桂 兵，李成海，劉體軍，王九紅，鄭有雷，鞏思園

1. 兗州煤業(yè)股份有限公司，山東 鄒城 273500；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 )

煤礦開(kāi)采造成的礦山壓力問(wèn)題與井下煤巖體應(yīng)力條件之間存在緊密關(guān)系[1-2]，通過(guò)研究煤巖體的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)而建立井下礦山壓力與礦山壓力顯現(xiàn)之間的聯(lián)系，是目前常用的研究手段之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)大量試驗(yàn)研究得出[3-6]，震動(dòng)波波速隨著井下應(yīng)力的增大而增加，而煤巖體處于高應(yīng)力狀態(tài)時(shí)易誘發(fā)沖擊地壓。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)研究主、被動(dòng)源激發(fā)的震動(dòng)波層析成像( CT )反演，先后在確定震源位置、分析高應(yīng)力梯度區(qū)域和沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域以及探究波速異常變化與應(yīng)力變化的關(guān)系進(jìn)行了研究[7-11]，探究不同震源激發(fā)下震動(dòng)波CT反演評(píng)價(jià)指標(biāo)、沖擊地壓危險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)和判別標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)建，研究成果均表明震動(dòng)波CT反演用于探測(cè)井下沖擊危險(xiǎn)或高應(yīng)力區(qū)域是可行的[12-18]。但利用震 動(dòng)波CT反演技術(shù)研究巷道掘進(jìn)超前應(yīng)力分布規(guī) 律的技術(shù)尚不成熟，且目前大部分CT反演技術(shù)的 反演周期長(zhǎng)，本文基于震動(dòng)波CT反演原理，提出1種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下震動(dòng)波信號(hào)的巷道掘進(jìn)超前探 測(cè)技術(shù)，通過(guò)CT反演技術(shù)對(duì)掘進(jìn)工作面周邊的波速分布實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而反演分析其應(yīng)力分布規(guī)律。通過(guò)該技術(shù)的研究及應(yīng)用，對(duì)井下巷道安全掘進(jìn)、生產(chǎn)以及預(yù)防掘進(jìn)巷道沖擊地壓的發(fā)生具有重要意義。

1 震動(dòng)波CT反演原理與計(jì)算

震動(dòng)波CT反演主要分為主動(dòng)波( 可控震源 )CT反演和被動(dòng)波( 自然震源 )CT反演。對(duì)于主動(dòng)波CT反演，根據(jù)已知的震源位置( 即人工擊打或放炮激發(fā)的震源 )，布置接收震動(dòng)波信號(hào)的臺(tái)站，形成對(duì)采掘工作面封閉的波形穿透射線覆蓋，進(jìn)而進(jìn)行波速CT反演，如圖1( a )所示；而對(duì)于被動(dòng)波CT反演，震源位置是未知的，一般為采掘活動(dòng)引起的礦震，通過(guò)臺(tái)站接收采掘工作面區(qū)域內(nèi)的礦震信號(hào)，形成對(duì)該區(qū)域的穿透射線覆蓋，再進(jìn)行波速CT反演，如圖1( b )所示。

主、被動(dòng)波2種反演形式均通過(guò)建立速度模型對(duì)震動(dòng)波速度進(jìn)行計(jì)算，而建立速度模型是為了使臺(tái)站接收震動(dòng)波標(biāo)記的到時(shí)時(shí)間理論計(jì)算值與井下實(shí)際值相同。其中，理論計(jì)算震動(dòng)波到時(shí)時(shí)間的公式[19]為

式中，ti為震動(dòng)波理論到時(shí)時(shí)間；t0為震源發(fā)生震動(dòng)的時(shí)間；Γi為震動(dòng)波傳播的第i條射線，i 取1，2，…，n，n為臺(tái)站數(shù)；S( x，y，z )表示某位置點(diǎn)( x，y，z )的慢度矢量值，其值等于1/v( x，y，z )，v( x，y，z )為速度矢量值。

SIRT算法( 聯(lián)合迭代重建技術(shù)算法 )是迭代算法中計(jì)算震動(dòng)波波速較簡(jiǎn)單、最有效的方法。通過(guò)建立三維網(wǎng)格速度模型，設(shè)置每個(gè)節(jié)點(diǎn)的速度，在三維網(wǎng)格中任意一個(gè)像元的速度值均由其周邊8個(gè)節(jié)點(diǎn)的速度值求得，從而創(chuàng)建含8個(gè)節(jié)點(diǎn)速度的三維模型，如圖2所示。

