姚小帥 ，金明方 ，蔣 亭 ,3 ，張萬鵬

（1.河南能源集團研究總院有限公司，河南 鄭州 450000；2.貴州能發(fā)高山礦業(yè)有限公司，貴州 畢節(jié) 551700；3.永貴能源開發(fā)有限責任公司 新田煤礦，貴州 畢節(jié) 551700）

隨著煤礦生產向深部延伸、開采強度加大，沖擊地壓、煤與瓦斯突出及頂板事故等煤巖動力災害日益嚴重[1-2]。其中，沖擊地壓以其發(fā)生突然、過程劇烈、破壞力巨大的特征嚴重威脅著煤礦安全生產，容易造成重大人員傷亡和經濟損失。1960年1 月20 日，南非Coalbrock North 煤礦發(fā)生沖擊地壓，死亡432 人，破壞面積達300 萬m2。世界上20 多個國家的礦山曾發(fā)生過沖擊地壓災害。我國是礦山開采受沖擊地壓危害最嚴重的國家之一，存在沖擊地壓的礦井已達100 多個。義馬煤田是受沖擊地壓威脅最嚴重的地區(qū)之一[3]，截至目前，已累計發(fā)生較明顯的沖擊地壓事件100 多起，累計損壞巷道數千米，多次造成人員傷亡，經濟損失巨大。嚴重的沖擊地壓災害迫使礦井加大了沖擊地壓防治工作的安全投入，推高了原煤生產成本，擠壓企業(yè)生存空間，甚至沖擊地壓嚴重礦井瀕臨關井。

沖擊地壓是一種具有復雜性、突發(fā)性和很強破壞性等特點的典型煤巖動力災害之一，往往由地質及采礦因素綜合作用引起煤巖體應力集中造成[4]。一般認為，地應力高的區(qū)域容易發(fā)生沖擊地壓。因此，從地應力角度對工作面沖擊危險性進行分析，圈出沖擊地壓高風險區(qū)，探測采煤工作面煤巖體高應力分布對預測沖擊地壓風險具有重要意義。地應力測量方法近10 種，其中在地應力測量中得到廣泛應用的方法有水壓致裂法[5-6]、空心包體法[7]、鉆孔應力解除法、聲發(fā)射法[8]、在線應力監(jiān)測法、應力恢復法、鉆屑法和地震縱波法。除地震縱波外，這些方法有效探測區(qū)域為點狀，局限在鉆孔附近，作用范圍小，難以反映整個工作面的應力分布。而采用地震透射方法，利用地震波速的分布預測測區(qū)應力分布是一種較為可行的物探方法；以往這方面的研究較少且多針對巖體，研究的手段也比較單一，且由于物探存在多解性使研究成果的準確性不足。為了深入探究采煤工作面所在區(qū)域的高應力分布，通過研究煤樣和巖樣在單軸壓縮下的縱波速度變化規(guī)律，從而得到依據縱波速度解譯采煤工作面應力分布的理論支持；另外，地震槽波是一種僅在煤層傳播的地震波，近幾年在工作面構造[9-10]、煤厚[11-12]探測方面廣泛應用，故將槽波也用于工作面應力探測，聯(lián)合地震縱波更好地探測采煤工作面高應力區(qū)分布。

1 煤巖樣單軸壓縮試驗

在某沖擊地壓采煤工作面分別制備了頂板和煤層的φ50 mm×100 mm 標準圓柱形作為單軸壓縮試樣。采用能夠承壓的傳感器，然后把試樣放置在收、發(fā)傳感器之間，傳感器與試樣端面之間涂抹耦合劑，通過自動加壓設備自動控制加載速率，開展加載條件下的波速測試。

1.1 單軸加載下的縱波速度變化規(guī)律

通過巖樣在單軸加載方式下進行縱波波速實驗，在塑性變化前采用軸向荷載控制，不斷進行單軸壓縮直至煤巖塊破碎，根據期間采集的應力和縱波波速數據，繪制的應力σ和縱波波速vS關系圖如圖1。

圖1 巖樣單軸壓縮下縱波速度與應力的關系Fig.1 Relationship between P-wave velocity and stress of rock sample under uniaxial compression

試驗結果表明：在彈性變形前期，煤樣處于壓密階段，縱波由初始波速快速增加，增幅較大，此階段在載荷作用下煤樣中裂隙逐漸閉合、顆粒間接觸更加緊密，孔隙率迅速降低；在彈性變形后期，隨荷載增加，煤樣孔隙密度的變化量相比前期變小，造成波速增加的幅度減小，但波速仍持續(xù)加快；荷載繼續(xù)增加，接近塑性變形時，巖樣內裂隙產生并逐漸遭受破壞，波速增幅漸趨于0，縱波波速無明顯變化[13]。整體上看，在煤樣彈性階段縱波波速隨應力增加而增加，雖不是標準線性關系，但煤巖塊在單軸加載方式下地震波速與應力呈正相關關系。

