2018, Vol. 61
2. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029;
3. 吉林大学, 长春 130026
2. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
3. Jilin University, Changchun 130026, China
近几年, 煤田勘探领域热门的话题是煤田地震勘探是否能识别煤层中发育的垂直断距小于3 m、甚至更小的断层(王赟等, 2010).煤层隐伏小断层在煤田地质勘探期间能否查明，是影响煤矿安全生产的主要地质因素.煤矿在生产过程中开采区回采工作面会随着波状褶曲、小型底鼓及凹陷而产生大量的小断层.由于小断层常常出现在顶板脆性岩层中，它们不仅影响了工作面的布置，而且也对顶板的稳定性产生很大的影响，同时，还破坏了工作面顶板原岩的完整性，给顶板管理带来了更大的难度.另外，小断层还增大了工作面发生顶板突水、瓦斯突出的可能性(徐东晶等, 2013).在煤矿采掘过程中，对煤层隐伏小断层进行及时准确地预测，能够更加有效地防治煤与瓦斯突出等煤矿灾害性事故(陈莲芳和崔洪庆, 2014).
在诸多的地球物理方法中，地面地震勘探具有分辨率精度不高的缺点，为解决这些在实际工作中存在的问题，当今普遍采用槽波探测技术(王伟等, 2012).地震槽波地震勘探为利用煤层中传播的地震波，具有能量强，易于识别的特点，及面波频散效应明显的特性来探测煤田异常构造，它尚是一种在发展中的方法，受到各国关注.
由于煤层与顶、底板围岩物性参数的巨大差异，在物理上构成一个“波导”.当在煤层中激发地震波(包括P波、S波)时，激发的部分能量由于顶底界面的多次全反射(入射角大于临界角)被禁锢在煤层及其邻近的岩石(煤槽)中，在煤槽中相互叠加、相长干涉，形成一个很强的干涉扰动，即槽波(胡国泽等, 2013).当煤层存在断层时，煤层中传播的地震槽波遇到断层发生反射、透射，形成反射槽波、透射槽波，在勘探应用中比较关注反射槽波、透射槽波的能量.地震槽波透过断层的传播特性是勘探中一个需要解决的问题，不同的断层可能对槽波信号产生不同的影响.
按照物理构成及极化特征，槽波分为Love型槽波和Rayleigh型槽波.由于Love型槽波物理构成简单，易于研究和解释，在槽波地震勘探中广泛应用.Räder等(1985)研究了水平层状模型Love型槽波频散曲线与振幅深度曲线，程久龙(1994)计算了Love型槽波理论地震图，杨真等(2010)进行了薄煤层SH型槽波频散特征及波形模式研究，姬广忠等(2011)研究了煤层Love型槽波数值模拟及其频散特征分析，程建远等(2012)分析了典型含煤模型Love型槽波的频散特征，钱建伟和李德春(2013)研究了Love型槽波的基本特性.
而在煤层中锤击或爆破激发的槽波能量主要集中于Rayleigh型槽波中(徐果明等, 1998).Rayleigh型槽波由于频散关系复杂，前人对其产生、传播、基本性质、影响因素等方面进行了一定程度的研究：Buchanan(1987)、徐果明等(1998)、杨小慧等(2010)对层状模型Rayleigh型槽波的本征方程及频散特性进行了研究，Freystätter和Dresen(1978)基于倾斜不连续煤层对反射法中Rayleigh型槽波的影响进行了一定研究，Essen等(2007)对特殊煤层进行了Rayleigh型槽波数值模拟，杨思通和程久龙(2012)通过数值模拟研究了煤巷小构造Rayleigh型槽波超前探测问题，姬广忠等(2012)进行了煤矿井下含巷道模型的槽波三维数值模拟研究等.
1 Rayleigh型槽波波场数值模拟计算谱元法结合了有限元法的灵活性和谱方法的指数收敛性，且高效、高精度，是近年来发展的一种重要的地震波场数值模拟方法(刘有山等, 2014).笔者使用高阶不规则四边形网格谱元法，使用完全匹配层(PML)处理吸收边界，计算模拟二维Rayleigh型槽波传播过程.
