基于地震波CT探测技术的煤体裂隙发育状况监测研究_新闻_

工作面震波CT探测技术-安徽惠洲地下灾害研究设计院

张雷

[摘要]煤体裂隙发育状况对高瓦斯矿井的抽采作业设计与施工具有重要指导意义。研究针对地震波CT探测技术的原理、方法进行了分析，并以山西王坡矿3215工作面为研究实例，利用地震波CT技术对工作面煤体裂隙的发育状况进行了探测，对地震波波速异常区的成因进行了分析并给出了合理的解释。根据探测结果，提出了相应的工作面瓦斯抽采作业时钻孔布置、抽采计划的建议，为煤矿的安全生产提供了重要的依据，为类似条件下瓦斯治理提供了参考。

[关键词]地震波CT，煤体裂隙，监测，瓦斯抽采

中图分类号：P631 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）30-0043-03

前言

工作面开挖时，围岩受扰动应力重新分布，在此过程会伴随着裂隙的动态发育，同时出现煤层瓦斯集中释放以及在采动影响空间中发生各种形式的流动，形成多场耦合。在这种复杂的情况下，掌握煤体裂隙发育程度及范围，进而指导瓦斯抽采作业，对工作面的安全生产具有重要意义。当前针对煤岩体裂隙的物探方法主要包括电法、瞬变电磁法、钻孔摄像、地震波CT等探测方法等等[1～5]，其中地震波CT技术具有非破坏性测量、真实性高、数据量丰富全面，分辨率较高、探测方法简单、鲁棒性强等诸多优点，在隧道工程、桥梁工程、水利边坡工程等等行业领域均得到了广泛的应用，提高了地质勘查的效率，降低了成本，确保了工程的安全性。

研究以王坡煤矿为研究对象，利用地震波CT技术对工作面煤体裂隙的发育状况进行了探测，为类似高瓦斯煤矿生产过程中的工作面开采设计、动力灾害预测预报、防治效果检验及安全措施制定等提供重要依据。

1 地震波CT探测技术原理

地震波CT技术利用计算机层析成像技术，结合地震波的相关动力学、运动学资料，在综合考虑具体开采条件与地质情况的前提下，准确地获取煤岩体的结构特征及应力状态随时间与位置动态变化的相关信息。工程实践经验显示，地震波波速在煤层变薄区域、完整的煤岩体处以及应力集中区中传播速度相对较高；而在应力松弛带、疏松煤岩体处以及煤层增厚区域，地震波波速相对较低[6-7]。因此，判断煤体典型异常区域的分布状况的关键在于获取地震波速与地震波衰减系数分布图像，即地震波层析成像技术。地震层析成像技术是通过分析地震波各类震相的动力学与震动学资料（例如走时、射线路径、波形、振幅、相位、频率等等），从而推断地下介质结构、地震波速度分布等信息的地理物理方法[8]。当前地震层析成像的走时层析成像算法较为成熟，是实际地震勘探中的主流方法，研究以其为例简述地震层析成像的一般算法。

理想情况下，地震波在探测区内部介质中传播的形式可视为射线。利用小矩形网格将介质进行区域划分，进而得到一个高频近似（如图1），在地震波传播方向上的射线走时成像公式为[9]：

式（1）

上式即为第条射线的观测走时与第个网格的慢度之间的关系，式中：

——第条射线在第个网格中的射线路径长度；

——射线的条数，各个接收点所观测数据的数量；

——网格的数量。

式（1）可以写成矩阵方程的形式：

式（2）

式中：

——地震波走时向量的观测值；

——射线几何路径的矩阵；

——慢度向量。

波速层析成像中要做的工作是求解，得到各网格内的地震波慢度值，但是实际中，地震波在网格面上并非以正投影形式表现，通过式2难以求得的精确值，因此必须使用迭代的方法反演速度场，主要迭代步骤是“定义初始慢度模型——计算理论走时——对比理论走时与观测走时——调整慢度模型”[10]。

获取慢度向量以后，即可实现速度场图像的重建，常用的方法包括共轭梯度最小二乘法、反投影技术、联合迭代重建技术以及代数重建技术等等[11]。其中联合迭代重建技术的收敛性较好、重建得到的图像信息丰富，而且初值选取的精度对求解结果影响相对较小，因此该方法常用于图像反演，其算法一般表示形式为：

