彈性震動波CT透視技術現場應用與分析

詹召偉 沈建波 蔡可強

(1.山東濟寧運河煤礦有限責任公司，山東省濟寧市，272155；2.山東濟礦魯能煤電股份有限公司陽城煤礦，山東省濟寧市，272155；3. 濟寧市金橋煤礦，山東省濟寧市，272155)

隨著煤礦開采深度的增加和資源條件的惡化，沖擊地壓已成為我國深部煤礦采掘所面臨的重大安全問題，且其發生的頻率和危害程度呈逐年上升趨勢。研究采場范圍煤巖體回采前靜載應力分布規律，從而劃定應力集中區及沖擊危險區域分區分級，對針對性制定沖擊地壓防治措施具有重要指導意義。

目前，沖擊地壓監測手段主要包括靜載監測與動載監測兩種，動載監測如微震監測、地音監測等，靜載監測如鉆屑量監測、煤體應力監測等。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、應力狀態等方面的重要方法之一。根據其震源的來源不同，震動波CT技術可分為主動型和被動型兩種。

震動波主動CT技術是在回采工作面的一條巷道內設置一系列震源，在另一條巷道內設置一系列檢波器。當一條巷道內人工放炮或機械激發產生震源并傳過工作面煤體后，另一條巷道內的專用檢波設備接收到震源信號，并記錄震動波能量及到達時間等信息。根據人工震源傳遞過來的震動波初始到達時間可以重構并反演工作面煤體內震動波速度場分布規律。基于該探測數據進行深入分析，根據速度場的大小，可確定工作面范圍內應力場的大小，從而劃分出高應力區和高沖擊地壓危險區域。

為了探測陽城煤礦3306回采工作面的應力分布情況，提高沖擊地壓預警效果，采用彈性震動波主動CT技術對工作面煤體應力分布情況進行探測，分別繪制出波速等值線圖，結合礦壓和地質資料，得到綜合應力成果圖，為工作面采取有效應力轉移措施及開展卸壓工程提供基礎數據支撐。本文基于震動波主動CT技術，針對3306回采工作面內應力分布情況，進行現場工程試驗，并針對試驗結果進行深入分析。

1 工程實施區域概況

3306工作面位于北三采區的北翼，3304工作面東部(下側)，鄰近3304工作面布設，該工作面切眼鄰近DF143斷層，上下巷開門口位于三DF55斷層的上盤。3304工作面采空區沉降及三DF60、DF143斷層的存在將會引起礦壓變化，從而對該工作面的回采造成影響。工作面初采期間傾向長度210.6 m，回采期間傾向長度202.0 m，走向長度677.0 m。工作面主采煤層為3#煤層，工作面頂底板情況如表1所示。

表1 煤層頂底板情況

本工作面所處地段煤巖層整體賦存形態為走向北東、傾向南東的單斜構造。煤層傾角23°～27°,平均25°。工作面兩巷及切眼掘進期間，共計揭露斷層18條，均為正斷層，其中落差3.0 m以上的斷層9條，揭露的斷層構造詳見表2。

表2 工作面揭露斷層構造情況

2 工程實施方案

本次試驗設計走向探測范圍約600 m，激發端和接收端分別布置在工作面兩巷內，具體位置可根據現場條件確定。為提高射線密度和射線投影角度，獲得更高的探測精度，綜合考慮設備能力和探測目的，觀測系統參數如下：

工作面運輸巷采用20通道同時接收，檢波器孔間距12 m；回風巷布置炮孔，炮孔間距9 m，共激發20炮(放炮順序從切眼向外，回風巷1～20炮孔編號依次實施)，如圖1所示。另外，1號檢波器和回風巷1號炮孔至工作面的距離設定為距煤壁5 m。

圖1 3306工作面震動波主動CT實施方案布置

為保證收集數據的準確性，在試驗過程中，測區 300 m 范圍需停止工作面所有機械震動和較大噪音的工作，確保巷道無較大噪聲干擾。探測設備安裝完畢并調試后，現場人員不得隨意觸碰，以免對探測結果產生影響。若根據現場實際安全需要，振動噪音難以避免，如瓦斯抽放、風機運轉等，可以通過加大爆破藥量的方式提高收集數據的信噪比。

