基于震動波CT反演的巷道掘進超前探測技術研究

桂 兵，李成海，劉體軍，王九紅，鄭有雷，鞏思園

1. 兗州煤業股份有限公司，山東 鄒城 273500；2. 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；3. 徐州弘毅科技發展有限公司，江蘇 徐州 221008 )

煤礦開采造成的礦山壓力問題與井下煤巖體應力條件之間存在緊密關系[1-2]，通過研究煤巖體的應力分布規律進而建立井下礦山壓力與礦山壓力顯現之間的聯系，是目前常用的研究手段之一。國內外學者通過大量試驗研究得出[3-6]，震動波波速隨著井下應力的增大而增加，而煤巖體處于高應力狀態時易誘發沖擊地壓。國內外學者通過研究主、被動源激發的震動波層析成像( CT )反演，先后在確定震源位置、分析高應力梯度區域和沖擊地壓危險區域以及探究波速異常變化與應力變化的關系進行了研究[7-11]，探究不同震源激發下震動波CT反演評價指標、沖擊地壓危險預警指標和判別標準的構建，研究成果均表明震動波CT反演用于探測井下沖擊危險或高應力區域是可行的[12-18]。但利用震 動波CT反演技術研究巷道掘進超前應力分布規 律的技術尚不成熟，且目前大部分CT反演技術的 反演周期長，本文基于震動波CT反演原理，提出1種實時監測井下震動波信號的巷道掘進超前探 測技術，通過CT反演技術對掘進工作面周邊的波速分布實時監測，進而反演分析其應力分布規律。通過該技術的研究及應用，對井下巷道安全掘進、生產以及預防掘進巷道沖擊地壓的發生具有重要意義。

1 震動波CT反演原理與計算

震動波CT反演主要分為主動波( 可控震源 )CT反演和被動波( 自然震源 )CT反演。對于主動波CT反演，根據已知的震源位置( 即人工擊打或放炮激發的震源 )，布置接收震動波信號的臺站，形成對采掘工作面封閉的波形穿透射線覆蓋，進而進行波速CT反演，如圖1( a )所示；而對于被動波CT反演，震源位置是未知的，一般為采掘活動引起的礦震，通過臺站接收采掘工作面區域內的礦震信號，形成對該區域的穿透射線覆蓋，再進行波速CT反演，如圖1( b )所示。

主、被動波2種反演形式均通過建立速度模型對震動波速度進行計算，而建立速度模型是為了使臺站接收震動波標記的到時時間理論計算值與井下實際值相同。其中，理論計算震動波到時時間的公式[19]為

式中，ti為震動波理論到時時間；t0為震源發生震動的時間；Γi為震動波傳播的第i條射線，i 取1，2，…，n，n為臺站數；S( x，y，z )表示某位置點( x，y，z )的慢度矢量值，其值等于1/v( x，y，z )，v( x，y，z )為速度矢量值。

SIRT算法( 聯合迭代重建技術算法 )是迭代算法中計算震動波波速較簡單、最有效的方法。通過建立三維網格速度模型，設置每個節點的速度，在三維網格中任意一個像元的速度值均由其周邊8個節點的速度值求得，從而創建含8個節點速度的三維模型，如圖2所示。

圖2 像元v( x，y，z )周邊8個節點速度示意 Fig. 2 Velocity diagram of 8 nodes around image element v( x，y，z )

按照以上三維速度模型，根據震動波CT反演的SIRT算法[19-20]，得出三維速度模型中像元v( x，y，z )的 速度求解公式為

式中，i，j，k表示三維坐標系上的單位長度。

按照式( 2 )計算震動波CT反演中的波速值，從而得出CT反演區域的震動波波速值，進一步分析反演區域的應力異常值。

2 巷道掘進超前探測技術及原理

2.1 掘進巷道超前應力探測技術

基于震動波CT反演原理與計算方法，研發出用于掘進巷道超前應力探測、沖擊地壓危險區域劃分以及危險程度評價的監測技術。其中，震動波CT反演技術主要適用于沖擊地壓礦井采掘工作面的局部應力監測，當工作面地質構造復雜、煤層含水率高以及鉆屑法和應力在線監測法不能正常使用時，多采用震動波CT反演技術對采掘區域的異常應力進行實時監測。

