，若初至时间存在误差，则会对反演成像的质量与准确度造成严重影响，所以初至校正是数据处理前的关键步骤。

e.能量扩散补偿 地震波传播过程中，其能量随距离增大而不断减小，频率也随之不断下降。通过补偿，同一单炮多道原始地震记录在记录后期的远端波形能量得到增加，并且道与道间的能量得到均衡，解决了能量衰减问题。能量扩散补偿前后波形如图6所示。

图6 能量扩散补偿前后波形

3.4 信号提取

对原始槽波信号进行预处理之后，为有效提纯槽波，还需对其作滤波分析。一维滤波、二维滤波、-变换及经验模态分解是4种常用的槽波信号提取方法。表2为4种常见槽波信号提取方式优缺点的对比。

a. 一维滤波 在槽波信号的处理中，最常用的是傅立叶变换，基本思想为一个和时间相关的槽波信号可以分解为不同频率的正弦信号的叠加。离散傅立叶变换表示为式(1)：

式中：()和X均为有限长序列；()为采样的模拟信号；X为()的傅里叶变换在频率区间[0,2]上的点等间隔采样；为波数，Î[0,–1]；为序列()的长度。

带通滤波器抽取特定频率范围内的波，通过频谱分析来确定槽波的频率范围，采用高斯窗口滤波，以达到提纯槽波的目的[36]。姚小帅等[22]和李雪梅[30]采用傅里叶变换、希尔伯特变换等方法对槽波信号进行滤波，提取到了更有价值的槽波信号。

式中：为圆频率；(,)为多道瑞利波地震记录。

理想情况下，F-K 域内的槽波形态应为一条较窄的斜线或曲线，以该曲线为中心设计滤波器，对信号进行滤波处理，再将信号转换回时间–空间域后即可突出信号中的槽波成分，压制噪声和其他波场成分[37-38]。

表2 槽波信号提取方式对比

3.5 数据处理

槽波数据处理在ISS中十分重要，通过数据处理，可以识别和提取槽波的不同震相、压制噪声与干扰，有效定位地质构造的位置。槽波的频散特性及煤层中异常体走向的随意性，使槽波数据处理具有一些特殊方法，例如极化分析与旋转、频散反演、包络叠加、再压缩或反褶积、动态道集(DTG)叠加、ALS(自适应延迟求和)偏移成像和CT成像技术等。

3.5.1 透射槽波数据处理流程

图7为透射槽波地震勘探数据处理流程：

a. 极化分析与旋转 采用双分量检波器接收槽波数据，分量轴线平行于煤层和煤壁，分量轴线平行于煤层、垂直于煤壁。透射法采集数据时，各炮点与检波器的连线与检波器的夹角不同。为便于分析地震波极化特征，进一步为速度分析、图像重建提供参数，需将所有地震道双分量信号通过坐标旋转公式(7)校正到水平平行波传播方向和水平垂直波传播方向[40]。

图7 透射槽波数据处理流程

Fig.7 Processing flow chart of transmitted channel wave data

式中：为坐标旋转角度，可利用纵波传播能量法则计算[41]；、为原始槽波地震双分量信号；′为水平平行地震波传播方向分量；′为水平垂直地震波传播方向分量。

b. 频散反演 槽波的反演是利用其频散特性对煤厚进行预测。通过理论计算与试验验证得知，随着煤厚的增加，埃里相频率随之下降，埃里相表现得愈加凸显，通过这种对应关系，在频散曲线的分析与提取中就可以掌握回采工作面内煤厚的发育情况。不同煤厚的频散曲线如图8所示。

图8 不同煤厚的频散曲线

c. CT层析成像技术 CT成像借助计算机图像重建技术，通过非均匀介质中传播的透射时间或振幅衰减恢复煤层中的速度场或吸收系数场，使异常成像，从而预测异常情况。目前CT层析成像方法有槽波能量衰减系数CT成像方法(能量法)、槽波速度CT成像方法(速度法)等。李刚等[28]、张强等[32]、马欣等[39]和王季[40]在对槽波原始数据进行预处理之后采用CT成像技术使地质构造异常成像，从而预测构造异常。图9为某工作面槽波能量衰减系数层析成像图。暖色区表示槽波能量衰减严重，可能为地质构造异常，绿色及冷色区域表示槽波能量均衡，判断为正常煤体。

