震動(dòng)波CT反演技術(shù)在采煤工作面的應(yīng)用研究

陳 艷

（山東東山古城煤礦有限公司，山東 濟(jì)寧 272100）

0 引言

震動(dòng)波CT 反演技術(shù)作為全新的地球物理重要方法，其應(yīng)用于我國(guó)煤礦工程開采與煤礦地質(zhì)產(chǎn)業(yè)診斷中，該技術(shù)憑借其對(duì)煤礦掘進(jìn)面較大范圍內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)的科學(xué)合理的評(píng)價(jià)，研究煤礦周邊礦區(qū)區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)分布，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)較大范圍采煤工作面的超前應(yīng)力狀態(tài)探測(cè)，以此保證我國(guó)采煤工作的安全性與穩(wěn)定性。在此背景下，該文以某工程項(xiàng)目采煤工作面為主要研究對(duì)象，對(duì)震動(dòng)波CT 反演技術(shù)在采煤工作面中的應(yīng)用進(jìn)行具體研究與分析，具有重要理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 工作面概況

某煤礦工作面實(shí)際采掘深度為1 000 m 左右，周圍礦區(qū)地面標(biāo)高為550 m～560 m，實(shí)際工作面煤層標(biāo)高為-390 m～-450 m，為該煤礦開采企業(yè)在礦區(qū)東部的第一個(gè)綜合煤礦資源開采工作面，實(shí)際開采采高為10 m，主要采掘煤層為2-1。該煤礦資源開采綜合面的上方，依次為泥巖直接頂層、煤層、泥鹽層和厚沙層，下方則主要為4 m 深左右的泥鹽直接底層和砂巖基本底層。

2 震動(dòng)波CT反演技術(shù)

2.1 理論基礎(chǔ)

根據(jù)強(qiáng)度理論可知，當(dāng)煤礦礦區(qū)開采面周圍巖體所承受的壓力超過了周圍巖體所能承受的極限，也就是煤礦礦區(qū)周圍巖體實(shí)際承受的應(yīng)力滿足極限應(yīng)力條件時(shí)，完全有可能發(fā)生沖擊礦壓現(xiàn)象。諸多試驗(yàn)和煤礦礦區(qū)開采實(shí)踐表明，煤礦周圍巖體應(yīng)力狀態(tài)與振動(dòng)波速具有明顯的正比例關(guān)系。通俗地講，煤礦周圍巖體所承受的振動(dòng)波速越高，巖體所承受的應(yīng)力值也就越大，超過煤礦礦區(qū)周圍巖體實(shí)際可承載強(qiáng)度極限的可能性也就越大，煤礦礦區(qū)的沖擊危險(xiǎn)性就越高，煤礦資源開采出現(xiàn)安全事故的可能性也就越大，因此，通過震動(dòng)波CT 反演技術(shù)探測(cè)煤礦礦區(qū)周圍巖體實(shí)際承受的壓力，進(jìn)而評(píng)價(jià)礦區(qū)周圍巖體所承受的應(yīng)力分布情形及其沖擊危險(xiǎn)大小，是切實(shí)可行且滿足相關(guān)理論條件的[1]。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

利用震動(dòng)波CT 反演技術(shù)評(píng)價(jià)煤礦周圍巖體危險(xiǎn)性大小及沖擊壓力大小，主要基于震動(dòng)波CT 反演結(jié)果，探究煤礦周圍巖體沖擊危險(xiǎn)性大小。該過程的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系主要為以下3 個(gè)。1）煤礦周圍巖體波速正異常系數(shù)，該系數(shù)與煤礦周圍巖體所承受的實(shí)際應(yīng)力值大小及其應(yīng)力集中程度之間存在明顯的正比例關(guān)系。周圍巖體正異常系數(shù)越大，巖體所承受的應(yīng)力值也就越大，實(shí)際應(yīng)力集中程度越高，煤礦周圍掩體受到?jīng)_擊危險(xiǎn)的可能性越大。2）煤礦周圍巖體波速負(fù)異常系數(shù)，該系數(shù)與煤礦周圍巖體的卸壓弱化能力存在明顯的正比例關(guān)系。煤礦周圍巖體波速的負(fù)異常系數(shù)越大，煤礦周圍巖體泄壓弱化程度越高，沖擊危險(xiǎn)性越大。3）煤礦周圍巖體波速梯度與沖擊危險(xiǎn)性呈現(xiàn)出較強(qiáng)的正比例關(guān)系，煤礦周圍巖體波速梯度系數(shù)越大，實(shí)際所承受的沖擊荷載也就越高，沖擊危險(xiǎn)性就越強(qiáng)。因此，通過煤礦采煤工作面震動(dòng)波CT 反演結(jié)果，得出波速正異常系數(shù)、負(fù)異常系數(shù)以及波速梯度系數(shù)等3 個(gè)評(píng)價(jià)指數(shù)，進(jìn)而對(duì)震動(dòng)波CT 反演結(jié)果進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，也就能得到關(guān)于礦區(qū)周圍巖體沖擊危險(xiǎn)值大小以及泄壓解危效果的強(qiáng)弱區(qū)分。

