黏彈介質(zhì)槽波超前探測(cè)數(shù)值模擬與波場(chǎng)分析

何帝秀，姬廣忠，焦文杰，張亞偉，于 坤

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

巷道掘進(jìn)作為煤礦生產(chǎn)工作的重要環(huán)節(jié)之一，若煤巷掘進(jìn)工作面(以下簡(jiǎn)稱工作面)前方存在異常地質(zhì)構(gòu)造如斷層、陷落柱、采空區(qū)等，很容易影響地下煤礦開采工作的安全性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)礦井水害、頂板垮落、煤與瓦斯突出等地質(zhì)災(zāi)害，給人員帶來(lái)安全隱患，對(duì)煤礦生產(chǎn)造成經(jīng)濟(jì)損失。因此，采用物探方法進(jìn)行工作面前方異常體超前探測(cè)工作尤其重要，常用于巷道超前探測(cè)的物探技術(shù)主要有反射地震波法、瞬變電磁法、地質(zhì)雷達(dá)法等，而地震超前探測(cè)法中的槽波超前探測(cè)是利用僅在煤層中傳播的槽波對(duì)工作面前方地質(zhì)體進(jìn)行超前探測(cè)，在探測(cè)斷層、陷落柱、采空區(qū)等地質(zhì)構(gòu)造方面有優(yōu)勢(shì)。由于煤礦的全空間工作環(huán)境與工作面處的強(qiáng)反射波和繞射波干擾，造成了地震波的復(fù)雜性，因此，利用數(shù)值模擬方法研究含巷道煤層中反射槽波的傳播規(guī)律，可以為實(shí)際巷道槽波超前探測(cè)提供一定的理論指導(dǎo)[1-5]。槽波數(shù)值模擬中通常將煤巖介質(zhì)假設(shè)為完全彈性介質(zhì)，而實(shí)際煤層更接近于黏彈性介質(zhì)[6-7]。

近年來(lái)，諸多學(xué)者進(jìn)行了槽波超前探測(cè)數(shù)值模擬研究，如叢皖平等[8]提出將Rayleigh 波運(yùn)用于煤礦井下獨(dú)頭巷道超前探測(cè)；楊思通等[9]進(jìn)行了Rayleigh 型槽波數(shù)值模擬并分析了工作面前方斷層的波場(chǎng)特征，提出Rayleigh 槽波能量在垂直分量能量比水平分量更強(qiáng)；Yang Sitong 等[10]提出當(dāng)震源位于巷道前方煤層中，且檢波器沿著巷道中的煤壁布測(cè)時(shí)，使用反射Rayleigh 槽波超前探測(cè)煤礦巷道地質(zhì)結(jié)構(gòu)。蔣錦朋等[11]提出震源為垂向集中力源激發(fā)時(shí)，Rayleigh 槽波可應(yīng)用于槽波超前探測(cè)；孫華超等[12]將Love 型槽波運(yùn)用于小斷層超前探測(cè)并分析其波場(chǎng)特征，并認(rèn)為x分量的Love 槽波信噪比好；同年呼邦兵等[13]提出利用x和z分量的Rayleigh 型槽波對(duì)采空區(qū)進(jìn)行超前探測(cè)；之后Sun Huachao 等[14]提出將x分量反射Love 槽波應(yīng)用于陷落柱的超前探測(cè)；梁紅波等[15]構(gòu)建了4 個(gè)斷層走向與巷道夾角不同的模型進(jìn)行槽波超前探測(cè)模擬，提出夾角小于40°時(shí)偏移處理后的角度變化不大。

