震動波CT反演應用在沖擊礦壓預測預警的案例研究

高輝

（陜西華電榆橫煤電有限責任公司 陜西 榆林 719015）

1 序言

今年來隨著我國煤炭開發向西部轉移，西部的陜西省不斷有新的沖擊礦壓礦井出現，較多礦井受到沖擊礦壓的影響。因此有效監測沖擊礦壓前兆信息成為預防該災害的關鍵。目前在沖擊礦壓危險的監測預警方法上主要有：鉆屑法監測、應力在線監測、微震監測等。其中微震監測為區域監測方法，可以監測一段時間內某一區域的微震事件發生情況，進而對下一時段該區域的沖擊危險性作出預測，本文基于微震監測介紹了震動波CT反演在沖擊礦壓預測預警的研究。

2 工程背景

小紀汗煤礦主采2號煤，煤層可采厚度0.80 m～8.64 m，平均3.43 m，煤層埋深在400 m左右，煤層平均傾角0.7°，煤層直接頂板以泥巖、粉砂質泥巖為主，次為中-細粒長石砂巖，少量炭質泥巖，直接底板為泥巖、粉砂質泥巖，次為泥質粉砂巖、粉砂巖、細粒長石砂巖。2號煤層設計采用長壁綜合機械化采煤法，各區域均采用全部垮落法管理工作面頂板。2018年2號煤層沖擊危險性評價結果為局部區域為弱沖擊危險，11219工作面為礦井主采工作面，存在一側采空情況，如圖1所示。為礦井安全生產，礦方在沖擊礦壓的監測、預警、防治加大投入，配備了SOS微震監測系統，為工作面安全生產提供可靠的數據支撐，礦井2020年7月微震監測系統顯示11219工作面微震事件發發生的能量和頻次顯著升高，為明確數據異常原因，服務礦井安全生產，礦方對11219工作面7月微震事件進行震動CT反演。

圖1 11219工作面布置

3 微震CT反演技術原理

由于煤巖體中波速與應力存在正相關關系[1-3]，故通過震動波CT反演得到探測區域的波速場，從而反應該區域應力場。該方法利用開采引起的微震事件結合井下或地面安置的震動臺站，根據臺站與震源之間的距離L和臺站接收到的初至時間T來反演“臺站-震源”空間包絡區域的波速分布[4-7]V（x,y,z），探測示意如圖2所示。

圖2 震動波CT探測示意圖

震動波在走時成像情況下以射線的形式在探測區域內部介質中傳播，反演前，首先精確計算震源位置，然后選取探測目標區域的震源事件及其對應目標區域附近震動臺站上標記的初至時間（P波初至或S波初至）作為反演原始數據，隨后將“臺站-震源”包絡的空間區域介質劃分為一系列小矩形網格，最終通過一個高度近似進行反演，其公式為：

式中，Ti為震動波旅行時間，s；Li為第i個震動波的射線路徑；V(x,y,z)為震動波傳播速度，m/s；S(x,y,z)=1/V(x,y,z)為慢度，s/m；dij為第i個震動波的射線穿過第j個網格的長度；N為射線總數；M為網格數量。矩陣形式如下：

式中，T為震動波旅行時間列向量（N×1）；S為慢度列向量（M×1）；D為射線長度矩陣（N×M）。通常，式（4）是一個欠定或超定方程組，求解此類方程組的有效算法一般是迭代算法。目前，大多數引用的迭代算法為SIRT算法。

4 微震CT反演實施

4.1 微震臺網優化布置

工作面開采后，在工作面周圍合理布置微震監測探頭，形成對工作面的有效包圍，從而能夠提高定位精度，并保證工作面范圍內CT反演能夠擁有合理的射線覆蓋密度，如圖3所示。選取用于微震CT計算的微震監測數據，基于最佳定位通道個數選取原則，對震動信號進行定位計算優化，以保證獲得高精度的反演結果。

圖3 微震CT反演設計

礦井采用設備為高精度微震監測設備，目前小紀汗礦常用的是SOS微震監測系統。根據小紀汗礦現場實際情況，采用SOS微震監測系統監測的微震數據。在工作面周圍（重點解析反演區域）合理布置微震監測探頭，形成對工作面的有效包圍，從而能夠提高定位精度，并保證工作面范圍內CT反演能夠擁有合理的射線覆蓋密度。小紀汗煤礦11219工作面周圍臺站布置如圖4所示。

