隧道､井巷反射地震超前探测(Tunnel andwell-lane Reflected-wave Seismic Prediction ahead, 简称TRSP)技术^[1]，国内称“地震负视速度法"^[2-4]，国外称TSP 或“隧道VSP"^[5-7]，是一种测试面与被探测面互为垂直的观测系统，主要应用体波反射法超前预报交通隧道､煤田矿山井巷､水电隧洞及地下工程掘进工作面前方不明地质情况^[8].其工作原理如图 1a^[8]所示.地震反射超前探测技术具有有效探测距离长，对地质异常反映灵敏､定位准确，探测成本低，基本不影响生产等优势，在隧道施工地质预报中发挥了巨大的作用^[1].从应用效果来看，TRSP 技术对探测工作面前方发育的有一定延伸长度､倾角较缓的较大构造面具有一定的优势^[9-11].

在煤层采掘中，巷道迎头前方存在许多影响安全生产的小规模地质构造，如过煤层的小断层构造､规模较小的陷落柱､煤体结构特征变化等.这些小构造发育规模虽然较小，但可能成为导水通道或破坏顶底板稳定性，严重影响采煤作业安全.由于在迎头面上产生的强反射波或绕射波的干扰，使得TRSP技术很难能够对煤巷掘进前方发育的小构造面进行精确超前预报，如图 1b.

图 1

Fig. 1

图 1 TRSP探测工作原理示意图 Fig. 1 Working chart of TRSP

1955年由Evison在新西兰煤矿首次发现煤层间的波导现象^[12].1963年Krey从理论和实践上证明了煤层中槽波(channelwave)的存在^[13].在地质剖面中，煤层是一个典型的低速夹层，从物理角度构成了一个“波导".在煤层中纵波与横波的部分能量在煤层顶底板界面多次全反射，被禁锢在煤层及其邻近的岩层中，不向围岩辐射，在煤层中相互叠加､相长干涉，形成一个较强的干涉扰动，即槽波^[14-15]，如图 2所示.在煤层中所激发的槽波能量较强，沿煤层传播的距离较远.爆破或锤击所激发的槽波能量主要集中于Rayleigh型槽波^[16].

图 2

Fig. 2

图 2 槽波形成原理 Fig. 2 Forming principle of channel wave

向前传播的Rayleigh 型槽波遇到过煤层的小构造面时产生Rayleigh型槽波反射波.沿煤层反向传播的反射Rayleigh 型槽波在采煤迎头面上转换为沿煤巷底板传播的Rayleigh面波.Rayleigh型槽波产生的沿巷道底板传播的Rayleigh 面波标志煤巷掘进方向上存在构造面或岩性界面^[17-18].

煤系地层是典型的层状结构，可将煤层与层状顶､底板看作水平各向同性介质^[19].二维各向同性介质中传播的一阶速度-应力弹性波方程如式(1)^[20]:

(1)

式中σ_xx､σ_zz分别为沿x､z方向的正应力，τ_xz为剪应力，λ､μ 为拉梅参数，ρ为密度，v_x､v_z分别为质点沿x､z方向的振动速度，t为传播时间.一阶速度-应力弹性波方程可以在交错网格下用高阶差分求解，理论上可以得到任意阶精度的差分格式.考虑到计算效率和模拟的精度要求，对式(1)进行2阶时间精度和4阶空间精度的交错网格有限差分求解.考虑到实际探测时的震源特性以及煤层对高频信号的吸收特性，震源函数采用频率为100Hz的雷克子波纵源.模型边界采用Cerjan吸收边界^[21]，减小人工边界产生的边界干扰.

为了研究采煤巷道前方煤层中槽波的传播特征，设计了正演模型1(如图 3)，各岩层的弹性参数如表 1.为了研究槽波特征，在巷道迎头前方140 m煤层与底板界面处记录波形，即图中接收点的位置.

