基于地震CT探测的小庄矿工作面冲击危险性评价及防治

昝军才 陈跟马 高永刚 贾增林 卢 科

(1.陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西省咸阳市，713508；2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013)

冲击地压本质上是由于开采及地质条件下煤岩体应力的过度集中所引起，因此，对煤岩体应力分布的研究是评价冲击危险性的基础。目前，矿压监测方法主要有岩石力学方法和地球物理学方法，前者现场常用的包括钻屑法和煤体应力监测法，后者有微震法、声发射法和电磁辐射法等。近年来，随着物探技术的快速发展，应用领域也不断扩大，利用地震CT探测技术探明冲击危险源分布特征及危险程度已较为普遍。

本文基于震波CT探测技术，进行小庄煤矿40204工作面的冲击危险性评价，探明了小庄煤矿40204工作面冲击危险性区域，划分危险等级，并分析了导致冲击危险性升高的原因。根据探测结果，有重点地开展煤层爆破卸压措施，提升了冲击地压防治效率与效果。

1 地震CT探测技术

1.1 基本原理

地震CT(地震波层析成像技术)主要根据地震波走时或地震波场观测数据对地球介质进行反演，获取探测区域内部介质的波速或衰减系数等，依据一定的物理和数学关系反演物体内部物理量的分布，最后得到清晰的、不重叠的分布图形，从而识别探测区域内部的结构及力学性质。当把介质划分为一系列小矩形网格时，可以通过一个高频近似走时成像的公式表示：

(1)

式中：ti——第i条射线的观测走时，ms；

sj——第j个网格的慢度，ms/m；

dij——第j条射线在第i个网格中的射线路径长度，m。

1.2 探测设备

探测设备为波兰引进的24通道PASAT-M型便携式微震探测系统。该系统具有体积小、重量轻、施工方便等特点。配备的检波器运用压电式原理，具备精度高、响应频谱宽(5～10000 Hz)等优点，有效避免了因响应频率过窄而造成的震波数据丢失问题。

1.3 数据处理

在震动波传播过程中，传播方向上的应力、质点速度和波速间的关系如下所示：

式中：σ——纵波作用产生的正应力，MPa；

τ——横波作用产生的剪应力，MPa；

ρ——介质密度，kg/m3；

νp、νs——纵、横波引起的质点震动速度，m/s；

VP、Vs——纵、横波波速，m/s。

对于探测范围内的煤岩体，波速相对较高区域一般分布于致密完整的煤岩体处、应力集中以及煤层变薄区域；波速较低区域主要分布在破碎煤岩体处、应力松弛区。也就是说，对探测范围内的煤岩层，若内部无异常区域，地震波的传播速度应是近似均匀的，只有当有应力异常或地质结构存在时，该区域将在反演结果中表现出波速的异常。

2 探测区域概况

40204工作面位于小庄矿二盘区，东西走向布置，南邻40203工作面采空区，北面为实体煤。工作面走向长1801 m，宽195 m，面积351195.5 m2，煤层埋深约为520～690 m。该工作面主采4#煤层，区域内煤层赋存较为稳定，厚度为21～23.5 m，煤层北厚南薄。老顶为粗砂岩、含砾粗砂岩，厚约7～8 m，厚层状，属半坚硬类较稳定型。直接顶主要为黑色砂质泥岩，厚约8 m。直接底主要为泥岩，致密块状，厚度约3～4 m。该工作面煤层产状呈单斜构造，工作面内地层产状较为稳定，倾向近北方向，倾角约3°～4°。

3 实际探测系统布置

综合考虑二盘区40204工作面动力显现区域分布情况及周围开采环境，并根据现场实际情况和设备探测能力，将40204工作面分为4个区域进行探测，每个区域的探测长度约为408 m，已完成1#、2#和3#区域的探测。在这3个区域共计实施激发震源223炮，获得震波数据4743道。回风巷探测范围约为1258 m，运输巷探测范围约1219 m，探测面积约241455 m2。试验过程中设定采样频率为2000 Hz，检波器工作频段5～10000 Hz，增益40 dB，采样间隔为0.6 s，激发孔每孔200 g炸药，短断触发。40204工作面探测区域实际观测系统布置及射线模拟如图1和图2所示。

图1 40204工作面探测区域实际观测系统布置图

图2 40204工作面探测区域射线模拟效果图

4 数据质量评价

40204工作面1#探测区域部分实测地震波形数据如图3所示。从波形上看，同相轴连续性较好，波形数据初至位置明显，基本满足拾取初至波的要求。

图3 1#探测区域部分地震波形数据(1-115道)

40204工作面1#探测区域震波数据的散点图见图4，从图4中可以看出，散点拟合度高，可决系数达到0.9864。表明整体上煤岩体完整性高，顶底板纵波平均波速约为3.17 m/ms。