圖2 像元v( x，y，z )周邊8個(gè)節(jié)點(diǎn)速度示意 Fig. 2 Velocity diagram of 8 nodes around image element v( x，y，z )

按照以上三維速度模型，根據(jù)震動(dòng)波CT反演的SIRT算法[19-20]，得出三維速度模型中像元v( x，y，z )的 速度求解公式為

式中，i，j，k表示三維坐標(biāo)系上的單位長(zhǎng)度。

按照式( 2 )計(jì)算震動(dòng)波CT反演中的波速值，從而得出CT反演區(qū)域的震動(dòng)波波速值，進(jìn)一步分析反演區(qū)域的應(yīng)力異常值。

2 巷道掘進(jìn)超前探測(cè)技術(shù)及原理

2.1 掘進(jìn)巷道超前應(yīng)力探測(cè)技術(shù)

基于震動(dòng)波CT反演原理與計(jì)算方法，研發(fā)出用于掘進(jìn)巷道超前應(yīng)力探測(cè)、沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域劃分以及危險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)的監(jiān)測(cè)技術(shù)。其中，震動(dòng)波CT反演技術(shù)主要適用于沖擊地壓礦井采掘工作面的局部應(yīng)力監(jiān)測(cè)，當(dāng)工作面地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、煤層含水率高以及鉆屑法和應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)法不能正常使用時(shí)，多采用震動(dòng)波CT反演技術(shù)對(duì)采掘區(qū)域的異常應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

掘進(jìn)巷道超前應(yīng)力探測(cè)技術(shù)采用雙觸發(fā)機(jī)制實(shí)現(xiàn)雙源震動(dòng)波信號(hào)( 即可控震源和自然震源 )的采集和分析，利用SIRT算法對(duì)震動(dòng)波波速進(jìn)行計(jì)算、反演，從而對(duì)掘進(jìn)巷道區(qū)域?qū)崿F(xiàn)大范圍、高分辨率和高效率的監(jiān)測(cè)和應(yīng)力反演分析，確定掘進(jìn)巷道超前區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力分布規(guī)律，劃分沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，以便及時(shí)有針對(duì)性地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)采取有效的防沖或防突措施。

另外，該技術(shù)主要包括地面和井下2部分，具體組成如圖3所示，其中井下設(shè)備主要包括監(jiān)測(cè)分站、傳感器、光纖、不同型號(hào)的電纜和接線盒等。軟件系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)軟件和波速反演軟件2部分組成，其中波速反演軟件是震動(dòng)波CT反演的重要部分。

圖3 巷道掘進(jìn)超前探測(cè)技術(shù)的設(shè)備組成 Fig. 3 Equipment composition of advanced detection technology of roadway excavation

2.2 工作原理

( 1 ) 監(jiān)測(cè)原理

井下震動(dòng)信號(hào)通過(guò)傳感器將震動(dòng)的機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。同時(shí)，傳感器將震動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，發(fā)送到監(jiān)測(cè)分站。監(jiān)測(cè)分站接收多路傳感器的數(shù)據(jù)，加入時(shí)間同步形成文件，監(jiān)測(cè)分站一方面存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件，另一方面將文件按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行編碼，通過(guò)井下光纖傳輸?shù)降孛嬗霉舛藱C(jī)，光纖中的光信號(hào)經(jīng)地面用光端機(jī)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)信號(hào)，最后傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)，并存儲(chǔ)到指定文件以便后期使用。

( 2 ) CT反演原理

巷道掘進(jìn)超前探測(cè)技術(shù)可分為主動(dòng)源觸發(fā)和被動(dòng)源觸發(fā)2種狀態(tài)，不同觸發(fā)狀態(tài)下的CT反演原理相同，區(qū)別在于針對(duì)不同震源監(jiān)測(cè)前應(yīng)更換不同的觸發(fā)狀態(tài)，然后再對(duì)震動(dòng)波信號(hào)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、處理直至進(jìn)行CT反演。

針對(duì)不同震源觸發(fā)狀態(tài)下的波形進(jìn)行分類儲(chǔ)存，同一震源下的波形信號(hào)會(huì)對(duì)采掘工作面形成高密度射線覆蓋，如圖4所示。其中，每個(gè)震源生成的波形均由軟件自動(dòng)或人工進(jìn)行到時(shí)標(biāo)記與分析，波形到時(shí)標(biāo)記如圖5所示，圖中紅色、藍(lán)色標(biāo)記分別為震動(dòng)波波形的起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。相同震源下已標(biāo)記好的大量波形數(shù)據(jù)，基于震動(dòng)波CT反演原理和計(jì)算方法，劃分網(wǎng)格模型，執(zhí)行SIRT波速算法，從而完成采掘工作面區(qū)域內(nèi)震動(dòng)波波速的CT反演，生成波速分布云圖。

