沖擊危險性動態預測的震動波CT技術研究

竇林名，蔡 武，鞏思園，韓榮軍，劉 軍

(1.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；2.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；3.義馬煤業集團股份有限公司，河南 義馬 472300)

沖擊危險性動態預測的震動波CT技術研究

竇林名1,2，蔡 武1,2，鞏思園1，韓榮軍2,3，劉 軍3

(1.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；2.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；3.義馬煤業集團股份有限公司，河南 義馬 472300)

針對煤礦沖擊災害日益頻繁的現狀，在應力與縱波波速的試驗關系模型基礎上，分析了采用縱波波速確定沖擊危險的理論基礎，建立了沖擊危險性動態預測評價的震動波CT探測的技術，構建了震動波CT探測評價沖擊危險性技術指標波速異常系數An和波速梯度變化系數VG，并給出了各指標的判別準則，最后開展了現場應用。研究結果表明，對于同一性質的巖體，縱波波速反映了沖擊礦壓發生的強度條件、能量條件和動載誘沖條件；震動波CT探測技術能夠對現場沖擊危險性做出動態評價和預測，并能對卸壓解危措施的實施和效果進行指導和檢驗。

沖擊危險性；縱波波速；震動波CT；波速異常系數；波速梯度變化系數

隨著煤炭開采深度和強度的增大，沖擊礦壓已成為煤礦普遍的安全問題[1]。這種工程災害是煤巖變形破裂動態演化導致的突發性災害，對其誘發動態過程的監測、有效預警，是防止災害發生的關鍵，也是世界性難題，其監測預警研究是迫切需要解決的科技問題。

目前，沖擊礦壓的監測方法主要包括：微震監測[2-5]、電磁輻射監測[6-7]、聲發射監測[8-9]、鉆屑量監測[10]、應力監測[11-12]等。近年來，震動波CT技術作為一種新的地球物理方法被廣泛應用于工程與地質診斷，目前已成為井下采礦過程中勘探斷層、松動圈、隱藏裂隙、應力狀態等方面的有力工具[13]。特別是將震動波CT技術和微震實時監測相結合，是沖擊危險評價和預測的最新發展方向。根據其震源的來源不同，震動波CT技術可分為主動和被動兩種。彭蘇萍[14]、Du等[15]將主動CT技術應用于地質構造勘探，采探對比分析表明，該技術探測精度高，構造線性成像明顯。Friedel等[16]利用主動CT技術研究了Lucky Friday銀礦開采和殘留礦柱區域上的應力分布特征，結果顯示波速變化與開采引起的應力轉移分布一致。竇林名等[17-18]采取主動CT方法在兗州濟寧3號井煤礦16302C工作面研究了波速分布與強礦震分布的關系，發現強礦震落入沖擊危險預警區域內的準確率較高，證明了主動CT方法在監測和預警沖擊礦壓或強礦震危險分布的可行性。王書文等[19-20]根據波速異常率和波速分區特征，將主動CT技術應用于采煤工作面內斷層展布的探測和工作面超前支承壓力分布的劃定，并依此提出了沖擊危險性評價模型。由于受到巷道分布和炸藥激發震動波能量客觀條件限制，主動CT技術監測強礦震或沖擊危險的范圍較小，并且實施該技術的勞動和經濟成本也較高，導致該方法在應用推廣方面受到了一定的限制。鑒于此缺點，Luo等[21]將工作面采煤機連續割煤誘發的震動信號作為激發源，并在兩巷布置若干檢波器，對傳統的主動CT進行了一次創新性的改進。Luxbacher[22]、Hosseini等[23]采用被動CT技術，以自然發生的礦震作為激發源對工作面開采過程中的P波速度分布進行了反演，發現高應力支承壓力區與高波速區吻合較好。Lurka[24]利用被動CT技術對波蘭Zabrze Bielszowice等煤礦沖擊危險進行評價，發現沖擊或強礦震往往出現在高波速區和高波速變化梯度區。因此，震動波被動CT技術用于探測大范圍沖擊或強礦震危險分布是可行的，在沖擊礦壓危險研究上必將成為一個強有利的監測手段，是未來國內外發展的一個大趨勢和方向。

