地震CT透射技術在12220工作面上的應用

胡強

摘 要：本文利用地震層析成像技術，對探測區域內煤巖波速分布情況進行CT成像，然后根據應力與地震波波速的對應關系，確定煤巖應力分布情況，最終根據區域高應力分布情況制定針對性措施，保證礦井生產安全。

關鍵詞：微震;地震波;CT透射

中圖分類號：TD823.86文獻標識碼：B文章編號：1003-5168（2018）29-0095-02

Abstract： In this paper， seismic tomography was used to CT image the distribution of coal and rock wave velocity in the detection area. Then， according to the corresponding relationship between stress and seismic wave velocity， the stress distribution of coal and rock was determined. Finally， the targeted measures were formulated according to the regional high stress distribution， ensured the safety of mine production.

Keywords： microearthquakes;seismic waves;CT transmission

沖擊地壓發生的根本原因是開采區域煤巖層應力過高或開采擾動，因此對巖體內部應力分布進行分析是至關重要的。大量工程實踐表明，在致密完整、應力集中的煤巖體內，地震波波速較高;在疏松破碎、應力松弛的煤巖體內，地震波的波速較低;無異常區域煤巖體內，地震波穿透速度相對穩定。利用震動波運動學和動力學參數，結合相關地質資料對煤巖區域進行分析，可準確得到煤巖體結構特征及應力狀態[1]。

1 工作面概況

12220工作面位于西二采區西翼，2～3煤軌道下山西側，北臨已回采的12200工作面下巷，西至礦區邊界斷層，南部為未開采的2～3煤實體。頂板為砂質泥巖，地板為細砂巖粉砂巖互層。煤厚9～21.6m，煤層結構復雜，含夾矸4～7層，均為泥巖，不穩定。

2 試驗方案

本次探測采用的設備為PASAT-M型便攜式微震探測系統，根據綜合工作面實際情況及地震CT技術原理特征，決定對12220工作面超前支承壓力影響區域內的煤巖體進行探測。綜合考慮現場施工條件及射線交差角度，確定在12220工作面下巷布置檢波器，在12220工作面上巷布置激發炮，設計走向控制范圍在超前工作面150m以內，設計探測系統如圖1所示。

3 技術參數

本次探測實驗期間，設定PDA接收機采樣頻率為2 000Hz，檢波器工作頻段5～10 000Hz，增益40dB，采樣長度0.8s，激發孔內每孔200g炸藥，為短斷觸發。每次激發有11個探頭同時接收數據，但后期發現第11號探頭接收波形混亂，故不參與反演計算;另外，此次實驗現場激發23炮，實際接收20炮，其中第2、3、4、8、14、17、18炮波形疑似受現場背景噪音干擾，導致初至時間模糊，標波無效，故實際參與計算反演為13炮，所以共接收有效數據為10×13=130道。現場實際最大炮間距10m，最小炮間距6m，平均炮間距6.36m。實際最大道間距15m，最小道間距12m，平均道間距13.8m。下巷探測范圍138m，上巷探測范圍140m，平均139m。

4 試驗結果

本次探測實驗區域的波速反演分布圖如圖2所示，其中以藍色到紅色代表探測區域內地震波波速，波速分布范圍為2 093～6 987m/s。不同區域煤體的波速差異性反應了其物理力學特性及應力狀態的差異性。

5 結果分析

5.1 總體分析概述

探測區域波速分布與常規礦壓理論中的煤巖體應力分布趨勢差別較大，這主要源于該工作面實際煤巖層結構復雜。特別值得注意的是，F16壓性逆沖斷層斜穿本工作面，上盤煤層不平整，局部煤層變薄;下盤煤層穩定，在接近和進入F16斷層破碎帶后，煤層厚度變大，局部未見頂，在上巷現工作面前110～160m之間，下巷現工作面前386～426m之間形成巨厚煤層變化帶;F16斷層自南向北推覆，切穿2～3層煤層后，沿煤層頂板附近順層低角度滑動一定距離后，突然抬升，形成了弧形上翹。而底部煤層在F16斷層由南向北推覆過程中，未發生斷裂變動。煤巖層由破碎區向完整區域過度時，容易形成較高的應力集中現象。

5.2 危險區域劃分

從圖2波速CT成像結果可以明顯看出，整體波速異常區呈現以上巷前80m位置為基點，向下巷進行扇形輻射狀分布。按照波速大小將本次實驗區域內的異常區進行劃分，并結合相關資料和現場實際條件，對異常形成原因進行分析推斷。根據所劃分的異常區域，對沖擊地壓發生的促進能力大小的各異常區定性歸類，可分為三個區域，即強沖擊危險區、中等沖擊危險區和弱沖擊危險區。

5.2.1 異常區Ⅰ。異常區Ⅰ位于12 220工作面上巷面前74～84m，下幫約35m范圍內。其波速范圍為5 000～7 000m/s，最大波速為6 987m/s，為本次探測反演波速的最高值，且等值線分布密集，說明小范圍內波速梯度變化明顯。分析原因有三點：第一，該區域對應上巷巨厚煤層變化帶，受F16斷層自南向北推覆構造應力影響，在斷層面抬升上翹煤層內形成應力集中;第二，該異常區域位于F16逆沖斷層下盤臨近斷層，受到回采超前支撐壓力影響，形成局部高應力集中;第三，該異常區域受上部采空區側向支承壓力影響。上述三方面原因導致該處應力集中程度顯著增加，從而波速出現異常高值，因此判定為強沖擊危險區。

5.2.2 異常區Ⅱ。異常區Ⅱ位于12220工作面上巷面前68～74m和84～90m，下幫35～70m范圍內。其波速范圍為4 000～5 000m/s。該異常區波速較Ⅰ區普遍降低1 000m/s，呈“C”型分布，區域范圍較Ⅰ區有所增大，但等值線密集程度有所降低，說明波速梯度變化減緩。相比異常區域Ⅰ，由于遠離上部采空區，受采空區側向支承壓力影響減小，應力集中程度較低，但由于該區域位于F16逆沖斷層下盤臨近斷層，因而也判定為強沖擊危險區。

5.2.3 異常區Ⅲ。異常區Ⅲ基本覆蓋工作中下部大部分區域，其波速范圍為3 000～4 000m/s。該異常區范圍最大，主要受煤層上覆巖層自重應力和工作面超前支承壓力疊加作用影響，超前支承壓力基本穩定，因此等值線分布最為平緩，表明波速梯度變化較為均勻，反映煤體中應力分布近似各向同性，故判定為中等沖擊危險區。

6 結論

本文利用地震CT技術對12220工作面前方150m范圍內煤巖體進行沖擊危險性探測，共劃定3個異常區，其中2個為強沖擊危險區，1個為中等沖擊危險區，并標定了各危險區的分布范圍。探測完成后，在強沖擊危險區應設置警示標牌，嚴格限制作業人數，并加大綜合卸壓力度，切實保證巷道支護強度，保障生產安全;對中等沖擊危險區應進行密切監測與動態分析，準確把握其沖擊危險性發展趨勢，為安全生產提供決策依據。同時，生產期要做好下巷封閉管理，切實履行“生產不修護、修護不生產”制度，工作面超前150m范圍內要加強支護與沖擊地壓管理力度，區域作業人員必須穿戴防沖頭盔和背心等防沖裝備，確保礦井生產安全。

參考文獻：

[1]姚剛，曹懷軒，譚文鋒，等.東灘煤礦便攜式微震探測系統應用研究[J].煤礦現代化，2018（3）：89-92.