基于微震在线监测的实时震源波速反演技术应用

王元杰

(1.中煤科工开采研究院有限公司，北京市朝阳区，100013；2.煤炭科学研究总院开采研究分院，北京市朝阳区，100013；3.天地科技股份有限公司，北京市朝阳区，100013；4.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116)

0 引言

近年来，随着我国煤炭开采进入深部区域，在高地应力和强烈开采扰动下，冲击地压灾害已经成为矿井安全生产所面临的重要难题之一。冲击地压显现和煤岩体应力分布状态密切相关，震动波探测技术就是依据震动波在不同介质内的传播速度不同来探明煤岩体内的地质构造[1-5]。众多学者通过对煤岩体应力与波速之间实验得出，煤岩体内的应力不同时，震动波在介质内的传播速度也会不同，应力值越高，波速越快[6-8]。因此利用波速及波速梯度与应力集中情况之间的正相关性，通过波速及波速梯度在探测区域的快慢和梯度大小可判断应力值集中程度[9-12]。基于此，震动波反演可以反映不同区域煤体的波速差异，进而得到煤体物理力学特性及应力状态的差异性[13-15]。反演结果可以实现对工作面煤体应力集中大小以及卸压解危效果的强弱区分进行科学评价。

根据震源的来源不同，震动波反演可以分为人工震源和实时震源2种形式[16]。人工震源波速反演技术是依据人为激发震源的震动波进行探测范围内应力值计算，人工震源的发震位置、发震时间、震动波接收器位置均已知，因而探测精度高，但由于震源需要人为激发，受制于井下爆破作业的影响，仅能在个别地段和时段进行，实时性较差，因此在探测及时性方面存在一定的局限性。实时震源波速反演技术是依据微震事件的震动波进行探测范围内应力值计算，由于微震活动的实时性，因此可依据需要随时进行，具有实时性强、可随时获得波速反演结果等优点。因此实时震源波速反演技术和微震在线监测相结合必将成为井下采矿过程中冲击危险性预测和评价的最有力的工具之一。

笔者基于微震在线监测，分析了实时震源波速反演技术的理论基础，并将该技术应用于现场高应力分布区域进行探测评价，实践结果表明该技术应用效果可靠，可为后续实时震源波速反演技术的应用提供一定的理论、技术支持。

1 实时震源波速反演原理与装备

1.1 实时震源波速反演原理

由采掘活动引起的微震事件，可通过在巷道中安装震动传感器接收采掘工作面内不同位置震源的震动波，并对微震事件进行定位。实时震源波速反演是建立从震源至各个传感器之间的射线，该射线代表了震动波的传播路线，形成对该区域的高密度射线覆盖，进行震源波速反演，如图1所示，其中射线覆盖密度越大，波速反演结果越准确。

图1 实时震源波速反演射线覆盖示意

通过震动传感器与发震位置之间的距离L和震动传感器接收到震动波(P波)初至时刻T来建立速度模型对震动波速度V(x，y，z)进行计算。假设第i个震动波的传播路径为Li，震动波传播时间为Ti，该速度模型[17]为：

N——射线总数；

M——网格数量。

为求得上述模型计算结果，联合迭代重建技术算法(以下简称“SIRT算法”)进行迭代反演，并以此计算实时震源波速反演中的波速值，从而完成采掘工作面区域内实时震源波速反演，生成波速分布云图。

1.2 实时震源波速反演装备

实时震源波速反演设备为天地科技股份有限公司从波兰EMAG引进的ARAMIS M/E微震监测系统，该系统由地面设备和井下传感器组成，如图2所示。

图2 ARAMIS M/E 系统结构

ARAMIS M/E微震监测系统的冲击危险性评价软件HESTIA_SQL中内置了基于微震监测数据的实时震源波速反演功能。该运算基于煤岩体应力集中程度与震动波在煤岩体的传播波速呈正相关关系，利用实时震源波速反演原理和计算方法，划分网格模型，执行SIRT算法，模拟出选定区域的速度等值线图，进而推演出应力集中情况。

2 工程概况

鄂尔多斯某矿开采的3-1号煤层平均厚度6.35 m，平均采深+737 m。3-1105工作面为一采区第2个工作面，工作面走向长度3 000 m，倾向长度280 m，工作面辅运巷北侧为3-1103工作面采空区，3-1103工作面已于2018年3月回采完毕，3-1103工作面采空区距3-1105工作面开切眼150 m，2个工作面之间留设有宽度6 m的煤柱；3-1105工作面运输巷南侧为尚未开采的实体煤。截至2021年6月10日，3-1105工作面已推进656.8 m。3-1105工作面位置关系如图3所示。根据3-1105工作面19-11钻孔得到研究区域煤岩层赋存情况，见表1，并通过岩石力学参数测定，得到3-1号煤层及其顶底板基本岩石力学参数，见表2。

