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基于地震波CT探测的冲击地压危险性评价与防治

2024-06-03 35 上传者：管理员

摘要：为了解决工作面回采过程中存在的冲击危险区域的不确定性和煤岩体内部静载荷分布的模糊性，采用地震波CT探测技术，对回采工作面采取静载荷探测和冲击危险性评估，对冲击危险区域进行了重新确定，并制定了有针对性的卸压方案，提高了工作面回采期间的冲击地压防治效果。结果表明，小庄煤矿40302工作面回采期间，发现中等危险区域共9处，弱危险区域14处，其他区域为无冲击危险区域。通过采用地面L型水平井分段压裂技术、煤层大直径卸压钻孔、煤层爆破及顶板预裂爆破技术对冲击危险区域进行卸压，有效降低了工作面回采期间的冲击风险，为工作面安全回采提供了保障。

关键词：
冲击地压
分段压裂
卸压钻孔
地震波CT
静载荷探测
预裂爆破
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冲击地压目前是煤炭领域面临的最严重灾害之一[1,2,3]。近年来，在冲击地压灾害治理方面，国内外学者通过不断探索和研究，提出了地面水平井分段压裂技术、井下长钻孔水力压裂技术、顶板爆破预裂技术以及煤层大直径卸压等技术[4,5,6,7]。但在卸压措施的实施过程中，对巷道危险区域施工时的针对性不强，达不到预期的防治效果。因此，在工作面回采过程中如何准确确定各段的冲击危险性尤为重要。在冲击地压预测及危险区域划分中，主要有微震法、地音法、应力监测法以及钻屑法等方法[8,9,10]。除微震法外，其他预测方法的数据代表性较差，无法进行准确预测。而钻屑法，只能够对局部应力变化区域进行预测。相比之下，地震波CT探测技术可一次性大范围地开展煤层内部探测，准确性更高[11,12,13,14,15]。

1、地震波CT探测技术

1.1 地震波CT基本原理

采用CT探测技术，根据地震波的传播特征，将探测范围划分为若干个小型网格，并利用高频近似技术，精确计算出震波的传播时间，从而实现对地震波的精确检测。式(1)表示了第i条射线的观测走时ti与第j个网格的慢度sj之间的关系。

式中，dij为第j条射线在第i个网格中的射线路径长度；M为射线的条数，即在不同的接收点取得了的观测数据个数；N为网格的个数。

将M条射线和N个网格，构成矩阵方程的形式

或者写成

T=AS (3)

式中，T为地震波走时向量；A为观测值；S为慢度向量，即未知待求量。

S=A-1T (4)

根据M与N的关系，S有可能为超定、欠定或正定。若T是一个完全投影，A为已知，则可求得S的精确值。

1.2 冲击危险性评价模型

1.2.1 评价模型

冲击地压危险性评价模型为

式中，C为冲击地压危险性指数；a、b为两因子的权重系数，取0.5;GP、VP可通过地震CT技术反演获取；VcP、GcP可通过测区的地震CT反演结果估算。对无明显动力现象煤岩层，VcP、GcP分别取1.2 MaxVP、1.2 MaxGP;对于有弱动力现象(未造成采掘空间明显破坏)煤岩层分别取1.1 MaxVP、1.1 MaxGP;对于有强烈动力现象煤岩层分别取式中MaxVP为反演出的波速CT图像中最大波速值，MaxGP为依据波速CT图像计算得出的最大波速梯度。

该模型C值最大为1。若C为负值，则表明该区域处于卸压状态，且C值与卸压程度成反比关系，见表1。

表1 煤岩层冲击危险等级分类

1.2.2 回采巷道冲击危险等级划分

针对煤岩层异常区最小临巷距的影响，对工作面回采巷道进行冲击危险性等级划分，划分依据包括巷道周边煤岩层冲击危险等级及危险区域最小临巷距r,见表2。表2中，r弱为巷道至弱冲击危险区域的最小距离，r中为巷道至中等冲击危险区域的最小距离，r强为巷道至强冲击危险区域的最小距离；b为巷道宽度。

表2 巷道冲击危险等级分类

2、40302工作面地震波CT探测

2.1 工程概况

小庄矿40302工作面主采4号煤层，位于三盘区东翼，工作面设计可采长度1 544.3 m, 倾向为196 m, 平均可采厚度25.5 m, 煤层倾角1°～6°,工作面开采4号煤层，采用全部垮落法管理顶板。

2.2 地震波CT探测方案

综合考虑40302工作面采掘环境，并根据现场实际情况和设备探测能力，探测区域的探测长度约为1 650 m, 激发端和接收端的位置见表3。信号线穿过40302切眼或中央辅助运输大巷连接激发端和接收端，采用一炮激发19道接收的观测方式。观测系统方案如图1所示。

表3 探测区域测试参数

图1 40302工作面观测系统方案

综合考虑40302工作面巷道位置分布及设备探测能力，设计在40302切眼以外约1 000 m范围分3个区域A、B、C依次开展CT探测工作，共计实施激发震源106个，有效震源74个，接收分站19个，获得震波数据1341道，40302运顺探测范围约为983 m, 40302回顺探测长度约1 063 m, 探测面积约200 508 m2。试验过程中采样频率为2 000 Hz, 检波器工作频段为5～10 000 Hz, 增益20 dB,采样长度为0.6 s, 激发孔内每孔250 g炸药，短断触发。

探测区域分为3个区域，分别为A、B、C区域，均采用从40302切眼向外的放炮顺序实施激发震源的方式，每炮19道接收，探头间距约18 m, 平均炮间距约10 m。其中，A区域以40302切眼以外运顺346 m、回顺360 m为探测范围，采用该区域共实施爆破震源22个；B区域以40302切眼以外运顺346～684 m、回顺360～700 m为探测范围，该区域共实施爆破震源25个；C区域以40302切眼以外运顺684～983 m、回顺700～1 060 m为探测范围，该区域共实施爆破震源27个。

