煤矿安全高效开采地质保障系统课件

1、煤矿安全高效开采地质保障系统煤矿安全高效开采地质保障系统的研究意义 我煤炭工业由于地质状况查明不清，机械化程度低，生产效率低，90年代全国年煤炭产量约十亿余 吨，职工人数超过700万 80年代我国开始综合机械化生产技术，难度很大。其中最大的问题是开采地质条件复杂影响了机械化的效益。 1、综采机械设备遇到3-5米断层，便要停产搬家，造成经济损失； 2、顶板压架事故造成重大的经济损失,有时甚至人员伤亡。 3、淮南潘二矿：年设计能力300万吨，因地质构造查明不清，投产十年后，产量一直在50万吨左右，亏损20亿元，2000年破产实施煤矿机械化高效开采，必须有可靠的地质保障为基础煤矿安全高效开采地质保障

2、系统的研究意义深部煤炭资源赋存状况掌握程度低，开发盲目性大 深部煤炭资源精确勘查的技术难度越来越大 深部开发地质条件的变化，致灾因素增多，影响强度加大 突水事故井筒破裂围岩变形巷道失稳地温增高瓦斯聚积 随着煤矿开采深度加大，影响煤矿高效开采的地质制约越来越大，研究建立先进的地质勘探技术与煤矿高效安全开采地质保障系统迫在眉睫煤矿安全高效开采地质保障系统的研究意义 矿井地质工作要求能分辨3米的断层和地质异常体, 空间误差1.5%。而精查地质报告只能查明落差 20米的断层。深部开发中，各种地质因素影响矿井安全生产的问题将更加突出，传统地质成果和方法很难保障煤矿安全高效开采。必须依靠先进的探测技术与装

3、备。煤矿物探技术专业性强，很多地面先进物探技术与装备由于不符合煤矿安全规范不能用于煤矿，煤矿探测技术与装备必须自主开发。煤矿高效安全开采地质保障系统必须以先进的物探技术为基础，必须依靠自主开发 先进高效的综合机械化采煤技术，必须查明采区内落差3-5m的断层，否则设备推进速度慢、开采效益差. 精查地质报告只能查明落差大于20米的断层 迫切需要先进可靠的煤矿复杂地质构造探测和预测技术。 以运动学为基础的三维地震勘探理论认为三维地震勘探只能解决落差13米的断层和地质异常体。 一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系背 景要查清落差3-5米的断层，无论从理论和技术上的难度极大！ 结合我国煤矿特点，针对

4、煤矿小构造、煤岩层结构和厚度进行长期攻关，在煤矿高分辨三维地震勘探技术的： 理论研究 野外数据采集技术 数据处理技术 成果解释技术 等方面进行重点研究，取得一批具有自主产权的科研成果。研究内容一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系关键技术2：建立了以聚焦分析技术为基础的地震野外数据采集技术 利用聚焦分析技术开发了三维地震探测数据采集与评价软件，在淮南顾桥矿实施了井地联合三维三分量数据采集，采集到800-1200m深煤系地层品质良好的三维地震数据体。顾桥矿区全方位、高覆盖、炮检均匀的观测系统常规地震野外采集评价方法我们地震野外采集评价方法一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系地表一致性校正（

5、淮南顾北矿）关键技术3：开发出由96个处理模块组成的煤田地震数据处理系统（EMS）淮南顾北矿（深度: 890m）处理效果：高分辨率处理剖面中尖灭点、薄层分辨率明显提高法国CGG软件处理效果EMS系统处理效果法国CGG软件处理效果EMS系统处理效果高分辨处理（淮南顾北矿）一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系关键技术4：建立了以-为约束的地震反演方法和精细构造评估技术 建立了以人工伽玛曲线为约束的地震反演方法、可视化解释技术、精细地质构造分析评估技术。开发出具有自主产权的微机版煤田高分辨地震解释软件。断层陷落柱时差分析断层检测与落差估计淮南矿区潘一矿地震反演剖面(深度: 780m)利用三维可视