表2 岩石力学参数

由表1可以看出，3-1105工作面煤层上方140 m 范围内主要为细粒砂岩-粉砂岩等硬岩层，其中工作面直接顶为厚度6.55 m的泥岩，基本顶为厚度21.10 m的中粒砂岩，在基本顶上方赋存一层厚度64.71 m的细粒砂岩。因此3-1105工作面顶板存在多层厚硬岩层，结合表2可以得出，岩体强度较高，存在较高的弹性能，随着工作面推进，上覆厚硬岩层将会积聚、释放大量的弹性能，易形成较大的微震事件。同时，根据三维地震勘探资料及附近巷道实际揭露情况分析，随着3-1105工作面由西至东推进，回采期间穿越5条断层构造，3-1105工作面揭露断层构造情况见表3。

文化一词，说大很大，它可以涵盖整个人类文明的一切活动，如东方文化、中国文化、少数民族文化等；说小也小，仅仅指知识，比如：上学、受教育、学知识被称作“学文化”；受过高等教育的人被称作 “文化人”。或者更广一点指区别于政治、经济、军事的另一个社会活动，叫“文化”，如书法、绘画、歌舞、戏曲等等民间娱乐活动。但是，“文化”最终是要被概念化了的，尽管想要给文化一个完善准确的定义并非易事。

表3 3-1105工作面揭露断层构造情况

由表3分析得出，虽然工作面已过NF18、NF40以及NF39断层，但随着工作面的推进，NF37与NF38断层附近构造应力将不断增加，构造应力、上覆岩层自重力及上覆厚硬岩层形成的侧向支承力将使得工作面煤体极易形成高应力集中区域。

3 实时震源波速反演技术应用及分析

3.1 反演方案及传感器布置

为分析3-1105工作面前方冲击危险性，基于实时震源波速反演技术的工作原理，在3-1105工作面运输巷和辅运巷布置传感器作为3-1105工作面及相邻区域发生震源的监测点。以3-1105工作面前方400 m范围为监测区域，对该区域内的实时震源进行监测，从而分析该区域内高应力分布以及冲击危险区域的情况，方案设计原理如图4所示。为保证采集到的数据的准确性，所有通道震动波初到时均进行人工标记与分析。

图4 3-1105工作面波速反演方案设计及微震传感器布置

为了配合3-1105工作面的回采进度，并保证微震事件的定位精度，在3-1105工作面共布置6个传感器，传感器间距为200 m。其中工作面运输巷布置3个传感器编号为S1、S2、S3，辅运巷布置3个传感器编号为S4、S5、S6，2个巷道内的传感器布置呈菱形(图4)。

3.2 3-1105工作面波速反演及分析

选取3-1105工作面2021年6月1-9日连续9 d采集到的微震数据进行反演计算，其中微震信号清晰有效的数据共133个，最大能量为104J级微震事件，有效震源位置主要集中分布在3-1105工作面附近以及靠近3-1103工作面采空区侧，如图5所示，反演共形成射线565条。

基于实时震源波速反演技术，根据微震在线监测数据，通过冲击危险性评价软件HESTIA_SQL对震动传感器接收到震动波进行波速计算，得到震动波波速分布情况，并生成波速云图，如图6所示。

图6 3-1105工作面实时震源波速反演速度云图

由图6可知，3-1105工作面前方400 m范围内波速为2.8～5.0 km/s，且波速梯度较大。根据波速与应力大小呈正相关关系可知，图中高应力区域主要分布在3-1105工作面前方190～360 m(图中红色虚线区域)，表明该区域范围围岩体所承受的冲击危险性较高。

3.3 反演结果论证

3.3.1 微震事件验证

3-1105工作面于2021年6月11日09∶22∶44，发生1次能量7.0×106J微震事件，通过定位计算此次106J级微震事件的发生位置位于实时震源波速反演区域波速梯度密集变化带，其中震源距3-1105辅运巷151 m，超前工作面228 m，如图7所示。由于实时震源波速反演结果已提前实现预警，及时撤出高应力区域人员，并未造成人员伤亡。

