彈性震動波CT透視技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用與分析

詹召偉 沈建波 蔡可強

(1.山東濟寧運河煤礦有限責任公司，山東省濟寧市，272155；2.山東濟礦魯能煤電股份有限公司陽城煤礦，山東省濟寧市，272155；3. 濟寧市金橋煤礦，山東省濟寧市，272155)

隨著煤礦開采深度的增加和資源條件的惡化，沖擊地壓已成為我國深部煤礦采掘所面臨的重大安全問題，且其發(fā)生的頻率和危害程度呈逐年上升趨勢。研究采場范圍煤巖體回采前靜載應(yīng)力分布規(guī)律，從而劃定應(yīng)力集中區(qū)及沖擊危險區(qū)域分區(qū)分級，對針對性制定沖擊地壓防治措施具有重要指導(dǎo)意義。

目前，沖擊地壓監(jiān)測手段主要包括靜載監(jiān)測與動載監(jiān)測兩種，動載監(jiān)測如微震監(jiān)測、地音監(jiān)測等，靜載監(jiān)測如鉆屑量監(jiān)測、煤體應(yīng)力監(jiān)測等。近年來，震動波CT技術(shù)作為一種新的地球物理方法被廣泛應(yīng)用于工程與地質(zhì)診斷，目前已成為井下采礦過程中勘探斷層、松動圈、隱藏裂隙、應(yīng)力狀態(tài)等方面的重要方法之一。根據(jù)其震源的來源不同，震動波CT技術(shù)可分為主動型和被動型兩種。

震動波主動CT技術(shù)是在回采工作面的一條巷道內(nèi)設(shè)置一系列震源，在另一條巷道內(nèi)設(shè)置一系列檢波器。當一條巷道內(nèi)人工放炮或機械激發(fā)產(chǎn)生震源并傳過工作面煤體后，另一條巷道內(nèi)的專用檢波設(shè)備接收到震源信號，并記錄震動波能量及到達時間等信息。根據(jù)人工震源傳遞過來的震動波初始到達時間可以重構(gòu)并反演工作面煤體內(nèi)震動波速度場分布規(guī)律。基于該探測數(shù)據(jù)進行深入分析，根據(jù)速度場的大小，可確定工作面范圍內(nèi)應(yīng)力場的大小，從而劃分出高應(yīng)力區(qū)和高沖擊地壓危險區(qū)域。

為了探測陽城煤礦3306回采工作面的應(yīng)力分布情況，提高沖擊地壓預(yù)警效果，采用彈性震動波主動CT技術(shù)對工作面煤體應(yīng)力分布情況進行探測，分別繪制出波速等值線圖，結(jié)合礦壓和地質(zhì)資料，得到綜合應(yīng)力成果圖，為工作面采取有效應(yīng)力轉(zhuǎn)移措施及開展卸壓工程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。本文基于震動波主動CT技術(shù)，針對3306回采工作面內(nèi)應(yīng)力分布情況，進行現(xiàn)場工程試驗，并針對試驗結(jié)果進行深入分析。

1 工程實施區(qū)域概況

3306工作面位于北三采區(qū)的北翼，3304工作面東部(下側(cè))，鄰近3304工作面布設(shè)，該工作面切眼鄰近DF143斷層，上下巷開門口位于三DF55斷層的上盤。3304工作面采空區(qū)沉降及三DF60、DF143斷層的存在將會引起礦壓變化，從而對該工作面的回采造成影響。工作面初采期間傾向長度210.6 m，回采期間傾向長度202.0 m，走向長度677.0 m。工作面主采煤層為3#煤層，工作面頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

本工作面所處地段煤巖層整體賦存形態(tài)為走向北東、傾向南東的單斜構(gòu)造。煤層傾角23°～27°,平均25°。工作面兩巷及切眼掘進期間，共計揭露斷層18條，均為正斷層，其中落差3.0 m以上的斷層9條，揭露的斷層構(gòu)造詳見表2。

表2 工作面揭露斷層構(gòu)造情況

2 工程實施方案

本次試驗設(shè)計走向探測范圍約600 m，激發(fā)端和接收端分別布置在工作面兩巷內(nèi)，具體位置可根據(jù)現(xiàn)場條件確定。為提高射線密度和射線投影角度，獲得更高的探測精度，綜合考慮設(shè)備能力和探測目的，觀測系統(tǒng)參數(shù)如下：

工作面運輸巷采用20通道同時接收，檢波器孔間距12 m；回風巷布置炮孔，炮孔間距9 m，共激發(fā)20炮(放炮順序從切眼向外，回風巷1～20炮孔編號依次實施)，如圖1所示。另外，1號檢波器和回風巷1號炮孔至工作面的距離設(shè)定為距煤壁5 m。

圖1 3306工作面震動波主動CT實施方案布置

為保證收集數(shù)據(jù)的準確性，在試驗過程中，測區(qū) 300 m 范圍需停止工作面所有機械震動和較大噪音的工作，確保巷道無較大噪聲干擾。探測設(shè)備安裝完畢并調(diào)試后，現(xiàn)場人員不得隨意觸碰，以免對探測結(jié)果產(chǎn)生影響。若根據(jù)現(xiàn)場實際安全需要，振動噪音難以避免，如瓦斯抽放、風機運轉(zhuǎn)等，可以通過加大爆破藥量的方式提高收集數(shù)據(jù)的信噪比。

