王元杰

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；2.煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；3.天地科技股份有限公司，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)煤炭開采進(jìn)入深部區(qū)域，在高地應(yīng)力和強(qiáng)烈開采擾動(dòng)下，沖擊地壓災(zāi)害已經(jīng)成為礦井安全生產(chǎn)所面臨的重要難題之一。沖擊地壓顯現(xiàn)和煤巖體應(yīng)力分布狀態(tài)密切相關(guān)，震動(dòng)波探測(cè)技術(shù)就是依據(jù)震動(dòng)波在不同介質(zhì)內(nèi)的傳播速度不同來(lái)探明煤巖體內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造[1-5]。眾多學(xué)者通過(guò)對(duì)煤巖體應(yīng)力與波速之間實(shí)驗(yàn)得出，煤巖體內(nèi)的應(yīng)力不同時(shí)，震動(dòng)波在介質(zhì)內(nèi)的傳播速度也會(huì)不同，應(yīng)力值越高，波速越快[6-8]。因此利用波速及波速梯度與應(yīng)力集中情況之間的正相關(guān)性，通過(guò)波速及波速梯度在探測(cè)區(qū)域的快慢和梯度大小可判斷應(yīng)力值集中程度[9-12]?；诖?，震動(dòng)波反演可以反映不同區(qū)域煤體的波速差異，進(jìn)而得到煤體物理力學(xué)特性及應(yīng)力狀態(tài)的差異性[13-15]。反演結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面煤體應(yīng)力集中大小以及卸壓解危效果的強(qiáng)弱區(qū)分進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)。

根據(jù)震源的來(lái)源不同，震動(dòng)波反演可以分為人工震源和實(shí)時(shí)震源2種形式[16]。人工震源波速反演技術(shù)是依據(jù)人為激發(fā)震源的震動(dòng)波進(jìn)行探測(cè)范圍內(nèi)應(yīng)力值計(jì)算，人工震源的發(fā)震位置、發(fā)震時(shí)間、震動(dòng)波接收器位置均已知，因而探測(cè)精度高，但由于震源需要人為激發(fā)，受制于井下爆破作業(yè)的影響，僅能在個(gè)別地段和時(shí)段進(jìn)行，實(shí)時(shí)性較差，因此在探測(cè)及時(shí)性方面存在一定的局限性。實(shí)時(shí)震源波速反演技術(shù)是依據(jù)微震事件的震動(dòng)波進(jìn)行探測(cè)范圍內(nèi)應(yīng)力值計(jì)算，由于微震活動(dòng)的實(shí)時(shí)性，因此可依據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可隨時(shí)獲得波速反演結(jié)果等優(yōu)點(diǎn)。因此實(shí)時(shí)震源波速反演技術(shù)和微震在線監(jiān)測(cè)相結(jié)合必將成為井下采礦過(guò)程中沖擊危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)的最有力的工具之一。

筆者基于微震在線監(jiān)測(cè)，分析了實(shí)時(shí)震源波速反演技術(shù)的理論基礎(chǔ)，并將該技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)高應(yīng)力分布區(qū)域進(jìn)行探測(cè)評(píng)價(jià)，實(shí)踐結(jié)果表明該技術(shù)應(yīng)用效果可靠，可為后續(xù)實(shí)時(shí)震源波速反演技術(shù)的應(yīng)用提供一定的理論、技術(shù)支持。

1 實(shí)時(shí)震源波速反演原理與裝備

1.1 實(shí)時(shí)震源波速反演原理

由采掘活動(dòng)引起的微震事件，可通過(guò)在巷道中安裝震動(dòng)傳感器接收采掘工作面內(nèi)不同位置震源的震動(dòng)波，并對(duì)微震事件進(jìn)行定位。實(shí)時(shí)震源波速反演是建立從震源至各個(gè)傳感器之間的射線，該射線代表了震動(dòng)波的傳播路線，形成對(duì)該區(qū)域的高密度射線覆蓋，進(jìn)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(jié)果越準(zhǔn)確。

圖1 實(shí)時(shí)震源波速反演射線覆蓋示意

通過(guò)震動(dòng)傳感器與發(fā)震位置之間的距離L和震動(dòng)傳感器接收到震動(dòng)波(P波)初至?xí)r刻T來(lái)建立速度模型對(duì)震動(dòng)波速度V(x，y，z)進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)第i個(gè)震動(dòng)波的傳播路徑為L(zhǎng)i，震動(dòng)波傳播時(shí)間為Ti，該速度模型[17]為：

