姚小帥 ,金明方 ,蔣 亭 ,3 ,張萬鵬
(1.河南能源集團(tuán)研究總院有限公司,河南 鄭州 450000;2.貴州能發(fā)高山礦業(yè)有限公司,貴州 畢節(jié) 551700;3.永貴能源開發(fā)有限責(zé)任公司 新田煤礦,貴州 畢節(jié) 551700)
隨著煤礦生產(chǎn)向深部延伸、開采強(qiáng)度加大,沖擊地壓、煤與瓦斯突出及頂板事故等煤巖動力災(zāi)害日益嚴(yán)重[1-2]。其中,沖擊地壓以其發(fā)生突然、過程劇烈、破壞力巨大的特征嚴(yán)重威脅著煤礦安全生產(chǎn),容易造成重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。1960年1 月20 日,南非Coalbrock North 煤礦發(fā)生沖擊地壓,死亡432 人,破壞面積達(dá)300 萬m2。世界上20 多個國家的礦山曾發(fā)生過沖擊地壓災(zāi)害。我國是礦山開采受沖擊地壓危害最嚴(yán)重的國家之一,存在沖擊地壓的礦井已達(dá)100 多個。義馬煤田是受沖擊地壓威脅最嚴(yán)重的地區(qū)之一[3],截至目前,已累計發(fā)生較明顯的沖擊地壓事件100 多起,累計損壞巷道數(shù)千米,多次造成人員傷亡,經(jīng)濟(jì)損失巨大。嚴(yán)重的沖擊地壓災(zāi)害迫使礦井加大了沖擊地壓防治工作的安全投入,推高了原煤生產(chǎn)成本,擠壓企業(yè)生存空間,甚至沖擊地壓嚴(yán)重礦井瀕臨關(guān)井。
沖擊地壓是一種具有復(fù)雜性、突發(fā)性和很強(qiáng)破壞性等特點(diǎn)的典型煤巖動力災(zāi)害之一,往往由地質(zhì)及采礦因素綜合作用引起煤巖體應(yīng)力集中造成[4]。一般認(rèn)為,地應(yīng)力高的區(qū)域容易發(fā)生沖擊地壓。因此,從地應(yīng)力角度對工作面沖擊危險性進(jìn)行分析,圈出沖擊地壓高風(fēng)險區(qū),探測采煤工作面煤巖體高應(yīng)力分布對預(yù)測沖擊地壓風(fēng)險具有重要意義。地應(yīng)力測量方法近10 種,其中在地應(yīng)力測量中得到廣泛應(yīng)用的方法有水壓致裂法[5-6]、空心包體法[7]、鉆孔應(yīng)力解除法、聲發(fā)射法[8]、在線應(yīng)力監(jiān)測法、應(yīng)力恢復(fù)法、鉆屑法和地震縱波法。除地震縱波外,這些方法有效探測區(qū)域為點(diǎn)狀,局限在鉆孔附近,作用范圍小,難以反映整個工作面的應(yīng)力分布。而采用地震透射方法,利用地震波速的分布預(yù)測測區(qū)應(yīng)力分布是一種較為可行的物探方法;以往這方面的研究較少且多針對巖體,研究的手段也比較單一,且由于物探存在多解性使研究成果的準(zhǔn)確性不足。為了深入探究采煤工作面所在區(qū)域的高應(yīng)力分布,通過研究煤樣和巖樣在單軸壓縮下的縱波速度變化規(guī)律,從而得到依據(jù)縱波速度解譯采煤工作面應(yīng)力分布的理論支持;另外,地震槽波是一種僅在煤層傳播的地震波,近幾年在工作面構(gòu)造[9-10]、煤厚[11-12]探測方面廣泛應(yīng)用,故將槽波也用于工作面應(yīng)力探測,聯(lián)合地震縱波更好地探測采煤工作面高應(yīng)力區(qū)分布。
在某沖擊地壓采煤工作面分別制備了頂板和煤層的φ50 mm×100 mm 標(biāo)準(zhǔn)圓柱形作為單軸壓縮試樣。采用能夠承壓的傳感器,然后把試樣放置在收、發(fā)傳感器之間,傳感器與試樣端面之間涂抹耦合劑,通過自動加壓設(shè)備自動控制加載速率,開展加載條件下的波速測試。
通過巖樣在單軸加載方式下進(jìn)行縱波波速實(shí)驗,在塑性變化前采用軸向荷載控制,不斷進(jìn)行單軸壓縮直至煤巖塊破碎,根據(jù)期間采集的應(yīng)力和縱波波速數(shù)據(jù),繪制的應(yīng)力σ和縱波波速vS關(guān)系圖如圖1。