3 工程試驗結(jié)果及分析

本次試驗期間，信號采樣系統(tǒng)采樣頻率為2000 Hz，檢波器工作頻段為5～1200 Hz，采樣長度為5 s，激發(fā)炮孔裝藥 200 g，采用短斷觸發(fā)方式，每次激發(fā)共有 18 炮接收，現(xiàn)場實際激發(fā) 15 炮，共接收有效數(shù)據(jù) 270 道。試驗工作面的彈性波射線分布情況如圖2所示。由圖 2 可以看出，由于5個炮未被激發(fā)，射線覆蓋范圍不夠，回風巷出現(xiàn)了少量三角形反演盲區(qū)。

3306工作面CT反演分布如圖 3所示，波速分布范圍為 2970～3770 m/s。不同區(qū)域煤體的波速差異性反映了物理力學特性及應(yīng)力狀態(tài)的差異性。

圖2 3306工作面射線分布示意圖

探測區(qū)域波速分布與常規(guī)礦壓理論中的工作面煤巖體應(yīng)力分布趨勢差別較大，這主要源于工作面煤巖結(jié)構(gòu)、斷層分布的復(fù)雜性。由圖3可以看出，工作面內(nèi)斷層及采掘情況對應(yīng)力分布產(chǎn)生重要影響，DF60斷層中間及兩側(cè)均出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中區(qū)，2#切眼處的A、B區(qū)域受斷層影響，應(yīng)力較大，經(jīng)施工大直徑卸壓鉆孔后，該區(qū)域整體應(yīng)力集中水平有明顯降低；2#切眼外回風巷 60～80 m、135～230 m范圍內(nèi)分別為C、E區(qū)域，緊鄰巷幫下方區(qū)域有明顯應(yīng)力上升，根據(jù)地面沉降觀測發(fā)現(xiàn)鄰近3304采空區(qū)地面出現(xiàn)最大1.7 m的沉降，說明該區(qū)域上覆巖層運移較為活躍，從而導(dǎo)致E區(qū)域應(yīng)力上升明顯。2#切眼外運輸巷200～220 m 范圍為 D 區(qū)域，據(jù)分析發(fā)現(xiàn)此區(qū)域巷道埋深達到870 m，屬于深埋巷道，且附近存在有部分斷層構(gòu)造，受上述因素影響，該區(qū)域存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖3 3306工作面CT反演圖

一般而言，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜的區(qū)域容易形成應(yīng)力集中，其層理、節(jié)理等弱結(jié)構(gòu)分布密集，曲面多，變化大，結(jié)構(gòu)面本身強度相對較低，極易發(fā)生滑移失穩(wěn)，增大了沖擊危險性。低波速區(qū)域的煤層一般較厚且松散或含矸比例相對變小，開采時應(yīng)及時支護頂板，防止工作面前片幫冒頂。波速明顯增高區(qū)域的煤層變薄或含矸比例增加，結(jié)構(gòu)面更為發(fā)育，應(yīng)力集中概率增大。

根據(jù)震動波主動CT反演的整體結(jié)果，綜合分析掘進擾動、構(gòu)造、卸壓工程等因素的復(fù)合影響，在當前工作面受力條件下，3306 工作面回風巷的整體壓力普遍高于運輸巷，應(yīng)力分布受斷層、采空區(qū)、卸壓、采動影響明顯；在新2#切眼外回風巷60～80 m、135～230 m范圍內(nèi)應(yīng)力集中明顯。

結(jié)合震動波主動CT探測結(jié)果，運用SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)對工作面微震事件進行監(jiān)測，通過所收集的微震數(shù)據(jù)分析來看，3306工作面區(qū)域共監(jiān)測到有效微震事件672次，微震總能量7.5×105J；能量大于104J震動事件3次，單次微震最大能量為6.07×104J，發(fā)生于2#切眼后35 m，震源標高為-863 m，該處煤層底板標高-845 m，煤層厚度7.5 m，震源位于距離煤層10.5 m左右的頂板巖層中。上述微震事件多發(fā)區(qū)域與此次反演結(jié)果中高應(yīng)力分布區(qū)域比較吻合，說明震動波主動CT技術(shù)對于探測煤層高應(yīng)力區(qū)域分布規(guī)律具有較好的適用性。

震動波主動CT技術(shù)探測得出的應(yīng)力集中區(qū)在下一步的回采過程中可以采取頂板預(yù)裂爆破、煤體大直徑鉆孔卸壓以及煤體深孔爆破等技術(shù)針對性地采取卸壓措施，確保工作面安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

(1)通過震動波主動CT技術(shù)對3306工作面內(nèi)應(yīng)力分布進行的現(xiàn)場試驗結(jié)果來看，高波速區(qū)所處的位置分布存在斷層、煤層變薄或含矸比例增大等地質(zhì)因素。

(2)微震集中分布區(qū)多處于震動波主動CT所顯示的煤層應(yīng)力集中區(qū)域，說明該技術(shù)對于高應(yīng)力集中區(qū)域的探測效果良好。

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