震动波CT反演技术在采煤工作面的应用研究.pdf

中国新技术新产品2020 NO.5（上） - 116 - 工 程 技 术 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 m560 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 C T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 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） 摘 要 该文在梳理采煤工作面有关概况的基础上，对震动波 CT 反演技术理论知识进行综述，并总结了震动波 CT 反演技术实际评价指标，对震动波 CT 反演技术在采煤工作面中的具体冲击危险性进行预测，在制定震动波 CT 反演方案的基础上探究实际结果，对震动波 CT 反演技术在采煤工作面上的处理结果进行梳理，以此提出了 震动波 CT 反演技术在采煤工作面上应用的相关保证措施。 关键词 震动波 ； CT 反演技术 ； 采煤工作面 中图分类号 TD324 文献标志码 A 中国新技术新产品2020 NO.5（上） - 117 - 工 程 技 术 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 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。 参考文献 [1] 金双玲，马志强，李静，等 . 基于震动波 CT 技术的冲击 危险预测研究 [J]. 煤炭工程，2016，48（10） 67-69. [2] 潘乐荀，任川，兰鹏波 . 地震波 CT 技术在煤矿工作面煤 层变薄带探测中的应用 [J]. 安徽理工大学学报（自然科学版） ， 2016，36（5） 72-77. （a） 波速正异常系数云图 （b） 波速梯度系数云图 图２ 波速正异常系数云图与波速梯度系数云图