地震CT透射技术在12220工作面上的应用

胡强

摘 要：本文利用地震层析成像技术，对探测区域内煤岩波速分布情况进行CT成像，然后根据应力与地震波波速的对应关系，确定煤岩应力分布情况，最终根据区域高应力分布情况制定针对性措施，保证矿井生产安全。

关键词：微震;地震波;CT透射

中图分类号：TD823.86文献标识码：B文章编号：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

沖击地压发生的根本原因是开采区域煤岩层应力过高或开采扰动，因此对岩体内部应力分布进行分析是至关重要的。大量工程实践表明，在致密完整、应力集中的煤岩体内，地震波波速较高;在疏松破碎、应力松弛的煤岩体内，地震波的波速较低;无异常区域煤岩体内，地震波穿透速度相对稳定。利用震动波运动学和动力学参数，结合相关地质资料对煤岩区域进行分析，可准确得到煤岩体结构特征及应力状态[1]。

1 工作面概况

12220工作面位于西二采区西翼，2～3煤轨道下山西侧，北临已回采的12200工作面下巷，西至矿区边界断层，南部为未开采的2～3煤实体。顶板为砂质泥岩，地板为细砂岩粉砂岩互层。煤厚9～21.6m，煤层结构复杂，含夹矸4～7层，均为泥岩，不稳定。

2 试验方案

本次探测采用的设备为PASAT-M型便携式微震探测系统，根据综合工作面实际情况及地震CT技术原理特征，决定对12220工作面超前支承压力影响区域内的煤岩体进行探测。综合考虑现场施工条件及射线交差角度，确定在12220工作面下巷布置检波器，在12220工作面上巷布置激发炮，设计走向控制范围在超前工作面150m以内，设计探测系统如图1所示。

3 技术参数

本次探测实验期间，设定PDA接收机采样频率为2 000Hz，检波器工作频段5～10 000Hz，增益40dB，采样长度0.8s，激发孔内每孔200g炸药，为短断触发。每次激发有11个探头同时接收数据，但后期发现第11号探头接收波形混乱，故不参与反演计算;另外，此次实验现场激发23炮，实际接收20炮，其中第2、3、4、8、14、17、18炮波形疑似受现场背景噪音干扰，导致初至时间模糊，标波无效，故实际参与计算反演为13炮，所以共接收有效数据为10×13=130道。现场实际最大炮间距10m，最小炮间距6m，平均炮间距6.36m。实际最大道间距15m，最小道间距12m，平均道间距13.8m。下巷探测范围138m，上巷探测范围140m，平均139m。

4 试验结果

本次探测实验区域的波速反演分布图如图2所示，其中以蓝色到红色代表探测区域内地震波波速，波速分布范围为2 093～6 987m/s。不同区域煤体的波速差异性反应了其物理力学特性及应力状态的差异性。

5 结果分析

5.1 总体分析概述

探测区域波速分布与常规矿压理论中的煤岩体应力分布趋势差别较大，这主要源于该工作面实际煤岩层结构复杂。特别值得注意的是，F16压性逆冲断层斜穿本工作面，上盘煤层不平整，局部煤层变薄;下盘煤层稳定，在接近和进入F16断层破碎带后，煤层厚度变大，局部未见顶，在上巷现工作面前110～160m之间，下巷现工作面前386～426m之间形成巨厚煤层变化带;F16断层自南向北推覆，切穿2～3层煤层后，沿煤层顶板附近顺层低角度滑动一定距离后，突然抬升，形成了弧形上翘。而底部煤层在F16断层由南向北推覆过程中，未发生断裂变动。煤岩层由破碎区向完整区域过度时，容易形成较高的应力集中现象。

5.2 危险区域划分

从图2波速CT成像结果可以明显看出，整体波速异常区呈现以上巷前80m位置为基点，向下巷进行扇形辐射状分布。按照波速大小将本次实验区域内的异常区进行划分，并结合相关资料和现场实际条件，对异常形成原因进行分析推断。根据所划分的异常区域，对冲击地压发生的促进能力大小的各异常区定性归类，可分为三个区域，即强冲击危险区、中等冲击危险区和弱冲击危险区。

5.2.1 异常区Ⅰ。异常区Ⅰ位于12 220工作面上巷面前74～84m，下帮约35m范围内。其波速范围为5 000～7 000m/s，最大波速为6 987m/s，为本次探测反演波速的最高值，且等值线分布密集，说明小范围内波速梯度变化明显。分析原因有三点：第一，该区域对应上巷巨厚煤层变化带，受F16断层自南向北推覆构造应力影响，在断层面抬升上翘煤层内形成应力集中;第二，该异常区域位于F16逆冲断层下盘临近断层，受到回采超前支撑压力影响，形成局部高应力集中;第三，该异常区域受上部采空区侧向支承压力影响。上述三方面原因导致该处应力集中程度显著增加，从而波速出现异常高值，因此判定为强冲击危险区。

5.2.2 异常区Ⅱ。异常区Ⅱ位于12220工作面上巷面前68～74m和84～90m，下帮35～70m范围内。其波速范围为4 000～5 000m/s。该异常区波速较Ⅰ区普遍降低1 000m/s，呈“C”型分布，区域范围较Ⅰ区有所增大，但等值线密集程度有所降低，说明波速梯度变化减缓。相比异常区域Ⅰ，由于远离上部采空区，受采空区侧向支承压力影响减小，应力集中程度较低，但由于该区域位于F16逆冲断层下盘临近断层，因而也判定为强冲击危险区。

5.2.3 异常区Ⅲ。异常区Ⅲ基本覆盖工作中下部大部分区域，其波速范围为3 000～4 000m/s。该异常区范围最大，主要受煤层上覆岩层自重应力和工作面超前支承压力叠加作用影响，超前支承压力基本稳定，因此等值线分布最为平缓，表明波速梯度变化较为均匀，反映煤体中应力分布近似各向同性，故判定为中等冲击危险区。

6 结论

本文利用地震CT技术对12220工作面前方150m范围内煤岩体进行冲击危险性探测，共划定3个异常区，其中2个为强冲击危险区，1个为中等冲击危险区，并标定了各危险区的分布范围。探测完成后，在强冲击危险区应设置警示标牌，严格限制作业人数，并加大综合卸压力度，切实保证巷道支护强度，保障生产安全;对中等冲击危险区应进行密切监测与动态分析，准确把握其冲击危险性发展趋势，为安全生产提供决策依据。同时，生产期要做好下巷封闭管理，切实履行“生产不修护、修护不生产”制度，工作面超前150m范围内要加强支护与冲击地压管理力度，区域作业人员必须穿戴防冲头盔和背心等防冲装备，确保矿井生产安全。

参考文献：

[1]姚刚，曹怀轩，谭文锋，等.东滩煤矿便携式微震探测系统应用研究[J].煤矿现代化，2018（3）：89-92.