瓦斯地质保障系统专题讲座.ppt

,瓦斯地质保障系统专题讲座,张海军,煤矿瓦斯治理国家工程研究中心峰峰分中心,2014年4月18日,1,前言,煤矿地质工作既是煤炭工业的基础，也贯穿于煤炭生产和利用的全过程。煤矿中水、火、瓦斯、顶板、煤尘5大灾害无一不与地质条件相关。由于地下介质的非均质性、随机性和复杂性特点，人们对于地质问题的认识是一个渐进的过程。地质科学是一门实践性很强的科学，离不开“实践认识再实践再认识”的动态认识过程。,煤矿地质工作的重要性及现阶段面临的主要问题,目前，包括高分辨率三维地震勘探技术在内的各种探测手段，都只是从不同侧面对地下地质体进行探测，都只能获得与地质体相关的某类信息，直接利用这些信息进行地下地质条件进行准确的预测预报，由于缺少先验性的对比资料，有时还存在着一定的不确定性、模糊性和知识的不完备性，极大地制约着采区三维地震勘探成果效益的发挥。,煤矿地质工作的重要性及现阶段面临的主要问题,瓦斯地质河南理工大学杨力生教授于上个世纪70年代提出的。1983年，他与他的同事一起，在煤炭部支持下，建立了“编制全国煤矿瓦斯地质图”煤炭工业部重大项目。,瓦斯地质形成和发展,瓦斯地质在瓦斯事故较多的背景下产生的，它是生产实践中逐渐发展起来的，把地质研究与瓦斯研究有机地结合在一起的一门边缘学科。为保障煤矿瓦斯防治、开发利用对煤矿地质的需要所开展的一系列地质技术与管理工作，它既是煤矿安全地质工作的范畴，又是资源开发与利用地质工作业务，是传统煤矿地质工作的进一步深化和扩延，较传统意义上煤矿地质工作更具有四个方面的特点：工作上要超前，方法上要综合，技术上要精准，管理上要严格。,瓦斯地质形成和发展,瓦斯地质保障是世界性难题,2,淮南经验&做法,杜绝了误揭（穿）煤层、误透老空老硐事故，杜绝了地质工作失误造成的瓦斯事故，杜绝了矿井突水死亡和淹井事故。杜绝了因地质构造探查不明造成综采工作面无计划停产搬家事故，杜绝了巷道测量、工程标定错误。,为瓦斯治理、水害防治、矿压治理、快速建井、快速掘进、综采综掘高效生产提供了强有力地质基础支撑。,实现了地质保障工作目标,通过矿井高精度综合勘探，超前高精度探明了矿区煤炭资源储量1030000万吨，为顾桥、张集矿等千万吨级矿井开发和潘一矿等百万吨级改扩建矿井提供了可靠的煤炭资源保障。,为矿区资源大开发提供了丰厚的煤矿资源保障,通过强技术、严管理，开展技术研究和储量动态检测等工作，集团各生产矿的矿井、采区、工作面“三率”均分别达到65%，85%，95%以上，远高于同行业平均水平，被国土资源部评定位全国先进水平！,煤炭资源回收率处全国先进水平,通过查明水文地质条件，开展探测与研究“上三带”和“下三带”发育规律，实施“分类指导、分类治理”水害防治技术措施。累计已回采受松散砂层水威胁的煤炭资源储量7500万吨，受灰岩高承压水威胁的煤炭资源储量3600万吨。,安全解放出受水威胁的煤炭资源储量11100万吨,既有丰富实战经验的地质专家队伍，高新技术应用人才队伍，井下物探专业化队伍，又有地质理论基础研究性队伍和综合管理能力的队伍。,培养出一批能够适应复杂地质及开采技术条件的地质保障技术与管理人才队伍。,地质保障体系的基本构架是：以定量预测为先导、以物探、钻探、化探分析等为手段；依托地质理论和信息化技术，创建“矿井、采区、工作面”三个不同层次的超前探查与预测技术的地质保障系统。管理体系推行以总工程师为首“上分下统”的地质管理，执行目标考核、闭合管理机制和矿井“三级”地质保障制度等地质保障工作管理体系。实施“高投入、强基础、上手段、攻项目、严管理、建队伍”保障措施,构建了现代煤矿安全高效绿色开采的地质保障体系,1993年，在煤炭行业率先开展谢桥煤矿三维地震勘探技术研究并获得成功，将其推广应用到全矿区，做到矿井采区全覆盖。2005年，率先配备两套Geoframe地震解释系统，为每对矿井建立三维地震勘探解释工作站，实现了采掘工作面三维地震动态解释，全矿区地质预测预报准确率平均达到80%。2006年至2011年，先后在顾桥、丁集、潘北、新庄孜等矿井率先开展高精度三维地震技术试验与研究，并进行了10个区块的精细再处理与解释研究。