0 引言

《能源发展战略行动计划(2014—2020年)》(国办发[2014]31号)提出，我国依然以煤炭为主要能源(国务院办公厅，2014), 煤炭的消费比达到80%以上，非化石能源的能源消费比达到15%, 计划要求煤炭消费比降低到62%以内，建立亿吨级的大型煤炭基地14个.2015年，全国煤矿采煤机械化程度平均达到75%以上，大型煤矿采煤机械化程度达到100%(董书宁，2010；谢和平等，2011).煤矿机械化采煤水平的提高，采区工作面的布置也更趋向于大面宽和长走向，因此需要进一步加强对工作面内地质条件的关注程度.煤矿安全生产的首要任务是保证工作人员的安全，然而工作面内的隐伏地质异常往往会造成巨大的经济损失和人员伤亡, 具体包括隐伏构造等地质体的类型、准确位置和规模大小.及时有效地查明工作面内的地质条件对矿井安全高效生产至关重要，采用井下物探方法可以在回采前解决其主要地质问题，为煤层回采提供技术支撑.文章结合煤层工作面内地质条件探查与评价方法进行论述，重点讨论工作面内地质异常探测优势明显的地震波层析成像技术；结合其应用状况，分析其技术发展，为面内异常体探测技术提升提供支撑.

1 煤层工作面双巷间透射探查地质异常方法 1.1 煤矿工作面存在地质问题及其探查基础

根据2004—2014年全国煤矿事故分析报告及国家安全生产监督管理总局公布的数据整理得到：2010—2014年我国煤矿共计发生4506起伤亡事故，死亡7788人.我国煤矿事故大致概括起来分为8类：顶板、瓦斯、水害、运输、机电、火灾、放炮及其他(文虎等，2016).其中顶板、瓦斯和水害等自然因素为主要的灾害原因，占比达到69.5%.可见，查明矿井的地质条件至关重要.国内外许多学者对矿井地质条件进行了很多总结与分析(何刚等，2008)，根据我国煤矿发生的主要事故类型及其发生原因，结合国内外煤矿事故自然因素分析研究，将构成矿井自然因素归为瓦斯、煤尘、自然发火、水文地质条件、顶板条件、地质构造6大类.

为更好的服务煤矿安全生产，需要做好对影响矿井生产安全的自然因素做好调查与预报工作，具体包括(肖永洲和靳景玉，1999)：(1)煤层煤质：煤层的形态及厚度，煤质和夹矸情况；(2)地质构造：褶皱、底鼓、断层特征及对安全生产的影响；(3)煤层顶底板：岩性、厚度及在平剖面上的变化；(4)水文地质：回采波及地层的含水性；工作面涌水量和涌水方式，以及决定最佳的防治水措施；(5)开采技术条件：煤尘、瓦斯、煤层自燃、地温、地压等.

这其中，对于工作面内的地质条件探查是一个重要的组成部分.探查内容包括：一是准确查明工作面的开采地质条件，如探查工作面内落差5 m以内的隐伏断层，以及煤层变薄区范围；二是有效预测面内诸如易发生瓦斯突出、应力集中、富水等灾害异常区域，为煤矿安全生产提供技术支持.因此，煤炭开采利用过程中迫切需要有效的地质构造探查方法，其实践意义重大.

由于煤与断层等异常体之间存在一定的地球物理性质差异，因此可以利用地球物理手段进行探查，这是进行面内地质条件精细探查的地球物理基础.

1.2 工作面地质探查常用物探方法

对于工作面内构造异常的预报，现有的方法如地质学方法、统计预测法、地面地球物理勘探及钻探等已无法满足勘探精度日益增高的需求.例如，地面采区三维地震勘探技术已被广泛应用，但由于技术本身的精度条件，以及地表状况、松散层厚度和速度不均匀性等因素影响，对落差在5 m以下的小断层控制仍没有达到生产的要求(杨臣明，2014)，越来越迫切地要求采用更加直接有效的矿井物探.相较于地面勘探手段，矿井物探离探测的目标体更近、探测更加有针对性；同时在井下勘探时也会遇到施工空间受限、信号干扰较多以及三维全空间造成的信号问题(刘盛东等，2014；路拓等，2015；岳建华和薛国强，2016).目前主要的工作面构造物探方法有无线电波透视、直流电透视、槽波勘探以及地震波CT.

