基于地震槽波與縱波的采煤工作面高應(yīng)力區(qū)探測(cè)技術(shù)

姚小帥 ，金明方 ，蔣 亭 ,3 ，張萬(wàn)鵬

（1.河南能源集團(tuán)研究總院有限公司，河南 鄭州 450000；2.貴州能發(fā)高山礦業(yè)有限公司，貴州 畢節(jié) 551700；3.永貴能源開發(fā)有限責(zé)任公司 新田煤礦，貴州 畢節(jié) 551700）

隨著煤礦生產(chǎn)向深部延伸、開采強(qiáng)度加大，沖擊地壓、煤與瓦斯突出及頂板事故等煤巖動(dòng)力災(zāi)害日益嚴(yán)重[1-2]。其中，沖擊地壓以其發(fā)生突然、過程劇烈、破壞力巨大的特征嚴(yán)重威脅著煤礦安全生產(chǎn)，容易造成重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。1960年1 月20 日，南非Coalbrock North 煤礦發(fā)生沖擊地壓，死亡432 人，破壞面積達(dá)300 萬(wàn)m2。世界上20 多個(gè)國(guó)家的礦山曾發(fā)生過沖擊地壓災(zāi)害。我國(guó)是礦山開采受沖擊地壓危害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，存在沖擊地壓的礦井已達(dá)100 多個(gè)。義馬煤田是受沖擊地壓威脅最嚴(yán)重的地區(qū)之一[3]，截至目前，已累計(jì)發(fā)生較明顯的沖擊地壓事件100 多起，累計(jì)損壞巷道數(shù)千米，多次造成人員傷亡，經(jīng)濟(jì)損失巨大。嚴(yán)重的沖擊地壓災(zāi)害迫使礦井加大了沖擊地壓防治工作的安全投入，推高了原煤生產(chǎn)成本，擠壓企業(yè)生存空間，甚至沖擊地壓嚴(yán)重礦井瀕臨關(guān)井。

沖擊地壓是一種具有復(fù)雜性、突發(fā)性和很強(qiáng)破壞性等特點(diǎn)的典型煤巖動(dòng)力災(zāi)害之一，往往由地質(zhì)及采礦因素綜合作用引起煤巖體應(yīng)力集中造成[4]。一般認(rèn)為，地應(yīng)力高的區(qū)域容易發(fā)生沖擊地壓。因此，從地應(yīng)力角度對(duì)工作面沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行分析，圈出沖擊地壓高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，探測(cè)采煤工作面煤巖體高應(yīng)力分布對(duì)預(yù)測(cè)沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。地應(yīng)力測(cè)量方法近10 種，其中在地應(yīng)力測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用的方法有水壓致裂法[5-6]、空心包體法[7]、鉆孔應(yīng)力解除法、聲發(fā)射法[8]、在線應(yīng)力監(jiān)測(cè)法、應(yīng)力恢復(fù)法、鉆屑法和地震縱波法。除地震縱波外，這些方法有效探測(cè)區(qū)域?yàn)辄c(diǎn)狀，局限在鉆孔附近，作用范圍小，難以反映整個(gè)工作面的應(yīng)力分布。而采用地震透射方法，利用地震波速的分布預(yù)測(cè)測(cè)區(qū)應(yīng)力分布是一種較為可行的物探方法；以往這方面的研究較少且多針對(duì)巖體，研究的手段也比較單一，且由于物探存在多解性使研究成果的準(zhǔn)確性不足。為了深入探究采煤工作面所在區(qū)域的高應(yīng)力分布，通過研究煤樣和巖樣在單軸壓縮下的縱波速度變化規(guī)律，從而得到依據(jù)縱波速度解譯采煤工作面應(yīng)力分布的理論支持；另外，地震槽波是一種僅在煤層傳播的地震波，近幾年在工作面構(gòu)造[9-10]、煤厚[11-12]探測(cè)方面廣泛應(yīng)用，故將槽波也用于工作面應(yīng)力探測(cè)，聯(lián)合地震縱波更好地探測(cè)采煤工作面高應(yīng)力區(qū)分布。

