深部冲击危险工作面主被一体化波速反演预警技术

郭林生，李成海，王继超，赵慧杰，巩思园，马志锋

(1.陕西彬长矿业集团有限公司，陕西 彬州 713500；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 徐州 221116；3.徐州弘毅科技发展有限公司，江苏 徐州 221008；4.济宁矿业集团有限公司，山东 济宁 272000；5.兖州煤业股份有限公司，山东 邹城 273500)

近年来，煤矿开采深度及强度日益加大，以冲击地压为代表的煤岩动力灾害也愈发突显[1-4]。冲击危险的监测预警是实现深部工作面安全开采的重要保证[5-8]，常用的监测冲击地压的方法包括微震、电磁辐射、声发射、应力在线以及钻屑量判别等监测方法[9-14]。由于冲击地压本质上是煤岩体因应力作用而发生的动力表现，而应力大小与纵波(P波)波速又存在正比例关系，因此，通过层析成像(CT)法反演纵波波速得到煤岩体内的应力分布规律，已成为冲击地压监测预警中最迫切的研究方向[15，16]。其中，国内研究学者主要针对主动震动波CT监测技术进行研究，而国外研究学者在被动震动波CT技术进行了大量研究，研究结果均表明CT监测技术对探测井下冲击地压危险区域以及强矿震危险分布具有广泛的应用性、可行性[17-20]。

目前，对井下局部采掘工作面震动波监测以及CT反演预警的技术研究较少，且现存的反演技术反演周期长、效率低以及操作相对繁琐。因此，本文所介绍的主被一体波速反演预警技术，反演周期短且准确率高，着重对深部冲击危险工作面回采期间高应力分布区域以及冲击地压危险区域进行划分，并由特定的预警指标确定危险等级。基于该技术，本文提出监测区域单日应力反演与连续六日应力反演相比较的研究方法，对深部冲击危险工作面应力分布规律以及冲击地压监测预警进行深入研究。

1 主被一体反演预警技术

根据矿山震动波传播速度与煤岩层应力分布的关系，对煤岩层高应力集中区以及冲击地压危险区域进行监测与划分。本文所提及的冲击地压监测新技术——主被一体波速反演预警技术，主要是基于微震监测系统对井下主、被动震动波信号分别进行监测与分类存储，分析震动波波形数据，对监测区域实时、快速地计算出震动波波速大小，并反演出波速分布情况，进一步分析监测区域内应力分布情况。其中，主动震动波是由可控震源(井下放炮、敲打等)产生的震动波，而被动震动波是由自然震源(采掘活动引起的来压等)产生的震动波。

主被一体波速反演预警技术中主、被动震源监测工作原理基本相同，均是通过在井下采掘工作面布置若干传感器接收主、被动震源的波形信号，形成覆盖采掘工作面的高密度射线，即模拟震动波无形的传播射线，如图1所示。

图1 震动波震源与传感器形成的射线

通过分析传感器接收震动波波形的到时时间，确定工作面监测区域内震源位置、震动波波速大小及分布情况，依据煤岩层中纵波(P波)波速与应力大小的正比例关系，进而确定工作面区域内应力大小及分布规律，并划分出高应力区和不同等级的冲击危险区域。

2 工作面冲击危险预警指标与判别流程

2.1 震动波速度CT反演

主被一体反演预警技术中震动波在煤岩层中传播速度的大小及分布是通过层析成像(CT)法反演计算，具体是根据工作面监测区域内传感器接收震动波的到时时间，划分网格模型，执行SIRT算法，从而计算震动波在监测区域内的传播速度大小及分布。

基于CT法反演，建立震动波速度模型，利用传感器接收每条波形射线的到时时间，计算震动波速度大小。其中，传感器接收震动波射线的到时时间是震动波沿射线路径的积分，其理论计算公式[16]如式(1)：

式中，t0为震源发生震动的时间；ti为震动波理论到时时间；Γi为震动波传播的第i条射线，i取1，2，3，…，n，而n为传感器个数；v(x，y，z)为震动波的波速矢量值。

根据式(1)传感器接收震动波的到时时间反求出震动波的波速矢量值v(x，y，z)。另外，震动波CT反演所采用的SIRT算法[16]，主要是迭代反演算法，循环修改任意一个速度模型，通过循环重复模型走时的前向计算、残差计算和速度校正，直到计算出最优的震动波速度值，算法程序结束。

2.2 冲击危险预警指标

研究学者针对矿井地震波波速的异常变化，按照式(2)计算波速异常值，根据异常值的范围确定应力集中程度[16，21]。

根据式(2)可推出震动波波速与波速异常值的计算关系，如式(3)所示。

依据计算关系式(3)以及波速异常值与应力集中程度的关系，可得出主被一体反演预警技术对工作面监测区域的冲击危险预警指标，见表1，其中，P波平均速度取4.3km/s。

