2018, Vol. 61
2. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029;
3. 中国科学院大学, 北京 100049
2. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
在煤矿综合机械化生产过程中，准确预测工作面前方的地质异常体对矿井安全生产至关重要.小断层、陷落柱、岩浆侵入、充水采空区和废弃巷道等地质异常体的存在常会严重影响煤矿正常开采工作；更严重的是会诱发水、瓦斯突出等重大灾害事故.如果能够提前探明煤层中的地质异常，就可以保障煤矿生产安全.
传统的煤层巷道超前探测方法有钻孔法(徐卫亚和王思敬，1994)、直流电法(阮百尧等，2009)、瞬变电磁法(于景邨等，2007)、探地雷达(曾昭发等，2003)等.这些探测方法探测距离较短(一般不超过50 m)，或者精度不高.地震超前探测技术在隧道工程中比较成熟.比较常用的方法有隧道地震超前预报(TSP: Tunnel Seismic Prediction)(Sattel et al., 1992；戴前伟等，2005)，负视速度法或称隧道垂直地震剖面法(TVSP: Tunnel Vertical Seismic Profiling)(曾昭璜，1994)，水平声波剖面法(HSP: Horizontal Seismic Profiling)(Inazaki et al., 1999; 柳杨春，1997)，真反射层析成像(TRT: True Reflection Tomography)(Otto et al., 2002)，陆地声呐法(LS: Land Sonar)(钟世航等，2012)，随钻隧道地震方法(TSWD: Tunnel Seismic-While-Drilling Method)(Petronio and Poletto, 2002; Lu et al., 2011)等.矿井巷道地震超前探测技术则相对较少.刘盛东等(2006)提出了MSP(Mine Seismic Prediction)矿井震波超前探测技术，采用巷道多次覆盖观测系统采集地震数据，数据处理上采用偏移叠加的方法，预测距离可以达到100m.沈鸿雁等(2008)提出了RTSP(Reflected-Wave Tunnel Seismic Prediction)反射波法隧道井巷地震超前预报技术，利用绕射叠加原理和镜像原理进行偏移成像.梁庆华和宋劲(2009)等提出了矿井多波多分量超前探测方法，该方法能够准确预测巷道前方100 m内断层等异常体.这些地震超前探测方法主要以体波为主，而在煤层中槽波能量非常强，体波能量相对较弱.如果利用槽波进行煤巷超前探测可能比体波更加有效.
自从1955年Evison(Evison, 1955)在新西兰首次激发并记录到槽波至今，经过几十年的发展，槽波地震勘探技术已较为成熟.利用槽波可以有效地探测异常体位置，而且探测范围是其他物探方法无法比拟的，目前槽波勘探技术已经在采煤工作面的探测中应用较为广泛(王伟等，2012).槽波地震勘探方法分为透射波法、反射波法和透射波-反射波联合勘探法.槽波勘探技术首先应用于断层的识别.Brentrup于1970年对德国200个煤矿中槽波勘探断层的成果进行了总结，研究表明反射槽波勘探断层的成功率为66%，透射槽波勘探断层成功率为83%(Dresen and Ruter, 1994).透射槽波方法主要基于层析成像原理探测工作面内部异常构造，目前应用较多(王伟等, 2012; 姬广忠等，2014; 任亚平，2015)；反射槽波方法有基于常规的包络叠加和动态道集叠加(Buchanan et al., 1981)，还有基于偏移类方法(Hu and McMechan, 2007; 王季，2015；姬广忠，2017).
利用地震反射波探测巷道掘进工作面前方的地质异常构造一直是井下超前探测方法中的难点，对于反射槽波的探测，目前国内外公开发表的案例也很少(王季，2015).主要原因在于槽波传播的波场特征远比体波复杂，隧道工程中比较成熟的超前探测技术不能直接应用于槽波.如何将隧道探测技术移植到煤矿井下，还需要开展大量的基础研究与试验(程建远等，2009).