3 掘進(jìn)巷道超前探測(cè)技術(shù)應(yīng)用及分析

3.1 試驗(yàn)工作面概況

濟(jì)三煤礦十八采3下回風(fēng)巷的北側(cè)是183下05工作面，平均埋深-805.95 m，“刀把”段寬度為214 m，“擴(kuò)面”段寬度278 m，走向推進(jìn)長(zhǎng)度2 013.6 m。 3下煤層為該工作面主采煤層，該煤層主要煤質(zhì)是亮煤，有少量暗煤，并夾含有鏡煤，煤層含有發(fā)育內(nèi)生裂隙，斷口呈階梯型。3下煤厚度為1.90～5.54 m，平均煤厚4.24 m，傾角最大10°，平均3°。3下煤層與3上煤層間距為7.01～43.0 m，平均34.4 m，其中，183下05工作面局部鉆孔柱狀圖如圖6所示，煤層頂?shù)装鍘r性特征見(jiàn)表1。

圖4 不同震源激發(fā)下射線覆蓋示意 Fig. 4 Schematic diagram of ray coverage under excitation of different seismic sources

圖5 震動(dòng)波波形到時(shí)標(biāo)記 Fig. 5 Mark of arrival time of vibration wave

183下05工作面膠帶運(yùn)輸巷、輔助運(yùn)輸巷均通過(guò)聯(lián)絡(luò)巷與十八采3下回風(fēng)巷貫通，如圖7所示。其中，采用沿空掘進(jìn)的輔助運(yùn)輸巷，其凈煤柱寬為3.5 m。183下05工作面主要地質(zhì)構(gòu)造有背斜、向斜、斷層以及局部受沖刷煤層變薄等，其中斷層均為發(fā)育的正斷層，最大落差為5.0 m，工作面不受巖漿巖侵入影響且無(wú)陷落柱。

圖6 183下05工作面鉆孔柱狀圖 Fig. 6 Drilling histogram of 183 lower 05 working face

表1 183下05工作面頂?shù)装鍘r性特征 Table 1 Lithologic characteristics of roof and floor of 183 lower 05 working face

3.2 方案設(shè)計(jì)及布置

( 1 ) 方案設(shè)計(jì)思路

為研究183下05工作面掘進(jìn)巷道沖擊地壓危險(xiǎn)超前探測(cè)技術(shù)，根據(jù)工作面地質(zhì)資料以及相關(guān)采掘規(guī)程等，基于巷道掘進(jìn)超前探測(cè)技術(shù)的工作原理，在183下05工作面膠帶運(yùn)輸巷、輔助運(yùn)輸巷、聯(lián)絡(luò)巷以及后期貫通后的開(kāi)切眼位置布置傳感器，作為該技術(shù)監(jiān)測(cè)183下05工作面及其掘進(jìn)巷道發(fā)生震源的臺(tái)站。

目前，183下05工作面膠帶運(yùn)輸巷即將掘進(jìn)至開(kāi)切眼位置，工作面開(kāi)切眼未貫通，而183下05工作面輔助運(yùn)輸巷掘進(jìn)至距聯(lián)絡(luò)巷250 m左右。所以，若183下05工作面膠帶運(yùn)輸巷已掘進(jìn)至開(kāi)切眼，并且開(kāi)切眼也已貫通，而183下05工作面輔助運(yùn)輸巷正在掘進(jìn)，則以183下05工作面輔助運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面為中心點(diǎn)，在其周邊布置傳感器，形成包圍封閉的空間，對(duì)其包圍區(qū)域的震源、高應(yīng)力分布以及沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，方案設(shè)計(jì)原理如圖8所示，其中射線覆蓋密度越大區(qū)域，震動(dòng)波CT反演結(jié)果越準(zhǔn)確。

圖8 183下05工作面輔助運(yùn)輸巷超前探測(cè)方案設(shè)計(jì) Fig. 8 Design of advance detection scheme for auxiliary transportation in 183 lower 05 working face