图9 槽波能量衰减系数层析成像

3.5.2 反射槽波数据处理流程

图10为反射槽波地震勘探数据处理流程：

a. 包络叠加 地震数据是高频数据。非常小的时移也可能造成“脱相”和叠加中的相消干涉，因此，多采用包络叠加的方法处理数据，首先用窄带通滤波提取原始记录的埃里相，计算地震道的包络线，抽取更深度点包络道集，然后用提取的埃里相速度数据在包络道集上进行正常的时差校正，最后将动校正后的包络道集进行叠加[42]。

以山西某矿为例，原始数据经过预处理后，利用反射槽波包络叠加法对50个单炮数据进行处理，如图11所示。处理后成像结果如图12，图中深色背景区域为煤层正常区域，虚线圈内为构造异常区域。综合研究区地质资料与成像结果，判断CF1、CF2为两条断层。验证结果表明断层实际位置与预测位置一致[43]。

图10 反射槽波数据处理流程

图11 反射槽波包络处理前后数据对比

图12 包络叠加反射成像构造解释

b. 再压缩或反褶积 该方法目的是消除先前滤波作用，通过压缩基本子波来提高槽波地震数据的垂向分辨率。理想情况下，反褶积可以压缩直达槽波，增强反射槽波。

c. 动态道集(DTG)叠加 针对ISS中反射体走向与测线夹角的随意性、槽波的频散性及槽波数据的冗余有限性而设计的一种改进的CDP叠加，修改普通的CDP多次叠加技术以适应ISS条件的特殊性。

d. ALS偏移成像 ALS(Alternating Least Squares)偏移成像是LS偏移技术的改进，在ALS偏移技术网格化模式下，对与接收点成不同夹角的可能存在地质异常体的区域赋予不同的加权数，从而计算出振幅概率密度，得出振幅或者能量分布图。宋保陵等[25]采用透射–反射联合勘探方法，对槽波数据进行偏移成像处理，成功预测出多个断层和一个陷落柱。

3.6 数据分析

接收到的槽波信号进行一系列处理步骤之后，对其进行分析，以此来分类识别地质异常结构，例如频散分析、速度分析及能量衰减分析等。

a. 频散分析 频散，即槽波的群速度和相速度均随频率而改变，是槽波的最根本特征。槽波的频散特性里携带有围岩和煤层的速度和结构信息，可以用来进行异常探测[44-45]。频散分析就是从旋转后的槽波记录中提取群速度和相速度随频率变化的曲线。槽波频散曲线如图13所示。

图13 槽波频散曲线

b. 速度分析 速度分析贯穿于槽波数据采集、处理和解释的整个过程，合理准确的速度分析可以提高探测精度，去除接收时差及求取槽波群速度，确保后续槽波 CT 成像及准确构造定位。

c. 能量衰减分析 煤厚变化及异常构造的存在影响了槽波的传播，通过反演计算可获得工作面内的能量衰减系数。超出煤层厚度，槽波信息将无法传播；若断层落差在煤厚与煤厚的一半之间，煤层具有部分连续性，则频散曲线会向高频部分过度，低频槽波被断层阻挡，高频槽波透过断层继续传播，透过的槽波能量减弱，减弱越明显表示断距越大；若断层落差小于煤厚的一半，槽波能量衰减不明显，大部分槽波信息透射过工作面，则很难分辨断层。

4 槽波地震勘探应用

相较于其他的煤矿井下物探方法，ISS技术具有能量可控、距目标体近、分辨精度高、受影响因素少等特点，可有效诊断地质的异常状况，广泛应用于煤厚分析、夹矸判别、构造识别等方面。