圖1 巖樣單軸壓縮下縱波速度與應(yīng)力的關(guān)系Fig.1 Relationship between P-wave velocity and stress of rock sample under uniaxial compression
試驗結(jié)果表明:在彈性變形前期,煤樣處于壓密階段,縱波由初始波速快速增加,增幅較大,此階段在載荷作用下煤樣中裂隙逐漸閉合、顆粒間接觸更加緊密,孔隙率迅速降低;在彈性變形后期,隨荷載增加,煤樣孔隙密度的變化量相比前期變小,造成波速增加的幅度減小,但波速仍持續(xù)加快;荷載繼續(xù)增加,接近塑性變形時,巖樣內(nèi)裂隙產(chǎn)生并逐漸遭受破壞,波速增幅漸趨于0,縱波波速無明顯變化[13]。整體上看,在煤樣彈性階段縱波波速隨應(yīng)力增加而增加,雖不是標(biāo)準(zhǔn)線性關(guān)系,但煤巖塊在單軸加載方式下地震波速與應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系。
大量的工程實(shí)踐也表明:對于具有沖擊地震危險性的采煤工作面而言,波速相對較高的區(qū)域一般分布在致密完整的煤巖體處和應(yīng)力集中區(qū);波速較低區(qū)域主要分布在疏松破碎的煤巖體處。對整個勘探范圍而言,若內(nèi)部無異常區(qū)域,地震波的速度分布應(yīng)是相對均勻的,當(dāng)有應(yīng)力異常或地質(zhì)構(gòu)造存在時,該部分區(qū)域?qū)⒃诜囱莩晒斜憩F(xiàn)為高速異常??梢?,高的縱波速度一般表征高的應(yīng)力集中程度。
槽波是一種在煤層中激發(fā)、形成和傳播的地震波。由于煤層和頂?shù)装鍑鷰r呈現(xiàn)“兩硬夾一軟”的地層結(jié)構(gòu),加之煤層和圍巖的波阻抗值差別大,符合產(chǎn)生全反射的條件,故在煤層中激發(fā)的體波經(jīng)頂?shù)捉缑娴亩啻稳瓷浔唤d在煤層及其鄰近的巖石中,在煤層中相互疊加、干涉,形成槽波[14-15]。槽波是干涉面波,其速度與煤層和圍巖速度緊密相關(guān)。當(dāng)工作面應(yīng)力變化時,煤巖層橫波速度隨之發(fā)生變化,槽波速度也產(chǎn)生變化。
1.2.1 橫波速度與應(yīng)力關(guān)系
煤巖塊在單軸加載方式下采用軸向荷載控制,在塑性變化前不斷進(jìn)行壓縮直至煤巖塊破碎,根據(jù)期間采集的應(yīng)力和橫波速度數(shù)據(jù),繪制的煤巖塊應(yīng)力和橫波速度關(guān)系圖如圖2、圖3。
圖2 巖樣單軸壓縮下橫波速度與應(yīng)力的關(guān)系Fig.2 Relationship between shear wave velocity and stress of rock sample under uniaxial compression
圖3 煤樣單軸壓縮下橫波速度與應(yīng)力的關(guān)系Fig.3 Relationship between shear wave velocity and stress of coal sample under uniaxial compression
試驗結(jié)果表明:在單軸壓縮下的彈性階段,煤巖塊軸向橫波速度隨著應(yīng)力增加而升高,直至煤巖塊遭受破壞,曲線出現(xiàn)拐點(diǎn),波速迅速下降;在煤巖塊彈性階段,橫波速度與應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系。對于采煤工作面而言,當(dāng)有高應(yīng)力異常時,該部分區(qū)域煤層和巖層的橫波速度雖不同,但都表現(xiàn)為相對高速。
1.2.2 槽波速度與應(yīng)力關(guān)系
對于煤系地層,槽波僅在煤層中發(fā)育、傳播,煤層中槽波頻散方程如式(1),其速度與煤層和圍巖的橫波速度緊密相關(guān)。
式中:f為頻率,Hz;c為勒夫型槽波的相速度,m/s;υ1、υ2分別為圍巖和煤層的橫波速度,m/s; ρ1、 ρ2分別為圍巖和煤層的密度,g/cm3;n為頻散階數(shù);hc為煤厚,m。
