基于礦山CT技術的工作面沖擊礦壓危險性評價研究

寇建新 鞏思園

(1.中國平煤神馬集團能源化工研究院，河南省平頂山市，467000；2.中國礦業(yè)大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221116)

目前煤礦沖擊礦壓已經(jīng)開展了一定的研究工作，取得了部分研究成果，但是這些方法都不能精確給出大范圍開采區(qū)域內(nèi)工作面回采過程中的沖擊危險分布。傳統(tǒng)的鉆屑法和電磁輻射監(jiān)測法為點的局部監(jiān)測方法，都是煤巖體在應力作用下的表征量，與應力不存在直接的對應關系，雖然采動應力監(jiān)測法能夠測量應力大小，但測量區(qū)域有限，不能獲得大范圍煤巖體的應力特征。因此，傳統(tǒng)監(jiān)測手段無法得到大范圍采掘區(qū)域的應力信息。已有實驗室研究發(fā)現(xiàn)，在單軸及循環(huán)載荷條件下，震動波速與應力間存在正相關關系，而沖擊地壓或強礦震本質上是煤巖體在應力作用下的表現(xiàn)，所以通過反演震動波速可大范圍研究煤巖體內(nèi)的應力分布特征。由于微震破裂產(chǎn)生的彈性波傳播距離較遠，在傳播過程中攜帶了煤巖體內(nèi)的大量信息，所以采用礦山CT技術可獲得工作面內(nèi)的波速和應力分布特征，從而實現(xiàn)沖擊危險區(qū)域劃分。

1 礦山CT施工方案及現(xiàn)場試驗與監(jiān)測

1.1 工作面概況

己15＃-24080采面位于十礦己四采區(qū)西翼第三階段。工作面東靠己四軌道下山、瓦斯專排巷、運輸機下山；西至26勘探線；南為己15＃-24060采空區(qū)；北未開采。工作面有效走向長1579m，切眼斜長215.4m，圈定儲量97.8萬t。

工作面所采煤層為己15＃煤層，己15＃煤層均厚2.2m。外段己15＃煤層與己16＃煤層合層，里段分開。自機巷口至1000m為合層區(qū)，煤厚在3.5m左右。己15＃煤層與己16＃煤層夾矸厚度到切眼處達7m以上。工作面貫通后，河南省煤田地質局物探測量隊采用無線電波坑透法對該工作面進行了勘探工作。在工作面風巷、機巷及附近均有斷層揭露，斷層落差在0.3～4.0m之間。工作面構造較為復雜，落差大于1.0m的斷層共有8條(落差2m以上斷層2條)，編號f1～f8。工作面己15＃煤層直接頂板為2.0～4.6m厚的砂質泥巖含薄層狀炭質泥巖，其上為大于18m厚的細至中粒砂巖。己15＃直接底板為泥巖，厚0～7.5m，東薄西厚，其下為1.2～1.6m厚的己16＃煤層。己16＃底板為1.1～1.5m 的泥巖，其下為2.2～2.7m厚的己17＃煤層，再下為大于20m的砂質泥巖及灰?guī)r。

1.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

本次施工過程中所采用的儀器設備為GeoPen SE2404NT地震勘探儀，儀器配備主機1臺，發(fā)爆器1臺，采集站11個，數(shù)傳地震電纜線12條，每條電纜線有12個接收點通道。設備鋪設后最大監(jiān)測范圍為1572m。此次施工的24080工作面長度約1700m，故采取分批次采集方式?？紤]到實際施工工作量，為盡可能對己15＃-24080工作面內(nèi)應力分布狀態(tài)進行精細和全面的探測，在機巷布置接收點 (探頭)，接收點間距設定為7m (實際依照現(xiàn)場條件調(diào)整)，共布置222個，編號從左至右為7?！?28＃；在風巷中布設激發(fā)點 (放炮點)，激發(fā)點間距16m (實際依照現(xiàn)場條件調(diào)整)，共布置103個，編號從西至東為1?！?03＃，見圖1。其中風巷放炮點1?！?2＃為第一批次震源，機巷監(jiān)測點7?！?38＃為第一批次接收點；風巷53?！?03＃為第二批次震源，機巷監(jiān)測點103?！?28＃為第二批次震動波接收點。由于現(xiàn)場個別區(qū)域安裝條件不利，107＃和108＃點上未能放置接收點。風巷放炮炮眼孔深1.8m，裝藥量200g。