(1) 无线电波透视.电磁波在不同介电性物质内的传播特性不同，如遇到介电性突变物质，会被屏蔽或吸收.煤层无线电波透视利用这一规律，在工作面两侧巷道内发射和接收电磁波，如遇到地质异常，接收的信号会显著减弱或收不到等透视异常.无线电波透视方法利用较早，研究人员较多，但受到巷道金属支架、管道等人工导体，以及井下工业与杂散电磁场的干扰，透射电磁波数据采集时观测值会发生畸变，所带来的误判现象时常发生.电磁波能量衰减较快，现有的防爆型坑透仪器中0.3 MHz的低频波对工作面的穿透面宽为200 m左右，该方法主要应用问题是透视距离有限、走向断层分辨率低和金属干扰因素严重等.无线电波透视技术在我国矿井工作面探测中的应用已经有50多年的历史，技术已经较为成熟，先后有山西，陕西，河南，河北，安徽等数十个局矿工作面进行了工程实践(高一峰，2007)，无线电波透视法对于工作面内的地质异常区有较明显的反应，为工作面安全生产提供了保障.现阶段，无线电波透视向着多参数(吴荣新等，2010)、精细化解释(白永利等，2015)的方向发展.

(2) 直流电透视.直流电法勘探是利用含、导水构造的岩石低电阻特征，与围岩具有不同的电性条件来进行探测的，该方法正处于试验、研究阶段.刘天放和李志聃首先把这种方法应用到矿井中.刘志新等通过正演，验证该方法能探测工作面的构造异常，为直流电透视在工作面内构造探测的应用提供了理论依据(刘志新等，2003).程久龙等采用模拟方法，研究“平行双极-偶极”法探测工作面内的含水地质异常(程久龙等，2008).吴荣新等利用煤层工作面的双巷空间，采用新的并行电法探测煤矿工作面内地质异常区，该方法适用于大面宽工作面，应用前景广阔(吴荣新等，2009).张平松等针对大倾角条件下直流电穿透方法适用性进行确认，进一步扩展了直流电透视法的适用范围.直流电透视对所探测剖面上的低电阻含水体反映明显(张平松等，2015)，通常在易于形成透视条件的工作面进行探测，辅助探查地质构造.相应的探测实践表明，煤岩层电性差异与构造异常间有一些对应关系，但受地电场测试条件所限，其透视程度、构造分辨能力受到影响.

(3) 槽波勘探.槽波是由于煤槽对地震波的制导形成的，工作面内的地质构造会造成煤槽的不连续，槽波的传播通道会被阻断，使得透射槽波不能通过并产生反射.根据接收信号中透射槽波的有无和相对强弱，利用射线交汇法进行地质构造的反演与解释.槽波勘探始于20世纪50年代，九十年代广泛应用于煤层小构造探测，后经过一段时间沉寂，于21世纪初重新活跃在煤矿地质勘探的一线.反射槽波勘探方面，Ge等(2008)在美国harmony煤矿进行了反射Love型槽波探测采空区边界，Xu等(2009)和Li等(2011)利用反射槽波来确定煤层不连续体的位置及走向.透射槽波方面，Yang等(2009)研究了透射Love型槽波传播特征，王伟等(2012)在义马煤矿进行了Love型槽波透射法勘探，预测煤层厚度.综合相关文献，现阶段的槽波勘探现场应用主要为Love型，采用透射或反射观测系统，利用反射槽波的偏移成像或透射槽波的频散和衰减进行煤层构造反演与预测.

槽波勘探具有探测距离大、信噪比高等优势，理论上可以分辨落差大于1/2煤层厚度的断层.由于槽波的形成有一定的条件，煤层槽波产生具有不确定性，其勘探受到一定限制；当有多组断层相间出现时，槽波分辨率会降低；由于槽波为频散波，时域包络呈椭球状，宏观上容易识别，而具体时刻却难以分辨，其应用解释方法不够完善，探测效果尚达不到理论精度.