較多學(xué)者利用Kelvin-Voigt 模型研究黏彈性介質(zhì)的地震波傳播特征，例如苑春方等[16]研究了地震波在Kelvin-Voigt 均勻黏彈性介質(zhì)中的傳播速度和衰減系數(shù)；劉瑞珣等[17]發(fā)現(xiàn)采用Kelvin-Voigt 模型比其他黏彈模型更加符合地下介質(zhì)是黏彈性質(zhì)的實(shí)際情況；楊思通等[18]研究了Kelvin-Voigt 黏彈介質(zhì)地震波衰減的影響因素，提出地震縱波振幅隨波阻抗降低和震源子波頻率增大衰減加快；嚴(yán)紅勇等[19]研究了二維非均勻各向同性Kelvin-Voigt 黏彈性介質(zhì)模擬，提出介質(zhì)的黏滯性對(duì)轉(zhuǎn)換波影響較大，且黏滯系數(shù)越大地震波能量衰減越大；姬廣忠等[20]進(jìn)行了Kelvin-Voigt 黏彈性TI 煤層介質(zhì)Love 槽波三維模擬，同年張壹等[21]對(duì)Kelvin-Voigt 等典型黏彈性模型介質(zhì)中的地震波衰減特征進(jìn)行了歸納分析；焦文杰等[22]進(jìn)行了Kelvin-Voigt黏彈性各向同性煤層介質(zhì)槽波三維數(shù)值模擬。

目前黏彈介質(zhì)下槽波超前探測(cè)的理論研究很少，為更好地模擬實(shí)際煤礦工作的槽波超前探測(cè)，筆者基于Kelvin-Voigt 黏彈性理論和黏彈三維一階速度-應(yīng)力方程，采用高階有限差分方法進(jìn)行獨(dú)頭巷道槽波超前探測(cè)的三維數(shù)值模擬，分析了煤層黏彈性及其變化、斷層的落差和斷層面與巷道的夾角等因素對(duì)反射槽波傳播的影響，為實(shí)際槽波超前探測(cè)提供理論支持。

1 原理

1.1 槽波超前探測(cè)原理

槽波作為一種沿煤層傳播的導(dǎo)波，傳播距離遠(yuǎn)、能量強(qiáng)、具有明顯的頻散特性。根據(jù)不同的振動(dòng)形式，通常將槽波分為兩類，其一是Rayleigh 型槽波，由P 波與SV 波相互干涉形成，質(zhì)點(diǎn)在與煤層面相互垂直、與傳播方向平行的平面內(nèi)振動(dòng)；其二是Love 型槽波，由SH 波相互干涉形成的，質(zhì)點(diǎn)在平行煤層面的平面內(nèi)垂直于波傳播方向上振動(dòng)[23-24]。槽波大部分能量不向圍巖輻射，攜帶大量地質(zhì)構(gòu)造信息，加之煤層的波導(dǎo)性，槽波被應(yīng)用于超前探測(cè)[2]。槽波超前探測(cè)法為槽波反射法的一種特殊情況，兩者原理類似。槽波超前探測(cè)原理為，激發(fā)震源后，槽波沿煤巷向工作面前方傳播，若在超前方向遇斷層面等反射界面，槽波會(huì)完全或不完全被阻斷，產(chǎn)生反射槽波，由布置在巷道側(cè)幫的檢波器接收反射槽波信號(hào)，通過(guò)分析處理反射槽波記錄，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面前方構(gòu)造的探測(cè)[25-27]，如圖1 所示。

圖1 槽波超前探測(cè)原理Fig.1 Principle of in-seam wave advance detection

1.2 Kelvin-Voigt 一階速度-應(yīng)力方程

實(shí)際煤層具有黏彈特性，目前常用于地震正演模擬的黏彈性介質(zhì)模型主要有Kelvin-Voigt 模型、Maxwell 模型、標(biāo)準(zhǔn)線性模型等。其中Kelvin-Voigt模型由一個(gè)彈簧元件和一個(gè)阻尼器元件并聯(lián)構(gòu)成[17]，如圖2 所示。

圖2 Kelvin-Voigt 模型Fig.2 Kelvin-Voigt model

Kelvin-Voigt 黏彈性介質(zhì)本構(gòu)關(guān)系為：

式中：σ為應(yīng)力向量；σ1為 彈性單元體應(yīng)力向量；σ2為黏彈性單元體應(yīng)力向量；ε為應(yīng)變向量；C為彈性矩陣；η為阻尼器黏滯矩陣；t為時(shí)間，s；Q為品質(zhì)因子；ω為角頻率。

