弹性震动波CT透视技术现场应用与分析

詹召伟 沈建波 蔡可强

(1.山东济宁运河煤矿有限责任公司，山东省济宁市，272155；2.山东济矿鲁能煤电股份有限公司阳城煤矿，山东省济宁市，272155；3. 济宁市金桥煤矿，山东省济宁市，272155)

随着煤矿开采深度的增加和资源条件的恶化，冲击地压已成为我国深部煤矿采掘所面临的重大安全问题，且其发生的频率和危害程度呈逐年上升趋势。研究采场范围煤岩体回采前静载应力分布规律，从而划定应力集中区及冲击危险区域分区分级，对针对性制定冲击地压防治措施具有重要指导意义。

目前，冲击地压监测手段主要包括静载监测与动载监测两种，动载监测如微震监测、地音监测等，静载监测如钻屑量监测、煤体应力监测等。近年来，震动波CT技术作为一种新的地球物理方法被广泛应用于工程与地质诊断，目前已成为井下采矿过程中勘探断层、松动圈、隐藏裂隙、应力状态等方面的重要方法之一。根据其震源的来源不同，震动波CT技术可分为主动型和被动型两种。

震动波主动CT技术是在回采工作面的一条巷道内设置一系列震源，在另一条巷道内设置一系列检波器。当一条巷道内人工放炮或机械激发产生震源并传过工作面煤体后，另一条巷道内的专用检波设备接收到震源信号，并记录震动波能量及到达时间等信息。根据人工震源传递过来的震动波初始到达时间可以重构并反演工作面煤体内震动波速度场分布规律。基于该探测数据进行深入分析，根据速度场的大小，可确定工作面范围内应力场的大小，从而划分出高应力区和高冲击地压危险区域。

为了探测阳城煤矿3306回采工作面的应力分布情况，提高冲击地压预警效果，采用弹性震动波主动CT技术对工作面煤体应力分布情况进行探测，分别绘制出波速等值线图，结合矿压和地质资料，得到综合应力成果图，为工作面采取有效应力转移措施及开展卸压工程提供基础数据支撑。本文基于震动波主动CT技术，针对3306回采工作面内应力分布情况，进行现场工程试验，并针对试验结果进行深入分析。

1 工程实施区域概况

3306工作面位于北三采区的北翼，3304工作面东部(下侧)，邻近3304工作面布设，该工作面切眼邻近DF143断层，上下巷开门口位于三DF55断层的上盘。3304工作面采空区沉降及三DF60、DF143断层的存在将会引起矿压变化，从而对该工作面的回采造成影响。工作面初采期间倾向长度210.6 m，回采期间倾向长度202.0 m，走向长度677.0 m。工作面主采煤层为3#煤层，工作面顶底板情况如表1所示。

表1 煤层顶底板情况

本工作面所处地段煤岩层整体赋存形态为走向北东、倾向南东的单斜构造。煤层倾角23°～27°,平均25°。工作面两巷及切眼掘进期间，共计揭露断层18条，均为正断层，其中落差3.0 m以上的断层9条，揭露的断层构造详见表2。

表2 工作面揭露断层构造情况

2 工程实施方案

本次试验设计走向探测范围约600 m，激发端和接收端分别布置在工作面两巷内，具体位置可根据现场条件确定。为提高射线密度和射线投影角度，获得更高的探测精度，综合考虑设备能力和探测目的，观测系统参数如下：

工作面运输巷采用20通道同时接收，检波器孔间距12 m；回风巷布置炮孔，炮孔间距9 m，共激发20炮(放炮顺序从切眼向外，回风巷1～20炮孔编号依次实施)，如图1所示。另外，1号检波器和回风巷1号炮孔至工作面的距离设定为距煤壁5 m。

图1 3306工作面震动波主动CT实施方案布置

为保证收集数据的准确性，在试验过程中，测区 300 m 范围需停止工作面所有机械震动和较大噪音的工作，确保巷道无较大噪声干扰。探测设备安装完毕并调试后，现场人员不得随意触碰，以免对探测结果产生影响。若根据现场实际安全需要，振动噪音难以避免，如瓦斯抽放、风机运转等，可以通过加大爆破药量的方式提高收集数据的信噪比。