图 3

Fig. 3

图 3 模型1地质剖面图 Fig. 3 Geological schematic diagram of model 1

表 1(Table 1)

表 1 模型1介质弹性参数表 Table 1 Elastic parameters of the model 1

表 1 模型1介质弹性参数表 Table 1 Elastic parameters of the model 1

图 4为模型1地震波场50 ms时的波场快照.其中波前面1为顶板纵波，波前面2 为顶板转换横波，波前面3 为底板纵波，波前面4 为底板转换横波；波前面5为在煤层和低速的薄层直接顶底板中传播的Rayleigh 型槽波.与纵横波相比，Rayleigh型槽波波长较长､波速较低､能量较强，主要在煤层和低速直接顶､底板中传播.Rayleigh型槽波的垂直分量向顶底板传播较深，槽波的水平分量向顶底板传播较浅.

图 4

Fig. 4

图 4 模型1地震波场质点振动速度50 ms快照 Fig. 4 Snapshots of the particle velocity components of model 1 at 50 ms

图 5为位于煤层底界面的接收点记录的质点速度波形图，从图中可以看出在煤层底界面上既有纵､横波传播，也有Rayleigh型槽波传播.与纵､横波相比，Rayleigh型槽波波速较低，波列较长，能量较强.

图 5

Fig. 5

图 5 煤层底界面接收到的质点速度波形图 Fig. 5 Waveform of the particle velocity recorded at receive point

为了研究采煤巷道前方存在小构造面的Rayleigh型槽波波场特征，在模型1的基础上设计了如图 6 所示的正演模型2.模型2 中在采煤巷道前方设计了一个规模较小的过煤层正断层构造面.断层的垂直断距为5 m, 断层面倾角为60°.断层面在巷道迎头前方100m 处.为了研究对小构造面的探测能力，断层面只在煤层､直接顶板和直接底板中发育，在厚层老顶､底岩层中没有延伸.模型2 中各层介质的弹性参数与模型1中相应介质的弹性参数一致，见表 1.为了减弱煤巷中声波的干扰，选择在煤巷底板下1m 布置接收序列.

图 6

Fig. 6

图 6 模型2地质剖面图 Fig. 6 Geological schematic diagram of model 2

图 7为模型2地震波场质点速度90ms时刻快照.图 7 中清晰显示，煤层中Rayleigh 型槽波在采煤巷道前方的过煤层的小断层面上产生能量较强的反射Rayleigh型槽波.反射Rayleigh型槽波的部分能量沿煤层向煤巷迎头方向传播.反射Rayleigh型槽波的垂直分量能量较强.

图 7

Fig. 7

图 7 模型2地震波场质点速度90mS快照 Fig. 7 Snapshots of the particle velocity components of model 2 at 90 ms

图 8为模型2地震波场质点速度160 ms时刻快照.图中表明，反向传播的Rayleigh 型槽波反射波在煤巷迎头处转换为沿煤巷顶､底板界面传播的Rayleigh面波.Rayleigh面波的垂直分量能量较强，在巷道顶底板中传播深度较深；水平分量能量较弱，在巷道顶底板中传播深度较浅.

图 8

Fig. 8

图 8 模型2地震波场质点速度160 ms快照 Fig. 8 Snapshots of the particle velocity components of model 2 at 160 ms

图 9为沿煤层底界面下1m 接收的地震记录.图中同相轴1 为震源在煤层中激发的Rayleigh 型槽波.同相轴2为Rayleigh型槽波在断层面上产生的反射Rayleigh型槽波.同相轴3为反射Rayleigh型槽波在煤巷迎头面处产生的Rayleigh面波.Rayleigh面波z分量能量较强，x分量能量较弱，沿煤巷底板接收的地震记录中可以接收到能量较强的Rayleigh面波z分量.图中同时显示巷道内声波对x分量地震记录干扰较强，对y分量地震记录干扰较弱.