表1 主被一体反演预警技术冲击危险预警指标

2.3 工作面冲击危险判别流程

基于主被一体波速反演预警技术，工作面冲击危险判别流程及实现方式如下：

1)利用工作面布置的传感器监测主动震动波(井下放炮激发)，已知放炮时间和地点坐标、传感器坐标和接收震动波时间，计算得出主动震动波在该工作面平均传播速度。同时，在工作面监测区域形成震动波传播模拟射线，如图1(a)所示，根据震动波在工作面监测区域内的传播速度，反演生成主动震动波波速分布云图，基于冲击危险预警指标(见表1)和波速大小，判别工作面冲击危险区域及等级。

2)井下工作面无主动放炮时，应通过工作面布置的传感器监测采掘活动诱发的被动震动波，在工作面监测区域形成被动震动波传播模拟射线，如图1(b)所示。基于震动波速度CT反演生成主动震动波波速分布云图，根据冲击危险预警指标(见表1)和被动震动波速度大小，判别工作面冲击危险区域及等级。

工作面冲击危险判别的准确性主要取决于工作面监测区域形成主、被震动波传播模拟射线的密度，即工作面监测区域有效震源越多，传感器布置间距合理且有效监测工作面，则工作面冲击危险判别越准确。所以，当工作面主、被动波速反演结果存在较大差异时，应根据主、被震动波传播模拟射线的密度进行判别，射线密度越大，震动波速度反演结果相对准确，工作面冲击危险区域划分也相对合理。

3 深部冲击危险工作面反演预警技术应用

3.1 工程概况

以安居煤矿2309工作面为例，其西部为2307工作面采空区(2309轨道巷采用沿空掘巷，5m煤柱)及断层，北部及东部均与大巷保护煤柱相邻，南部靠近断层。其中，二采区运输巷穿过2309工作面。

2309工作面埋深在-988～-955m之间，属于深井开采。该工作面沿煤层倾斜方向长100m，主要开采3上煤，煤厚2.0～2.7m，平均倾角4°，其赋存情况相对稳定，裂隙较发育，结构较简单，沿煤层走向总体平缓。其中，所开采的3上煤以亮煤为主，暗煤较少，也存在少量半亮型煤，局部含有厚0.2m的夹矸。

3.2 主被一体波速反演预警技术方案

深部2309工作面主被一体波速反演预警技术方案如图2所示，在2309工作面上共布置16个传感器，运输巷布置1#—8#传感器，间距35m，1#传感器用于监测主动放炮的激发时间；轨道巷布置9#—16#传感器，间距30m，其中8#、9#传感器距离工作面回采线100m，以上方案为被动波反演预警方案。而主动波反演预警方案是在被动波监测基础上施工放炮激发点，布置在相邻传感器之间。为保证主动波反演预警的效果，放炮激发点布置范围应大于传感器的布置范围。

图2 2309工作面主被一体波速反演预警方案

随着2309工作面不断向前推进，当工作面临近8#、9#传感器时，提前将8#、9#传感器分别挪至2#、16#传感器前方35m、30m处；同理，当工作面临近7#、15#传感器时，提前将7#、15#传感器分别挪至8#、9#传感器前方35m、30m处，以此类推，直至传感器布置到工作面巷道开口处。

基于2309工作面的主被一体波速反演预警技术，在工作面处在原岩应力状态的区域施工放炮钻孔，根据1#传感器监测到的放炮激发时间、其他传感器接收波形的时间以及炮点与传感器的距离，得出该工作面平均波速为4.3km/s。通过放炮(主动)、采掘活动引起的顶板断裂等(被动)产生的波形，分别进行波速CT反演生成主动、被动波速分布云图。

3.3 冲击危险工作面CT反演及应力分析

因2309工作面有效放炮的个数较少，主动波速反演结果有偏差，则选取工作面监测到的被动震动波数据进行分析、波速CT反演，其中传感器监测到的波形如图3所示。

图3 传感器监测的原始波形

为研究工作面回采期间工作面超前和后方采空区应力分布变化规律、冲击危险区域分布情况，选取2309工作面单日和连续六日的震动波数据进行波速CT反演，生成波速分布云图，比较分析2309工作面回采期间单日和连续六日工作面不同的应力分布、冲击危险区域及等级划分。另外，为排除工作面回采之外其他因素造成应力状态发生变化，应在筛选震动波数据时，尽可能选取工作面回采线附近因回采扰动产生的震源及波形。

