王元杰

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013；2.煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013；3.天地科技股份有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013；4.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116)

0 引言

近年來，隨著我國煤炭開采進(jìn)入深部區(qū)域，在高地應(yīng)力和強烈開采擾動下，沖擊地壓災(zāi)害已經(jīng)成為礦井安全生產(chǎn)所面臨的重要難題之一。沖擊地壓顯現(xiàn)和煤巖體應(yīng)力分布狀態(tài)密切相關(guān)，震動波探測技術(shù)就是依據(jù)震動波在不同介質(zhì)內(nèi)的傳播速度不同來探明煤巖體內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造[1-5]。眾多學(xué)者通過對煤巖體應(yīng)力與波速之間實驗得出，煤巖體內(nèi)的應(yīng)力不同時，震動波在介質(zhì)內(nèi)的傳播速度也會不同，應(yīng)力值越高，波速越快[6-8]。因此利用波速及波速梯度與應(yīng)力集中情況之間的正相關(guān)性，通過波速及波速梯度在探測區(qū)域的快慢和梯度大小可判斷應(yīng)力值集中程度[9-12]。基于此，震動波反演可以反映不同區(qū)域煤體的波速差異，進(jìn)而得到煤體物理力學(xué)特性及應(yīng)力狀態(tài)的差異性[13-15]。反演結(jié)果可以實現(xiàn)對工作面煤體應(yīng)力集中大小以及卸壓解危效果的強弱區(qū)分進(jìn)行科學(xué)評價。

根據(jù)震源的來源不同，震動波反演可以分為人工震源和實時震源2種形式[16]。人工震源波速反演技術(shù)是依據(jù)人為激發(fā)震源的震動波進(jìn)行探測范圍內(nèi)應(yīng)力值計算，人工震源的發(fā)震位置、發(fā)震時間、震動波接收器位置均已知，因而探測精度高，但由于震源需要人為激發(fā)，受制于井下爆破作業(yè)的影響，僅能在個別地段和時段進(jìn)行，實時性較差，因此在探測及時性方面存在一定的局限性。實時震源波速反演技術(shù)是依據(jù)微震事件的震動波進(jìn)行探測范圍內(nèi)應(yīng)力值計算，由于微震活動的實時性，因此可依據(jù)需要隨時進(jìn)行，具有實時性強、可隨時獲得波速反演結(jié)果等優(yōu)點。因此實時震源波速反演技術(shù)和微震在線監(jiān)測相結(jié)合必將成為井下采礦過程中沖擊危險性預(yù)測和評價的最有力的工具之一。

筆者基于微震在線監(jiān)測，分析了實時震源波速反演技術(shù)的理論基礎(chǔ)，并將該技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場高應(yīng)力分布區(qū)域進(jìn)行探測評價，實踐結(jié)果表明該技術(shù)應(yīng)用效果可靠，可為后續(xù)實時震源波速反演技術(shù)的應(yīng)用提供一定的理論、技術(shù)支持。

1 實時震源波速反演原理與裝備

1.1 實時震源波速反演原理

由采掘活動引起的微震事件，可通過在巷道中安裝震動傳感器接收采掘工作面內(nèi)不同位置震源的震動波，并對微震事件進(jìn)行定位。實時震源波速反演是建立從震源至各個傳感器之間的射線，該射線代表了震動波的傳播路線，形成對該區(qū)域的高密度射線覆蓋，進(jìn)行震源波速反演，如圖1所示，其中射線覆蓋密度越大，波速反演結(jié)果越準(zhǔn)確。

圖1 實時震源波速反演射線覆蓋示意

通過震動傳感器與發(fā)震位置之間的距離L和震動傳感器接收到震動波(P波)初至?xí)r刻T來建立速度模型對震動波速度V(x，y，z)進(jìn)行計算。假設(shè)第i個震動波的傳播路徑為Li，震動波傳播時間為Ti，該速度模型[17]為：

N——射線總數(shù)；

M——網(wǎng)格數(shù)量。

為求得上述模型計算結(jié)果，聯(lián)合迭代重建技術(shù)算法(以下簡稱“SIRT算法”)進(jìn)行迭代反演，并以此計算實時震源波速反演中的波速值，從而完成采掘工作面區(qū)域內(nèi)實時震源波速反演，生成波速分布云圖。

