基于地震槽波与纵波的采煤工作面高应力区探测技术

姚小帅 ，金明方 ，蒋 亭 ,3 ，张万鹏

（1.河南能源集团研究总院有限公司，河南 郑州 450000；2.贵州能发高山矿业有限公司，贵州 毕节 551700；3.永贵能源开发有限责任公司 新田煤矿，贵州 毕节 551700）

随着煤矿生产向深部延伸、开采强度加大，冲击地压、煤与瓦斯突出及顶板事故等煤岩动力灾害日益严重[1-2]。其中，冲击地压以其发生突然、过程剧烈、破坏力巨大的特征严重威胁着煤矿安全生产，容易造成重大人员伤亡和经济损失。1960年1 月20 日，南非Coalbrock North 煤矿发生冲击地压，死亡432 人，破坏面积达300 万m2。世界上20 多个国家的矿山曾发生过冲击地压灾害。我国是矿山开采受冲击地压危害最严重的国家之一，存在冲击地压的矿井已达100 多个。义马煤田是受冲击地压威胁最严重的地区之一[3]，截至目前，已累计发生较明显的冲击地压事件100 多起，累计损坏巷道数千米，多次造成人员伤亡，经济损失巨大。严重的冲击地压灾害迫使矿井加大了冲击地压防治工作的安全投入，推高了原煤生产成本，挤压企业生存空间，甚至冲击地压严重矿井濒临关井。

冲击地压是一种具有复杂性、突发性和很强破坏性等特点的典型煤岩动力灾害之一，往往由地质及采矿因素综合作用引起煤岩体应力集中造成[4]。一般认为，地应力高的区域容易发生冲击地压。因此，从地应力角度对工作面冲击危险性进行分析，圈出冲击地压高风险区，探测采煤工作面煤岩体高应力分布对预测冲击地压风险具有重要意义。地应力测量方法近10 种，其中在地应力测量中得到广泛应用的方法有水压致裂法[5-6]、空心包体法[7]、钻孔应力解除法、声发射法[8]、在线应力监测法、应力恢复法、钻屑法和地震纵波法。除地震纵波外，这些方法有效探测区域为点状，局限在钻孔附近，作用范围小，难以反映整个工作面的应力分布。而采用地震透射方法，利用地震波速的分布预测测区应力分布是一种较为可行的物探方法；以往这方面的研究较少且多针对岩体，研究的手段也比较单一，且由于物探存在多解性使研究成果的准确性不足。为了深入探究采煤工作面所在区域的高应力分布，通过研究煤样和岩样在单轴压缩下的纵波速度变化规律，从而得到依据纵波速度解译采煤工作面应力分布的理论支持；另外，地震槽波是一种仅在煤层传播的地震波，近几年在工作面构造[9-10]、煤厚[11-12]探测方面广泛应用，故将槽波也用于工作面应力探测，联合地震纵波更好地探测采煤工作面高应力区分布。

1 煤岩样单轴压缩试验

在某冲击地压采煤工作面分别制备了顶板和煤层的φ50 mm×100 mm 标准圆柱形作为单轴压缩试样。采用能够承压的传感器，然后把试样放置在收、发传感器之间，传感器与试样端面之间涂抹耦合剂，通过自动加压设备自动控制加载速率，开展加载条件下的波速测试。

1.1 单轴加载下的纵波速度变化规律

通过岩样在单轴加载方式下进行纵波波速实验，在塑性变化前采用轴向荷载控制，不断进行单轴压缩直至煤岩块破碎，根据期间采集的应力和纵波波速数据，绘制的应力σ和纵波波速vS关系图如图1。

图1 岩样单轴压缩下纵波速度与应力的关系Fig.1 Relationship between P-wave velocity and stress of rock sample under uniaxial compression

试验结果表明：在弹性变形前期，煤样处于压密阶段，纵波由初始波速快速增加，增幅较大，此阶段在载荷作用下煤样中裂隙逐渐闭合、颗粒间接触更加紧密，孔隙率迅速降低；在弹性变形后期，随荷载增加，煤样孔隙密度的变化量相比前期变小，造成波速增加的幅度减小，但波速仍持续加快；荷载继续增加，接近塑性变形时，岩样内裂隙产生并逐渐遭受破坏，波速增幅渐趋于0，纵波波速无明显变化[13]。整体上看，在煤样弹性阶段纵波波速随应力增加而增加，虽不是标准线性关系，但煤岩块在单轴加载方式下地震波速与应力呈正相关关系。

