寇建新 鞏思園

(1.中國平煤神馬集團(tuán)能源化工研究院，河南省平頂山市，467000；2.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116)

目前煤礦沖擊礦壓已經(jīng)開展了一定的研究工作，取得了部分研究成果，但是這些方法都不能精確給出大范圍開采區(qū)域內(nèi)工作面回采過程中的沖擊危險(xiǎn)分布。傳統(tǒng)的鉆屑法和電磁輻射監(jiān)測法為點(diǎn)的局部監(jiān)測方法，都是煤巖體在應(yīng)力作用下的表征量，與應(yīng)力不存在直接的對應(yīng)關(guān)系，雖然采動應(yīng)力監(jiān)測法能夠測量應(yīng)力大小，但測量區(qū)域有限，不能獲得大范圍煤巖體的應(yīng)力特征。因此，傳統(tǒng)監(jiān)測手段無法得到大范圍采掘區(qū)域的應(yīng)力信息。已有實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)，在單軸及循環(huán)載荷條件下，震動波速與應(yīng)力間存在正相關(guān)關(guān)系，而沖擊地壓或強(qiáng)礦震本質(zhì)上是煤巖體在應(yīng)力作用下的表現(xiàn)，所以通過反演震動波速可大范圍研究煤巖體內(nèi)的應(yīng)力分布特征。由于微震破裂產(chǎn)生的彈性波傳播距離較遠(yuǎn)，在傳播過程中攜帶了煤巖體內(nèi)的大量信息，所以采用礦山CT技術(shù)可獲得工作面內(nèi)的波速和應(yīng)力分布特征，從而實(shí)現(xiàn)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分。

1 礦山CT施工方案及現(xiàn)場試驗(yàn)與監(jiān)測

1.1 工作面概況

己15＃-24080采面位于十礦己四采區(qū)西翼第三階段。工作面東靠己四軌道下山、瓦斯專排巷、運(yùn)輸機(jī)下山；西至26勘探線；南為己15＃-24060采空區(qū)；北未開采。工作面有效走向長1579m，切眼斜長215.4m，圈定儲量97.8萬t。

工作面所采煤層為己15＃煤層，己15＃煤層均厚2.2m。外段己15＃煤層與己16＃煤層合層，里段分開。自機(jī)巷口至1000m為合層區(qū)，煤厚在3.5m左右。己15＃煤層與己16＃煤層夾矸厚度到切眼處達(dá)7m以上。工作面貫通后，河南省煤田地質(zhì)局物探測量隊(duì)采用無線電波坑透法對該工作面進(jìn)行了勘探工作。在工作面風(fēng)巷、機(jī)巷及附近均有斷層揭露，斷層落差在0.3～4.0m之間。工作面構(gòu)造較為復(fù)雜，落差大于1.0m的斷層共有8條(落差2m以上斷層2條)，編號f1～f8。工作面己15＃煤層直接頂板為2.0～4.6m厚的砂質(zhì)泥巖含薄層狀炭質(zhì)泥巖，其上為大于18m厚的細(xì)至中粒砂巖。己15＃直接底板為泥巖，厚0～7.5m，東薄西厚，其下為1.2～1.6m厚的己16＃煤層。己16＃底板為1.1～1.5m 的泥巖，其下為2.2～2.7m厚的己17＃煤層，再下為大于20m的砂質(zhì)泥巖及灰?guī)r。

