震动波CT反演应用在冲击矿压预测预警的案例研究

高辉

（陕西华电榆横煤电有限责任公司 陕西 榆林 719015）

1 序言

今年来随着我国煤炭开发向西部转移，西部的陕西省不断有新的冲击矿压矿井出现，较多矿井受到冲击矿压的影响。因此有效监测冲击矿压前兆信息成为预防该灾害的关键。目前在冲击矿压危险的监测预警方法上主要有：钻屑法监测、应力在线监测、微震监测等。其中微震监测为区域监测方法，可以监测一段时间内某一区域的微震事件发生情况，进而对下一时段该区域的冲击危险性作出预测，本文基于微震监测介绍了震动波CT反演在冲击矿压预测预警的研究。

2 工程背景

小纪汗煤矿主采2号煤，煤层可采厚度0.80 m～8.64 m，平均3.43 m，煤层埋深在400 m左右，煤层平均倾角0.7°，煤层直接顶板以泥岩、粉砂质泥岩为主，次为中-细粒长石砂岩，少量炭质泥岩，直接底板为泥岩、粉砂质泥岩，次为泥质粉砂岩、粉砂岩、细粒长石砂岩。2号煤层设计采用长壁综合机械化采煤法，各区域均采用全部垮落法管理工作面顶板。2018年2号煤层冲击危险性评价结果为局部区域为弱冲击危险，11219工作面为矿井主采工作面，存在一侧采空情况，如图1所示。为矿井安全生产，矿方在冲击矿压的监测、预警、防治加大投入，配备了SOS微震监测系统，为工作面安全生产提供可靠的数据支撑，矿井2020年7月微震监测系统显示11219工作面微震事件发发生的能量和频次显著升高，为明确数据异常原因，服务矿井安全生产，矿方对11219工作面7月微震事件进行震动CT反演。

图1 11219工作面布置

3 微震CT反演技术原理

由于煤岩体中波速与应力存在正相关关系[1-3]，故通过震动波CT反演得到探测区域的波速场，从而反应该区域应力场。该方法利用开采引起的微震事件结合井下或地面安置的震动台站，根据台站与震源之间的距离L和台站接收到的初至时间T来反演“台站-震源”空间包络区域的波速分布[4-7]V（x,y,z），探测示意如图2所示。

图2 震动波CT探测示意图

震动波在走时成像情况下以射线的形式在探测区域内部介质中传播，反演前，首先精确计算震源位置，然后选取探测目标区域的震源事件及其对应目标区域附近震动台站上标记的初至时间（P波初至或S波初至）作为反演原始数据，随后将“台站-震源”包络的空间区域介质划分为一系列小矩形网格，最终通过一个高度近似进行反演，其公式为：

式中，Ti为震动波旅行时间，s；Li为第i个震动波的射线路径；V(x,y,z)为震动波传播速度，m/s；S(x,y,z)=1/V(x,y,z)为慢度，s/m；dij为第i个震动波的射线穿过第j个网格的长度；N为射线总数；M为网格数量。矩阵形式如下：

式中，T为震动波旅行时间列向量（N×1）；S为慢度列向量（M×1）；D为射线长度矩阵（N×M）。通常，式（4）是一个欠定或超定方程组，求解此类方程组的有效算法一般是迭代算法。目前，大多数引用的迭代算法为SIRT算法。

4 微震CT反演实施

4.1 微震台网优化布置

工作面开采后，在工作面周围合理布置微震监测探头，形成对工作面的有效包围，从而能够提高定位精度，并保证工作面范围内CT反演能够拥有合理的射线覆盖密度，如图3所示。选取用于微震CT计算的微震监测数据，基于最佳定位通道个数选取原则，对震动信号进行定位计算优化，以保证获得高精度的反演结果。

图3 微震CT反演设计

矿井采用设备为高精度微震监测设备，目前小纪汗矿常用的是SOS微震监测系统。根据小纪汗矿现场实际情况，采用SOS微震监测系统监测的微震数据。在工作面周围（重点解析反演区域）合理布置微震监测探头，形成对工作面的有效包围，从而能够提高定位精度，并保证工作面范围内CT反演能够拥有合理的射线覆盖密度。小纪汗煤矿11219工作面周围台站布置如图4所示。

