竇林名，蔡 武，鞏思園，韓榮軍，劉 軍

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南 義馬 472300)

沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)預(yù)測的震動(dòng)波CT技術(shù)研究

竇林名1,2，蔡 武1,2，鞏思園1，韓榮軍2,3，劉 軍3

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南 義馬 472300)

針對煤礦沖擊災(zāi)害日益頻繁的現(xiàn)狀，在應(yīng)力與縱波波速的試驗(yàn)關(guān)系模型基礎(chǔ)上，分析了采用縱波波速確定沖擊危險(xiǎn)的理論基礎(chǔ)，建立了沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)預(yù)測評價(jià)的震動(dòng)波CT探測的技術(shù)，構(gòu)建了震動(dòng)波CT探測評價(jià)沖擊危險(xiǎn)性技術(shù)指標(biāo)波速異常系數(shù)An和波速梯度變化系數(shù)VG，并給出了各指標(biāo)的判別準(zhǔn)則，最后開展了現(xiàn)場應(yīng)用。研究結(jié)果表明，對于同一性質(zhì)的巖體，縱波波速反映了沖擊礦壓發(fā)生的強(qiáng)度條件、能量條件和動(dòng)載誘沖條件；震動(dòng)波CT探測技術(shù)能夠?qū)ΜF(xiàn)場沖擊危險(xiǎn)性做出動(dòng)態(tài)評價(jià)和預(yù)測，并能對卸壓解危措施的實(shí)施和效果進(jìn)行指導(dǎo)和檢驗(yàn)。

沖擊危險(xiǎn)性；縱波波速；震動(dòng)波CT；波速異常系數(shù)；波速梯度變化系數(shù)

隨著煤炭開采深度和強(qiáng)度的增大，沖擊礦壓已成為煤礦普遍的安全問題[1]。這種工程災(zāi)害是煤巖變形破裂動(dòng)態(tài)演化導(dǎo)致的突發(fā)性災(zāi)害，對其誘發(fā)動(dòng)態(tài)過程的監(jiān)測、有效預(yù)警，是防止災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵，也是世界性難題，其監(jiān)測預(yù)警研究是迫切需要解決的科技問題。

目前，沖擊礦壓的監(jiān)測方法主要包括：微震監(jiān)測[2-5]、電磁輻射監(jiān)測[6-7]、聲發(fā)射監(jiān)測[8-9]、鉆屑量監(jiān)測[10]、應(yīng)力監(jiān)測[11-12]等。近年來，震動(dòng)波CT技術(shù)作為一種新的地球物理方法被廣泛應(yīng)用于工程與地質(zhì)診斷，目前已成為井下采礦過程中勘探斷層、松動(dòng)圈、隱藏裂隙、應(yīng)力狀態(tài)等方面的有力工具[13]。特別是將震動(dòng)波CT技術(shù)和微震實(shí)時(shí)監(jiān)測相結(jié)合，是沖擊危險(xiǎn)評價(jià)和預(yù)測的最新發(fā)展方向。根據(jù)其震源的來源不同，震動(dòng)波CT技術(shù)可分為主動(dòng)和被動(dòng)兩種。彭蘇萍[14]、Du等[15]將主動(dòng)CT技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)構(gòu)造勘探，采探對比分析表明，該技術(shù)探測精度高，構(gòu)造線性成像明顯。Friedel等[16]利用主動(dòng)CT技術(shù)研究了Lucky Friday銀礦開采和殘留礦柱區(qū)域上的應(yīng)力分布特征，結(jié)果顯示波速變化與開采引起的應(yīng)力轉(zhuǎn)移分布一致。竇林名等[17-18]采取主動(dòng)CT方法在兗州濟(jì)寧3號井煤礦16302C工作面研究了波速分布與強(qiáng)礦震分布的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)礦震落入沖擊危險(xiǎn)預(yù)警區(qū)域內(nèi)的準(zhǔn)確率較高，證明了主動(dòng)CT方法在監(jiān)測和預(yù)警沖擊礦壓或強(qiáng)礦震危險(xiǎn)分布的可行性。王書文等[19-20]根據(jù)波速異常率和波速分區(qū)特征，將主動(dòng)CT技術(shù)應(yīng)用于采煤工作面內(nèi)斷層展布的探測和工作面超前支承壓力分布的劃定，并依此提出了沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)模型。由于受到巷道分布和炸藥激發(fā)震動(dòng)波能量客觀條件限制，主動(dòng)CT技術(shù)監(jiān)測強(qiáng)礦震或沖擊危險(xiǎn)的范圍較小，并且實(shí)施該技術(shù)的勞動(dòng)和經(jīng)濟(jì)成本也較高，導(dǎo)致該方法在應(yīng)用推廣方面受到了一定的限制。鑒于此缺點(diǎn)，Luo等[21]將工作面采煤機(jī)連續(xù)割煤誘發(fā)的震動(dòng)信號作為激發(fā)源，并在兩巷布置若干檢波器，對傳統(tǒng)的主動(dòng)CT進(jìn)行了一次創(chuàng)新性的改進(jìn)。Luxbacher[22]、Hosseini等[23]采用被動(dòng)CT技術(shù)，以自然發(fā)生的礦震作為激發(fā)源對工作面開采過程中的P波速度分布進(jìn)行了反演，發(fā)現(xiàn)高應(yīng)力支承壓力區(qū)與高波速區(qū)吻合較好。Lurka[24]利用被動(dòng)CT技術(shù)對波蘭Zabrze Bielszowice等煤礦沖擊危險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)，發(fā)現(xiàn)沖擊或強(qiáng)礦震往往出現(xiàn)在高波速區(qū)和高波速變化梯度區(qū)。因此，震動(dòng)波被動(dòng)CT技術(shù)用于探測大范圍沖擊或強(qiáng)礦震危險(xiǎn)分布是可行的，在沖擊礦壓危險(xiǎn)研究上必將成為一個(gè)強(qiáng)有利的監(jiān)測手段，是未來國內(nèi)外發(fā)展的一個(gè)大趨勢和方向。