图 9

Fig. 9

图 9 模型2中沿煤层底板接收的地震记录 Fig. 9 Seismic records of the velocity components recorded at the bottom of coal seam in model 2

在实际探测中检波器接收序列布置在煤巷的底板上，图 10为沿煤巷底板下1m 接收点序列记录的地震记录.图 10表明，接收到的能量较强的波型按波至时间先后顺序为:直达纵波(图 10 中同相轴1)､直达Rayleigh面波(图 10中同相轴4)､巷道内声波(图 10 中的多个同相轴2)､最后为反射Rayleigh型槽波在煤巷迎头产生的Rayleigh 面波(图 10中同相轴3).地震记录呈“之"字形.由图 9､图 10知，直达Rayleigh 型槽波在巷道前方小构造面上产生反射Rayleigh型槽波，反射Rayleigh型槽波在煤巷迎头产生的Rayleigh 面波是超前探测巷道迎面前方小构造面的有效波，其波至最迟，在波列上与其他波时间间隔较大，在时间域中容易识别.图 10还表明，沿煤巷底板接收到的Rayleigh面波z分量同相轴较为清晰､能量较强､易于识别，x分量同相轴较为模糊､能量较弱､难以识别.基于以上特征，在实际探测中应重点接收转换Rayleigh面波的z分量.

图 10

Fig. 10

图 10 模型2巷道底板接收的地震记录 Fig. 10 Seismic records of the velocity components recorded on the floor in the coal tunnel of model 2

为了对比研究槽波探测方法与TRSP 方法对小构造的探测效果，对煤巷小构造超前探测的TRSP方法进行了数值模拟.在模型2 的基础上设计TRSP的探测模型3:煤巷迎头位置水平坐标为55m, 纵波震源激发点布置在水平坐标为50 m 的煤巷底板下1m处，接收序列沿煤巷底板下1m接收地震记录，如图 11所示.

图 11

Fig. 11

图 11 模型3地质剖面图 Fig. 11 Geological schematic diagram of model 3

图 12为模型3煤巷中TRSP 探测在煤层底界面下1 m 的地震记录.地震记录上显示，相对于Rayleigh型槽波探测方法，沿煤巷迎头前方煤层底板传播的地震波能量较弱，在煤巷迎头前方的小构造面上反射回来的地震波能量更弱.受煤巷内顶､底板和巷道迎头强能量反射波干扰，在地震记录上难以识别小构造面反射波.

图 12

Fig. 12

图 12 模型3中沿煤层底板接收的地震记录 Fig. 12 Seismic records of the velocity components recorded at the bottom of coal seam in model 3

图 13为模型3巷道中TRSP 探测巷道底板的地震记录.由于顶底板界面和巷道迎头的多次反射波干扰，地震记录非常复杂，能量较弱的小构造面反射波难以识别.

图 13

Fig. 13

图 13 模型3巷道底板接收的地震记录 Fig. 13 Seismic records of the velocity components recorded on the floor in the coal tunnel of model 3

(1) 本文在研究TRSP 超前探测煤巷小构造面不足的基础上，提出了Rayleigh型槽波煤巷小构造超前探测方法.该方法采取在巷道迎头前方煤层内靠近底板激发纵波震源，在煤巷底板布置检波器的观测方式.

(2) 对煤巷模型中层状煤层内Rayleigh型槽波传播特征进行了数值模拟.结果表明:在煤层底板传播的Rayleigh型槽波相对于体波能量较强，波列较长，波速较低.Rayleigh型槽波垂直分量能量比水平分量能量更强.

(3) 对本文提出的Rayleigh型槽波煤巷小构造超前探测方法进行了数值模拟研究.研究表明:在煤厚5m, 震源频率100 Hz情况下，Rayleigh 型槽波在小构造面上产生反射Rayleigh 型槽波，反射Rayleigh槽波在煤巷迎头产生沿煤巷底板传播的Rayleigh面波.在煤巷底板接收到的反射Rayleigh型槽波激发的Rayleigh 面波转换波是超前探测巷道迎头前方小构造面的有效波，其波至最迟，在波列上与其他波时间间隔较大，在时间域中容易识别.转换Rayleigh 面波z分量能量较强､同相轴较为清晰､易于识别，x分量能量较弱､同相轴较为模糊､难以识别.基于以上特征，建议在实际探测中重点接收Rayleigh面波z分量.

(4) 对煤巷小构造超前探测的TRSP 方法进行了数值模拟研究，研究表明:标志煤巷迎头前方存在小构造面的反射地震波能量较弱，受煤巷顶､底板和巷道迎头强反射波的干扰，在地震记录中难以识别.