1 煤巖樣單軸壓縮試驗(yàn)

在某沖擊地壓采煤工作面分別制備了頂板和煤層的φ50 mm×100 mm 標(biāo)準(zhǔn)圓柱形作為單軸壓縮試樣。采用能夠承壓的傳感器，然后把試樣放置在收、發(fā)傳感器之間，傳感器與試樣端面之間涂抹耦合劑，通過自動(dòng)加壓設(shè)備自動(dòng)控制加載速率，開展加載條件下的波速測(cè)試。

1.1 單軸加載下的縱波速度變化規(guī)律

通過巖樣在單軸加載方式下進(jìn)行縱波波速實(shí)驗(yàn)，在塑性變化前采用軸向荷載控制，不斷進(jìn)行單軸壓縮直至煤巖塊破碎，根據(jù)期間采集的應(yīng)力和縱波波速數(shù)據(jù)，繪制的應(yīng)力σ和縱波波速vS關(guān)系圖如圖1。

圖1 巖樣單軸壓縮下縱波速度與應(yīng)力的關(guān)系Fig.1 Relationship between P-wave velocity and stress of rock sample under uniaxial compression

試驗(yàn)結(jié)果表明：在彈性變形前期，煤樣處于壓密階段，縱波由初始波速快速增加，增幅較大，此階段在載荷作用下煤樣中裂隙逐漸閉合、顆粒間接觸更加緊密，孔隙率迅速降低；在彈性變形后期，隨荷載增加，煤樣孔隙密度的變化量相比前期變小，造成波速增加的幅度減小，但波速仍持續(xù)加快；荷載繼續(xù)增加，接近塑性變形時(shí)，巖樣內(nèi)裂隙產(chǎn)生并逐漸遭受破壞，波速增幅漸趨于0，縱波波速無(wú)明顯變化[13]。整體上看，在煤樣彈性階段縱波波速隨應(yīng)力增加而增加，雖不是標(biāo)準(zhǔn)線性關(guān)系，但煤巖塊在單軸加載方式下地震波速與應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系。

大量的工程實(shí)踐也表明：對(duì)于具有沖擊地震危險(xiǎn)性的采煤工作面而言，波速相對(duì)較高的區(qū)域一般分布在致密完整的煤巖體處和應(yīng)力集中區(qū)；波速較低區(qū)域主要分布在疏松破碎的煤巖體處。對(duì)整個(gè)勘探范圍而言，若內(nèi)部無(wú)異常區(qū)域，地震波的速度分布應(yīng)是相對(duì)均勻的，當(dāng)有應(yīng)力異常或地質(zhì)構(gòu)造存在時(shí)，該部分區(qū)域?qū)⒃诜囱莩晒斜憩F(xiàn)為高速異常。可見，高的縱波速度一般表征高的應(yīng)力集中程度。

1.2 單軸加載下的槽波速度變化規(guī)律

槽波是一種在煤層中激發(fā)、形成和傳播的地震波。由于煤層和頂?shù)装鍑鷰r呈現(xiàn)“兩硬夾一軟”的地層結(jié)構(gòu)，加之煤層和圍巖的波阻抗值差別大，符合產(chǎn)生全反射的條件，故在煤層中激發(fā)的體波經(jīng)頂?shù)捉缑娴亩啻稳瓷浔唤d在煤層及其鄰近的巖石中，在煤層中相互疊加、干涉，形成槽波[14-15]。槽波是干涉面波，其速度與煤層和圍巖速度緊密相關(guān)。當(dāng)工作面應(yīng)力變化時(shí)，煤巖層橫波速度隨之發(fā)生變化，槽波速度也產(chǎn)生變化。