本文在應(yīng)力與縱波波速的試驗(yàn)關(guān)系模型基礎(chǔ)上，分析了震動(dòng)波CT技術(shù)探測評價(jià)沖擊危險(xiǎn)性的理論基礎(chǔ)，構(gòu)建了震動(dòng)波CT探測技術(shù)指標(biāo)及其判別臨界值。最后，將該技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場沖擊危險(xiǎn)性的探測評價(jià)和卸壓解危措施實(shí)施的指導(dǎo)與效果檢驗(yàn)，實(shí)踐表明該技術(shù)應(yīng)用效果良好。

1 震動(dòng)波CT探測技術(shù)

1.1 理論基礎(chǔ)

強(qiáng)度理論[25]認(rèn)為，當(dāng)煤巖體所受的應(yīng)力超過煤巖體本身的強(qiáng)度極限，即滿足強(qiáng)度條件，才有可能發(fā)生沖擊礦壓。關(guān)系式如下：

(1)

式中，σ為煤巖體所受應(yīng)力；σC為煤巖體強(qiáng)度。

對于均質(zhì)、各向同性連續(xù)介質(zhì)體，震動(dòng)波的傳播與煤巖體物理力學(xué)參數(shù)及其在煤巖體中產(chǎn)生的動(dòng)載荷[26]可表示為

(2)

(3)

(4)

式中，vP，vS分別為P波、S波傳播的速度；ν為泊松比，0≤ν≤0.5；E為彈性模量；ρ為煤巖介質(zhì)密度；σdP，τdS分別為P波、S波產(chǎn)生的動(dòng)載；(vpp)P，(vpp)S分別為質(zhì)點(diǎn)由P波、S波傳播引起的峰值震動(dòng)速度。

綜上所述，對于同一性質(zhì)的煤巖體，根據(jù)地震波的傳播速度可確定煤巖體的物理力學(xué)特性。深入分析發(fā)現(xiàn)，地震波波速間接反映了沖擊礦壓發(fā)生的強(qiáng)度條件、能量條件和動(dòng)載誘沖條件：

(1)強(qiáng)度條件。研究結(jié)果[27]表明，應(yīng)力與波速之間存在冪函數(shù)關(guān)系。即震動(dòng)波速越高，所受應(yīng)力越大，超過其煤巖體強(qiáng)度的可能性就越大，沖擊危險(xiǎn)性就越高，反映了強(qiáng)度條件。

(2)能量條件。式(2)，(3)表明，彈性模量與波速在彈性階段呈正相關(guān)關(guān)系。即波速越大，對應(yīng)的彈性模量就越大，則煤巖體變形儲存能量的能力越高，剛度也就越強(qiáng)，抵抗變形破壞的能力就越大，反映了能量條件。