用質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度表示位移的一階導(dǎo)數(shù)，來(lái)減少位移二階導(dǎo)數(shù)的使用，簡(jiǎn)化整個(gè)計(jì)算過(guò)程。在無(wú)外力影響或外力影響消失后，根據(jù)Kelvin-Voigt 模型，獲得三維黏彈一階速度-應(yīng)力方程[22]：

式中：σxx、σyy、σzz為正應(yīng)力；τxy、τxz、τyz為剪應(yīng)力；vx、vy、vz為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度；x、y和z分別為三維空間中的平面水平方向、平面豎直方向和縱向。

1.3 交錯(cuò)網(wǎng)格高階有限差分法

應(yīng)用交錯(cuò)網(wǎng)格高階有限差分方法，將三維Kelvin-Voigt 一階速度-應(yīng)力方程進(jìn)行離散化。高階交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分方法具有占用內(nèi)存小、通用性強(qiáng)、高精度和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。該方法是將一般的矩形差分網(wǎng)格替換為交錯(cuò)網(wǎng)格，借助交錯(cuò)網(wǎng)格的半程計(jì)算，來(lái)得到足夠高階的空間和時(shí)間精度的差分格式，以此來(lái)計(jì)算空間導(dǎo)數(shù)和時(shí)間導(dǎo)數(shù)。即在交錯(cuò)網(wǎng)格技術(shù)中，不僅要求空間網(wǎng)格的交錯(cuò)，在時(shí)間網(wǎng)格上也要求交錯(cuò)，變量的導(dǎo)數(shù)是在相應(yīng)的變量網(wǎng)格點(diǎn)間的中點(diǎn)上計(jì)算[28-29]。

2 模型與參數(shù)

模型在x、y、z方向的尺寸分別為300 m×100 m×25 m，模型網(wǎng)格dx、dy、dz分別為1 m×1 m×0.25 m，煤層厚度為5 m。巷道在x、y、z方向的大小分別為150 m×4 m×4 m，位于x方向10～160 m、y方向48～52 m、z方向10.5～14.5 m，工作面位于x=160 m 處，斷層位于x=240 m 處，如圖3 所示。煤層頂?shù)装鍘r性相同，巷道賦空值，模型各介質(zhì)參數(shù)見表1，邊界采用PML 吸收邊界。

表1 模型介質(zhì)參數(shù)Table 1 Medium parameters of the model

圖3 含斷層三維模型Fig.3 Schematic of the 3D model with faults

圖4 為模型的觀測(cè)系統(tǒng)，震源坐標(biāo)為(110,54,12.5)，采用主頻150 Hz 的雷克子波爆炸震源，延遲時(shí)間20 ms。檢波器與震源同一水平線布置，過(guò)斷層布測(cè)于x方向80～280 m，當(dāng)落差大于1/2 倍煤厚時(shí)，斷層面后的測(cè)線位于煤層頂板，道間距1 m，共201 個(gè)檢波點(diǎn)。數(shù)值模擬采樣間隔為0.05 ms。

圖4 含斷層xoy 切面圖(z=12.5 m)Fig.4 xoy section with faults (z=12.5 m)

3 黏彈煤層介質(zhì)對(duì)反射槽波的影響

3.1 煤層介質(zhì)性質(zhì)對(duì)反射槽波的影響

為研究煤層不同介質(zhì)對(duì)反射槽波的影響，設(shè)計(jì)了2 個(gè)三維煤系含斷層模型，分別是完全彈性介質(zhì)模型和黏彈性介質(zhì)模型(煤層QP=100，QS=50)，落差d=2.5 m(1/2 煤厚)，斷面與巷道垂直(夾角α=90°)。

