基于地震波CT技術(shù)煤層爆破卸壓效果檢驗(yàn)

元永國(guó)

(遼源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林　遼源　136201)

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·試驗(yàn)研究·

基于地震波CT技術(shù)煤層爆破卸壓效果檢驗(yàn)

元永國(guó)

(遼源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林遼源136201)

龍家堡礦410工作面的采深已接近1 000 m，目前時(shí)常發(fā)生較為明顯的動(dòng)力現(xiàn)象。為了降低沖擊地壓事故發(fā)生的概率，該礦采取了煤層爆破卸壓技術(shù)，但卸壓的效果還需要檢驗(yàn)。采用地震波CT技術(shù)對(duì)煤層爆破效果進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)該礦以后的煤層爆破卸壓具有積極的借鑒意義。

沖擊地壓；爆破卸壓；地震波CT技術(shù)

龍家堡礦410工作面的采深已接近1 000 m，目前時(shí)常發(fā)生較為明顯的動(dòng)力現(xiàn)象。為了降低沖擊地壓事故發(fā)生的概率，該礦采取了煤層爆破卸壓技術(shù)，但卸壓的效果還需要檢驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)的目的為單獨(dú)考察煤層爆破卸壓效果，因此，應(yīng)盡可能減少爆破前后其它可變因素的干擾(如采動(dòng)應(yīng)力的變化、斷頂?shù)绕渌Ｒ?guī)卸壓措施的實(shí)施)。同時(shí)應(yīng)考慮各種檢驗(yàn)方法的可靠性，方案設(shè)計(jì)應(yīng)便于實(shí)際工程的開(kāi)展，并在達(dá)到檢驗(yàn)效果的基礎(chǔ)上盡量減少工程量對(duì)正常生產(chǎn)的干擾。

1　PASAT-M探測(cè)系統(tǒng)布置方案設(shè)計(jì)

本次探測(cè)分兩輪進(jìn)行，第一輪在實(shí)驗(yàn)炮爆破前，第二輪在實(shí)驗(yàn)炮爆破后。且第二輪實(shí)驗(yàn)時(shí)激發(fā)端整體向遠(yuǎn)離工作面方向移動(dòng)1 m.

PASAT-M檢驗(yàn)爆破卸壓效果方案布置圖見(jiàn)圖1.由圖1可知，激發(fā)端位于410工作面回風(fēng)巷，采集端位于工作面運(yùn)輸巷，二者之間通過(guò)信號(hào)線連接。為提高追蹤射線密度，獲得更高的探測(cè)精度，綜合考慮設(shè)備能力、探測(cè)目的以及工作面現(xiàn)場(chǎng)條件，道間距(探頭間距)設(shè)計(jì)15 m，每次激發(fā)有12道同時(shí)接收，炮間距(炮孔間距)為5 m，共激發(fā)23炮。爆破卸壓實(shí)驗(yàn)位置位于激發(fā)點(diǎn)序列范圍內(nèi)。卸壓觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表1.

圖1　PASAT-M檢驗(yàn)爆破卸壓效果方案布置圖

表1　卸壓觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

2　探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.1卸壓前探測(cè)數(shù)據(jù)

本次探測(cè)410回風(fēng)巷走向范圍為115 m，起始點(diǎn)為距巷口102 m處，滿足對(duì)卸壓區(qū)域的覆蓋要求。爆破卸壓前實(shí)際觀測(cè)系統(tǒng)射線模擬效果圖見(jiàn)圖2.

圖2　實(shí)際觀測(cè)系統(tǒng)射線模擬效果圖(爆破卸壓前)

2.2卸壓后探測(cè)數(shù)據(jù)

卸壓后探測(cè)工作采用的相關(guān)參數(shù)與卸壓前保持一致，炮點(diǎn)位置整體遠(yuǎn)離工作面移動(dòng)1 m.本次探測(cè)410回風(fēng)巷走向范圍為115 m，起始點(diǎn)為距巷口101 m處，滿足對(duì)卸壓區(qū)域的覆蓋要求。爆破卸壓后實(shí)際觀測(cè)系統(tǒng)射線模擬效果圖見(jiàn)圖3.