3 工程試驗結果及分析

本次試驗期間，信號采樣系統采樣頻率為2000 Hz，檢波器工作頻段為5～1200 Hz，采樣長度為5 s，激發炮孔裝藥 200 g，采用短斷觸發方式，每次激發共有 18 炮接收，現場實際激發 15 炮，共接收有效數據 270 道。試驗工作面的彈性波射線分布情況如圖2所示。由圖 2 可以看出，由于5個炮未被激發，射線覆蓋范圍不夠，回風巷出現了少量三角形反演盲區。

3306工作面CT反演分布如圖 3所示，波速分布范圍為 2970～3770 m/s。不同區域煤體的波速差異性反映了物理力學特性及應力狀態的差異性。

圖2 3306工作面射線分布示意圖

探測區域波速分布與常規礦壓理論中的工作面煤巖體應力分布趨勢差別較大，這主要源于工作面煤巖結構、斷層分布的復雜性。由圖3可以看出，工作面內斷層及采掘情況對應力分布產生重要影響，DF60斷層中間及兩側均出現了不同程度的應力集中區，2#切眼處的A、B區域受斷層影響，應力較大，經施工大直徑卸壓鉆孔后，該區域整體應力集中水平有明顯降低；2#切眼外回風巷 60～80 m、135～230 m范圍內分別為C、E區域，緊鄰巷幫下方區域有明顯應力上升，根據地面沉降觀測發現鄰近3304采空區地面出現最大1.7 m的沉降，說明該區域上覆巖層運移較為活躍，從而導致E區域應力上升明顯。2#切眼外運輸巷200～220 m 范圍為 D 區域，據分析發現此區域巷道埋深達到870 m，屬于深埋巷道，且附近存在有部分斷層構造，受上述因素影響，該區域存在局部應力集中現象。

圖3 3306工作面CT反演圖

一般而言，煤層結構復雜的區域容易形成應力集中，其層理、節理等弱結構分布密集，曲面多，變化大，結構面本身強度相對較低，極易發生滑移失穩，增大了沖擊危險性。低波速區域的煤層一般較厚且松散或含矸比例相對變小，開采時應及時支護頂板，防止工作面前片幫冒頂。波速明顯增高區域的煤層變薄或含矸比例增加，結構面更為發育，應力集中概率增大。

根據震動波主動CT反演的整體結果，綜合分析掘進擾動、構造、卸壓工程等因素的復合影響，在當前工作面受力條件下，3306 工作面回風巷的整體壓力普遍高于運輸巷，應力分布受斷層、采空區、卸壓、采動影響明顯；在新2#切眼外回風巷60～80 m、135～230 m范圍內應力集中明顯。

結合震動波主動CT探測結果，運用SOS微震監測系統對工作面微震事件進行監測，通過所收集的微震數據分析來看，3306工作面區域共監測到有效微震事件672次，微震總能量7.5×105J；能量大于104J震動事件3次，單次微震最大能量為6.07×104J，發生于2#切眼后35 m，震源標高為-863 m，該處煤層底板標高-845 m，煤層厚度7.5 m，震源位于距離煤層10.5 m左右的頂板巖層中。上述微震事件多發區域與此次反演結果中高應力分布區域比較吻合，說明震動波主動CT技術對于探測煤層高應力區域分布規律具有較好的適用性。

震動波主動CT技術探測得出的應力集中區在下一步的回采過程中可以采取頂板預裂爆破、煤體大直徑鉆孔卸壓以及煤體深孔爆破等技術針對性地采取卸壓措施，確保工作面安全生產。

4 結論

(1)通過震動波主動CT技術對3306工作面內應力分布進行的現場試驗結果來看，高波速區所處的位置分布存在斷層、煤層變薄或含矸比例增大等地質因素。

(2)微震集中分布區多處于震動波主動CT所顯示的煤層應力集中區域，說明該技術對于高應力集中區域的探測效果良好。

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