圖5a、圖5c 和圖5e 分別是黏彈介質(zhì)模型正演模擬合成地震記錄的x分量、y分量和z分量，圖5b、圖5d和圖5f 分別是完全彈性介質(zhì)模型正演模擬合成地震記錄的x分量、y分量和z分量，圖中橫軸為檢波器編號(hào)，縱軸為傳播時(shí)間。結(jié)合模型與時(shí)距關(guān)系分析可知，激發(fā)震源產(chǎn)生直達(dá)波，直達(dá)波沿巷道向前傳播，在工作面處率先發(fā)生反射，形成工作面反射波，直達(dá)波繼續(xù)向前傳播遇斷層產(chǎn)生斷層反射波；直達(dá)波沿巷道向后傳播，在巷道頭處亦會(huì)發(fā)生反射，形成巷道頭反射波。

圖5 三分量合成地震記錄Fig.5 Three components of synthetic seismograms

整體上看圖5，各分量上相同波列在不同介質(zhì)模型地震記錄中的走時(shí)與分布相似，波振幅強(qiáng)度不同。圖5a 和圖5b 為分別是黏彈介質(zhì)和完全彈性介質(zhì)合成地震記錄的x分量，依據(jù)時(shí)距曲線將易識(shí)別的波列按照被接收時(shí)間先后排序：直達(dá)縱波、直達(dá)橫波、直達(dá)槽波、工作面反射波、反射橫波、反射槽波和巷道頭反射波。圖5a、圖5b 中，波組①由震源激發(fā)形成，出現(xiàn)時(shí)間最早，速度約為3 000 m/s，判斷為直達(dá)縱波。波組②與直達(dá)縱波同相，振幅能量較強(qiáng)，速度約為1 700 m/s，判斷為直達(dá)橫波。波組③能量大，有頻散現(xiàn)象，速度約為900 m/s，判斷為直達(dá)槽波。波組④波列與直達(dá)波反相，出現(xiàn)較早，對(duì)其轉(zhuǎn)換波組不進(jìn)行分析，結(jié)合模型判斷為工作面反射波。波組⑥由直達(dá)橫波在斷面處轉(zhuǎn)換形成，速度約為1 700 m/s，判斷為斷層反射橫波，簡(jiǎn)稱為反射橫波。波組⑦能量大，同相軸斜率比反射橫波小，速度約為960 m/s，判斷為斷層反射槽波，為反射Rayleigh 槽波。在傳播100 ms 后，出現(xiàn)與直達(dá)波同相的系列干擾波，結(jié)合模型判斷其為巷道頭反射波，對(duì)其轉(zhuǎn)換波組不進(jìn)行分析，統(tǒng)一標(biāo)記為波組⑧。直達(dá)波遇斷層面后，斷面對(duì)不同地震波的阻斷作用不同，透射縱波與透射橫波能量衰減較小，槽波穿過(guò)斷層后能量明顯衰減；反射橫波能量大，有清晰地震記錄，而反射Rayleigh 槽波能量絕大部分衰減。完全彈性介質(zhì)中各波列傳播完整，斷層反射波能量衰減小，且黏彈介質(zhì)的反射橫波波列延續(xù)時(shí)間比完全彈性的短。

圖5c 和圖5d 為分別是黏彈介質(zhì)和完全彈性介質(zhì)的y分量，依據(jù)時(shí)距曲線可以識(shí)別出：直達(dá)縱波、直達(dá)橫波、直達(dá)槽波、工作面反射波、反射橫波、反射槽波和巷道頭反射波。波組⑥由直達(dá)橫波在斷面處轉(zhuǎn)換形成，速度約為1 700 m/s，判斷為反射橫波。波組⑦波列呈現(xiàn)頻散特征，波振幅大，速度約為900 m/s，判斷為反射槽波，為反射Love 槽波。結(jié)合模型與時(shí)距關(guān)系，判斷工作面反射波附近的雙曲線干擾波為吸收邊界反射波。直達(dá)波遇斷層面后，透射橫波與透射槽波能量衰減較小，透射縱波能量明顯衰減；反射Love 槽波能量衰減較小，其他斷層反射波能量相對(duì)衰減較大。完全彈性介質(zhì)中各波列能量大于黏彈介質(zhì)。