6、化技术确定煤层的空间形态三维地震勘探微机解释系统一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系T i m e 0.5 0.6Line 354100m565ms落差小于5米大于3米的小断层在时间剖面（左）和水平切片上的显示 应用效果1：可精确识别断距3-5米的小断层，为保证机械化生产提供可靠的地质保障一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系0.4s0.5s0.6sLine 176 大型陷落柱在时间剖面上的显示100m 小型陷落柱在地震时间剖面上的显示coal0.2s0.3s0.4s应用效果2：可精确探测直径20米的陷落柱状况，为保证综采装备的推进、防止煤矿突水事故的发生提供精确地质预警一、煤矿小构造高

7、分辨三维地震勘探技术体系剖面上为反射波的突变 应用效果3：可准确探测出深度500米的3米3米的煤矿巷道，保障煤矿生产布局和生产安全。在沿层振幅切上表现为强振幅探测的巷道位置与煤矿提供的实际平面位置相符 3米3米巷道在时间剖面上的显示（沿巷道剖面）一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系采空区边界地震反射波出现中断，采空部位地震波得零乱采空区在沿层振幅切片上表现为弱振幅带 应用效果5：可准确探测出深度350米的煤矿采空区边界，指导煤矿生产布局，保障生产安全。采空区边界通过强弱振幅变化带圈定一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系应用效果6：精确预测煤层厚度，1米的煤层厚度预测精度达95%以上。可

8、用来指导采区布置、开采方法选择和开采资源的管理。一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系1）地震探测精确度高，通过努力能够查明落差3-5m的小断层和小褶皱；2）地震探测信息量大，地震探测横向连续性好，采样间距小，能够识别顶板岩性、煤层厚度、煤体滑脱面、构造煤发育区、吸附态瓦斯富集部位等瓦斯地质指标;3）地震探测整体性强，得到的是三维数据体的空间形态。地震结合测井垂向分辨率高；地质结合测井可靠性高;4）地震探测能够直接得到吸附瓦斯富集的部位，并对断层附近的游离瓦斯有明显反应；我国95%的煤矿是地下开采，煤层赋存地质条件复杂，瓦斯分布不均，对煤矿安全开采造成严重威胁。二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技

9、术与方法地层：石炭二叠纪煤系煤层：上石盒子组13-1煤层位置：淮南煤田构造：淮南复式向斜以淮南煤田为靶区，对瓦斯富集与突出部位进行了详细研究二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法完成的实际工作量主要工作量集中在资料采集和系统开发与应用两个方面课题目前作了大量的研究任务测井资料分析岩样测试三分量VSP井三维纵波采集二维三分量采集三维三分量采集矿 井多波地震仪野外设计评价系统地震资料处理软件三参数AVO反演软件生产性科研报告200口 89块 1口 42km2 7km 15km2 1套 1套 1套 1套 5份二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法瓦斯突出煤体结构高分辨测井技术矿井瓦斯突出部位预测的地

10、震反演技术精确探测瓦斯富集部位的三维三分量地震探测技术瓦斯富集区预测的地震振幅变化判别技术 通过十年的艰苦奋斗和探索,初步摸索到瓦斯在地球物理探测中的响应特征,并实现了关键技术的突破二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法瓦斯突出煤体结构的测井曲线特征高视电阻率 高伽玛伽玛高自然电位低声波速度低自然伽玛对144个钻孔的测井资料进行分析 构造煤测井曲线具有“三高二低”的特点：二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法1、瓦斯突出部位预测的地震探测与反演技术不同突出危险程度煤体的测井响应特征物性响应参数非突出煤体过渡煤体突出煤体严重突出煤体密度/gcm-31.651.55-1.651.45-1.551.