大量的工程實踐也表明：對于具有沖擊地震危險性的采煤工作面而言，波速相對較高的區(qū)域一般分布在致密完整的煤巖體處和應力集中區(qū)；波速較低區(qū)域主要分布在疏松破碎的煤巖體處。對整個勘探范圍而言，若內部無異常區(qū)域，地震波的速度分布應是相對均勻的，當有應力異?；虻刭|構造存在時，該部分區(qū)域將在反演成果中表現為高速異常。可見，高的縱波速度一般表征高的應力集中程度。

1.2 單軸加載下的槽波速度變化規(guī)律

槽波是一種在煤層中激發(fā)、形成和傳播的地震波。由于煤層和頂底板圍巖呈現“兩硬夾一軟”的地層結構，加之煤層和圍巖的波阻抗值差別大，符合產生全反射的條件，故在煤層中激發(fā)的體波經頂底界面的多次全反射被禁錮在煤層及其鄰近的巖石中，在煤層中相互疊加、干涉，形成槽波[14-15]。槽波是干涉面波，其速度與煤層和圍巖速度緊密相關。當工作面應力變化時，煤巖層橫波速度隨之發(fā)生變化，槽波速度也產生變化。

1.2.1 橫波速度與應力關系

煤巖塊在單軸加載方式下采用軸向荷載控制，在塑性變化前不斷進行壓縮直至煤巖塊破碎，根據期間采集的應力和橫波速度數據，繪制的煤巖塊應力和橫波速度關系圖如圖2、圖3。

圖2 巖樣單軸壓縮下橫波速度與應力的關系Fig.2 Relationship between shear wave velocity and stress of rock sample under uniaxial compression

圖3 煤樣單軸壓縮下橫波速度與應力的關系Fig.3 Relationship between shear wave velocity and stress of coal sample under uniaxial compression

試驗結果表明：在單軸壓縮下的彈性階段，煤巖塊軸向橫波速度隨著應力增加而升高，直至煤巖塊遭受破壞，曲線出現拐點，波速迅速下降；在煤巖塊彈性階段，橫波速度與應力呈正相關關系。對于采煤工作面而言，當有高應力異常時，該部分區(qū)域煤層和巖層的橫波速度雖不同，但都表現為相對高速。

1.2.2 槽波速度與應力關系

對于煤系地層，槽波僅在煤層中發(fā)育、傳播，煤層中槽波頻散方程如式（1），其速度與煤層和圍巖的橫波速度緊密相關。

式中：f為頻率，Hz；c為勒夫型槽波的相速度，m/s；υ1、υ2分別為圍巖和煤層的橫波速度，m/s； ρ1、 ρ2分別為圍巖和煤層的密度，g/cm3；n為頻散階數；hc為煤厚，m。

當工作面煤層地應力分布呈正常狀態(tài)，無額外載荷時，根據應力與橫波速度的關系，設圍巖橫波速度1 300 m/s、煤層橫波速度650 m/s，根據式（1）計算得到的特定煤厚的槽波頻散曲線如圖4。曲線極點處為埃里震相，其能量在槽波所有成分中屬最強，是槽波頻散曲線的特征震相[16-17]，圖中顯示在此正常應力狀態(tài)下的槽波埃里相速度為521 m/s。

圖4 正常應力條件下槽波頻散曲線Fig.4 Dispersion curve of slot wave under normal stress condition

當工作面受采礦因素干擾，應力異常積聚時，根據應力與橫波速度的關系，此時煤巖層橫波處于高速狀態(tài)，設圍巖橫波速度2 200 m/s、煤層橫波速度1 200 m/s，根據式（1）計算得到的特定煤厚下的槽波頻散曲線如圖5。在此高應力狀態(tài)下的槽波埃里相速度為1 029 m/s。

圖5 高應力條件下槽波頻散曲線Fig.5 Dispersion curve of slot wave under high stress condition

以上計算結果發(fā)現，正常應力條件下槽波埃里相速度為521 m/s；高應力條件下槽波埃里相速度為1 029 m/s。說明隨著工作面應力增大，槽波埃里相速度相應升高，槽波埃里相速度與應力呈正相關關系。

1.3 CT 層析成像

CT 層析成像技術是將槽波或者縱波走時轉化為速度分布的核心方法，主要根據拾取地震波速度進行反演獲取探測區(qū)域波速分布的一種方法。地震波在地層中傳播時，地震射線的走時是幾何路徑和速度v(x，y)的函數，對于第i條射線，若射線的走時為ti，則有下列積分式：