3 工程试验结果及分析

本次试验期间，信号采样系统采样频率为2000 Hz，检波器工作频段为5～1200 Hz，采样长度为5 s，激发炮孔装药 200 g，采用短断触发方式，每次激发共有 18 炮接收，现场实际激发 15 炮，共接收有效数据 270 道。试验工作面的弹性波射线分布情况如图2所示。由图 2 可以看出，由于5个炮未被激发，射线覆盖范围不够，回风巷出现了少量三角形反演盲区。

3306工作面CT反演分布如图 3所示，波速分布范围为 2970～3770 m/s。不同区域煤体的波速差异性反映了物理力学特性及应力状态的差异性。

图2 3306工作面射线分布示意图

探测区域波速分布与常规矿压理论中的工作面煤岩体应力分布趋势差别较大，这主要源于工作面煤岩结构、断层分布的复杂性。由图3可以看出，工作面内断层及采掘情况对应力分布产生重要影响，DF60断层中间及两侧均出现了不同程度的应力集中区，2#切眼处的A、B区域受断层影响，应力较大，经施工大直径卸压钻孔后，该区域整体应力集中水平有明显降低；2#切眼外回风巷 60～80 m、135～230 m范围内分别为C、E区域，紧邻巷帮下方区域有明显应力上升，根据地面沉降观测发现邻近3304采空区地面出现最大1.7 m的沉降，说明该区域上覆岩层运移较为活跃，从而导致E区域应力上升明显。2#切眼外运输巷200～220 m 范围为 D 区域，据分析发现此区域巷道埋深达到870 m，属于深埋巷道，且附近存在有部分断层构造，受上述因素影响，该区域存在局部应力集中现象。

图3 3306工作面CT反演图

一般而言，煤层结构复杂的区域容易形成应力集中，其层理、节理等弱结构分布密集，曲面多，变化大，结构面本身强度相对较低，极易发生滑移失稳，增大了冲击危险性。低波速区域的煤层一般较厚且松散或含矸比例相对变小，开采时应及时支护顶板，防止工作面前片帮冒顶。波速明显增高区域的煤层变薄或含矸比例增加，结构面更为发育，应力集中概率增大。

根据震动波主动CT反演的整体结果，综合分析掘进扰动、构造、卸压工程等因素的复合影响，在当前工作面受力条件下，3306 工作面回风巷的整体压力普遍高于运输巷，应力分布受断层、采空区、卸压、采动影响明显；在新2#切眼外回风巷60～80 m、135～230 m范围内应力集中明显。

结合震动波主动CT探测结果，运用SOS微震监测系统对工作面微震事件进行监测，通过所收集的微震数据分析来看，3306工作面区域共监测到有效微震事件672次，微震总能量7.5×105J；能量大于104J震动事件3次，单次微震最大能量为6.07×104J，发生于2#切眼后35 m，震源标高为-863 m，该处煤层底板标高-845 m，煤层厚度7.5 m，震源位于距离煤层10.5 m左右的顶板岩层中。上述微震事件多发区域与此次反演结果中高应力分布区域比较吻合，说明震动波主动CT技术对于探测煤层高应力区域分布规律具有较好的适用性。

震动波主动CT技术探测得出的应力集中区在下一步的回采过程中可以采取顶板预裂爆破、煤体大直径钻孔卸压以及煤体深孔爆破等技术针对性地采取卸压措施，确保工作面安全生产。

4 结论

(1)通过震动波主动CT技术对3306工作面内应力分布进行的现场试验结果来看，高波速区所处的位置分布存在断层、煤层变薄或含矸比例增大等地质因素。

(2)微震集中分布区多处于震动波主动CT所显示的煤层应力集中区域，说明该技术对于高应力集中区域的探测效果良好。

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