掘進巷道超前應力探測技術采用雙觸發機制實現雙源震動波信號( 即可控震源和自然震源 )的采集和分析，利用SIRT算法對震動波波速進行計算、反演，從而對掘進巷道區域實現大范圍、高分辨率和高效率的監測和應力反演分析，確定掘進巷道超前區域內的應力分布規律，劃分沖擊危險區域，以便及時有針對性地指導現場采取有效的防沖或防突措施。

另外，該技術主要包括地面和井下2部分，具體組成如圖3所示，其中井下設備主要包括監測分站、傳感器、光纖、不同型號的電纜和接線盒等。軟件系統由監測軟件和波速反演軟件2部分組成，其中波速反演軟件是震動波CT反演的重要部分。

圖3 巷道掘進超前探測技術的設備組成 Fig. 3 Equipment composition of advanced detection technology of roadway excavation

2.2 工作原理

( 1 ) 監測原理

井下震動信號通過傳感器將震動的機械信號轉換成電信號，經過處理，轉換成數字信號。同時，傳感器將震動數據進行編碼，發送到監測分站。監測分站接收多路傳感器的數據，加入時間同步形成文件，監測分站一方面存儲數據文件，另一方面將文件按照網絡協議進行編碼，通過井下光纖傳輸到地面用光端機，光纖中的光信號經地面用光端機轉換成以太網信號，最后傳輸到監測計算機，并存儲到指定文件以便后期使用。

( 2 ) CT反演原理

巷道掘進超前探測技術可分為主動源觸發和被動源觸發2種狀態，不同觸發狀態下的CT反演原理相同，區別在于針對不同震源監測前應更換不同的觸發狀態，然后再對震動波信號進行采集、存儲、處理直至進行CT反演。

針對不同震源觸發狀態下的波形進行分類儲存，同一震源下的波形信號會對采掘工作面形成高密度射線覆蓋，如圖4所示。其中，每個震源生成的波形均由軟件自動或人工進行到時標記與分析，波形到時標記如圖5所示，圖中紅色、藍色標記分別為震動波波形的起始時間和結束時間。相同震源下已標記好的大量波形數據，基于震動波CT反演原理和計算方法，劃分網格模型，執行SIRT波速算法，從而完成采掘工作面區域內震動波波速的CT反演，生成波速分布云圖。

3 掘進巷道超前探測技術應用及分析

3.1 試驗工作面概況

濟三煤礦十八采3下回風巷的北側是183下05工作面，平均埋深-805.95 m，“刀把”段寬度為214 m，“擴面”段寬度278 m，走向推進長度2 013.6 m。 3下煤層為該工作面主采煤層，該煤層主要煤質是亮煤，有少量暗煤，并夾含有鏡煤，煤層含有發育內生裂隙，斷口呈階梯型。3下煤厚度為1.90～5.54 m，平均煤厚4.24 m，傾角最大10°，平均3°。3下煤層與3上煤層間距為7.01～43.0 m，平均34.4 m，其中，183下05工作面局部鉆孔柱狀圖如圖6所示，煤層頂底板巖性特征見表1。

圖4 不同震源激發下射線覆蓋示意 Fig. 4 Schematic diagram of ray coverage under excitation of different seismic sources

圖5 震動波波形到時標記 Fig. 5 Mark of arrival time of vibration wave

183下05工作面膠帶運輸巷、輔助運輸巷均通過聯絡巷與十八采3下回風巷貫通，如圖7所示。其中，采用沿空掘進的輔助運輸巷，其凈煤柱寬為3.5 m。183下05工作面主要地質構造有背斜、向斜、斷層以及局部受沖刷煤層變薄等，其中斷層均為發育的正斷層，最大落差為5.0 m，工作面不受巖漿巖侵入影響且無陷落柱。

圖6 183下05工作面鉆孔柱狀圖 Fig. 6 Drilling histogram of 183 lower 05 working face

表1 183下05工作面頂底板巖性特征 Table 1 Lithologic characteristics of roof and floor of 183 lower 05 working face

