基于震动波CT反演的巷道掘进超前探测技术研究

桂 兵，李成海，刘体军，王九红，郑有雷，巩思园

1. 兖州煤业股份有限公司，山东 邹城 273500；2. 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116；3. 徐州弘毅科技发展有限公司，江苏 徐州 221008 )

煤矿开采造成的矿山压力问题与井下煤岩体应力条件之间存在紧密关系[1-2]，通过研究煤岩体的应力分布规律进而建立井下矿山压力与矿山压力显现之间的联系，是目前常用的研究手段之一。国内外学者通过大量试验研究得出[3-6]，震动波波速随着井下应力的增大而增加，而煤岩体处于高应力状态时易诱发冲击地压。国内外学者通过研究主、被动源激发的震动波层析成像( CT )反演，先后在确定震源位置、分析高应力梯度区域和冲击地压危险区域以及探究波速异常变化与应力变化的关系进行了研究[7-11]，探究不同震源激发下震动波CT反演评价指标、冲击地压危险预警指标和判别标准的构建，研究成果均表明震动波CT反演用于探测井下冲击危险或高应力区域是可行的[12-18]。但利用震 动波CT反演技术研究巷道掘进超前应力分布规 律的技术尚不成熟，且目前大部分CT反演技术的 反演周期长，本文基于震动波CT反演原理，提出1种实时监测井下震动波信号的巷道掘进超前探 测技术，通过CT反演技术对掘进工作面周边的波速分布实时监测，进而反演分析其应力分布规律。通过该技术的研究及应用，对井下巷道安全掘进、生产以及预防掘进巷道冲击地压的发生具有重要意义。

1 震动波CT反演原理与计算

震动波CT反演主要分为主动波( 可控震源 )CT反演和被动波( 自然震源 )CT反演。对于主动波CT反演，根据已知的震源位置( 即人工击打或放炮激发的震源 )，布置接收震动波信号的台站，形成对采掘工作面封闭的波形穿透射线覆盖，进而进行波速CT反演，如图1( a )所示；而对于被动波CT反演，震源位置是未知的，一般为采掘活动引起的矿震，通过台站接收采掘工作面区域内的矿震信号，形成对该区域的穿透射线覆盖，再进行波速CT反演，如图1( b )所示。

主、被动波2种反演形式均通过建立速度模型对震动波速度进行计算，而建立速度模型是为了使台站接收震动波标记的到时时间理论计算值与井下实际值相同。其中，理论计算震动波到时时间的公式[19]为

式中，ti为震动波理论到时时间；t0为震源发生震动的时间；Γi为震动波传播的第i条射线，i 取1，2，…，n，n为台站数；S( x，y，z )表示某位置点( x，y，z )的慢度矢量值，其值等于1/v( x，y，z )，v( x，y，z )为速度矢量值。

SIRT算法( 联合迭代重建技术算法 )是迭代算法中计算震动波波速较简单、最有效的方法。通过建立三维网格速度模型，设置每个节点的速度，在三维网格中任意一个像元的速度值均由其周边8个节点的速度值求得，从而创建含8个节点速度的三维模型，如图2所示。

图2 像元v( x，y，z )周边8个节点速度示意 Fig. 2 Velocity diagram of 8 nodes around image element v( x，y，z )

按照以上三维速度模型，根据震动波CT反演的SIRT算法[19-20]，得出三维速度模型中像元v( x，y，z )的 速度求解公式为

式中，i，j，k表示三维坐标系上的单位长度。

按照式( 2 )计算震动波CT反演中的波速值，从而得出CT反演区域的震动波波速值，进一步分析反演区域的应力异常值。

2 巷道掘进超前探测技术及原理

2.1 掘进巷道超前应力探测技术

基于震动波CT反演原理与计算方法，研发出用于掘进巷道超前应力探测、冲击地压危险区域划分以及危险程度评价的监测技术。其中，震动波CT反演技术主要适用于冲击地压矿井采掘工作面的局部应力监测，当工作面地质构造复杂、煤层含水率高以及钻屑法和应力在线监测法不能正常使用时，多采用震动波CT反演技术对采掘区域的异常应力进行实时监测。