11、45孔隙度nv/%5.5挥发分Vdaf /%3632-3628-3243-42-32泊松比0.4抗拉强度Rc/MPa0.450.35-0.450.25-0.35128-124-820501850-20501650-18501650视电阻率电位DLW/m200伽玛伽玛HGG/mc-1670自然伽玛HG/1410-146-106声波时差SV/usm-1500二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法1、瓦斯突出部位预测的地震探测与反演技术地震测井联合属性分析识别煤层宏观结构13-1煤层构造煤Inline 309局部放大图煤层及构造煤预测剖面图滑脱面Inline 252局部放大图煤层及构造煤预测剖面图含

12、裂隙煤层的多波地震响应 含直立裂隙煤层地质模型 多波响应3 精确探测瓦斯富集部位的三维三分量地震探测技术二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法三分量地震处理系统 核 心：基础理论和方法研究成果平 台：当前地震成熟软件系统系 统：独立知识产权适用性：二维和三维模块数：二维31个，三维46个 作 用：填补国内煤层气处理软件 空白3 精确探测瓦斯富集部位的三维三分量地震探测技术二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法煤田三分量地震资料的处理 快慢波剖面快慢波处理3 精确探测瓦斯富集部位的三维三分量地震探测技术二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法煤田三分量地震资料的处理 棒状线的方向代表快波偏振方向棒

13、状线的长短代表着快慢波时差快波方位与快慢波时差 快慢波时差等值线3 精确探测瓦斯富集部位的三维三分量地震探测技术二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法 煤层节理裂隙发育，单位体积的煤表面积大，则吸附态的瓦斯的能力大。而节理裂隙发育的煤层的泊松比增大，煤层与顶板、底板的泊松比差发生变化。这种泊松比差的变化引起振幅随偏移距的变化。 使用地震振幅探测瓦斯就是利用振幅信息寻找煤层中的节理裂隙密集带,即构造煤发育区4 瓦斯富集区预测的地震振幅变化判别技术利用地震振幅变化判别瓦斯富集的原理二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法不同煤体的AVO响应 煤层顶界面AVO响应 无论是砂岩顶板还是页泥岩顶板，软分层

14、AVO特征比较突出，这对于使用AVO技术预测瓦斯富集是有利的，是本次模型正演的一个积极成果不同煤体的AVO模型砂岩原生煤泥岩原生煤砂岩构造煤泥岩构造煤4、 瓦斯富集区预测的地震振幅变化判别技术二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法瓦斯突出煤层与非突出煤层的AVO响应瓦斯突出点附近非瓦斯突出点附近非突出煤层的地震振幅随着偏移距的增大呈上升趋势瓦斯突出煤层地震振幅随偏移距的增大呈下降趋势4、 瓦斯富集区预测的地震振幅变化判别技术二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法*136煤田地震资料精细解释-AVO三参数反演技术提出了一种新的三参数AVO反演方法，能直接反演 、 K和三个弹性参数。用来预测瓦斯的

15、突出部位密度图(瓦斯突出部位的密度小)瓦斯突出点剪切模量图(瓦斯突出部位的剪切模量小)瓦斯突出点四 瓦斯富集区预测的地震振幅变化判别技术4、 瓦斯富集区预测的地震振幅变化判别技术二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法根据三参数AVO反演结果预测预测依据： 瓦斯突出煤层地震响应为:密度减小，剪切模量和体积模量减小预测方法： 瓦斯突出区可通过预测低密度和（或）低剪切模量、低弹性模量区域来实现构造煤区域5 建立了瓦斯富集区综合地震预测方法四 瓦斯富集区预测的地震振幅变化判别技术二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法根据快慢波时差预测 预测依据： 含裂隙煤层出现横波分裂现象预测方法： 含裂隙煤层的快慢