(3)動(dòng)載誘沖條件。式(4)表明，震源能量越大，傳播到煤巖介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)速度的峰值速度就越大，動(dòng)載荷就越高，越容易形成沖擊。另外，對于同一性質(zhì)的煤巖體，介質(zhì)密度相等，此時(shí)，波速越高的區(qū)域受到強(qiáng)礦震擾動(dòng)比其他低波速區(qū)域更容易形成沖擊礦壓。

1.2 技術(shù)原理

利用人工誘發(fā)或自然發(fā)生的一系列震源和井下安置的一系列檢波器，根據(jù)檢波器與震源之間的距離L和檢波器接收到的初至旅行時(shí)間T來反演波速分布V(x,y,z)或慢度S(x,y,z)=1/V(x,y,z)。假設(shè)第i個(gè)震動(dòng)波的傳播路徑為Li，其旅行時(shí)為Ti，具體關(guān)系[22]可表示為

(5)

(6)

(7)

式中，dij為第i條震動(dòng)波射線穿過第j個(gè)網(wǎng)格的長度；N為射線總數(shù)；M為網(wǎng)格數(shù)量。

震動(dòng)波CT技術(shù)根據(jù)震源的來源不同可分為主動(dòng)CT和被動(dòng)CT，其中，主動(dòng)CT的震源位置已知，而被動(dòng)CT的震源位置未知(圖1)。對于新安裝微震監(jiān)測系統(tǒng)的煤礦，需事先根據(jù)常值速度模型估計(jì)震源位置，并作為模型輸入的初始值。反演求解計(jì)算過程中，每改變一次速度模型，需重新進(jìn)行震源位置的計(jì)算，并修改傳播射線的起點(diǎn)位置。按上述方式反復(fù)迭代計(jì)算，直到殘差小于給定門檻值或達(dá)到最大迭代次數(shù)。為求解大規(guī)模問題，本文采用SIRT迭代反演算法[28]。

圖1 震動(dòng)波CT探測技術(shù)示意Fig.1 Sketch map of seismic CT technology

1.3 評價(jià)指標(biāo)的建立

巖層破裂需要應(yīng)力及變形的空間條件，如圖2所示，工作面開采后所形成的采空區(qū)導(dǎo)致上覆巖層重量加載到其臨近的支撐區(qū)域C，形成一側(cè)應(yīng)力降低區(qū)與一側(cè)高應(yīng)力集中區(qū)，在沒有額外力的作用下，兩者的存在總是相輔相成的。由縱波波速與應(yīng)力之間的試驗(yàn)關(guān)系模型知，斷裂帶區(qū)域A對應(yīng)一個(gè)低波速區(qū)，而在應(yīng)力集中區(qū)域則對應(yīng)高波速區(qū)，在這2個(gè)區(qū)域之間是從高波速向低波速過渡的一個(gè)區(qū)域，即波速變化梯度較大的區(qū)域B，該區(qū)域的煤巖體在某一方向上的受約束能力相對較弱，在載荷一致的情況下將比均勻受載的煤巖體更易發(fā)生失穩(wěn)破壞。研究[24]亦表明，強(qiáng)礦震不僅發(fā)生在高波速區(qū)域，也發(fā)生在波速梯度變化明顯的區(qū)域。所以梯度變化較大的區(qū)域也是沖擊危險(xiǎn)的區(qū)域。

圖2 工作面開采后的上覆巖層結(jié)構(gòu)及波速分布示意Fig.2 Vertical cross-section view of strata structure and distribution of velocity after excavation

如圖2所示，C區(qū)域應(yīng)力高且集中程度大，相對其他區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)縱波波速的正異常，而A區(qū)域?yàn)閼?yīng)力降低區(qū)，縱波波速將出現(xiàn)負(fù)異常。因此可構(gòu)建震動(dòng)波速異常系數(shù)An如下：

(8)

表1波速正異常變化與應(yīng)力集中程度關(guān)系
Table1Therelationbetweenpositiveanomaliesofwavespeedandstressconcentration

沖擊危險(xiǎn)指標(biāo)應(yīng)力集中特征波速正異常An/%應(yīng)力集中概率0無<5<0 21弱5～150 2～0 62中等15～250 6～1 43強(qiáng)>25>1 4