隧道TVSP方法也称“负视速度法”，由曾昭璜于1994年提出.该方法对施工场地无特殊要求，不影响隧道施工，是一种较为简便、快速和经济的超前预报方法.但数据处理方法较为粗糙，探测分辨率较低；对于有一定角度的地质构造，数据处理复杂，无法探测出断层的角度大小(沈鸿雁，2008).
本文基于原始TVSP方法断层定位的思想尝试给出煤层槽波TVSP超前探测方法.利用传播较为稳定的槽波埃里相时间，确定槽波时距曲线；在确定反射槽波埃里相时距曲线的过程中，采用扫描参数的方法确定最优的时距曲线；从反演的角度探讨了观测数据误差对定位结果的影响，在数学上阐明了TVSP法的理论基础；并设计了三维含巷道和煤层模型进行数值模拟，得到合成槽波记录，利用合成数据对本文方法进行了试验.
1 槽波超前探测原理 1.1 槽波的形成煤层相对于其顶底板而言具有低速度、低密度的特点.震源在煤层中激发后，由于煤层顶底界面的多次全反射，地震波能量被禁锢在煤层中而不向围岩辐射，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.图 1是槽波的形成过程，煤层内震源产生的地震波向顶、底板传播.A区中地震波入射角小于临界角，为能量泄露区；B区和C区中入射角大于临界角，地震波在顶、底板界面上被全反射和全折射回煤层中，这些地震波在C区内相互叠加混响形成槽波(胡国泽等，2013).相对而言，槽波能量非常强，体波能量相对较弱.槽波传播距离远、能量强、波形特征易于识别，具有明显的频散特征(刘天放等，1994).
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图 1 槽波形成示意图(胡国泽等，2013) Fig. 1 The schematic diagram of channel wave formation (referred to Hu et al., 2013) |
槽波TVSP超前探测主要利用槽波反射法进行工作的，采用“一炮多收”系统(图 2).震源和接收点沿巷道左帮或右帮的水平中心线布置.因为槽波类型较为复杂，为了数据处理中槽波的对比识别，一般采用三分量接收.不同震源类型，产生的波类型也有差异.当采用爆炸源时，在巷道壁附近会产生Love型槽波，Rayleigh型槽波，同时有较强Rayleigh面波.Love型槽波为线性极化波，质点振动方向与煤层面平行，与波传播方向垂直，运动轨迹为线状；Rayleigh型槽波与Rayleigh面波都是椭圆极化波，质点运动轨迹为椭圆状；Rayleigh型槽波质点振动方向与煤层面垂直，而Rayleigh面波质点振动方向与煤层面平行(冯磊等，2015).当采用垂向集中力源(z方向)时，在巷道附近会产生Rayleigh型槽波、Rayleigh面波(Essen et al., 2007).在接收的地震记录上，x分量主要有Rayleigh型槽波和Rayleigh面波；y分量主要是Rayleigh面波；z分量主要是Rayleigh型槽波.本次研究采用垂向集中力源，研究基于Rayleigh型槽波的超前探测方法.
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图 2 槽波TVSP观测系统(xy平面为煤层面) Fig. 2 Acquisition geometry of TVSP based on in-seam wave (xy plane is coal panel) |
设有如图 3所示的模型及其观测方式，坐标平面xoy表示煤层面，巷道以及断层线在图中已标出.从震源激发的地震波，直接传播到检波器的称为槽波直达波，继续传播并经断层反射回来的为槽波反射波.简单推导可得，直达槽波和反射槽波时距曲线方程如下：
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图 3
槽波超前探测原理示意图
(a)超前探测模型; (b)直达槽波和反射槽波时距曲线示意图.
“*”和“▼”分别表示震源和检波器排列. Fig. 3 Schematic diagram of principle of reconnaissance ahead of heading face based on seam wave (a) Shows the schematic model; (b) Shows the travel time curves of direct and reflected seam waves. |
直达槽波：
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(1) |
反射槽波：
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(2) |
方程(1), (2)和图 3中的符号表示：x为接收点与震源之间距离(沿着巷道掘进方向)；xm为巷道掌子面与震源之间距离；d为断层点(断层线与巷道掘进方向交点)与震源之间距离；α为断层走向角(在煤层面内断层线与巷道掘进方向夹角的余角)；v为槽波传播速度；h为震源到断层垂直距离(h=dcosα)；tm为直达槽波到达巷道掌子面时间(tm=xm/v)；T1为震源位置接收到的反射槽波时间(T1=2h/v).