图4 40204工作面1#探测区域震波数据散点图

5 工作面探测区域冲击危险性分析

5.1 煤岩层冲击危险区域划定

40204工作面探测区域冲击危险性指数分布图见图5，图中以蓝色到红色从小到大来代表探测区域内冲击危险性指数，区域内最大值为0.75，最小值为0。从图中可见测区内的煤岩体总体上处于弱冲击危险等级。

根据图5冲击危险性指数分布情况划分40204工作面探测区域煤岩层冲击危险区域，结果如图6所示，分别用红色、橙色、黄色阴影线表示具有强、中等、弱冲击危险的区域，并标出走向尺寸。

5.2 巷道冲击危险划定

40204工作面冲击危险区域及危险等级的判定是冲击地压危险性评价的重点。根据现场探测煤岩体冲击危险区域分布情况及其与巷帮间的距离，划定了40204工作面探测区域巷道冲击危险区域，如图7所示，冲击危险等级划分为：ⅲ-1、ⅲ-2、ⅲ-3、ⅲ-4为中等，ⅱ-1、ⅱ-2、ⅱ-3、ⅱ-4、ⅱ-5、ⅱ-6、ⅱ-7、ⅱ-8、ⅱ-9为弱。

40204运输巷无强冲击危险区域；中等冲击危险区域有3处，位置为距工作面0～52 m范围、433～495 m范围、1128～1172 m范围；弱冲击危险区域有3处，位置为距工作面52～238 m、332～433 m、1003～1102 m范围。

40204工作面无强冲击危险区域；中等冲击危险区域有1处，位置为距胶带巷端头0～88 m范围；无弱冲击危险区域。

40204回风巷无强冲击危险区域；无中等冲击危险区域；弱冲击危险区域有6处，位置分别为距工作面0～59 m、92～141 m、200～255 m、268～359 m、657～676 m、862～908 m范围。

5.3 冲击危险区域形成原因分析

40204工作面冲击危险区域多分布于运输巷一侧。在相邻40203工作面回采后局部采空区上部存在悬顶，在采空区外侧形成支承压力区，28.6 m宽的阶段煤柱的留设使得40204运输巷处于侧向支承压力的影响，导致其应力水平有所升高。但由于不同区域40203工作面采空区上顶板垮落情况不同，所以危险程度有所差异。探测期间，40204工作面刚好回采至40203工作面采空区切眼“拐角”煤柱附近，受“拐角”煤柱和工作面超前支承压力的叠加影响，40204运输巷前方52 m具有中等冲击危险，且冲击危险性强于回风巷的工作面超前区域。随着工作面推进将会不断前移，当与其他冲击危险区域重叠时，冲击危险性将进一步升高。但40204工作面回采进入至40203采空区后，无“拐角煤柱”的影响运输巷的冲击危险性则会有所降低。

图5 40204工作面探测区域冲击危险性指数分布图

图6 40204工作面探测区域煤岩冲击危险区范围

图7 40204工作面探测区域巷道冲击危险区范围

6 卸压措施

依据地震CT探测结果，有针对性地在冲击危险程度不同的区域内开展卸压工程，在40204工作面运输巷两帮采取爆破卸压措施，爆破卸压措施示意图见图8。其中，炮孔间距3 m，孔深12 m，装药4 kg。为保证施工安全，帮部卸压区域超前工作面300 m以上。

在冲击危险性强的区域，通过加大爆破钻孔密度、深度以及增加药量达到预期效果。因此不仅减少了施工量，而且卸压效果更为显著。目前该工作面已经顺利回采800 m。

图8 爆破卸压措施示意图

7 结论

(1)基于冲击危险性评价模型判断得出，在探测期间，40204工作面探测区域内的煤岩层总体处于弱冲击危险等级。

(2)40204运输巷无强冲击危险区域，中等冲击危险区域有3处，弱冲击危险区域有3处。40204工作面无强冲击危险区域，中等冲击危险区域有1处，无弱冲击危险区域。40204回风巷无强冲击危险区域，无中等冲击危险区域，弱冲击危险区域有6处。

(3) 由于受到40203工作面回风巷一侧28.6 m宽阶段煤柱及其上部坚硬老顶的影响，导致40204工作面冲击危险区域多分布于运输巷一侧，而回风巷侧冲击危险区域的面积要小得多。

(4)采空区侧向支承压力、工作面超前支承压力以及相邻采空区切眼附近“拐角”煤柱的影响是40204工作面冲击危险性升高的主要原因。随着工作面的推进，超前支撑压力区迁移与其他冲击危险区域叠加，将加重冲击危险程度。根据探测结果有重点地开展卸压措施，提升了冲击地压防治效率与效果。