图7 3-1105工作面106J级微震事件发生位置与波速反演结果相对位置

分析此次大能量微震事件发生原因，主要为3-1105工作面为一采区第2个工作面，且邻近的3-1103工作面采空区宽度为245 m，根据该区域煤岩层赋存情况，仅在3-1103工作面回采下，其上覆厚度为64.71 m的细粒砂岩及其上覆岩层很难发生破断、垮落，使得其一端架在3-1103工作面采空区矸石上，另一端架在3-1105工作面实体煤上形成“S”型覆岩空间[18]，在3-1105工作面回采扰动下，该岩层及其上覆岩层易发生整体联动，因其岩层厚度大，使得“S”型覆岩空间内形成较高侧向集中应力；同时受工作面前方NF37、NF38断层结构影响，因构造应力相叠加，导致3-1105工作面上覆厚硬岩层存储较高的弹性能，为微震事件的发生提供了围岩和能量条件；因此随着工作面推进，在超前应力作用下，当工作面推进到距该区域一定距离时，受采动影响在超前应力、构造应力以及“S”型覆岩产生的侧向集中应力相互叠加下使得该区域应力达到围岩临界强度，产生较大的微震事件。

106J级微震事件发生后，选取2021年6月12-15日连续4 d采集到的微震数据进行分析，基于SIRT算法得到工作面前方由不同颜色深浅表示的波速云图，如图8所示。

由图8可以看出，106J级微震事件发生后，相应区域集中应力得到明显释放(图中红色虚线区域)，最大波速值由5.0 km/s降低到2.9～3.1 km/s，表明该区域波速明显得到降低，进而说明相应区域围岩应力得到明显释放，危险程度明显降低。同时围岩应力向3-1105工作面辅运巷侧转移，在3-1103工作面与3-1105工作面辅运巷相交区域处，受三角煤柱和超前应力影响，围岩应力明显增加，因此后续3-1103工作面与3-1105工作面相对位置形成的三角煤柱处为后续防冲卸压的重点区域。

3.3.2 地音活动验证

3-1105工作面安装有ARES-5E地音监测系统，在工作面前方180 m范围内的辅运巷与运输巷各布置2个传感器，编号分别为D3、D4、D5与D6，传感器布置情况如图9所示，传感器有效监测半径为200 m。其中D3传感器位置靠近此次高应力集中区域，因此以D3传感器为代表对本次106J级微震事件发生前后地音活动特征进行分析。

图9 3-1105工作面地音传感器布置

大能量微震事件发生前后煤岩体必将经历一段较为连续的损伤发展阶段，地音作为煤岩体损伤破坏的产物，地音也必然出现一段连续异常变化的时期。地音小时活动可以较为有效反映煤岩体破裂的规律，基于D3探头监测数据绘制106J级微震事件的地音小时活动曲线如图10所示。106J级微震事件发生前地音活动呈不断增长的趋势，事件发生后于2021年6月11日10∶00时达到峰值，最大能量为1.46×105J，此时频次也达峰值，时频最大值为275个。另外此次106J级微震事件前5 d地音平均小时能量为2.13×104J，平均时频为47个，峰值小时能量是前5 d小时能量的6.8倍，峰值小时频次是前5 d小时频冲的5.9倍。

图10 地音活动曲线

由图10可以看出，微震事件发生前高应力区域内地音活动处于不断增长趋势，表明相应区域煤岩体内部缺陷在此期间经历了被闭合、压裂、扩展等一系列的微破裂活动，进而表明相应区域应力集中程度较高、冲击危险性较大。

此次106J级微震事件的发生以及微震事件发生前地音活动演化特征表明实时震源波速反演结果中应力集中区域与煤体中高应力分布区域较吻合。因此实时震源波速反演对于探测煤层高应力区域分布规律具有较好的适用性。

4 结论

(1)基于微震在线监测的实时震源波速反演技术对3-1105工作面煤体应力分布状态进行计算分析，根据震动波波速与应力的正相关性，反演结果表明工作面前方190～360 m范围内存在一定区域的高波速及波速梯度密集变化带，说明该区域煤体应力较高。

(2)基于微震监测系统在3-1105工作面前方228 m处监测到1次106J级微震事件，106J级微震事件的发生位置位于实时震源波速反演结果中应力集中区域，同时结合微震事件发生前相应区域地音活动特征表明实时震源波速反演结果中应力集中区域与煤体中高应力分布区域较吻合，因此实时震源波速反演对于探测煤层高应力区域分布规律具有较好的适用性。