3 沖擊危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

3.1 反演方案

選擇煤礦工作面2019 年11 月～2020 年1 月的相關(guān)礦震數(shù)據(jù)信息進(jìn)行反演，然后對(duì)該時(shí)間段內(nèi)的煤礦礦區(qū)工作面波速反演結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析，以此預(yù)測(cè)該煤礦礦區(qū)工作面周圍巖體的沖擊危險(xiǎn)性大小，圖1 即為該煤礦礦區(qū)工作面礦震分布示意圖。為盡可能地提高礦區(qū)內(nèi)該時(shí)段礦震沖擊危險(xiǎn)反演結(jié)果的準(zhǔn)確度，從200 個(gè)數(shù)據(jù)中篩選出能量大于500 J 的煤礦礦區(qū)礦震波形圖進(jìn)行重新標(biāo)波、定位以及去除波形圖不確定性和定位不準(zhǔn)確的礦震波速圖，最后選取88個(gè)礦震數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合反演，最終形成射線388 條，且每條射線的波形圖數(shù)據(jù)均大于4，實(shí)際網(wǎng)格分割與負(fù)方向的間距設(shè)置合理，再進(jìn)一步使用同時(shí)迭代重建技術(shù)對(duì)所有數(shù)據(jù)信息進(jìn)行平穩(wěn)收斂，避免煤礦礦區(qū)礦震波速反演區(qū)域奇異解出現(xiàn)的可能[2]。

3.2 反演結(jié)果

進(jìn)一步探究該煤礦礦區(qū)工作面水平波速異常系數(shù)和波速梯度系數(shù)可知，由于該煤礦工作面波速正異常系數(shù)與周圍巖體應(yīng)力集中程度之間存在正比例關(guān)系，且波速梯度系數(shù)與周圍礦區(qū)所遭受沖擊危險(xiǎn)性大小之間存在著正比例關(guān)系，由圖2（a）該煤礦礦區(qū)工作面波速正異常系數(shù)云圖和圖2（b）波速梯度系數(shù)云圖可知，該煤礦工作面波速正異常系數(shù)與波速梯度系數(shù)均較大，由此可知，該煤礦礦區(qū)工作面周圍巖體一定區(qū)域范圍內(nèi)存在著較強(qiáng)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，周圍巖體所承受的沖擊危險(xiǎn)性較高。

圖1 礦震分布示意圖

圖2 波速正異常系數(shù)云圖與波速梯度系數(shù)云圖

4 處理與結(jié)果

為了解除該煤礦礦區(qū)工作面周圍巖體所承受的較大沖擊危險(xiǎn)，保證該煤礦開采工序有序安全進(jìn)行，相關(guān)工作人員在煤礦掘進(jìn)工作面停止掘進(jìn)后采用較大直徑的鉆孔設(shè)備，對(duì)煤礦礦區(qū)周圍巖體進(jìn)行降低沖擊危險(xiǎn)性的相關(guān)工作。在煤礦礦區(qū)掘進(jìn)頭及其后方危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)總共設(shè)置了20 個(gè)較大直徑的狀況，其中左幫6 個(gè)，右?guī)? 個(gè)，迎頭8 個(gè)。另一方面，為了進(jìn)一步改善煤礦礦區(qū)工作面卸壓效果，在掘進(jìn)工作面的迎頭煤層處進(jìn)一步設(shè)置了解壓爆破，共設(shè)置5 個(gè)爆破口。在采取大鉆孔以及爆破卸壓孔等諸多泄壓措施后，該煤礦工作面波速正異常系數(shù)與波速梯度系數(shù)均有所降低，煤礦礦區(qū)周圍巖體所承受壓應(yīng)力得到了有效控制，鉆屑量下降到安全臨界值范圍內(nèi)，開采掘進(jìn)工作面恢復(fù)相關(guān)工作實(shí)現(xiàn)安全掘進(jìn)。

5 結(jié)論與措施

震動(dòng)波CT 反演技術(shù)可進(jìn)一步分析采煤工作面周圍一定區(qū)域內(nèi)的波速梯度分布狀況，判別礦區(qū)周圍巖體的區(qū)域應(yīng)力分布特征，以此研究周圍巖體所承受的沖擊危險(xiǎn)性大小，并根據(jù)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)信息采取相關(guān)卸壓解危效果，強(qiáng)力解除采煤工作面周圍巖體所承受的沖擊危險(xiǎn)。其次，借助震動(dòng)波CT 反演技術(shù)，能有效預(yù)測(cè)采煤工作面區(qū)波速分布，在得出周圍沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的基礎(chǔ)上，對(duì)采煤工作面井下巷道掘進(jìn)過程中的礦壓監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性進(jìn)行監(jiān)管。最后，利用振動(dòng)波CT 反演技術(shù)，還可以對(duì)采煤工作面沖擊危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行泄壓解危，對(duì)其區(qū)域應(yīng)力進(jìn)行反演分析和統(tǒng)計(jì)整理，不斷降低采煤礦區(qū)周圍巖體承受應(yīng)力值大小，解除沖擊危險(xiǎn)。