4.1 煤厚分析

煤厚的精确预测对于实现智能化和无人化开采至关重要。由于槽波波形易于识别，传播距离长且能量较强，因此广泛用于煤厚度反演。

C. Guo等[17]结合遗传算法(GA)和同时迭代重建技术(SIRT)提出了GA-SIRT混合方法，提高了煤厚度反演的准确性、稳定性和整体计算效率。该混合模型可根据槽波精确地分辨和识别煤的厚度。

侯志星[46]的“基于地震属性的煤层厚度分析系统”已经在各大煤矿针对不同煤层做了煤厚预测的试验性研究，并取得了较好的效果。

廉洁等[20]使用德国 SUMMIT-ⅡEX 槽波地震仪，采用透射法，在选定适宜频率进行波速成像后，根据波速与煤层厚度的负相关关系，对煤层厚度进行定量化预测，准确率达86%。

4.2 夹矸判别

煤层中的夹矸分布广泛且规模大小不一，常造成煤层分叉变薄、结构复杂多样、煤质变差，给回采工作增加了难度。因此，对夹矸的特性研究，具有重要的理论及实际意义。

荣晓伟[19]推导计算了含夹矸煤层Love型槽波的频散方程，结果表明，含夹矸煤层中Love型槽波具有明显的频散特性，且频散特性受夹矸厚度、夹矸在煤层中位置以及夹矸的速度影响。通过频散曲线提取，实现了夹矸厚度及夹矸位置的预测，为煤层开采提供了有价值的信息。

王增玉等[47]通过研究含夹矸煤层对煤层 AVO 特征的影响证明：夹矸层在煤层中所处位置和分层情况对煤层反射系数没有影响，但随夹矸层厚度的增加，煤层 PP 波和PS 波反射系数和相位会发生变化，减弱构造煤的响应识别。在进行反演时，应结合实际地质资料，排除夹矸影响，提高预测精度。

4.3 构造识别

煤系由于成煤期不同，以及后期构造作用，具有多样性和复杂性。在煤矿综采过程中，准确预测工作面前方的地质异常体对矿井的安全生产至关重要。常见的地质构造有断层、陷落柱、冲刷带、采空区、富水区、富气区、富压区等。表3为近年来槽波地震勘探构造识别汇总。

a. 断层 断层是煤层中的典型地质构造，且种类繁多，形态各异，分布范围较广。对断层定位误差较大则会影响煤矿安全，有时甚至可能造成严重人员伤亡。

表3 近年来槽波地震勘探应用汇总

为了提高断层的定位精度，W. Wang等[16]在河南义马矿2505工作面进行反射槽波观测，利用Kirchhoff积分偏移和共同中点叠后偏移对断层成像，成功揭示了断层的结构和位置，根据采矿检查，断层的迁移误差在5 m以内。

姚小帅等[22]对义煤公司某矿11100 工作面轨道巷外帮进行反射法勘探，综合预测断层位置。经钻探验证，实揭断层与预测断层位置最大偏差仅3.5 m。但由于槽波的频散特性，很难精确定位断层边界。

廉洁等[20]利用槽波沿煤层传播时遇到断层等波阻抗界面会产生反射的现象，根据槽波传播速度及反射波到达检波器的时间，计算并预测了断层走向位置，偏差小于5 m。

张强等[32]以金家渠煤矿110301工作面为研究对象，采用反射法和透射法对工作面内部隐伏断层进行探测，与巷道掘进实揭断层相比，二者较吻合，并对实揭断层的延展情况作了校正。

蔺国华[26]以某矿区2.5 m煤厚的工作面为例，在经过对槽波原始数据滤波、振幅衰减系数CT成像后，确定一个断距约为2 m的隐伏断层。后经工作面回采揭露，该位置存在一个落差约2.2 m的正断层，验证了槽波探测的有效性。

b. 陷落柱 陷落柱是岩溶空顶塌陷的产物，对煤层的破坏性很大，主要表现在减少煤炭储量、降低煤矿开采的效率和质量、增加煤矿开采成本等方面[48]。

李刚等[28]在分析陷落柱危害的基础上，结合山西某矿1201工作面陷落柱探测成果，探采对比表明，基于透射槽波的陷落柱CT成像技术能够解释煤矿陷落柱位置，且准确率较高。