1.2.1 橫波速度與應(yīng)力關(guān)系

煤巖塊在單軸加載方式下采用軸向荷載控制，在塑性變化前不斷進(jìn)行壓縮直至煤巖塊破碎，根據(jù)期間采集的應(yīng)力和橫波速度數(shù)據(jù)，繪制的煤巖塊應(yīng)力和橫波速度關(guān)系圖如圖2、圖3。

圖2 巖樣單軸壓縮下橫波速度與應(yīng)力的關(guān)系Fig.2 Relationship between shear wave velocity and stress of rock sample under uniaxial compression

圖3 煤樣單軸壓縮下橫波速度與應(yīng)力的關(guān)系Fig.3 Relationship between shear wave velocity and stress of coal sample under uniaxial compression

試驗(yàn)結(jié)果表明：在單軸壓縮下的彈性階段，煤巖塊軸向橫波速度隨著應(yīng)力增加而升高，直至煤巖塊遭受破壞，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，波速迅速下降；在煤巖塊彈性階段，橫波速度與應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系。對(duì)于采煤工作面而言，當(dāng)有高應(yīng)力異常時(shí)，該部分區(qū)域煤層和巖層的橫波速度雖不同，但都表現(xiàn)為相對(duì)高速。

1.2.2 槽波速度與應(yīng)力關(guān)系

對(duì)于煤系地層，槽波僅在煤層中發(fā)育、傳播，煤層中槽波頻散方程如式（1），其速度與煤層和圍巖的橫波速度緊密相關(guān)。

式中：f為頻率，Hz；c為勒夫型槽波的相速度，m/s；υ1、υ2分別為圍巖和煤層的橫波速度，m/s； ρ1、 ρ2分別為圍巖和煤層的密度，g/cm3；n為頻散階數(shù)；hc為煤厚，m。

當(dāng)工作面煤層地應(yīng)力分布呈正常狀態(tài)，無(wú)額外載荷時(shí)，根據(jù)應(yīng)力與橫波速度的關(guān)系，設(shè)圍巖橫波速度1 300 m/s、煤層橫波速度650 m/s，根據(jù)式（1）計(jì)算得到的特定煤厚的槽波頻散曲線如圖4。曲線極點(diǎn)處為埃里震相，其能量在槽波所有成分中屬最強(qiáng)，是槽波頻散曲線的特征震相[16-17]，圖中顯示在此正常應(yīng)力狀態(tài)下的槽波埃里相速度為521 m/s。

圖4 正常應(yīng)力條件下槽波頻散曲線Fig.4 Dispersion curve of slot wave under normal stress condition

當(dāng)工作面受采礦因素干擾，應(yīng)力異常積聚時(shí)，根據(jù)應(yīng)力與橫波速度的關(guān)系，此時(shí)煤巖層橫波處于高速狀態(tài)，設(shè)圍巖橫波速度2 200 m/s、煤層橫波速度1 200 m/s，根據(jù)式（1）計(jì)算得到的特定煤厚下的槽波頻散曲線如圖5。在此高應(yīng)力狀態(tài)下的槽波埃里相速度為1 029 m/s。

圖5 高應(yīng)力條件下槽波頻散曲線Fig.5 Dispersion curve of slot wave under high stress condition

以上計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，正常應(yīng)力條件下槽波埃里相速度為521 m/s；高應(yīng)力條件下槽波埃里相速度為1 029 m/s。說(shuō)明隨著工作面應(yīng)力增大，槽波埃里相速度相應(yīng)升高，槽波埃里相速度與應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系。

1.3 CT 層析成像

CT 層析成像技術(shù)是將槽波或者縱波走時(shí)轉(zhuǎn)化為速度分布的核心方法，主要根據(jù)拾取地震波速度進(jìn)行反演獲取探測(cè)區(qū)域波速分布的一種方法。地震波在地層中傳播時(shí)，地震射線的走時(shí)是幾何路徑和速度v(x，y)的函數(shù)，對(duì)于第i條射線，若射線的走時(shí)為ti，則有下列積分式：