大量的工程实践也表明：对于具有冲击地震危险性的采煤工作面而言，波速相对较高的区域一般分布在致密完整的煤岩体处和应力集中区；波速较低区域主要分布在疏松破碎的煤岩体处。对整个勘探范围而言，若内部无异常区域，地震波的速度分布应是相对均匀的，当有应力异常或地质构造存在时，该部分区域将在反演成果中表现为高速异常。可见，高的纵波速度一般表征高的应力集中程度。

1.2 单轴加载下的槽波速度变化规律

槽波是一种在煤层中激发、形成和传播的地震波。由于煤层和顶底板围岩呈现“两硬夹一软”的地层结构，加之煤层和围岩的波阻抗值差别大，符合产生全反射的条件，故在煤层中激发的体波经顶底界面的多次全反射被禁锢在煤层及其邻近的岩石中，在煤层中相互叠加、干涉，形成槽波[14-15]。槽波是干涉面波，其速度与煤层和围岩速度紧密相关。当工作面应力变化时，煤岩层横波速度随之发生变化，槽波速度也产生变化。

1.2.1 横波速度与应力关系

煤岩块在单轴加载方式下采用轴向荷载控制，在塑性变化前不断进行压缩直至煤岩块破碎，根据期间采集的应力和横波速度数据，绘制的煤岩块应力和横波速度关系图如图2、图3。

图2 岩样单轴压缩下横波速度与应力的关系Fig.2 Relationship between shear wave velocity and stress of rock sample under uniaxial compression

图3 煤样单轴压缩下横波速度与应力的关系Fig.3 Relationship between shear wave velocity and stress of coal sample under uniaxial compression

试验结果表明：在单轴压缩下的弹性阶段，煤岩块轴向横波速度随着应力增加而升高，直至煤岩块遭受破坏，曲线出现拐点，波速迅速下降；在煤岩块弹性阶段，横波速度与应力呈正相关关系。对于采煤工作面而言，当有高应力异常时，该部分区域煤层和岩层的横波速度虽不同，但都表现为相对高速。

1.2.2 槽波速度与应力关系

对于煤系地层，槽波仅在煤层中发育、传播，煤层中槽波频散方程如式（1），其速度与煤层和围岩的横波速度紧密相关。

式中：f为频率，Hz；c为勒夫型槽波的相速度，m/s；υ1、υ2分别为围岩和煤层的横波速度，m/s； ρ1、 ρ2分别为围岩和煤层的密度，g/cm3；n为频散阶数；hc为煤厚，m。

当工作面煤层地应力分布呈正常状态，无额外载荷时，根据应力与横波速度的关系，设围岩横波速度1 300 m/s、煤层横波速度650 m/s，根据式（1）计算得到的特定煤厚的槽波频散曲线如图4。曲线极点处为埃里震相，其能量在槽波所有成分中属最强，是槽波频散曲线的特征震相[16-17]，图中显示在此正常应力状态下的槽波埃里相速度为521 m/s。

图4 正常应力条件下槽波频散曲线Fig.4 Dispersion curve of slot wave under normal stress condition

当工作面受采矿因素干扰，应力异常积聚时，根据应力与横波速度的关系，此时煤岩层横波处于高速状态，设围岩横波速度2 200 m/s、煤层横波速度1 200 m/s，根据式（1）计算得到的特定煤厚下的槽波频散曲线如图5。在此高应力状态下的槽波埃里相速度为1 029 m/s。

图5 高应力条件下槽波频散曲线Fig.5 Dispersion curve of slot wave under high stress condition

以上计算结果发现，正常应力条件下槽波埃里相速度为521 m/s；高应力条件下槽波埃里相速度为1 029 m/s。说明随着工作面应力增大，槽波埃里相速度相应升高，槽波埃里相速度与应力呈正相关关系。

1.3 CT 层析成像

CT 层析成像技术是将槽波或者纵波走时转化为速度分布的核心方法，主要根据拾取地震波速度进行反演获取探测区域波速分布的一种方法。地震波在地层中传播时，地震射线的走时是几何路径和速度v(x，y)的函数，对于第i条射线，若射线的走时为ti，则有下列积分式：

