郭林生，李成海，王繼超，趙慧杰，鞏思園，馬志鋒

(1.陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西 彬州 713500；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.徐州弘毅科技發(fā)展有限公司，江蘇 徐州 221008；4.濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)寧 272000；5.兗州煤業(yè)股份有限公司，山東 鄒城 273500)

近年來(lái)，煤礦開(kāi)采深度及強(qiáng)度日益加大，以沖擊地壓為代表的煤巖動(dòng)力災(zāi)害也愈發(fā)突顯[1-4]。沖擊危險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)預(yù)警是實(shí)現(xiàn)深部工作面安全開(kāi)采的重要保證[5-8]，常用的監(jiān)測(cè)沖擊地壓的方法包括微震、電磁輻射、聲發(fā)射、應(yīng)力在線以及鉆屑量判別等監(jiān)測(cè)方法[9-14]。由于沖擊地壓本質(zhì)上是煤巖體因應(yīng)力作用而發(fā)生的動(dòng)力表現(xiàn)，而應(yīng)力大小與縱波(P波)波速又存在正比例關(guān)系，因此，通過(guò)層析成像(CT)法反演縱波波速得到煤巖體內(nèi)的應(yīng)力分布規(guī)律，已成為沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警中最迫切的研究方向[15，16]。其中，國(guó)內(nèi)研究學(xué)者主要針對(duì)主動(dòng)震動(dòng)波CT監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，而國(guó)外研究學(xué)者在被動(dòng)震動(dòng)波CT技術(shù)進(jìn)行了大量研究，研究結(jié)果均表明CT監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)探測(cè)井下沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域以及強(qiáng)礦震危險(xiǎn)分布具有廣泛的應(yīng)用性、可行性[17-20]。

目前，對(duì)井下局部采掘工作面震動(dòng)波監(jiān)測(cè)以及CT反演預(yù)警的技術(shù)研究較少，且現(xiàn)存的反演技術(shù)反演周期長(zhǎng)、效率低以及操作相對(duì)繁瑣。因此，本文所介紹的主被一體波速反演預(yù)警技術(shù)，反演周期短且準(zhǔn)確率高，著重對(duì)深部沖擊危險(xiǎn)工作面回采期間高應(yīng)力分布區(qū)域以及沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分，并由特定的預(yù)警指標(biāo)確定危險(xiǎn)等級(jí)?；谠摷夹g(shù)，本文提出監(jiān)測(cè)區(qū)域單日應(yīng)力反演與連續(xù)六日應(yīng)力反演相比較的研究方法，對(duì)深部沖擊危險(xiǎn)工作面應(yīng)力分布規(guī)律以及沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警進(jìn)行深入研究。

1 主被一體反演預(yù)警技術(shù)

根據(jù)礦山震動(dòng)波傳播速度與煤巖層應(yīng)力分布的關(guān)系，對(duì)煤巖層高應(yīng)力集中區(qū)以及沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)與劃分。本文所提及的沖擊地壓監(jiān)測(cè)新技術(shù)——主被一體波速反演預(yù)警技術(shù)，主要是基于微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)井下主、被動(dòng)震動(dòng)波信號(hào)分別進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分類存儲(chǔ)，分析震動(dòng)波波形數(shù)據(jù)，對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域?qū)崟r(shí)、快速地計(jì)算出震動(dòng)波波速大小，并反演出波速分布情況，進(jìn)一步分析監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)應(yīng)力分布情況。其中，主動(dòng)震動(dòng)波是由可控震源(井下放炮、敲打等)產(chǎn)生的震動(dòng)波，而被動(dòng)震動(dòng)波是由自然震源(采掘活動(dòng)引起的來(lái)壓等)產(chǎn)生的震動(dòng)波。

主被一體波速反演預(yù)警技術(shù)中主、被動(dòng)震源監(jiān)測(cè)工作原理基本相同，均是通過(guò)在井下采掘工作面布置若干傳感器接收主、被動(dòng)震源的波形信號(hào)，形成覆蓋采掘工作面的高密度射線，即模擬震動(dòng)波無(wú)形的傳播射線，如圖1所示。

