目前槽波探测技术已成为我国煤矿井下探测煤层内异常地质构造的主要物探手段。根据观测系统和数据处理方法的不同，槽波探测技术可分为透射和反射2种探测技术^[1]。透射槽波探测技术一般将炮点和检波点分别布置于工作面的2条平行的巷道内。在一条巷道内激发，在另一条巷道内接收，通过采集到的槽波振幅、频率和相位等参数反演采煤工作面内各点对应的槽波速度^[2]或者振幅衰减系数^[3]，获得采煤工作面的成像结果。反射槽波探测技术在同一条巷道内激发和接收，从地震数据中寻找槽波的反射波，利用反射槽波探测巷道侧帮或前方的断层、陷落柱和采空区等异常构造^[4]。

与透射探测相比，反射槽波探测可在掘进中的独头巷道内开展，所需的检波点和炮点更少，对施工条件的要求更低。探测范围不仅包括巷道侧帮^[5]，还可探测掘进前方一定距离内的地质构造发育情况^[6]。因此，反射槽波与透射槽波探测技术在煤矿开采的不同阶段承担不同的探测任务，均在煤矿安全生产中发挥着重要作用。

本文旨在梳理反射槽波探测技术的研究现状，阐述反射槽波成像方法的研究进展，在分析对比常用成像方法以及对不同异常地质构造探测能力的基础上，指出反射槽波探测的研究重点，以期为反射槽波探测技术的发展提供借鉴。

1   反射槽波探测的原理

地震波在介质中传播的过程中，如果遇到波阻抗差异较大的分层界面时，就会产生反射波。槽波作为一种仅在煤层中传播的特殊地震波，在介质单一稳定的煤层内沿近水平方向传播的过程中，若传播介质发生变化，如遇到断层、陷落柱、采空区等异常地质构造时，介质密度和介质中的地震波速度急剧增大或减小，在前后波阻抗差异大的断层面、陷落柱或采空区边界上，槽波同样能够产生较强的反射波^[7]。

根据惠更斯原理，介质中任一波前面上的点都可以看作是新的震源。对采煤工作面内的某一点而言，当槽波到达该点后，同样可将该点看作新的槽波震源，形成的波前面是以此点为圆心的同心圆。与体波的差异在于，由于槽波具有频散特性，不同频率的槽波具有不同的速度，因此，到达该点的时间不同，然后再以不同的速度向周围传播。不同频率的波相互干涉，使得反射槽波的相位复杂，而且相位与传播距离相关，不同偏移距的反射槽波相位差异较大，一般不具有明显的同相轴。

尽管如此，在某些地质条件较好的工作面的单炮槽波记录上，仍然可以直接观察到反射槽波。图1为某工作面采集到的槽波数据，其中含有明显的反射槽波信号。此处的反射槽波来自于对面巷道。

图  1  典型的包含反射槽波的单炮记录

Figure  1.  Record on typical seismic shot containing reflected in-seam wave

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由图1可见，反射槽波在单炮记录上表现为多道连续出现的强能量团，能量团内部的波形较为杂乱，不具有连续的同相轴，但多道的能量团却能在整体上呈现出一定的线性形态。图1中，由于对面巷道与测线所在巷道平行，其反射面与测线平行，因此在单炮记录上的时距曲线为一条双曲线。图中的蓝色线条为由直达槽波的Airy相速度绘制出的时距曲线，洋红色线条为根据巷道位置绘制的反射槽波时距曲线，呈现双曲线形态，反射槽波的能量团分布基本与该时距曲线一致。由此可见，虽然频散特性使得槽波的相位复杂，但是其整体上满足反射波的射线关系。因此，很多反射槽波成像方法都会先用Airy相频率对槽波进行带通滤波，然后再求取反射槽波的包络，用反射槽波的包络替代反射槽波开展后续的成像处理，从而将震相复杂的反射槽波简化，使其适用于经典的二维地震成像算法。