(4) 地震波CT.矿井巷道震波CT探测技术是地震勘探方法的一种，以煤层和顶底板作为勘探对象.透射波的速度、振幅、相位、频率等参数在经过不连续性地层时，会产生变化.矿井巷道震波CT以此来探查回采工作面内的地质异常体，如断层、陷落柱、煤厚变薄区、破碎带等，以便及时、有效地采取对策和回采方案，确保煤矿安全生产.在具体的工作面地质勘探中，震波CT有其独特的优势.岩石和煤的物理性质稳定，地震波波速以及其他参数和岩性有着紧密的关系.地质构造会造成煤岩结构的破坏，形成不均匀结构体，进而引起地震波波速以及其他参数的变化.基于该原理，可以利用矿井巷道震波CT对工作面内的地质构造进行反演.

2 煤层工作面地震波CT探查技术

震波层析成像技术是一种无损检测方法，根据在物体外部测得的物理量数据进而计算该物体内部物理量的异常分布.从反演参数区分，震动波层析成像分为速度层析成像和衰减层析成像(Westman et al., 1996; Westman, 2004).地震波CT从震源上来区分，可以分为主动源与被动源(Luxbacher et al., 2008a, b).

主动源震波CT，使用可控的爆炸源、锤击等作为震源.主动源震波CT，把震源与检波器安装在工作面两侧巷道的煤壁上，地震波直接穿透工作面内的地质构造，该方法勘探的分辨率高，减少了隐伏小构造探测的遗漏，保障采煤工作面的安全生产.

被动源震波CT，利用采矿时诱发的微震作为震源，可以连续地监测整个开采过程中的高应力变化或地震灾害，其检测面积达2000 m×2000 m(Lurka, 2008).同时，采矿区的微震足够频繁，射线路径密度较高，可以获得地层的更多信息(蔡武等，2016)，如图 1所示.

2.1 煤层工作面地震波速度层析原理

地震层析成像中，透射波的走时从数学角度可以认为是慢度沿地震波传播方向上的线积分.实际反演计算时需要用到离散图像的重建技术，其表达式为(Luxbacher et al., 2008a, b)：

(1)

(2)

式中，T_i为地震波的总走时；L_i为第i条射线的路径长度；V(x, y, z)为三维空间下的地震波传播速度；S(x, y, z)为对应的慢度；d_ij为第i条射线上第j个网格中射线的长度；N为射线总数；M为网格数.

此时可在探测区域建立一个网格矩阵A(N×M)，可形成矩阵方程为

(3)

这时，可以得到一系列像元的地震波走时T_i，速度的重建问题就可转化为求取离散像元内的慢度S.地震波的传播路径只经过很少的像元，因此方程(3)中的系数矩阵A是一个大型的稀疏矩阵，大部分元素为零.对方程(3)的系数矩阵进行求解，即可得到探测区域内的速度分布信息.

煤层双巷间透射速度成像理论中包括透射路径射线追踪和反演计算两个部分.射线追踪方法大致可分为全局算法和局部算法两大类.全局算法在计算过程中，空间内所有离散点的走时和射线路径需要同时考虑.局部算法，只关注两点之间的射线路径和走时，适用于煤层地震层析成像.根据前人的研究基础，双巷透视中基于Fermat原理和Snell定理，进行三维任意界面情况下的两点间射线追踪可取得良好结果(高尔根等，2002；张东等，2009；李飞等，2013).对于巷间、井间等条件成像方法研究人员较多，常见的方法有代数重建法(ART)、联合迭代重建技术(SIRT)、最小二乘法(LSQR)、奇异值分解法(SVD)等方法(Bai et al., 2007；赵火焱等，2010；Zhang et al., 2011；赵群峰等，2012；邓文泽等，2014).近年，预条件共轭梯度法在重磁数据和地震数据反演中逐步得到应用，反演时可加快收敛速度，提高计算效率，保证解的稳定性(陈少华等，2013；霍志周等，2013).