16、波时差越大， 各向异性越强，裂隙越发育 快波方位探测裂隙发育方向 裂隙煤区域5 建立了瓦斯富集区综合地震预测方法四 瓦斯富集区预测的地震振幅变化判别技术二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法综合相关地震地质参数预测 对煤层厚度、构造、埋深、顶底板岩性和含气性进行多属性综合分析得到煤层底板等高线、各向异性系数、裂隙方位和快慢波时差背景下的预测分布图 5 建立了瓦斯富集区综合地震预测方法四 瓦斯富集区预测的地震振幅变化判别技术二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法 顶板稳定性是影响煤矿开采的重要因素之一,常常造成压架、停采和矿工生命安全事故 煤矿顶板冒落预测预报是一个十分复杂的技术难题，传统的顶板

17、灾害防治研究侧重力学机理和工程防治措施,对顶板地质体的空间分布与预测考虑较少三、煤层顶板稳定性的地质预测技术与方法背 景 用沉积地质学、岩石力学、采矿工程学和地球物理探测的方法对煤层顶板岩体进行综合研究，分析顶板岩体结构及其分布特征、不连续砂岩顶板在采矿过程中的力学响应特征，建立煤矿顶板稳定性地质预测技术与方法研究内容煤矿顶板岩体平面分布特征（淮南矿区13-1煤层）三、煤层顶板稳定性的地质预测技术与方法 用岩石力学、沉积地质学和采矿工程学的方法进行综合研究，分析了不连续砂岩顶板在采矿过程中的力学响应特征，建立了沉积非连续介质顶板地质力学模型，用来指导顶板冒落预测 I区的砂岩体弹性地基梁计算模式

18、煤层顶板沉积非连续介质地质力学模型 关键技术1：建立了煤矿沉积非连续介质顶板地质力学模型三、煤层顶板稳定性的地质预测技术与方法通过矿区详细地质调查和实验室研究，发现砂岩顶板的空间分布控制了煤层顶板的稳定性,砂岩顶板变薄尖灭区是顶板灾害易发区。 关键技术2：发现煤矿砂岩顶板变薄尖灭区是顶板灾害易发区煤矿顶板砂岩变薄尖灭区稳定性物理模拟淮南矿区潘一矿顶板冒落特征示意图三、煤层顶板稳定性的地质预测技术与方法 以钻孔测竟曲线和三维地震勘探为基础，建立了煤层顶板岩性综合反演解释技术，准确预测出老顶砂岩的变薄尖灭带、冲刷带和复合顶板分布区 关键技术3：准确预测顶板砂岩变薄尖灭带板岩性综合反演解释技术顶板砂

19、岩尖灭点13-1煤用常规钻孔资料预测顶板变薄尖灭区（精度：125米）用钻孔测井曲线与地震联合反演技术预测顶板变薄尖灭区（精度：10米）三、煤层顶板稳定性的地质预测技术与方法 巷道布置与古河床展布格局大角度相交三、煤层顶板稳定性的地质预测技术与方法 关键技术4：结合不同矿区的具体情况，研究和建立一套利用宏观地质特征进行综采、综放生产地质评价的指标 滑面或裂隙的角度锚固技术三、煤层顶板稳定性的地质预测技术与方法 关键技术4：结合不同矿区的具体情况，研究和建立一套利用宏观地质特征进行综采、综放生产地质评价的指标 古河床边缘泥岩地层的侧向锚杆支护技术三、煤层顶板稳定性的地质预测技术与方法 关键技术4：

20、结合不同矿区的具体情况，研究和建立一套利用宏观地质特征进行综采、综放生产地质评价的指标四、 矿井突水灾害源高分辨探测技术技术与方法 近年来，煤矿突水灾害频发，严重地影响煤矿安全高效开采 煤矿突水灾害主要涉及老空水、底板承压水。由于地层结构的多样性，矿井水体分布的非均质性、流动性特征，矿井突水灾害源预测难度大；矿井突水灾害防治的关键技术是对突水通道和富水区域的准确预测三维地震勘探的数据采集密度大，信息量大，通过努力，有可能实现对突水构造分布的 精确预测。根据矿井水的电性特征，采用地震与电法联合探测的技术，可将矿井突水灾害源的预测精度大大提高。 关键技术1：通过高精度三维地震勘探，精确查明矿井有关