圖4 小紀汗煤礦11219工作面臺站布置

4.2 數據篩選

根據現場實際狀況，選取用于微震CT計算的微震監測數據，時間周期為一個月，來源數據包括爆破事件數據和正常煤炮事件數據。其區別是前者震源位置已知，在一定程度上能夠提高反演結果的精度；后者震源位置未知，必須通過各臺站的震動波到時進行計算，導致計算的震源位置與實際位置存在一定的偏差，對層析成像結果有一定影響，但是微震事件的能量通常比人工炸藥高很多，從而能夠激發距離監測區域較遠的微震探頭，進而擴大了研究區域范圍，在一定程度上能夠增加射線的覆蓋密度。另外，由于采礦活動的一直進行，且微震一直伴隨產生，于是利用微震產生的震動波進行層析成像技術是長期和可行的。綜合兩者的優勢，于是可同時選取兩種類型的波形數據，并針對爆破事件選取波形清晰，對于正常煤炮事件選取大能量且波形清晰的數據。

4.3 小紀汗煤礦11219工作面反演模型建立

選取11219工作面回采區域自2020年7月1日至2020年7月30日期間由SOS微震監測記錄到的微震數據進行微震CT反演分析。該時間段內共記錄到微震事件200個，根據定位波形選取原則，選取適合微震CT反演計算的微震事件141個，共形成射線767條。其中，射線數目越多，反演范圍越小，則反演結果精度越高。

建立微震CT反演計算模型時，應根據反演時段內選擇的震動數據與臺站形成射線的覆蓋范圍來確定；為保證網格內有足夠多射線覆蓋密度以及較高反演精度，微震CT反演計算模型網格劃分既不能太大也不能太小。本次反演采用不等間距網格劃分，并根據區域內射線密度的大小，自動調整網格劃分密度，對于射線越密集區域，網格劃分越密集，從而確保計算精度。上述過程均采用CMAT軟件計算實現，最終可得到如圖5所示的震動傳播時間與震源到探頭距離的函數關系、波速統計直方圖、網格劃分參數、以及反演運行的參差監控曲線。

圖5 小紀汗煤礦微震CT反演計算參數

4.4 微震CT反演結果及可靠性分析

反演計算完成后，需選取一個剖面分析波速分布情況來判斷各區域的沖擊危險情況。受反演區域范圍、震動事件空間分布以及反演區域與震動事件的相對位置關系影響，各反演時段內的震動波層析成像模型不盡相同，模型在垂直方向上劃分網格層數及水平標高也不同；受微震空間分布影響，各層的射線覆蓋密度大小不同，射線覆蓋密度越大，反演結果的可靠性越高，反之，越低。因此，需要對反演時段內各層的射線覆蓋密度進行統計分析，從中選出射線覆蓋密度最高、射線覆蓋范圍最廣的一層作為沖擊危險分析的對象。

根據微震CT反演結果獲得如圖6（a）所示的同時段不同層位射線覆蓋密度云圖。由圖可知，根據11219工作面為近水平工作面且標高約為823 m的實際賦存情況，選取該工作面810 m、826 m、840 m不同水平剖面的射線覆蓋密度云圖作為對比，并設置最少射線數為10的臨界條件對所有層位進行白化處理，得到如圖6（b）所示的可靠性評估反演結果。可以看出，826 m剖面射線密度最大，故反演選取826 m水平進行沖擊危險性分析，同時826 m水平不但可靠性高，而且距煤層層位最近，最能反映煤層真實應力分布情況。

圖6 反演結果可靠性評估

4.5 微震CT反演結果分析

如圖7所示為2020年7月1日至2020年7月30日期間反演獲得的11219工作面826 m水平的縱波波速分布以及波速異常值變化。由圖可以推測，工作面開采擾動影響的超前范圍約為300 m，且回風巷一側工作面前方100 m~300 m波速集中、膠運一側工作面前方100 m~200 m波速集中，為當前主要的沖擊危險區，針對該沖擊危險區域建議合理控制開采速度，加強危險區監測、卸壓處理及防沖管理。并用7.16~7.20日的微震數據進行驗證，如圖8所示，該時段微震大多落在前一時段CT反演預測區域內。驗證該方法的有效性。

圖7 11219工作面反演結果

圖8 11219工作面7.16~7.20微震數據定位圖

5 結論

本文結合小紀汗煤礦現場介紹了微震CT反演技術基本原理，包括微震CT的基本概念、實施步驟。根據現場實際制定了小紀汗煤礦微震CT反演的臺網優化布置、現場實施方案、實施步驟、注意事項及反演計算流程。以小紀汗煤礦11219工作面的微震監測數據為基礎，開展實施了微震CT反演探測，CT反演結果顯示的高應力區和現場實際的礦壓顯現相吻合，驗證該技術的科學有效性，為后續的安全生產提供技術支持。