高輝

（陜西華電榆橫煤電有限責(zé)任公司 陜西 榆林 719015）

1 序言

今年來(lái)隨著我國(guó)煤炭開發(fā)向西部轉(zhuǎn)移，西部的陜西省不斷有新的沖擊礦壓礦井出現(xiàn)，較多礦井受到?jīng)_擊礦壓的影響。因此有效監(jiān)測(cè)沖擊礦壓前兆信息成為預(yù)防該災(zāi)害的關(guān)鍵。目前在沖擊礦壓危險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)預(yù)警方法上主要有：鉆屑法監(jiān)測(cè)、應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)、微震監(jiān)測(cè)等。其中微震監(jiān)測(cè)為區(qū)域監(jiān)測(cè)方法，可以監(jiān)測(cè)一段時(shí)間內(nèi)某一區(qū)域的微震事件發(fā)生情況，進(jìn)而對(duì)下一時(shí)段該區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)性作出預(yù)測(cè)，本文基于微震監(jiān)測(cè)介紹了震動(dòng)波CT反演在沖擊礦壓預(yù)測(cè)預(yù)警的研究。

2 工程背景

小紀(jì)汗煤礦主采2號(hào)煤，煤層可采厚度0.80 m～8.64 m，平均3.43 m，煤層埋深在400 m左右，煤層平均傾角0.7°，煤層直接頂板以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，次為中-細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖，少量炭質(zhì)泥巖，直接底板為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，次為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖。2號(hào)煤層設(shè)計(jì)采用長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤法，各區(qū)域均采用全部垮落法管理工作面頂板。2018年2號(hào)煤層沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果為局部區(qū)域?yàn)槿鯖_擊危險(xiǎn)，11219工作面為礦井主采工作面，存在一側(cè)采空情況，如圖1所示。為礦井安全生產(chǎn)，礦方在沖擊礦壓的監(jiān)測(cè)、預(yù)警、防治加大投入，配備了SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為工作面安全生產(chǎn)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，礦井2020年7月微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示11219工作面微震事件發(fā)發(fā)生的能量和頻次顯著升高，為明確數(shù)據(jù)異常原因，服務(wù)礦井安全生產(chǎn)，礦方對(duì)11219工作面7月微震事件進(jìn)行震動(dòng)CT反演。

圖1 11219工作面布置

3 微震CT反演技術(shù)原理

由于煤巖體中波速與應(yīng)力存在正相關(guān)關(guān)系[1-3]，故通過(guò)震動(dòng)波CT反演得到探測(cè)區(qū)域的波速場(chǎng)，從而反應(yīng)該區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)。該方法利用開采引起的微震事件結(jié)合井下或地面安置的震動(dòng)臺(tái)站，根據(jù)臺(tái)站與震源之間的距離L和臺(tái)站接收到的初至?xí)r間T來(lái)反演“臺(tái)站-震源”空間包絡(luò)區(qū)域的波速分布[4-7]V（x,y,z），探測(cè)示意如圖2所示。

圖2 震動(dòng)波CT探測(cè)示意圖

震動(dòng)波在走時(shí)成像情況下以射線的形式在探測(cè)區(qū)域內(nèi)部介質(zhì)中傳播，反演前，首先精確計(jì)算震源位置，然后選取探測(cè)目標(biāo)區(qū)域的震源事件及其對(duì)應(yīng)目標(biāo)區(qū)域附近震動(dòng)臺(tái)站上標(biāo)記的初至?xí)r間（P波初至或S波初至）作為反演原始數(shù)據(jù)，隨后將“臺(tái)站-震源”包絡(luò)的空間區(qū)域介質(zhì)劃分為一系列小矩形網(wǎng)格，最終通過(guò)一個(gè)高度近似進(jìn)行反演，其公式為：

式中，Ti為震動(dòng)波旅行時(shí)間，s；Li為第i個(gè)震動(dòng)波的射線路徑；V(x,y,z)為震動(dòng)波傳播速度，m/s；S(x,y,z)=1/V(x,y,z)為慢度，s/m；dij為第i個(gè)震動(dòng)波的射線穿過(guò)第j個(gè)網(wǎng)格的長(zhǎng)度；N為射線總數(shù)；M為網(wǎng)格數(shù)量。矩陣形式如下：