图 2为某工作面地震波CT探测纵波速度反演剖面，煤层中出现断层构造及其异常，其地震波速度较煤层速度大，因此根据岩煤层波速分布特征可以对地质异常体进行区分.近年来，通过对探查工作面回采资料的收集与二次分析结果表明：不同煤层条件下，断层构造的延展特征不同，探查结果的分辨率差异较大，走向断层的判断准确率相对较低；煤层起伏变化大，对断层构造及异常体的判断能力降低，使得探查应用效果受到较大的影响.

2.2 煤层地震波CT的技术与实践研究

震波CT在煤矿应用方面，早在20世纪70年代末，匈牙利就开始利用震波CT技术研究煤与瓦斯突出问题.90年代开始在矿井中大量应用于煤层工作隐伏构造探测，矿山压力和顶底板的采动破坏监测取得不错的效果.

(1) 工作面内构造探测

MJ Jackson等人把三维地震波CT引入煤层的构造探测，提出用表征法解决煤层三维CT速度方程欠定情况更加严重的问题(Jackson et al., 1995).主动源对两巷间的煤柱和三角区进行CT成像的效果也进行了实践(Watanabe and Sassa, 1996)，Scott等人在Homestake煤矿利用地震CT对煤柱进行成像特征研究(Scott et al., 1997). BEB Nurhandoko等人通过实例，研究了反演结果的纵波速度和煤层瓦斯的关系，以及探测煤层的侵入体(Nurhandoko et al., 2009).A S Salnikov等提出了一种合成透射波地震数据的方法，并在Kuznetsk煤矿透射波层析成像中应用，取得良好的应用效果(Salnikov et al., 2012).

我国从20世纪80年代开始，紧跟时代潮流，在矿井地震CT的可行性方面做了大量的计算与可行性研究(曹德欣和曹思远，1992).煤矿系统科研团队在工作面地震CT技术研究方面进行了不断的探索，在理论研究和工程实践方面做出了突出贡献.郑高升等将地震CT技术应用在新集矿区1101综采工作面的面内地质构造探测中(郑高升和凌标灿，1998)，证明地震CT对工作面面内隐伏构造具有较好的敏感性和准确性.刘盛东等采用双巷震波CT采集系统，通过BPT、ART反演方法重建工作面内速度图像，分析煤层内断层在速度图像中的特征；从反演精度和运算速度方面，对比分析了这几种成像算法，更加全面的认识地震层析速度反演算法(刘盛东和李承华, 2000a, b).彭苏萍等针对放顶煤工作面的构造探测难题(彭苏萍等，2002)，首次采用地震CT技术探测放顶煤工作面构造；实践表明，地震CT探测结果可以明显凸显综放面内的隐伏断层.张平松等根据物理模型试验研究结果，分析了工作面震波CT反演结果中断层的特征，指出观测系统与断层的位置关系显著影响断层的显示特征(张平松和刘盛东, 2006).周官群等进行了煤层震波CT的衰减成像和弹性参数成像(周官群等，2007).震波CT法被方良成等成功的用来圈定煤层工作面内陷落柱范围(方良成等，2013)，李娜等初步分析了煤层底板起伏较大的综采工作面，常规的二维射线追踪及反演方法会导致矿井地震CT解释结果间的较大偏差(李娜等，2015).

综合上述文献可以看到，主动层析成像技术中震源位置已知(如锤击、爆破等)，射线覆盖几何形状及其覆盖密度人为可控，从而保证了该技术反演精度的可靠性.但其工作复杂，施工时要求少噪声施工环境.同时，主动层析成像技术几乎具有不可重复性，不适于工作面的长期、反复监测.

(2) 煤矿压力监测

主动震源CT由于其采集的瞬时性，不适于长期监测.矿震震动波速度层析成像技术以开采活动引起的自然矿震事件作为震源，由于其简单灵活，可长期监测的特点，近几年被广泛用于煤矿的冲击地压危险性评价.A Lurka用被动源CT成像技术在波兰的Zabrze Bielszowice煤矿进行岩爆灾害评价和定位高地震活动区(Lurka, 2008).Luxbacher采用被动源研究了美国一煤矿工作面周围由采动引起的应力再分布(Luxbacher et al., 2008a, b).N.Hosseini利用SIRT被动源成像技术，对探测区进行三维速度反演，得到支承压力区与波速区的关系(Hosseini et al., 2012a, b, 2013).