圖1 己15＃-24080工作礦山CT觀測布置方案

圖2(a)為爆破后機巷一側接收的波形信號，震動信號非常清楚，易于標記震動波波形初至時刻。圖2(b)為信噪比分析結果，圖中背景色深淺標識信號信噪比大小，顏色越深表示信噪比越低，顏色越淺表示信噪比越高?？梢钥闯觯踔恋綍r具有較高的信噪比，利于到時標記分析。

1.3 煤巖層中震動波傳播原理及波形識別

煤層賦存具有典型的頂板-煤層-底板結構，頂板和底板多為砂巖，比煤層堅硬，密度和波速相差明顯。因此，可以確定首先到達的應是從頂?shù)装鍘r石中傳播的震動波，之后才是從煤層自身傳播而來的震動波。

根據(jù)己15＃-24080工作面綜合柱狀圖，己15＃煤層底板為泥巖和己16＃煤層，相對頂板巖性完整度較差，波速較低，因此可首先確定記錄的震動波形中初次到達的是從頂板中傳播過來的縱波，如圖3。假設老頂中粒砂巖縱波波速4200m／s(按砂巖最大值取)，直接頂砂質泥巖縱波波速4000m／s，己16＃煤層縱波波速1600m／s，直接底泥巖縱波波速3500m／s，理論計算可知，震動波沿工作面傾向從煤層透射至直接頂并由老頂反射回接收點耗時60.9ms；沿工作面傾向，震動波從己15＃煤層傳播至檢波器最短用時134.4ms；震動波從己15＃煤層經(jīng)沿煤巖邊界傳播至接收點最短用時54.9ms，震動波從己15＃煤層穿過直接頂沿老頂分界面?zhèn)鞑ブ两邮拯c耗時53.7ms?？梢钥闯稣饎硬ㄑ刂苯禹敽屠享攷r層傳播的首次到時相差較小，由于波速還受應力以及煤層上覆巖層賦存厚度與巖性等復雜因素影響，確定大部分記錄的首次到時波形應是沿己15＃煤層與直接頂分界面或老頂界面?zhèn)鞑サ恼饎硬ǎ貎A向煤層直接傳播至傳感器的震動波則要滯后80ms。考慮到透射產(chǎn)生的能量損耗，易帶來標記上的困難，尤其是對傳播距離較遠的接收點，且兩者到時相差極小，故確定記錄通道上的首次到達波形為沿直接頂傳播的滑行波，之后到達且幅值較大又容易識別的震動信號為從煤層傳播至接收點的直達波。

圖2 CT試驗記錄的震動炮波形及信噪比分析

圖3 風巷放炮后激發(fā)的震動波穿過不同煤巖層用時最短傳播路徑示意圖

圖4為選取的部分第一批次和第二批次中震動炮信號，利用Vista seismic image軟件，人工判斷拾取了滑行波和直達波的初至到時，圖中矩形標注分別指示沿直接頂傳播的滑行波到時標記虛線和沿煤層傳播的直達波到時標記實線。圖4(a)為第一批次32＃震動炮在工作面傾向上垂直相交機巷一側77＃接收點位置，該接收點記錄的滑行波初至到時為61.2ms，沿煤層傳播直達波初至到時為134.4ms；圖4(b)為第二批次65＃震動炮在工作面傾向上垂直相交機巷一側152＃接收點位置，該接收點記錄的滑行波初至到時為61.2ms，沿煤層傳播直達波初至到時為133.4ms。從理論估計和實際記錄的時間來看，基本滿足圖3中描述的震動波傳播規(guī)律。

因此本論文將綜合采用滑行波和直達波反演直接頂和煤層中的波速分布，從而借助應力與波速的試驗關系評價己15＃-24080工作面的沖擊危險分布。

2 工作面的沖擊危險評價

2.1 己15＃-24080工作面波速反演

由于己15＃煤層較薄，滑行波穿過煤體的距離很短，其到時主要由滑行波在直接頂中傳播的時間決定。因此，考慮到采用射線彎曲算法的時間成本，簡化滑行波速模型，采用二維模型進行計算。由于直達波只在煤體中傳播，巖石性質未發(fā)生明顯變化，也采用二維模型計算。利用上述模型，程序采用SIRT迭代算法，根據(jù)理論計算和標記到時之差不斷調(diào)整波速，最終通過計算獲得如圖5所示的己15＃-24080工作面滑行波和直達波波速分布圖，可以看出兩種波的波速分布一致，即頂板中波速較高的地方，煤層中波速也較高，同理直接頂中低波速區(qū)也對應煤層中的低波速區(qū)。結合頂板和煤層中的波速可大致確定工作面兩側較中間波速高。