表2波速負(fù)異常變化與弱化程度之間的關(guān)系
Table2Therelationbetweennegativeanomaliesofwavespeedandweakeninglevel

弱化程度弱化特征波速負(fù)異常An/%應(yīng)力降低概率0無0～-7 5<0 25-1弱-7 5～-150 25～0 55-2中等-15～-250 55～0 8-3強(qiáng)<-25>0 8

針對B區(qū)域，為利用波速變化的梯度值探測評價(jià)沖擊危險(xiǎn)，構(gòu)建如下波速梯度變化系數(shù)VG(單位為m/s2)[29]：

(9)

式中，Grad為反演區(qū)域一點(diǎn)的波速變化梯度，單位為1/s。表3為VG值對應(yīng)沖擊危險(xiǎn)性之間的關(guān)系。

表3VG值與沖擊危險(xiǎn)之間的關(guān)系
Table3TherelationbetweenVGvalueandrockbursthazardlevel

沖擊危險(xiǎn)指標(biāo)異常對應(yīng)的危險(xiǎn)性特征VG異常/(km·s-2)0無<0 051弱0 05～0 152中等0 15～0 253強(qiáng)>0 25

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 某礦25110工作面概況

某礦25110工作面采深1 000 m左右(地面標(biāo)高+551～+596 m，工作面煤層標(biāo)高-390.0～-451.6 m)，為25采區(qū)東翼第1個(gè)綜放工作面，平均采高11 m，主采2-1煤層。2-1煤層平均厚度11.5 m，平均傾角13°，煤層上方依次為18 m泥巖直接頂、1.5 m厚1-2煤、4 m泥巖和190 m巨厚砂巖基本頂，下方依次為4 m泥巖直接底和26 m砂巖基本底。井下四鄰關(guān)系(圖3)：東為23采區(qū)下山保護(hù)煤柱，南為25區(qū)下部未采煤層，西為25采區(qū)下山保護(hù)煤柱，北為25090工作面(一分層已采)，且25110上巷布置于25090采空區(qū)下方煤層中。

圖3 某礦25110工作面概況Fig.3 Layout of LW25110 in coal mine

2.2 震動(dòng)波CT探測評價(jià)沖擊危險(xiǎn)

2.2.1探測設(shè)備與方案

震動(dòng)波CT探測技術(shù)采用的設(shè)備為現(xiàn)場安裝的微震監(jiān)測系統(tǒng)，探測方案如圖4所示，選取2012-05-08—06-07的震動(dòng)波形作為反演數(shù)據(jù)。期間監(jiān)測到微震事件總數(shù)201個(gè)，其中滿足條件的有效微震事件101個(gè)，形成射線599條。大能量震動(dòng)激發(fā)探頭個(gè)數(shù)較多，對于接受探頭總數(shù)超過10的震動(dòng)事件，進(jìn)行震源定位時(shí)采用最多10個(gè)探頭，當(dāng)中所有的P波首次到時(shí)的標(biāo)記均由人工進(jìn)行，由此確定的震源分布如圖4所示的空心圓。

對形成的射線進(jìn)行波速統(tǒng)計(jì)，得出最小波速2.60 km/s，最大波速6.92 km/s，平均波速4.21 km/s。通過統(tǒng)計(jì)每個(gè)波速區(qū)間內(nèi)的射線條數(shù)可知(圖5)，P波波速主要集中在3.87 km/s和4.38 km/s附近，射線總數(shù)分別占總數(shù)的52.6%和17.7%。統(tǒng)計(jì)分析說明該反演區(qū)域P波波速變化較大，所以，需建立層狀模型進(jìn)行計(jì)算，網(wǎng)格劃分為50×28×4，X，Y，Z方向間距為30 m×30 m×133 m，模型從上到下波速在2.60～6.00 km/s范圍等梯度分布。

2.2.2探測結(jié)果分析

選取25110工作面煤層平均標(biāo)高-400 m水平切片的波速異常系數(shù)An和波速梯度變化系數(shù)VG等值線云圖作為25110工作面的探測評價(jià)結(jié)果，如圖6，7所示。根據(jù)波速正負(fù)異常變化與應(yīng)力集中程度及弱化程度之間的關(guān)系(表1,2)，劃分出2個(gè)強(qiáng)應(yīng)力集中區(qū)域B1和B2(圖6中藍(lán)色曲線圈出)，以及3個(gè)強(qiáng)弱化區(qū)域R1，R2和R3(圖6中紅色曲線圈出)。另外，根據(jù)波速梯度變化與沖擊危險(xiǎn)之間的關(guān)系(表3)，劃分出5個(gè)強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域G1，G2，G3，G4和G5(圖7中黑色曲線圈出)。