国内方面紧跟其后，王书文等深入分析了地震波波速和地震波波速梯度与冲击地压危险性的相关性，利用回采工作面CT纵波波速进行成像，进而间接反映煤层性质(王书文等, 2012).范波等分析了在深部矿井中，高应力状态下CT反演结果与冲击地压动力灾害的密切关系(付恩俊等在工作面的超前支承压力探测中用了地震CT技术(付恩俊等，2011).窦林名、蔡武等从不同角度，采用被动源震波层析成像技术对煤矿过程中的冲击低压危险性进行了实时评估，总结出冲击地震波高速区往往对应着强矿震(Cai et al., 2014, 2015；窦林名等, 2014；蔡武等2016).

相比于主动源地震CT，被动源震波层析成像技术探测范围广、成本低、监测过程安全、近似实时监测，成为冲击危险性评估的重要方法之一.然而，矿震事件的定位精度以及不充分或不规则的射线覆盖直接影响着该技术反演结果的精度及可靠性.

(3) 煤层顶底板岩层变形与破坏特征探测

程久龙等根据震波CT探测结果，探讨了底板岩体破坏与声波速度场的响应关系(程久龙等，1999; 程久龙, 2000).程学丰等利用声波在不同岩石中传播速度差异性的原理，采用声波CT速度层析技术，根据声波速度反演结果来评价和解释采后顶板的导水裂隙带高度和底板的破坏深度(程学丰等，2001).张平松等利用了工作面中的钻孔空间，钻孔和巷道相结合，扩展了探测空间，进而对顶、底板破坏实现了连续的动态监测(张平松等, 2004, 2006)，如图 3所示.该方法克服了传统巷道间震波CT的空间局限，把跨孔震波CT技术，引入到煤层工作面探测中.在不影响煤矿的正常生产的前提下，保留了主动震波CT技术的优势，反演精度的可靠性，且实现了长时间的动态监测.

3 煤层面内震波CT技术应用分析 3.1 存在的问题

结合煤层面内地震波CT技术应用现状，和煤矿安全高效生产的高精度地质探查需求，受技术条件所限，仍存在不少问题，具体表现在以下6个方面.

(1) 非完全观测系统下数据量的不足.煤层地震波CT由于施工条件和仪器设备限制，多采用非完全观测系统.不完全观测系统其采集的信号数量相对于完全观测系统来说减少，因此需改进反演方法，结合巷道揭露资料采用固定单元速度约束反演等技术，不断提升数据反演精度.

(2) 全空间数据采集与三维立体反演表达不匹配.目前震波CT数据采集空间为三维条件，数据反演时多采用透视平面二维模型，因此在射线距离、位置等方面存在欠缺.巷道的高程起伏会造成反演结果的复杂化，对剖面中地质异常体的解释带来影响.因此需要在三维条件下进行震波CT反演, 并顺煤层提取其速度剖面.

(3) 测试系统便捷性及现场工作效率较低.煤层地震波CT采用多道并联式或分布式地震仪，需要很长的数据传输光缆；为保证炸药震源和仪器的同步性，同样需要连接很长的通讯电缆.采集设备的铺设和炸药震源起爆时需要采取的安全措施，都加大了现场施工的劳动强度，降低了施工效率.需要研制便捷安全的数据采集单元，记录单元无线化，进一步利用随机震源激发.

(4) 数据处理及解释中对先验数据综合利用不足.巷道在开掘的过程中，取得了大量的巷道附近的地质资料，工作面内同样存在地面钻孔，三维地震解释等已知的地震资料.如何更加有效的利用先验的地质资料，把先验数据和地震波CT反演过程有机的融合，提高反演精度，是亟待解决的问题.