圖5e 和圖5f 為分別是黏彈介質(zhì)和完全彈性介質(zhì)的z分量，依據(jù)時(shí)距曲線可以識(shí)別出：直達(dá)縱波、直達(dá)橫波、直達(dá)槽波、工作面反射波、P-S 波、反射橫波、反射槽波和巷道頭反射波。波組⑤由直達(dá)縱波在斷面處轉(zhuǎn)換形成，波列較寬，速度約為1 800 m/s，判斷為直達(dá)縱波的轉(zhuǎn)換橫波，記為P-S 波。波組⑥與波組⑤相比斜率無(wú)明顯變化，由直達(dá)橫波在斷面處轉(zhuǎn)換形成，速度約為1 700 m/s，判斷為反射橫波。波組⑦波列呈現(xiàn)頻散特征，能量大，速度約為900 m/s，判斷為反射槽波，為反射Rayleigh 槽波。直達(dá)縱波遇斷層產(chǎn)生反射時(shí)，另一部分能量轉(zhuǎn)換為反射縱波，可能由于縱波波速較快導(dǎo)致反射縱波與工作面反射波混雜，未見明顯同相軸。直達(dá)波遇斷層面后，透射縱波能量增大，橫波能量無(wú)明顯變化，槽波能量衰減較大；在斷面處產(chǎn)生的P-S 波、反射橫波和反射Rayleigh 槽波能量一定程度上都減小。黏彈介質(zhì)中反射Rayleigh 槽波能量明顯隨傳播距離增大而衰減，完全彈性介質(zhì)中無(wú)明顯能量變化。

x分量上主要以反射橫波為主，反射Rayleigh 槽波能量較小；y分量上反射橫波波列范圍大，反射Love 槽波能量強(qiáng)；z分量上P-S 波、反射橫波和反射Rayleigh 槽波波形特征皆明顯，信噪比好。與完全彈性介質(zhì)模型相比，黏彈介質(zhì)模型中地震波能量較小，地震波在黏彈介質(zhì)中傳播能量衰減速度比完全彈性介質(zhì)快，導(dǎo)致部分波列在傳播過(guò)程中衰減消失，沒有完全彈性介質(zhì)的波列完整。由此可知，黏彈介質(zhì)模型更加符合實(shí)際煤層中地震波傳播與衰減特征，更加貼近實(shí)際超前探測(cè)記錄。

3.2 煤層品質(zhì)因子變化對(duì)反射槽波的影響

為研究煤層不同品質(zhì)因子對(duì)反射槽波的影響，設(shè)計(jì)了3 個(gè)不同煤層Q值的三維黏彈性煤系含斷層模型，d=2.5 m，夾 角α=90°，QP、QS分別為40 與20、70 與35 和100 與50。

取測(cè)線第1 道至第81 道進(jìn)行后續(xù)含斷層模型的反射槽波對(duì)比分析。圖6a、圖6b 和圖6c 分別為QP=40、QS=20 與QP=70、QS=35 及QP=100、QS=50 模型的x分量。圖7、圖8 分別為不同Q值模型正演模擬的y和z分量。根據(jù)時(shí)距關(guān)系3 個(gè)分量上皆可分辨出工作面反射波、反射橫波、反射槽波和巷道頭反射波，以及z分量的P-S 波。各分量上相同波列在不同Q值模型地震記錄中的波形相似，波振幅強(qiáng)度不同。x分量上，反射Rayleigh 槽波和巷道頭反射波能量隨Q值增大明顯增大，工作面反射波與反射橫波能量隨Q值增大而增大。當(dāng)QP=40、QS=20 時(shí)，反射Rayleigh 槽波無(wú)明顯同相軸。y分量上，各波列能量受Q值影響與x分量類似。隨Q值增大，反射Love 槽波、工作面反射波、反射橫波和巷道頭反射波能量增大。當(dāng)QP=40、QS=20 時(shí)，反射Love 槽波與反射橫波能量小，波形模糊。z分量上，各波列能量受Q值影響與x分量類似。隨Q值增大，反射Rayleigh 槽波和巷道頭反射波能量明顯增大；工作面反射波、反射橫波能量增大；P-S 波能量變化較小。當(dāng)QP=40、QS=20 時(shí)，反射Rayleigh 槽波與反射橫波能量小。