(1)B1區(qū)域。該區(qū)域的形成與工作面超前支承壓力有關(guān)，為沖擊礦壓頻發(fā)區(qū)域。該區(qū)域走向上分布范圍為100 m左右，與現(xiàn)場實(shí)際的工作面超前支承壓力影響范圍基本一致。

(2)B2區(qū)域。該區(qū)域?yàn)?5090工作面終采線遺留煤柱影響區(qū)。25090工作面回采結(jié)束后，遺留煤柱側(cè)形成懸頂現(xiàn)象，進(jìn)而在煤柱內(nèi)側(cè)形成側(cè)向支承壓力。隨著25110工作面向終采線的靠近，25110工作面超前支承壓力將與該區(qū)域側(cè)向支承壓力疊加，此時(shí)該區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)性將更為顯著。

(3)R1，R2區(qū)域。該區(qū)域?yàn)楝F(xiàn)場卸壓措施實(shí)施區(qū)域，見2.3節(jié)介紹。

(4)G1，G2，G5區(qū)域。該區(qū)域?yàn)閷?shí)體煤向采空區(qū)過渡的區(qū)域，如圖2所示的區(qū)域B。

(5)G3區(qū)域。該區(qū)域的形成與現(xiàn)場卸壓措施實(shí)施有關(guān)。由于卸壓措施的實(shí)施將松散煤巖體形成破碎帶，使得該破碎帶與實(shí)體煤之間形成一個(gè)過渡帶，即波速梯度變化異常帶。因此，當(dāng)實(shí)體煤中應(yīng)力集中程度較高時(shí)，實(shí)施卸壓措施容易誘發(fā)沖擊礦壓災(zāi)害，此時(shí)施工人員應(yīng)充分做好個(gè)體防護(hù)或遠(yuǎn)離施工區(qū)域。因此，該區(qū)域?qū)儆谑┕み^程中的危險(xiǎn)區(qū)域，至于施工后，該區(qū)域仍然屬于卸壓區(qū)域，不能作為下一時(shí)段的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。

(6)R3，G4區(qū)域。該區(qū)域?yàn)橐蛩匚粗獏^(qū)域。

圖7 波速梯度變化系數(shù)計(jì)算結(jié)果(-400 m水平)Fig.7 Distribution of wave velocity gradient anomaly(-400 m level)

2.2.3探測結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證探測評價(jià)結(jié)果，繪制了2012-06-08—06-30的微震事件震源分布，如圖8所示。由圖可知，大部分微震事件發(fā)生在B1,G2區(qū)域，同時(shí)在B2,G5區(qū)域發(fā)生了一次能量為105J的微震事件，而在G3區(qū)域僅發(fā)生了少量小能量微震事件，這與探測評價(jià)結(jié)果分析一致，從而驗(yàn)證了該技術(shù)的可靠性。

圖8 沖擊危險(xiǎn)區(qū)域及未來微震事件分布Fig.8 Rock burst risk area and the distribution of microseismic events afterward

2.3 震動(dòng)波CT探測指導(dǎo)卸壓解危

2.3.1卸壓解危措施實(shí)施

圖9為2012-04-16—05-08期間的震動(dòng)波CT探測結(jié)果，反演結(jié)果顯示出5個(gè)需要采取卸壓措施的中等應(yīng)力集中區(qū)域A1，A2，A3，A4和A5。其中區(qū)域A1和A2位于采空區(qū)，遠(yuǎn)離工作面開采空間，卸壓措施無法實(shí)施，同時(shí)該區(qū)域?qū)ぷ髅娴陌踩膊粯?gòu)成威脅；區(qū)域A3和A5橫穿工作面上下巷，由于25110工作面上巷位于采空區(qū)下方，卸壓措施實(shí)施效果不佳，同時(shí)考慮到現(xiàn)場施工的難度，暫不在該區(qū)域的上巷采取卸壓措施。最終確定在A4區(qū)域和A3，A5的下巷區(qū)域?qū)嵤┬秹捍胧?，如圖10所示。圖中黑色直線表示大直徑卸壓鉆孔、藍(lán)色表示煤體卸壓爆破鉆孔、紅色表示深孔斷頂爆破鉆孔，直線長度表示鉆孔實(shí)際實(shí)施的深度。