1.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

本次施工過程中所采用的儀器設(shè)備為GeoPen SE2404NT地震勘探儀，儀器配備主機(jī)1臺，發(fā)爆器1臺，采集站11個(gè)，數(shù)傳地震電纜線12條，每條電纜線有12個(gè)接收點(diǎn)通道。設(shè)備鋪設(shè)后最大監(jiān)測范圍為1572m。此次施工的24080工作面長度約1700m，故采取分批次采集方式。考慮到實(shí)際施工工作量，為盡可能對己15＃-24080工作面內(nèi)應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行精細(xì)和全面的探測，在機(jī)巷布置接收點(diǎn) (探頭)，接收點(diǎn)間距設(shè)定為7m (實(shí)際依照現(xiàn)場條件調(diào)整)，共布置222個(gè)，編號從左至右為7＃～228＃；在風(fēng)巷中布設(shè)激發(fā)點(diǎn) (放炮點(diǎn))，激發(fā)點(diǎn)間距16m (實(shí)際依照現(xiàn)場條件調(diào)整)，共布置103個(gè)，編號從西至東為1?！?03＃，見圖1。其中風(fēng)巷放炮點(diǎn)1?！?2＃為第一批次震源，機(jī)巷監(jiān)測點(diǎn)7?！?38＃為第一批次接收點(diǎn)；風(fēng)巷53?！?03＃為第二批次震源，機(jī)巷監(jiān)測點(diǎn)103?！?28＃為第二批次震動波接收點(diǎn)。由于現(xiàn)場個(gè)別區(qū)域安裝條件不利，107＃和108＃點(diǎn)上未能放置接收點(diǎn)。風(fēng)巷放炮炮眼孔深1.8m，裝藥量200g。

圖1 己15＃-24080工作礦山CT觀測布置方案

圖2(a)為爆破后機(jī)巷一側(cè)接收的波形信號，震動信號非常清楚，易于標(biāo)記震動波波形初至?xí)r刻。圖2(b)為信噪比分析結(jié)果，圖中背景色深淺標(biāo)識信號信噪比大小，顏色越深表示信噪比越低，顏色越淺表示信噪比越高。可以看出，初至到時(shí)具有較高的信噪比，利于到時(shí)標(biāo)記分析。

1.3 煤巖層中震動波傳播原理及波形識別

煤層賦存具有典型的頂板-煤層-底板結(jié)構(gòu)，頂板和底板多為砂巖，比煤層堅(jiān)硬，密度和波速相差明顯。因此，可以確定首先到達(dá)的應(yīng)是從頂?shù)装鍘r石中傳播的震動波，之后才是從煤層自身傳播而來的震動波。

根據(jù)己15＃-24080工作面綜合柱狀圖，己15＃煤層底板為泥巖和己16＃煤層，相對頂板巖性完整度較差，波速較低，因此可首先確定記錄的震動波形中初次到達(dá)的是從頂板中傳播過來的縱波，如圖3。假設(shè)老頂中粒砂巖縱波波速4200m／s(按砂巖最大值取)，直接頂砂質(zhì)泥巖縱波波速4000m／s，己16＃煤層縱波波速1600m／s，直接底泥巖縱波波速3500m／s，理論計(jì)算可知，震動波沿工作面傾向從煤層透射至直接頂并由老頂反射回接收點(diǎn)耗時(shí)60.9ms；沿工作面傾向，震動波從己15＃煤層傳播至檢波器最短用時(shí)134.4ms；震動波從己15＃煤層經(jīng)沿煤巖邊界傳播至接收點(diǎn)最短用時(shí)54.9ms，震動波從己15＃煤層穿過直接頂沿老頂分界面?zhèn)鞑ブ两邮拯c(diǎn)耗時(shí)53.7ms?？梢钥闯稣饎硬ㄑ刂苯禹敽屠享攷r層傳播的首次到時(shí)相差較小，由于波速還受應(yīng)力以及煤層上覆巖層賦存厚度與巖性等復(fù)雜因素影響，確定大部分記錄的首次到時(shí)波形應(yīng)是沿己15＃煤層與直接頂分界面或老頂界面?zhèn)鞑サ恼饎硬ǎ貎A向煤層直接傳播至傳感器的震動波則要滯后80ms?？紤]到透射產(chǎn)生的能量損耗，易帶來標(biāo)記上的困難，尤其是對傳播距離較遠(yuǎn)的接收點(diǎn)，且兩者到時(shí)相差極小，故確定記錄通道上的首次到達(dá)波形為沿直接頂傳播的滑行波，之后到達(dá)且幅值較大又容易識別的震動信號為從煤層傳播至接收點(diǎn)的直達(dá)波。