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图 1 地质模型 ★:震源位置; d:垂直断距; α:倾角; ▼:接收点. Fig. 1 Geological model Source position; d: Vertical fault throw; α: Dip; ▼: Receiver position. |
图 1是含有正断层的三层地质模型，围岩、煤层物性参数如表 1，模型大小为35 m×200 m，煤层厚度h=5 m，在x=100 m处设计了垂直断距为d、倾角为α的正断层.设围岩纵波速度、横波速度分别为VP1、VS1，煤层纵波速度、横波速度分别为VP2、VS2，槽波相速度为c.在图 1模型中由于VP1>VP2>VS1>VS2，当槽波相速度VS1>c≥VS2时，只有SV波产生全反射，在煤层中形成Rayleigh型槽波(刘天放等, 1994).
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表 1 模型物理参数 Table 1 Elastic parameters of the model |
根据图 1地质模型，设计d=2.5 m(垂直断距为1/2煤厚)、倾角α=45°的正断层模型.使用谱元法模拟计算时，设定PML吸收边界层厚度为20 m，以1.25 m为边长自动剖分非规则四边形网格，共生成11522个四边形单元、11775个节点，最小边长为0.576 m、最大边长为0.832 m；单元内采用6阶插值，共形成416305个GLL(Gauss-Lobatto-Legendre)积分节点(含吸收边界).在(0 m, 17.5 m)处，放置一雷克(Riker)子波爆炸震源，主频为185 Hz，时间采样间隔dt=0.004 ms，本文中对其他模型模拟计算时均使用与此相应参数.
图 2为该模型中z=17.5 m与z=20 m两条测线的地震记录，分别对应图 1模型中接收点位置.测线z=17.5 m(图 2a、图 2b)前半段(x < 100 m)表示断层面左侧煤层中心处时间域响应，后半段(x>100 m)表示断层面右侧煤层顶边界处时间域响应；测线z=20 m(图 2c、图 2d)前半段(x < 100 m)表示断层面左侧煤层底边界处时间域响应，后半段(x>100 m)表示断层面右侧煤层中心处时间域响应.接收到的反射、透射地震槽波如图 2所示.
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图 2 接收点处地震记录 (a)水平分量(z=17.5 m)；(b)垂直分量(z=17.5 m)；(c)水平分量(z=20 m)；(d)垂直分量(z=20 m). Fig. 2 Seismic records at the receiver (a) Horizontal component (z=17.5 m); (b) Vertical component (z=17.5 m); (c) Horizontal component (z=20 m); (d) Vertical component (z=20 m). |
断层面左侧煤层中心直达槽波水平分量较强，而观测不到垂向分量；反射槽波垂直分量强，水平分量很弱(图 2a、图 2b).断层面左侧煤层底边界直达槽波水平分量相比煤层中间处变弱，垂向分量较强；反射槽波水平分量与垂向分量都极弱(图 2c、图 2d).在x=40 m处反射槽波与直达槽波在时间响应上完全分离.
断层面右侧煤层顶边界透射槽波水平分量相对于垂向分量弱，垂向分量明显(图 2a、图 2b)；煤层中心透射槽波水平分量相对于垂向分量强，槽波形态都比较明显(图 2c、图 2d)；煤层中心透射槽波水平与垂向分量都比边界强.整个煤层波场中体波成分在水平向明显(图 2a、图 2c)，垂向分量却相对较弱(图 2b、图 2d).
图 3a、图 4a分别为上述模型模拟波场水平分量、垂直分量30 ms时的快照，为经过断层面之前的波场，通过速度参数计算，波前面1为爬行波，波前面2为顶底板透射纵波，波前面3为顶底板透射横波，波前面4为在煤层中传播的Rayleigh型槽波，波列较长，波速较低，能量较强.垂向上看波场水平分量关于煤层中心偶对称，垂直分量关于煤层中心奇对称.在顶底板，垂直分量观测不到爬行波(图 3a中波前面1)，透射纵波成分与水平分量相比较弱. 图 3b、图 4b分别为模拟波场水平分量、垂直分量90 ms时的快照，为经过断层面时的波场，可以观测到清晰的反射槽波与透射槽波，相对于其他波能量集中在煤层中，且占据优势.槽波水平分量能量集中在煤层中心，垂直分量能量集中在煤层靠近边界处.