圖6 不同品質(zhì)因子模型地震記錄(x 分量，測(cè)線第1 道到第81 道)Fig.6 Seismograms of models with different quality factors (x component,the 1st to the 81th traces of the survey lines)

圖7 不同品質(zhì)因子模型地震記錄(y 分量)Fig.7 Seismograms of models with different quality factors (y component)

圖8 不同品質(zhì)因子模型地震記錄(z 分量)Fig.8 Seismograms of models with different quality factors (z component)

各分量上煤層Q值變化對(duì)不同地震波能量衰減影響不同，各波列的能量衰減都隨Q值增大而減小。隨Q值增大不同分量的工作面反射波和巷道頭反射波能量增大；反射槽波在三分量上隨Q值增大能量都明顯增大；z分量的P-S 波受Q值影響??；反射橫波在x分量受Q值影響小，在z分量受影響較大。QP=40、QS=20 時(shí)三分量上的反射槽波能量皆衰減大，傳播時(shí)間越久能量越小，y分量上反射Love 槽波與反射橫波能量都較小，因此，可利用x分量反射橫波與z分量P-S 波進(jìn)行超前探測(cè)。

4 斷層變化對(duì)反射槽波的影響

4.1 斷層落差變化對(duì)反射槽波的影響

為研究斷層落差對(duì)反射槽波的影響，設(shè)計(jì)了3 個(gè)三維黏彈性煤系含斷層模型，QP為100，QS為50，夾角α=90°，斷層落差d分別為3.75、5 和7.5 m。

圖9 為斷層落差3.75、5 和7.5 m 模型的x分量，圖10、圖11 分別為不同落差模型正演模擬的y和z分量，根據(jù)時(shí)距關(guān)系3 個(gè)分量上皆可分辨出工作面反射波、反射橫波、反射槽波和巷道頭反射波，以及z分量的P-S 波。各分量上相同波列在不同落差模型地震記錄中的走時(shí)相似，波振幅強(qiáng)度不同。x分量上，工作面反射波和巷道頭反射波同相軸振幅隨落差變化不明顯，能量變化較小。隨落差增大，斷面對(duì)波的阻斷作用增大，反射橫波和反射Rayleigh 槽波能量增大。y分量上，各波列能量受落差影響與x分量類似。隨落差增大，反射橫波和反射Love 槽波能量增大。z分量上，各波列能量受落差影響與x、y分量不同。斷層落差由2.5 m 增大至3.75 m 時(shí)，地震記錄中的P-S 波和反射Rayleigh 槽波波形愈加明顯，能量逐漸增大；落差由3.75 m 增大至7.5 m 時(shí)，直達(dá)波遇斷面后轉(zhuǎn)換波組能量迅速衰減，P-S 波和反射Rayleigh 槽波能量減小。落差2.5 m 增大至5 m，反射橫波能量增大；落差5 m 增大至7.5 m，反射橫波振幅變化較小，波列延續(xù)時(shí)間變短。

圖9 不同落差模型地震記錄(x 分量)Fig.9 Seismograms of models with different fault throws (x component)

