微震異常區(qū)CT反演監(jiān)測預警技術(shù)應(yīng)用

李允生, 徐德生, 馬志鋒, 周海軍, 郭文豪

(1.山東東山古城煤礦有限公司， 山東 濟寧 272000；2.徐州弘毅科技發(fā)展有限公司， 江蘇 徐州 221018；3.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院， 江蘇 徐州 221116)

0 引言

近幾年，隨著煤礦采深不斷加大，沖擊地壓顯現(xiàn)越來越突出[1]。沖擊地壓的發(fā)生與地質(zhì)構(gòu)造、煤柱留設(shè)等密切相關(guān)，尤其在復雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域，煤柱受多個構(gòu)造、支承壓力疊加影響，應(yīng)力集中度高，復雜構(gòu)造區(qū)域的覆巖破斷或垮落可能誘發(fā)強礦震、沖擊地壓等現(xiàn)象[2-4]。針對復雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域的沖擊地壓危險監(jiān)測,研究者提出了眾多方法，如微震法[5]、鉆屑法[6]、地音法[7]和電磁輻射法[8]等。但每種方法僅反映了煤巖某一方面的特征，且大多方法僅能監(jiān)測而不能預警。如微震法只能對區(qū)域和局部微震進行監(jiān)測而不能預警，微震法中的微震監(jiān)測也多為事后記錄，無法進行預測；鉆屑法為點監(jiān)測，可用于檢驗和預警；地音法和電磁輻射法也為局部監(jiān)測，不能預警。上述方法的監(jiān)測指標單一，針對性差，不能在復雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)起到良好的監(jiān)測預警效果。

礦震震動波波速層析成像(Computerized Tomography，CT)技術(shù)作為復雜地質(zhì)條件下新興的沖擊危險監(jiān)測預警技術(shù)，部分學者對此展開了相關(guān)研究。鞏思園[9]圍繞實驗室研究得到的震動波波速與應(yīng)力間的試驗關(guān)系模型，利用震動波信號建立了礦震震動波波速層析成像模型，建立了波速異常、波速梯度變化等預警指標，用于預測預報沖擊危險。竇林名等[10-11]基于縱波波速開采區(qū)域沖擊危險的理論基礎(chǔ)，建立了采掘區(qū)域沖擊危險性動態(tài)震動波CT 探測技術(shù)，并給出了沖擊危險判別準則。程剛等[12]以某礦3下113回采工作面為工程背景，研究了震動波CT反演技術(shù)在工作面受采空、斷層、煤柱與采動影響的多重作用下的應(yīng)用效果。曹安業(yè)等[13]基于某礦7192回采工作面的覆巖空間結(jié)構(gòu)及其運移規(guī)律研究，揭示了由斷層錯動導致的工作面動力顯現(xiàn)及大能量礦震的頻發(fā)機理，同時利用震動波CT技術(shù)對工作面沖擊危險性進行動態(tài)預警。以上研究表明，CT反演能較好反映現(xiàn)場工作面的危險性，但是在實際操作過程中，CT反演由于其反演周期長，反演結(jié)果往往不能及時反映工作面的當前危險程度。

綜上所述，單獨使用微震監(jiān)測技術(shù)，其微震監(jiān)測范圍僅能反映微震所在區(qū)域的危險性，給現(xiàn)場監(jiān)測帶來了困難；單獨使用CT反演監(jiān)測在煤礦現(xiàn)場可操作性有限，需要復雜的計算和判斷，對數(shù)據(jù)分析人員的能力要求和專業(yè)要求很高，普適性較低。因此需要找到一種煤礦分析人員普遍好理解且現(xiàn)場好操作、執(zhí)行明確的監(jiān)測預警方法。鑒此，本文以山東濟寧東山古城煤礦3105工作面為工程背景，提出了一種微震-應(yīng)力多維信息監(jiān)測預警方法，將短期的微震監(jiān)測和中長期震動波CT反演監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合對工作面沖擊危險區(qū)域進行判識，并結(jié)合基于中長期CT反演的大范圍監(jiān)測結(jié)果，利用工作面周邊的微震數(shù)據(jù)對其修正，實現(xiàn)對工作面中長期應(yīng)力演變及短期微震集聚的實時、動態(tài)監(jiān)測預警。