式中，T為震動(dòng)波旅行時(shí)間列向量（N×1）；S為慢度列向量（M×1）；D為射線長(zhǎng)度矩陣（N×M）。通常，式（4）是一個(gè)欠定或超定方程組，求解此類方程組的有效算法一般是迭代算法。目前，大多數(shù)引用的迭代算法為SIRT算法。

4 微震CT反演實(shí)施

4.1 微震臺(tái)網(wǎng)優(yōu)化布置

工作面開采后，在工作面周圍合理布置微震監(jiān)測(cè)探頭，形成對(duì)工作面的有效包圍，從而能夠提高定位精度，并保證工作面范圍內(nèi)CT反演能夠擁有合理的射線覆蓋密度，如圖3所示。選取用于微震CT計(jì)算的微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，基于最佳定位通道個(gè)數(shù)選取原則，對(duì)震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行定位計(jì)算優(yōu)化，以保證獲得高精度的反演結(jié)果。

圖3 微震CT反演設(shè)計(jì)

礦井采用設(shè)備為高精度微震監(jiān)測(cè)設(shè)備，目前小紀(jì)汗礦常用的是SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)小紀(jì)汗礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的微震數(shù)據(jù)。在工作面周圍（重點(diǎn)解析反演區(qū)域）合理布置微震監(jiān)測(cè)探頭，形成對(duì)工作面的有效包圍，從而能夠提高定位精度，并保證工作面范圍內(nèi)CT反演能夠擁有合理的射線覆蓋密度。小紀(jì)汗煤礦11219工作面周圍臺(tái)站布置如圖4所示。

圖4 小紀(jì)汗煤礦11219工作面臺(tái)站布置

4.2 數(shù)據(jù)篩選

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況，選取用于微震CT計(jì)算的微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，時(shí)間周期為一個(gè)月，來(lái)源數(shù)據(jù)包括爆破事件數(shù)據(jù)和正常煤炮事件數(shù)據(jù)。其區(qū)別是前者震源位置已知，在一定程度上能夠提高反演結(jié)果的精度；后者震源位置未知，必須通過(guò)各臺(tái)站的震動(dòng)波到時(shí)進(jìn)行計(jì)算，導(dǎo)致計(jì)算的震源位置與實(shí)際位置存在一定的偏差，對(duì)層析成像結(jié)果有一定影響，但是微震事件的能量通常比人工炸藥高很多，從而能夠激發(fā)距離監(jiān)測(cè)區(qū)域較遠(yuǎn)的微震探頭，進(jìn)而擴(kuò)大了研究區(qū)域范圍，在一定程度上能夠增加射線的覆蓋密度。另外，由于采礦活動(dòng)的一直進(jìn)行，且微震一直伴隨產(chǎn)生，于是利用微震產(chǎn)生的震動(dòng)波進(jìn)行層析成像技術(shù)是長(zhǎng)期和可行的。綜合兩者的優(yōu)勢(shì)，于是可同時(shí)選取兩種類型的波形數(shù)據(jù)，并針對(duì)爆破事件選取波形清晰，對(duì)于正常煤炮事件選取大能量且波形清晰的數(shù)據(jù)。

4.3 小紀(jì)汗煤礦11219工作面反演模型建立

選取11219工作面回采區(qū)域自2020年7月1日至2020年7月30日期間由SOS微震監(jiān)測(cè)記錄到的微震數(shù)據(jù)進(jìn)行微震CT反演分析。該時(shí)間段內(nèi)共記錄到微震事件200個(gè)，根據(jù)定位波形選取原則，選取適合微震CT反演計(jì)算的微震事件141個(gè)，共形成射線767條。其中，射線數(shù)目越多，反演范圍越小，則反演結(jié)果精度越高。