圖1 震動(dòng)波震源與傳感器形成的射線

通過(guò)分析傳感器接收震動(dòng)波波形的到時(shí)時(shí)間，確定工作面監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)震源位置、震動(dòng)波波速大小及分布情況，依據(jù)煤巖層中縱波(P波)波速與應(yīng)力大小的正比例關(guān)系，進(jìn)而確定工作面區(qū)域內(nèi)應(yīng)力大小及分布規(guī)律，并劃分出高應(yīng)力區(qū)和不同等級(jí)的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。

2 工作面沖擊危險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)與判別流程

2.1 震動(dòng)波速度CT反演

主被一體反演預(yù)警技術(shù)中震動(dòng)波在煤巖層中傳播速度的大小及分布是通過(guò)層析成像(CT)法反演計(jì)算，具體是根據(jù)工作面監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)傳感器接收震動(dòng)波的到時(shí)時(shí)間，劃分網(wǎng)格模型，執(zhí)行SIRT算法，從而計(jì)算震動(dòng)波在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳播速度大小及分布。

基于CT法反演，建立震動(dòng)波速度模型，利用傳感器接收每條波形射線的到時(shí)時(shí)間，計(jì)算震動(dòng)波速度大小。其中，傳感器接收震動(dòng)波射線的到時(shí)時(shí)間是震動(dòng)波沿射線路徑的積分，其理論計(jì)算公式[16]如式(1)：

式中，t0為震源發(fā)生震動(dòng)的時(shí)間；ti為震動(dòng)波理論到時(shí)時(shí)間；Γi為震動(dòng)波傳播的第i條射線，i取1，2，3，…，n，而n為傳感器個(gè)數(shù)；v(x，y，z)為震動(dòng)波的波速矢量值。

根據(jù)式(1)傳感器接收震動(dòng)波的到時(shí)時(shí)間反求出震動(dòng)波的波速矢量值v(x，y，z)。另外，震動(dòng)波CT反演所采用的SIRT算法[16]，主要是迭代反演算法，循環(huán)修改任意一個(gè)速度模型，通過(guò)循環(huán)重復(fù)模型走時(shí)的前向計(jì)算、殘差計(jì)算和速度校正，直到計(jì)算出最優(yōu)的震動(dòng)波速度值，算法程序結(jié)束。

2.2 沖擊危險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)

研究學(xué)者針對(duì)礦井地震波波速的異常變化，按照式(2)計(jì)算波速異常值，根據(jù)異常值的范圍確定應(yīng)力集中程度[16，21]。

根據(jù)式(2)可推出震動(dòng)波波速與波速異常值的計(jì)算關(guān)系，如式(3)所示。

依據(jù)計(jì)算關(guān)系式(3)以及波速異常值與應(yīng)力集中程度的關(guān)系，可得出主被一體反演預(yù)警技術(shù)對(duì)工作面監(jiān)測(cè)區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)，見(jiàn)表1，其中，P波平均速度取4.3km/s。

表1 主被一體反演預(yù)警技術(shù)沖擊危險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)

2.3 工作面沖擊危險(xiǎn)判別流程

基于主被一體波速反演預(yù)警技術(shù)，工作面沖擊危險(xiǎn)判別流程及實(shí)現(xiàn)方式如下：

1)利用工作面布置的傳感器監(jiān)測(cè)主動(dòng)震動(dòng)波(井下放炮激發(fā))，已知放炮時(shí)間和地點(diǎn)坐標(biāo)、傳感器坐標(biāo)和接收震動(dòng)波時(shí)間，計(jì)算得出主動(dòng)震動(dòng)波在該工作面平均傳播速度。同時(shí)，在工作面監(jiān)測(cè)區(qū)域形成震動(dòng)波傳播模擬射線，如圖1(a)所示，根據(jù)震動(dòng)波在工作面監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳播速度，反演生成主動(dòng)震動(dòng)波波速分布云圖，基于沖擊危險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)(見(jiàn)表1)和波速大小，判別工作面沖擊危險(xiǎn)區(qū)域及等級(jí)。