本文在應力與縱波波速的試驗關系模型基礎上，分析了震動波CT技術探測評價沖擊危險性的理論基礎，構建了震動波CT探測技術指標及其判別臨界值。最后，將該技術應用于現場沖擊危險性的探測評價和卸壓解危措施實施的指導與效果檢驗，實踐表明該技術應用效果良好。

1 震動波CT探測技術

1.1 理論基礎

強度理論[25]認為，當煤巖體所受的應力超過煤巖體本身的強度極限，即滿足強度條件，才有可能發生沖擊礦壓。關系式如下：

(1)

式中，σ為煤巖體所受應力；σC為煤巖體強度。

對于均質、各向同性連續介質體，震動波的傳播與煤巖體物理力學參數及其在煤巖體中產生的動載荷[26]可表示為

(2)

(3)

(4)

式中，vP，vS分別為P波、S波傳播的速度；ν為泊松比，0≤ν≤0.5；E為彈性模量；ρ為煤巖介質密度；σdP，τdS分別為P波、S波產生的動載；(vpp)P，(vpp)S分別為質點由P波、S波傳播引起的峰值震動速度。

綜上所述，對于同一性質的煤巖體，根據地震波的傳播速度可確定煤巖體的物理力學特性。深入分析發現，地震波波速間接反映了沖擊礦壓發生的強度條件、能量條件和動載誘沖條件：

(1)強度條件。研究結果[27]表明，應力與波速之間存在冪函數關系。即震動波速越高，所受應力越大，超過其煤巖體強度的可能性就越大，沖擊危險性就越高，反映了強度條件。

(2)能量條件。式(2)，(3)表明，彈性模量與波速在彈性階段呈正相關關系。即波速越大，對應的彈性模量就越大，則煤巖體變形儲存能量的能力越高，剛度也就越強，抵抗變形破壞的能力就越大，反映了能量條件。

(3)動載誘沖條件。式(4)表明，震源能量越大，傳播到煤巖介質質點速度的峰值速度就越大，動載荷就越高，越容易形成沖擊。另外，對于同一性質的煤巖體，介質密度相等，此時，波速越高的區域受到強礦震擾動比其他低波速區域更容易形成沖擊礦壓。

1.2 技術原理

利用人工誘發或自然發生的一系列震源和井下安置的一系列檢波器，根據檢波器與震源之間的距離L和檢波器接收到的初至旅行時間T來反演波速分布V(x,y,z)或慢度S(x,y,z)=1/V(x,y,z)。假設第i個震動波的傳播路徑為Li，其旅行時為Ti，具體關系[22]可表示為

(5)

(6)

(7)

式中，dij為第i條震動波射線穿過第j個網格的長度；N為射線總數；M為網格數量。

震動波CT技術根據震源的來源不同可分為主動CT和被動CT，其中，主動CT的震源位置已知，而被動CT的震源位置未知(圖1)。對于新安裝微震監測系統的煤礦，需事先根據常值速度模型估計震源位置，并作為模型輸入的初始值。反演求解計算過程中，每改變一次速度模型，需重新進行震源位置的計算，并修改傳播射線的起點位置。按上述方式反復迭代計算，直到殘差小于給定門檻值或達到最大迭代次數。為求解大規模問題，本文采用SIRT迭代反演算法[28]。

