基于矿山CT技术的工作面冲击矿压危险性评价研究

寇建新 巩思园

(1.中国平煤神马集团能源化工研究院，河南省平顶山市，467000；2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221116)

目前煤矿冲击矿压已经开展了一定的研究工作，取得了部分研究成果，但是这些方法都不能精确给出大范围开采区域内工作面回采过程中的冲击危险分布。传统的钻屑法和电磁辐射监测法为点的局部监测方法，都是煤岩体在应力作用下的表征量，与应力不存在直接的对应关系，虽然采动应力监测法能够测量应力大小，但测量区域有限，不能获得大范围煤岩体的应力特征。因此，传统监测手段无法得到大范围采掘区域的应力信息。已有实验室研究发现，在单轴及循环载荷条件下，震动波速与应力间存在正相关关系，而冲击地压或强矿震本质上是煤岩体在应力作用下的表现，所以通过反演震动波速可大范围研究煤岩体内的应力分布特征。由于微震破裂产生的弹性波传播距离较远，在传播过程中携带了煤岩体内的大量信息，所以采用矿山CT技术可获得工作面内的波速和应力分布特征，从而实现冲击危险区域划分。

1 矿山CT施工方案及现场试验与监测

1.1 工作面概况

己15＃-24080采面位于十矿己四采区西翼第三阶段。工作面东靠己四轨道下山、瓦斯专排巷、运输机下山；西至26勘探线；南为己15＃-24060采空区；北未开采。工作面有效走向长1579m，切眼斜长215.4m，圈定储量97.8万t。

工作面所采煤层为己15＃煤层，己15＃煤层均厚2.2m。外段己15＃煤层与己16＃煤层合层，里段分开。自机巷口至1000m为合层区，煤厚在3.5m左右。己15＃煤层与己16＃煤层夹矸厚度到切眼处达7m以上。工作面贯通后，河南省煤田地质局物探测量队采用无线电波坑透法对该工作面进行了勘探工作。在工作面风巷、机巷及附近均有断层揭露，断层落差在0.3～4.0m之间。工作面构造较为复杂，落差大于1.0m的断层共有8条(落差2m以上断层2条)，编号f1～f8。工作面己15＃煤层直接顶板为2.0～4.6m厚的砂质泥岩含薄层状炭质泥岩，其上为大于18m厚的细至中粒砂岩。己15＃直接底板为泥岩，厚0～7.5m，东薄西厚，其下为1.2～1.6m厚的己16＃煤层。己16＃底板为1.1～1.5m 的泥岩，其下为2.2～2.7m厚的己17＃煤层，再下为大于20m的砂质泥岩及灰岩。

1.2 现场数据采集

本次施工过程中所采用的仪器设备为GeoPen SE2404NT地震勘探仪，仪器配备主机1台，发爆器1台，采集站11个，数传地震电缆线12条，每条电缆线有12个接收点通道。设备铺设后最大监测范围为1572m。此次施工的24080工作面长度约1700m，故采取分批次采集方式。考虑到实际施工工作量，为尽可能对己15＃-24080工作面内应力分布状态进行精细和全面的探测，在机巷布置接收点 (探头)，接收点间距设定为7m (实际依照现场条件调整)，共布置222个，编号从左至右为7＃～228＃；在风巷中布设激发点 (放炮点)，激发点间距16m (实际依照现场条件调整)，共布置103个，编号从西至东为1＃～103＃，见图1。其中风巷放炮点1＃～52＃为第一批次震源，机巷监测点7＃～138＃为第一批次接收点；风巷53＃～103＃为第二批次震源，机巷监测点103＃～228＃为第二批次震动波接收点。由于现场个别区域安装条件不利，107＃和108＃点上未能放置接收点。风巷放炮炮眼孔深1.8m，装药量200g。

图1 己15＃-24080工作矿山CT观测布置方案

图2(a)为爆破后机巷一侧接收的波形信号，震动信号非常清楚，易于标记震动波波形初至时刻。图2(b)为信噪比分析结果，图中背景色深浅标识信号信噪比大小，颜色越深表示信噪比越低，颜色越浅表示信噪比越高。可以看出，初至到时具有较高的信噪比，利于到时标记分析。