圖9 震動(dòng)波CT探測評價(jià)結(jié)果Fig.9 Assessment result through seismic computed tomography

2.3.2卸壓解危措施效果檢驗(yàn)

此次卸壓解危措施效果檢驗(yàn)采用2012-05-08—06-07期間的波速異常系數(shù)結(jié)果，如圖10所示。

圖10 卸壓措施實(shí)施方案及實(shí)施后波速異常系數(shù)分布Fig.10 Implement plan of risk relief measures and the distribution of wave velocity anomaly after the measures

從圖中可以看出，A4區(qū)域和A5下巷區(qū)域?qū)嵤┬秹捍胧┖?，波速異常指?shù)由正異常轉(zhuǎn)為負(fù)異常，表明該區(qū)域應(yīng)力下降幅度很高，說明卸壓效果很明顯；A3下巷區(qū)域?qū)嵤┬秹捍胧┖螅搮^(qū)域不僅呈現(xiàn)出波速負(fù)異常，同時(shí)還表現(xiàn)出高波速梯度異常，表明該區(qū)域?qū)嵤┑男秹捍胧┩ㄟ^松散煤巖體形成了破碎帶，該破碎帶與實(shí)體煤之間的過渡正好表征出了高波速梯度異常，由此可以得出，高波速梯度異常在沒有實(shí)施卸壓措施的前提下才能表征高沖擊危險(xiǎn)性，而實(shí)施卸壓措施后的高波速梯度異常應(yīng)表征卸壓措施效果的有效性，即弱化程度的顯著性。綜上所述，震動(dòng)波CT探測技術(shù)能很好地對各項(xiàng)卸壓解危措施進(jìn)行效果檢驗(yàn)。

3 結(jié) 論

(1)對于同一性質(zhì)的巖體，縱波波速反映了沖擊礦壓發(fā)生的強(qiáng)度條件、能量條件和動(dòng)載誘沖條件：波速越高，所受應(yīng)力越大，超過其煤巖體強(qiáng)度的可能性就越大；波速越高，對應(yīng)的彈性模量越大，煤巖體變形儲存能量的能力越高，剛度也就越強(qiáng)，抵抗變形破壞的能力就越大；對于波速越高的區(qū)域受到強(qiáng)礦震擾動(dòng)比其他低波速區(qū)域更容易形成沖擊礦壓。

(2)由波速異常系數(shù)An和波速梯度異常系數(shù)VG組成的震動(dòng)波CT探測技術(shù)能夠?qū)ΜF(xiàn)場沖擊危險(xiǎn)性做出動(dòng)態(tài)評價(jià)，并能對卸壓解危措施的實(shí)施和效果進(jìn)行指導(dǎo)和檢驗(yàn)。

(3)高波速梯度系數(shù)在沒有實(shí)施卸壓措施的前提下才能表征高沖擊危險(xiǎn)性，而實(shí)施卸壓措施后的高波速梯度異常應(yīng)表征卸壓措施效果的有效性，即弱化程度的顯著性。

[1] 何滿潮,錢七虎.深部巖體力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)出版社,2010. He Manchao,Qian Qihu.The basis of deep rock mechanics[M].Beijing:Science Press,2010.

[2] 姜福興,楊淑華,成云海,等.煤礦沖擊地壓的微地震監(jiān)測研究[J].地球物理學(xué)報(bào),2006,49(5):1511-1516. Jiang Fuxing,Yang Shuhua,Cheng Yunhai,et al.A study on microseismic monitoring of rock burst in coal mine[J].Chinese Journal Geophysics,2006,49(5):1511-1516.

[3] 陸菜平,竇林名,王耀峰,等.堅(jiān)硬頂板誘發(fā)煤體沖擊破壞的微震效應(yīng)[J].地球物理學(xué)報(bào),2010,53(2):450-456. Lu Caiping,Dou Linming,Wang Yaofeng,et al.Microseismic effect of coal materials rockburst failure induced by hard roof[J].Chinese Journal Geophysics,2010,53(2):450-456.

[4] 夏永學(xué),康立軍,齊慶新,等.基于微震監(jiān)測的5個(gè)指標(biāo)及其在沖擊地壓預(yù)測中的應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2010,35(12):2011-2015. Xia Yongxue,Kang Lijun,Qi Qingxin,et al.Five index of microseismic and their application in rock burst forecastion[J].Journal of China Coal Society,2010,35(12):2011-2015.