當(dāng)工作面煤層地應(yīng)力分布呈正常狀態(tài),無額外載荷時,根據(jù)應(yīng)力與橫波速度的關(guān)系,設(shè)圍巖橫波速度1 300 m/s、煤層橫波速度650 m/s,根據(jù)式(1)計算得到的特定煤厚的槽波頻散曲線如圖4。曲線極點(diǎn)處為埃里震相,其能量在槽波所有成分中屬最強(qiáng),是槽波頻散曲線的特征震相[16-17],圖中顯示在此正常應(yīng)力狀態(tài)下的槽波埃里相速度為521 m/s。
圖4 正常應(yīng)力條件下槽波頻散曲線Fig.4 Dispersion curve of slot wave under normal stress condition
當(dāng)工作面受采礦因素干擾,應(yīng)力異常積聚時,根據(jù)應(yīng)力與橫波速度的關(guān)系,此時煤巖層橫波處于高速狀態(tài),設(shè)圍巖橫波速度2 200 m/s、煤層橫波速度1 200 m/s,根據(jù)式(1)計算得到的特定煤厚下的槽波頻散曲線如圖5。在此高應(yīng)力狀態(tài)下的槽波埃里相速度為1 029 m/s。
圖5 高應(yīng)力條件下槽波頻散曲線Fig.5 Dispersion curve of slot wave under high stress condition
以上計算結(jié)果發(fā)現(xiàn),正常應(yīng)力條件下槽波埃里相速度為521 m/s;高應(yīng)力條件下槽波埃里相速度為1 029 m/s。說明隨著工作面應(yīng)力增大,槽波埃里相速度相應(yīng)升高,槽波埃里相速度與應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系。
CT 層析成像技術(shù)是將槽波或者縱波走時轉(zhuǎn)化為速度分布的核心方法,主要根據(jù)拾取地震波速度進(jìn)行反演獲取探測區(qū)域波速分布的一種方法。地震波在地層中傳播時,地震射線的走時是幾何路徑和速度v(x,y)的函數(shù),對于第i條射線,若射線的走時為ti,則有下列積分式:
式中:ti為第i條射線的走時,ms;v(x,y)為速度分布函數(shù);Ri為第i條射線路徑;A(x,y)為慢度分布函數(shù);s為射線路徑的長度,m。
將成像區(qū)域離散成若干個規(guī)則的網(wǎng)格單元,則式(2)可化成離散的線性方程組為:
式中:ti為第i條射線的走時,ms;dij為第i條射線穿過第j個網(wǎng)格的長度,m;xj為第j個網(wǎng)格的慢度,s/m;M為射線數(shù);N為網(wǎng)格數(shù)。
可將式(3)寫成矩陣形式:
式中:tM或者T為M維地震波走時列向量,是觀測值;dMN或者D為M×N階射線的幾何路徑矩陣;sN或者S為N維慢度列向量,為待求量。利用瞬時迭代重構(gòu)法求解,得到所有網(wǎng)格點(diǎn)處地震波速數(shù)值。
槽波與縱波聯(lián)合地應(yīng)力探測是基于透射法,在采煤工作面的1 條巷道布置震源,另1 條巷道布置高精度檢波器。震源激發(fā)時,在煤層中形成的地震波,一部分透射后逸散;一部分沿全反射臨界角透射后形成沿界面?zhèn)鞑サ恼凵洳?;其余部分在煤層傳播,形成煤層直達(dá)波和槽波。同時檢波器開始采集地震信號,按照地震波到達(dá)時間和偏移距不同形成的地震剖面如圖6,剖面中各波組呈現(xiàn)近似的雙曲線形態(tài)特征。
圖6 透射法各類型波組時距曲線Fig.6 Time interval curves of each type wave group by transmission method
圖6 中,可以看到折射縱波在最上方,其傳播速度最快,曲率最??;其次是折射橫波;而后是直達(dá)縱波和直達(dá)橫波,但在實(shí)測透射法槽波數(shù)據(jù)中,②、③和④波形往往混在一起,難以分辨;位于末端的是槽波埃里相,曲率最大,由于埃里相速度為槽波群速度的最小值,故該時距曲線位于地震剖面的尾部,槽波其它成分的到達(dá)時間處于折射橫波和槽波埃里相之間。