另外，若183下05工作面開(kāi)切眼未貫通，而183下05工作面膠帶運(yùn)輸巷已掘進(jìn)至開(kāi)切眼位置，則在膠帶運(yùn)輸巷中增加傳感器布置數(shù)量，尤其在超過(guò)輔助運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面的膠帶運(yùn)輸巷范圍內(nèi)加大傳感器布置密度。因傳感器布置密度加大，對(duì)輔助運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面周邊的震源形成大范圍的監(jiān)測(cè)，從而使掘進(jìn)工作面周邊形成一定程度的射線覆蓋，對(duì)巷道掘進(jìn)工作面超前應(yīng)力分布進(jìn)行有效地監(jiān)測(cè)與分析。

( 2 ) 臺(tái)網(wǎng)布置方案

為了配合183下05工作面巷道實(shí)際掘進(jìn)工作進(jìn)度，目前，在183下05工作面共布置8個(gè)傳感器，間距平均取100 m。其中183下05膠帶運(yùn)輸巷布置4個(gè)傳感器，最后1個(gè)傳感器距離掘進(jìn)工作面300 m左右，因中間有封閉墻暫時(shí)無(wú)法安裝；已掘進(jìn)的聯(lián)絡(luò)巷布置2個(gè)傳感器，183下05輔助運(yùn)輸巷實(shí)際布置2個(gè)傳感器，最后1個(gè)傳感器距離掘進(jìn)工作面約50 m。具體實(shí)際布置情況如圖9所示。

3.3 183下05輔助運(yùn)輸巷掘進(jìn)CT反演及分析

圖9 183下05工作面輔助運(yùn)輸巷技術(shù)方案布置 Fig. 9 Technical scheme layout of auxiliary transportation in 183 lower 05 working face

選取183下05工作面連續(xù)3 d采集的有效震動(dòng)波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，有效的波形數(shù)據(jù)達(dá)到72個(gè)，符合震動(dòng)波CT反演的技術(shù)要求。其中，有效震源位置主要集中在183下05輔助運(yùn)輸巷掘進(jìn)位置周邊，工作面區(qū)域內(nèi)震源射線覆蓋如圖10所示，圖中紅點(diǎn)代表傳感器臺(tái)站位置，藍(lán)點(diǎn)代表震源位置，紅框區(qū)域表示掘進(jìn)工作面附近震源。其中該掘進(jìn)工作面震源主要由于巷道掘進(jìn)引起上覆巖層擾動(dòng)，造成覆巖斷裂、破壞、下沉形成的。

圖10 183下05工作面震源射線覆蓋 Fig. 10 Seismic source ray coverage map of 183 lower 05 working face

( 1 ) CT反演及分析

基于震動(dòng)波CT反演原理，根據(jù)已標(biāo)記好的震動(dòng)波到時(shí)時(shí)間( 圖5為標(biāo)記好的波形 )以及CT反演所需的震源射線覆蓋區(qū)域圖( 圖10 )，采用SIRT算法，對(duì)傳感器接收震源的每條射線分別進(jìn)行波速計(jì)算，從而得出射線覆蓋區(qū)域的震動(dòng)波波速分布情況，并生成由不同顏色深淺表示波速大小的云圖，如圖11所示。通過(guò)對(duì)反演區(qū)域垂直方向( Z軸 )按照一定深度劃分不同切片，得出不同切片的波速反演云圖，其中圖11( a )是183下05工作面-826～-757 m水平的波速CT反演云圖，圖11( b )是-757～-658 m水平的波速CT反演云圖。

圖11 不同水平的震動(dòng)波波速CT反演云圖 Fig. 11 Cloud image of CT inversion by vibration wave velocity at different levels

由圖11可知，183下05工作面在不同水平的震動(dòng)波波速分布情況不同，其中-826～-757 m水平震動(dòng)波波速大于5 km/s的區(qū)域較多，主要分布于183下05輔助運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面附近及其幫部周邊、183下05膠帶運(yùn)輸巷實(shí)體煤幫附近以及斷層等地質(zhì)構(gòu)造帶附近，大于6 km/s的區(qū)域主要有3個(gè)( 圖中A，B，C區(qū)域 )；而-757～-658 m水平波速大于5 km/s的區(qū)域較少，主要靠近183下05輔助運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面后方20 m左右位置，無(wú)波速大于6 km/s的區(qū)域。