21、地质构造和岩溶构造的分布状况，预测可能的突水通道。四、 矿井突水灾害源高分辨探测技术技术与方法逆断层第四系底第四系底13-1煤13-1煤淮南顾桥矿区第四系断层的分布状况0.4s0.5s0.6sLine 176 大型陷落柱在时间剖面上的显示100m 小型陷落柱在地震时间剖面上的显示coal0.2s0.3s0.4s 关键技术2：利用三维地震勘探资料进行属性分析，准确圈定采空区的分布状况，预测可能的老窑积水区。四、 矿井突水灾害源高分辨探测技术技术与方法淮南潘一矿采空区地震探测结果图 关键技术3：根据灰岩水相对灰岩骨架移动时灰岩富水区的地震波纵波频谱出现衰减特征，可以通过“主频低值，低频高值，高频低

22、值”来判别矿井底板突水的可能性。四、 矿井突水灾害源高分辨探测技术技术与方法在河南车集矿进行了测试，钻孔627附近为灰岩富水区，钻孔625附近为无水区域 关键技术4：在三维地震勘探基础上，采用高密度电法、瞬变电磁等方法，进一步确定导水构造的富水性特征：电阻率越小，富水性越强。四、 矿井突水灾害源高分辨探测技术技术与方法统计性分析，认为30Hz，40Hz代表低频， 50Hz，60Hz代表高频。高阻低阻高阻低阻高阻低阻充水30%充水60%充水100%采空区富水性数值模拟结果 关键技术5：地质雷达波遇到含水的空洞时，相位发生变化，与入射波相位相反；遇到空气空洞时，电磁波的相位不变，空气空洞中的多次波

23、较多；这种特征可准确用来探测老空水 。四、 矿井突水灾害源高分辨探测技术技术与方法1.5m 煤系砂泥岩 0.5m 灰岩 3m溶洞灰岩溶洞FDTD模拟示例500M天线不同尺度含气、水空洞的雷达剖面图含水空洞（40cm）含气空洞（40cm）含水空洞（25cm）含气空洞（25cm）200M含水空洞（25cm）900M含水空洞（25cm）含水溶洞在谱剖面上的特征应用效果1：根据对地震资料的精细解释，发现永城矿区的原生裂隙大多分布在次级背斜的轴部或北北东向构造带中，其走向与主构造方向一致，并与煤层联通。四、 矿井突水灾害源高分辨探测技术技术与方法永城集团城郊北矿断层裂缝发育带平面图 应用效果2：利用地质

24、雷达可准确探测出煤矿老空区的含水特征，指导煤矿生产布局，保障生产安全。四、 矿井突水灾害源高分辨探测技术技术与方法 地下陷落柱在反射能量上的特征 圈定渗水区域应用效果3：在地震勘探基础上，通过高密度电法，进一步准确确定采空区的富水性特征。四、 矿井突水灾害源高分辨探测技术技术与方法123平朔三矿高密度电法的采空区探测结果在4#煤层发现有两个富水采空区，1采空区完全被水充填，2采空区80%被采空区充填；在9#煤发现有一个富水采空区，60%被水充填。应用效果4：常采用直流电法、瞬变电磁和地震相结合超前探测方法可准确探测出工作面前方的突水构造，并确定其含水性特征。四、 矿井突水灾害源高分辨探测技术技