圖3　實(shí)際觀測(cè)系統(tǒng)射線模擬效果圖(爆破卸壓后)

2.3波形數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)

從波形數(shù)據(jù)來(lái)看，本次實(shí)驗(yàn)效果整體良好，數(shù)據(jù)總量、數(shù)量以及覆蓋區(qū)域達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期，為后期的數(shù)據(jù)處理分析和圖像反演提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。爆破卸壓區(qū)域基本都被射線所覆蓋，并且密度較大。在震波接收側(cè)，由于道間距較大，410上巷邊緣區(qū)域存在較大面積的射線盲區(qū)，但該區(qū)域并不是本次探測(cè)所關(guān)注的重點(diǎn)區(qū)域。

3　數(shù)據(jù)分析與解釋

3.1卸壓前探測(cè)結(jié)果分析

卸壓前探測(cè)區(qū)域縱波波速異常系數(shù)分布圖見(jiàn)圖4，圖4中依次以白色到黑色，從小(淺)到大(深)來(lái)表示地震波縱波速度異常系數(shù)，探測(cè)區(qū)域內(nèi)波速正異常系數(shù)最小為-0.15，最大為0.4.不同區(qū)域煤體的波速異常系數(shù)差別反映了不同的物理學(xué)特性。

圖4　探測(cè)區(qū)域縱波波速異常系數(shù)分布圖(卸壓前)

從圖4可明顯看出3個(gè)主要波速異常區(qū)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件及相關(guān)礦壓理論可以有如下解釋：

1) 波速正異常區(qū)I：波速異常系數(shù)范圍為 0.07～0.25，為中等集中區(qū)。這是一沿煤層走向方向分布的高應(yīng)力帶，即側(cè)向支承壓力帶。由于該地區(qū)附近主要是卸壓帶，因此，上部巖層壓力必然轉(zhuǎn)移至該地區(qū)，致使其應(yīng)力增高。

2) 波速負(fù)異常區(qū)II：波速異常系數(shù)范圍為-0.15～0，屬于弱卸壓區(qū)。為一個(gè)貫穿整個(gè)工作面的條帶狀破碎區(qū)域，分布較為零散，破碎程度不同。在爆破卸壓后的反演波速CT切片中，這個(gè)特點(diǎn)顯現(xiàn)的一樣比較明顯。

3) 波速正異常區(qū)III：同I.

可見(jiàn)，爆破卸壓前探測(cè)范圍內(nèi)的煤巖性質(zhì)就已存在較大的差異性，尤其是巷道圍巖(煤)部分，這反應(yīng)出了工作面煤體的真實(shí)狀態(tài)。該征象主要為煤巖層構(gòu)成時(shí)自身的非均質(zhì)性和后期的采掘擾動(dòng)引發(fā)的。

3.2卸壓后探測(cè)成果分析

卸壓后探測(cè)區(qū)域縱波波速異常系數(shù)分布圖見(jiàn)圖5，圖5中同樣依次為白色到黑色，從小(淺)到大(深)來(lái)表示地震波縱波速度異常系數(shù)，探測(cè)區(qū)域內(nèi)波速正異常系數(shù)最小為-0.3，最大為0.4.卸壓炮孔位置已在圖5中標(biāo)出，可見(jiàn)，卸壓后的實(shí)際卸壓參數(shù)與波速異常區(qū)分布能夠比較好的吻合，異常區(qū)I、II、III分別對(duì)應(yīng)24 m、20 m、16 m 3組卸壓爆破區(qū)域。

圖5　探測(cè)區(qū)域縱波波速異常系數(shù)分布圖(卸壓后)

1) 16 m組卸壓炮形成卸壓區(qū)，煤巖體應(yīng)力沿煤層走向轉(zhuǎn)移至工作面端，卸壓區(qū)波速異常系數(shù)減小至-0.25～-0.15，低應(yīng)力區(qū)較明顯降低，甚至波及到巷道表面，可能對(duì)巷道主動(dòng)支護(hù)區(qū)產(chǎn)生較大影響。

2) 通過(guò)圖4和圖5對(duì)比可明顯看出，20 m組卸壓炮改變了該處的圍巖高應(yīng)力狀態(tài)，上覆巖層壓力轉(zhuǎn)移到周邊更大范圍的地區(qū)，圍巖附近波速異常系數(shù)為-0. 3～-0.15，降低了沖擊地壓危險(xiǎn)程度，說(shuō)明該參數(shù)設(shè)置比較合理。