2   反射槽波的分类

反射槽波探测按探测区域可分为巷道的侧帮探测和超前探测2种类型，分别对测线的垂直方向和延伸方向开展探测。

2.1   侧帮探测

巷道侧帮探测一般在采煤工作面的一条巷道的侧帮布置测线。测线尽量与煤层平行，高度尽量靠近煤层中线。炮点也位于测线上，与检波点交错分布。检波器一般安装在垂直于煤壁钻进的浅孔内或者固定在锚杆头上，炮孔同样为垂直煤壁的浅孔。孔内安装炸药和雷管，用矿井专用爆炸机激发。

侧帮探测主要探测工作面内延展方向与巷道平行或夹角较小的断层，或存在与测线近似平行的反射面的异常构造，主要在以下3种条件下开展：

(1) 单条巷道掘进过程中，探测已掘进区域的煤层内断层发育情况，根据断层的落差和走向，预测掘进前方见断层点的位置。

(2) 单条巷道掘进完毕后，探测目标工作面内的异常构造，为另一条巷道的位置和掘进方案设计提供依据。

(3) 工作面形成后，在开展透射槽波探测的同时接收反射槽波数据，综合透射和反射槽波的2种成像结果，更精确地解释出工作面内构造发育情况。

2.2   超前探测

超前探测一般是探测掘进前方一定距离内的构造情况，需要预测如果沿着当前巷道延伸方向掘进，将会在什么位置处遇见构造，从而提前采取措施避免或降低构造对巷道掘进工作带来的不利影响。

超前探测的测线布置与侧帮探测相似，同样布置在巷道侧帮煤壁上，检波器安装在浅孔内或锚杆头上。不同之处在于，为提高效率、减少探测施工对掘进工作的影响，超前探测的炮数较少，有时仅在测线的两端布置炮点。另外，有时为了增强对前方不同延展方向构造探测的准确性，会在巷道的2个侧帮分别布置一条侧线，用2条平行测线共同对掘进前方成像。为了增强巷道侧前方的成像精度，有时会在侧帮打深孔，并在深孔内安装多个检波器。

总体而言，侧帮探测与地面二维地震相似，探测方向与测线垂直，地震记录中反射槽波的时距曲线为近似的双曲线，如图2a所示；超前探测与VSP技术接近，探测方向为测线的延伸方向，在地震记录中反射槽波的时距曲线具有负视速度^[8]，如图2b所示。因此，反射槽波的成像方法可以适当借鉴地面二维地震和VSP技术，实现侧帮探测和超前探测。

图  2  巷道前方及侧帮断层的反射槽波时距曲线

Figure  2.  Time-distance curves of reflected in-seam wave of faults on the side and in front of a roadway

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3   反射槽波的成像方法

槽波的频散性为反射槽波的处理和成像带来较大困难。数据处理中一般会使用振幅最强、频散性最弱的Airy相槽波，或者用包络替代槽波。这样就可以使用同一个传播速度，从而借用体波的成像方法对反射槽波成像。反射槽波的成像方法总体上也可分为叠加和偏移两大类。超前探测由于特殊的探测空间条件，其观测系统与处理方法与常规反射处理方法有很大差异。

3.1   叠加成像方法

反射槽波的叠加成像方法与地面二维地震的叠加法相似。R. Elsen等于20世纪80年代末和90年代初在德国的Rheinland Pattberg和Minister Stein等多个煤矿内开展了反射槽波试验，并采用极化滤波与包络叠加的方法成像^[9]。李江华^[10]、焦阳^[11]等通过抽取道集形成槽波的CMP道集，将不同炮检距下同一点的反射波经过动校正后叠加。如果存在反射面，则经过同相叠加后振幅增强，在叠加剖面上形成强的同相轴。此时的叠加剖面为时间剖面，需要根据槽波速度转换为深度剖面，再由同相轴确定反射界面的实际位置。图3为一个经过包络叠加和时深转换得到的剖面，其中存在一条异常与实际断层对应^[11]。