式中：ti為第i條射線的走時，ms；v(x，y)為速度分布函數；Ri為第i條射線路徑；A(x，y)為慢度分布函數；s為射線路徑的長度，m。

將成像區(qū)域離散成若干個規(guī)則的網格單元，則式（2）可化成離散的線性方程組為：

式中：ti為第i條射線的走時，ms；dij為第i條射線穿過第j個網格的長度，m；xj為第j個網格的慢度，s/m；M為射線數；N為網格數。

可將式（3）寫成矩陣形式：

式中：tM或者T為M維地震波走時列向量，是觀測值；dMN或者D為M×N階射線的幾何路徑矩陣；sN或者S為N維慢度列向量，為待求量。利用瞬時迭代重構法求解，得到所有網格點處地震波速數值。

2 槽波與縱波聯(lián)合探測及解譯方法

2.1 槽波與縱波在剖面中的位置

槽波與縱波聯(lián)合地應力探測是基于透射法，在采煤工作面的1 條巷道布置震源，另1 條巷道布置高精度檢波器。震源激發(fā)時，在煤層中形成的地震波，一部分透射后逸散；一部分沿全反射臨界角透射后形成沿界面?zhèn)鞑サ恼凵洳?；其余部分在煤層傳播，形成煤層直達波和槽波。同時檢波器開始采集地震信號，按照地震波到達時間和偏移距不同形成的地震剖面如圖6，剖面中各波組呈現近似的雙曲線形態(tài)特征。

圖6 透射法各類型波組時距曲線Fig.6 Time interval curves of each type wave group by transmission method

圖6 中，可以看到折射縱波在最上方，其傳播速度最快，曲率最??；其次是折射橫波；而后是直達縱波和直達橫波，但在實測透射法槽波數據中，②、③和④波形往往混在一起，難以分辨；位于末端的是槽波埃里相，曲率最大，由于埃里相速度為槽波群速度的最小值，故該時距曲線位于地震剖面的尾部，槽波其它成分的到達時間處于折射橫波和槽波埃里相之間。

2.2 槽波與縱波綜合解譯方法

采煤工作面透射地震數據的主要處理方法為速度法和能量衰減系數法，對于波速主控因素為地應力的采煤工作面而言，波速對應力變化較敏感，而能量的衰減與應力大小無關，故采用速度法處理所獲地震數據。數據體中同時含有縱波和槽波，需分別提取和處理，然后綜合解譯。

首先對地震數據的典型數據道進行頻譜分析，確定有益縱波、槽波的主頻范圍，利用帶通濾波濾除主頻范圍外的背景噪聲；選擇合適的時間窗口大小進行自動增益，以增強地震剖面中縱波和槽波埃里相中的弱信號；由于使用的都是同一延遲時間的雷管，故采用固定數值對數據進行延遲校正。以上預處理完成后，根據圖6 中折射縱波位置，拾取數據中折射縱波的全部初至，經CT 層析成像得到測區(qū)內部的縱波速度分布圖，然后根據煤巖樣單軸壓縮試驗中的結論，即縱波速度與應力呈正相關關系，解譯工作面高應力區(qū)。

切除上述預處理數據縱波成分和埃里震相后面的噪聲，并進行短時傅里葉變換獲得槽波頻散圖，圖中能量最強之處即埃里震相，拾取槽波頻散曲線中埃里震相的走時，經CT 層析成像計算得到測區(qū)內部的槽波速度分布圖，然后根據煤巖樣單軸壓縮試驗中的結論，即槽波埃里相速度與應力呈正相關關系，解譯工作面高應力區(qū)。

最終把縱波和槽波預測的高應力區(qū)進行疊加，重疊區(qū)域即為重點關注的高應力區(qū)，也是采煤工作面沖擊地壓防治工作的重點區(qū)域。

3 應用實例

3.1 地質概況

義馬礦區(qū)某工作面位于井田深部，緊鄰井田邊界—義馬F16逆斷層，為沖擊危險性工作面。其走向長400 m，傾斜長193 m，平均采深550 m。所采煤層為侏羅系義馬組2-3 煤，均厚14.9 m。直接頂以泥巖為主，含砂質泥巖、細砂巖，均厚約40 m；煤層底板為泥巖、炭質泥巖，厚度大于6.5 m。該工作面煤厚穩(wěn)定，構造不發(fā)育，影響地震波速的主要因素為地應力。

采用透射法觀測系統(tǒng)，在上巷設計炮點40 個，間距10 m；下巷設計接收點25 個，間距15 m。每個炮孔裝入乳化炸藥200 g，使用礦用1 段延遲毫秒管引爆。利用高精度檢波器進行接收，采樣間隔0.25 ms，采樣時長1 000 ms。觀測系統(tǒng)測點布置圖如圖7。