1.2 實時震源波速反演裝備

實時震源波速反演設(shè)備為天地科技股份有限公司從波蘭EMAG引進(jìn)的ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由地面設(shè)備和井下傳感器組成，如圖2所示。

圖2 ARAMIS M/E 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)的沖擊危險性評價軟件HESTIA_SQL中內(nèi)置了基于微震監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時震源波速反演功能。該運算基于煤巖體應(yīng)力集中程度與震動波在煤巖體的傳播波速呈正相關(guān)關(guān)系，利用實時震源波速反演原理和計算方法，劃分網(wǎng)格模型，執(zhí)行SIRT算法，模擬出選定區(qū)域的速度等值線圖，進(jìn)而推演出應(yīng)力集中情況。

2 工程概況

鄂爾多斯某礦開采的3-1號煤層平均厚度6.35 m，平均采深+737 m。3-1105工作面為一采區(qū)第2個工作面，工作面走向長度3 000 m，傾向長度280 m，工作面輔運巷北側(cè)為3-1103工作面采空區(qū)，3-1103工作面已于2018年3月回采完畢，3-1103工作面采空區(qū)距3-1105工作面開切眼150 m，2個工作面之間留設(shè)有寬度6 m的煤柱；3-1105工作面運輸巷南側(cè)為尚未開采的實體煤。截至2021年6月10日，3-1105工作面已推進(jìn)656.8 m。3-1105工作面位置關(guān)系如圖3所示。根據(jù)3-1105工作面19-11鉆孔得到研究區(qū)域煤巖層賦存情況，見表1，并通過巖石力學(xué)參數(shù)測定，得到3-1號煤層及其頂?shù)装寤編r石力學(xué)參數(shù)，見表2。

表2 巖石力學(xué)參數(shù)

由表1可以看出，3-1105工作面煤層上方140 m 范圍內(nèi)主要為細(xì)粒砂巖-粉砂巖等硬巖層，其中工作面直接頂為厚度6.55 m的泥巖，基本頂為厚度21.10 m的中粒砂巖，在基本頂上方賦存一層厚度64.71 m的細(xì)粒砂巖。因此3-1105工作面頂板存在多層厚硬巖層，結(jié)合表2可以得出，巖體強度較高，存在較高的彈性能，隨著工作面推進(jìn)，上覆厚硬巖層將會積聚、釋放大量的彈性能，易形成較大的微震事件。同時，根據(jù)三維地震勘探資料及附近巷道實際揭露情況分析，隨著3-1105工作面由西至東推進(jìn)，回采期間穿越5條斷層構(gòu)造，3-1105工作面揭露斷層構(gòu)造情況見表3。

文化一詞，說大很大，它可以涵蓋整個人類文明的一切活動，如東方文化、中國文化、少數(shù)民族文化等；說小也小，僅僅指知識，比如：上學(xué)、受教育、學(xué)知識被稱作“學(xué)文化”；受過高等教育的人被稱作 “文化人”?；蛘吒鼜V一點指區(qū)別于政治、經(jīng)濟(jì)、軍事的另一個社會活動，叫“文化”，如書法、繪畫、歌舞、戲曲等等民間娛樂活動。但是，“文化”最終是要被概念化了的，盡管想要給文化一個完善準(zhǔn)確的定義并非易事。

表3 3-1105工作面揭露斷層構(gòu)造情況

由表3分析得出，雖然工作面已過NF18、NF40以及NF39斷層，但隨著工作面的推進(jìn)，NF37與NF38斷層附近構(gòu)造應(yīng)力將不斷增加，構(gòu)造應(yīng)力、上覆巖層自重力及上覆厚硬巖層形成的側(cè)向支承力將使得工作面煤體極易形成高應(yīng)力集中區(qū)域。

3 實時震源波速反演技術(shù)應(yīng)用及分析

3.1 反演方案及傳感器布置

為分析3-1105工作面前方?jīng)_擊危險性，基于實時震源波速反演技術(shù)的工作原理，在3-1105工作面運輸巷和輔運巷布置傳感器作為3-1105工作面及相鄰區(qū)域發(fā)生震源的監(jiān)測點。以3-1105工作面前方400 m范圍為監(jiān)測區(qū)域，對該區(qū)域內(nèi)的實時震源進(jìn)行監(jiān)測，從而分析該區(qū)域內(nèi)高應(yīng)力分布以及沖擊危險區(qū)域的情況，方案設(shè)計原理如圖4所示。為保證采集到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，所有通道震動波初到時均進(jìn)行人工標(biāo)記與分析。

