深部沖擊危險工作面主被一體化波速反演預警技術

郭林生，李成海，王繼超，趙慧杰，鞏思園，馬志鋒

(1.陜西彬長礦業集團有限公司，陜西 彬州 713500；2.中國礦業大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.徐州弘毅科技發展有限公司，江蘇 徐州 221008；4.濟寧礦業集團有限公司，山東 濟寧 272000；5.兗州煤業股份有限公司，山東 鄒城 273500)

近年來，煤礦開采深度及強度日益加大，以沖擊地壓為代表的煤巖動力災害也愈發突顯[1-4]。沖擊危險的監測預警是實現深部工作面安全開采的重要保證[5-8]，常用的監測沖擊地壓的方法包括微震、電磁輻射、聲發射、應力在線以及鉆屑量判別等監測方法[9-14]。由于沖擊地壓本質上是煤巖體因應力作用而發生的動力表現，而應力大小與縱波(P波)波速又存在正比例關系，因此，通過層析成像(CT)法反演縱波波速得到煤巖體內的應力分布規律，已成為沖擊地壓監測預警中最迫切的研究方向[15，16]。其中，國內研究學者主要針對主動震動波CT監測技術進行研究，而國外研究學者在被動震動波CT技術進行了大量研究，研究結果均表明CT監測技術對探測井下沖擊地壓危險區域以及強礦震危險分布具有廣泛的應用性、可行性[17-20]。

目前，對井下局部采掘工作面震動波監測以及CT反演預警的技術研究較少，且現存的反演技術反演周期長、效率低以及操作相對繁瑣。因此，本文所介紹的主被一體波速反演預警技術，反演周期短且準確率高，著重對深部沖擊危險工作面回采期間高應力分布區域以及沖擊地壓危險區域進行劃分，并由特定的預警指標確定危險等級。基于該技術，本文提出監測區域單日應力反演與連續六日應力反演相比較的研究方法，對深部沖擊危險工作面應力分布規律以及沖擊地壓監測預警進行深入研究。

1 主被一體反演預警技術

根據礦山震動波傳播速度與煤巖層應力分布的關系，對煤巖層高應力集中區以及沖擊地壓危險區域進行監測與劃分。本文所提及的沖擊地壓監測新技術——主被一體波速反演預警技術，主要是基于微震監測系統對井下主、被動震動波信號分別進行監測與分類存儲，分析震動波波形數據，對監測區域實時、快速地計算出震動波波速大小，并反演出波速分布情況，進一步分析監測區域內應力分布情況。其中，主動震動波是由可控震源(井下放炮、敲打等)產生的震動波，而被動震動波是由自然震源(采掘活動引起的來壓等)產生的震動波。

主被一體波速反演預警技術中主、被動震源監測工作原理基本相同，均是通過在井下采掘工作面布置若干傳感器接收主、被動震源的波形信號，形成覆蓋采掘工作面的高密度射線，即模擬震動波無形的傳播射線，如圖1所示。

圖1 震動波震源與傳感器形成的射線

通過分析傳感器接收震動波波形的到時時間，確定工作面監測區域內震源位置、震動波波速大小及分布情況，依據煤巖層中縱波(P波)波速與應力大小的正比例關系，進而確定工作面區域內應力大小及分布規律，并劃分出高應力區和不同等級的沖擊危險區域。

2 工作面沖擊危險預警指標與判別流程

2.1 震動波速度CT反演

主被一體反演預警技術中震動波在煤巖層中傳播速度的大小及分布是通過層析成像(CT)法反演計算，具體是根據工作面監測區域內傳感器接收震動波的到時時間，劃分網格模型，執行SIRT算法，從而計算震動波在監測區域內的傳播速度大小及分布。

基于CT法反演，建立震動波速度模型，利用傳感器接收每條波形射線的到時時間，計算震動波速度大小。其中，傳感器接收震動波射線的到時時間是震動波沿射線路徑的積分，其理論計算公式[16]如式(1)：

式中，t0為震源發生震動的時間；ti為震動波理論到時時間；Γi為震動波傳播的第i條射線，i取1，2，3，…，n，而n為傳感器個數；v(x，y，z)為震動波的波速矢量值。

根據式(1)傳感器接收震動波的到時時間反求出震動波的波速矢量值v(x，y，z)。另外，震動波CT反演所采用的SIRT算法[16]，主要是迭代反演算法，循環修改任意一個速度模型，通過循環重復模型走時的前向計算、殘差計算和速度校正，直到計算出最優的震動波速度值，算法程序結束。

2.2 沖擊危險預警指標

研究學者針對礦井地震波波速的異常變化，按照式(2)計算波速異常值，根據異常值的范圍確定應力集中程度[16，21]。

根據式(2)可推出震動波波速與波速異常值的計算關系，如式(3)所示。

依據計算關系式(3)以及波速異常值與應力集中程度的關系，可得出主被一體反演預警技術對工作面監測區域的沖擊危險預警指標，見表1，其中，P波平均速度取4.3km/s。