式中：ti為第i條射線的走時(shí)，ms；v(x，y)為速度分布函數(shù)；Ri為第i條射線路徑；A(x，y)為慢度分布函數(shù)；s為射線路徑的長(zhǎng)度，m。

將成像區(qū)域離散成若干個(gè)規(guī)則的網(wǎng)格單元，則式（2）可化成離散的線性方程組為：

式中：ti為第i條射線的走時(shí)，ms；dij為第i條射線穿過第j個(gè)網(wǎng)格的長(zhǎng)度，m；xj為第j個(gè)網(wǎng)格的慢度，s/m；M為射線數(shù)；N為網(wǎng)格數(shù)。

可將式（3）寫成矩陣形式：

式中：tM或者T為M維地震波走時(shí)列向量，是觀測(cè)值；dMN或者D為M×N階射線的幾何路徑矩陣；sN或者S為N維慢度列向量，為待求量。利用瞬時(shí)迭代重構(gòu)法求解，得到所有網(wǎng)格點(diǎn)處地震波速數(shù)值。

2 槽波與縱波聯(lián)合探測(cè)及解譯方法

2.1 槽波與縱波在剖面中的位置

槽波與縱波聯(lián)合地應(yīng)力探測(cè)是基于透射法，在采煤工作面的1 條巷道布置震源，另1 條巷道布置高精度檢波器。震源激發(fā)時(shí)，在煤層中形成的地震波，一部分透射后逸散；一部分沿全反射臨界角透射后形成沿界面?zhèn)鞑サ恼凵洳ǎ黄溆嗖糠衷诿簩觽鞑ィ纬擅簩又边_(dá)波和槽波。同時(shí)檢波器開始采集地震信號(hào)，按照地震波到達(dá)時(shí)間和偏移距不同形成的地震剖面如圖6，剖面中各波組呈現(xiàn)近似的雙曲線形態(tài)特征。

圖6 透射法各類型波組時(shí)距曲線Fig.6 Time interval curves of each type wave group by transmission method

圖6 中，可以看到折射縱波在最上方，其傳播速度最快，曲率最小；其次是折射橫波；而后是直達(dá)縱波和直達(dá)橫波，但在實(shí)測(cè)透射法槽波數(shù)據(jù)中，②、③和④波形往往混在一起，難以分辨；位于末端的是槽波埃里相，曲率最大，由于埃里相速度為槽波群速度的最小值，故該時(shí)距曲線位于地震剖面的尾部，槽波其它成分的到達(dá)時(shí)間處于折射橫波和槽波埃里相之間。

2.2 槽波與縱波綜合解譯方法

采煤工作面透射地震數(shù)據(jù)的主要處理方法為速度法和能量衰減系數(shù)法，對(duì)于波速主控因素為地應(yīng)力的采煤工作面而言，波速對(duì)應(yīng)力變化較敏感，而能量的衰減與應(yīng)力大小無(wú)關(guān)，故采用速度法處理所獲地震數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)體中同時(shí)含有縱波和槽波，需分別提取和處理，然后綜合解譯。

首先對(duì)地震數(shù)據(jù)的典型數(shù)據(jù)道進(jìn)行頻譜分析，確定有益縱波、槽波的主頻范圍，利用帶通濾波濾除主頻范圍外的背景噪聲；選擇合適的時(shí)間窗口大小進(jìn)行自動(dòng)增益，以增強(qiáng)地震剖面中縱波和槽波埃里相中的弱信號(hào)；由于使用的都是同一延遲時(shí)間的雷管，故采用固定數(shù)值對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行延遲校正。以上預(yù)處理完成后，根據(jù)圖6 中折射縱波位置，拾取數(shù)據(jù)中折射縱波的全部初至，經(jīng)CT 層析成像得到測(cè)區(qū)內(nèi)部的縱波速度分布圖，然后根據(jù)煤巖樣單軸壓縮試驗(yàn)中的結(jié)論，即縱波速度與應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系，解譯工作面高應(yīng)力區(qū)。