N——射線總數(shù)；

M——網(wǎng)格數(shù)量。

為求得上述模型計(jì)算結(jié)果，聯(lián)合迭代重建技術(shù)算法(以下簡(jiǎn)稱“SIRT算法”)進(jìn)行迭代反演，并以此計(jì)算實(shí)時(shí)震源波速反演中的波速值，從而完成采掘工作面區(qū)域內(nèi)實(shí)時(shí)震源波速反演，生成波速分布云圖。

1.2 實(shí)時(shí)震源波速反演裝備

實(shí)時(shí)震源波速反演設(shè)備為天地科技股份有限公司從波蘭EMAG引進(jìn)的ARAMIS M/E微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由地面設(shè)備和井下傳感器組成，如圖2所示。

圖2 ARAMIS M/E 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ARAMIS M/E微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)軟件HESTIA_SQL中內(nèi)置了基于微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)震源波速反演功能。該運(yùn)算基于煤巖體應(yīng)力集中程度與震動(dòng)波在煤巖體的傳播波速呈正相關(guān)關(guān)系，利用實(shí)時(shí)震源波速反演原理和計(jì)算方法，劃分網(wǎng)格模型，執(zhí)行SIRT算法，模擬出選定區(qū)域的速度等值線圖，進(jìn)而推演出應(yīng)力集中情況。

2 工程概況

鄂爾多斯某礦開采的3-1號(hào)煤層平均厚度6.35 m，平均采深+737 m。3-1105工作面為一采區(qū)第2個(gè)工作面，工作面走向長(zhǎng)度3 000 m，傾向長(zhǎng)度280 m，工作面輔運(yùn)巷北側(cè)為3-1103工作面采空區(qū)，3-1103工作面已于2018年3月回采完畢，3-1103工作面采空區(qū)距3-1105工作面開切眼150 m，2個(gè)工作面之間留設(shè)有寬度6 m的煤柱；3-1105工作面運(yùn)輸巷南側(cè)為尚未開采的實(shí)體煤。截至2021年6月10日，3-1105工作面已推進(jìn)656.8 m。3-1105工作面位置關(guān)系如圖3所示。根據(jù)3-1105工作面19-11鉆孔得到研究區(qū)域煤巖層賦存情況，見表1，并通過(guò)巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)定，得到3-1號(hào)煤層及其頂?shù)装寤編r石力學(xué)參數(shù)，見表2。

表2 巖石力學(xué)參數(shù)

由表1可以看出，3-1105工作面煤層上方140 m 范圍內(nèi)主要為細(xì)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(xì)粒砂巖。因此3-1105工作面頂板存在多層厚硬巖層，結(jié)合表2可以得出，巖體強(qiáng)度較高，存在較高的彈性能，隨著工作面推進(jìn)，上覆厚硬巖層將會(huì)積聚、釋放大量的彈性能，易形成較大的微震事件。同時(shí)，根據(jù)三維地震勘探資料及附近巷道實(shí)際揭露情況分析，隨著3-1105工作面由西至東推進(jìn)，回采期間穿越5條斷層構(gòu)造，3-1105工作面揭露斷層構(gòu)造情況見表3。

文化一詞，說(shuō)大很大，它可以涵蓋整個(gè)人類文明的一切活動(dòng)，如東方文化、中國(guó)文化、少數(shù)民族文化等；說(shuō)小也小，僅僅指知識(shí)，比如：上學(xué)、受教育、學(xué)知識(shí)被稱作“學(xué)文化”；受過(guò)高等教育的人被稱作 “文化人”?；蛘吒鼜V一點(diǎn)指區(qū)別于政治、經(jīng)濟(jì)、軍事的另一個(gè)社會(huì)活動(dòng)，叫“文化”，如書法、繪畫、歌舞、戲曲等等民間娛樂活動(dòng)。但是，“文化”最終是要被概念化了的，盡管想要給文化一個(gè)完善準(zhǔn)確的定義并非易事。

表3 3-1105工作面揭露斷層構(gòu)造情況

由表3分析得出，雖然工作面已過(guò)NF18、NF40以及NF39斷層，但隨著工作面的推進(jìn)，NF37與NF38斷層附近構(gòu)造應(yīng)力將不斷增加，構(gòu)造應(yīng)力、上覆巖層自重力及上覆厚硬巖層形成的側(cè)向支承力將使得工作面煤體極易形成高應(yīng)力集中區(qū)域。