一般情况下，由式(1)和(2)可以看出，直达槽波时距曲线是直线，反射槽波时距曲线是双曲线.特别地，当断层走向角度为0°时，即断层走向垂直于巷道掘进方向，反射槽波也是直线，与直达槽波具有相同的视速度大小，但符号相反.直达槽波具有正视速度，反射槽波具有负视速度，它们的延长线相交于x=d，该位置为断层在巷道掌子面前方的位置.如果确定了直达槽波和反射槽波时距曲线方程，则断层点位置可通过时距曲线计算得到.联立式(1)和(2)得到求得交点位置(式(3)).
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(3) |
从式(3)可看到，最终确定的断层位置与槽波速度没有直接联系.因而可知，无论是利用纵波、横波，还是利用槽波都可以定位断层.槽波是一种频散波，不同频率对应的相速度不同，选取哪一个频率的槽波速度同样不影响定位结果.由于槽波具有严重的频散特性，导致直达槽波和反射槽波初至时间难以准确提取.而槽波传播过程中埃里相具有能量强、频率高、传播较为稳定的特点(刘天放等，1994)，而且在地震记录中提取较为容易，因此我们选择提取直达槽波和反射槽波埃里相峰值时间，确定槽波埃里相时距曲线.需要注意的是，断层位置(式3)与槽波速度没有直接联系的结论只存在于理想情况下，只有当拾取的直达槽波和反射槽波埃里相时间完全对应相同的速度才成立.实际拾取的埃里相时间存在误差，因而直达槽波对应的埃里相速度和反射槽波对应的埃里相速度会有差别，从而影响定位结果.由此可见，准确确定埃里相速度十分重要.
要确定时距曲线方程，首先需要确定方程中的参量，如槽波速度v，断层角度α，震源到断层线垂向距离h.假设一共有N道检波器接收，xi(i=1, 2, …, N)为检波器位置，ti和Ti(i=1, 2, …, N)分别为对应检波器位置提取的直达槽波埃里相峰值时间和反射槽波埃里相峰值时间.图 4给出了提取的直达槽波和反射槽波埃里相峰值时间示意图.
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图 4 提取的直达槽波和反射槽波埃里相峰值时间示意图 Fig. 4 Schematic diagram of picked times at peak amplitudes of Airy phase of direct and reflected seam waves |
对于直达槽波时距曲线，只需线性拟合直达槽波埃里相峰值时间就可以确定时距曲线方程(式(1))，从而得到埃里相传播速度v.拟合方法可以选用线性最小二乘法，公式如下：
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(4) |
从反射槽波时距曲线方程(式(2))可以看出，需要确定的参量有：震源到断层垂直距离h，断层走向角α，埃里相速度v.因为从直达波时距曲线中已经获得v，根据震源位置或附近接收的反射波时间T1(图 4)，可以通过公式h=T1v/2，计算h的一个估计值hest.式(2)中的α参量，可以通过对α扫描来计算反射槽波时距曲线，然后拟合反射槽波埃里相峰值时间，以确定最佳的α.由于估计的hest比较粗糙，因此需要同时对hest附近的值进行扫描.这样就得到反射槽波埃里相峰值时间拟合残差D的计算公式：
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(5) |
通过公式(5)，最终计算得到方差D关于α和h的二维图像，从中可以找到最小残差Dmin对应的最优αs和hs值，即可确定最优的反射槽波时距曲线.