3.2 方案設計及布置

( 1 ) 方案設計思路

為研究183下05工作面掘進巷道沖擊地壓危險超前探測技術，根據工作面地質資料以及相關采掘規程等，基于巷道掘進超前探測技術的工作原理，在183下05工作面膠帶運輸巷、輔助運輸巷、聯絡巷以及后期貫通后的開切眼位置布置傳感器，作為該技術監測183下05工作面及其掘進巷道發生震源的臺站。

目前，183下05工作面膠帶運輸巷即將掘進至開切眼位置，工作面開切眼未貫通，而183下05工作面輔助運輸巷掘進至距聯絡巷250 m左右。所以，若183下05工作面膠帶運輸巷已掘進至開切眼，并且開切眼也已貫通，而183下05工作面輔助運輸巷正在掘進，則以183下05工作面輔助運輸巷掘進工作面為中心點，在其周邊布置傳感器，形成包圍封閉的空間，對其包圍區域的震源、高應力分布以及沖擊地壓危險區域進行監測，方案設計原理如圖8所示，其中射線覆蓋密度越大區域，震動波CT反演結果越準確。

圖8 183下05工作面輔助運輸巷超前探測方案設計 Fig. 8 Design of advance detection scheme for auxiliary transportation in 183 lower 05 working face

另外，若183下05工作面開切眼未貫通，而183下05工作面膠帶運輸巷已掘進至開切眼位置，則在膠帶運輸巷中增加傳感器布置數量，尤其在超過輔助運輸巷掘進工作面的膠帶運輸巷范圍內加大傳感器布置密度。因傳感器布置密度加大，對輔助運輸巷掘進工作面周邊的震源形成大范圍的監測，從而使掘進工作面周邊形成一定程度的射線覆蓋，對巷道掘進工作面超前應力分布進行有效地監測與分析。

( 2 ) 臺網布置方案

為了配合183下05工作面巷道實際掘進工作進度，目前，在183下05工作面共布置8個傳感器，間距平均取100 m。其中183下05膠帶運輸巷布置4個傳感器，最后1個傳感器距離掘進工作面300 m左右，因中間有封閉墻暫時無法安裝；已掘進的聯絡巷布置2個傳感器，183下05輔助運輸巷實際布置2個傳感器，最后1個傳感器距離掘進工作面約50 m。具體實際布置情況如圖9所示。

3.3 183下05輔助運輸巷掘進CT反演及分析

圖9 183下05工作面輔助運輸巷技術方案布置 Fig. 9 Technical scheme layout of auxiliary transportation in 183 lower 05 working face

選取183下05工作面連續3 d采集的有效震動波數據進行處理，有效的波形數據達到72個，符合震動波CT反演的技術要求。其中，有效震源位置主要集中在183下05輔助運輸巷掘進位置周邊，工作面區域內震源射線覆蓋如圖10所示，圖中紅點代表傳感器臺站位置，藍點代表震源位置，紅框區域表示掘進工作面附近震源。其中該掘進工作面震源主要由于巷道掘進引起上覆巖層擾動，造成覆巖斷裂、破壞、下沉形成的。

圖10 183下05工作面震源射線覆蓋 Fig. 10 Seismic source ray coverage map of 183 lower 05 working face

( 1 ) CT反演及分析

基于震動波CT反演原理，根據已標記好的震動波到時時間( 圖5為標記好的波形 )以及CT反演所需的震源射線覆蓋區域圖( 圖10 )，采用SIRT算法，對傳感器接收震源的每條射線分別進行波速計算，從而得出射線覆蓋區域的震動波波速分布情況，并生成由不同顏色深淺表示波速大小的云圖，如圖11所示。通過對反演區域垂直方向( Z軸 )按照一定深度劃分不同切片，得出不同切片的波速反演云圖，其中圖11( a )是183下05工作面-826～-757 m水平的波速CT反演云圖，圖11( b )是-757～-658 m水平的波速CT反演云圖。