2)井下工作面無(wú)主動(dòng)放炮時(shí)，應(yīng)通過(guò)工作面布置的傳感器監(jiān)測(cè)采掘活動(dòng)誘發(fā)的被動(dòng)震動(dòng)波，在工作面監(jiān)測(cè)區(qū)域形成被動(dòng)震動(dòng)波傳播模擬射線，如圖1(b)所示。基于震動(dòng)波速度CT反演生成主動(dòng)震動(dòng)波波速分布云圖，根據(jù)沖擊危險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)(見(jiàn)表1)和被動(dòng)震動(dòng)波速度大小，判別工作面沖擊危險(xiǎn)區(qū)域及等級(jí)。

工作面沖擊危險(xiǎn)判別的準(zhǔn)確性主要取決于工作面監(jiān)測(cè)區(qū)域形成主、被震動(dòng)波傳播模擬射線的密度，即工作面監(jiān)測(cè)區(qū)域有效震源越多，傳感器布置間距合理且有效監(jiān)測(cè)工作面，則工作面沖擊危險(xiǎn)判別越準(zhǔn)確。所以，當(dāng)工作面主、被動(dòng)波速反演結(jié)果存在較大差異時(shí)，應(yīng)根據(jù)主、被震動(dòng)波傳播模擬射線的密度進(jìn)行判別，射線密度越大，震動(dòng)波速度反演結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，工作面沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分也相對(duì)合理。

3 深部沖擊危險(xiǎn)工作面反演預(yù)警技術(shù)應(yīng)用

3.1 工程概況

以安居煤礦2309工作面為例，其西部為2307工作面采空區(qū)(2309軌道巷采用沿空掘巷，5m煤柱)及斷層，北部及東部均與大巷保護(hù)煤柱相鄰，南部靠近斷層。其中，二采區(qū)運(yùn)輸巷穿過(guò)2309工作面。

2309工作面埋深在-988～-955m之間，屬于深井開(kāi)采。該工作面沿煤層傾斜方向長(zhǎng)100m，主要開(kāi)采3上煤，煤厚2.0～2.7m，平均傾角4°，其賦存情況相對(duì)穩(wěn)定，裂隙較發(fā)育，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，沿煤層走向總體平緩。其中，所開(kāi)采的3上煤以亮煤為主，暗煤較少，也存在少量半亮型煤，局部含有厚0.2m的夾矸。

3.2 主被一體波速反演預(yù)警技術(shù)方案

深部2309工作面主被一體波速反演預(yù)警技術(shù)方案如圖2所示，在2309工作面上共布置16個(gè)傳感器，運(yùn)輸巷布置1#—8#傳感器，間距35m，1#傳感器用于監(jiān)測(cè)主動(dòng)放炮的激發(fā)時(shí)間；軌道巷布置9#—16#傳感器，間距30m，其中8#、9#傳感器距離工作面回采線100m，以上方案為被動(dòng)波反演預(yù)警方案。而主動(dòng)波反演預(yù)警方案是在被動(dòng)波監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上施工放炮激發(fā)點(diǎn)，布置在相鄰傳感器之間。為保證主動(dòng)波反演預(yù)警的效果，放炮激發(fā)點(diǎn)布置范圍應(yīng)大于傳感器的布置范圍。

圖2 2309工作面主被一體波速反演預(yù)警方案

隨著2309工作面不斷向前推進(jìn)，當(dāng)工作面臨近8#、9#傳感器時(shí)，提前將8#、9#傳感器分別挪至2#、16#傳感器前方35m、30m處；同理，當(dāng)工作面臨近7#、15#傳感器時(shí)，提前將7#、15#傳感器分別挪至8#、9#傳感器前方35m、30m處，以此類推，直至傳感器布置到工作面巷道開(kāi)口處。

基于2309工作面的主被一體波速反演預(yù)警技術(shù)，在工作面處在原巖應(yīng)力狀態(tài)的區(qū)域施工放炮鉆孔，根據(jù)1#傳感器監(jiān)測(cè)到的放炮激發(fā)時(shí)間、其他傳感器接收波形的時(shí)間以及炮點(diǎn)與傳感器的距離，得出該工作面平均波速為4.3km/s。通過(guò)放炮(主動(dòng))、采掘活動(dòng)引起的頂板斷裂等(被動(dòng))產(chǎn)生的波形，分別進(jìn)行波速CT反演生成主動(dòng)、被動(dòng)波速分布云圖。