1 工程背景

古城煤礦位于山東省濟寧市兗州區(qū)東郊，本區(qū)地勢平坦，為沖積平原，地勢東高西低，一般高程為+51～+56 m。其中3105工作面位于31采區(qū)的中部，工作面下至31采區(qū)集中軌道，上部隔離煤柱緊鄰2107采空區(qū)，工作面東部為3106工作面，西南為31采區(qū)未開拓區(qū)域。地面標高為+52.7～+53.6 m，工作面標高為-1 060～-1 140 m。

在回采期間，工作面前方進入到臨3106采空區(qū)不規(guī)則煤柱及斷層影響區(qū)域，礦震頻發(fā)，且礦震頻次及能量呈升高趨勢。3105工作面局部復雜地質(zhì)及采掘區(qū)域平面圖如圖1所示。

圖1 3105工作面局部復雜地質(zhì)及采掘區(qū)域平面圖Fig.1 Plan of local complex geology and mining area of 3105 working face

工作面所采煤層為3號煤層，平均厚度為8.6 m，煤層傾角為0～15°，堅固性系數(shù)f為2～3，煤層結(jié)構(gòu)簡單。工作面回采范圍內(nèi)兩巷道及切眼在掘進過程中共揭露落差H為0～8 m的正斷層12條。3105工作面綜合柱狀圖如圖2所示。

圖2 3105工作面綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive histogram of 3105 working face

2 3105工作面微震時空演化分析

古城煤礦安裝有SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)，通過3105工作面布置的6個微震探頭對工作面采掘過程中的煤巖體震動信號進行采集、記錄和分析，通過對多組波形處理，確定微震事件三維定位和能量，微震事件定位原理如圖3所示，圖中x0，y0，z0和x，y，z分別為震源和臺站的空間坐標，t0和ti(i=1,2,…,6,為微震探頭數(shù)量)分別為震源的發(fā)生時間和臺站的接收時間。

圖3 微震事件定位原理Fig.3 Microseismic positioning principle

從2019年8月開始，3105工作面微震頻次能量逐漸升高，如圖4所示。7月底之前微震能量處于低水平狀態(tài)，且時序發(fā)展平穩(wěn)，但從07-28開始，連續(xù)5 d微震頻次能量上升，進入8月，微震能量及頻次處于高水平狀態(tài)，時序發(fā)展極其不穩(wěn)定，微震平面分布如圖5所示。由圖5可知，工作面前方煤柱區(qū)內(nèi)微震能量、頻次明顯增加，表明工作面超前應(yīng)力范圍已開始進入到臨3106采空區(qū)不規(guī)則工作面區(qū)域，且工作面前方開采揭露斷層，進一步造成微震事件積聚。在2019-08-01—15，微震大能量事件(能量大于104J)分布明顯比7月多，微震分布范圍相對7月較廣，且工作面前方逐漸變窄的區(qū)段煤柱區(qū)域出現(xiàn)了較多微震事件。

圖4 微震能量及頻次時序活動曲線Fig.4 Time series activity curves of microseismic energy and frequency

(a) 2019-07-15—31的微震平面分布

(b) 2019-08-01—15的微震平面分布圖5 微震平面分布Fig.5 Plane distribution of microseisms

通過近1個月微震事件的時空分布異常情況判斷，可以斷定工作面前方變窄的區(qū)段煤柱區(qū)域為應(yīng)力異常區(qū)域，但僅通過微震事件的分布不足以精確判斷高應(yīng)力區(qū)和準確實施卸壓措施的范圍，需要通過更加精準的CT反演技術(shù)進行危險區(qū)域劃分和預警，為卸壓措施提供可靠的依據(jù)。