切除上述預(yù)處理數(shù)據(jù)縱波成分和埃里震相后面的噪聲，并進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換獲得槽波頻散圖，圖中能量最強(qiáng)之處即埃里震相，拾取槽波頻散曲線中埃里震相的走時(shí)，經(jīng)CT 層析成像計(jì)算得到測(cè)區(qū)內(nèi)部的槽波速度分布圖，然后根據(jù)煤巖樣單軸壓縮試驗(yàn)中的結(jié)論，即槽波埃里相速度與應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系，解譯工作面高應(yīng)力區(qū)。

最終把縱波和槽波預(yù)測(cè)的高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行疊加，重疊區(qū)域即為重點(diǎn)關(guān)注的高應(yīng)力區(qū)，也是采煤工作面沖擊地壓防治工作的重點(diǎn)區(qū)域。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 地質(zhì)概況

義馬礦區(qū)某工作面位于井田深部，緊鄰井田邊界—義馬F16逆斷層，為沖擊危險(xiǎn)性工作面。其走向長(zhǎng)400 m，傾斜長(zhǎng)193 m，平均采深550 m。所采煤層為侏羅系義馬組2-3 煤，均厚14.9 m。直接頂以泥巖為主，含砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖，均厚約40 m；煤層底板為泥巖、炭質(zhì)泥巖，厚度大于6.5 m。該工作面煤厚穩(wěn)定，構(gòu)造不發(fā)育，影響地震波速的主要因素為地應(yīng)力。

采用透射法觀測(cè)系統(tǒng)，在上巷設(shè)計(jì)炮點(diǎn)40 個(gè)，間距10 m；下巷設(shè)計(jì)接收點(diǎn)25 個(gè)，間距15 m。每個(gè)炮孔裝入乳化炸藥200 g，使用礦用1 段延遲毫秒管引爆。利用高精度檢波器進(jìn)行接收，采樣間隔0.25 ms，采樣時(shí)長(zhǎng)1 000 ms。觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置圖如圖7。

圖7 觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.7 Observation system

3.2 縱波數(shù)據(jù)分析與解譯

采集的1 000 道（40 炮×25 道）數(shù)據(jù)經(jīng)靜校正、增益等預(yù)處理后，除了少數(shù)地震道信號(hào)受噪聲干擾，縱波難以辨識(shí)外，絕大部分地震道信號(hào)的縱波初至清晰，易于拾取。第15 炮的原始地震剖面如圖8，縱波初至已被標(biāo)出并用線段連接。若測(cè)區(qū)內(nèi)地應(yīng)力均勻分布，那么縱波在測(cè)區(qū)內(nèi)的波速應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定，其初至?xí)r間隨炮檢點(diǎn)偏移距變化而變化，整體應(yīng)該呈標(biāo)準(zhǔn)的雙曲線形態(tài)，但圖8 中縱波初至分布并非雙曲線形態(tài)，左右兩側(cè)的初至?xí)r間位置存在差異，地震道1#～13#比14#～25#的初至?xí)r間整體偏小約20 ms，說(shuō)明地震道1#～13#所在區(qū)域的縱波速度大于14#～25#所在區(qū)域，從定性角度分析，測(cè)區(qū)里段應(yīng)力大于外段。

圖8 S15 炮集縱波初至標(biāo)定Fig.8 Arrival time of P-wave of S15 gun set

提取的縱波速度經(jīng)層析成像構(gòu)建的縱波速度等值線如圖9。速度范圍為2 440～4 000 m/s。從速度分布特征上看，右側(cè)區(qū)域整體波速大于左側(cè)，超過3 000 m/s。結(jié)合相關(guān)因素綜合分析，將波速大于3 700 m/s 的區(qū)域定為高速區(qū)域，根據(jù)縱波波速與應(yīng)力的正相關(guān)關(guān)系，將此高速區(qū)域解譯為高應(yīng)力區(qū)。