3.3 沖擊危險(xiǎn)工作面CT反演及應(yīng)力分析

因2309工作面有效放炮的個(gè)數(shù)較少，主動(dòng)波速反演結(jié)果有偏差，則選取工作面監(jiān)測(cè)到的被動(dòng)震動(dòng)波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、波速CT反演，其中傳感器監(jiān)測(cè)到的波形如圖3所示。

圖3 傳感器監(jiān)測(cè)的原始波形

為研究工作面回采期間工作面超前和后方采空區(qū)應(yīng)力分布變化規(guī)律、沖擊危險(xiǎn)區(qū)域分布情況，選取2309工作面單日和連續(xù)六日的震動(dòng)波數(shù)據(jù)進(jìn)行波速CT反演，生成波速分布云圖，比較分析2309工作面回采期間單日和連續(xù)六日工作面不同的應(yīng)力分布、沖擊危險(xiǎn)區(qū)域及等級(jí)劃分。另外，為排除工作面回采之外其他因素造成應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，應(yīng)在篩選震動(dòng)波數(shù)據(jù)時(shí)，盡可能選取工作面回采線附近因回采擾動(dòng)產(chǎn)生的震源及波形。

1)單日波速CT反演及分析。2309工作面單日震動(dòng)波數(shù)據(jù)反演生成的射線圖的有效震動(dòng)波波形為34條。根據(jù)反演生成的射線圖，基于SIRT算法，生成波速CT反演云圖，如圖4所示。由圖4明顯可知，2309工作面區(qū)域內(nèi)共形成3個(gè)明顯的波速高值異常區(qū)(P波波速大于5.375km/s)，即高應(yīng)力分布區(qū)，具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)，主要分布在：回采工作面超前50～100m的2309軌道巷圍巖且臨近2307工作面采空區(qū)附近區(qū)域內(nèi)(圖中A區(qū)域)、工作面內(nèi)部斷層向前0～120m實(shí)體煤內(nèi)且靠近2309運(yùn)輸巷(圖中B區(qū)域)以及距離2309軌道巷聯(lián)絡(luò)巷50m附近區(qū)域(圖中C區(qū)域)。

圖4 單日震動(dòng)波波速CT反演云圖

圖5 連續(xù)六日震動(dòng)波波速CT反演云圖

2)連續(xù)六日波速CT反演及分析。2309工作面連續(xù)六日的震動(dòng)波數(shù)據(jù)反演生成的射線圖的有效震動(dòng)波波形為75條，根據(jù)反演生成的射線圖，基于SIRT算法，生成波速CT反演云圖，如圖5所示。由圖5明顯看出，2309工作面區(qū)域內(nèi)共形成5個(gè)明顯的波速高值異常區(qū)(P波波速大于5.375km/s)，即高應(yīng)力分布區(qū)，具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)，主要分布在：回采工作面超前20～50m范圍且靠近2309軌道巷(圖中a區(qū)域)；工作面內(nèi)部斷層向前30～80m實(shí)體煤范圍內(nèi)并較靠近2309運(yùn)輸巷(圖中b區(qū)域)；回采工作面超前100～130m且臨近2307工作面采空區(qū)附近區(qū)域內(nèi)(圖中c區(qū)域)；距離2309軌道巷聯(lián)絡(luò)巷后方約80m的區(qū)域(圖中d區(qū)域)，集中范圍約為30m；2309軌道巷聯(lián)絡(luò)巷附近(圖中e區(qū)域)，集中范圍約為25m。