根據(jù)上述分析可知，不同分量上地震波受落差變化的影響不同。工作面反射波和巷道頭反射波在三分量上隨落差增大能量變化都較小，說(shuō)明斷層落差對(duì)其影響??；在x和y分量上，斷層落差越大斷面對(duì)波的阻斷作用越大，反射橫波和反射槽波能量隨落差增大而增大；z分量上，落差小于3/4 煤厚時(shí)，反射槽波、P-S 波和反射橫波隨落差增大能量增大；落差超過(guò)煤厚時(shí)，地震波的轉(zhuǎn)換作用急劇減弱，由直達(dá)波轉(zhuǎn)換形成的P-S 波和反射Rayleigh 槽波能量衰減大，反射橫波能量變化較小。在斷層上下盤完全錯(cuò)開后，z分量上反射Rayleigh 槽波能量小，可利用y分量的反射Love 槽波以及x和z分量的反射橫波進(jìn)行超前探測(cè)。

4.2 斷層夾角變化對(duì)反射槽波的影響

為研究不同斷層夾角對(duì)反射槽波的影響，設(shè)計(jì)了3 個(gè)三維黏彈性煤系含斷層模型，QP均為100，QS均為50，d=2.5 m，夾角α分別為75°、60°和45°。

圖12 為夾角75°、60°和45°模型的x分量，圖13、圖14 分別為不同夾角模型正演模擬的y和z分量，根據(jù)時(shí)距關(guān)系3 個(gè)分量上皆可分辨出工作面反射波、反射橫波、反射槽波和巷道頭反射波，以及z分量的P-S 波。各分量上相同波列在不同夾角模型地震記錄中的走時(shí)不同，波振幅強(qiáng)度不同。x分量上，工作面反射波和巷道頭反射波同相軸無(wú)明顯變化，走時(shí)與能量變化較??；反射橫波和反射Rayleigh 槽波同相軸斜率增大，波列間距減小，反射Rayleigh 槽波能量增大。y分量上，工作面反射波和巷道頭反射波同相軸無(wú)明顯變化，反射橫波與反射Love 槽波被接收時(shí)間提前。斷層夾角由90°減小至75°時(shí)，反射橫波與反射Love 槽波能量增大，同相軸斜率增大；斷層夾角由75°減小至45°時(shí)，反射橫波與反射Love 槽波能量減小，波列間距明顯減小。z分量上，各波列受夾角影響與y分量類似。P-S 波、反射橫波和反射Rayleigh 槽波被接收到的時(shí)間提前，同相軸斜率隨之增大，波能量呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)。

圖13 不同夾角模型地震記錄(y 分量)Fig.13 Seismograms of models with different angles between a fault plane and a tunnel (y component)

圖14 不同夾角模型地震記錄(z 分量)Fig.14 Seismograms of models with different angles between a fault plane and a tunnel (z component)

圖15 為夾角90°、75°、60°和45°模型的z分量波場(chǎng)快照在z=12.5 m 的切片圖，結(jié)合模型與各波列速度可知，傳播時(shí)間200 ms 切面上波列主要為巷道頭干擾波、P-S 波、反射橫波、反射Rayleigh 槽波、工作面繞射波和透射波。其中波組⑤的寬度最大，傳播速度較快，判斷為P-S 波；波組⑦波形最清晰，傳播速度較慢，判斷為反射Rayleigh 槽波；波組⑥傳播速度介于波組⑤和波組⑦之間，波形較清晰，判斷為反射橫波；波組⑧與其他波列傳播方向相反，產(chǎn)生于巷道頭，判斷為巷道頭干擾波；波組⑨產(chǎn)生于工作面，波形混雜于斷層反射波之中，判斷為工作面繞射波。隨夾角減小巷道頭反射波波形無(wú)明顯變化；P-S 波、反射橫波和反射Rayleigh 槽波的反射角度隨夾角減小而增大，測(cè)線位置的各波列清晰度在夾角小于75°后明顯降低；工作面繞射波能量小于斷層反射波，對(duì)波場(chǎng)影響較小，地震記錄上難識(shí)別，對(duì)超前探測(cè)影響亦小。

圖15 不同夾角模型200 ms 波場(chǎng)快照Fig.15 200 ms wave field snapshots of models with different angles between a fault plane and a tunnel