截止2011年底，共实施三维地震勘探面积309.96km2，探明落差大于5m断层4679条，实践验证准确率达90%。,三维地震勘探技术研究与应用成效显著,自主编制了淮南矿区、各矿井、各煤层瓦斯地质图开展了全矿区保护层开采地质条件分析与评价研究并推广了高精度快速井巷揭煤地质超前探测技术研究与执行“突出煤层顶（底）板层位探控技术”研究并成功实践了地面瓦斯抽采钻井技术,主要瓦斯地质自主创新技术成果,“十一五”期间，开展了“综采工作面长透距坑透技术研究”，编制了“CT”数据处理软件，形成了一套无线电波透视CT井下探测工作方法和技术规范。揭露结果表明对地质异常区判别准确率达80%；二维地震勘探技术试验与研究，试验总工程量近10000m。实验研究结果表明，通过少量钻孔验证并进行反演，能够探明巷道上下各50m范围内煤层及断层赋存状态；,集成并创新井下物探技术,“综合物探技术试验与应用研究”，以反射波与直流电及瞬变电磁法相搭配的岩石巷道综合超前探测方法，其超前探测距离120m,预报准确率82%以上；“地质雷达探测试验应用研究”，该项技术方便快捷，在煤巷有效探测距离最大为30m，异常点判别准确率为71%。,集成并创新井下物探技术,针对陷落柱、新构造、A组煤层底板岩溶水害防治和松散层含水层下提高上限开采、灰岩突水等水害隐患的技术难题，开展研究科研项目数十项。2001年以来，通过省级鉴定11项，获省级科技进步一等奖1项，二等奖2项，中国煤炭工业十大科研技术成果3项，煤炭工业科学技术进步二等奖7项；截止2013年，实现了92个提高上限工作面安全回采煤量11000万t。水体下防水煤柱由设计垂高80m缩小至27m-19m。A组煤层底板承压水上的20个工作面安全回采煤量3600万t，并获得了该条件下的疏水降压开采的标准，即倾斜、缓倾斜煤层底板临界突水系数为0.05Mp/m。,矿井水害防治技术成果丰富,统计表明，82%的突出与构造有关；淮南煤与瓦斯突出近50%（53次）发生在地质异常区；淮南瓦斯异常涌出（喷出）（23次）多发生于岩石巷道裂隙发育带,理论与实践表明：瓦斯动力现象与其地质赋存条件密切相关。,确立了“保障有力，行业领先，尖兵要尖”的工作发展目标；,淮南矿业集团高度重视瓦斯地质工作,提出了“地质要过关，重点攻物探”、“地质是尖兵，出路在创“新”等瓦斯地质工作理念。,认为“地质不过关，瓦斯治本难”；,淮南矿业集团瓦斯综合治理目标是通过实施三步走战略，实现“三个杜绝”：杜绝瓦斯爆炸、杜绝煤与瓦斯突出、杜绝瓦斯超限！,1.高目标引领，推动瓦斯地质工作创新发展,围绕企业治理瓦斯目标，瓦斯地质保障工作目标：杜绝误揭（穿）煤层事故！杜绝因地质工作失误直接造成瓦斯异常涌出、瓦斯超限事故!杜绝误透老空巷（峒）事故!,牢固树立超前意识，坚持有疑必探，依靠科技进步，开展技术与管理创新，全面建设瓦斯地质保障体系，为瓦斯治理提供强有力保障。,转变观念：,工作思路,工作方法,工作方法,体系架构：,集团公司组织编制了淮南矿业集团地质保障规划，并特邀2名中国工程院院士及多位地质专家组织召开了淮南矿业集团地质保障规划专家咨询会。集团公司就地质保障工作每年专门印发年度4号文，对地质保障工作原则、工作目标、保障措施和主要工作任务加以明确，指导地质工作高效运行。,2.科学统筹制定地质保障规划与计划,3.创新管理建立健全瓦斯地质保障管理体系,3.创新管理建立健全瓦斯地质保障管理体系,3.创新管理建立健全瓦斯地质保障管理体系,4.着力推进全面实施瓦斯地质工作保障措施,4.着力推进全面实施瓦斯地质工作保障措施,4.着力推进全面实施瓦斯地质工作保障措施,与中国矿业大学、安徽理工大学等合作，根据钻孔资料、煤样试验、井下实测等收集矿区瓦斯含量资料近2000个，瓦斯压力数据近600个，编制全矿区、各矿各煤层瓦斯地质图，厘清了淮南矿区瓦斯赋存基本规律。,潘一矿13-1煤层瓦斯含量等值线图,顾桥矿13-1煤层瓦斯含量等值线图,与中国科学院合作，利用三维三分量地震勘探技术，对顾桥矿瓦斯含量进行了反演预测。