3 實(shí)時(shí)震源波速反演技術(shù)應(yīng)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?jīng)_擊危險(xiǎn)性，基于實(shí)時(shí)震源波速反演技術(shù)的工作原理，在3-1105工作面運(yùn)輸巷和輔運(yùn)巷布置傳感器作為3-1105工作面及相鄰區(qū)域發(fā)生震源的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。以3-1105工作面前方400 m范圍為監(jiān)測(cè)區(qū)域，對(duì)該區(qū)域內(nèi)的實(shí)時(shí)震源進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而分析該區(qū)域內(nèi)高應(yīng)力分布以及沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的情況，方案設(shè)計(jì)原理如圖4所示。為保證采集到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，所有通道震動(dòng)波初到時(shí)均進(jìn)行人工標(biāo)記與分析。

圖4 3-1105工作面波速反演方案設(shè)計(jì)及微震傳感器布置

為了配合3-1105工作面的回采進(jìn)度，并保證微震事件的定位精度，在3-1105工作面共布置6個(gè)傳感器，傳感器間距為200 m。其中工作面運(yùn)輸巷布置3個(gè)傳感器編號(hào)為S1、S2、S3，輔運(yùn)巷布置3個(gè)傳感器編號(hào)為S4、S5、S6，2個(gè)巷道內(nèi)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(xù)9 d采集到的微震數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算，其中微震信號(hào)清晰有效的數(shù)據(jù)共133個(gè)，最大能量為104J級(jí)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(qū)側(cè)，如圖5所示，反演共形成射線565條。

基于實(shí)時(shí)震源波速反演技術(shù)，根據(jù)微震在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)軟件HESTIA_SQL對(duì)震動(dòng)傳感器接收到震動(dòng)波進(jìn)行波速計(jì)算，得到震動(dòng)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(shí)時(shí)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(nèi)波速為2.8～5.0 km/s，且波速梯度較大。根據(jù)波速與應(yīng)力大小呈正相關(guān)關(guān)系可知，圖中高應(yīng)力區(qū)域主要分布在3-1105工作面前方190～360 m(圖中紅色虛線區(qū)域)，表明該區(qū)域范圍圍巖體所承受的沖擊危險(xiǎn)性較高。

3.3 反演結(jié)果論證

3.3.1 微震事件驗(yàn)證

3-1105工作面于2021年6月11日09∶22∶44，發(fā)生1次能量7.0×106J微震事件，通過(guò)定位計(jì)算此次106J級(jí)微震事件的發(fā)生位置位于實(shí)時(shí)震源波速反演區(qū)域波速梯度密集變化帶，其中震源距3-1105輔運(yùn)巷151 m，超前工作面228 m，如圖7所示。由于實(shí)時(shí)震源波速反演結(jié)果已提前實(shí)現(xiàn)預(yù)警，及時(shí)撤出高應(yīng)力區(qū)域人員，并未造成人員傷亡。

圖7 3-1105工作面106J級(jí)微震事件發(fā)生位置與波速反演結(jié)果相對(duì)位置

分析此次大能量微震事件發(fā)生原因，主要為3-1105工作面為一采區(qū)第2個(gè)工作面，且鄰近的3-1103工作面采空區(qū)寬度為245 m，根據(jù)該區(qū)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(xì)粒砂巖及其上覆巖層很難發(fā)生破斷、垮落，使得其一端架在3-1103工作面采空區(qū)矸石上，另一端架在3-1105工作面實(shí)體煤上形成“S”型覆巖空間[18]，在3-1105工作面回采擾動(dòng)下，該巖層及其上覆巖層易發(fā)生整體聯(lián)動(dòng)，因其巖層厚度大，使得“S”型覆巖空間內(nèi)形成較高側(cè)向集中應(yīng)力；同時(shí)受工作面前方NF37、NF38斷層結(jié)構(gòu)影響，因構(gòu)造應(yīng)力相疊加，導(dǎo)致3-1105工作面上覆厚硬巖層存儲(chǔ)較高的彈性能，為微震事件的發(fā)生提供了圍巖和能量條件；因此隨著工作面推進(jìn)，在超前應(yīng)力作用下，當(dāng)工作面推進(jìn)到距該區(qū)域一定距離時(shí)，受采動(dòng)影響在超前應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力以及“S”型覆巖產(chǎn)生的側(cè)向集中應(yīng)力相互疊加下使得該區(qū)域應(yīng)力達(dá)到圍巖臨界強(qiáng)度，產(chǎn)生較大的微震事件。