3 復雜應(yīng)力區(qū)CT反演及其應(yīng)用結(jié)果

3.1 震動波CT反演原理

震動波CT反演技術(shù)就是利用傳感器測定的巖體內(nèi)初始平均波速與監(jiān)測到的微破裂位置為初始數(shù)據(jù)，利用人工標定波形的P波到時，確定初始傳播時間，通過反演計算不斷調(diào)整微破裂位置與速度模型，最終重構(gòu)和反演巖樣內(nèi)部在不同加載階段的速度場分布規(guī)律，探測原理如圖6所示。研究結(jié)果表明，煤巖體在應(yīng)力作用下會引起震動波波速的改變，震動波傳播通過工作面煤巖體時，煤巖體上所受的應(yīng)力越高，震動傳播的速度就越快[9]。

圖6 震動波CT反演技術(shù)探測原理Fig.6 Exploration principle of seismic wave CT inversion technology

3.2 工作面復雜應(yīng)力區(qū)CT反演結(jié)果分析

基于微震異常情況，為更準確地預測沖擊危險區(qū)域，使卸壓方案有的放矢，古城煤礦從2019年8月開始，以15 d的微震數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進行被動CT反演，選擇測站為6、12、13、15、18、19(圖1)。選取2019-08-01—15、08-16—31及09-01—15三個階段進行對比分析，分別選取212、192、162 個微震有效波形，選取標高為-1 160 m的波速反演結(jié)果切片。3個階段的反演結(jié)果如圖7所示。

(a) 08-01—15

(b) 08-16—31

(c) 09-01—15圖7 3105工作面復雜應(yīng)力區(qū)CT反演結(jié)果Fig.7 CT inversion results of complex stress area in 3105 working face

沖擊礦壓事故多發(fā)生于煤層巷道內(nèi)[14-15]。通過圖1可以發(fā)現(xiàn)，3105工作面材料巷和運輸巷分別受到斷層和煤柱的影響，沖擊風險較高。因此結(jié)合古城煤礦歷史CT反演數(shù)據(jù)，以兩巷高波速(≥4.2 km/s)反演區(qū)域作為研究對象對兩巷微震和沖擊危險演化進行分析：第1階段(08-01—15)的反演結(jié)果中高波速區(qū)域為材料巷650～880 m(230 m)及運輸巷590～780 m(190 m)、930～960 m(30 m)區(qū)域；第2階段(08-16—31)的反演結(jié)果中高波速區(qū)域為材料巷600～690 m(90 m)及運輸巷690～720 m(30 m)區(qū)域；第3個階段(09-01—15)的反演結(jié)果的高波速區(qū)域為材料巷850～910 m(60 m)及運輸巷950～1 030 m(80 m)區(qū)域內(nèi)。對于3105工作面，其波速及應(yīng)力異常區(qū)域主要集中于材料巷和運輸巷超前100～200 m范圍，分布范圍最大可達230 m。因此，沖擊危險卸壓區(qū)域應(yīng)位于工作面超前兩巷位置。

根據(jù)各階段的CT反演結(jié)果，針對性地對高波速區(qū)域加強監(jiān)測，并及時采取有效的卸壓措施。實施卸壓措施前后材料巷和運輸巷3個階段的高波速區(qū)域最大范圍分別為230,90,60 m和190,120,30 m，即高波速區(qū)域范圍呈現(xiàn)變小的趨勢，并且由于斷層XF17影響,材料巷相對比運輸巷沖擊危險程度高。綜合反演結(jié)果可得出，08-16—31的應(yīng)力顯現(xiàn)低于08-01—15的應(yīng)力顯現(xiàn)，09-01—15的應(yīng)力顯現(xiàn)低于08-16—31的應(yīng)力顯現(xiàn)。

