基于微震在線監測的實時震源波速反演技術應用

王元杰

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

0 引言

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

根據震源的來源不同，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是依據人為激發震源的震動波進行探測范圍內應力值計算，人工震源的發震位置、發震時間、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，受制于井下爆破作業的影響，僅能在個別地段和時段進行，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是依據微震事件的震動波進行探測范圍內應力值計算，由于微震活動的實時性，因此可依據需要隨時進行，具有實時性強、可隨時獲得波速反演結果等優點。因此實時震源波速反演技術和微震在線監測相結合必將成為井下采礦過程中沖擊危險性預測和評價的最有力的工具之一。

筆者基于微震在線監測，分析了實時震源波速反演技術的理論基礎，并將該技術應用于現場高應力分布區域進行探測評價，實踐結果表明該技術應用效果可靠，可為后續實時震源波速反演技術的應用提供一定的理論、技術支持。

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不同位置震源的震動波，并對微震事件進行定位。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，形成對該區域的高密度射線覆蓋，進行震源波速反演，如圖1所示，其中射線覆蓋密度越大，波速反演結果越準確。

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)初至時刻T來建立速度模型對震動波速度V(x，y，z)進行計算。假設第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；

M——網格數量。

為求得上述模型計算結果，聯合迭代重建技術算法(以下簡稱“SIRT算法”)進行迭代反演，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域內實時震源波速反演，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備為天地科技股份有限公司從波蘭EMAG引進的ARAMIS M/E微震監測系統，該系統由地面設備和井下傳感器組成，如圖2所示。

圖2 ARAMIS M/E 系統結構

ARAMIS M/E微震監測系統的沖擊危險性評價軟件HESTIA_SQL中內置了基于微震監測數據的實時震源波速反演功能。該運算基于煤巖體應力集中程度與震動波在煤巖體的傳播波速呈正相關關系，利用實時震源波速反演原理和計算方法，劃分網格模型，執行SIRT算法，模擬出選定區域的速度等值線圖，進而推演出應力集中情況。

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，工作面輔運巷北側為3-1103工作面采空區，3-1103工作面已于2018年3月回采完畢，3-1103工作面采空區距3-1105工作面開切眼150 m，2個工作面之間留設有寬度6 m的煤柱；3-1105工作面運輸巷南側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656.8 m。3-1105工作面位置關系如圖3所示。根據3-1105工作面19-11鉆孔得到研究區域煤巖層賦存情況，見表1，并通過巖石力學參數測定，得到3-1號煤層及其頂底板基本巖石力學參數，見表2。

表2 巖石力學參數

由表1可以看出，3-1105工作面煤層上方140 m 范圍內主要為細粒砂巖-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的細粒砂巖。因此3-1105工作面頂板存在多層厚硬巖層，結合表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，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，回采期間穿越5條斷層構造，3-1105工作面揭露斷層構造情況見表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、少數民族文化等；說小也小，僅僅指知識，比如：上學、受教育、學知識被稱作“學文化”；受過高等教育的人被稱作 “文化人”。或者更廣一點指區別于政治、經濟、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確的定義并非易事。

表3 3-1105工作面揭露斷層構造情況

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，NF37與NF38斷層附近構造應力將不斷增加，構造應力、上覆巖層自重力及上覆厚硬巖層形成的側向支承力將使得工作面煤體極易形成高應力集中區域。

3 實時震源波速反演技術應用及分析

3.1 反演方案及傳感器布置

為分析3-1105工作面前方沖擊危險性，基于實時震源波速反演技術的工作原理，在3-1105工作面運輸巷和輔運巷布置傳感器作為3-1105工作面及相鄰區域發生震源的監測點。以3-1105工作面前方400 m范圍為監測區域，對該區域內的實時震源進行監測，從而分析該區域內高應力分布以及沖擊危險區域的情況，方案設計原理如圖4所示。為保證采集到的數據的準確性，所有通道震動波初到時均進行人工標記與分析。