25、术与方法相对低阻区瞬变电磁探测（ PROTEM47）杂散反射地震探测陷落柱 煤矿生产对地质构造的预测精度要求高，地面探测不能满足生产的要求，必须在矿井内进一步探测。 国外成熟产品少, 设备存在以下主要不足： 1）设备不防爆，国家规定不准在井下作业； 2）装备非屏蔽，不适合矿井使用； 3）软件不配套，无针对矿井的专门软件 矿井物探经历了数十年的探索，先后出现了直流电法、槽波地震等方法，并取得了成效，但仍存在如下缺点： 1）探测精度较低； 2）采集速度慢； 3）仪器笨重，操作不方便 矿井物探仪器专业性强，探测装备除地面探测装备要求的技术指标外，还必须防爆、屏蔽、抗干扰强，矿井探测装备研制难度大，前

26、期投入大，风险大，非行业部门很少研制。五、研究发展了先进矿井物探仪器和技术背 景矿井探测仪器与装备必须依靠自主开发!研究内容 针对上述难题和煤矿需求，我们重点研制开发了两套矿井探测仪器与相关技术: 矿井多波地震仪:主要解决工作面前方100-150米范围内构造和地质异常的超前预测问题; 矿井地质雷达: 主要解决工作面前方或围岩35米左右范围内地质异常的精确快速预警问题矿井工作面超前探测示意五、研究发展了先进矿井物探仪器和技术EMS-1矿井多波地震仪 关键技术1：自主开发出具有国际先进水平的矿井多波地震仪,获2项国家发明专利， 1项软件版权。 该仪器可对围岩和采煤工作面150米前方1.5米的异常地

27、质构造进行探测和识别。系统特点三分量接收，网络分布式控制仪器轻巧便携，整个仪器重量3.25kg, 防爆可进行多种地震波法的地震勘探自制主机数个智能三分量检波器五、研究发展了先进矿井物探仪器和技术 矿井多波地震仪与同类装备比较参 量 仪器型号OPSEIS811-14I/O SYSTEM SN388本项目多波地震仪前端检波器检波分量单分量为主，用于多波勘探时，所配置的三分量检波器三分量使用相同芯体三分量，Z对纵波，X、Y对横波失 真0.1%0.1%5kg8kg3.9kg与检波器合一，40kg车载、体积大40kg车载、体积大37kg高性能便携机3kg主要参数增 益（dB）24、36、42、4812、

28、24、36、480、12、240、6、12、72采样间隔（ms）1、2、40.5、1、2、40.5、1、2、40.024 人工设置动态范围（db）107、110、113115、119、120120左右120左右带 宽3360Hz3420Hz10420Hz32kHz适用范围深层勘探深层勘探深层勘探中、浅层勘探 是国内外首创便携分布式矿井多波地震仪，并具有领先的技术内涵，处于国际先进水平 五、研究发展了先进矿井物探仪器和技术 关键技术2：自主开发我国第一台具有自主知识产权、实时处理、精度高的矿井地质雷达。获2项国家发明专利，1项实用新型专利，1项软件版权。 该雷达系统可对围岩和采煤工作面30-50

29、米前方的异常地质构造进行快速探测和识别。矿井地质雷达系统矿井地质雷达软件系统五、研究发展了先进矿井物探仪器和技术地质雷达与同类装备比较，在同类研究中处于国际领先水平主要参数主要雷达型号及其技术GR-1（中国矿大）SIR-20（美国）RIS（意大利）RAMAC/GPR（瑞典）EKKO100A（加拿大）CR-20（爱迪尔公司）前置增益8bit无无无无无发射电压700V380V600V400V400V600V低噪放大器-20+60 dB-20+80dB无无无-20+40dB发射频率200K120K100K100K100K100K测量时窗02000ns08000ns01800ns01800ns01800ns05000ns采样点数1283276812840961284096128819212820962564096叠加次数13276812048132768132768110241 1024数据传输接口网口、USB并口并口并口幷口网口防爆天线有无无无无无雷达主机一体结构一体结构分体分体分体一体三维解释有有无无无无其他GR1地质雷达独家具有软件现代处理、现代谱分析、属性识别等功能 通过防爆天线系统和屏蔽技术的研制成功，使雷达发射功率大大加强，探测距离大大加大。在国际上首次奠