掘进巷道超前应力探测技术采用双触发机制实现双源震动波信号( 即可控震源和自然震源 )的采集和分析，利用SIRT算法对震动波波速进行计算、反演，从而对掘进巷道区域实现大范围、高分辨率和高效率的监测和应力反演分析，确定掘进巷道超前区域内的应力分布规律，划分冲击危险区域，以便及时有针对性地指导现场采取有效的防冲或防突措施。

另外，该技术主要包括地面和井下2部分，具体组成如图3所示，其中井下设备主要包括监测分站、传感器、光纤、不同型号的电缆和接线盒等。软件系统由监测软件和波速反演软件2部分组成，其中波速反演软件是震动波CT反演的重要部分。

图3 巷道掘进超前探测技术的设备组成 Fig. 3 Equipment composition of advanced detection technology of roadway excavation

2.2 工作原理

( 1 ) 监测原理

井下震动信号通过传感器将震动的机械信号转换成电信号，经过处理，转换成数字信号。同时，传感器将震动数据进行编码，发送到监测分站。监测分站接收多路传感器的数据，加入时间同步形成文件，监测分站一方面存储数据文件，另一方面将文件按照网络协议进行编码，通过井下光纤传输到地面用光端机，光纤中的光信号经地面用光端机转换成以太网信号，最后传输到监测计算机，并存储到指定文件以便后期使用。

( 2 ) CT反演原理

巷道掘进超前探测技术可分为主动源触发和被动源触发2种状态，不同触发状态下的CT反演原理相同，区别在于针对不同震源监测前应更换不同的触发状态，然后再对震动波信号进行采集、存储、处理直至进行CT反演。

针对不同震源触发状态下的波形进行分类储存，同一震源下的波形信号会对采掘工作面形成高密度射线覆盖，如图4所示。其中，每个震源生成的波形均由软件自动或人工进行到时标记与分析，波形到时标记如图5所示，图中红色、蓝色标记分别为震动波波形的起始时间和结束时间。相同震源下已标记好的大量波形数据，基于震动波CT反演原理和计算方法，划分网格模型，执行SIRT波速算法，从而完成采掘工作面区域内震动波波速的CT反演，生成波速分布云图。

3 掘进巷道超前探测技术应用及分析

3.1 试验工作面概况

济三煤矿十八采3下回风巷的北侧是183下05工作面，平均埋深-805.95 m，“刀把”段宽度为214 m，“扩面”段宽度278 m，走向推进长度2 013.6 m。 3下煤层为该工作面主采煤层，该煤层主要煤质是亮煤，有少量暗煤，并夹含有镜煤，煤层含有发育内生裂隙，断口呈阶梯型。3下煤厚度为1.90～5.54 m，平均煤厚4.24 m，倾角最大10°，平均3°。3下煤层与3上煤层间距为7.01～43.0 m，平均34.4 m，其中，183下05工作面局部钻孔柱状图如图6所示，煤层顶底板岩性特征见表1。

图4 不同震源激发下射线覆盖示意 Fig. 4 Schematic diagram of ray coverage under excitation of different seismic sources

图5 震动波波形到时标记 Fig. 5 Mark of arrival time of vibration wave

183下05工作面胶带运输巷、辅助运输巷均通过联络巷与十八采3下回风巷贯通，如图7所示。其中，采用沿空掘进的辅助运输巷，其净煤柱宽为3.5 m。183下05工作面主要地质构造有背斜、向斜、断层以及局部受冲刷煤层变薄等，其中断层均为发育的正断层，最大落差为5.0 m，工作面不受岩浆岩侵入影响且无陷落柱。