图  3  包络叠加剖面与实际断层 (据文献[11]修改)

Figure  3.  Envelope stack section and actual faults modified from Reference [11]

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反射槽波的叠加成像仅需用包络替代槽波，动校正、叠加等处理过程则可用成熟的商业软件完成，因此该方法简单易实现，尤其对于延展方向与巷道接近平行的断层，成像效果较好。因此该类方法主要用在巷道侧帮探测中，用于探查工作面内规模较大的走向断层。但是工作面内可能存在各个方向的断层，当断层方位角与测线夹角的增大时，叠加方法的有效性随之变差，出现无法成像或成像位置偏离的问题。

3.2   偏移成像方法

偏移方法的原理是根据惠更斯定理，将成像区域内每一个点看作是一个震源，计算地震波从该点出发到达各个检波点的时间，由此时间在各道地震记录上寻找到来自该点的地震波，再将其归结回该点上。如果该点处存在异常地质构造，则将产生能量强的绕射波，经过偏移归位后，在该点处就能产生强于其他正常点的偏移值。对区内所有点进行偏移归位后，可得到该区域的偏移成像结果。

与地面地震的偏移方法相同，槽波的偏移方法也可分为基于射线方法和基于波动方程两类。其中基于波动方程的方法使用较少，目前仅有Hu Yanrong等^[12]将逆时偏移技术引入了反射槽波，用模型数据对反射槽波成像进行了尝试。

基于射线的槽波偏移法是目前最常用的反射槽波成像方法。射线方法将地震波的传播路径等效为一条或多条射线，在偏移之前需先完成射线追踪的处理，计算出每条射线的长度，再除以射线所在介质的传播速度，从而获得偏移时间。不同于需要对速度差异很大的多个地层成像的地面地震。槽波地震的探测目标是同一煤层内的一片较小区域，在不存在异常构造的条件下，区内各点的速度差异不大。因此，槽波的绕射偏移成像一般会将射线简化为震源经成像点至检波点的连线。

反射槽波的成像区一般为平面上的一个矩形或梯形区域。如图4对成像区内任意一点P(x,y)，设第i炮的炮点位置为(x_i,y_i)，第j道的检波点位置为(x_j,y_j)，则由炮点出发，经过P点到检波点的射线长度 ${r_{i j}} $ 为：

图  4  绕射偏移法

Figure  4.  Diffraction migration method

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则P点的偏移值 $P_{\rm{mig}}(x,y) $ 为所有地震道上偏移时间t_ij所对应的振幅A(t_ij)的和，即：

式中：v_g为等效的槽波速度；r_ij由式(1)计算；M和N分别为炮点数和检波点数。

绕射偏移成像是反射槽波在实际探测工程中使用最广泛的方法。D. J. Buchanan等^[13-14]于20世纪70年代末在英国Pye Hill煤矿开展槽波试验，采用绕射偏移的方法对断层成像。王季等^[15]将该方法应用在采空巷道的探测。姬广忠^[16]实现了巷道侧帮的工作面内断层探测，分别在工作面的上运输巷内对同一工作面成像，根据成像结果获得了同一断层上下两盘的断煤交线位置。

除了常用的绕射偏移成像方法外，还有更为直观的椭圆画弧偏移法^[17]。该方法与绕射偏移原理一致。首先从地震记录中拾取每一道上反射槽波的到时，将此时间乘以槽波速度得到每道槽波的传播距离；逐道在平面上绘制曲线，使得曲线上任一点到炮点和该道检波器点的距离之和等于该道槽波的传播距离，这样的曲线必然是一个以炮点和检波点为2个焦点的椭圆；多道数据则可绘出多个椭圆。多个椭圆相交处或相切处即为断层，如图5所示^[18]。此方法需要在单炮记录上人工识别反射波，对操作员的经验和技术水平有较高要求，但在炮数和道数较少的情况下，能取得较好的探测效果，不仅能用于侧帮探测，还可用在巷道超前探测中。