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图 3 α=45°、d=2.5 m时Rayleigh型槽波水平分量的快照 (a) 30 ms；(b) 90 ms. Fig. 3 Snapshots of horizontal component of Rayleigh channel waves |
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图 4 α=45°、d=2.5 m时Rayleigh型槽波垂直分量的快照 (a) 30 ms；(b) 90 ms. Fig. 4 Snapshots of vertical component of Rayleigh channel waves |
槽波的最大特征是存在频散，频散使得槽波在传播过程中，其相位与能量包络极大值的传播速度不同，相速度与群速度随频率呈现明显差异(姬广忠等, 2011).相比Love型槽波，Rayleigh型槽波频散曲线比较复杂.在三层对称模型条件下，相速度频散曲线3次改变凹向；群速度频散曲线一般出现3个明显的极值(埃里相)：两个极小值，一个极大值.使用广义反射-透射系数法(何耀锋等, 2006)计算水平层状介质模型的Rayleigh型槽波理论频散曲线.图 5为图 1地质模型在无断层时的理论频散曲线，基阶与1阶相速度频散曲线97 Hz到138 Hz有交叉.表 2为基阶、1阶、2阶、3阶频散的埃里震相频率，其中基阶频散只有一个埃里震相，1阶、2阶、3阶频散分别有3个埃里震相.
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图 5 Rayleigh型地震槽波理论频散曲线 Fig. 5 Phase and group velocity dispersion curves of Rayleigh channel waves |
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表 2 Rayleigh型地震槽波理论埃里震相频率 Table 2 Airy phase frequency of Rayleigh channel waves |
Radon变换或倾斜叠加，其思想是将t-x域地震信号沿固定斜率和截距的直线(沿某一射线路径)叠加求和，用以描述波动的轨迹(牛滨华等, 2001).频率域最小二乘Radon变换的算子矩阵为L=e-iωpx，其中ω为角频率，p为倾斜叠加固定斜率，x为偏移距.将L中p替换为相速度的倒数1/c，则可以使用频率域Radon变换，将模拟得到的合成记录(t-x域)直接变换到c-f域，从而实现槽波相速度的频散分析.图 6中虚线为理论相速度频散曲线，从左到右依次为基阶、1阶、2阶、3阶频散曲线，灰度部分是根据模拟波场数据计算的0~500 Hz频段相速度的频散结果，按照频率归一化加权显示.
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图 6 煤层中心相速度频散分析 (a)直达槽波水平分量；(b)直达槽波垂直分量；(c)反射槽波水平分量；(d)反射槽波垂直分量；(e)透射槽波水平分量；(f)透射槽波垂直分量. Fig. 6 Analysis of phase velocity dispersion at center of coal seam (a) Horizontal component of direct channel waves; (b) Vertical component of direct channel waves; (c) Horizontal component of reflected channel waves; (d) Vertical component of reflected channel waves; (e) Horizontal component of transmitted channel waves; (f) Vertical component of transmitted channel waves. |
图 6a与图 6b是根据图 1无断层模型条件下，煤层中心(z=17.5 m，x=15~200 m)时间域数据计算的直达槽波频散结果.水平分量结果在100~480 Hz频段与理论频散曲线清晰吻合，频段100~370 Hz以1阶为主，370~480 Hz频段3阶占据优势(图 6a).因为在煤层中心观测不到直达槽波的垂向分量(图 2b)，垂直分量结果与理论频散曲线对应很不明显(图 6b).
图 6c、图 6d是根据图 1含断层模型(倾角为45°，垂直断距为1/2煤厚)条件下，煤层中心(z=17.5 m，x=15~85 m)时间域数据减去无断层模型相应位置处时间域数据，得到纯反射波数据，而计算的反射槽波频散结果.由于反射波传播方向问题，相速度成为负值，频散曲线与正常情况成镜像关系.水平分量结果在150~430 Hz频段与理论1阶频散曲线吻合，在300 Hz附近出现明显断点，满足3阶频散曲线(图 6c).垂直分量结果在100~410 Hz与理论基阶频散曲线清晰吻合，410~460 Hz频段满足2阶频散曲线(图 6d).
图 6e、图 6f是根据图 1含断层模型(倾角为45°，垂直断距为1/2煤厚)条件下，煤层中心(z=20 m，x=105~200 m)时间域数据计算的透射槽波频散结果，时间域数据如图 2所示.水平分量结果在120~460 Hz频段与理论1阶频散曲线吻合，在300 Hz附近出现明显断点，满足3阶频散曲线(图 6e).垂直分量结果在150~410 Hz频段与理论基阶频散曲线吻合，410~460 Hz频段满足2阶频散曲线(图 6f).
