煤矿地震勘探技术

2024/1/1中国矿业大学1煤矿地震勘探技术崔假设飞中国矿业大学二零一一年十月2024/1/1中国矿业大学2目录概述地震勘探的根本原理二维地震勘探三维地震勘探岩性地震勘探2024/1/1中国矿业大学31概述在现代化高产高效矿井的建立和消费过程中，综采任务面的合理布置、综采机组高产高效的发扬、矿工以致整个矿井的平安，依赖于矿井地质条件的查明程度。主要地质义务包括：(1)查明落差5m左右的断层及幅度5m左右的褶曲；(2)查清陷落柱、老窑及采空区的空间分布形状；(3)处理煤层分叉与合并、煤层厚度变化、火成岩侵入、煤层顶底板水文地质条件及力学性质等一系列地质问题。2024/1/1中国矿业大学4现行的高产高效矿井地质条件保证是以物探技术为先导，钻探、巷探等根底地质手段加以配合，同时依托计算机技术实现消费地质任务的动态管理。其任务方式可分为三个层面：(1)井田范围主要可采煤层开采地质条件评价，查明煤层构造是主要任务，主要勘查手段为二维地震勘探、电法勘探与钻孔。2024/1/1中国矿业大学5(2)采区采前地质条件勘查，主要任务是查明采区范围内的小构造，包括落差5m左右的断层、陷落柱、老窑及采空区的空间分布形状，根据采区衔接的要求，应提早布置实施。在地表条件允许的前提下，三维高分辨率地震勘探技术是首选方法。(3)综采任务面地质条件超前探测，在综采设备安装或开采前，查明任务面内一切地质异常景象，为任务面继续开采提供地质保证是主要任务。2地震勘探的根本原理地震波的传播特征地震波分为体波和面波，体波在弹性介质的内部传播，面波沿着弹性介质的某些界面传播，见图1。纵波(P波)——质点振动方向和波传播方向一样。横波(S波)——质点振动方向和波传播方向相垂直。质点振动在程度平面中的横波分量称为程度横波(SH波)，质点振动在垂直平面中的横波分量称为垂直横波(SV波)。瑞雷面波(R波)——质点在经过传播方向的铅垂面内沿椭圆轨迹逆转运动。2024/1/1中国矿业大学62024/1/1中国矿业大学7图1地震波的传播表示图a—纵波；b—程度横波；c—垂直横波；d—瑞雷面波地震波在传播过程中遇到两种地层分界面时，就会产生反射波。在地面上用仪器把各个地层分界面的反射波到达时间记录下来，利用地震波传播速度，便可以计算出地层分界面的埋藏深度。图2是地震勘探表示图。2024/1/1中国矿业大学82024/1/19陷落柱在地震剖面上的反映图2地震勘探表示图地震勘探的地震地质条件决议一个地域能否开展及如何进展地震勘探任务的客观条件，统称为地震地质条件，它分为表层条件和深部条件两部分。表层地震地质条件是指地表附近的地质和地貌的特点，它主要影响地震勘探的施工效率、激发与接纳条件。深部地震地质条件是指地震界面与地质界面的对应关系，以及地质构造的复杂程度。2024/1/1中国矿业大学10二维地震勘探是一套以数字方式记录地震信号，经数字处置获得地震时间剖面，查明煤田构造的技术方法。地震时间剖面是构造解释的根底资料。通常，一条地震测线可得到一张时间剖面(图3)。图3中，横坐标为共中心点(CDP)，纵坐标为双程游览时间，以秒(s)为单位。时间剖面不同于深度剖面，但能直观地反映地下构造形状。2024/1/1中国矿业大学113二维地震勘探2024/1/1中国矿业大学12图3地震时间剖面二维地震勘探可以处理的主要地质问题是：(1)查明落差大于等于10m的断层，提供落差小于10m的断点，平面摆动误差小于50m；(2)查明幅度大于等于10m的褶曲，主要可采煤层底板深度误差不大于2%；(3)查明新生界(第四系)厚度；(4)探明直径大于30m的陷落柱、无煤带、煤层分叉合并，为回采任务面布置提供可靠的地质资料。2024/1/1中国矿业大学132024/1/1中国矿业大学14三维地震勘探的特点三维地震勘探具有大面积密集采集信息的优势，利用地震信息可以从平面和立体角度研讨地层的构造、岩性的变化，广泛用于煤矿采区的合理布置、主巷道的开辟、综采任务面开采地质条件的评价。三维地震勘探提供了能反映地质体时空变化的三维数据体，见图4。利用该数据体，可以提取垂直剖面和地震切片，以满足解释任务的需求，见图5。4三维地震勘探2024/1/1中国矿业大学15图4三维地震数据体图5垂直剖面和地震切片2024/1/1中国矿业大学16图3三维可视化技术是用于显示描画和了解地下和地面诸多景象特征的一种工具，其目的是以一种直观的方式把数据体及其对数据的了解和解释表示出来。