結(jié)合圖14 地震記錄與圖15 波場(chǎng)快照分析可知，夾角角度越小，直達(dá)波離斷層的相對(duì)距離越小，斷層反射波產(chǎn)生的時(shí)間越早，反射角度越大。夾角由90°減小至75°時(shí)，檢波器與斷層面間距較大，反射槽波有足夠的發(fā)育空間，各波列間隔較大，波形特征明顯，且近似垂直反射，反射Rayleigh 槽波能量大；夾角由75°減小至45°時(shí)，測(cè)線與斷層間距變小，各斷層反射波出現(xiàn)時(shí)間明顯提前，反射Rayleigh 槽波的反射角度增大，能量隨之減小。P-S 波與反射橫波同理。隨夾角減小各斷層反射波波列間隔減小，各波列難分離。

根據(jù)上述分析可知，不同分量上夾角對(duì)不同地震波的影響不同，且通過(guò)反射槽波的同相軸斜率可初步判斷斷層夾角大小。工作面反射波和巷道頭反射波能量在3 個(gè)分量上變化較小，說(shuō)明受斷層夾角影響較??；隨夾角角度減小，P-S 波、反射橫波和反射槽波同相軸斜率增大。在x分量上，隨斷層夾角角度減小，反射橫波與反射槽波被接收時(shí)間提前，能量增大；在y和z分量上，P-S 波、反射橫波和反射槽波在夾角60°至90°模型中能量大，波形特征明顯、易識(shí)別，槽波超前探測(cè)效果好；夾角小于60°時(shí)，反射槽波與其他波列難分離，探測(cè)分辨率隨之降低，可利用x分量的反射Rayleigh 槽波進(jìn)行超前探測(cè)。

5 結(jié)論

a.槽波在黏彈介質(zhì)中能量衰減大，各分量上的反射槽波能量遠(yuǎn)小于直達(dá)槽波能量，z分量上反射Rayleigh 槽波隨傳播距離增大能量衰減速度明顯大于完全彈性介質(zhì)。說(shuō)明黏彈介質(zhì)中槽波的傳播更加符合實(shí)際煤層槽波傳播過(guò)程中能量的衰減特征。

b.在x、y和z分量上接收到的信號(hào)存在差異，x分量上主要以反射橫波為主，反射Rayleigh 槽波能量較弱，不易識(shí)別；y分量上反射Love 槽波信噪比好；z分量上波列連續(xù)性較好，且P-S 波、反射橫波和反射Rayleigh 槽波波形特征明顯。

c.煤層Q值大小對(duì)反射槽波傳播有較大的影響。隨煤層Q值增大反射槽波能量增大，超前探測(cè)效果越好。QP=40、QS=20 時(shí)3 個(gè)分量的反射槽波能量皆小，同相軸都不明顯，可利用x分量的反射橫波與z分量的P-S 波進(jìn)行超前探測(cè)。

d.斷層落差與夾角在三分量上對(duì)反射槽波影響不同。斷層落差小于煤厚時(shí)，y和z分量上反射槽波能量大，槽波超前探測(cè)效果都較好；落差大于煤厚時(shí)，z分量的反射Rayleigh 槽波能量小，可利用y分量的Love 槽波以及x和z分量的反射橫波進(jìn)行超前探測(cè)。斷層夾角大于60°時(shí)，y和z分量上反射槽波能量大，槽波超前探測(cè)效果都較好；夾角小于60°時(shí)，x和y分量上反射槽波能量大，槽波超前探測(cè)都較好。

e.很多實(shí)際煤層Q值條件與QP=40、QS=20 斷層模型相似，三分量上反射槽波能量都較小，槽波超前探測(cè)效果差，因此，可根據(jù)其他Q值斷層模型數(shù)值模擬的分析結(jié)果，綜合應(yīng)用三分量上的反射槽波、反射橫波和P-S 波，相互驗(yàn)證補(bǔ)充，提高煤巷槽波超前探測(cè)的精確度和可靠性。