图6 183下05工作面钻孔柱状图 Fig. 6 Drilling histogram of 183 lower 05 working face

表1 183下05工作面顶底板岩性特征 Table 1 Lithologic characteristics of roof and floor of 183 lower 05 working face

3.2 方案设计及布置

( 1 ) 方案设计思路

为研究183下05工作面掘进巷道冲击地压危险超前探测技术，根据工作面地质资料以及相关采掘规程等，基于巷道掘进超前探测技术的工作原理，在183下05工作面胶带运输巷、辅助运输巷、联络巷以及后期贯通后的开切眼位置布置传感器，作为该技术监测183下05工作面及其掘进巷道发生震源的台站。

目前，183下05工作面胶带运输巷即将掘进至开切眼位置，工作面开切眼未贯通，而183下05工作面辅助运输巷掘进至距联络巷250 m左右。所以，若183下05工作面胶带运输巷已掘进至开切眼，并且开切眼也已贯通，而183下05工作面辅助运输巷正在掘进，则以183下05工作面辅助运输巷掘进工作面为中心点，在其周边布置传感器，形成包围封闭的空间，对其包围区域的震源、高应力分布以及冲击地压危险区域进行监测，方案设计原理如图8所示，其中射线覆盖密度越大区域，震动波CT反演结果越准确。

图8 183下05工作面辅助运输巷超前探测方案设计 Fig. 8 Design of advance detection scheme for auxiliary transportation in 183 lower 05 working face

另外，若183下05工作面开切眼未贯通，而183下05工作面胶带运输巷已掘进至开切眼位置，则在胶带运输巷中增加传感器布置数量，尤其在超过辅助运输巷掘进工作面的胶带运输巷范围内加大传感器布置密度。因传感器布置密度加大，对辅助运输巷掘进工作面周边的震源形成大范围的监测，从而使掘进工作面周边形成一定程度的射线覆盖，对巷道掘进工作面超前应力分布进行有效地监测与分析。

( 2 ) 台网布置方案

为了配合183下05工作面巷道实际掘进工作进度，目前，在183下05工作面共布置8个传感器，间距平均取100 m。其中183下05胶带运输巷布置4个传感器，最后1个传感器距离掘进工作面300 m左右，因中间有封闭墙暂时无法安装；已掘进的联络巷布置2个传感器，183下05辅助运输巷实际布置2个传感器，最后1个传感器距离掘进工作面约50 m。具体实际布置情况如图9所示。

3.3 183下05辅助运输巷掘进CT反演及分析

图9 183下05工作面辅助运输巷技术方案布置 Fig. 9 Technical scheme layout of auxiliary transportation in 183 lower 05 working face

选取183下05工作面连续3 d采集的有效震动波数据进行处理，有效的波形数据达到72个，符合震动波CT反演的技术要求。其中，有效震源位置主要集中在183下05辅助运输巷掘进位置周边，工作面区域内震源射线覆盖如图10所示，图中红点代表传感器台站位置，蓝点代表震源位置，红框区域表示掘进工作面附近震源。其中该掘进工作面震源主要由于巷道掘进引起上覆岩层扰动，造成覆岩断裂、破坏、下沉形成的。

图10 183下05工作面震源射线覆盖 Fig. 10 Seismic source ray coverage map of 183 lower 05 working face

( 1 ) CT反演及分析

基于震动波CT反演原理，根据已标记好的震动波到时时间( 图5为标记好的波形 )以及CT反演所需的震源射线覆盖区域图( 图10 )，采用SIRT算法，对传感器接收震源的每条射线分别进行波速计算，从而得出射线覆盖区域的震动波波速分布情况，并生成由不同颜色深浅表示波速大小的云图，如图11所示。通过对反演区域垂直方向( Z轴 )按照一定深度划分不同切片，得出不同切片的波速反演云图，其中图11( a )是183下05工作面-826～-757 m水平的波速CT反演云图，图11( b )是-757～-658 m水平的波速CT反演云图。