在计算反射槽波时距曲线之前，需要确定α和h的扫描范围.根据式(2)知，反射槽波走时为关于α的偶函数，α值正负不影响反射波时距曲线，因此α扫描的最大范围是[0°, 90°].实际计算中，根据情况进行合理选择；h扫描范围，可以hest为中心，选择合适范围进行计算.h和α的范围大小以反射槽波时距曲线扫描区域覆盖反射槽波埃里相峰值时间为宜.
2.3 断层点位置确定断层点在巷道前方的位置即为直达槽波和反射槽波时距曲线交点位置.把αs和hs值代入式(3)即可计算出断层点位置d.
3 误差分析 3.1 系统误差及校正从图 3可以看到，震源和检波器布设在巷道附近或巷道壁上.根据第3节方法计算得到的断层点位置应是测线与断层线交点，而不是巷道中心线与断层线交点.
设测线与巷道中心线之间距离为w，计算得到的测线前方断层点位置为ds，巷道中心线前方断层点位置为dc，则有：
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(6) |
其中δ=w|tanα|称为系统误差.超前探测要预测巷道前方断层点位置是相对于巷道中心线而言的，因此最终计算结果需要加上系统误差.
3.2 观测误差第3节中阐述的槽波TVSP方法是利用观测数据通过扫描法获取最优化参数的过程，实质上是最优化反演过程，可以从反演的角度探讨观测误差对定位结果的影响.首先把第3节中xi，ti和Ti分别写成向量形式，即：x=[x1, x2, …, xN]*，t=[t1, t2, …, tN]*，T=[T1, T2, …, TN]*，这里“*”代表转置.由于通过式(1)求得v，因而可以把直达槽波埃里相峰值时间t看成关于v的函数(式(7))；通过式(2)求得h和α，相应地，也可以把反射槽波埃里相峰值时间T看成关于h和α的函数(式(8)):
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(7) |
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(8) |
假设，d，h，α和v准确值分别为d0，h0，α0和v0，各检波器位置直达槽波和反射槽波埃里相峰值时间准确值分别为t0和T0.对式(7)在v=v0处利用泰勒公式展开，略去二阶以上高阶项得到：
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(9) |
其中，
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(10) |
对式(8)在(h0, α0)点处利用泰勒公式进行二元展开，略去二阶以上高阶项得到：
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(11) |
其中，ΔT=T-T0为反射槽波峰值时间的观测误差，Δm=[Δh Δα]*，Δh=h-h0为震源到断层垂向距离的计算误差，Δα=α-α0为断层走向角的计算误差，
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由于GT矩阵中包含了Δv，因此ΔT和Δv共同决定了Δh和Δα的大小.如果已知ΔT通过方程(11)求解Δm，当N≥2时，即检波器个数不小于2个，方程(11)为超定或适定方程.方程(11)的最小二乘解为
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(12) |
根据第3节，通过扫描h和α确定最佳的反射槽波时距曲线，并通过公式(3)计算得到d，因此可以把d看作h和α的二元函数，则式(3)可以记为
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(13) |
利用泰勒公式对式(13)在(h0, α0)处进行二元展开，略去二阶以上高阶项得到：
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(14) |
式中，Δd=d-d0为断层点位置的计算误差.
从式(10)、(12)、(14)可知，观测误差Δt和ΔT通过Δh和Δα传递到Δd中.单从式(14)可以看到：d0和α0也会决定Δh和Δα对Δd的影响程度.Δh影响的程度只和α0有关，当α0越大，Δh对Δd影响越大.Δα影响程度与d0和α0都有关系，当d0越大，α0越大，Δd会越大.从式(12)可以看到：GT中包含h0和α0，因而d0(d0=h0/cosα0)和α0，也对Δα和Δd计算误差产生影响.
为了说明走向角度α0和断层交点d0对计算误差Δh，Δα和Δd的影响，设模型巷道长度xm=30 m，断层点位置d分别为60 m、80 m、100 m三种情形，断层走向角α分别为1°、10°、15°、30°、45°、60°，槽波传播速度v=1000 m·s-1.直达波观测误差Δt和反射波观测误差ΔT采用均值为0 ms、方差为1 ms2的高斯分布随机数代替.图 5a给出了d=80 m时，不同α的含观测误差的时距曲线，图 5b给出了α=30°时，不同d的含观测误差的时距曲线.依据式(10)、(12)、(14)计算，得到的结果如图 6所示.