圖1 震動波CT探測技術示意Fig.1 Sketch map of seismic CT technology

1.3 評價指標的建立

巖層破裂需要應力及變形的空間條件，如圖2所示，工作面開采后所形成的采空區導致上覆巖層重量加載到其臨近的支撐區域C，形成一側應力降低區與一側高應力集中區，在沒有額外力的作用下，兩者的存在總是相輔相成的。由縱波波速與應力之間的試驗關系模型知，斷裂帶區域A對應一個低波速區，而在應力集中區域則對應高波速區，在這2個區域之間是從高波速向低波速過渡的一個區域，即波速變化梯度較大的區域B，該區域的煤巖體在某一方向上的受約束能力相對較弱，在載荷一致的情況下將比均勻受載的煤巖體更易發生失穩破壞。研究[24]亦表明，強礦震不僅發生在高波速區域，也發生在波速梯度變化明顯的區域。所以梯度變化較大的區域也是沖擊危險的區域。

圖2 工作面開采后的上覆巖層結構及波速分布示意Fig.2 Vertical cross-section view of strata structure and distribution of velocity after excavation

如圖2所示，C區域應力高且集中程度大，相對其他區域將出現縱波波速的正異常，而A區域為應力降低區，縱波波速將出現負異常。因此可構建震動波速異常系數An如下：

(8)

表1波速正異常變化與應力集中程度關系
Table1Therelationbetweenpositiveanomaliesofwavespeedandstressconcentration

沖擊危險指標應力集中特征波速正異常An/%應力集中概率0無<5<0 21弱5～150 2～0 62中等15～250 6～1 43強>25>1 4

表2波速負異常變化與弱化程度之間的關系
Table2Therelationbetweennegativeanomaliesofwavespeedandweakeninglevel

弱化程度弱化特征波速負異常An/%應力降低概率0無0～-7 5<0 25-1弱-7 5～-150 25～0 55-2中等-15～-250 55～0 8-3強<-25>0 8

針對B區域，為利用波速變化的梯度值探測評價沖擊危險，構建如下波速梯度變化系數VG(單位為m/s2)[29]：

(9)

式中，Grad為反演區域一點的波速變化梯度，單位為1/s。表3為VG值對應沖擊危險性之間的關系。

表3VG值與沖擊危險之間的關系
Table3TherelationbetweenVGvalueandrockbursthazardlevel

沖擊危險指標異常對應的危險性特征VG異常/(km·s-2)0無<0 051弱0 05～0 152中等0 15～0 253強>0 25

2 現場應用

2.1 某礦25110工作面概況

某礦25110工作面采深1 000 m左右(地面標高+551～+596 m，工作面煤層標高-390.0～-451.6 m)，為25采區東翼第1個綜放工作面，平均采高11 m，主采2-1煤層。2-1煤層平均厚度11.5 m，平均傾角13°，煤層上方依次為18 m泥巖直接頂、1.5 m厚1-2煤、4 m泥巖和190 m巨厚砂巖基本頂，下方依次為4 m泥巖直接底和26 m砂巖基本底。井下四鄰關系(圖3)：東為23采區下山保護煤柱，南為25區下部未采煤層，西為25采區下山保護煤柱，北為25090工作面(一分層已采)，且25110上巷布置于25090采空區下方煤層中。

圖3 某礦25110工作面概況Fig.3 Layout of LW25110 in coal mine

2.2 震動波CT探測評價沖擊危險

2.2.1探測設備與方案

震動波CT探測技術采用的設備為現場安裝的微震監測系統，探測方案如圖4所示，選取2012-05-08—06-07的震動波形作為反演數據。期間監測到微震事件總數201個，其中滿足條件的有效微震事件101個，形成射線599條。大能量震動激發探頭個數較多，對于接受探頭總數超過10的震動事件，進行震源定位時采用最多10個探頭，當中所有的P波首次到時的標記均由人工進行，由此確定的震源分布如圖4所示的空心圓。

對形成的射線進行波速統計，得出最小波速2.60 km/s，最大波速6.92 km/s，平均波速4.21 km/s。通過統計每個波速區間內的射線條數可知(圖5)，P波波速主要集中在3.87 km/s和4.38 km/s附近，射線總數分別占總數的52.6%和17.7%。統計分析說明該反演區域P波波速變化較大，所以，需建立層狀模型進行計算，網格劃分為50×28×4，X，Y，Z方向間距為30 m×30 m×133 m，模型從上到下波速在2.60～6.00 km/s范圍等梯度分布。