(5) 断层构造异常区的追踪识别、解释特征研究程度不足.双巷间透射层析观测系统受巷道布置限制，其现场布置多为不完全和不精确的投影数据.在重建图像时，波速(或慢度)分布规律与真实的波速(或慢度)分布规律的对应关系不准确，断层构造及其围岩的波速(或慢度)在采用不同的采集系统和重建方法计算时，其波场响应特征以及可分辨程度有待进一步研究.建立煤层与围岩波速、能量等属性参数差异标准，进行波速异常追踪与定量解释可以提高对断层构造延展特征解释判和断精度.且国内开展井下探测技术的应用型研究较多，而对探查方法的基础理论研究偏少.

(6) 双巷间地震波层析成像影响因素的分析研究不全面.双巷间透射层析成像方法理论建立在有效数据记录基础上，理论研究中需结合巷道中发射和接收点三维空间信息，模拟研究煤体结构、观测系统、激发接收等条件，讨论其对成像结果的影响.客观、全面地分析层析成像的影响因素，完善工作面三维空间的数据处理方法，才能在实际应用中提高重建图像的质量和效果.

3.2 发展方向

随着科学技术及仪器设备开发条件的日趋成熟，井下地震波CT技术与其他成像方法一样，也在不断发展.其主要方向需要结合大的地质背景，有所突破.

一是充分利用探测区域孔、巷及面的条件，完成全场地震波信息的综合采集，获得相对丰富的空间反射、透射等数据；二是全场全空间地震波场速度反演，以煤层或探测目标层为中心构建三维反演模型，进行立体速度反演，考虑利用频率变化、吸收衰减等参数；三是数据采集系统的扫描化、随机震源、无线接收等方式采用，提高现场数据采集操作性、数据量和信噪比，还需进一步考虑勘探距离；四是多参数综合评价地质条件及成果的空间表达与异常判断，通过立体反演，顺煤层提取参数信息.结合岩煤层地震波速度、能量及频率变化等参数综合解释地质条件，讨论不同地层条件异常判断阀值，进一步走向探查的定量化.同时，还需结合数据采集地震仪器、现场工作方法、数据处理及解释等过程，加强对施工技术规范的制定，做好培训工作，不断提升震波CT技术在井下煤层开采中的应用面和效果.

4 结语 4.1

随着煤炭开采进程的加深以及开采煤层赋存地质条件变差，煤炭安全开采对矿井物探的勘探精度提出了更高的要求.围绕煤层工作面内震波CT构造探测方法理论发展的主线，通过对相关文献资料综合分析，认为煤层工作面震波层析成像方法研究与发展可以总结如下：

(1) 地震波层析成像方法在双巷工作面内隐伏构造精细探查中具有良好的应用效果.地震波CT技术受干扰因素少，易于激发，穿透能力强，对构造异常体空间展布的分辨优势明显.

(2) 工作面双巷间三维透射层析成像方法与实现至关重要.目前井下煤层工作面构造不同波场的CT探查技术研究中，均未考虑双巷之间煤层的起伏条件，仅以发射和接收传感器所在的双巷透射平面近似拉平进行射线追踪与计算，速度模型与实际条件差异性大.考虑煤层工作面的空间条件，依据激发和接收点三维空间坐标进行透射反演成像，所获得的顺煤层速度分布更利于反应煤层面内构造的真实特征.

(3) 煤层震波CT在现场施工和反演解释方面上还存在一些制约因素和不足.随着科学技术及仪器设备开发条件的日趋成熟，全波场、全空间、多物理参数综合解释及数据成果的三维表达等技术的突破，煤层工作面地震CT会朝着探测结果精细化，异常结果评价定量化不断前进.

4.2

深部煤炭资源开采中地质构造及区域异常对采矿的安全影响在不断加大，因此必须提高对地质构造及异常范围的预测与评价精度，采用矿井震波层析方法正是适应煤矿现代化发展需要的具体体现.结合上述方法理论发展现状，提出工作面内异常体探查关键科学问题，通过研究切实为煤矿工作面地质条件测试应用提供理论基础.

致谢 感谢审稿专家提出的宝贵意见和编辑部的大力支持！