地震CT透射技術(shù)在12220工作面上的應(yīng)用

胡強

摘 要：本文利用地震層析成像技術(shù)，對探測區(qū)域內(nèi)煤巖波速分布情況進行CT成像，然后根據(jù)應(yīng)力與地震波波速的對應(yīng)關(guān)系，確定煤巖應(yīng)力分布情況，最終根據(jù)區(qū)域高應(yīng)力分布情況制定針對性措施，保證礦井生產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞：微震;地震波;CT透射

中圖分類號：TD823.86文獻標(biāo)識碼：B文章編號：1003-5168（2018）29-0095-02

Abstract： In this paper， seismic tomography was used to CT image the distribution of coal and rock wave velocity in the detection area. Then， according to the corresponding relationship between stress and seismic wave velocity， the stress distribution of coal and rock was determined. Finally， the targeted measures were formulated according to the regional high stress distribution， ensured the safety of mine production.

Keywords： microearthquakes;seismic waves;CT transmission

沖擊地壓發(fā)生的根本原因是開采區(qū)域煤巖層應(yīng)力過高或開采擾動，因此對巖體內(nèi)部應(yīng)力分布進行分析是至關(guān)重要的。大量工程實踐表明，在致密完整、應(yīng)力集中的煤巖體內(nèi)，地震波波速較高;在疏松破碎、應(yīng)力松弛的煤巖體內(nèi)，地震波的波速較低;無異常區(qū)域煤巖體內(nèi)，地震波穿透速度相對穩(wěn)定。利用震動波運動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)，結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料對煤巖區(qū)域進行分析，可準(zhǔn)確得到煤巖體結(jié)構(gòu)特征及應(yīng)力狀態(tài)[1]。

1 工作面概況

12220工作面位于西二采區(qū)西翼，2～3煤軌道下山西側(cè)，北臨已回采的12200工作面下巷，西至礦區(qū)邊界斷層，南部為未開采的2～3煤實體。頂板為砂質(zhì)泥巖，地板為細(xì)砂巖粉砂巖互層。煤厚9～21.6m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸4～7層，均為泥巖，不穩(wěn)定。

2 試驗方案

本次探測采用的設(shè)備為PASAT-M型便攜式微震探測系統(tǒng)，根據(jù)綜合工作面實際情況及地震CT技術(shù)原理特征，決定對12220工作面超前支承壓力影響區(qū)域內(nèi)的煤巖體進行探測。綜合考慮現(xiàn)場施工條件及射線交差角度，確定在12220工作面下巷布置檢波器，在12220工作面上巷布置激發(fā)炮，設(shè)計走向控制范圍在超前工作面150m以內(nèi)，設(shè)計探測系統(tǒng)如圖1所示。

3 技術(shù)參數(shù)

本次探測實驗期間，設(shè)定PDA接收機采樣頻率為2 000Hz，檢波器工作頻段5～10 000Hz，增益40dB，采樣長度0.8s，激發(fā)孔內(nèi)每孔200g炸藥，為短斷觸發(fā)。每次激發(fā)有11個探頭同時接收數(shù)據(jù)，但后期發(fā)現(xiàn)第11號探頭接收波形混亂，故不參與反演計算;另外，此次實驗現(xiàn)場激發(fā)23炮，實際接收20炮，其中第2、3、4、8、14、17、18炮波形疑似受現(xiàn)場背景噪音干擾，導(dǎo)致初至?xí)r間模糊，標(biāo)波無效，故實際參與計算反演為13炮，所以共接收有效數(shù)據(jù)為10×13=130道。現(xiàn)場實際最大炮間距10m，最小炮間距6m，平均炮間距6.36m。實際最大道間距15m，最小道間距12m，平均道間距13.8m。下巷探測范圍138m，上巷探測范圍140m，平均139m。

4 試驗結(jié)果

本次探測實驗區(qū)域的波速反演分布圖如圖2所示，其中以藍(lán)色到紅色代表探測區(qū)域內(nèi)地震波波速，波速分布范圍為2 093～6 987m/s。不同區(qū)域煤體的波速差異性反應(yīng)了其物理力學(xué)特性及應(yīng)力狀態(tài)的差異性。

5 結(jié)果分析

5.1 總體分析概述

探測區(qū)域波速分布與常規(guī)礦壓理論中的煤巖體應(yīng)力分布趨勢差別較大，這主要源于該工作面實際煤巖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。特別值得注意的是，F(xiàn)16壓性逆沖斷層斜穿本工作面，上盤煤層不平整，局部煤層變薄;下盤煤層穩(wěn)定，在接近和進入F16斷層破碎帶后，煤層厚度變大，局部未見頂，在上巷現(xiàn)工作面前110～160m之間，下巷現(xiàn)工作面前386～426m之間形成巨厚煤層變化帶;F16斷層自南向北推覆，切穿2～3層煤層后，沿煤層頂板附近順層低角度滑動一定距離后，突然抬升，形成了弧形上翹。而底部煤層在F16斷層由南向北推覆過程中，未發(fā)生斷裂變動。煤巖層由破碎區(qū)向完整區(qū)域過度時，容易形成較高的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