圖4 3-1105工作面波速反演方案設(shè)計及微震傳感器布置

為了配合3-1105工作面的回采進(jìn)度，并保證微震事件的定位精度，在3-1105工作面共布置6個傳感器，傳感器間距為200 m。其中工作面運輸巷布置3個傳感器編號為S1、S2、S3，輔運巷布置3個傳感器編號為S4、S5、S6，2個巷道內(nèi)的傳感器布置呈菱形(圖4)。

3.2 3-1105工作面波速反演及分析

選取3-1105工作面2021年6月1-9日連續(xù)9 d采集到的微震數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計算，其中微震信號清晰有效的數(shù)據(jù)共133個，最大能量為104J級微震事件，有效震源位置主要集中分布在3-1105工作面附近以及靠近3-1103工作面采空區(qū)側(cè)，如圖5所示，反演共形成射線565條。

基于實時震源波速反演技術(shù)，根據(jù)微震在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過沖擊危險性評價軟件HESTIA_SQL對震動傳感器接收到震動波進(jìn)行波速計算，得到震動波波速分布情況，并生成波速云圖，如圖6所示。

圖6 3-1105工作面實時震源波速反演速度云圖

由圖6可知，3-1105工作面前方400 m范圍內(nèi)波速為2.8～5.0 km/s，且波速梯度較大。根據(jù)波速與應(yīng)力大小呈正相關(guān)關(guān)系可知，圖中高應(yīng)力區(qū)域主要分布在3-1105工作面前方190～360 m(圖中紅色虛線區(qū)域)，表明該區(qū)域范圍圍巖體所承受的沖擊危險性較高。

3.3 反演結(jié)果論證

3.3.1 微震事件驗證

3-1105工作面于2021年6月11日09∶22∶44，發(fā)生1次能量7.0×106J微震事件，通過定位計算此次106J級微震事件的發(fā)生位置位于實時震源波速反演區(qū)域波速梯度密集變化帶，其中震源距3-1105輔運巷151 m，超前工作面228 m，如圖7所示。由于實時震源波速反演結(jié)果已提前實現(xiàn)預(yù)警，及時撤出高應(yīng)力區(qū)域人員，并未造成人員傷亡。

圖7 3-1105工作面106J級微震事件發(fā)生位置與波速反演結(jié)果相對位置

分析此次大能量微震事件發(fā)生原因，主要為3-1105工作面為一采區(qū)第2個工作面，且鄰近的3-1103工作面采空區(qū)寬度為245 m，根據(jù)該區(qū)域煤巖層賦存情況，僅在3-1103工作面回采下，其上覆厚度為64.71 m的細(xì)粒砂巖及其上覆巖層很難發(fā)生破斷、垮落，使得其一端架在3-1103工作面采空區(qū)矸石上，另一端架在3-1105工作面實體煤上形成“S”型覆巖空間[18]，在3-1105工作面回采擾動下，該巖層及其上覆巖層易發(fā)生整體聯(lián)動，因其巖層厚度大，使得“S”型覆巖空間內(nèi)形成較高側(cè)向集中應(yīng)力；同時受工作面前方NF37、NF38斷層結(jié)構(gòu)影響，因構(gòu)造應(yīng)力相疊加，導(dǎo)致3-1105工作面上覆厚硬巖層存儲較高的彈性能，為微震事件的發(fā)生提供了圍巖和能量條件；因此隨著工作面推進(jìn)，在超前應(yīng)力作用下，當(dāng)工作面推進(jìn)到距該區(qū)域一定距離時，受采動影響在超前應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力以及“S”型覆巖產(chǎn)生的側(cè)向集中應(yīng)力相互疊加下使得該區(qū)域應(yīng)力達(dá)到圍巖臨界強度，產(chǎn)生較大的微震事件。

106J級微震事件發(fā)生后，選取2021年6月12-15日連續(xù)4 d采集到的微震數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，基于SIRT算法得到工作面前方由不同顏色深淺表示的波速云圖，如圖8所示。