图4 小纪汗煤矿11219工作面台站布置

4.2 数据筛选

根据现场实际状况，选取用于微震CT计算的微震监测数据，时间周期为一个月，来源数据包括爆破事件数据和正常煤炮事件数据。其区别是前者震源位置已知，在一定程度上能够提高反演结果的精度；后者震源位置未知，必须通过各台站的震动波到时进行计算，导致计算的震源位置与实际位置存在一定的偏差，对层析成像结果有一定影响，但是微震事件的能量通常比人工炸药高很多，从而能够激发距离监测区域较远的微震探头，进而扩大了研究区域范围，在一定程度上能够增加射线的覆盖密度。另外，由于采矿活动的一直进行，且微震一直伴随产生，于是利用微震产生的震动波进行层析成像技术是长期和可行的。综合两者的优势，于是可同时选取两种类型的波形数据，并针对爆破事件选取波形清晰，对于正常煤炮事件选取大能量且波形清晰的数据。

4.3 小纪汗煤矿11219工作面反演模型建立

选取11219工作面回采区域自2020年7月1日至2020年7月30日期间由SOS微震监测记录到的微震数据进行微震CT反演分析。该时间段内共记录到微震事件200个，根据定位波形选取原则，选取适合微震CT反演计算的微震事件141个，共形成射线767条。其中，射线数目越多，反演范围越小，则反演结果精度越高。

建立微震CT反演计算模型时，应根据反演时段内选择的震动数据与台站形成射线的覆盖范围来确定；为保证网格内有足够多射线覆盖密度以及较高反演精度，微震CT反演计算模型网格划分既不能太大也不能太小。本次反演采用不等间距网格划分，并根据区域内射线密度的大小，自动调整网格划分密度，对于射线越密集区域，网格划分越密集，从而确保计算精度。上述过程均采用CMAT软件计算实现，最终可得到如图5所示的震动传播时间与震源到探头距离的函数关系、波速统计直方图、网格划分参数、以及反演运行的参差监控曲线。

图5 小纪汗煤矿微震CT反演计算参数

4.4 微震CT反演结果及可靠性分析

反演计算完成后，需选取一个剖面分析波速分布情况来判断各区域的冲击危险情况。受反演区域范围、震动事件空间分布以及反演区域与震动事件的相对位置关系影响，各反演时段内的震动波层析成像模型不尽相同，模型在垂直方向上划分网格层数及水平标高也不同；受微震空间分布影响，各层的射线覆盖密度大小不同，射线覆盖密度越大，反演结果的可靠性越高，反之，越低。因此，需要对反演时段内各层的射线覆盖密度进行统计分析，从中选出射线覆盖密度最高、射线覆盖范围最广的一层作为冲击危险分析的对象。

根据微震CT反演结果获得如图6（a）所示的同时段不同层位射线覆盖密度云图。由图可知，根据11219工作面为近水平工作面且标高约为823 m的实际赋存情况，选取该工作面810 m、826 m、840 m不同水平剖面的射线覆盖密度云图作为对比，并设置最少射线数为10的临界条件对所有层位进行白化处理，得到如图6（b）所示的可靠性评估反演结果。可以看出，826 m剖面射线密度最大，故反演选取826 m水平进行冲击危险性分析，同时826 m水平不但可靠性高，而且距煤层层位最近，最能反映煤层真实应力分布情况。

图6 反演结果可靠性评估

4.5 微震CT反演结果分析

如图7所示为2020年7月1日至2020年7月30日期间反演获得的11219工作面826 m水平的纵波波速分布以及波速异常值变化。由图可以推测，工作面开采扰动影响的超前范围约为300 m，且回风巷一侧工作面前方100 m~300 m波速集中、胶运一侧工作面前方100 m~200 m波速集中，为当前主要的冲击危险区，针对该冲击危险区域建议合理控制开采速度，加强危险区监测、卸压处理及防冲管理。并用7.16~7.20日的微震数据进行验证，如图8所示，该时段微震大多落在前一时段CT反演预测区域内。验证该方法的有效性。

图7 11219工作面反演结果

图8 11219工作面7.16~7.20微震数据定位图

5 结论

本文结合小纪汗煤矿现场介绍了微震CT反演技术基本原理，包括微震CT的基本概念、实施步骤。根据现场实际制定了小纪汗煤矿微震CT反演的台网优化布置、现场实施方案、实施步骤、注意事项及反演计算流程。以小纪汗煤矿11219工作面的微震监测数据为基础，开展实施了微震CT反演探测，CT反演结果显示的高应力区和现场实际的矿压显现相吻合，验证该技术的科学有效性，为后续的安全生产提供技术支持。