5.2 危險區(qū)域劃分

從圖2波速CT成像結(jié)果可以明顯看出，整體波速異常區(qū)呈現(xiàn)以上巷前80m位置為基點，向下巷進行扇形輻射狀分布。按照波速大小將本次實驗區(qū)域內(nèi)的異常區(qū)進行劃分，并結(jié)合相關(guān)資料和現(xiàn)場實際條件，對異常形成原因進行分析推斷。根據(jù)所劃分的異常區(qū)域，對沖擊地壓發(fā)生的促進能力大小的各異常區(qū)定性歸類，可分為三個區(qū)域，即強沖擊危險區(qū)、中等沖擊危險區(qū)和弱沖擊危險區(qū)。

5.2.1 異常區(qū)Ⅰ。異常區(qū)Ⅰ位于12 220工作面上巷面前74～84m，下幫約35m范圍內(nèi)。其波速范圍為5 000～7 000m/s，最大波速為6 987m/s，為本次探測反演波速的最高值，且等值線分布密集，說明小范圍內(nèi)波速梯度變化明顯。分析原因有三點：第一，該區(qū)域?qū)?yīng)上巷巨厚煤層變化帶，受F16斷層自南向北推覆構(gòu)造應(yīng)力影響，在斷層面抬升上翹煤層內(nèi)形成應(yīng)力集中;第二，該異常區(qū)域位于F16逆沖斷層下盤臨近斷層，受到回采超前支撐壓力影響，形成局部高應(yīng)力集中;第三，該異常區(qū)域受上部采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響。上述三方面原因?qū)е略撎帒?yīng)力集中程度顯著增加，從而波速出現(xiàn)異常高值，因此判定為強沖擊危險區(qū)。

5.2.2 異常區(qū)Ⅱ。異常區(qū)Ⅱ位于12220工作面上巷面前68～74m和84～90m，下幫35～70m范圍內(nèi)。其波速范圍為4 000～5 000m/s。該異常區(qū)波速較Ⅰ區(qū)普遍降低1 000m/s，呈“C”型分布，區(qū)域范圍較Ⅰ區(qū)有所增大，但等值線密集程度有所降低，說明波速梯度變化減緩。相比異常區(qū)域Ⅰ，由于遠(yuǎn)離上部采空區(qū)，受采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響減小，應(yīng)力集中程度較低，但由于該區(qū)域位于F16逆沖斷層下盤臨近斷層，因而也判定為強沖擊危險區(qū)。

5.2.3 異常區(qū)Ⅲ。異常區(qū)Ⅲ基本覆蓋工作中下部大部分區(qū)域，其波速范圍為3 000～4 000m/s。該異常區(qū)范圍最大，主要受煤層上覆巖層自重應(yīng)力和工作面超前支承壓力疊加作用影響，超前支承壓力基本穩(wěn)定，因此等值線分布最為平緩，表明波速梯度變化較為均勻，反映煤體中應(yīng)力分布近似各向同性，故判定為中等沖擊危險區(qū)。

6 結(jié)論

本文利用地震CT技術(shù)對12220工作面前方150m范圍內(nèi)煤巖體進行沖擊危險性探測，共劃定3個異常區(qū)，其中2個為強沖擊危險區(qū)，1個為中等沖擊危險區(qū)，并標(biāo)定了各危險區(qū)的分布范圍。探測完成后，在強沖擊危險區(qū)應(yīng)設(shè)置警示標(biāo)牌，嚴(yán)格限制作業(yè)人數(shù)，并加大綜合卸壓力度，切實保證巷道支護強度，保障生產(chǎn)安全;對中等沖擊危險區(qū)應(yīng)進行密切監(jiān)測與動態(tài)分析，準(zhǔn)確把握其沖擊危險性發(fā)展趨勢，為安全生產(chǎn)提供決策依據(jù)。同時，生產(chǎn)期要做好下巷封閉管理，切實履行“生產(chǎn)不修護、修護不生產(chǎn)”制度，工作面超前150m范圍內(nèi)要加強支護與沖擊地壓管理力度，區(qū)域作業(yè)人員必須穿戴防沖頭盔和背心等防沖裝備，確保礦井生產(chǎn)安全。

參考文獻：

[1]姚剛，曹懷軒，譚文鋒，等.東灘煤礦便攜式微震探測系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].煤礦現(xiàn)代化，2018（3）：89-92.