0 引 言
煤炭资源在我国能源结构中占据着主体地位[1]。煤矿采掘过程中遇到断层等地质异常体，会使开采成本提高10%～20%，甚至引发事故，约80%事故与断层有关[2]。因此，在工作面回采之前查明断层显得尤为重要。
槽波地震勘探具有震源激发频率高(一般100～1 000 Hz)，接收点和激发点均接近探测目标体，接收的地震记录信号频率高、能量强、信噪比高等优点，能够实现透射波、绕射波、散射波、折射波、转换波和反射波等多类型波的高分辨率成像[3-5]。1955年Evison[6]在一篇短论文中首先报道了他在新西兰一个煤矿里激发与接收到了煤层波，认为它是由煤层制导的洛夫波，并预言该导波可能在采矿业中得到应用。我国从80年代初期开始研究槽波。1983年，中国矿业大学在微机上开发了可独立运行的MISS槽波处理软件。1994年刘天放等编写的《槽波地震勘探》[7]，总结了槽波特征，为国内槽波勘探提供了理论基础。槽波勘探技术主要分为透射槽波勘探和反射槽波勘探2种。透射槽波勘探技术较为成熟，主要采用透射法实现工作面内部构造探测。反射槽波勘探不仅能探测工作面内部构造，还可实现巷道迎头前方的地质构造，适用范围较广，逐渐受到关注。I M Mason 等[8]在英国某煤矿开展了反射槽波探测断层的试验，基于延迟求和方法实现断层成像。Y Hu等[9]将逆时偏移技术引入反射槽波，利用模型数据对反射槽波成像进行了尝试。沈鸿雁[10]提出了RTS(Refletcted-Wace Tunnel Seismic Prediction)反射波法隧道井巷地震超前预报技术。张平松等[11]提出了矿井震波超前探测技术MSP(Mine Seismic Prediction)。王季[12]提出了基于绕射波偏移算法的反射槽波空巷道探测技术。文献[13，14]分别研究了反射槽波的绕射偏移成像方法，并进行了实际资料测试。李江华等[15]采用振幅包络计算和共中心点叠加偏移技术，优化了数据精细化处理流程。姬广忠等[16]进行了Love型槽波的模拟并分析了频散特征。金丹等[17]设计了频率域极化滤波器，提高了对噪声的压制。此外，部分学者开展了槽波数值模拟以及物理模拟方面的研究工作，为槽波勘探理论研究奠定了基础[18-20]。然而，含断层煤层的反射槽波响应机理研究并不充分，以至反射槽波勘探中出现的一些问题目前仍得不到合理解释，比如不同偏移距的反射槽波振幅存在差异。
针对以上问题，笔者基于高阶交错网格有限差分算法，建立6种断层落差的三维地质模型，进行三分量反射槽波波场数值模拟，通过提取X分量和Y分量反射槽波进行能量合成，开展反射槽波响应特征研究，为反射槽波探测断层提供理论依据、对现场勘探具有指导意义。
1 模型参数及观测系统
为了研究不同性质的断层对槽波反射的影响，设计了断层落差分别为1/8、1/4、1/2、3/4、1、2倍煤厚的6个三维正演模型，断层倾角为45°。模型参数见表1，观测系统布置如图1所示。
表1 反射模型介质参数
Table 1 Parameter of reflected model medium
介质纵波速度/(m·s-1)横波速度/(m·s-1)密度/(kg·m-3)围岩3 0001 7302 200煤层2 2001 2701 300
图1 含断层煤层模型
Fig.1 Schematic coal model including fault
模型在X、Y、Z三个方向长度分别为300、150、150 m。煤层厚度为10 m，位置在Z方向上的70～80 m处，X-Y方向网格0.3 m，X-Z、Y-Z方向网格上0.4 m。震源采用200 Hz的单峰子波，模拟运算采用弹性波震源模拟，边界加入pml吸收边界，去除边界反射干扰。震源位置在(5，5，75)。检波器在(0，5，75)到(300，5，75)，每道间距为3 m。断层位于距离检波器90 m处。
图2 观测系统剖面图
Fig.2 System profile of observation system
2 槽波类型模拟分析
对模拟出的1倍煤厚数据进行频散曲线提取，用相同模型参数进行理论频散曲线提取，对比分析得出模拟数据中槽波是否存在，以及类型，Love型槽波理论模型参数见表2。
表2 Love型槽波理论模型参数
Table 2 Parameters of Love-type channel wave theoretical model
地层序号横波速度/(m·s-1)密度/(g·cm-3)厚度/m11 7302.27021 2701.31031 7302.270
在图3中，以地震记录的第55道波为例，对1倍煤厚断距的断层反射模型进行频散分析，频散曲线有0、1、2、3阶，说明该地震记录中有槽波存在。0阶槽波的能量主要集中在50～130 Hz，速度为1 100～1 700 m/s，1阶槽波的能量主要集中在130～250 Hz，速度为1 100～1 700 m/s，从理论的模型中分析得出，0阶槽波的能量集中在50～160 Hz，速度为1 200～1 300 m/s，1阶槽波能量主要集中在200～300 Hz，速度为1 170～1 300 m/s。通过对比三维模拟数据和理论模型的Love型槽波频散曲线可知，该槽波是Love型槽波。