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图 5
包含观测误差的直达波和反射波时距曲线
(a) d=80 m时，不同α对应的时距曲线; (b) α=30°时，不同d对应的时距曲线. 其中虚线表示理论时距曲线，实线表示包含观测误差的时距曲线. Fig. 5 Traveltime curves of direct and reflected wave including observation error (a) Traveltime curves with d=80 m and different α; (b) Traveltime curves with α=30° and different d. The dash lines represent the oretical travel time curves; The solid lines represent travel time curves with observation error. |
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图 6 Δh、Δα和Δd随α0和d0的变化 (a) Δh随α0和d0的变化；(b) Δα随α0和d0的变化；(c) Δd随α0和d0的变化. Fig. 6 Δh, Δα and Δd changed with α0 and d0 (a) Δh changed with α0 and d0; (b) Δα changed with α0 and d0; (c) Δd changed with α0 and d0. |
图 6中，随着走向角α0增大，Δh和Δd的值也增大(图 6(a, c))，在大于约40°时，Δh和Δd的值增大较快.对于Δα的值，则随着α0的增大而减小(图 6b)，在小于约10°时，Δα值减小较快.当断层交点d0增大，Δh和Δd的值也增大(图 6(a, c))，Δα的值则变化很小(图 6b).因此，对于一定的观测误差，当断层走向角度α0越小，计算得到的α0误差越大，断层交点d0误差越小；当断层交点d0越大，计算得到的d0误差越大，而α0误差影响较小.总的来说，工作面前方预测距离越远，断层定位预测误差越大；断层走向角越小，预测的断层走向误差越大，反之亦反.
4 实现流程槽波TVSP法具体实现流程如下：
步骤1：对槽波记录进行直达槽波和反射槽波分离.
对记录分别进行F-K正视速度和负视速度滤波，以得到直达槽波记录和反射槽波记录.
步骤2：拾取直达槽波和反射槽波埃里相峰值时间.
对直达槽波和反射槽波记录分别进行多重滤波技术分析(Dziewonski and Hales, 1972; Nyman and Landisman, 1977)，拾取各道埃里相峰值时间，并对差别较大的拾取点进行剔除.
步骤3：确定埃里相速度va，估计震源到断层垂直距离hest.
对拾取的直达槽波埃里相峰值时间利用公式(4)计算埃里相传播速度va.获取震源位置处或附近地震道反射槽波埃里相峰值时间T1，利用公式h=T1va/2，估计震源到断层垂直距离hest.
步骤4：扫描震源到断层垂直距离h和断层走向角α.
h扫描范围一般选取hest附近值，α扫描范围为[0°, 90°]，也可以根据实际情况合理选择.h和α的范围大小以反射槽波时距曲线扫描区域覆盖反射槽波埃里相峰值时间为宜.扫描完成后得到反射槽波拟合残差D关于α和h的二维图像.图像上可以得到最小残差Dmin的位置，确定最优的αs和hs值.
步骤5：确定巷道中心线前方断层点位置dc.
把得到的αs和hs值代入式(3)计算得到ds.利用公式δ=w|tanα|计算系统误差δ，然后利用式(6)得到最终巷道中心线前方断层点位置dc.