表1 主被一體反演預警技術沖擊危險預警指標

2.3 工作面沖擊危險判別流程

基于主被一體波速反演預警技術，工作面沖擊危險判別流程及實現方式如下：

1)利用工作面布置的傳感器監測主動震動波(井下放炮激發)，已知放炮時間和地點坐標、傳感器坐標和接收震動波時間，計算得出主動震動波在該工作面平均傳播速度。同時，在工作面監測區域形成震動波傳播模擬射線，如圖1(a)所示，根據震動波在工作面監測區域內的傳播速度，反演生成主動震動波波速分布云圖，基于沖擊危險預警指標(見表1)和波速大小，判別工作面沖擊危險區域及等級。

2)井下工作面無主動放炮時，應通過工作面布置的傳感器監測采掘活動誘發的被動震動波，在工作面監測區域形成被動震動波傳播模擬射線，如圖1(b)所示。基于震動波速度CT反演生成主動震動波波速分布云圖，根據沖擊危險預警指標(見表1)和被動震動波速度大小，判別工作面沖擊危險區域及等級。

工作面沖擊危險判別的準確性主要取決于工作面監測區域形成主、被震動波傳播模擬射線的密度，即工作面監測區域有效震源越多，傳感器布置間距合理且有效監測工作面，則工作面沖擊危險判別越準確。所以，當工作面主、被動波速反演結果存在較大差異時，應根據主、被震動波傳播模擬射線的密度進行判別，射線密度越大，震動波速度反演結果相對準確，工作面沖擊危險區域劃分也相對合理。

3 深部沖擊危險工作面反演預警技術應用

3.1 工程概況

以安居煤礦2309工作面為例，其西部為2307工作面采空區(2309軌道巷采用沿空掘巷，5m煤柱)及斷層，北部及東部均與大巷保護煤柱相鄰，南部靠近斷層。其中，二采區運輸巷穿過2309工作面。

2309工作面埋深在-988～-955m之間，屬于深井開采。該工作面沿煤層傾斜方向長100m，主要開采3上煤，煤厚2.0～2.7m，平均傾角4°，其賦存情況相對穩定，裂隙較發育，結構較簡單，沿煤層走向總體平緩。其中，所開采的3上煤以亮煤為主，暗煤較少，也存在少量半亮型煤，局部含有厚0.2m的夾矸。

3.2 主被一體波速反演預警技術方案

深部2309工作面主被一體波速反演預警技術方案如圖2所示，在2309工作面上共布置16個傳感器，運輸巷布置1#—8#傳感器，間距35m，1#傳感器用于監測主動放炮的激發時間；軌道巷布置9#—16#傳感器，間距30m，其中8#、9#傳感器距離工作面回采線100m，以上方案為被動波反演預警方案。而主動波反演預警方案是在被動波監測基礎上施工放炮激發點，布置在相鄰傳感器之間。為保證主動波反演預警的效果，放炮激發點布置范圍應大于傳感器的布置范圍。

圖2 2309工作面主被一體波速反演預警方案

隨著2309工作面不斷向前推進，當工作面臨近8#、9#傳感器時，提前將8#、9#傳感器分別挪至2#、16#傳感器前方35m、30m處；同理，當工作面臨近7#、15#傳感器時，提前將7#、15#傳感器分別挪至8#、9#傳感器前方35m、30m處，以此類推，直至傳感器布置到工作面巷道開口處。

基于2309工作面的主被一體波速反演預警技術，在工作面處在原巖應力狀態的區域施工放炮鉆孔，根據1#傳感器監測到的放炮激發時間、其他傳感器接收波形的時間以及炮點與傳感器的距離，得出該工作面平均波速為4.3km/s。通過放炮(主動)、采掘活動引起的頂板斷裂等(被動)產生的波形，分別進行波速CT反演生成主動、被動波速分布云圖。

3.3 沖擊危險工作面CT反演及應力分析

因2309工作面有效放炮的個數較少，主動波速反演結果有偏差，則選取工作面監測到的被動震動波數據進行分析、波速CT反演，其中傳感器監測到的波形如圖3所示。

圖3 傳感器監測的原始波形

為研究工作面回采期間工作面超前和后方采空區應力分布變化規律、沖擊危險區域分布情況，選取2309工作面單日和連續六日的震動波數據進行波速CT反演，生成波速分布云圖，比較分析2309工作面回采期間單日和連續六日工作面不同的應力分布、沖擊危險區域及等級劃分。另外，為排除工作面回采之外其他因素造成應力狀態發生變化，應在篩選震動波數據時，盡可能選取工作面回采線附近因回采擾動產生的震源及波形。