式中：ti为第i条射线的走时，ms；v(x，y)为速度分布函数；Ri为第i条射线路径；A(x，y)为慢度分布函数；s为射线路径的长度，m。

将成像区域离散成若干个规则的网格单元，则式（2）可化成离散的线性方程组为：

式中：ti为第i条射线的走时，ms；dij为第i条射线穿过第j个网格的长度，m；xj为第j个网格的慢度，s/m；M为射线数；N为网格数。

可将式（3）写成矩阵形式：

式中：tM或者T为M维地震波走时列向量，是观测值；dMN或者D为M×N阶射线的几何路径矩阵；sN或者S为N维慢度列向量，为待求量。利用瞬时迭代重构法求解，得到所有网格点处地震波速数值。

2 槽波与纵波联合探测及解译方法

2.1 槽波与纵波在剖面中的位置

槽波与纵波联合地应力探测是基于透射法，在采煤工作面的1 条巷道布置震源，另1 条巷道布置高精度检波器。震源激发时，在煤层中形成的地震波，一部分透射后逸散；一部分沿全反射临界角透射后形成沿界面传播的折射波；其余部分在煤层传播，形成煤层直达波和槽波。同时检波器开始采集地震信号，按照地震波到达时间和偏移距不同形成的地震剖面如图6，剖面中各波组呈现近似的双曲线形态特征。

图6 透射法各类型波组时距曲线Fig.6 Time interval curves of each type wave group by transmission method

图6 中，可以看到折射纵波在最上方，其传播速度最快，曲率最小；其次是折射横波；而后是直达纵波和直达横波，但在实测透射法槽波数据中，②、③和④波形往往混在一起，难以分辨；位于末端的是槽波埃里相，曲率最大，由于埃里相速度为槽波群速度的最小值，故该时距曲线位于地震剖面的尾部，槽波其它成分的到达时间处于折射横波和槽波埃里相之间。

2.2 槽波与纵波综合解译方法

采煤工作面透射地震数据的主要处理方法为速度法和能量衰减系数法，对于波速主控因素为地应力的采煤工作面而言，波速对应力变化较敏感，而能量的衰减与应力大小无关，故采用速度法处理所获地震数据。数据体中同时含有纵波和槽波，需分别提取和处理，然后综合解译。

首先对地震数据的典型数据道进行频谱分析，确定有益纵波、槽波的主频范围，利用带通滤波滤除主频范围外的背景噪声；选择合适的时间窗口大小进行自动增益，以增强地震剖面中纵波和槽波埃里相中的弱信号；由于使用的都是同一延迟时间的雷管，故采用固定数值对数据进行延迟校正。以上预处理完成后，根据图6 中折射纵波位置，拾取数据中折射纵波的全部初至，经CT 层析成像得到测区内部的纵波速度分布图，然后根据煤岩样单轴压缩试验中的结论，即纵波速度与应力呈正相关关系，解译工作面高应力区。

切除上述预处理数据纵波成分和埃里震相后面的噪声，并进行短时傅里叶变换获得槽波频散图，图中能量最强之处即埃里震相，拾取槽波频散曲线中埃里震相的走时，经CT 层析成像计算得到测区内部的槽波速度分布图，然后根据煤岩样单轴压缩试验中的结论，即槽波埃里相速度与应力呈正相关关系，解译工作面高应力区。

最终把纵波和槽波预测的高应力区进行叠加，重叠区域即为重点关注的高应力区，也是采煤工作面冲击地压防治工作的重点区域。

3 应用实例

3.1 地质概况

义马矿区某工作面位于井田深部，紧邻井田边界—义马F16逆断层，为冲击危险性工作面。其走向长400 m，倾斜长193 m，平均采深550 m。所采煤层为侏罗系义马组2-3 煤，均厚14.9 m。直接顶以泥岩为主，含砂质泥岩、细砂岩，均厚约40 m；煤层底板为泥岩、炭质泥岩，厚度大于6.5 m。该工作面煤厚稳定，构造不发育，影响地震波速的主要因素为地应力。