图6三维可视化目前，煤田三维地震勘探技术曾经成为详细查明小断层、小褶曲、陷落柱、采空区、冲刷带等重要地质资料的主要手段。但是，其整体程度仍处于构造解释阶段，尚不能处理煤矿平安消费中的一切地质问题。2024/1/1中国矿业大学172024/1/1中国矿业大学18目前，我国主要矿区的消费矿井均做了采区三维地震勘探任务，获得了大量的三维地震数据。在地震地质条件较好的地域，可以处理的主要地质问题是：(1)查明落差大于等于5m的断层，提供落差小于5m的断点，平面摆动误差小于30m；(2)查明幅度大于等于5m的褶曲，主要可采煤层底板深度误差不大于1.5%；(3)查明新生界厚度，深度误差不大于1.5%；(4)探明直径大于30m的陷落柱。2024/1/1中国矿业大学19运用实例探查陷落柱解释小断层探查古溶洞探测巷道2024/1/1中国矿业大学20探测巷道图4谢桥煤矿东一采区两个平行回风石门2024/1/1中国矿业大学212006年6月中旬，安徽恒源煤电股份深部采区在井下巷道掘进过程中发现有陷落柱的存在(图5)，而现有的地质资料上没有关于这个陷落柱的信息。陷落柱在时间剖面上普通表现为上下煤组的反射波自下而上中断或消逝，成为一片反射波空白带，出现明显的“塌陷漏斗〞景象，见图6，有时在陷落柱边缘出现明显的地震异常扰曲反射波，这些异常表现结合程度沿层切片和相关方差切片上，可对陷落柱进展有效查找。探查陷落柱2024/1/1中国矿业大学22图5陷落柱2024/1/1中国矿业大学23图6陷落柱在地震剖面上的反映2024/1/1中国矿业大学24根据4、6煤层反射波的特征，结合沿层切片(图7和图8)和相关切片(图9和图10)对勘探区内陷落柱进展了查找，发现一处上、下煤层均错断大于20m的塌陷漏斗状的陷落柱景象，长轴约为140m，短轴约为70m。探查陷落柱2024/1/1中国矿业大学25陷落柱图7陷落柱在4煤层沿层切片上的显示2024/1/1中国矿业大学26陷落柱图8陷落柱在4煤层相关切片上的显示2024/1/1中国矿业大学27陷落柱图9陷落柱在6煤层沿层切片上的显示2024/1/1中国矿业大学28陷落柱图10陷落柱在6煤层相关切片上的显示2024/1/1中国矿业大学29解释小断层淮南矿业集团张集煤矿西三采区三维地震勘探为高效和准确的构造解释发扬了重要作用。图11是西三采区13-1煤层相关切片与底板等高线图的对比，左图是西三采区13-1煤层的相关切片，右图是西三采区13-1煤层的底板等高线图。2024/1/1中国矿业大学30图11西三采区13-1煤层相关切片与底板等高线图的对比2024/1/1中国矿业大学31探查古溶洞2006年11月24日，临沂矿业集团丘集煤矿首采区在11煤层顶板岩巷掘进过程中忽然涌水，水量达1200m3/h，极大的影响了煤矿的正常消费。根据水文地质资料和地质人员的任务阅历，初步判别出水点东南部存在断层或垂直构造。利用三维地震资料进展了分析，在出水点东南方向200~300m处发现一个古溶洞(陷落柱)，见图12，长轴长度大约200m左右，短轴长度大约150m左右。2024/1/1中国矿业大学32古溶洞(陷落柱)出水点图12解释古溶洞(陷落柱)的位置2024/1/1中国矿业大学33解释古溶洞(陷落柱)过程以三维地震资料为主，结合矿井地质和水文地质资料。根据地震剖面上煤层反射波同向轴延续性和振幅变化来确定陷落柱边境，T7波对应7煤，T10波对应10煤，T13波为10煤和13煤的复合波。在Crossline850~862线之间，不存在7煤层采空区影响，三个煤层反射波均存在，且信噪比和分辨率均较高，每隔10m切一条地震剖面(图13~图19)，可以观测到古溶洞(陷落柱)的整个变化过程。2024/1/1中国矿业大学34图13中，T7波、T10波延续性好且振幅强，而T13波延续性好但振幅在陷落柱处变弱，初步定位于古溶洞(陷落柱)边境。古溶洞(陷落柱)图13Crossline850线地震剖面2024/1/1中国矿业大学35图14中，T13波同向轴出现空白带，但并不存在落差，这是典型的陷落柱反映。古溶洞(陷落柱)图14Crossline852线地震剖面2024/1/1中国矿业大学36从Crossline854线地震剖面开场，陷落柱影响到10煤层的T10波，见图15和图16。