由于断层面的存在，反射、透射槽波与直达槽波相比，水平分量在3阶埃里震相频率(297 Hz)附近，3阶频散相对于1阶占据优势(图 6c、图 6e中椭圆部分)，在370~450 Hz高频段1阶频散相对于3阶占据优势，说明槽波经过断层面反射、透射在3阶埃里震相频率附近增强，而在370~450 Hz高频段减弱(图 6a、图 6c、图 6e).而垂直分量在410~460 Hz高频段，2阶频散相对于基阶占据优势(图 6d、图 6f).
图 6b是在无断层模型条件下，煤层中心的直达槽波垂向分量频散结果.由于在煤层中央使用的爆炸震源，根据构造及震源的对称性，震源产生的波场经顶底板全反射在煤层中干涉叠加形成地震槽波的过程中，在煤层中央垂向上处于干涉完全相消的状态，形不成垂向上的地震槽波，观测不到直达槽波的垂向分量.故垂直分量结果与理论频散曲线对应很不明显(图 6b).而图 6f含断层模型条件下，波场经过断层后，由于断层构造相对于震源波场的非对称性，在煤层中央垂向分量干涉叠加，在垂向上形成很强的透射槽波(图 2d).故垂直分量过断层后频散清晰.
对于震源位置位于煤层中心的爆炸震源，在煤层中心产生的Rayleigh型直达槽波水平分量很强，垂直分量很弱；水平分量频散曲线以1阶为主，垂直分量频散曲线以基阶为主；而基阶、2阶等偶数阶频散曲线对应着垂直分量，1阶、3阶等奇数阶频散曲线对应着水平分量.煤层中槽波经过断层面反射、透射后依然满足于层状模型的理论频散关系.由于反射波传播方向问题，相速度成为负值，频散曲线与正常情况成镜像关系.垂直分量反射、透射槽波比直达槽波频散更清晰(图 6).
3 断层变化对槽波传播特性的影响为研究煤层中小断层形态变化对在其中传播的地震槽波的影响，对于图 1中不同形态小断层(垂直断距与倾角的变化)的地质模型进行了Rayleigh型地震槽波的数值模拟.提取不同模型下反射槽波信号(去除相应直达波与反射体波成分)与透射槽波信号(去除相应体波成分)进行频谱分析并加以对比.
反射槽波信号的提取过程为：对于接收点处的地震数据记录，含断层模型数据减去无断层模型相应位置处数据，得到纯反射波数据，根据模型煤岩速度参数，计算出接收点处的反射体波到时，按照到时切除反射体波，剩余成分为所分析反射槽波信号.透射槽波信号的提取过程为：对于接收点处的地震数据记录，根据模型煤岩速度参数，计算出接收点处的透射体波到时，按照到时切除透射体波，由于地震槽波在波列上最后到达，剩余成分为所分析透射槽波信号.
3.1 两组模型将图 1地质模型按照垂直断距与倾角的变化分别设计了两组模型对比研究.一组模型为：当倾角α为60°时，垂直断距d分别为1/4、1/2、3/4、1个煤层厚h.另一组模型为：当垂直断距d为1/2个煤层厚h时，倾角α分别为90°、60°、45°.为研究地震槽波经过断层面后频谱与能量的变化，选取A点、C点、B点、D点为地震槽波观测点位，它们与模型中断层面的水平距离都为60 m，反射槽波与直达槽波在时间记录上完全分离.其中A为煤层中心反射接收点、C为煤层边界反射接收点、B为煤层中心透射接收点、D为煤层边界透射接收点.模型中反射接收点A为(40 m, 17.5 m)、反射接收点C为(40 m, 20 m)；当垂直断距分别为1/4、1/2、3/4、1个煤厚时，透射接收点B分别为(160 m, 18.75 m)、(160 m, 20 m)、(160 m, 21.25 m)、(160 m, 22.5 m)，透射接收点D分别为(160 m, 16.25 m)、(160 m, 17.5 m)、(160 m, 18.75 m)、(160 m, 20 m).
3.2 频谱 3.2.1 反射槽波频谱图 7为倾角60°，垂直断距分别为1/4、1/2、3/4、1个煤厚时煤层中心A点反射、煤层边界C点纯反射槽波频谱.对于煤层中心(A点)接受到的反射槽波频谱，水平分量振幅谱在100~274 Hz频段平稳增加，在274 Hz、295 Hz、317 Hz邻近出现三个主要峰值(图 7a)；垂向分量主要频段在185 Hz到300 Hz.对于煤层边界(C点)接收到的反射槽波频谱，水平分量与垂直分量振幅均在300 Hz附近出现很明显的主峰，在100~270 Hz垂直分量振幅峰值更强，波动更强烈.