2.2 己15＃-24080工作面危險區(qū)域劃定

研究表明，沖擊礦壓的發(fā)生需要同時滿足強度條件、能量條件和沖擊傾向性條件，即三準則理論。當煤巖體所受的應力超過煤巖體本身的強度極限，即滿足強度條件，才有可能發(fā)生沖擊礦壓。由于應力與震動波速的關系，所以通過波速可以反應出強度條件。對同一性質的巖石來說，震動波速越高，所受應力越大，超過其煤巖體強度的可能性就越大，沖擊危險性就越高。礦震的動力擾動對沖擊破壞同樣起到控制作用，上覆巖層破斷所釋放的能量越大，產(chǎn)生的動載荷就越大，與應力集中區(qū)域上的煤體疊加作用后，就很容易造成煤體的動力失穩(wěn)。震源能量越大，傳播到煤體介質質點速度的峰值速度就越大，動載荷就越高，越容易形成沖擊。對于礦山CT反演得到的波速越高的區(qū)域，載荷也越大，這些區(qū)域受到強礦震擾動比其它低波速區(qū)域就更容易形成沖擊礦壓。

應力高且集中程度大的區(qū)域，相對其它區(qū)域將出現(xiàn)震動波波速的正異常，其異常值由下式計算得到:

式中:An——正異常值；

VP——反演區(qū)域一點的震動波波速值；

——模型波速的平均值。

異常值與沖擊危險等級的對應關系見表1。

表1 正異常變化與沖擊危險之間的關系

圖6 己15＃-24080工作面正異常值分布

采用式 (1)計算得正異常值見表1和己15＃-24080工作面正異常值分布，見圖6，綜合直達波和滑行波大小分面區(qū)域，可確定3個主要的沖擊危險區(qū)域。一個位于從機巷切眼端頭斜向上延伸至風巷中部區(qū)域；一個位于靠近己四軌道下山的風巷一側區(qū)域；一個位于工作面中部靠機、風巷側。

綜合滑行波與直達波的正異常值分布及己15＃-24080工作面生產(chǎn)實際條件，確定5個沖擊危險區(qū)域:靠切眼機巷側A、靠風巷400m處E、工作面中部靠機巷側D、工作面中部靠風巷側B和靠己四軌道下山附近風巷側C。其中A、B、C為高沖擊危險區(qū)域，D、E為中等沖擊危險區(qū)域，見圖7。

2.3 現(xiàn)場驗證

2013年7月3日，采面在推進第2刀，如圖8所示，推到91?！?9＃支架處時，發(fā)生瓦斯超限，切眼探頭顯示濃度最大達到3.34%，上隅角達到4.7%，風巷里口探頭顯示達到1.36%，風巷外口探頭顯示1.69%。經(jīng)計算切眼涌出瓦斯量達247m3。經(jīng)現(xiàn)場勘查，采面在126?！?0＃支架之間煤壁片幫明顯，尤其是99?！?1＃支架之間尤為明顯，煤壁出現(xiàn)大量從上而下斜切縱向裂隙，裂隙寬約2～5mm，由此確定為由沖擊動力顯現(xiàn)引起的瓦斯超限現(xiàn)象。發(fā)生沖擊顯現(xiàn)的位置與直達波確定的高波速，即高應力區(qū)吻合，例如99＃架處直達波波速高達2.8km／s，說明通過礦山CT技術能夠準確探測高應力區(qū)，進而評價沖擊危險性。

3 結論

(1)針對己15＃-24080工作面實際條件，設計了礦山CT技術現(xiàn)場實施方案，采用兩批次采集方案能完全覆蓋工作面，且記錄震動波形信噪比較高，保證了監(jiān)測結果的準確性和全面性。

(2)結合己15＃-24080工作面頂?shù)装鍡l件，確定接收點記錄的首次到達波形為沿直接頂傳播的滑行波，之后到達的幅值較大、容易識別的震動信號為從煤層傳播至接收點的直達波。

(3)綜合滑行波與直達波的正異常值分布及生產(chǎn)實際條件，確定5個沖擊危險區(qū)域及其范圍。

(4)2013年7月3日，己15＃-24080工作面發(fā)生動力顯現(xiàn)，顯現(xiàn)位置與探測的高波速區(qū)吻合，說明礦山CT技術能夠準確探測高應力區(qū)，進而評價工作面沖擊危險性。

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