图  5  椭圆圆弧偏移法(文献[18])

Figure  5.  Elliptic arc migration method^[18]

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3.3   掘进工作面超前成像方法

掘进工作面的超前探测由于目标断层与巷道的夹角较大，叠加类方法并不适用。一直以来，煤矿巷道的工作面超前探测方法在一定程度上借鉴了隧道内的超前探测方法。

刘盛东等^[19]在隧道TSP技术上提出了适用于煤矿巷道的矿井震波超前探测(Mine Seismic Prediction，MSP)技术。MSP技术采用三分量检波器布置在巷道工作面和侧帮上，在一帮或者两帮激发震源。MSP所需的检波器较少，常将检波器分为前置部分和后置部分，在前后置检波器之间布置多个炮点。MSP采用绕射偏移方法成像，所使用的地震波不限于槽波，而是以体波为主。

由于超前探测的目标是在测线外与测线延伸线相交的断层，其反射波在地震记录中一般具有负视速度。隧道垂直地面剖面法(Tunnel Vertical Seismic Profile，TVSP)中通过在地震记录中寻找具有负视速度的反射波，再求出反射波时距曲线的延长线与测线延长线的交点获得隧道前方断层的位置^[20]。TVSP技术简便易用，对观测系统和数据处理的要求很低，因此在隧道超前探测中应用广泛。沈鸿雁^[21]在TVSP技术的基础上，提出了反射波隧道井巷地震超前预报法(Reflected-Wave Tunnel Seismic Prediction，RVSP)，针对井巷地震波的复杂性，利用正负视速度波形在τ-p域的差异，用τ-p滤波提取具有负视速度的反射波，可有效降低其他地震波的干扰，通过绕射偏移得到较好的成像结果。RVSP方法成像所使用的仍然是体波。槽波由于主频率高且具有频散性，没有明显的同相轴，尤其是实际数据中槽波的波列杂乱，表现在各个速度方向上均有较强的能量分布。因此直接在τ-p域很难滤除其中的直达槽波成分。蒋锦朋等使用z分量槽波的Airy相代替体波以TVSP方法实现煤矿巷道的超前探测，并通过对模拟的成像和误差分析证明了该思路的可行性^[8]。

章俊^[22]在MSP的基础上提出了多波散射成像的方法，从地震数据中提取多波的共散射点道集，再使用克希霍夫偏移得到成像结果。由于井下的全空间效应，采集到的地震数据是来自空间多方向的地震波的混叠，尤其超前探测的炮点和检波点有限，需尽可能利用地震数据的有效信息提高成像能力。Wang Bo^[23]、姬广忠^[24-25]等采用三分量检波器接收矿井地震波，通过地震波的偏振特性分离P波、SV波、SH波和Love型槽波，依据各种波的速度偏移成像。当空间内一点存在异常构造，体波和槽波均能产生绕射波，对不同的波做绕射偏移，都将在此点上出现较强的偏移值，各种波偏移值的叠加使成像结果中该点的异常值进一步加强。因此多波散射成像将获得比仅使用单一波场更为准确的成像结果。在此基础上，基于广义S变换时频分析的时频瞬时极化分析方法^[26-27]和基于Hilbert偏振成像方法^[28]，在全空间条件下集波场分离、偏移成像于一体，可以消除超前探测中断层上下对称假象。

4   反射槽波探测的应用

反射槽波探测主要有煤矿巷道的侧帮探测和超前探测两种应用场景。侧帮探测由于受施工条件的制约较小，可以布置较长的测线和较多的检波点及炮点，从而能有效提高成像质量和探测精度。因此，侧帮探测能够实现断层、空巷道、陷落柱、采空区等多种异常构造的探测。巷道超前探测受空间条件和施工进度的影响，检波点数及炮数较少，炮检距较短，探测的主要目标为断层。