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图 7 不同垂直断距下反射槽波振幅谱(倾角α=60°) (a) A点水平分量; (b) A点垂直分量; (c) C点水平分量; (d) C点垂直分量. Fig. 7 Amplitude spectra of reflected channel waves with different vertical fault throws (dip α=60°) (a) Horizontal component of point A; (b) Vertical component of point A; (c) Horizontal component of point C; (d) Vertical component of point C. |
当断层倾角一定时随着垂直断距增大，煤层中心A点、煤层边界C点反射槽波水平分量与垂直分量都得到增强，而A点比C点变化更明显，说明反射槽波在煤层中心对于断层断距变化相比煤层边界更加敏感(图 7).
3.2.2 透射槽波频谱图 8为倾角为60°时，垂直断距分别为1/4、1/2、3/4、1个煤厚时煤层中心B点透射、煤层边界D点透射槽波频谱.图 9为垂直断距为1/2个煤厚，倾角分别为90°、60°、45°时煤层中心B点透射、煤层边界D点透射槽波频谱.由图 8、图 9可以看出，对于煤层中心(B点)接受到的透射槽波频谱，水平分量振幅在100~240 Hz频段平稳增加，在240 Hz、274 Hz、295 Hz、317 Hz邻近出现四个主要峰值；垂直分量振幅在基阶埃里震相频率185 Hz附近达到最大，之后逐步降低.对于煤层边界(D点)接受到的透射槽波频谱，水平分量振幅在300 Hz附近出现一个主波峰，为水平分量能量的主要成分，而在100~250 Hz频段则出现多个小峰值的波动；垂直分量振幅在基阶埃里震相频率185 Hz附近达到一个极值，在300 Hz附近达到主峰.
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图 8 不同垂直断距下透槽波振幅谱(倾角α=60°) (a) B点水平分量; (b) B点垂直分量; (c) D点水平分量; (d) D点垂直分量. Fig. 8 Amplitude spectra of transmitted channel waves with different vertical fault throws (α=60°) (a) Horizontal component of point B; (b) Vertical component of point B; (c) Horizontal component of point D; (d) Vertical component of point D. |
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图 9 不同倾角下透射槽波振幅谱(垂直断距d=0.5 h) (a) B点水平分量; (b) B点垂直分量; (c) D点水平分量; (d) D点垂直分量. Fig. 9 Amplitude spectra of transmitted channel waves with varying dips (d=0.5 h) (a) Horizontal component of point B; (b) Vertical component of point B; (c) Horizontal component of point D; (d) Vertical component of point D. |
当断层倾角一定时随着垂直断距增大，煤层中心B点透射槽波水平分量减弱，垂直分量增强且基阶埃里震相频率185 Hz附近得到显著加强；煤层边界D点透射槽波水平分量与垂直分量都减弱了(图 8).而B点比D点变化更明显，说明透射槽波在煤层中心对于断层断距变化相比煤层边界更加敏感.
当断层垂直断距一定时随着倾角增大，煤层中心B点透射槽波的水平分量减弱，垂直分量增强；煤层边界D点透射槽波水平分量与垂直分量都减弱了(图 9).断层变化(断距与倾角)对透射槽波频谱的影响：煤层中心B点水平分量与垂直分量表现为负相关，而在煤层边界D点水平分量与垂直分量则表现为正相关.断层倾角变化相对于垂直断距变化，只会引起B点、D点频谱局部的小变化，说明槽波频谱对断层倾角变化不如断层断距变化敏感(图 8、图 9).
断层变化对于煤层中心(A点、B点)槽波频谱的影响：在水平向上的反射波与透射波表现为负相关，当反射加强时透射减弱，当反射减弱时透射加强；而在垂向上却表现为正相关，当反射加强时透射加强，当反射减弱时透射减弱.
3.3 总能量为对反射、透射槽波总的能量进行对比，而对于A点、B点、C点、D点数据处理得到的纯反射、纯透射槽波信号按照分析时窗内的振幅值平方相加求和得到近似的总能量，图 10为对比结果.
