震动波CT反演技术在采煤工作面的应用研究

陈 艳

（山东东山古城煤矿有限公司，山东 济宁 272100）

0 引言

震动波CT 反演技术作为全新的地球物理重要方法，其应用于我国煤矿工程开采与煤矿地质产业诊断中，该技术凭借其对煤矿掘进面较大范围内应力状态的科学合理的评价，研究煤矿周边矿区区域内的应力场分布，从而实现对较大范围采煤工作面的超前应力状态探测，以此保证我国采煤工作的安全性与稳定性。在此背景下，该文以某工程项目采煤工作面为主要研究对象，对震动波CT 反演技术在采煤工作面中的应用进行具体研究与分析，具有重要理论意义和现实价值。

1 工作面概况

某煤矿工作面实际采掘深度为1 000 m 左右，周围矿区地面标高为550 m～560 m，实际工作面煤层标高为-390 m～-450 m，为该煤矿开采企业在矿区东部的第一个综合煤矿资源开采工作面，实际开采采高为10 m，主要采掘煤层为2-1。该煤矿资源开采综合面的上方，依次为泥岩直接顶层、煤层、泥盐层和厚沙层，下方则主要为4 m 深左右的泥盐直接底层和砂岩基本底层。

2 震动波CT反演技术

2.1 理论基础

根据强度理论可知，当煤矿矿区开采面周围岩体所承受的压力超过了周围岩体所能承受的极限，也就是煤矿矿区周围岩体实际承受的应力满足极限应力条件时，完全有可能发生冲击矿压现象。诸多试验和煤矿矿区开采实践表明，煤矿周围岩体应力状态与振动波速具有明显的正比例关系。通俗地讲，煤矿周围岩体所承受的振动波速越高，岩体所承受的应力值也就越大，超过煤矿矿区周围岩体实际可承载强度极限的可能性也就越大，煤矿矿区的冲击危险性就越高，煤矿资源开采出现安全事故的可能性也就越大，因此，通过震动波CT 反演技术探测煤矿矿区周围岩体实际承受的压力，进而评价矿区周围岩体所承受的应力分布情形及其冲击危险大小，是切实可行且满足相关理论条件的[1]。

2.2 评价指标

利用震动波CT 反演技术评价煤矿周围岩体危险性大小及冲击压力大小，主要基于震动波CT 反演结果，探究煤矿周围岩体冲击危险性大小。该过程的评价指标体系主要为以下3 个。1）煤矿周围岩体波速正异常系数，该系数与煤矿周围岩体所承受的实际应力值大小及其应力集中程度之间存在明显的正比例关系。周围岩体正异常系数越大，岩体所承受的应力值也就越大，实际应力集中程度越高，煤矿周围掩体受到冲击危险的可能性越大。2）煤矿周围岩体波速负异常系数，该系数与煤矿周围岩体的卸压弱化能力存在明显的正比例关系。煤矿周围岩体波速的负异常系数越大，煤矿周围岩体泄压弱化程度越高，冲击危险性越大。3）煤矿周围岩体波速梯度与冲击危险性呈现出较强的正比例关系，煤矿周围岩体波速梯度系数越大，实际所承受的冲击荷载也就越高，冲击危险性就越强。因此，通过煤矿采煤工作面震动波CT 反演结果，得出波速正异常系数、负异常系数以及波速梯度系数等3 个评价指数，进而对震动波CT 反演结果进行科学评价，也就能得到关于矿区周围岩体冲击危险值大小以及泄压解危效果的强弱区分。

3 冲击危险性预测

3.1 反演方案

选择煤矿工作面2019 年11 月～2020 年1 月的相关矿震数据信息进行反演，然后对该时间段内的煤矿矿区工作面波速反演结果进行总结分析，以此预测该煤矿矿区工作面周围岩体的冲击危险性大小，图1 即为该煤矿矿区工作面矿震分布示意图。为尽可能地提高矿区内该时段矿震冲击危险反演结果的准确度，从200 个数据中筛选出能量大于500 J 的煤矿矿区矿震波形图进行重新标波、定位以及去除波形图不确定性和定位不准确的矿震波速图，最后选取88个矿震数据信息进行综合反演，最终形成射线388 条，且每条射线的波形图数据均大于4，实际网格分割与负方向的间距设置合理，再进一步使用同时迭代重建技术对所有数据信息进行平稳收敛，避免煤矿矿区矿震波速反演区域奇异解出现的可能[2]。

3.2 反演结果

进一步探究该煤矿矿区工作面水平波速异常系数和波速梯度系数可知，由于该煤矿工作面波速正异常系数与周围岩体应力集中程度之间存在正比例关系，且波速梯度系数与周围矿区所遭受冲击危险性大小之间存在着正比例关系，由图2（a）该煤矿矿区工作面波速正异常系数云图和图2（b）波速梯度系数云图可知，该煤矿工作面波速正异常系数与波速梯度系数均较大，由此可知，该煤矿矿区工作面周围岩体一定区域范围内存在着较强的应力集中现象，周围岩体所承受的冲击危险性较高。

图1 矿震分布示意图

图2 波速正异常系数云图与波速梯度系数云图

4 处理与结果

为了解除该煤矿矿区工作面周围岩体所承受的较大冲击危险，保证该煤矿开采工序有序安全进行，相关工作人员在煤矿掘进工作面停止掘进后采用较大直径的钻孔设备，对煤矿矿区周围岩体进行降低冲击危险性的相关工作。在煤矿矿区掘进头及其后方危险区域内总共设置了20 个较大直径的状况，其中左帮6 个，右帮6 个，迎头8 个。另一方面，为了进一步改善煤矿矿区工作面卸压效果，在掘进工作面的迎头煤层处进一步设置了解压爆破，共设置5 个爆破口。在采取大钻孔以及爆破卸压孔等诸多泄压措施后，该煤矿工作面波速正异常系数与波速梯度系数均有所降低，煤矿矿区周围岩体所承受压应力得到了有效控制，钻屑量下降到安全临界值范围内，开采掘进工作面恢复相关工作实现安全掘进。

5 结论与措施

震动波CT 反演技术可进一步分析采煤工作面周围一定区域内的波速梯度分布状况，判别矿区周围岩体的区域应力分布特征，以此研究周围岩体所承受的冲击危险性大小，并根据冲击危险区域预测数据信息采取相关卸压解危效果，强力解除采煤工作面周围岩体所承受的冲击危险。其次，借助震动波CT 反演技术，能有效预测采煤工作面区波速分布，在得出周围冲击危险区域的基础上，对采煤工作面井下巷道掘进过程中的矿压监测准确性进行监管。最后，利用振动波CT 反演技术，还可以对采煤工作面冲击危险区域进行泄压解危，对其区域应力进行反演分析和统计整理，不断降低采煤矿区周围岩体承受应力值大小，解除冲击危险。