圖11 不同水平的震動波波速CT反演云圖 Fig. 11 Cloud image of CT inversion by vibration wave velocity at different levels

由圖11可知，183下05工作面在不同水平的震動波波速分布情況不同，其中-826～-757 m水平震動波波速大于5 km/s的區域較多，主要分布于183下05輔助運輸巷掘進工作面附近及其幫部周邊、183下05膠帶運輸巷實體煤幫附近以及斷層等地質構造帶附近，大于6 km/s的區域主要有3個( 圖中A，B，C區域 )；而-757～-658 m水平波速大于5 km/s的區域較少，主要靠近183下05輔助運輸巷掘進工作面后方20 m左右位置，無波速大于6 km/s的區域。

通過以上分析可知，由于183下05工作面平均標高為-773.3 m，平均埋深為805.95 m，所以以-826～ -757 m水平震動波波速分布情況作為該工作面CT反演的結果。根據震動波波速大小與應力大小之間存在正相關關系可知[1-2]，圖11( a )應力分布與波速分布情況相同，高應力區主要集中分布在183下05輔助運輸巷掘進工作面20 m范圍內靠近工作面內部( 圖中A區域 )、與輔助運輸巷掘進工作面位置相齊平的靠近183下05膠帶運輸巷實體煤幫( 圖中B區域 )以及斷層附近( 圖中C區域 )。而較大應力主要分布于183下05輔助運輸巷掘進工作面前后方約100 m范圍以及183下05膠帶運輸巷幫部位置。

( 2 ) 效果驗證

對于圖11( a )中183下05輔助運輸巷掘進工作面A區域，該礦為驗證該區域的高應力對此區域采取鉆屑法來觀察煤粉量以及動力現象，其中此區域的鉆屑技術布置方案及參數如圖12所示，監測鉆孔布置：鉆孔直徑42 mm，孔深10 m，間距10 m，孔距底板1.2 m，單排布置，鉆孔方向平行于煤層，垂直巷幫。

圖12 183下05輔助運輸巷工作面鉆屑監測布置 Fig. 12 Arrangement of monitoring the drilling cuttings in 183 lower 05 auxiliary transportation working face

通過觀察監測區域的煤粉量以及動力現象得出：監測A區域的煤粉量接近該礦掘進巷道的臨界指標值( 該礦臨界指標值取3.4 kg )，且鉆孔過程中出現卡鉆、吸鉆等動力現象，初步認為該區域屬于較高應力集中分布區，與該區域波速分布CT反演的結果相同( 即A區域波速大于6 km/s )，從而驗證了巷道掘進超前探測技術能成功探測掘進位置周邊的應力分布以及沖擊地壓危險區域，應用效果良好。因此，通過利用該技術對掘進巷道進行超前應力探測，該礦能及時做好卸壓工作，對掘進工作面制定防沖措施以及井下安全生產具有重要意義。

4 結 論

( 1 )基于震動波CT反演原理與計算方法，研發出1種沖擊地壓礦井掘進巷道超前應力探測技術，該技術采用雙觸發機制實現雙源震動波信號的實時監測，并利用巷道掘進工作面周邊震源形成對其高密度波速射線覆蓋，超前探測巷道掘進工作面異常應力，分析應力分布規律，確定高應力集中區以及沖擊危險區域。

( 2 )以濟三煤礦183下05掘進工作面為例，針對工作面開切眼是否貫通的2種情況，對輔助運輸巷掘進工作面超前應力探測分別提出針對性處理辦法，有效地對掘進工作面周邊震源實時監測，形成高密度射線覆蓋。根據震動波CT反演云圖，探測掘進工作面超前異常應力，分析應力分布規律。

( 3 )通過比較分析183下05工作面-826～-757 m水平震動波CT反演云圖，得出輔助運輸巷超前異常應力主要集中分布于掘進工作面超前20 m范圍以及斷層周邊，對該區域采用鉆屑法監測，根據煤粉量以及動力現象成功驗證該區域屬于高應力集中區，從而證明該技術能實時探測巷道掘進工作面周邊以及超前異常應力，確定沖擊地壓危險區域，應用效果良好。