1)单日波速CT反演及分析。2309工作面单日震动波数据反演生成的射线图的有效震动波波形为34条。根据反演生成的射线图，基于SIRT算法，生成波速CT反演云图，如图4所示。由图4明显可知，2309工作面区域内共形成3个明显的波速高值异常区(P波波速大于5.375km/s)，即高应力分布区，具有强冲击危险，主要分布在：回采工作面超前50～100m的2309轨道巷围岩且临近2307工作面采空区附近区域内(图中A区域)、工作面内部断层向前0～120m实体煤内且靠近2309运输巷(图中B区域)以及距离2309轨道巷联络巷50m附近区域(图中C区域)。

图4 单日震动波波速CT反演云图

图5 连续六日震动波波速CT反演云图

2)连续六日波速CT反演及分析。2309工作面连续六日的震动波数据反演生成的射线图的有效震动波波形为75条，根据反演生成的射线图，基于SIRT算法，生成波速CT反演云图，如图5所示。由图5明显看出，2309工作面区域内共形成5个明显的波速高值异常区(P波波速大于5.375km/s)，即高应力分布区，具有强冲击危险，主要分布在：回采工作面超前20～50m范围且靠近2309轨道巷(图中a区域)；工作面内部断层向前30～80m实体煤范围内并较靠近2309运输巷(图中b区域)；回采工作面超前100～130m且临近2307工作面采空区附近区域内(图中c区域)；距离2309轨道巷联络巷后方约80m的区域(图中d区域)，集中范围约为30m；2309轨道巷联络巷附近(图中e区域)，集中范围约为25m。

通过比较分析图4、图5可总结出深部2309工作面回采期间的应力分布规律如下：①在2309工作面超前50～200m区域(尤其邻近运输巷和轨道巷附近)、断层和巷道交叉附近、联络巷周边、采空区以及邻近上一工作面采空区周边等均出现高应力集中区域，具有强冲击危险，且集中范围相对较大；②一般地，2309工作面内的应力峰值以及应力集中区域随着工作面不断向前开采而向前移动，并且原先存在的应力峰值逐渐减小，应力的集中程度、范围也逐渐减弱、缩小；③2309工作面回采期间高应力集中区的范围大约在10～100m之间，而高应力集中范围介于20～50m之间的占据多数。当某区域出现高应力集中或者强冲击危险时，应提前对该区域进行卸压解危，加强监测和支护。

3)效果验证。针对图5中b、e处高应力集中区域，即2309运输巷与采区运输大巷交叉处以及轨道巷联络巷附近，施工钻孔(卸压解危钻孔)进行检验，孔径150mm，依据国家标准《冲击地压测定、监测与防治方法》，结合工作面波速CT反演划分的冲击危险区域中应力峰值与巷道帮部的距离，确定钻孔深度不小于15m(取15～20m)，钻孔施工及动力现象见表2。由表2可知，2309运输巷与采区皮带大巷交叉处，2309轨道巷联络巷附近施工大直径卸压钻孔时出现煤炮、吸钻以及煤粉量增大等动力现象，确定该区域为强冲击危险区域，而图5中波速CT反演结果也显示该区域(图中b、e处)波速大于5.375km/s，即强冲击危险区域。根据钻孔的动力现象验证了该反演预警技术波速CT反演结果的准确性。因此，该反演预警技术能有效监测深部冲击危险工作面回采期间的应力分布情况，划分冲击危险区域，确定危险等级，分区制定卸压措施，应用效果良好。

表2 钻孔施工情况及动力现象

4 结 论

基于提出的主被动一体化震动波波速反演技术，对深部冲击危险工作面监测预警、危险区域划分以及工作面回采期间应力分布规律进行研究，主要得出以下结论：

1)冲击危险工作面主被一体波速反演预警技术能够大大缩短反演周期，其周期一般为3～5d，提高反演效率和准确率，并且能大范围、高分辨率获得工作面冲击危险分布区域及等级。

2)工作面纵波(P波)波速与应力集中程度存在正相关的关系，以纵波(P波)波速大小为依据，制定了冲击危险工作面主被一体波速反演预警的判别方法及预警指标。

3)以安居煤矿2309工作面为例，提出单日波速CT反演与连续六日波速CT反演相比较的方法，通过比较分析得出工作面回采期间超前应力峰值及应力集中区随着工作面不断向前开采而向前移动，并且原先存在的应力峰值逐渐减小，应力的集中程度及范围也逐渐减弱、缩小。

4)针对2309工作面震动波波速CT反演划分的冲击危险区域，通过对该区域施工钻孔进行检验，证明了该区域为冲击危险区域，从而验证了主被一体波速反演预警技术适用于深部冲击危险工作面回采期间的应力实时监测、预警。