圖4 3-1105工作面波速反演方案設計及微震傳感器布置

為了配合3-1105工作面的回采進度，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9 d采集到的微震數據進行反演計算，其中微震信號清晰有效的數據共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工作面采空區側，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，根據微震在線監測數據，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范圍內波速為2.8～5.0 km/s，且波速梯度較大。根據波速與應力大小呈正相關關系可知，圖中高應力區域主要分布在3-1105工作面前方190～360 m(圖中紅色虛線區域)，表明該區域范圍圍巖體所承受的沖擊危險性較高。

3.3 反演結果論證

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級微震事件的發生位置位于實時震源波速反演區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果已提前實現預警，及時撤出高應力區域人員，并未造成人員傷亡。

圖7 3-1105工作面106J級微震事件發生位置與波速反演結果相對位置

分析此次大能量微震事件發生原因，主要為3-1105工作面為一采區第2個工作面，且鄰近的3-1103工作面采空區寬度為245 m，根據該區域煤巖層賦存情況，僅在3-1103工作面回采下，其上覆厚度為64.71 m的細粒砂巖及其上覆巖層很難發生破斷、垮落，使得其一端架在3-1103工作面采空區矸石上，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生整體聯動，因其巖層厚度大，使得“S”型覆巖空間內形成較高側向集中應力；同時受工作面前方NF37、NF38斷層結構影響，因構造應力相疊加，導致3-1105工作面上覆厚硬巖層存儲較高的彈性能，為微震事件的發生提供了圍巖和能量條件；因此隨著工作面推進，在超前應力作用下，當工作面推進到距該區域一定距離時，受采動影響在超前應力、構造應力以及“S”型覆巖產生的側向集中應力相互疊加下使得該區域應力達到圍巖臨界強度，產生較大的微震事件。

106J級微震事件發生后，選取2021年6月12-15日連續4 d采集到的微震數據進行分析，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級微震事件發生后，相應區域集中應力得到明顯釋放(圖中紅色虛線區域)，最大波速值由5.0 km/s降低到2.9～3.1 km/s，表明該區域波速明顯得到降低，進而說明相應區域圍巖應力得到明顯釋放，危險程度明顯降低。同時圍巖應力向3-1105工作面輔運巷側轉移，在3-1103工作面與3-1105工作面輔運巷相交區域處，受三角煤柱和超前應力影響，圍巖應力明顯增加，因此后續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防沖卸壓的重點區域。

3.3.2 地音活動驗證

3-1105工作面安裝有ARES-5E地音監測系統，在工作面前方180 m范圍內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，傳感器有效監測半徑為200 m。其中D3傳感器位置靠近此次高應力集中區域，因此以D3傳感器為代表對本次106J級微震事件發生前后地音活動特征進行分析。

圖9 3-1105工作面地音傳感器布置

大能量微震事件發生前后煤巖體必將經歷一段較為連續的損傷發展階段，地音作為煤巖體損傷破壞的產物，地音也必然出現一段連續異常變化的時期。地音小時活動可以較為有效反映煤巖體破裂的規律，基于D3探頭監測數據繪制106J級微震事件的地音小時活動曲線如圖10所示。106J級微震事件發生前地音活動呈不斷增長的趨勢，事件發生后于2021年6月11日10∶00時達到峰值，最大能量為1.46×105J，此時頻次也達峰值，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，微震事件發生前高應力區域內地音活動處于不斷增長趨勢，表明相應區域煤巖體內部缺陷在此期間經歷了被閉合、壓裂、擴展等一系列的微破裂活動，進而表明相應區域應力集中程度較高、沖擊危險性較大。

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

4 結論

(1)基于微震在線監測的實時震源波速反演技術對3-1105工作面煤體應力分布狀態進行計算分析，根據震動波波速與應力的正相關性，反演結果表明工作面前方190～360 m范圍內存在一定區域的高波速及波速梯度密集變化帶，說明該區域煤體應力較高。

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