基于地震CT探測的小莊礦工作面沖擊危險性評價及防治

昝軍才 陳跟馬 高永剛 賈增林 盧 科

(1.陜西彬長小莊礦業有限公司，陜西省咸陽市，713508；2.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京市朝陽區，100013)

沖擊地壓本質上是由于開采及地質條件下煤巖體應力的過度集中所引起，因此，對煤巖體應力分布的研究是評價沖擊危險性的基礎。目前，礦壓監測方法主要有巖石力學方法和地球物理學方法，前者現場常用的包括鉆屑法和煤體應力監測法，后者有微震法、聲發射法和電磁輻射法等。近年來，隨著物探技術的快速發展，應用領域也不斷擴大，利用地震CT探測技術探明沖擊危險源分布特征及危險程度已較為普遍。

本文基于震波CT探測技術，進行小莊煤礦40204工作面的沖擊危險性評價，探明了小莊煤礦40204工作面沖擊危險性區域，劃分危險等級，并分析了導致沖擊危險性升高的原因。根據探測結果，有重點地開展煤層爆破卸壓措施，提升了沖擊地壓防治效率與效果。

1 地震CT探測技術

1.1 基本原理

地震CT(地震波層析成像技術)主要根據地震波走時或地震波場觀測數據對地球介質進行反演，獲取探測區域內部介質的波速或衰減系數等，依據一定的物理和數學關系反演物體內部物理量的分布，最后得到清晰的、不重疊的分布圖形，從而識別探測區域內部的結構及力學性質。當把介質劃分為一系列小矩形網格時，可以通過一個高頻近似走時成像的公式表示：

(1)

式中：ti——第i條射線的觀測走時，ms；

sj——第j個網格的慢度，ms/m；

dij——第j條射線在第i個網格中的射線路徑長度，m。

1.2 探測設備

探測設備為波蘭引進的24通道PASAT-M型便攜式微震探測系統。該系統具有體積小、重量輕、施工方便等特點。配備的檢波器運用壓電式原理，具備精度高、響應頻譜寬(5～10000 Hz)等優點，有效避免了因響應頻率過窄而造成的震波數據丟失問題。

1.3 數據處理

在震動波傳播過程中，傳播方向上的應力、質點速度和波速間的關系如下所示：

式中：σ——縱波作用產生的正應力，MPa；

τ——橫波作用產生的剪應力，MPa；

ρ——介質密度，kg/m3；

νp、νs——縱、橫波引起的質點震動速度，m/s；

VP、Vs——縱、橫波波速，m/s。

對于探測范圍內的煤巖體，波速相對較高區域一般分布于致密完整的煤巖體處、應力集中以及煤層變薄區域；波速較低區域主要分布在破碎煤巖體處、應力松弛區。也就是說，對探測范圍內的煤巖層，若內部無異常區域，地震波的傳播速度應是近似均勻的，只有當有應力異常或地質結構存在時，該區域將在反演結果中表現出波速的異常。

2 探測區域概況

40204工作面位于小莊礦二盤區，東西走向布置，南鄰40203工作面采空區，北面為實體煤。工作面走向長1801 m，寬195 m，面積351195.5 m2，煤層埋深約為520～690 m。該工作面主采4#煤層，區域內煤層賦存較為穩定，厚度為21～23.5 m，煤層北厚南薄。老頂為粗砂巖、含礫粗砂巖，厚約7～8 m，厚層狀，屬半堅硬類較穩定型。直接頂主要為黑色砂質泥巖，厚約8 m。直接底主要為泥巖，致密塊狀，厚度約3～4 m。該工作面煤層產狀呈單斜構造，工作面內地層產狀較為穩定，傾向近北方向，傾角約3°～4°。

3 實際探測系統布置

綜合考慮二盤區40204工作面動力顯現區域分布情況及周圍開采環境，并根據現場實際情況和設備探測能力，將40204工作面分為4個區域進行探測，每個區域的探測長度約為408 m，已完成1#、2#和3#區域的探測。在這3個區域共計實施激發震源223炮，獲得震波數據4743道。回風巷探測范圍約為1258 m，運輸巷探測范圍約1219 m，探測面積約241455 m2。試驗過程中設定采樣頻率為2000 Hz，檢波器工作頻段5～10000 Hz，增益40 dB，采樣間隔為0.6 s，激發孔每孔200 g炸藥，短斷觸發。40204工作面探測區域實際觀測系統布置及射線模擬如圖1和圖2所示。

圖1 40204工作面探測區域實際觀測系統布置圖

圖2 40204工作面探測區域射線模擬效果圖

4 數據質量評價

40204工作面1#探測區域部分實測地震波形數據如圖3所示。從波形上看，同相軸連續性較好，波形數據初至位置明顯，基本滿足拾取初至波的要求。

圖3 1#探測區域部分地震波形數據(1-115道)

40204工作面1#探測區域震波數據的散點圖見圖4，從圖4中可以看出，散點擬合度高，可決系數達到0.9864。表明整體上煤巖體完整性高，頂底板縱波平均波速約為3.17 m/ms。