4.1   侧帮断层探测

探测位于巷道侧帮煤层内断层位置、延展方向和长度是反射槽波探测的主要应用目标。对于断层的落差目前仅能通过反射波振幅和成像结果中异常的强弱间接推测落差的大小。黄超慧等^[29]针对这一问题开展了数值模拟，通过分析了不同落差与反射槽波的关系，证明了根据不同频段反射槽波的能量分布特征可以进行断层落差的探测。

反射槽波探测侧帮断层的案例较多，尤其是包络叠加的成像方法，如焦阳采用包络叠加探测出工作面内一条落差10 m的断层，如图3所示，断层延展方向与巷道的夹角约为25°，成像结果中断层最远点距巷道为79 m^[11]。王一^[30]在通过模拟数据验证包络叠加方法有效性的基础上，实现了实际工作面内一条平行巷道断层的成像。姬广忠^[16]采用绕射偏移对工作面内一条26 m落差断层的上下盘分别成像，断层延展方向与巷道平行，探测距离超过了100 m。

当工作面内存在多条断层时，反射槽波可对多条断层成像。尤其是当断层之间存在遮挡关系时，曾经有观点认为仅能获得距离测线最近的断层的反射槽波，因此仅能对最近的断层成像。然而，通过对含多个断层的工作面模型开展了数值模拟和成像，证明了反射槽波可以有效探测巷道同侧的多条断层^[31]，在实际工程中同样采集到了具有多组反射波的地震数据(图6a)，用绕射偏移获得了3条断层的成像结果(图6b)。采用包络叠加法也可以实现同一侧工作面内多条断层的成像^[32]。

图  6  多条断层的反射槽波与成像结果

Figure  6.  Reflected in-seam waves and images of multiple faults

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4.2   巷道工作面超前断层探测

巷道工作面超前探测受施工条件限制一般道数较少，成像结果存在一定的画弧现象，尽可能地增加检波点和炮点数能有效减少这一现象。苏晓云在靠近工作面位置向两帮各打一个60 m的深孔，在孔内布置多级孔中检波器，与安装在巷道侧帮240 m常规测线上的检波器组合，形成“T”字形接收面，共同接收反射槽波，有效降低画弧现象^[33]。形成的成像结果如图7所示，根据成像结果对巷道前方见断层点位置进行了预测，实际揭露与预测一致。

图  7  巷道前方断层成像结果

Figure  7.  Image of a fault in front of a roadway

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4.3   采空区探测

小煤窑采矿时多用巷采模式，通过在煤层中掘进巷道采煤，巷道的高度较低，形成的采空巷道密集而无规则。这些特征给准确探测采空区位置、范围和形态带来了极大的挑战，采空区探测一直是地面与井下地震勘探技术面临的一个难题。采空巷道形成的空腔与煤层的波阻抗差异较大，采空巷道壁是较好的反射面，能够形成较强的反射槽波。

刘贵明等^[34]利用反射槽波技术探测出位于巷道同一侧工作面内的5处老窑采空区，其中距离测线的最远距离为47.5 m。除此以外，王海波等^[35]利用反射槽波成像结果圈定4处采空区边界，并得到钻探验证。对于大面积采空区边界的探测，马彦龙^[36]在多条巷道内布置接收点，测线长度达720 m，准确探测出周边矿井越界开采形成的采空区边界，如图8所示，为安全开采提供重要资料。

图  8  采空区边界的成像结果

Figure  8.  Image of the boundary of a goaf

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4.4   陷落柱探测

煤层内的陷落柱一般充填岩石或水，与周围煤层具有一定的波阻抗差异，在陷落柱边界上可产生较强的反射槽波。然而，由于陷落柱多为不规则的椭圆形，其反射面为曲面，所形成的二次波场更接近于绕射波。因此，绕射偏移的成像方法更适合于反射槽波的陷落柱边界探测。