采用透射法观测系统，在上巷设计炮点40 个，间距10 m；下巷设计接收点25 个，间距15 m。每个炮孔装入乳化炸药200 g，使用矿用1 段延迟毫秒管引爆。利用高精度检波器进行接收，采样间隔0.25 ms，采样时长1 000 ms。观测系统测点布置图如图7。

图7 观测系统测点布置图Fig.7 Observation system

3.2 纵波数据分析与解译

采集的1 000 道（40 炮×25 道）数据经静校正、增益等预处理后，除了少数地震道信号受噪声干扰，纵波难以辨识外，绝大部分地震道信号的纵波初至清晰，易于拾取。第15 炮的原始地震剖面如图8，纵波初至已被标出并用线段连接。若测区内地应力均匀分布，那么纵波在测区内的波速应相对稳定，其初至时间随炮检点偏移距变化而变化，整体应该呈标准的双曲线形态，但图8 中纵波初至分布并非双曲线形态，左右两侧的初至时间位置存在差异，地震道1#～13#比14#～25#的初至时间整体偏小约20 ms，说明地震道1#～13#所在区域的纵波速度大于14#～25#所在区域，从定性角度分析，测区里段应力大于外段。

图8 S15 炮集纵波初至标定Fig.8 Arrival time of P-wave of S15 gun set

提取的纵波速度经层析成像构建的纵波速度等值线如图9。速度范围为2 440～4 000 m/s。从速度分布特征上看，右侧区域整体波速大于左侧，超过3 000 m/s。结合相关因素综合分析，将波速大于3 700 m/s 的区域定为高速区域，根据纵波波速与应力的正相关关系，将此高速区域解译为高应力区。

图9 纵波速度等值线图Fig.9 Velocity contour of P-wave

3.3 槽波数据分析与解译

采集数据经预处理、滤波、频散分析等，得到地震射线的实测频散曲线，3 条射线的频散曲线如图10。其形态连续、清晰，可靠程度高。

图10 频散曲线图及125 Hz 对应的旅行时Fig.10 Dispersion curves and travel time at 125 Hz

通过统计分析所有频散曲线埃里震相的频率范围，确定125 Hz 为适宜的拾取频率，拾取的槽波速度通过CT 层析成像构建的槽波速度等值线如图11。速度范围为870～1 500 m/s。从槽波速度分布上看，测区大部分区域速度偏低（蓝色区域），根据相关信息分析，将波速大于1 250 m/s的区域定为高速区域，然后根据应力与槽波速度的正相关关系，将此高速区域解译为高应力区。

图11 槽波速度等值线图Fig.11 Velocity contour of channel wave

3.4 综合分析

经对比分析，纵波高应力区和槽波高应力区存在重叠，且面积较大，槽波与纵波联合探测技术综合成果图如图12。

图12 槽波与纵波联合探测技术综合成果图Fig.12 Comprehensive result by channel wave and P-wave joint exploration

主要重叠区域位于下巷切眼口向外130～190 m范围，向工作面内部延伸了37 m。此重叠区域是纵波和槽联合探测高应力区的叠加成果，可靠性较高，是测区冲击地压高风险区，也是该工作面冲击地压防治工作的重点。

3.5 成果验证

经验证，高应力重叠区发育有1 条8.5 m 落差的正断层，断层及其附近常属于应力集中区；该区段施工钻孔时，钻屑量明显偏大，且易缩孔；工作面回采通过应力重叠区时，巷道变形严重，“煤炮”时有发生。工作面其它区域无明显的矿压显现。以上验证资料表明，此重叠区确为应力集中区，利用速度分布可以有效探测高应力区，槽波和纵波相结合可以进一步提高探测精度。

4 结 语

1）煤岩块在单轴压缩下的弹性阶段，轴向纵横波速度随着应力增加而升高，直至煤岩块遭受破坏，曲线出现拐点，波速迅速下降。表明在煤岩块弹性阶段，纵横波速度与应力呈正相关关系。

2）正常应力条件下槽波埃里相速度远小于高应力条件下的槽波埃里相速度。说明随着工作面应力增大，槽波埃里相速度相应升高，应力与槽波埃里相速度呈正相关关系。

3）理论与试验表明槽波能够用来探测采煤工作面高应力区，槽波与纵波相结合可以更好地探测工作面高应力区。