[5] 呂進(jìn)國,潘 立.微震預(yù)警沖擊地壓的時(shí)間序列方法[J].煤炭學(xué)報(bào),2010,35(12):2002-2005. Lü Jinguo,Pan Li.Microseismic predicting coal bump by time series method[J].Journal of China Coal Society,2010,35(12):2002-2005.

[6] He X Q,Chen W X,Nie B S,et al.Electromagnetic emission theory and its application to dynamic phenomena in coal-rock[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2011,48(8):1352-1358.

[7] Wang E Y,He X Q,Wei J P,et al.Electromagnetic emission graded warning model and its applications against coal rock dynamic collapses[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2011,48(4):556-564.

[8] 齊慶新,李首濱,王淑坤.地音監(jiān)測技術(shù)及其在礦壓監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].煤炭學(xué)報(bào),1994,19(3):221-232. Qi Qingxin,Li Shoubin,Wang Shukun.Application of AE technique in monitoring ground pressure[J].Journal of China Coal Society,1994,19(3):221-232.

[9] 賀 虎,竇林名,鞏思園,等.沖擊礦壓的聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)研究[J].巖土力學(xué),2011,32(4):1262-1268. He Hu,Dou Linming,Gong Siyuan,et al.Study of acoustic emission monitoring technology for rockburst[J].Rock and Soil Mechanics,2011,32(4):1262-1268.

[10] Gu S T,Wang C Q,Jiang B Y,et al.Field test of rock burst danger based on drilling pulverized coal parameters[J].Disaster Advance,2012,5(4):237-240.

[11] 王 平,姜福興,王存文,等.沖擊地壓的應(yīng)力增量預(yù)報(bào)方法[J].煤炭學(xué)報(bào),2010,35(S):5-9. Wang Ping,Jiang Fuxing,Wang Cunwen,et al.The stress incremental forecasting method of rock burst[J].Journal of China Coal Society,2010,35(S):5-9.

[12] 曲效成,姜福興,于正興,等.基于當(dāng)量鉆屑法的沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究及應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011,30(11):2346-2351. Qu Xiaocheng,Jiang Fuxing,Yu Zhengxing,et al.Rockburst monitoring and precaution technology based on equivalent drilling research and its application[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(11):2346-2351.

[13] Zhao Yongguo,Li Qin,Guo Hong,et al.Seismic attenuation tomography in frequency domain and its application to engineering[J].Science in China(Series D),2000,43(4):431-438.

[14] 彭蘇萍,凌標(biāo)燦,劉盛東.綜采放頂煤工作面地震CT探測技術(shù)應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(12):1786-1790. Peng Suping,Ling Biaocan,Liu Shengdong.Application of seismic tomography in longwall top-coal caving face[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2002,21(12):1786-1790.

[15] Du Lizhi,Zhang Xiaopei,Niu Jianjun,et al.The Seismic CT method in measuring rock bodies[J].Applied Geophysics,2006,3(3):192-195.

[16] Friedel M J,Scott D F,Jackson M J,et al.3-D tomographic imaging of anomalous conditions in a deep silver mine[J].Journal of Applied Geophysics,1995,34(1):1-21.

[17] Dou Linming,Chen Tongjun,Gong Siyuan,et al.Rockburst hazard determination by using computed tomography technology in deep workface[J].Safety Science,2011,50(4)：736-740.

[18] He Hu,Dou Linming,Li Xuwei,et al.Active velocity tomography for assessing rock burst hazards in a kilometer deep mine[J].Mining Science and Technology,2011,21(5):673-676.

[19] 王書文,徐圣集,藍(lán) 航,等.地震CT技術(shù)在采煤工作面的應(yīng)用研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2012,40(7):24-27. Wang Shuwen,Xu Shengji,Lan Hang,et al.Study on seismic CT technology applied to coal mining face[J].Coal Science and Technology,2012,40(7):24-27.

[20] 王書文,毛德兵,杜濤濤,等.基于地震CT技術(shù)的沖擊地壓危險(xiǎn)性評價(jià)模型[J].煤炭學(xué)報(bào),2012,37(S1):1-6. Wang Shuwen,Mao Debing,Du Taotao,et al.Rockburst hazard evaluation model based on seismic CT technology[J].Journal of China Coal Society,2012,37(S1):1-6.