采煤工作面透射地震數(shù)據(jù)的主要處理方法為速度法和能量衰減系數(shù)法,對于波速主控因素為地應(yīng)力的采煤工作面而言,波速對應(yīng)力變化較敏感,而能量的衰減與應(yīng)力大小無關(guān),故采用速度法處理所獲地震數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)體中同時含有縱波和槽波,需分別提取和處理,然后綜合解譯。
首先對地震數(shù)據(jù)的典型數(shù)據(jù)道進(jìn)行頻譜分析,確定有益縱波、槽波的主頻范圍,利用帶通濾波濾除主頻范圍外的背景噪聲;選擇合適的時間窗口大小進(jìn)行自動增益,以增強(qiáng)地震剖面中縱波和槽波埃里相中的弱信號;由于使用的都是同一延遲時間的雷管,故采用固定數(shù)值對數(shù)據(jù)進(jìn)行延遲校正。以上預(yù)處理完成后,根據(jù)圖6 中折射縱波位置,拾取數(shù)據(jù)中折射縱波的全部初至,經(jīng)CT 層析成像得到測區(qū)內(nèi)部的縱波速度分布圖,然后根據(jù)煤巖樣單軸壓縮試驗中的結(jié)論,即縱波速度與應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系,解譯工作面高應(yīng)力區(qū)。
切除上述預(yù)處理數(shù)據(jù)縱波成分和埃里震相后面的噪聲,并進(jìn)行短時傅里葉變換獲得槽波頻散圖,圖中能量最強(qiáng)之處即埃里震相,拾取槽波頻散曲線中埃里震相的走時,經(jīng)CT 層析成像計算得到測區(qū)內(nèi)部的槽波速度分布圖,然后根據(jù)煤巖樣單軸壓縮試驗中的結(jié)論,即槽波埃里相速度與應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系,解譯工作面高應(yīng)力區(qū)。
最終把縱波和槽波預(yù)測的高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行疊加,重疊區(qū)域即為重點(diǎn)關(guān)注的高應(yīng)力區(qū),也是采煤工作面沖擊地壓防治工作的重點(diǎn)區(qū)域。
義馬礦區(qū)某工作面位于井田深部,緊鄰井田邊界—義馬F16逆斷層,為沖擊危險性工作面。其走向長400 m,傾斜長193 m,平均采深550 m。所采煤層為侏羅系義馬組2-3 煤,均厚14.9 m。直接頂以泥巖為主,含砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖,均厚約40 m;煤層底板為泥巖、炭質(zhì)泥巖,厚度大于6.5 m。該工作面煤厚穩(wěn)定,構(gòu)造不發(fā)育,影響地震波速的主要因素為地應(yīng)力。
采用透射法觀測系統(tǒng),在上巷設(shè)計炮點(diǎn)40 個,間距10 m;下巷設(shè)計接收點(diǎn)25 個,間距15 m。每個炮孔裝入乳化炸藥200 g,使用礦用1 段延遲毫秒管引爆。利用高精度檢波器進(jìn)行接收,采樣間隔0.25 ms,采樣時長1 000 ms。觀測系統(tǒng)測點(diǎn)布置圖如圖7。
圖7 觀測系統(tǒng)測點(diǎn)布置圖Fig.7 Observation system
采集的1 000 道(40 炮×25 道)數(shù)據(jù)經(jīng)靜校正、增益等預(yù)處理后,除了少數(shù)地震道信號受噪聲干擾,縱波難以辨識外,絕大部分地震道信號的縱波初至清晰,易于拾取。第15 炮的原始地震剖面如圖8,縱波初至已被標(biāo)出并用線段連接。若測區(qū)內(nèi)地應(yīng)力均勻分布,那么縱波在測區(qū)內(nèi)的波速應(yīng)相對穩(wěn)定,其初至?xí)r間隨炮檢點(diǎn)偏移距變化而變化,整體應(yīng)該呈標(biāo)準(zhǔn)的雙曲線形態(tài),但圖8 中縱波初至分布并非雙曲線形態(tài),左右兩側(cè)的初至?xí)r間位置存在差異,地震道1#~13#比14#~25#的初至?xí)r間整體偏小約20 ms,說明地震道1#~13#所在區(qū)域的縱波速度大于14#~25#所在區(qū)域,從定性角度分析,測區(qū)里段應(yīng)力大于外段。