1.3 煤岩层中震动波传播原理及波形识别

煤层赋存具有典型的顶板-煤层-底板结构，顶板和底板多为砂岩，比煤层坚硬，密度和波速相差明显。因此，可以确定首先到达的应是从顶底板岩石中传播的震动波，之后才是从煤层自身传播而来的震动波。

根据己15＃-24080工作面综合柱状图，己15＃煤层底板为泥岩和己16＃煤层，相对顶板岩性完整度较差，波速较低，因此可首先确定记录的震动波形中初次到达的是从顶板中传播过来的纵波，如图3。假设老顶中粒砂岩纵波波速4200m／s(按砂岩最大值取)，直接顶砂质泥岩纵波波速4000m／s，己16＃煤层纵波波速1600m／s，直接底泥岩纵波波速3500m／s，理论计算可知，震动波沿工作面倾向从煤层透射至直接顶并由老顶反射回接收点耗时60.9ms；沿工作面倾向，震动波从己15＃煤层传播至检波器最短用时134.4ms；震动波从己15＃煤层经沿煤岩边界传播至接收点最短用时54.9ms，震动波从己15＃煤层穿过直接顶沿老顶分界面传播至接收点耗时53.7ms。可以看出震动波沿直接顶和老顶岩层传播的首次到时相差较小，由于波速还受应力以及煤层上覆岩层赋存厚度与岩性等复杂因素影响，确定大部分记录的首次到时波形应是沿己15＃煤层与直接顶分界面或老顶界面传播的震动波，而沿倾向煤层直接传播至传感器的震动波则要滞后80ms。考虑到透射产生的能量损耗，易带来标记上的困难，尤其是对传播距离较远的接收点，且两者到时相差极小，故确定记录通道上的首次到达波形为沿直接顶传播的滑行波，之后到达且幅值较大又容易识别的震动信号为从煤层传播至接收点的直达波。

图2 CT试验记录的震动炮波形及信噪比分析

图3 风巷放炮后激发的震动波穿过不同煤岩层用时最短传播路径示意图

图4为选取的部分第一批次和第二批次中震动炮信号，利用Vista seismic image软件，人工判断拾取了滑行波和直达波的初至到时，图中矩形标注分别指示沿直接顶传播的滑行波到时标记虚线和沿煤层传播的直达波到时标记实线。图4(a)为第一批次32＃震动炮在工作面倾向上垂直相交机巷一侧77＃接收点位置，该接收点记录的滑行波初至到时为61.2ms，沿煤层传播直达波初至到时为134.4ms；图4(b)为第二批次65＃震动炮在工作面倾向上垂直相交机巷一侧152＃接收点位置，该接收点记录的滑行波初至到时为61.2ms，沿煤层传播直达波初至到时为133.4ms。从理论估计和实际记录的时间来看，基本满足图3中描述的震动波传播规律。

因此本论文将综合采用滑行波和直达波反演直接顶和煤层中的波速分布，从而借助应力与波速的试验关系评价己15＃-24080工作面的冲击危险分布。

2 工作面的冲击危险评价

2.1 己15＃-24080工作面波速反演

由于己15＃煤层较薄，滑行波穿过煤体的距离很短，其到时主要由滑行波在直接顶中传播的时间决定。因此，考虑到采用射线弯曲算法的时间成本，简化滑行波速模型，采用二维模型进行计算。由于直达波只在煤体中传播，岩石性质未发生明显变化，也采用二维模型计算。利用上述模型，程序采用SIRT迭代算法，根据理论计算和标记到时之差不断调整波速，最终通过计算获得如图5所示的己15＃-24080工作面滑行波和直达波波速分布图，可以看出两种波的波速分布一致，即顶板中波速较高的地方，煤层中波速也较高，同理直接顶中低波速区也对应煤层中的低波速区。结合顶板和煤层中的波速可大致确定工作面两侧较中间波速高。