2.3 数据质量评价

从波形上看，由于信号在接收过程中受到干扰，个别通道接收波形存在杂波，如图2所示。

3、地震波CT探测区域危险性评价

3.1 冲击危险区域划定

图3为40302工作面探测区域冲击危险性指数分布，图中以不同颜色来代表冲击危险性指数，区域内C最大值为0.75,最小值为-0.2,图中将探测区域划分出4个应力集中较高区域。根据冲击危险性指数分布情况划分40302工作面探测区域煤岩层冲击危险区域，分别用洋红色、蓝色阴影线表示具有中等、弱冲击危险的区域，并标出走向尺寸。划分出11处中等冲击危险区域2-1～2-11,划分出11处弱等冲击危险区域3-1～3-11,如图4所示。

图2 40302工作面区域实测地震数据波形

3.2 巷道冲击危险区域划定

采掘空间冲击危险性的判定是冲击地压危险性评价的重点。根据实测煤层冲击危险区域分布范围及其至巷帮的距离，初步划定了40302工作面探测区域巷道冲击危险区域，见表4。

4、防治技术措施

4.1 地面L型水平井分段压裂技术

地面水平井分段压裂技术是利用有限钻孔实现大范围的坚硬顶板区域弱化的优势，在工作面回采或掘进前实现工作面范围内上覆坚硬顶板的整体弱化改造的过程，从而有效降低工作面回采期间上覆坚硬顶板可能带来的冲击风险[16]。40302工作面部署水平井2口，XZ-01L和XZ-02L水平井，井口在工作面对应中间位置部署，分别向切眼和停采线施工。XZ-01L水平井水平段北距离工作面回风顺槽150 m, 南距离运输顺槽45 m, 最末端为停采线，着陆点西距离停采线800 m; XZ-02L水平井水平段北距离工作面回风顺槽140 m, 南距离运输顺槽55 m, 末端为切眼，着陆点东距离切眼750 m, 水平井井位部署如图5所示。

图3 40302工作面冲击危险性指数分布

图4 40302工作面煤岩层冲击危险区范围

表4 40302两顺槽冲击危险区域划分

图5 水平井井位部署示意

钻孔采用三开结构。一开孔径为ϕ444.5 mm, 下J55ϕ339.7 mm×10.92 mm表层套管。二开孔径为ϕ331.1 mm, 下J55ϕ244.5 mm×8.94 mm技术套管。三开孔径为ϕ215.9 mm, 下P110ϕ139.7 mm×7.72 mm技术套管。水平井井身结构设计如图6所示。

4.2 顶板深孔预裂爆破

顶板深孔预裂技术主要是选取煤层上方0～30 m 的坚硬岩层，通过炸药爆破，降低岩层的完整性，从而降低上覆中位岩层的应力集中程度。运输顺槽孔布置为每组3孔，药卷规格ϕ68 mm×475 mm×1.6 kg, 方位角分别为0°/270°,组间距10 m, 孔径75 mm, 单孔装药量约65 kg; 回风顺槽爆破孔布置为每组1个孔，方位角为180°,组间距10 m, 单孔装药量约63 kg, 如图7所示。

4.3 煤层大直径卸压

4.3.1 帮部大直径卸压

40302工作面两顺槽帮部大直径卸压钻孔孔深分别为25 m、30 m以及10 m(20 m煤柱侧),如图8所示。方位角为0°/180°,孔径为153 mm, 孔间距分别为1 m、2 m、3 m。

图6 井身结构设计示意

图7 顶板预裂爆破孔布置示意

图8 帮部大直径卸压钻孔布置示意

4.3.2 煤层底板大直径卸压

底板大直径卸压钻孔(当底煤厚度大于0.5 m时需实施)两排布置(底板两侧),底板两侧孔深以见底板岩层为准。顺槽无强冲击危险区域，冲击危险区域划分为弱和中等区域的，统一按照中等危险区域治理，孔间距≤2 m, 孔径153 mm, 俯角45°,钻孔与巷道垂直，封孔长度0.5 m(根据现场钻孔施工深度选择封孔长度),如图9所示。

5、结论

(1)采用地震波CT探测技术对小庄煤矿40302工作面探测区域进行冲击危险性评价，40302运顺探测范围约为983 m, 40302回顺探测范围约1 063 m, 探测面积约200 508 m2,探测区域内的煤岩层总体处于弱冲击危险等级。

图9 底板大直径卸压钻孔布置示意

(2)对40302工作面回采前运输顺槽、回风顺槽及切眼冲击危险区域进行了划分，其中，中等危险区域共9处，弱冲击危险区域14处，其他区域为无冲击危险区域。

(3)根据划分结果，通过采取地面L型水平井分段压裂技术、顶板深孔预裂爆破以及煤层大直径卸压技术，有效降低了工作面回采期间的冲击风险，提高了防冲卸压的效果。

参考文献:

[1]潘俊锋,马文涛,刘少虹,等.坚硬顶板水射流预制缝槽定向预裂防冲技术试验[J].岩石力学与工程学报,2021,40(8):1591-1602.

[2]雷照源,焦彪,张春霞,等.彬长矿区冲击地压防治技术体系及远景目标[J].陕西煤炭,2023,42(5):104-109.

[3]夏永学,潘俊锋,谢非,等.特厚煤层大巷复合构造区重复冲击致灾机制及控制技术[J].岩石力学与工程学报,2022,41(11):2199-2209.

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