1)單日波速CT反演及分析。2309工作面單日震動波數據反演生成的射線圖的有效震動波波形為34條。根據反演生成的射線圖，基于SIRT算法，生成波速CT反演云圖，如圖4所示。由圖4明顯可知，2309工作面區域內共形成3個明顯的波速高值異常區(P波波速大于5.375km/s)，即高應力分布區，具有強沖擊危險，主要分布在：回采工作面超前50～100m的2309軌道巷圍巖且臨近2307工作面采空區附近區域內(圖中A區域)、工作面內部斷層向前0～120m實體煤內且靠近2309運輸巷(圖中B區域)以及距離2309軌道巷聯絡巷50m附近區域(圖中C區域)。

圖4 單日震動波波速CT反演云圖

圖5 連續六日震動波波速CT反演云圖

2)連續六日波速CT反演及分析。2309工作面連續六日的震動波數據反演生成的射線圖的有效震動波波形為75條，根據反演生成的射線圖，基于SIRT算法，生成波速CT反演云圖，如圖5所示。由圖5明顯看出，2309工作面區域內共形成5個明顯的波速高值異常區(P波波速大于5.375km/s)，即高應力分布區，具有強沖擊危險，主要分布在：回采工作面超前20～50m范圍且靠近2309軌道巷(圖中a區域)；工作面內部斷層向前30～80m實體煤范圍內并較靠近2309運輸巷(圖中b區域)；回采工作面超前100～130m且臨近2307工作面采空區附近區域內(圖中c區域)；距離2309軌道巷聯絡巷后方約80m的區域(圖中d區域)，集中范圍約為30m；2309軌道巷聯絡巷附近(圖中e區域)，集中范圍約為25m。

通過比較分析圖4、圖5可總結出深部2309工作面回采期間的應力分布規律如下：①在2309工作面超前50～200m區域(尤其鄰近運輸巷和軌道巷附近)、斷層和巷道交叉附近、聯絡巷周邊、采空區以及鄰近上一工作面采空區周邊等均出現高應力集中區域，具有強沖擊危險，且集中范圍相對較大；②一般地，2309工作面內的應力峰值以及應力集中區域隨著工作面不斷向前開采而向前移動，并且原先存在的應力峰值逐漸減小，應力的集中程度、范圍也逐漸減弱、縮小；③2309工作面回采期間高應力集中區的范圍大約在10～100m之間，而高應力集中范圍介于20～50m之間的占據多數。當某區域出現高應力集中或者強沖擊危險時，應提前對該區域進行卸壓解危，加強監測和支護。

3)效果驗證。針對圖5中b、e處高應力集中區域，即2309運輸巷與采區運輸大巷交叉處以及軌道巷聯絡巷附近，施工鉆孔(卸壓解危鉆孔)進行檢驗，孔徑150mm，依據國家標準《沖擊地壓測定、監測與防治方法》，結合工作面波速CT反演劃分的沖擊危險區域中應力峰值與巷道幫部的距離，確定鉆孔深度不小于15m(取15～20m)，鉆孔施工及動力現象見表2。由表2可知，2309運輸巷與采區皮帶大巷交叉處，2309軌道巷聯絡巷附近施工大直徑卸壓鉆孔時出現煤炮、吸鉆以及煤粉量增大等動力現象，確定該區域為強沖擊危險區域，而圖5中波速CT反演結果也顯示該區域(圖中b、e處)波速大于5.375km/s，即強沖擊危險區域。根據鉆孔的動力現象驗證了該反演預警技術波速CT反演結果的準確性。因此，該反演預警技術能有效監測深部沖擊危險工作面回采期間的應力分布情況，劃分沖擊危險區域，確定危險等級，分區制定卸壓措施，應用效果良好。

表2 鉆孔施工情況及動力現象

4 結 論

基于提出的主被動一體化震動波波速反演技術，對深部沖擊危險工作面監測預警、危險區域劃分以及工作面回采期間應力分布規律進行研究，主要得出以下結論：

1)沖擊危險工作面主被一體波速反演預警技術能夠大大縮短反演周期，其周期一般為3～5d，提高反演效率和準確率，并且能大范圍、高分辨率獲得工作面沖擊危險分布區域及等級。

2)工作面縱波(P波)波速與應力集中程度存在正相關的關系，以縱波(P波)波速大小為依據，制定了沖擊危險工作面主被一體波速反演預警的判別方法及預警指標。

3)以安居煤礦2309工作面為例，提出單日波速CT反演與連續六日波速CT反演相比較的方法，通過比較分析得出工作面回采期間超前應力峰值及應力集中區隨著工作面不斷向前開采而向前移動，并且原先存在的應力峰值逐漸減小，應力的集中程度及范圍也逐漸減弱、縮小。

4)針對2309工作面震動波波速CT反演劃分的沖擊危險區域，通過對該區域施工鉆孔進行檢驗，證明了該區域為沖擊危險區域，從而驗證了主被一體波速反演預警技術適用于深部沖擊危險工作面回采期間的應力實時監測、預警。