5 数值实验为了验证本文方法的可行性，作者设计了一个含煤层和巷道的三维模型(图 7)，采用交错网格有限差分正演模拟获得槽波记录.模型包含了一个巷道和一个走向30°的断层(图 7)，模型的大小为x×y×z=80 m×40 m×10 m.煤层厚度2 m(z方向)，巷道长30 m(x方向)，宽3 m(y方向)、高3 m(z方向).断层在巷道前方x=60 m处，断层走向相对于y方向夹角30°(即与巷道掘进方向夹角60°).断层断距为1/2倍煤厚，断层面垂直于煤层.模型物性参数列在表 1中.网格间距x，y，z方向均为0.1 m，时间采样率为0.01 ms.模型边界吸收采用MPML(Multiaxial Perfectly Matched Layer)方法(Meza-Fajardo and Papageorgiou, 2008)，巷道自由边界采用AEA(Acoustic-Elastic boundary Approach)方法处理(Xu et al., 2007).震源位置为(5 m, 12.5 m, 5 m)，距离巷道壁1 m深，检波线平行于巷道掘进方向，与震源位于同一条直线上(图 7b), 一共31道，道间距1 m.为了对比不同类型震源产生的地震记录之间的差别，分别采用爆炸震源和垂向集中力源激发.震源信号采用主频500 Hz雷克子波，最小波长的离散化点数大约为13个，能够保证槽波模拟的精度要求.
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图 7 含巷道和断层模型 (a)三维立体图；(b)俯视图；(c)侧视图.模型的大小为x×y×z=80 m×40 m×10 m.煤层厚度2 m(z方向).巷道长30 m(x方向)，宽3 m(y方向)，高3 m(z方向).断层在巷道前方60 m处，断层走向相对于y方向夹角30°(即与巷道掘进方向夹角60°). Fig. 7 Model including a fault and a roadway (a) 3D model; (b) Top view; (c) Side view. The model′s size is of x×y×z=80 m×40 m×10 m. Thickness of coal seam is 2 m (z direction).The roadway is of 30m long (x direction), 3 m wide (y direction), 3 m tall (z direction). The fault is located at 60 m beyond the roadway, which has strike angle of 30° with respect to y direction (that is 60° with respect to the roadway drilling direction). |
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表 1 模型物性参数 Table 1 Material properties of the model |
图 8是得到的合成槽波记录.对比爆炸源地震记录(图 8a, b, c)和垂向集中力源记录(图 8d, e, f)可以看到：爆炸源波场x，y分量记录上存在较强的巷道前端绕射，而垂向集中力源对应的波场绕射则较弱；z分量记录上两者的绕射都较弱.对于断层产生的反射波，爆炸源和垂向集中力源地震记录x，y分量都存在巷道壁面波以及绕射波干扰.但对于z分量记录，爆炸源记录上存在较强巷道前端绕射，而垂向集中力源记录则影响较小，且主要是Rayleigh型反射槽波能量.对比可知，垂向集中力源z分量波场受巷道影响较小，槽波识别较为容易，更利于TVSP超前探测数据处理.本文实验采用垂向集中力源z分量记录进行数据处理和断层定位.
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图 8 模拟得到的三个分量地震记录 (a)、(b)、(c)分别为爆炸震源x、y、z方向速度分量合成地震记录. (d)、(e)、(f)分别为垂向集中力源x、y、z方向速度分量合成地震记录.测线位于y=12.5 m，z=5 m. Fig. 8 Three-component (3-C) seismograms from simulation (a), (b) and (c) show the x,y,z component of particle velocity of explosive source, respectively.(d), (e) and (f) show the x,y,z component of particle velocity of vertical force source, respectively.The receiver line is at y=12.5 m, z=5 m. |
图 9是运用F-K滤波对垂向集中力源产生的z分量槽波记录(图 8f)分离得到的直达槽波和反射槽波记录.图中标记出了运用多重滤波技术分析并拾取的埃里相峰值位置.对直达槽波埃里相峰值时间进行线性拟合，得到va=988.59 m·s-1.拾取T1=99 ms，计算得到hest=47.9 m.选取h扫描区间[46.9 m, 48.9 m](即hest=47.9 m附近2 m范围)，扫描步长δh=0.1 m.选取α扫描区间[10°, 35°]，扫描步长δα=0.5°.扫描图像如图 10所示，图中黑色线为直达槽波时距曲线，蓝色线为反射槽波时距曲线.可以看到：反射槽波时距曲线扫描区域覆盖了反射槽波埃里相峰值时间.从反射槽波埃里相峰值时间拟合残差结果(图 11)可以得到最小残差Dmin对应hs=47.7 m和αs=24.5°.根据式(3)计算得到断层交点ds=57.23 m.巷道中心线距离测线w=2.5 m，计算得到系统误差δ=1.14 m，最终得到巷道中心线前方断层点位置dc=58.37 m.