圖4 40204工作面1#探測區域震波數據散點圖

5 工作面探測區域沖擊危險性分析

5.1 煤巖層沖擊危險區域劃定

40204工作面探測區域沖擊危險性指數分布圖見圖5，圖中以藍色到紅色從小到大來代表探測區域內沖擊危險性指數，區域內最大值為0.75，最小值為0。從圖中可見測區內的煤巖體總體上處于弱沖擊危險等級。

根據圖5沖擊危險性指數分布情況劃分40204工作面探測區域煤巖層沖擊危險區域，結果如圖6所示，分別用紅色、橙色、黃色陰影線表示具有強、中等、弱沖擊危險的區域，并標出走向尺寸。

5.2 巷道沖擊危險劃定

40204工作面沖擊危險區域及危險等級的判定是沖擊地壓危險性評價的重點。根據現場探測煤巖體沖擊危險區域分布情況及其與巷幫間的距離，劃定了40204工作面探測區域巷道沖擊危險區域，如圖7所示，沖擊危險等級劃分為：ⅲ-1、ⅲ-2、ⅲ-3、ⅲ-4為中等，ⅱ-1、ⅱ-2、ⅱ-3、ⅱ-4、ⅱ-5、ⅱ-6、ⅱ-7、ⅱ-8、ⅱ-9為弱。

40204運輸巷無強沖擊危險區域；中等沖擊危險區域有3處，位置為距工作面0～52 m范圍、433～495 m范圍、1128～1172 m范圍；弱沖擊危險區域有3處，位置為距工作面52～238 m、332～433 m、1003～1102 m范圍。

40204工作面無強沖擊危險區域；中等沖擊危險區域有1處，位置為距膠帶巷端頭0～88 m范圍；無弱沖擊危險區域。

40204回風巷無強沖擊危險區域；無中等沖擊危險區域；弱沖擊危險區域有6處，位置分別為距工作面0～59 m、92～141 m、200～255 m、268～359 m、657～676 m、862～908 m范圍。

5.3 沖擊危險區域形成原因分析

40204工作面沖擊危險區域多分布于運輸巷一側。在相鄰40203工作面回采后局部采空區上部存在懸頂，在采空區外側形成支承壓力區，28.6 m寬的階段煤柱的留設使得40204運輸巷處于側向支承壓力的影響，導致其應力水平有所升高。但由于不同區域40203工作面采空區上頂板垮落情況不同，所以危險程度有所差異。探測期間，40204工作面剛好回采至40203工作面采空區切眼“拐角”煤柱附近，受“拐角”煤柱和工作面超前支承壓力的疊加影響，40204運輸巷前方52 m具有中等沖擊危險，且沖擊危險性強于回風巷的工作面超前區域。隨著工作面推進將會不斷前移，當與其他沖擊危險區域重疊時，沖擊危險性將進一步升高。但40204工作面回采進入至40203采空區后，無“拐角煤柱”的影響運輸巷的沖擊危險性則會有所降低。

圖5 40204工作面探測區域沖擊危險性指數分布圖

圖6 40204工作面探測區域煤巖沖擊危險區范圍

圖7 40204工作面探測區域巷道沖擊危險區范圍

6 卸壓措施

依據地震CT探測結果，有針對性地在沖擊危險程度不同的區域內開展卸壓工程，在40204工作面運輸巷兩幫采取爆破卸壓措施，爆破卸壓措施示意圖見圖8。其中，炮孔間距3 m，孔深12 m，裝藥4 kg。為保證施工安全，幫部卸壓區域超前工作面300 m以上。

在沖擊危險性強的區域，通過加大爆破鉆孔密度、深度以及增加藥量達到預期效果。因此不僅減少了施工量，而且卸壓效果更為顯著。目前該工作面已經順利回采800 m。

圖8 爆破卸壓措施示意圖

7 結論

(1)基于沖擊危險性評價模型判斷得出，在探測期間，40204工作面探測區域內的煤巖層總體處于弱沖擊危險等級。

(2)40204運輸巷無強沖擊危險區域，中等沖擊危險區域有3處，弱沖擊危險區域有3處。40204工作面無強沖擊危險區域，中等沖擊危險區域有1處，無弱沖擊危險區域。40204回風巷無強沖擊危險區域，無中等沖擊危險區域，弱沖擊危險區域有6處。

(3) 由于受到40203工作面回風巷一側28.6 m寬階段煤柱及其上部堅硬老頂的影響，導致40204工作面沖擊危險區域多分布于運輸巷一側，而回風巷側沖擊危險區域的面積要小得多。

(4)采空區側向支承壓力、工作面超前支承壓力以及相鄰采空區切眼附近“拐角”煤柱的影響是40204工作面沖擊危險性升高的主要原因。隨著工作面的推進，超前支撐壓力區遷移與其他沖擊危險區域疊加，將加重沖擊危險程度。根據探測結果有重點地開展卸壓措施，提升了沖擊地壓防治效率與效果。