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图 10 不同垂直断距下反射透射点能量对比(倾角α=60°) (a)水平分量; (b)垂直分量. Fig. 10 Energy of transmitted channel waves with different vertical fault throws (α=60°) (a) Horizontal component; (b) Vertical component. |
在本文模型中反射接收点A点、C点、透射接收点B点、D点与断层面水平距离都为60 m，以使的反射与透射能量值具有可比性.在煤层中心B点接受到的透射槽波水平分量与垂直分量能量都为最大，当断层完全错断时(垂直断距为1 h)，透射槽波依然强于反射槽波.在煤层边界C点接受到的反射槽波水平分量与垂直分量能量都为最小.在煤层中心接受到的反射、透射槽波能量均大于煤层边界处.
在无断层模型条件下，由于在煤层中央使用的爆炸震源，根据构造及震源的对称性，震源产生的波场经顶底板全反射在煤层中干涉叠加形成地震槽波的过程中，在煤层中央垂向上处于干涉完全相消的状态，形不成垂向上的地震槽波，观测不到直达槽波的垂向分量.而波场经过断层后，由于断层构造相对于震源波场的非对称性，在煤层中央垂向分量不能完全干涉相消，出现干涉叠加，在垂向上形成透射槽波.随着垂直断距的加大，这种构造上的非对称性愈加明显，使得在煤层中央干涉叠加能量愈强，表现为随着断层增大，透射过去的槽波垂向分量越强，但是能量增强的程度在逐渐变弱，故产生这种现象：断距越大，垂向上透射过去的槽波越强.当然，本文限于垂直断距在一个煤厚内，当煤层完全错断之后，透射过去的槽波能量可能会变弱.而且还可以发现由于断层的存在，即使垂直断距为0.25 h的小错断也会使得垂向上反射槽波、透射槽波，在煤层中心处的能量大于煤层边界处(图 10b).
3.4 高阶频散对地震槽波信号的影响实际接收到的地震槽波信息从基阶到高阶的各阶频散成分混合在一起，总的振幅谱乃为满足于各阶频散关系振幅的相位叠加结果.
该地质模型的Rayleigh型槽波3阶频散频率从274 Hz开始，297 Hz为第一个埃里相频率(表 2).由图 11可见，在煤层中心(A、B)反射与透射地震槽波水平分量振幅谱，振幅从274 Hz开始趋势发生改变，从峰值迅速减小，并在3阶埃里相频率297 Hz附近达到最大值.在煤层边界(C、D)反射与透射地震槽波水平分量振幅谱，振幅从274 Hz开始迅速增大，并在3阶埃里相频率297 Hz附近达到最大值.在煤层中心相速度频散分析中也可以看出，反射与透射槽波在3阶埃里相位置处，3阶频散相对1阶更占据优势(图 6c、图 6e).
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图 11 槽波水平分量振幅谱(倾角α=60°、垂直断距d=0.5 h) Fig. 11 Amplitude spectrum of horizontal component of transmitted channel waves (α=60°, d=0.5 h) |
图 12为该模型1阶、3阶Rayleigh型地震槽波频散水平分量振幅随深度的理论分布.在煤层中心处接受的Rayleigh型地震槽波水平分量受到1阶、3阶等奇数阶频散关系控制.在振幅能量分布上1阶与3阶频散在煤层中心都为很强，而其处于反相状态，故从274 Hz开始由于3阶频散振幅的反相叠加，叠加后使得振幅下降.在3阶埃里相频率297 Hz附近3阶频散振幅处于显著优势，叠加振幅达到最大.
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图 12 1阶、3阶频散水平分量理论振幅分布曲线 Fig. 12 Amplitude distribution curves of Rayleigh mode channel waves of 1 and 3 orders |
在煤层边界接受的Rayleigh型地震槽波同时会受到各阶频散关系影响，基阶与1阶频散在274 Hz以上属于高频，槽波能量在煤层边界处振幅能量很弱小；而274到317 Hz频段对于3阶频散属于低频，在煤层边界处振幅能量分布还比较强，各阶频散振幅叠加在3阶埃里震相频率297 Hz附近达到最大.
在地震槽波勘探中成像频率的选取直接影响探测结果的分辨率(如在探测煤层厚度变异时).对于Love型地震槽波，一般认为基阶频散埃里相位处槽波能量最强，在实际应用中往往使用基阶频散的埃里相频率作为槽波主频进行成像.对于Rayleigh型地震槽波，在本文模型模拟实验中却发现3阶频散对接收到的槽波振幅谱影响很大，接收到反射、透射Rayleigh型地震槽波水平分量振幅谱在3阶频散的埃里相频率处振幅达到最大值，3阶埃里相频率成为主频频率.