106J級(jí)微震事件發(fā)生后，選取2021年6月12-15日連續(xù)4 d采集到的微震數(shù)據(jù)進(jìn)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(jí)微震事件發(fā)生后，相應(yīng)區(qū)域集中應(yīng)力得到明顯釋放(圖中紅色虛線區(qū)域)，最大波速值由5.0 km/s降低到2.9～3.1 km/s，表明該區(qū)域波速明顯得到降低，進(jìn)而說(shuō)明相應(yīng)區(qū)域圍巖應(yīng)力得到明顯釋放，危險(xiǎn)程度明顯降低。同時(shí)圍巖應(yīng)力向3-1105工作面輔運(yùn)巷側(cè)轉(zhuǎn)移，在3-1103工作面與3-1105工作面輔運(yùn)巷相交區(qū)域處，受三角煤柱和超前應(yīng)力影響，圍巖應(yīng)力明顯增加，因此后續(xù)3-1103工作面與3-1105工作面相對(duì)位置形成的三角煤柱處為后續(xù)防沖卸壓的重點(diǎn)區(qū)域。

3.3.2 地音活動(dòng)驗(yàn)證

3-1105工作面安裝有ARES-5E地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在工作面前方180 m范圍內(nèi)的輔運(yùn)巷與運(yùn)輸巷各布置2個(gè)傳感器，編號(hào)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(jiān)測(cè)半徑為200 m。其中D3傳感器位置靠近此次高應(yīng)力集中區(qū)域，因此以D3傳感器為代表對(duì)本次106J級(jí)微震事件發(fā)生前后地音活動(dòng)特征進(jìn)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(fā)生前后煤巖體必將經(jīng)歷一段較為連續(xù)的損傷發(fā)展階段，地音作為煤巖體損傷破壞的產(chǎn)物，地音也必然出現(xiàn)一段連續(xù)異常變化的時(shí)期。地音小時(shí)活動(dòng)可以較為有效反映煤巖體破裂的規(guī)律，基于D3探頭監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制106J級(jí)微震事件的地音小時(shí)活動(dòng)曲線如圖10所示。106J級(jí)微震事件發(fā)生前地音活動(dòng)呈不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)，事件發(fā)生后于2021年6月11日10∶00時(shí)達(dá)到峰值，最大能量為1.46×105J，此時(shí)頻次也達(dá)峰值，時(shí)頻最大值為275個(gè)。另外此次106J級(jí)微震事件前5 d地音平均小時(shí)能量為2.13×104J，平均時(shí)頻為47個(gè)，峰值小時(shí)能量是前5 d小時(shí)能量的6.8倍，峰值小時(shí)頻次是前5 d小時(shí)頻沖的5.9倍。

圖10 地音活動(dòng)曲線

由圖10可以看出，微震事件發(fā)生前高應(yīng)力區(qū)域內(nèi)地音活動(dòng)處于不斷增長(zhǎng)趨勢(shì)，表明相應(yīng)區(qū)域煤巖體內(nèi)部缺陷在此期間經(jīng)歷了被閉合、壓裂、擴(kuò)展等一系列的微破裂活動(dòng)，進(jìn)而表明相應(yīng)區(qū)域應(yīng)力集中程度較高、沖擊危險(xiǎn)性較大。

此次106J級(jí)微震事件的發(fā)生以及微震事件發(fā)生前地音活動(dòng)演化特征表明實(shí)時(shí)震源波速反演結(jié)果中應(yīng)力集中區(qū)域與煤體中高應(yīng)力分布區(qū)域較吻合。因此實(shí)時(shí)震源波速反演對(duì)于探測(cè)煤層高應(yīng)力區(qū)域分布規(guī)律具有較好的適用性。

4 結(jié)論

(1)基于微震在線監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)震源波速反演技術(shù)對(duì)3-1105工作面煤體應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)震動(dòng)波波速與應(yīng)力的正相關(guān)性，反演結(jié)果表明工作面前方190～360 m范圍內(nèi)存在一定區(qū)域的高波速及波速梯度密集變化帶，說(shuō)明該區(qū)域煤體應(yīng)力較高。

(2)基于微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在3-1105工作面前方228 m處監(jiān)測(cè)到1次106J級(jí)微震事件，106J級(jí)微震事件的發(fā)生位置位于實(shí)時(shí)震源波速反演結(jié)果中應(yīng)力集中區(qū)域，同時(shí)結(jié)合微震事件發(fā)生前相應(yīng)區(qū)域地音活動(dòng)特征表明實(shí)時(shí)震源波速反演結(jié)果中應(yīng)力集中區(qū)域與煤體中高應(yīng)力分布區(qū)域較吻合，因此實(shí)時(shí)震源波速反演對(duì)于探測(cè)煤層高應(yīng)力區(qū)域分布規(guī)律具有較好的適用性。