图11 不同水平的震动波波速CT反演云图 Fig. 11 Cloud image of CT inversion by vibration wave velocity at different levels

由图11可知，183下05工作面在不同水平的震动波波速分布情况不同，其中-826～-757 m水平震动波波速大于5 km/s的区域较多，主要分布于183下05辅助运输巷掘进工作面附近及其帮部周边、183下05胶带运输巷实体煤帮附近以及断层等地质构造带附近，大于6 km/s的区域主要有3个( 图中A，B，C区域 )；而-757～-658 m水平波速大于5 km/s的区域较少，主要靠近183下05辅助运输巷掘进工作面后方20 m左右位置，无波速大于6 km/s的区域。

通过以上分析可知，由于183下05工作面平均标高为-773.3 m，平均埋深为805.95 m，所以以-826～ -757 m水平震动波波速分布情况作为该工作面CT反演的结果。根据震动波波速大小与应力大小之间存在正相关关系可知[1-2]，图11( a )应力分布与波速分布情况相同，高应力区主要集中分布在183下05辅助运输巷掘进工作面20 m范围内靠近工作面内部( 图中A区域 )、与辅助运输巷掘进工作面位置相齐平的靠近183下05胶带运输巷实体煤帮( 图中B区域 )以及断层附近( 图中C区域 )。而较大应力主要分布于183下05辅助运输巷掘进工作面前后方约100 m范围以及183下05胶带运输巷帮部位置。

( 2 ) 效果验证

对于图11( a )中183下05辅助运输巷掘进工作面A区域，该矿为验证该区域的高应力对此区域采取钻屑法来观察煤粉量以及动力现象，其中此区域的钻屑技术布置方案及参数如图12所示，监测钻孔布置：钻孔直径42 mm，孔深10 m，间距10 m，孔距底板1.2 m，单排布置，钻孔方向平行于煤层，垂直巷帮。

图12 183下05辅助运输巷工作面钻屑监测布置 Fig. 12 Arrangement of monitoring the drilling cuttings in 183 lower 05 auxiliary transportation working face

通过观察监测区域的煤粉量以及动力现象得出：监测A区域的煤粉量接近该矿掘进巷道的临界指标值( 该矿临界指标值取3.4 kg )，且钻孔过程中出现卡钻、吸钻等动力现象，初步认为该区域属于较高应力集中分布区，与该区域波速分布CT反演的结果相同( 即A区域波速大于6 km/s )，从而验证了巷道掘进超前探测技术能成功探测掘进位置周边的应力分布以及冲击地压危险区域，应用效果良好。因此，通过利用该技术对掘进巷道进行超前应力探测，该矿能及时做好卸压工作，对掘进工作面制定防冲措施以及井下安全生产具有重要意义。

4 结 论

( 1 )基于震动波CT反演原理与计算方法，研发出1种冲击地压矿井掘进巷道超前应力探测技术，该技术采用双触发机制实现双源震动波信号的实时监测，并利用巷道掘进工作面周边震源形成对其高密度波速射线覆盖，超前探测巷道掘进工作面异常应力，分析应力分布规律，确定高应力集中区以及冲击危险区域。

( 2 )以济三煤矿183下05掘进工作面为例，针对工作面开切眼是否贯通的2种情况，对辅助运输巷掘进工作面超前应力探测分别提出针对性处理办法，有效地对掘进工作面周边震源实时监测，形成高密度射线覆盖。根据震动波CT反演云图，探测掘进工作面超前异常应力，分析应力分布规律。

( 3 )通过比较分析183下05工作面-826～-757 m水平震动波CT反演云图，得出辅助运输巷超前异常应力主要集中分布于掘进工作面超前20 m范围以及断层周边，对该区域采用钻屑法监测，根据煤粉量以及动力现象成功验证该区域属于高应力集中区，从而证明该技术能实时探测巷道掘进工作面周边以及超前异常应力，确定冲击地压危险区域，应用效果良好。