4 认识与讨论本文通过对Rayleigh型地震槽波的数值模拟计算，对其波场传播特性、频散和频谱的分析，得到如下几点认识：
(1) 对于震源位置位于煤层中间的爆炸震源，在煤层中心产生的Rayleigh型直达槽波，水平分量很强，满足的频散关系以1阶频散为主；垂直分量很弱，满足的频散关系则以基阶频散为主.
(2) 在煤层中心处接受的Rayleigh型地震槽波水平分量受到1阶、3阶等奇数阶频散关系控制，垂直分量受到基阶、2阶等偶数阶频散关系控制.在煤层边界处接受的Rayleigh型地震槽波水平分量与垂直分量同时受到各阶频散响应控制，故其振幅谱变异也比煤层中心剧烈.当煤层中存在断层时，由于断层并不改变地震槽波形成的物性条件，反射、透射槽波依然满足于层状模型理论频散关系.由于反射波传播方向问题，相速度成为负值，频散曲线与正常情况成镜像关系.实际接收到的地震槽波信号中各阶频散成分均混合在一起，而断层的存在可能引起不同阶频散关系对反射、透射槽波信号的贡献.
(3) 在本文无断层煤层模型中Rayleigh型槽波水平分量能量集中在煤层中心，向顶底板透射很少，而垂直分量的能量集中在煤层靠近边界处，在煤层中心观测不到槽波信号垂向分量.当煤层中存在断层时，在煤层中心接受到的透射槽波能量强于反射槽波，当断层完全错断时(垂直断距为1 h)，透射槽波依然强于反射槽波.在煤层边界接受到的反射槽波小，在煤层中心接受到的反射、透射槽波能量均大于煤层边界处.由于断层的存在，即使垂直断距为0.25 h的小错断也会导致在煤层中心处的能量大于煤层边界处.
(4) 对于Love型地震槽波，一般认为基阶频散埃里相位处槽波能量最强，故在实际应用中往往使用基阶频散的埃里震相频率作为槽波的主频进行成像.对于Rayleigh型地震槽波，在本文的设定模型条件下，数值模拟中却发现：3阶频散对接收到的槽波振幅谱影响很大，接收到反射、透射Rayleigh型地震槽波水平分量振幅谱在3阶频散的埃里相频率处能量最强，3阶埃里相频率成为主频频率.
(5) 断层变化对于煤层中心槽波频谱的影响表明：水平向上反射与透射呈现为负相关，当反射加强时透射减弱，当反射减弱时透射加强；而在垂向上则表现为正相关，当反射加强时透射加强，当反射减弱时透射减弱.断层变化对于透射槽波频谱的影响，煤层中心水平分量与垂直分量表现为负相关，而在煤层边界处水平分量与垂直分量却表现为正相关.槽波频谱在煤层中心对于断层断距的变化相比煤层边界更加敏感.槽波频谱对断层倾角变化不如断层断距变化敏感.
目前，在槽波地震勘探中应用比较广的是两分量槽波地震仪，测量的是地震槽波水平分量的成分，而不利用垂向分量成分(西安煤科院已在做地震槽波垂向分量方面的应用研究).Rayleigh型地震槽波垂向分量相对于水平分量具有一定的优势：对于使用爆炸震源激发的地震槽波垂向分量受体波的影响相对于水平分量小很多；相对于水平分量在煤层中心频散以1阶为主，垂向分量以基阶频散为主，基阶埃里相频率比1阶低，对于数据采集与实际数据处理可能会更好处理一些.在实际应用中，为了获取垂向分量，可以使用垂向力源激发地震槽波；或者把检波器放置在煤层非中央处，例如1/4煤厚处，同样可以接收到垂向分量.对于对称煤层把检波器布设在煤层中心接收的槽波信号能量强，而且煤层中心槽波频散关系要比边界等其他地方简单(叠加的各阶频散少)，有利于数据处理解释.
本文结论是由文内特定模型条件下的地震槽波模拟分析，没有进行不同震源频率模拟，其他震源频率模拟的结果可能不同.而实际矿井条件比较复杂，接收到的地震槽波有些记录和文中的相似，还有些记录并不与文内相似，比如经常在煤层中央接收到很强的基阶垂向分量槽波，比其他波都强，可能存在其他方面的影响.
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