圖2 CT試驗(yàn)記錄的震動炮波形及信噪比分析

圖3 風(fēng)巷放炮后激發(fā)的震動波穿過不同煤巖層用時(shí)最短傳播路徑示意圖

圖4為選取的部分第一批次和第二批次中震動炮信號，利用Vista seismic image軟件，人工判斷拾取了滑行波和直達(dá)波的初至到時(shí)，圖中矩形標(biāo)注分別指示沿直接頂傳播的滑行波到時(shí)標(biāo)記虛線和沿煤層傳播的直達(dá)波到時(shí)標(biāo)記實(shí)線。圖4(a)為第一批次32＃震動炮在工作面傾向上垂直相交機(jī)巷一側(cè)77＃接收點(diǎn)位置，該接收點(diǎn)記錄的滑行波初至到時(shí)為61.2ms，沿煤層傳播直達(dá)波初至到時(shí)為134.4ms；圖4(b)為第二批次65＃震動炮在工作面傾向上垂直相交機(jī)巷一側(cè)152＃接收點(diǎn)位置，該接收點(diǎn)記錄的滑行波初至到時(shí)為61.2ms，沿煤層傳播直達(dá)波初至到時(shí)為133.4ms。從理論估計(jì)和實(shí)際記錄的時(shí)間來看，基本滿足圖3中描述的震動波傳播規(guī)律。

因此本論文將綜合采用滑行波和直達(dá)波反演直接頂和煤層中的波速分布，從而借助應(yīng)力與波速的試驗(yàn)關(guān)系評價(jià)己15＃-24080工作面的沖擊危險(xiǎn)分布。

2 工作面的沖擊危險(xiǎn)評價(jià)

2.1 己15＃-24080工作面波速反演

由于己15＃煤層較薄，滑行波穿過煤體的距離很短，其到時(shí)主要由滑行波在直接頂中傳播的時(shí)間決定。因此，考慮到采用射線彎曲算法的時(shí)間成本，簡化滑行波速模型，采用二維模型進(jìn)行計(jì)算。由于直達(dá)波只在煤體中傳播，巖石性質(zhì)未發(fā)生明顯變化，也采用二維模型計(jì)算。利用上述模型，程序采用SIRT迭代算法，根據(jù)理論計(jì)算和標(biāo)記到時(shí)之差不斷調(diào)整波速，最終通過計(jì)算獲得如圖5所示的己15＃-24080工作面滑行波和直達(dá)波波速分布圖，可以看出兩種波的波速分布一致，即頂板中波速較高的地方，煤層中波速也較高，同理直接頂中低波速區(qū)也對應(yīng)煤層中的低波速區(qū)。結(jié)合頂板和煤層中的波速可大致確定工作面兩側(cè)較中間波速高。

2.2 己15＃-24080工作面危險(xiǎn)區(qū)域劃定

研究表明，沖擊礦壓的發(fā)生需要同時(shí)滿足強(qiáng)度條件、能量條件和沖擊傾向性條件，即三準(zhǔn)則理論。當(dāng)煤巖體所受的應(yīng)力超過煤巖體本身的強(qiáng)度極限，即滿足強(qiáng)度條件，才有可能發(fā)生沖擊礦壓。由于應(yīng)力與震動波速的關(guān)系，所以通過波速可以反應(yīng)出強(qiáng)度條件。對同一性質(zhì)的巖石來說，震動波速越高，所受應(yīng)力越大，超過其煤巖體強(qiáng)度的可能性就越大，沖擊危險(xiǎn)性就越高。礦震的動力擾動對沖擊破壞同樣起到控制作用，上覆巖層破斷所釋放的能量越大，產(chǎn)生的動載荷就越大，與應(yīng)力集中區(qū)域上的煤體疊加作用后，就很容易造成煤體的動力失穩(wěn)。震源能量越大，傳播到煤體介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)速度的峰值速度就越大，動載荷就越高，越容易形成沖擊。對于礦山CT反演得到的波速越高的區(qū)域，載荷也越大，這些區(qū)域受到強(qiáng)礦震擾動比其它低波速區(qū)域就更容易形成沖擊礦壓。

應(yīng)力高且集中程度大的區(qū)域，相對其它區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)震動波波速的正異常，其異常值由下式計(jì)算得到:

式中:An——正異常值；

VP——反演區(qū)域一點(diǎn)的震動波波速值；

——模型波速的平均值。

異常值與沖擊危險(xiǎn)等級的對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 正異常變化與沖擊危險(xiǎn)之間的關(guān)系

圖6 己15＃-24080工作面正異常值分布

采用式 (1)計(jì)算得正異常值見表1和己15＃-24080工作面正異常值分布，見圖6，綜合直達(dá)波和滑行波大小分面區(qū)域，可確定3個(gè)主要的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。一個(gè)位于從機(jī)巷切眼端頭斜向上延伸至風(fēng)巷中部區(qū)域；一個(gè)位于靠近己四軌道下山的風(fēng)巷一側(cè)區(qū)域；一個(gè)位于工作面中部靠機(jī)、風(fēng)巷側(cè)。

綜合滑行波與直達(dá)波的正異常值分布及己15＃-24080工作面生產(chǎn)實(shí)際條件，確定5個(gè)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域:靠切眼機(jī)巷側(cè)A、靠風(fēng)巷400m處E、工作面中部靠機(jī)巷側(cè)D、工作面中部靠風(fēng)巷側(cè)B和靠己四軌道下山附近風(fēng)巷側(cè)C。其中A、B、C為高沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，D、E為中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，見圖7。

2.3 現(xiàn)場驗(yàn)證

2013年7月3日，采面在推進(jìn)第2刀，如圖8所示，推到91?！?9＃支架處時(shí)，發(fā)生瓦斯超限，切眼探頭顯示濃度最大達(dá)到3.34%，上隅角達(dá)到4.7%，風(fēng)巷里口探頭顯示達(dá)到1.36%，風(fēng)巷外口探頭顯示1.69%。經(jīng)計(jì)算切眼涌出瓦斯量達(dá)247m3。經(jīng)現(xiàn)場勘查，采面在126＃～70＃支架之間煤壁片幫明顯，尤其是99＃～71＃支架之間尤為明顯，煤壁出現(xiàn)大量從上而下斜切縱向裂隙，裂隙寬約2～5mm，由此確定為由沖擊動力顯現(xiàn)引起的瓦斯超限現(xiàn)象。發(fā)生沖擊顯現(xiàn)的位置與直達(dá)波確定的高波速，即高應(yīng)力區(qū)吻合，例如99＃架處直達(dá)波波速高達(dá)2.8km／s，說明通過礦山CT技術(shù)能夠準(zhǔn)確探測高應(yīng)力區(qū)，進(jìn)而評價(jià)沖擊危險(xiǎn)性。

3 結(jié)論

(1)針對己15＃-24080工作面實(shí)際條件，設(shè)計(jì)了礦山CT技術(shù)現(xiàn)場實(shí)施方案，采用兩批次采集方案能完全覆蓋工作面，且記錄震動波形信噪比較高，保證了監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和全面性。

(2)結(jié)合己15＃-24080工作面頂?shù)装鍡l件，確定接收點(diǎn)記錄的首次到達(dá)波形為沿直接頂傳播的滑行波，之后到達(dá)的幅值較大、容易識別的震動信號為從煤層傳播至接收點(diǎn)的直達(dá)波。

(3)綜合滑行波與直達(dá)波的正異常值分布及生產(chǎn)實(shí)際條件，確定5個(gè)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域及其范圍。

(4)2013年7月3日，己15＃-24080工作面發(fā)生動力顯現(xiàn)，顯現(xiàn)位置與探測的高波速區(qū)吻合，說明礦山CT技術(shù)能夠準(zhǔn)確探測高應(yīng)力區(qū)，進(jìn)而評價(jià)工作面沖擊危險(xiǎn)性。

[1]竇林名，何學(xué)秋.沖擊礦壓防治理論與技術(shù)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2001

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[3]鞏思園，竇林名等.深部沖擊傾向煤巖循環(huán)加卸載的縱波波速與應(yīng)力關(guān)系試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2012 (1)

[4]鞏思園，竇林名等.沖擊傾向煤巖縱波波速與應(yīng)力關(guān)系試驗(yàn)研究[J].采礦安全與工程學(xué)報(bào)，2012(1)