式（3）

式中：i=1，2，…M，代表射线号；j=1，2，…，N，代表单元号，k=0，1，…代表迭代次数。

当时，取，完成迭代，其中的ε为给定迭代允许误差。

2 工程方案设计

2.1 矿方背景

王坡煤矿地处山西省晋城市泽州县境内，距晋城市约25公里，井田面积29.23平方米，可开采煤炭储量2.2亿吨，含煤地层主要为上石炭统太原组和下二迭统山西组，可采煤层3层，分别为3#、9#、#15#，煤层总厚10.31m，其中3#、15#均属高变质的无烟煤。

矿井采用斜立井综合开拓方式，共设置两个水平，一水平开采3#煤层，水平标高为+690m。二水平设置在15#煤层，水平标高+560m。9#煤层为局部可采煤层，在该煤层设置辅助水平。采区巷道布置采取大巷式布置方式，利用开拓大巷直接布置回采工作面，根据瓦斯抽采的需要，沿煤层底板布置瓦斯尾巷。

统计数据显示，王坡矿年平均绝对瓦斯涌出量约为56.5m3/min，相对瓦斯涌出量为18.4m3/min，矿井瓦斯等级为高瓦斯矿井，王坡矿周边临近矿井情况类似，大部分也为高瓦斯矿井。

2.2 探测现场布置

（1）设备与安装

探测工作中采用了PASAT-M型微震探测设备，整套系统具有设备轻便、体积较小、便于安装携带、相关辅助工程需求量低等优点，其检波器模块具有较高精度、响应频谱宽（5～10000Hz），有效确保了震波数据的保真性。探测地点位于王坡煤矿3215回采工作面，工作面长度约180m，采集端布置在回风顺槽一侧，激发端布置在运输顺槽和切眼一侧，之间通过两芯信号线跨工作面联接。为提高探测精度，探头间距定为5m，在运输顺槽一侧炮孔间距为3m，在切眼一侧炮孔间距为6m。由于工作面端头存在陷落柱无法打钻，因此在运输巷一侧设计炮孔25个，在工作面端设计炮孔7個，具体布置如图2所示。endprint

（2）地震波激发—接收装置的安装

激发因素的精确控制是影响波形数据的接收质量的重要指标之一，因此应充分考虑到地震波沿路径的衰减效应，合理设定震源的装药量。同时还应保证炮孔具有一定的深度以避免爆破破坏煤帮的完整性。因此设计施工中应确保炮孔布置“三个一致”，即炮孔孔径一致（以矿用放炮煤电钻或风钻为准，一般为Ф42㎜）、炮孔所处平面一致（平行煤层顶底板、垂直于巷帮），孔深一致（炸药装至孔底，装药量150g，爆炸的位置距离煤壁3m）。

巷道围岩表面的破碎区对地震波的高频纵波部分存在较强的衰减作用，因此实验中将锚杆植入至煤体之中，再由检波器进行接收，从而最大程度上避免了这种衰减作用。为保证锚杆的煤体紧密贴合，安装完成后锚杆与孔壁之间的缝隙需用小木条填塞。

设计中锚杆参数及安装时要点如下：

1）锚杆长度为2.0m，直径为20mm，尾部螺纹段为细螺纹；

2）安装时不需要配套托盘和螺母等，安装后确保尾部螺纹露出长度至少为5cm；

3）锚杆安装时与煤层顶底板平行、与巷帮垂直。锚杆距底板高度约为1.5m，各锚杆同处在一平面上；

4）锚杆锚固长度应大于1.0m，锚杆端部需深入至孔底，尽头处不留空间。

3 实测数据处理与分析

3.1 探测工程质量评价

由于地震探测使用的是震动波信号而非电磁信号，因此巷道中的排水管道、电缆线、信号线等电磁干扰源对地震信号可忽略不计。为避免外来震动干扰因素，探测期间停止两顺槽中的皮带机的运转，为地震数据的采集提供了较好的背景环境。