通過(guò)以上分析可知，由于183下05工作面平均標(biāo)高為-773.3 m，平均埋深為805.95 m，所以以-826～ -757 m水平震動(dòng)波波速分布情況作為該工作面CT反演的結(jié)果。根據(jù)震動(dòng)波波速大小與應(yīng)力大小之間存在正相關(guān)關(guān)系可知[1-2]，圖11( a )應(yīng)力分布與波速分布情況相同，高應(yīng)力區(qū)主要集中分布在183下05輔助運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面20 m范圍內(nèi)靠近工作面內(nèi)部( 圖中A區(qū)域 )、與輔助運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面位置相齊平的靠近183下05膠帶運(yùn)輸巷實(shí)體煤幫( 圖中B區(qū)域 )以及斷層附近( 圖中C區(qū)域 )。而較大應(yīng)力主要分布于183下05輔助運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面前后方約100 m范圍以及183下05膠帶運(yùn)輸巷幫部位置。

( 2 ) 效果驗(yàn)證

對(duì)于圖11( a )中183下05輔助運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面A區(qū)域，該礦為驗(yàn)證該區(qū)域的高應(yīng)力對(duì)此區(qū)域采取鉆屑法來(lái)觀察煤粉量以及動(dòng)力現(xiàn)象，其中此區(qū)域的鉆屑技術(shù)布置方案及參數(shù)如圖12所示，監(jiān)測(cè)鉆孔布置：鉆孔直徑42 mm，孔深10 m，間距10 m，孔距底板1.2 m，單排布置，鉆孔方向平行于煤層，垂直巷幫。

圖12 183下05輔助運(yùn)輸巷工作面鉆屑監(jiān)測(cè)布置 Fig. 12 Arrangement of monitoring the drilling cuttings in 183 lower 05 auxiliary transportation working face

通過(guò)觀察監(jiān)測(cè)區(qū)域的煤粉量以及動(dòng)力現(xiàn)象得出：監(jiān)測(cè)A區(qū)域的煤粉量接近該礦掘進(jìn)巷道的臨界指標(biāo)值( 該礦臨界指標(biāo)值取3.4 kg )，且鉆孔過(guò)程中出現(xiàn)卡鉆、吸鉆等動(dòng)力現(xiàn)象，初步認(rèn)為該區(qū)域?qū)儆谳^高應(yīng)力集中分布區(qū)，與該區(qū)域波速分布CT反演的結(jié)果相同( 即A區(qū)域波速大于6 km/s )，從而驗(yàn)證了巷道掘進(jìn)超前探測(cè)技術(shù)能成功探測(cè)掘進(jìn)位置周邊的應(yīng)力分布以及沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域，應(yīng)用效果良好。因此，通過(guò)利用該技術(shù)對(duì)掘進(jìn)巷道進(jìn)行超前應(yīng)力探測(cè)，該礦能及時(shí)做好卸壓工作，對(duì)掘進(jìn)工作面制定防沖措施以及井下安全生產(chǎn)具有重要意義。

4 結(jié) 論

( 1 )基于震動(dòng)波CT反演原理與計(jì)算方法，研發(fā)出1種沖擊地壓礦井掘進(jìn)巷道超前應(yīng)力探測(cè)技術(shù)，該技術(shù)采用雙觸發(fā)機(jī)制實(shí)現(xiàn)雙源震動(dòng)波信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并利用巷道掘進(jìn)工作面周邊震源形成對(duì)其高密度波速射線覆蓋，超前探測(cè)巷道掘進(jìn)工作面異常應(yīng)力，分析應(yīng)力分布規(guī)律，確定高應(yīng)力集中區(qū)以及沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。

( 2 )以濟(jì)三煤礦183下05掘進(jìn)工作面為例，針對(duì)工作面開(kāi)切眼是否貫通的2種情況，對(duì)輔助運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面超前應(yīng)力探測(cè)分別提出針對(duì)性處理辦法，有效地對(duì)掘進(jìn)工作面周邊震源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，形成高密度射線覆蓋。根據(jù)震動(dòng)波CT反演云圖，探測(cè)掘進(jìn)工作面超前異常應(yīng)力，分析應(yīng)力分布規(guī)律。

( 3 )通過(guò)比較分析183下05工作面-826～-757 m水平震動(dòng)波CT反演云圖，得出輔助運(yùn)輸巷超前異常應(yīng)力主要集中分布于掘進(jìn)工作面超前20 m范圍以及斷層周邊，對(duì)該區(qū)域采用鉆屑法監(jiān)測(cè)，根據(jù)煤粉量以及動(dòng)力現(xiàn)象成功驗(yàn)證該區(qū)域?qū)儆诟邞?yīng)力集中區(qū)，從而證明該技術(shù)能實(shí)時(shí)探測(cè)巷道掘進(jìn)工作面周邊以及超前異常應(yīng)力，確定沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域，應(yīng)用效果良好。