通過(guò)比較分析圖4、圖5可總結(jié)出深部2309工作面回采期間的應(yīng)力分布規(guī)律如下：①在2309工作面超前50～200m區(qū)域(尤其鄰近運(yùn)輸巷和軌道巷附近)、斷層和巷道交叉附近、聯(lián)絡(luò)巷周邊、采空區(qū)以及鄰近上一工作面采空區(qū)周邊等均出現(xiàn)高應(yīng)力集中區(qū)域，具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)，且集中范圍相對(duì)較大；②一般地，2309工作面內(nèi)的應(yīng)力峰值以及應(yīng)力集中區(qū)域隨著工作面不斷向前開(kāi)采而向前移動(dòng)，并且原先存在的應(yīng)力峰值逐漸減小，應(yīng)力的集中程度、范圍也逐漸減弱、縮小；③2309工作面回采期間高應(yīng)力集中區(qū)的范圍大約在10～100m之間，而高應(yīng)力集中范圍介于20～50m之間的占據(jù)多數(shù)。當(dāng)某區(qū)域出現(xiàn)高應(yīng)力集中或者強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)提前對(duì)該區(qū)域進(jìn)行卸壓解危，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和支護(hù)。

3)效果驗(yàn)證。針對(duì)圖5中b、e處高應(yīng)力集中區(qū)域，即2309運(yùn)輸巷與采區(qū)運(yùn)輸大巷交叉處以及軌道巷聯(lián)絡(luò)巷附近，施工鉆孔(卸壓解危鉆孔)進(jìn)行檢驗(yàn)，孔徑150mm，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《沖擊地壓測(cè)定、監(jiān)測(cè)與防治方法》，結(jié)合工作面波速CT反演劃分的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域中應(yīng)力峰值與巷道幫部的距離，確定鉆孔深度不小于15m(取15～20m)，鉆孔施工及動(dòng)力現(xiàn)象見(jiàn)表2。由表2可知，2309運(yùn)輸巷與采區(qū)皮帶大巷交叉處，2309軌道巷聯(lián)絡(luò)巷附近施工大直徑卸壓鉆孔時(shí)出現(xiàn)煤炮、吸鉆以及煤粉量增大等動(dòng)力現(xiàn)象，確定該區(qū)域?yàn)閺?qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，而圖5中波速CT反演結(jié)果也顯示該區(qū)域(圖中b、e處)波速大于5.375km/s，即強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。根據(jù)鉆孔的動(dòng)力現(xiàn)象驗(yàn)證了該反演預(yù)警技術(shù)波速CT反演結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，該反演預(yù)警技術(shù)能有效監(jiān)測(cè)深部沖擊危險(xiǎn)工作面回采期間的應(yīng)力分布情況，劃分沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，確定危險(xiǎn)等級(jí)，分區(qū)制定卸壓措施，應(yīng)用效果良好。

表2 鉆孔施工情況及動(dòng)力現(xiàn)象

4 結(jié) 論

基于提出的主被動(dòng)一體化震動(dòng)波波速反演技術(shù)，對(duì)深部沖擊危險(xiǎn)工作面監(jiān)測(cè)預(yù)警、危險(xiǎn)區(qū)域劃分以及工作面回采期間應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究，主要得出以下結(jié)論：

1)沖擊危險(xiǎn)工作面主被一體波速反演預(yù)警技術(shù)能夠大大縮短反演周期，其周期一般為3～5d，提高反演效率和準(zhǔn)確率，并且能大范圍、高分辨率獲得工作面沖擊危險(xiǎn)分布區(qū)域及等級(jí)。

2)工作面縱波(P波)波速與應(yīng)力集中程度存在正相關(guān)的關(guān)系，以縱波(P波)波速大小為依據(jù)，制定了沖擊危險(xiǎn)工作面主被一體波速反演預(yù)警的判別方法及預(yù)警指標(biāo)。

3)以安居煤礦2309工作面為例，提出單日波速CT反演與連續(xù)六日波速CT反演相比較的方法，通過(guò)比較分析得出工作面回采期間超前應(yīng)力峰值及應(yīng)力集中區(qū)隨著工作面不斷向前開(kāi)采而向前移動(dòng)，并且原先存在的應(yīng)力峰值逐漸減小，應(yīng)力的集中程度及范圍也逐漸減弱、縮小。

4)針對(duì)2309工作面震動(dòng)波波速CT反演劃分的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，通過(guò)對(duì)該區(qū)域施工鉆孔進(jìn)行檢驗(yàn)，證明了該區(qū)域?yàn)闆_擊危險(xiǎn)區(qū)域，從而驗(yàn)證了主被一體波速反演預(yù)警技術(shù)適用于深部沖擊危險(xiǎn)工作面回采期間的應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警。