2.2 己15＃-24080工作面危险区域划定

研究表明，冲击矿压的发生需要同时满足强度条件、能量条件和冲击倾向性条件，即三准则理论。当煤岩体所受的应力超过煤岩体本身的强度极限，即满足强度条件，才有可能发生冲击矿压。由于应力与震动波速的关系，所以通过波速可以反应出强度条件。对同一性质的岩石来说，震动波速越高，所受应力越大，超过其煤岩体强度的可能性就越大，冲击危险性就越高。矿震的动力扰动对冲击破坏同样起到控制作用，上覆岩层破断所释放的能量越大，产生的动载荷就越大，与应力集中区域上的煤体叠加作用后，就很容易造成煤体的动力失稳。震源能量越大，传播到煤体介质质点速度的峰值速度就越大，动载荷就越高，越容易形成冲击。对于矿山CT反演得到的波速越高的区域，载荷也越大，这些区域受到强矿震扰动比其它低波速区域就更容易形成冲击矿压。

应力高且集中程度大的区域，相对其它区域将出现震动波波速的正异常，其异常值由下式计算得到:

式中:An——正异常值；

VP——反演区域一点的震动波波速值；

——模型波速的平均值。

异常值与冲击危险等级的对应关系见表1。

表1 正异常变化与冲击危险之间的关系

图6 己15＃-24080工作面正异常值分布

采用式 (1)计算得正异常值见表1和己15＃-24080工作面正异常值分布，见图6，综合直达波和滑行波大小分面区域，可确定3个主要的冲击危险区域。一个位于从机巷切眼端头斜向上延伸至风巷中部区域；一个位于靠近己四轨道下山的风巷一侧区域；一个位于工作面中部靠机、风巷侧。

综合滑行波与直达波的正异常值分布及己15＃-24080工作面生产实际条件，确定5个冲击危险区域:靠切眼机巷侧A、靠风巷400m处E、工作面中部靠机巷侧D、工作面中部靠风巷侧B和靠己四轨道下山附近风巷侧C。其中A、B、C为高冲击危险区域，D、E为中等冲击危险区域，见图7。

2.3 现场验证

2013年7月3日，采面在推进第2刀，如图8所示，推到91＃～99＃支架处时，发生瓦斯超限，切眼探头显示浓度最大达到3.34%，上隅角达到4.7%，风巷里口探头显示达到1.36%，风巷外口探头显示1.69%。经计算切眼涌出瓦斯量达247m3。经现场勘查，采面在126＃～70＃支架之间煤壁片帮明显，尤其是99＃～71＃支架之间尤为明显，煤壁出现大量从上而下斜切纵向裂隙，裂隙宽约2～5mm，由此确定为由冲击动力显现引起的瓦斯超限现象。发生冲击显现的位置与直达波确定的高波速，即高应力区吻合，例如99＃架处直达波波速高达2.8km／s，说明通过矿山CT技术能够准确探测高应力区，进而评价冲击危险性。

3 结论

(1)针对己15＃-24080工作面实际条件，设计了矿山CT技术现场实施方案，采用两批次采集方案能完全覆盖工作面，且记录震动波形信噪比较高，保证了监测结果的准确性和全面性。

(2)结合己15＃-24080工作面顶底板条件，确定接收点记录的首次到达波形为沿直接顶传播的滑行波，之后到达的幅值较大、容易识别的震动信号为从煤层传播至接收点的直达波。

(3)综合滑行波与直达波的正异常值分布及生产实际条件，确定5个冲击危险区域及其范围。

(4)2013年7月3日，己15＃-24080工作面发生动力显现，显现位置与探测的高波速区吻合，说明矿山CT技术能够准确探测高应力区，进而评价工作面冲击危险性。

[1]窦林名，何学秋.冲击矿压防治理论与技术[M].徐州:中国矿业大学出版社，2001

[2]寇建新，吕有厂，李宏杰.深井多煤层联合开采微震类型分析[J].中国煤炭，2011(11)

[3]巩思园，窦林名等.深部冲击倾向煤岩循环加卸载的纵波波速与应力关系试验研究[J].岩土力学，2012 (1)

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