建立微震CT反演計(jì)算模型時(shí)，應(yīng)根據(jù)反演時(shí)段內(nèi)選擇的震動(dòng)數(shù)據(jù)與臺(tái)站形成射線的覆蓋范圍來(lái)確定；為保證網(wǎng)格內(nèi)有足夠多射線覆蓋密度以及較高反演精度，微震CT反演計(jì)算模型網(wǎng)格劃分既不能太大也不能太小。本次反演采用不等間距網(wǎng)格劃分，并根據(jù)區(qū)域內(nèi)射線密度的大小，自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格劃分密度，對(duì)于射線越密集區(qū)域，網(wǎng)格劃分越密集，從而確保計(jì)算精度。上述過(guò)程均采用CMAT軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)，最終可得到如圖5所示的震動(dòng)傳播時(shí)間與震源到探頭距離的函數(shù)關(guān)系、波速統(tǒng)計(jì)直方圖、網(wǎng)格劃分參數(shù)、以及反演運(yùn)行的參差監(jiān)控曲線。

圖5 小紀(jì)汗煤礦微震CT反演計(jì)算參數(shù)

4.4 微震CT反演結(jié)果及可靠性分析

反演計(jì)算完成后，需選取一個(gè)剖面分析波速分布情況來(lái)判斷各區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)情況。受反演區(qū)域范圍、震動(dòng)事件空間分布以及反演區(qū)域與震動(dòng)事件的相對(duì)位置關(guān)系影響，各反演時(shí)段內(nèi)的震動(dòng)波層析成像模型不盡相同，模型在垂直方向上劃分網(wǎng)格層數(shù)及水平標(biāo)高也不同；受微震空間分布影響，各層的射線覆蓋密度大小不同，射線覆蓋密度越大，反演結(jié)果的可靠性越高，反之，越低。因此，需要對(duì)反演時(shí)段內(nèi)各層的射線覆蓋密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從中選出射線覆蓋密度最高、射線覆蓋范圍最廣的一層作為沖擊危險(xiǎn)分析的對(duì)象。

根據(jù)微震CT反演結(jié)果獲得如圖6（a）所示的同時(shí)段不同層位射線覆蓋密度云圖。由圖可知，根據(jù)11219工作面為近水平工作面且標(biāo)高約為823 m的實(shí)際賦存情況，選取該工作面810 m、826 m、840 m不同水平剖面的射線覆蓋密度云圖作為對(duì)比，并設(shè)置最少射線數(shù)為10的臨界條件對(duì)所有層位進(jìn)行白化處理，得到如圖6（b）所示的可靠性評(píng)估反演結(jié)果?？梢钥闯觯?26 m剖面射線密度最大，故反演選取826 m水平進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性分析，同時(shí)826 m水平不但可靠性高，而且距煤層層位最近，最能反映煤層真實(shí)應(yīng)力分布情況。

圖6 反演結(jié)果可靠性評(píng)估

4.5 微震CT反演結(jié)果分析

如圖7所示為2020年7月1日至2020年7月30日期間反演獲得的11219工作面826 m水平的縱波波速分布以及波速異常值變化。由圖可以推測(cè)，工作面開采擾動(dòng)影響的超前范圍約為300 m，且回風(fēng)巷一側(cè)工作面前方100 m~300 m波速集中、膠運(yùn)一側(cè)工作面前方100 m~200 m波速集中，為當(dāng)前主要的沖擊危險(xiǎn)區(qū)，針對(duì)該沖擊危險(xiǎn)區(qū)域建議合理控制開采速度，加強(qiáng)危險(xiǎn)區(qū)監(jiān)測(cè)、卸壓處理及防沖管理。并用7.16~7.20日的微震數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，如圖8所示，該時(shí)段微震大多落在前一時(shí)段CT反演預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)。驗(yàn)證該方法的有效性。

圖7 11219工作面反演結(jié)果

圖8 11219工作面7.16~7.20微震數(shù)據(jù)定位圖

5 結(jié)論

本文結(jié)合小紀(jì)汗煤礦現(xiàn)場(chǎng)介紹了微震CT反演技術(shù)基本原理，包括微震CT的基本概念、實(shí)施步驟。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際制定了小紀(jì)汗煤礦微震CT反演的臺(tái)網(wǎng)優(yōu)化布置、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案、實(shí)施步驟、注意事項(xiàng)及反演計(jì)算流程。以小紀(jì)汗煤礦11219工作面的微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開展實(shí)施了微震CT反演探測(cè)，CT反演結(jié)果顯示的高應(yīng)力區(qū)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的礦壓顯現(xiàn)相吻合，驗(yàn)證該技術(shù)的科學(xué)有效性，為后續(xù)的安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持。