实验中设定的采样频率为2000Hz，检波器增益20dB，工作频段5～10000Hz，采样窗口宽度为0.5s，单个地震波激发孔内装药量为150g，采用短断触发方式。每次爆破时布置12道进行接收。实际数据采集时，有3处炮孔坍塌无法安装炸药，其他所有震源孔均一次起爆成功，其中有3个炮孔成功起爆但未触发信号，因此共采集到26组有效的地震原始数据。工作面端共得到7组有效数据。道间距在4.8～7m之间，平均道间距为5.3m。运输巷道的炮孔炮间距在2.9～13.4m之间，平均炮间距为5.4m，共采集19炮有效数据；开展本次探测工作时工作面推进了约116m，探测走向范围约为172m，激发端起始位置距停采线2.8m，巷帮炮孔距工作面最近炮点到工作面端距离为6.2m；接收点距工作面最近距离为4.55m。总体上观测区域射线密度较为均匀，数据覆盖区域基本达到设计预期，为后续数据处理工作提供了良好的基础数据。

3.2 实测数据质量评价

本次试验实测原始波形见图3，可以看出绝大多数道波形整齐，无明显底噪，地震波初至能量相对较弱，但仍可清晰分辨。X分量纵波、横波和槽波等信息丰富，初值清晰；Y分量存在强烈的谐波震荡，能量远远大于有效信号，从安装设计方案中可以推测为炸药爆炸时造成锚杆震荡所导致。从地震波形数据来看，本次试验总体效果良好，数据总量、数据质量基本达到设计预期。

4 数据处理与分析

4.1 数据的处理

数据处理中应用了矿井地震波CT处理软件以及PASAT-M的配套可视化软件工具。首先，将PDA所记录的数据资料导入计算机，转换数据格式；接着利用可视化软件对每一道数据进行质量筛选，保留记录面貌好、背景噪音小、初至起跳明显的道集；再利用CT处理软件系统抽道及重排各单炮的记录，从而实现井下记录的共炮点记录（CSP）、共接收点记录（CGP）的转换；结合快速傅里叶变换与滤波功能，通过计算机自动拾取与人工判断相互结合的方法获得初至时间，并确定迭代背景速度、离散像元尺寸、反演控制条件以及边界条件；最后利用反演算法、射线追踪方式与待反演物理参数实现反演计算。得出dat文件后再利用图形工具后处理，最终形成CT成像，地震波CT处理流程见图4。

4.2 实测数据的分析

地震波的走时特性是CT数据处理与分析的基础，考虑到纵波传播速度较快，易于与其它类型波相互区分，且频率较高，便于识别处理，可作为重要的参考依据。地震波纵波速度大小由冷色（蓝色）到暖色（红色）依次表征（如图5所示），探测区域范围内反演的纵波波速范围为3450～4600m/s，平均波速约为4025m/s。

根据纵波波速变化情况作出以下判断分析：

1）从图中可清晰分辨出一个较大的低速异常区域（蓝线范围内），距工作面约0～54m之间，波速值分布在3450～4150m/s之间，标记为低速异常1，推测这个低速异常区域可能为裂隙较发育的区域；

2）在低速异常1内部靠近工作面一侧有明显的低速异常，标记为低速异常1，距工作面约0～28m之间，根据现场调查该区域附近有一个较大的陷落柱，推测这个低速异常应为陷落柱所引起；

3）反演切片图右上角（运输顺槽附近）有一处相对低速异常，中部又有一个相对高速的异常，由于此处煤层倾角变化较大，推测可能为煤层起伏影响引起。

结合现场生产过程提出以下措施：

煤体破裂造成抽采钻孔的封孔效果变差（瓦斯浓度偏低），加之回采工作面推进速度较快，往往提前拆除工作面的瓦斯抽采管道。根据实验结果建议：采用自动调控系统减小抽采负压，提高抽采浓度，尽可能地多抽采一段时间，以利用动裂隙发育带来的渗透率增大这一现象；根据推测认为低速异常区1裂隙相对较为发育，因此尽可能将瓦斯抽放钻孔布置在裂隙发育丰富区范围内，提高抽采效果。

5 结论

研究利用地震波CT技术研究了王坡矿3215工作面的煤体裂隙发育情况，得到如下结论：

（1）依据实验结果中地震波波速所存在的异常状况，推断了工作面探测范围内2处主要地震波速度异常区，为工作面的生产管理提供了依据。

（2）为了能够全面反映出工作面范围内完整的地质特征，消除边缘区域效应导致的结论不可控性，建议开展更大范围乃至全工作面范围内的探测工作，利用相邻探测区域的重叠来弥补边缘区域射线密度不足的缺点，从而增加探测结论的可靠性。

（3）依据地震波CT探测结果，给出了工作面瓦斯抽采作业时钻孔布置、抽采计划的建议，为煤矿的安全生产提供了重要的依据。

参考文献

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