[21] Luo X,King A,Van deWerken M.Tomographic imaging of rock conditions ahead of mining using the shearer as a seismic source-a feasibility study[A].Remote Sensing[C].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2009,47(11):3671-3678.

[22] Luxbacher K,Westman E,Swanson P,et al.Three-dimensional time-lapse velocity tomography of an underground longwall panel[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2008,45(4):478-485.

[23] Hosseini N,Oraee K,Shahriar K,et al.Passive seismic velocity tomography and geostatistical simulation on longwall mining panel[J].Archives of Mining Sciences,2012,57(1):139-155.

[24] Lurka A.Location of high seismic activity zones and seismic hazard assessment in Zabrze Bielszowice coal mine using passive tomography[J].Journal of China University of Mining & Technology,2008,18(2):177-181.

[25] 竇林名,何學(xué)秋.沖擊礦壓防治理論與技術(shù)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2001. Dou Linming,He Xueqiu.Theory and technology of rockburst prevention[M].Xuzhou:China University of Mining and Technology Press,2001.

[26] 竇林名,何學(xué)秋.采礦地球物理學(xué)[M].北京:中國科學(xué)文化出版社,2002. Dou Linming,He Xueqiu.Mining geopgysics[M].Beijing:China Science and Culture Press,2002.

[27] 鞏思園,竇林名,徐曉菊,等.沖擊傾向煤巖縱波波速與應(yīng)力關(guān)系試驗(yàn)研究[J].采礦安全與工程學(xué)報(bào),2012,29(1):67-71. Gong Siyuan,Dou Linming,Xu Xiaoju,et al.Experimental study on the correlation between stress and P-wave velocity for burst tendency coal-rock samples[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2012,29(1):67-71.

[28] Hosseini N,Oraee K,Shahriar K,et al.Passive seismic velocity tomography on longwall mining panel based on simultaneous iterative reconstructive technique(SIRT)[J].Journal of Central South University,2013,19(8):2297-2306.

[29] 鞏思園.礦震震動(dòng)波波速層析成像原理及其預(yù)測煤礦沖擊危險(xiǎn)應(yīng)用實(shí)踐[D].徐州:中國礦業(yè)大學(xué),2010. Gong Siyuan.Research and application of using mine tremor velocity tomography to forecast rockburst danger in coal mine[D].Xuzhou:China University of Mining and Technology,2010.

Dynamicriskassessmentofrockburstbasedonthetechnologyofseismiccomputedtomographydetection

DOU Lin-ming1,2，CAI Wu1,2，GONG Si-yuan1，HAN Rong-jun2,3，LIU Jun3

(1.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China;2.SchoolofMines,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China;3.YimaCoalGroupCo.,Ltd,Yima472300,China)

On account of increasingly frequent rock burst hazards at present,the theoretical basis of rock burst determination through P-wave velocity was analyzed based on the experiment relation model of stress and P-wave velocity.Meanwhile,the technology of rock burst risk assessment was established through seismic computed tomography detection,which contains assessment parameters of wave velocity anomalyAnand wave velocity gradient anomalyVG.The criterion of these parameters was documented.Finally,the assessment technology was verified by practical application.The results show that P-wave velocity reflects the strength criterion,energy criterion and dynamic load criterion for rock burst as for the rock mass with the same properties.The seismic computed tomography detection technology is feasible for rock burst risk assessment.It can give guidance on the implement of risk relief measures and check the effect of the measures.

rock burst risk;P-wave velocity;seismic computed tomography;wave velocity anomaly;wave velocity gradient anomaly

10.13225/j.cnki.jccs.2013.2016

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2010CB226805);國家自然基金和神華集團(tuán)有限公司聯(lián)合資助項(xiàng)目(51174285)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(SZBF2011-6-B35)

竇林名(1963—)，男，青海平安人，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:lmdou@126.com。通訊作者：蔡 武(1988—)，男，湖南桃江人，博士研究生。E-mail：aaacaiwu@126.com

TD324

A

0253-9993(2014)02-0238-07

竇林名，蔡 武，鞏思園，等.沖擊危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)預(yù)測的震動(dòng)波CT技術(shù)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(2):238-244.

Dou Linming，Cai Wu，Gong Siyuan，et al.Dynamic risk assessment of rock burst based on the technology of seismic computed tomography detection[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):238-244.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.2016