2.2.2探測結果分析

選取25110工作面煤層平均標高-400 m水平切片的波速異常系數An和波速梯度變化系數VG等值線云圖作為25110工作面的探測評價結果，如圖6，7所示。根據波速正負異常變化與應力集中程度及弱化程度之間的關系(表1,2)，劃分出2個強應力集中區域B1和B2(圖6中藍色曲線圈出)，以及3個強弱化區域R1，R2和R3(圖6中紅色曲線圈出)。另外，根據波速梯度變化與沖擊危險之間的關系(表3)，劃分出5個強沖擊危險區域G1，G2，G3，G4和G5(圖7中黑色曲線圈出)。

(1)B1區域。該區域的形成與工作面超前支承壓力有關，為沖擊礦壓頻發區域。該區域走向上分布范圍為100 m左右，與現場實際的工作面超前支承壓力影響范圍基本一致。

(2)B2區域。該區域為25090工作面終采線遺留煤柱影響區。25090工作面回采結束后，遺留煤柱側形成懸頂現象，進而在煤柱內側形成側向支承壓力。隨著25110工作面向終采線的靠近，25110工作面超前支承壓力將與該區域側向支承壓力疊加，此時該區域的沖擊危險性將更為顯著。

(3)R1，R2區域。該區域為現場卸壓措施實施區域，見2.3節介紹。

(4)G1，G2，G5區域。該區域為實體煤向采空區過渡的區域，如圖2所示的區域B。

(5)G3區域。該區域的形成與現場卸壓措施實施有關。由于卸壓措施的實施將松散煤巖體形成破碎帶，使得該破碎帶與實體煤之間形成一個過渡帶，即波速梯度變化異常帶。因此，當實體煤中應力集中程度較高時，實施卸壓措施容易誘發沖擊礦壓災害，此時施工人員應充分做好個體防護或遠離施工區域。因此，該區域屬于施工過程中的危險區域，至于施工后，該區域仍然屬于卸壓區域，不能作為下一時段的沖擊危險區域。

(6)R3，G4區域。該區域為因素未知區域。

圖7 波速梯度變化系數計算結果(-400 m水平)Fig.7 Distribution of wave velocity gradient anomaly(-400 m level)

2.2.3探測結果驗證

為驗證探測評價結果，繪制了2012-06-08—06-30的微震事件震源分布，如圖8所示。由圖可知，大部分微震事件發生在B1,G2區域，同時在B2,G5區域發生了一次能量為105J的微震事件，而在G3區域僅發生了少量小能量微震事件，這與探測評價結果分析一致，從而驗證了該技術的可靠性。

圖8 沖擊危險區域及未來微震事件分布Fig.8 Rock burst risk area and the distribution of microseismic events afterward

2.3 震動波CT探測指導卸壓解危

2.3.1卸壓解危措施實施

圖9為2012-04-16—05-08期間的震動波CT探測結果，反演結果顯示出5個需要采取卸壓措施的中等應力集中區域A1，A2，A3，A4和A5。其中區域A1和A2位于采空區，遠離工作面開采空間，卸壓措施無法實施，同時該區域對工作面的安全也不構成威脅；區域A3和A5橫穿工作面上下巷，由于25110工作面上巷位于采空區下方，卸壓措施實施效果不佳，同時考慮到現場施工的難度，暫不在該區域的上巷采取卸壓措施。最終確定在A4區域和A3，A5的下巷區域實施卸壓措施，如圖10所示。圖中黑色直線表示大直徑卸壓鉆孔、藍色表示煤體卸壓爆破鉆孔、紅色表示深孔斷頂爆破鉆孔，直線長度表示鉆孔實際實施的深度。