3) 24 m組卸壓炮同樣產(chǎn)生了一定范圍的卸壓區(qū)域，但是高應(yīng)力異常區(qū)IV仍然存在，最大波速異常系數(shù)達(dá)0.4，這說(shuō)明該組卸壓炮并沒(méi)有完全起到調(diào)整圍巖近區(qū)的高應(yīng)力分布情況的作用。

4) 爆破后，相距5 m的鉆孔之間煤體能形成連續(xù)的低應(yīng)力區(qū)，說(shuō)明炮間距設(shè)計(jì)為5 m較為合理。

可見(jiàn)，爆破鉆孔的孔深并非越深越好，也不是越淺越好，為了達(dá)到既能降低高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力集中程度，又能避免巷道支護(hù)質(zhì)量受到顯著影響，爆破孔深度應(yīng)有一個(gè)合理的區(qū)間值。探測(cè)表明，采用20 m孔深和5 m孔距是相對(duì)合理的。

4　建　議

針對(duì)龍家堡煤礦目前嚴(yán)峻的防沖擊地壓形勢(shì)并結(jié)合上述分析，提出以下幾點(diǎn)建議：

1) 提高防沖工程質(zhì)量，尤其要提高煤層爆破封孔質(zhì)量，確保爆破效果和防止沖孔對(duì)巷道的破壞以及由此造成的安全隱患。

2) 煤層沖擊傾向性與注水時(shí)間有較大關(guān)系，應(yīng)充分考慮注水效果的時(shí)間效應(yīng)，建議進(jìn)行煤的室內(nèi)浸水實(shí)驗(yàn)，根據(jù)浸水實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定注水超前時(shí)間，并結(jié)合超前支承壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果和推進(jìn)度確定注水超前距離。

3) 目前，煤層卸壓爆破、大直徑卸壓和煤層注水已成為該礦沖擊地壓日常開(kāi)展的例行工作，但措施實(shí)施存在較大的盲目性，對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域和危險(xiǎn)時(shí)間不能做到動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，導(dǎo)致防治工作量大且效果不佳。建議配置地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和沖擊地壓應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊危險(xiǎn)性的連續(xù)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)和預(yù)警，根據(jù)危險(xiǎn)信息指導(dǎo)該礦開(kāi)展解危工作和撤離人員。

[1]劉中橋.煤礦沖擊地壓產(chǎn)生原因及防治措施[J].煤炭技術(shù)，2009(2):104-105.

[2]潘俊鋒,寧宇,秦子晗,等.基于沖擊啟動(dòng)理論的深孔區(qū)間爆破疏壓技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012(7)：1414-1421.

[3]周強(qiáng),杜濤濤,王書(shū)文.深部高應(yīng)力沖擊危險(xiǎn)性厚煤層沖擊地壓防治技術(shù)[G]∥中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)開(kāi)采專業(yè)委員會(huì)2012年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.北京：中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)開(kāi)采專業(yè)委員會(huì)，2014:351-357.

[4]于慶波,郭英杰,王書(shū)文,等.地震走時(shí)CT技術(shù)在沖擊危險(xiǎn)性預(yù)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].煤炭科技，2013(9)：117-119.

[5]李靜.煤礦沖擊地壓防治技術(shù)研究與應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),2012(2):69-71.

Inspection of Coal Seam Blasting Destressing Effect Based on Seismic Wave CT Technology

YUAN Yongguo

The mining depth of 410 working face in Longjiapu coal mine is close to 1 000 m. At present it often occurs more obvious dynamical phenomenon. In order to reduce the probability of rock burst accident, the coal seam blasting destressing technology is took, but the blasting effect test is needed. Seismic wave CT technology is adopted to test the blasting effect of coal seam. It has a positive significance for the coal subsequent coal seam blasting destressing.

Rock burst; Blasting destressing; Seismic wave CT Technology

2016-02-02

元永國(guó)(1979—)，男，朝鮮族，吉林四平人， 2008年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)，副教授，主要從事采礦、通風(fēng)安全教學(xué)研究工作(E-mail)502176104@qq.com

TD324

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1672-0652(2016)03-0040-03