3 不同落差的断层反射波最大振幅值对比
3.1 地震记录分析
笔者采用Matlab作为应用工具，分别对X、Y分量进行切除直达波，并截取反射波时窗分别提取振幅最大值，根据槽波能量几何扩散因子
(其中r为传播距离)对不同偏移距槽波能量进行补偿，取断层落差1倍煤厚的X分量和Y分量原始地震记录，如图4所示。
图3 模拟数据与理论频散曲线对比
Fig.3 Comparison between simulated data and theoretical
dispersion curve
图4 1倍煤厚落差断层X、Y分量原始地震记录
Fig.4 X-component and Y-component original seismic
records of 1 times coal thickness drop fault
在图4中，对断层1倍煤厚X、Y分量原始地震记录分析，同相轴1为直达纵波，速度约为3 000 m/s，能量较低。同相轴2为直达横波，速度约为1 750 m/s。同相轴3为直达槽波，其速度分布于1 100 m/s左右，同相轴4速度约为3 000 m/s是反射纵波，能量和直达纵波相同比较低。同相轴5速度约为1 750 m/s是反射横波。同相轴6速度约为1 100 m/s反射槽波。X分量反射槽波的能量是明显大于反射纵波和反射横波，直达波在近炮点能量较强，强于反射槽波，Y分量反射槽波很弱，直达槽波很强。
3.2 不同落差断层提取反射能量分析
使用
为合成槽波能量，EX和EY分别为X和Y分量槽波能量)对X分量和Y分量能量进行合成(图5)，其中横坐标为槽波的入射角大小，纵坐标为合成能量大小，用振幅表示，无量纲。
图5 合成反射槽波的能量随着偏移角度的变化
Fig.5 Variation of the energy of the synthetic reflected
channel wave with the deviation angle
根据图5可知，不同落差断层X-Y分量合成槽波反射能量在1/8倍煤厚到1倍煤厚是逐渐增加的，在1倍煤厚到2倍煤厚降低了30%左右。不同落差的断层反射波能量曲线形态基本一致，在0°～40°由大变小，在40°以后逐渐变大。反射槽波在入射角75°时能量达到最大。断层落差分别为1/8倍、1/4倍和1/2倍煤厚时，炮点位置和最大角度的反射槽波的能量差距较小，断层落差为3/4倍煤厚比1/2倍煤厚的反射槽波能量大25%。依据该特征，可以进行断层性质的区分。
4 不同落差断层三维数值模拟数据滤波之后能量对比分析
在实际的槽波处理中，滤波是很关键的一个步骤，在三维数值模拟中，使用网格建立地层、断层，会使正演模拟也会产生一部分信号干扰。而且当经过断层反射时，槽波的能量会发生变化。
为了增强部分反射槽波提高数据的信噪比，本节对截取的反射槽波采用100～150 Hz、150～200 Hz、200～250 Hz的频带宽度分别进行滤波，再提取不同频带滤波后的反射槽波能量进行X-Y分量合成，对每道最大值进行对比分析，观察反射槽波的能量变化，总结滤波对反射槽波的影响(图6)。
图6 不同频宽滤波的不同落差断层的合成反射槽波能量变化
Fig.6 Variation of energy of synthetic reflected channel wave with different drop faults filtered by different bandwidths
从图6分析可知，当滤波频带宽度为100～150 Hz时，在入射角0°～60°，反射槽波能量比滤波之前减弱20%左右，其中1、1/2倍煤厚落差断层变化较其他落差断层的较大，在入射角60°以后，反射槽波的曲线变得平滑。其槽波能量减弱45%左右，其中小于1/2倍煤厚的断层反射槽波能量在大偏移距减弱程度较大。当滤波频带宽度为150～200 Hz时，入射角在0°～40°时反射槽波的能量降低较为明显，特别是3/4倍煤厚和2倍煤厚，下降的幅度比其他落差断层的幅度大15%左右。在入射角为40°～70°，反射槽波能量有小幅度的增强，大偏移角度70°以后两者的能量差异变大。当滤波频带宽度为200～250 Hz时，在入射角0°～60°之间槽波能量基本没有变化，入射角60°以后反射槽波能量上升到和未滤波的能量一致。但是3/4倍煤厚的断层的能量最低的拐点往小角度移动。
5 结 论
1)反射槽波能量随着偏移距变化而变化，基本呈现先减小后增加的趋势，尤其在断层落差大于3/4倍煤厚时，大偏移距反射槽波能量明显强于近偏移距反射槽波。
2)反射槽波的能量受断层落差影响显著。断层落差小于1倍煤厚时，反射槽波的能量随着落差增加逐渐增加；断层落差继续增加到2倍煤厚时，反射槽波能量呈现下降趋势。
3)反射槽波能量对带通滤波的频带宽度范围较为敏感。100～150 Hz的带通滤波明显降低了断层落差小于1/2煤厚的反射槽波能量，150～200 Hz的带通滤波，明显降低了断层落差大于3/4煤厚的反射槽波能量。
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