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图 9 经过F-K滤波分离后的z分量直达槽波和反射槽波记录以及拾取的埃里相时间点 (a) z分量直达槽波记录及拾取的埃里相时间点；(b) z分量反射槽波记录及拾取的埃里相时间点. Fig. 9 Direct and reflected seam waves of z component separated by F-K filter and Airy phase travel times (a) Direct seam wave of z component and its Airy phase travel times; (b) Reflected seam wave of z component and its Airy phase travel times. |
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图 10 断层走向角α和震源到断层垂向距离h扫描图像 黑色线为直达槽波时距曲线，蓝色线区域为扫描的反射槽波时距曲线区域.h扫描范围为[46.9 m, 48.9 m]，步长δh=0.1 m.α扫描范围[10°, 35°]，步长δα=0.5°. Fig. 10 Scanning results of fault strike angle α and normal distance h between source and fault line The black line is travel time curve of direct seam wave, the blue lines are travel time curves of reflected seam wave.Scanning range of h is [46.9 m, 48.9 m], step δh=0.1 m. Scanning range of α is [10°, 35°], step δα=0.5°. |
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图 11 扫描α和h得到的反射槽波埃里相峰值时间拟合残差 图中残差极小值Dmin对应αs=24.5°，hs=47.7 m. Fig. 11 Fitting residual of Airy phase travel times of reflected seam wave by scanning α and h Minimum residual Dmin is at αs=24.5°, hs=47.7 m. |
最后的计算结果dc=58.37 m, αs=24.5°.对比模型设计的断层点位置60 m，断层走向角30°，使用此方法得到的结果接近，但还存在一定误差.断层点绝对误差-1.63 m，相对误差2.72%.走向角绝对误差-5.5°，相对误差18.33%.
6 结论与讨论本文介绍煤层槽波TVSP超前探测方法的原理和实现过程，通过理论分析和数值试验结果，得到以下几点认识：
(1) 当采用垂向集中力源(z方向)激发地震波时，地震波场z分量受到巷道影响较小，主要能量为Rayleigh型槽波，较为适合槽波超前探测；
(2) 采用传播相对稳定且易于识别的槽波埃里相峰值时间代替传统TVSP方法中体波的初至走时时间，提高了观测数据的准确性.
(3) 在确定反射槽波时距曲线过程中，采用扫描参数法确定最优时距曲线，减小了观测数据误差对结果的影响，提高了断层定位的精度，同时解决了原始TVSP方法无法确定断层角度的问题.
(4) 通过对观测误差进行理论分析得到：当实际断层走向角度较小时，断层交点位置具有很好的定位精度，但角度误差则会较大；当实际断层交点位置距离迎头较远时，断层交点位置定位精度会下降，但角度误差则影响较小.
(5) 槽波TVSP方法优点在于：对观测系统要求不高，只需沿着巷道壁一侧中心线布置测线；可以利用单炮数据实现对断层预测，极大地减少了矿井下的工作量；数据处理过程较简单，计算量小.数值试验表明本方法能够较精确地定位断层位置和角度.
需要指出的是，本文只是从理论和数值上阐明了槽波TVSP方法的可行性，实际工作情况可能更加复杂，下一步的工作也是将本文方法应用于实际试验，并对其有效性进行验证.本文方法需要拾取直达槽波和反射槽波埃里相时间，而实际槽波埃里相传播受到很多因素影响，这就对埃里相时间准确拾取提出了更高的要求.此外，本方法并不能确定断层走向角度的正负，即断层朝向不能确定.确定朝向需要额外的信息，如考虑质点极化性质等.在提高定位精度方面，多炮情况和不同炮检位置关系(观测系统)对反演精度的影响，这都是今后需要研究的内容.
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