圖8 S15 炮集縱波初至標(biāo)定Fig.8 Arrival time of P-wave of S15 gun set
提取的縱波速度經(jīng)層析成像構(gòu)建的縱波速度等值線如圖9。速度范圍為2 440~4 000 m/s。從速度分布特征上看,右側(cè)區(qū)域整體波速大于左側(cè),超過3 000 m/s。結(jié)合相關(guān)因素綜合分析,將波速大于3 700 m/s 的區(qū)域定為高速區(qū)域,根據(jù)縱波波速與應(yīng)力的正相關(guān)關(guān)系,將此高速區(qū)域解譯為高應(yīng)力區(qū)。
圖9 縱波速度等值線圖Fig.9 Velocity contour of P-wave
采集數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理、濾波、頻散分析等,得到地震射線的實(shí)測頻散曲線,3 條射線的頻散曲線如圖10。其形態(tài)連續(xù)、清晰,可靠程度高。
圖10 頻散曲線圖及125 Hz 對應(yīng)的旅行時Fig.10 Dispersion curves and travel time at 125 Hz
通過統(tǒng)計分析所有頻散曲線埃里震相的頻率范圍,確定125 Hz 為適宜的拾取頻率,拾取的槽波速度通過CT 層析成像構(gòu)建的槽波速度等值線如圖11。速度范圍為870~1 500 m/s。從槽波速度分布上看,測區(qū)大部分區(qū)域速度偏低(藍(lán)色區(qū)域),根據(jù)相關(guān)信息分析,將波速大于1 250 m/s的區(qū)域定為高速區(qū)域,然后根據(jù)應(yīng)力與槽波速度的正相關(guān)關(guān)系,將此高速區(qū)域解譯為高應(yīng)力區(qū)。
圖11 槽波速度等值線圖Fig.11 Velocity contour of channel wave
經(jīng)對比分析,縱波高應(yīng)力區(qū)和槽波高應(yīng)力區(qū)存在重疊,且面積較大,槽波與縱波聯(lián)合探測技術(shù)綜合成果圖如圖12。
圖12 槽波與縱波聯(lián)合探測技術(shù)綜合成果圖Fig.12 Comprehensive result by channel wave and P-wave joint exploration
主要重疊區(qū)域位于下巷切眼口向外130~190 m范圍,向工作面內(nèi)部延伸了37 m。此重疊區(qū)域是縱波和槽聯(lián)合探測高應(yīng)力區(qū)的疊加成果,可靠性較高,是測區(qū)沖擊地壓高風(fēng)險區(qū),也是該工作面沖擊地壓防治工作的重點(diǎn)。
經(jīng)驗證,高應(yīng)力重疊區(qū)發(fā)育有1 條8.5 m 落差的正斷層,斷層及其附近常屬于應(yīng)力集中區(qū);該區(qū)段施工鉆孔時,鉆屑量明顯偏大,且易縮孔;工作面回采通過應(yīng)力重疊區(qū)時,巷道變形嚴(yán)重,“煤炮”時有發(fā)生。工作面其它區(qū)域無明顯的礦壓顯現(xiàn)。以上驗證資料表明,此重疊區(qū)確為應(yīng)力集中區(qū),利用速度分布可以有效探測高應(yīng)力區(qū),槽波和縱波相結(jié)合可以進(jìn)一步提高探測精度。
1)煤巖塊在單軸壓縮下的彈性階段,軸向縱橫波速度隨著應(yīng)力增加而升高,直至煤巖塊遭受破壞,曲線出現(xiàn)拐點(diǎn),波速迅速下降。表明在煤巖塊彈性階段,縱橫波速度與應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系。
2)正常應(yīng)力條件下槽波埃里相速度遠(yuǎn)小于高應(yīng)力條件下的槽波埃里相速度。說明隨著工作面應(yīng)力增大,槽波埃里相速度相應(yīng)升高,應(yīng)力與槽波埃里相速度呈正相關(guān)關(guān)系。
3)理論與試驗表明槽波能夠用來探測采煤工作面高應(yīng)力區(qū),槽波與縱波相結(jié)合可以更好地探測工作面高應(yīng)力區(qū)。