圖7 觀測系統(tǒng)測點布置圖Fig.7 Observation system

3.2 縱波數據分析與解譯

采集的1 000 道（40 炮×25 道）數據經靜校正、增益等預處理后，除了少數地震道信號受噪聲干擾，縱波難以辨識外，絕大部分地震道信號的縱波初至清晰，易于拾取。第15 炮的原始地震剖面如圖8，縱波初至已被標出并用線段連接。若測區(qū)內地應力均勻分布，那么縱波在測區(qū)內的波速應相對穩(wěn)定，其初至時間隨炮檢點偏移距變化而變化，整體應該呈標準的雙曲線形態(tài)，但圖8 中縱波初至分布并非雙曲線形態(tài)，左右兩側的初至時間位置存在差異，地震道1#～13#比14#～25#的初至時間整體偏小約20 ms，說明地震道1#～13#所在區(qū)域的縱波速度大于14#～25#所在區(qū)域，從定性角度分析，測區(qū)里段應力大于外段。

圖8 S15 炮集縱波初至標定Fig.8 Arrival time of P-wave of S15 gun set

提取的縱波速度經層析成像構建的縱波速度等值線如圖9。速度范圍為2 440～4 000 m/s。從速度分布特征上看，右側區(qū)域整體波速大于左側，超過3 000 m/s。結合相關因素綜合分析，將波速大于3 700 m/s 的區(qū)域定為高速區(qū)域，根據縱波波速與應力的正相關關系，將此高速區(qū)域解譯為高應力區(qū)。

圖9 縱波速度等值線圖Fig.9 Velocity contour of P-wave

3.3 槽波數據分析與解譯

采集數據經預處理、濾波、頻散分析等，得到地震射線的實測頻散曲線，3 條射線的頻散曲線如圖10。其形態(tài)連續(xù)、清晰，可靠程度高。

圖10 頻散曲線圖及125 Hz 對應的旅行時Fig.10 Dispersion curves and travel time at 125 Hz

通過統(tǒng)計分析所有頻散曲線埃里震相的頻率范圍，確定125 Hz 為適宜的拾取頻率，拾取的槽波速度通過CT 層析成像構建的槽波速度等值線如圖11。速度范圍為870～1 500 m/s。從槽波速度分布上看，測區(qū)大部分區(qū)域速度偏低（藍色區(qū)域），根據相關信息分析，將波速大于1 250 m/s的區(qū)域定為高速區(qū)域，然后根據應力與槽波速度的正相關關系，將此高速區(qū)域解譯為高應力區(qū)。

圖11 槽波速度等值線圖Fig.11 Velocity contour of channel wave

3.4 綜合分析

經對比分析，縱波高應力區(qū)和槽波高應力區(qū)存在重疊，且面積較大，槽波與縱波聯(lián)合探測技術綜合成果圖如圖12。

圖12 槽波與縱波聯(lián)合探測技術綜合成果圖Fig.12 Comprehensive result by channel wave and P-wave joint exploration

主要重疊區(qū)域位于下巷切眼口向外130～190 m范圍，向工作面內部延伸了37 m。此重疊區(qū)域是縱波和槽聯(lián)合探測高應力區(qū)的疊加成果，可靠性較高，是測區(qū)沖擊地壓高風險區(qū)，也是該工作面沖擊地壓防治工作的重點。

3.5 成果驗證

經驗證，高應力重疊區(qū)發(fā)育有1 條8.5 m 落差的正斷層，斷層及其附近常屬于應力集中區(qū)；該區(qū)段施工鉆孔時，鉆屑量明顯偏大，且易縮孔；工作面回采通過應力重疊區(qū)時，巷道變形嚴重，“煤炮”時有發(fā)生。工作面其它區(qū)域無明顯的礦壓顯現。以上驗證資料表明，此重疊區(qū)確為應力集中區(qū)，利用速度分布可以有效探測高應力區(qū)，槽波和縱波相結合可以進一步提高探測精度。

4 結 語

1）煤巖塊在單軸壓縮下的彈性階段，軸向縱橫波速度隨著應力增加而升高，直至煤巖塊遭受破壞，曲線出現拐點，波速迅速下降。表明在煤巖塊彈性階段，縱橫波速度與應力呈正相關關系。

2）正常應力條件下槽波埃里相速度遠小于高應力條件下的槽波埃里相速度。說明隨著工作面應力增大，槽波埃里相速度相應升高，應力與槽波埃里相速度呈正相關關系。

3）理論與試驗表明槽波能夠用來探測采煤工作面高應力區(qū)，槽波與縱波相結合可以更好地探測工作面高應力區(qū)。