刘强隆等[49]分析了葛泉岩溶陷落柱的分布特征和发育规律，建立了控制隐伏导水陷落柱的指标体系和模糊判别模型，对陷落柱作半定量化预测并划定其出现概率最大的区域，预测结果不太理想，证明人工神经网络(ANN)和模糊综合评判模型在陷落柱的定量预测上还处于探索阶段。

焦阳等[29]针对典型矿井，展开透射法和反射法勘探，结果证明，利用槽波透射法速度分析来准确圈定陷落柱异常范围较困难，但透射法能量分析可作为探测陷落柱的手段之一，若陷落柱与煤体交界面完好，槽波反射法速度分析可以准确划定陷落柱边界。

马欣等[39]利用透射法在煤层物理模型中采集槽波数据，并计算出各通道的振幅能量衰减系数，利用槽波数据波形图来分析波速，使用平滑伪魏格纳威利分布(SPWVD)时频分析方法，最终确定陷落柱的位置。

c. 冲刷带 冲刷带是一种常见的矿井地质现象，直接关系到掘进率、回采率等生产效率和经济效益，是影响煤矿综采生产的重要地质因素。

管永伟等[50]以新景矿芦南二区为研究区，利用现有的三维地震资料，综合瞬时振幅属性特征、地震相分类特征及声波阻抗响应特征，圈定了冲刷带的平面位置及分布范围，且与实测结果较为吻合。

李雪梅[30]通过分析山东某煤矿已知三维地震勘探资料反射波组特征，提取反射波均方根振幅切片属性，分析冲刷带的响应特征，圈定了冲刷带的范围，并在后期巷道开拓中得到了证实。

崔凡等[51]使用防爆探地雷达系统配合对新景矿 3215 辅助进风巷掘进面进行超前探测。结果表明：煤层内部冲刷带的实测雷达信号响应特征与正演模拟结果的相似性极高，对掘进面前方50 m范围内的冲刷带进行了有效识别。

d. 采空区 采空区是由人为挖掘或者天然地质运动在地表下面产生的“空洞”，采空区的存在使得矿山生产面临很大的安全问题。D. J. Yancey等[18]利用透射导波和反射槽波探测煤矿采空区；丁卫[52]采用反射法探测采空区，通过改进优化的观测系统，解决了绕射叠加偏移的画弧现象，根据每道地震记录的成像弧段的交点位置为地质异常点的概率最大原理，提高了采空区超前探测的反演精度。

除此之外，许多专家学者利用槽波地震勘探方法对地质构造异常进行了研究。M. Ge等[53]采用椭圆映射方法，通过反射槽波法在Harmony煤矿46 m处的工作面上定位空隙边界，误差仅为4.6 m。

李江华等[21]采用ISS透射法和瞬变电磁法对赵庄煤业 3307工作面地质构造及导水性进行探测，运用时频分析和层析成像等方法对地震数据进行处理，共探测出7条断层、1个陷落柱和2处裂隙水异常区，其中4条断层导水，实现了工作面地质构造及导水通道的精细探测，提高了探测成果的可靠性，为工作面的水害防治提供了重要依据。

王季等[54]采用透射槽波能量衰减系数 CT成像技术在多个矿井工作面内对断层、陷落柱、薄煤带等典型地质异常体进行探测。将探测结果与现有资料对比表明：透射槽波在遇地质异常时，能量有明显的衰减现象，槽波能量衰减系数CT成像结果能够有效反映多种地质异常体的位置与范围，不同类型异常体的衰减系数有一定差异但并不显著。