针对陷落柱的反射槽波探测问题，马彦龙^[37]通过对含陷落柱模型的数值模拟，研究了反射槽波探测陷落柱的能力。采用绕射偏移方法对实际槽波数据成像，准确探测出了2个位于侧帮煤层内的陷落柱。陷落柱长轴直径分别为100 m和70 m，距巷道分别为90 m和57 m。如图9所示，从钻孔验证情况可见，反射槽波技术能够较好地探测出陷落柱靠近测线一侧边界的位置。

图  9  陷落柱的成像结果

Figure  9.  Images of collapse columns

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5   反射槽波探测技术的展望

反射槽波探测技术已在煤矿异常地质构造探测中发挥了重要作用。为了满足煤矿安全生产的需要，结合工程实践，笔者认为需要从几个方面入手，对已有方法开展改进和提高。

(1) 频散性使反射槽波的波列较长，导致在成像结果中反射面表现为一个较宽的条带状异常区，这就为确定反射面的具体位置带来了困难。解决这一问题需要从槽波的频散性出发，研究适宜的反褶积方法有效压缩反射槽波，或依据频散速度准确地偏移归位，使具有不同到时的不同频率反射槽波准确地归位在同一个绕射点上，从而获得反射面的高精度成像结果。

(2) 断层的落差目前仅能根据成像结果中异常的强弱间接推断，然而反射槽波的强弱不仅与断层落差有关，断层倾角、延展方向、断层面附近岩体破碎情况等因素都会对反射槽波强弱造成较大影响。实际工程中经常出现落差较小的断层产生较强反射槽波的现象。因此，虽然不同频段反射槽波的能量分布特征与断层落差之间存在一定关系，但仅靠槽波能量很难确定出断层落差的具体大小，还需开展进一步研究。

(3) 断层巷道超前探测由于观测系统的限制，存在一定的画弧现象，为准确探测断层的位置和形态带来了干扰。在测线布置条件受限的前提下，通过对三分量数据的极化分析求出当前时刻槽波的偏振方向，通过确定槽波的来源减少画弧。

(4) 由实际数据可知，反射槽波具有较强的方向性，在不同方向上的能量分布有较大差异，因此借鉴地面地震的束偏移技术，仅选取特定方向范围内的槽波参与成像，将有效提高偏移成像的质量和精度。

(5) 实际采集到的井下地震数据中，反射槽波的信号质量往往远弱于透射槽波。反射槽波不仅能量较弱，多道之间的连续性和一致性也较差。尤其是东部地区的很多矿井，在其地震记录中几乎观测不到反射槽波。因此，需要对反射槽波发育的机理开展研究，寻找影响反射槽波强弱的地质条件和采集条件，从而有效增强反射槽波，提高探测精度和准确性。

(6) 反射槽波探测的震源一般用井下炸药激发，然而随着煤矿采掘装备和技术水平的不断提高，越来越多的矿井已不在生产中使用炸药，矿用炸药将面临日趋严格的安全监管。因此亟需研究更加安全简便的震源激发方式替代放炮，完成反射槽波探测。目前，以掘进机震动为震源的随掘巷道超前探测已取得一定的技术突破，在巷道掘进的同时采集地震数据，从中提取反射槽波并对掘进前方区域实时成像，及时预报前方异常情况，指导巷道安全掘进。

6   结 语

近年来，反射槽波探测的相关技术经历了快速的发展，取得了巨大的进步。成像方法由简单的包络叠加走向了以绕射偏移为主的多种算法，探测目标种类由单一的断层走向了陷落柱、采空区等多种异常构造的综合探测。随着反射槽波探测技术的日趋成熟，其探测距离远、探测精度高的特点被越来越多的煤矿企业重视，目前该技术已在我国各个主要矿区广泛开展应用，取得了丰硕的探测成果，在煤矿安全生产中发挥了重要的保障作用。

随着煤矿智能化、透明化开采技术的不断发展，反射槽波探测将面临新的挑战和机遇，需要在已有技术的基础上不断迭代，吸收借鉴地面地震勘探技术的新方法，进一步提高探测精度和分辨率，拓展探测目标的种类，适应智能化开采的新模式，为工作面透明化提供准确的地质信息。