圖9 縱波速度等值線圖Fig.9 Velocity contour of P-wave

3.3 槽波數(shù)據(jù)分析與解譯

采集數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理、濾波、頻散分析等，得到地震射線的實(shí)測(cè)頻散曲線，3 條射線的頻散曲線如圖10。其形態(tài)連續(xù)、清晰，可靠程度高。

圖10 頻散曲線圖及125 Hz 對(duì)應(yīng)的旅行時(shí)Fig.10 Dispersion curves and travel time at 125 Hz

通過統(tǒng)計(jì)分析所有頻散曲線埃里震相的頻率范圍，確定125 Hz 為適宜的拾取頻率，拾取的槽波速度通過CT 層析成像構(gòu)建的槽波速度等值線如圖11。速度范圍為870～1 500 m/s。從槽波速度分布上看，測(cè)區(qū)大部分區(qū)域速度偏低（藍(lán)色區(qū)域），根據(jù)相關(guān)信息分析，將波速大于1 250 m/s的區(qū)域定為高速區(qū)域，然后根據(jù)應(yīng)力與槽波速度的正相關(guān)關(guān)系，將此高速區(qū)域解譯為高應(yīng)力區(qū)。

圖11 槽波速度等值線圖Fig.11 Velocity contour of channel wave

3.4 綜合分析

經(jīng)對(duì)比分析，縱波高應(yīng)力區(qū)和槽波高應(yīng)力區(qū)存在重疊，且面積較大，槽波與縱波聯(lián)合探測(cè)技術(shù)綜合成果圖如圖12。

圖12 槽波與縱波聯(lián)合探測(cè)技術(shù)綜合成果圖Fig.12 Comprehensive result by channel wave and P-wave joint exploration

主要重疊區(qū)域位于下巷切眼口向外130～190 m范圍，向工作面內(nèi)部延伸了37 m。此重疊區(qū)域是縱波和槽聯(lián)合探測(cè)高應(yīng)力區(qū)的疊加成果，可靠性較高，是測(cè)區(qū)沖擊地壓高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，也是該工作面沖擊地壓防治工作的重點(diǎn)。

3.5 成果驗(yàn)證

經(jīng)驗(yàn)證，高應(yīng)力重疊區(qū)發(fā)育有1 條8.5 m 落差的正斷層，斷層及其附近常屬于應(yīng)力集中區(qū)；該區(qū)段施工鉆孔時(shí)，鉆屑量明顯偏大，且易縮孔；工作面回采通過應(yīng)力重疊區(qū)時(shí)，巷道變形嚴(yán)重，“煤炮”時(shí)有發(fā)生。工作面其它區(qū)域無(wú)明顯的礦壓顯現(xiàn)。以上驗(yàn)證資料表明，此重疊區(qū)確為應(yīng)力集中區(qū)，利用速度分布可以有效探測(cè)高應(yīng)力區(qū)，槽波和縱波相結(jié)合可以進(jìn)一步提高探測(cè)精度。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）煤巖塊在單軸壓縮下的彈性階段，軸向縱橫波速度隨著應(yīng)力增加而升高，直至煤巖塊遭受破壞，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，波速迅速下降。表明在煤巖塊彈性階段，縱橫波速度與應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系。

2）正常應(yīng)力條件下槽波埃里相速度遠(yuǎn)小于高應(yīng)力條件下的槽波埃里相速度。說(shuō)明隨著工作面應(yīng)力增大，槽波埃里相速度相應(yīng)升高，應(yīng)力與槽波埃里相速度呈正相關(guān)關(guān)系。

3）理論與試驗(yàn)表明槽波能夠用來(lái)探測(cè)采煤工作面高應(yīng)力區(qū)，槽波與縱波相結(jié)合可以更好地探測(cè)工作面高應(yīng)力區(qū)。