圖9 震動波CT探測評價結果Fig.9 Assessment result through seismic computed tomography

2.3.2卸壓解危措施效果檢驗

此次卸壓解危措施效果檢驗采用2012-05-08—06-07期間的波速異常系數結果，如圖10所示。

圖10 卸壓措施實施方案及實施后波速異常系數分布Fig.10 Implement plan of risk relief measures and the distribution of wave velocity anomaly after the measures

從圖中可以看出，A4區域和A5下巷區域實施卸壓措施后，波速異常指數由正異常轉為負異常，表明該區域應力下降幅度很高，說明卸壓效果很明顯；A3下巷區域實施卸壓措施后，該區域不僅呈現出波速負異常，同時還表現出高波速梯度異常，表明該區域實施的卸壓措施通過松散煤巖體形成了破碎帶，該破碎帶與實體煤之間的過渡正好表征出了高波速梯度異常，由此可以得出，高波速梯度異常在沒有實施卸壓措施的前提下才能表征高沖擊危險性，而實施卸壓措施后的高波速梯度異常應表征卸壓措施效果的有效性，即弱化程度的顯著性。綜上所述，震動波CT探測技術能很好地對各項卸壓解危措施進行效果檢驗。

3 結 論

(1)對于同一性質的巖體，縱波波速反映了沖擊礦壓發生的強度條件、能量條件和動載誘沖條件：波速越高，所受應力越大，超過其煤巖體強度的可能性就越大；波速越高，對應的彈性模量越大，煤巖體變形儲存能量的能力越高，剛度也就越強，抵抗變形破壞的能力就越大；對于波速越高的區域受到強礦震擾動比其他低波速區域更容易形成沖擊礦壓。

(2)由波速異常系數An和波速梯度異常系數VG組成的震動波CT探測技術能夠對現場沖擊危險性做出動態評價，并能對卸壓解危措施的實施和效果進行指導和檢驗。

(3)高波速梯度系數在沒有實施卸壓措施的前提下才能表征高沖擊危險性，而實施卸壓措施后的高波速梯度異常應表征卸壓措施效果的有效性，即弱化程度的顯著性。

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Dynamicriskassessmentofrockburstbasedonthetechnologyofseismiccomputedtomographydetection

DOU Lin-ming1,2，CAI Wu1,2，GONG Si-yuan1，HAN Rong-jun2,3，LIU Jun3

(1.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China;2.SchoolofMines,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China;3.YimaCoalGroupCo.,Ltd,Yima472300,China)

On account of increasingly frequent rock burst hazards at present,the theoretical basis of rock burst determination through P-wave velocity was analyzed based on the experiment relation model of stress and P-wave velocity.Meanwhile,the technology of rock burst risk assessment was established through seismic computed tomography detection,which contains assessment parameters of wave velocity anomalyAnand wave velocity gradient anomalyVG.The criterion of these parameters was documented.Finally,the assessment technology was verified by practical application.The results show that P-wave velocity reflects the strength criterion,energy criterion and dynamic load criterion for rock burst as for the rock mass with the same properties.The seismic computed tomography detection technology is feasible for rock burst risk assessment.It can give guidance on the implement of risk relief measures and check the effect of the measures.

rock burst risk;P-wave velocity;seismic computed tomography;wave velocity anomaly;wave velocity gradient anomaly

10.13225/j.cnki.jccs.2013.2016

國家重點基礎研究發展計劃(973)資助項目(2010CB226805);國家自然基金和神華集團有限公司聯合資助項目(51174285)；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(SZBF2011-6-B35)

竇林名(1963—)，男，青海平安人，教授，博士生導師。E-mail:lmdou@126.com。通訊作者：蔡 武(1988—)，男，湖南桃江人，博士研究生。E-mail：aaacaiwu@126.com

TD324

A

0253-9993(2014)02-0238-07

竇林名，蔡 武，鞏思園，等.沖擊危險性動態預測的震動波CT技術研究[J].煤炭學報,2014,39(2):238-244.

Dou Linming，Cai Wu，Gong Siyuan，et al.Dynamic risk assessment of rock burst based on the technology of seismic computed tomography detection[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):238-244.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.2016