无论是在煤厚的精确预测、夹矸形态判别，还是在地质异常构造的识别上，ISS技术都取得了较好的应用结果。煤厚的精准预测是识别地质构造异常的前提，目前来说，应用ISS技术对煤厚预测的精度达到70%左右，国内外学者为提高其预测精度，将ISS技术与其他技术相结合，将精度提高到了80%以上，未来对于煤厚的预测精度将达到更高。断层、陷落柱以及冲刷带等地质异常构造的识别是ISS技术应用最多的方向，反射波法常用于探测采空区、冲刷带及断层等异常构造，精度可达到90%以上，但是，该方法拾取的信号能量弱、有效信号的信噪比低，因此，难以准确判断出断层的落差大小及异常体的尺寸；透射波法一般用于探测煤层内部的地质结构，例如：探明煤厚变化，探测大小断层、陷落柱以及夹矸石等的分布情况等，透射波法目前最大探测距离可达煤层厚度的300倍，可满足煤矿采掘生产的基本需要，但还没能解决异常类型和尺寸的识别问题；联合勘探法根据实际情况将两种方法结合，探测效果在某些情况下可能会更好。由此可见，ISS对于地质异常构造类型的识别精度已较高，但对于异常体的尺寸及边界的精确预测上还需要进一步探索。除此之外，ISS与其他各种探测技术相结合的综合探测手段也是未来对于地质异常构造精细探测的一个重要方向。

5 结语

ISS可以有效诊断地质的异常状况，探测煤层内部构造发育、煤层厚度变化以及夹矸分布形态等，是目前最有效、最精确、分辨率最高的井下地震勘探方法，不仅提高了矿井综采的效率，也为矿井安全生产提供了保障。但仅用频散、频谱、速度和时频等参数来描述槽波，激发震源模式单一，很难提取远端地质构造回波，不但无法准确地判断出断层的落差大小及地质异常体结构的尺寸，而且无法满足大部分场合地层探测要求。

未来，可将钻探与槽波勘探相结合，直接将雷达收发装置送到探测地层，避免槽波在地表和地层界面产生的强损耗，槽波回波信号高频成分更加丰富，再结合非正交分解来提取槽波回波信号，提高目标弱信号分量的信噪比，降低槽波波场分离难度。此后，利用ISS技术对于煤层内的地质构造探测将更加精确，ISS的应用也将更加广泛。

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Progress in research of in-seam seismic exploration

GUO Yinjing, JU Yuanyuan, FAN Xiaojing, ZHANG Jianhua

(College of Electronic and Information Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

After long-term development and improvement, the in-seam seismic(ISS) technology has achieved relatively reliable results in detecting the internal structural development of the coal seam, the thickness variation of the coal seam, and the distribution pattern of the pinch. In order to comprehensively and systematically understand the ISS technology and promote the development of the ISS technology, the status of the ISS technology is reviewed. First, the principle of ISS is briefly described. Then, according to the process of ISS, according to the steps of source excitation, signal acquisition, preprocessing, signal extraction, data processing and analysis, the working principles and methods of related technologies are classified and the excitation modes and signals of different sources are applied. The extraction method and data processing technology were compared and analyzed. Finally, the system summarizes the work and application status of ISS technology in coal thickness analysis, pinch discrimination, structure identification and so on. At present, the coal mine underground ISS technology has certain limitations, and the detection accuracy is difficult to meet the geological exploration requirements. In the future, the development of channel wave radar to improve the accuracy of the ISS is a good development direction.

in-seam seismic(ISS); coal thickness analysis; structural recognition; coal mine safety; channel wave radar

P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.032

1001-1986(2020)02-0216-12

2019-06-25；

2019-09-06

国家自然科学基金项目(61471224)；山东省重点研发计划项目(2013GHY115022)

National Natural Science Foundation of China(61471224)；Key R&D Project of Shandong Province(2013GHY115022)

郭银景，1966年生，男，山东济宁人，博士生导师，教授，研究方向为矿山无线通信、特种雷达技术等. E-mail：gyjlwh@163.com

郭银景，巨媛媛，范晓静，等. 槽波地震勘探研究进展[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(2)：216–227.

GUO Yinjing，JU Yuanyuan，FAN Xiaojing，et al. Progress in research of in-seam seismic exploration[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：216–227.

(责任编辑 聂爱兰)