4 解危措施及效果檢驗

通過每15 d 的工作面前方CT反演結(jié)果，給出確定的強沖擊和中等沖擊危險區(qū)域范圍，依據(jù)分區(qū)管理的原則，對高波速沖擊危險區(qū)域采取了及時的煤層大直徑鉆孔[16]補強卸壓和煤體爆破[17]解危措施，同時對該區(qū)域頂板進行深孔爆破卸壓[18]，爆破層位為煤層上方厚度為21 m的中砂巖層。頂板爆破原理如圖8所示，通過采空區(qū)頂板爆破工程，主要實現(xiàn)2個卸壓目的：① 通過對采空區(qū)懸頂爆破，促進采空區(qū)頂板的彎曲下沉乃至垮斷，縮短采空區(qū)頂板懸頂長度，實現(xiàn)對煤柱靜載的卸壓及頂板周期垮斷時動載強度的降低。② 通過爆破，降低頂板巖體的完整程度，促進其裂隙發(fā)展乃至破壞，降低巖體的應(yīng)力集中程度，同時能夠提高其抵抗動載沖擊的能力。

圖8 頂板爆破原理Fig.8 Principle of roof blasting

卸壓具體參數(shù)如下。

大直徑鉆孔卸壓參數(shù)：孔徑為110～150 mm，孔深為20 m，間距為1 m。

煤層爆破卸壓參數(shù)：孔深為15 m，間距為4 m，孔徑為110 mm，裝藥量為11 kg，裝藥長度為4 m，封孔長度為4 m，起爆間隔時間為30 min，采用煤礦二級乳化炸藥，一次起爆一孔。

切頂爆破卸壓參數(shù)：致裂層為煤層上覆厚度為21 m的中砂巖層，孔深為23 m，孔徑為94 mm，間距為6～10 m，裝藥量為30 kg，裝藥長度為 10 m，封孔長度為13 m，起爆間隔時間為30 min，采用煤礦二級乳化炸藥，一次起爆一孔。頂板爆破卸壓工程如圖9所示。

圖9 頂板爆破卸壓工程Fig.9 Schematic diagram of pressure relief blasting project of roof

對圖7(a)CT反演結(jié)果中的工作面前方200 m范圍外危險區(qū)域?qū)嵤╉敯灞啤⒚后w爆破卸壓工程，實施日期為2019-08-16以后。從圖7(b)和圖7(c)CT反演結(jié)果可看出，實施爆破卸壓后，工作面前方的沖擊危險性明顯降低，表現(xiàn)為工作面前方高沖擊危險區(qū)域減小及危險區(qū)域前移(遠離工作面)，卸壓效果明顯，高波速區(qū)域明顯遠離工作面及巷道，且范圍減小。

每15 d的微震統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖10所示，從圖10可看出，工作面回采至縮窄煤柱區(qū)域，微震頻次和總能量呈逐漸上升趨勢，微震頻次由420上升至515，上升了22.6%，微震事件總能量由10.3×105J上升至12×105J，上升了16.5%。在采取了頂板爆破卸壓措施后，微震頻次及總能量下降明顯，15 d和30 d后的微震頻次由515降低至387、338，分別下降了24.9%、34.4%；微震能量由12×105J降低至8.98×105、5.98×105J，分別降低了25.2%、50.2%，卸壓效果明顯。

圖10 每15 d微震頻次及能量曲線Fig.10 Microseismic frequency and energy curves every 15 days

5 結(jié)論

(1) 每天微震活動頻次、能量升高及異常變化可作為微震活動的異常情況，并為實施CT監(jiān)測預警提供依據(jù)。

(2) 利用震動波CT反演技術(shù)能夠有效地預測沖擊危險區(qū)域，而且能夠區(qū)分危險等級。3105工作面波速及應(yīng)力異常區(qū)域主要分布在工作面超前100～200 m的巷道區(qū)域。震動波CT反演技術(shù)有效提高了預警準確性，同時可指導實施針對性卸壓措施，降低了卸壓勞動強度。

(3) 通過每15 d一次的CT反演給出的巷道沖擊危險結(jié)果，分別實施大直徑鉆孔卸壓和頂板深孔爆破方案。微震監(jiān)測和CT反演結(jié)果表明，采取爆破卸壓措施后，微震頻次及總能量下降明顯，高波速區(qū)域的微震頻次及能量分別由515、12×105J降低至338、5.98×105J，分別下降了34.4%、50.2%，取得了很好的沖擊防治效果。