由圖8可以看出，106J級微震事件發(fā)生后，相應(yīng)區(qū)域集中應(yīng)力得到明顯釋放(圖中紅色虛線區(qū)域)，最大波速值由5.0 km/s降低到2.9～3.1 km/s，表明該區(qū)域波速明顯得到降低，進(jìn)而說明相應(yīng)區(qū)域圍巖應(yīng)力得到明顯釋放，危險程度明顯降低。同時圍巖應(yīng)力向3-1105工作面輔運巷側(cè)轉(zhuǎn)移，在3-1103工作面與3-1105工作面輔運巷相交區(qū)域處，受三角煤柱和超前應(yīng)力影響，圍巖應(yīng)力明顯增加，因此后續(xù)3-1103工作面與3-1105工作面相對位置形成的三角煤柱處為后續(xù)防沖卸壓的重點區(qū)域。

3.3.2 地音活動驗證

3-1105工作面安裝有ARES-5E地音監(jiān)測系統(tǒng)，在工作面前方180 m范圍內(nèi)的輔運巷與運輸巷各布置2個傳感器，編號分別為D3、D4、D5與D6，傳感器布置情況如圖9所示，傳感器有效監(jiān)測半徑為200 m。其中D3傳感器位置靠近此次高應(yīng)力集中區(qū)域，因此以D3傳感器為代表對本次106J級微震事件發(fā)生前后地音活動特征進(jìn)行分析。

圖9 3-1105工作面地音傳感器布置

大能量微震事件發(fā)生前后煤巖體必將經(jīng)歷一段較為連續(xù)的損傷發(fā)展階段，地音作為煤巖體損傷破壞的產(chǎn)物，地音也必然出現(xiàn)一段連續(xù)異常變化的時期。地音小時活動可以較為有效反映煤巖體破裂的規(guī)律，基于D3探頭監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制106J級微震事件的地音小時活動曲線如圖10所示。106J級微震事件發(fā)生前地音活動呈不斷增長的趨勢，事件發(fā)生后于2021年6月11日10∶00時達(dá)到峰值，最大能量為1.46×105J，此時頻次也達(dá)峰值，時頻最大值為275個。另外此次106J級微震事件前5 d地音平均小時能量為2.13×104J，平均時頻為47個，峰值小時能量是前5 d小時能量的6.8倍，峰值小時頻次是前5 d小時頻沖的5.9倍。

圖10 地音活動曲線

由圖10可以看出，微震事件發(fā)生前高應(yīng)力區(qū)域內(nèi)地音活動處于不斷增長趨勢，表明相應(yīng)區(qū)域煤巖體內(nèi)部缺陷在此期間經(jīng)歷了被閉合、壓裂、擴(kuò)展等一系列的微破裂活動，進(jìn)而表明相應(yīng)區(qū)域應(yīng)力集中程度較高、沖擊危險性較大。

此次106J級微震事件的發(fā)生以及微震事件發(fā)生前地音活動演化特征表明實時震源波速反演結(jié)果中應(yīng)力集中區(qū)域與煤體中高應(yīng)力分布區(qū)域較吻合。因此實時震源波速反演對于探測煤層高應(yīng)力區(qū)域分布規(guī)律具有較好的適用性。

4 結(jié)論

(1)基于微震在線監(jiān)測的實時震源波速反演技術(shù)對3-1105工作面煤體應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行計算分析，根據(jù)震動波波速與應(yīng)力的正相關(guān)性，反演結(jié)果表明工作面前方190～360 m范圍內(nèi)存在一定區(qū)域的高波速及波速梯度密集變化帶，說明該區(qū)域煤體應(yīng)力較高。

(2)基于微震監(jiān)測系統(tǒng)在3-1105工作面前方228 m處監(jiān)測到1次106J級微震事件，106J級微震事件的發(fā)生位置位于實時震源波速反演結(jié)果中應(yīng)力集中區(qū)域，同時結(jié)合微震事件發(fā)生前相應(yīng)區(qū)域地音活動特征表明實時震源波速反演結(jié)果中應(yīng)力集中區(qū)域與煤體中高應(yīng)力分布區(qū)域較吻合，因此實時震源波速反演對于探測煤層高應(yīng)力區(qū)域分布規(guī)律具有較好的適用性。