古溶洞(陷落柱)图15Crossline854线地震剖面2024/1/1中国矿业大学37古溶洞(陷落柱)图16Crossline856线地震剖面2024/1/1中国矿业大学38从Crossline858线地震剖面开场中，陷落柱影响到7煤层的T7波，见图17、图18和图19。古溶洞(陷落柱)图17Crossline858线地震剖面2024/1/1中国矿业大学39古溶洞(陷落柱)图18Crossline860线地震剖面2024/1/1中国矿业大学40古溶洞(陷落柱)图19Crossline862线地震剖面2024/1/1中国矿业大学41图20为古溶洞(陷落柱)在T13波沿层方差切片上的反映。古溶洞(陷落柱)图20古溶洞(陷落柱)在T13波沿层方差切片上的反映存在的问题煤矿三维地震数据动态解释技术2024/1/1中国矿业大学422024/1/1中国矿业大学435岩性地震勘探中国东部主要矿区经过多年的开采，浅部资源已亮红灯，迫切需求开采深部地域的煤炭资源。如何提高深部勘探成果的精度，在深部实现高产高效是今后的主要勘探目的。要务虚现煤田地震勘探从构造勘探阶段向岩性勘探阶段的跨越，从查明煤层的构造分布到查明地层的岩性分布，处理煤矿深部开采中的一系列地质问题，特别是影响煤矿平安消费的煤层底板突水、瓦斯突出、顶板压力等地质灾祸问题。地震属性技术地震反演技术2024/1/1中国矿业大学442024/1/1中国矿业大学45波阻抗反演技术是岩性地震勘探的重要手段之一，根据钻孔测井数据纵向分辨率很高的有利条件，对井旁地震资料进展约束反演，并在此根底上对孔间地震资料进展反演，推断煤系地层岩性在平面上的变化情况，把具有高纵向分辨率的知测井资料与延续观测的地震资料联络起来，实行优势互补，大大提高三维地震资料的纵、横向分辨率和对地下地质情况的勘探研讨程度。波阻抗反演技术可以处理煤矿开采中的一系列问题，特别是影响煤矿平安消费的煤层底板突水和瓦斯突出等地质灾祸问题。图21是波阻抗反演剖面。2024/1/1中国矿业大学46图21波阻抗反演剖面2024/1/1中国矿业大学47运用实例提高地震剖面的纵向分辨率获得煤层及其顶、底板的岩性信息确定岩浆岩的分布范围煤层厚度预测2024/1/1中国矿业大学48提高地震剖面的纵向分辨率图22是淮南张集煤矿西三采区7e8井Inline方向的常规地震剖面，虽然剖面的信噪比很高，波同相轴延续性很好，但其主频只需50HZ，无法界定煤层和顶、底板之间的关系。图23是相应的波阻抗反演剖面，其主频有了明显提高，煤层(绿色)及其顶、底板的位置明晰可见。2024/1/1中国矿业大学4913-1煤图227e8井Inline方向常规地震剖面2024/1/1中国矿业大学5013-1煤图237e8井Inline方向波阻抗反演剖面2024/1/1中国矿业大学51获得煤层及其顶、底板的岩性信息了解煤层顶、底板的岩性对后期的开采至关重要，常规地震剖面不能提供相关信息，而波阻抗反演剖面那么有助于处理此类问题。淮南张集煤矿西三采区13-1煤层的直接顶板是泥岩，直接底板是炭质泥岩。在图24所示的常规地震剖面上，波为一个复合波，无法提供煤层顶、底板的岩性信息。在图25所示的波阻抗反演剖面上，可以明晰地分辨13-1煤层、泥岩顶板和炭质泥岩底板。2024/1/1中国矿业大学52图24D9井Inline方向常规地震剖面2024/1/1中国矿业大学53泥岩顶板13-1煤炭质泥岩底板图25D9井Inline方向波阻抗反演剖面2024/1/1中国矿业大学54获得煤层及其顶、底板的岩性信息在时间切片上也可获得煤层及其顶、底板的岩性信息。从阳泉二矿九采区的波阻抗数据体中，以15煤层底板为参考面向上每3ms(根据本区的煤系地层平均速度转换成5m)做一个沿层切片，共提取了5个波阻抗切片，即获得了15煤层及顶板以上5m、10m、15m的岩性信息，见图26~图30。2024/1/1中国矿业大学55图2615煤层底板沿层切片图2715煤层顶板沿层切片2024/1/1中国矿业大学56图2815煤层顶板上部5m沿层切片图2915煤层顶板上部10m沿层切片2024/1/1中国矿业大学57图3015煤层顶板上部15m沿层切片2024/1/1中国矿业大学58确定岩浆岩的分布范围图31是皖北卧龙湖煤矿西一采区23-242井10煤及其火成岩顶板的测井曲线。在图32常规地震剖面上，10煤及其火成岩顶板没有显示。在图33波阻抗反演剖面上，可以识别10煤及火成岩。2024/1/1中国