,潘三矿东四下山采区13-1煤层瓦斯富集区AVO特征,与中国矿业大学(北京)合作，对潘三矿东四下山采区三维地震勘探区块进行实际地震资料的处理和分析,初步探讨了利用AVO技术预测煤层瓦斯富集部位的可行性。,与安徽理工大学、安徽建筑工业学院等合作，对淮南历史上煤与瓦斯突出进行了统计分析，摸清了淮南矿区煤与瓦斯突出的一般规律。与安徽理工大学等合作，对淮南矿区构造煤区域分布规律进行了研究。,13-1煤层构造煤平面分布图,11-2煤层构造煤平面分布图,1993年，淮南矿业集团在煤炭系统率先开展了谢桥煤矿采区三维地震勘探技术研究，并获得成功，该成果获1995年度煤炭部科学技术进步二等奖，1996年度国家科学技术三等奖，在全行业推广应用，并不断发展和再创新。2005年又率先拥有两套Geoframe地震解释系统，并建立了矿井三维地震精细解释工作站，实现了采掘工作面三维地震动态地质解释和预测预报。,淮南矿业集团三维地震勘探累计59个区块，勘探面积达309.96km2，投入资金1亿元以上，已完成三维地震勘探解释成果52个，进一步查明了勘探区内煤层赋存和构造赋存条件，针对三维地震勘探过程中存在问题、难题，先后与中国矿业大学（北京）、中国科学院、中石油等合作攻关，取得了许多重要成果。,断层实见点验证情况综合表,13-1煤层构造三维显示,发现陷落柱及疑似陷落柱5个,三维数据体立体显示,剖面解释,瞬时相位剖面,波形剖面,波形变密度剖面,变密度剖面,隐伏构造体在时间剖面上表现为同相轴的中断、扭曲、缺失等特征，在瞬时相位剖面上表现为相位的明显变化。,隐伏构造体在浅部为椭圆，随时间（或深度）加深椭圆的大小在逐渐增大，说明隐伏构造体边界随深度加深而加大。,切片解释,隐伏构造体空间形态,顾桥矿发现的新构造瞬时相位剖面,发现新地层特大型断裂构造2条,地震剖面上新地层中发现的逆断层,发现断裂旋钮构造带2条,顾桥矿首采区北块13-1煤层厚度图,发现煤层变薄带,朱集矿8煤岩浆岩侵入体,岩浆岩侵入体,发现岩浆岩侵入区,13-1煤层顶、底板含水性图,与中国科学院合作，利用三维三分量地震勘探技术，对顾桥矿首采区煤岩层含水性进行了预测。,含水性预测,顾桥矿13-1煤层应力云图,与中国科学院合作，利用三维三分量地震勘探技术，对顾桥矿首采区煤层应力进行了预测。,地应力预测,与中石油合作，针对潘北矿首采区，利用高密度纵三维地震蚂蚁追踪技术，对煤岩层裂隙发育区进行了预测，进而预测瓦斯富集带。,潘北矿地震属性蚂蚁追踪与地震剖面结合解释小断层,小断层、裂隙带预测,LN232线重新处理前（上）、后（下）地震剖面对比,与中国矿业大学（北京）、中煤物探研究院等单位合作，对早期三维地震勘探数据重新进行处理与解释。潘三矿西二采区作二次资料处理后，新增断层15条。,二次处理精细解释,潘一矿1602(3)面走向测线瞬变电磁结果剖面,“三带”地面瞬变电磁探测研究,采用界面反射测量原理。反射回来的地震信号被三分量高灵敏度的地震检波器接收形成地震记录。,巷道反射探测布置示意图,反射地震法巷道超前探测研究,顾桥煤矿-780m南翼轨道大巷偏移及探采结果验证对比图,震源条件：采用锤击和放炮震源，探测距离在60-120m。解决问题：对前方波阻抗差异明显的地质构造界面具有较好的分辨能力。,反射地震法巷道超前探测特点,反射地震法巷道超前探测研究,存在问题：煤巷掘进探测需放炮和接收点布入相对完整煤层中，岩巷掘进探测需避开围岩松动范围。偏移时速度选择困难，因此利用平均速度对前方界面进行计算，降低后续界面的判断准确性。对与巷道夹角大的高倾角断层构造分辨能力相对较好，落差小的构造分辨能力低。,采用面波频谱分析法（瞬态法），通过采集人工地震波所携带的地下信息来分析地层结构。利用FFT（快速付里叶变换）和频谱分析技术，求得不同频率瑞雷波的相速度，同时由此得到该点的频散曲线。当地下介质存在界面时会产生频散拐点，因此可以判断异常界面。高频探测深度浅，低频探测深度大。,面波地震法施工布置示意图,瑞雷波地震法巷道超前探测研究,在迎头正前方80m范围内，6m、16m、26m、50m处分别有4个异常跳动，这表明根据探测结果，以上4处可能会有构造或地质分层。,南翼大巷迎头瑞雷波超前勘探验证图,顾桥南翼大巷迎头瑞雷波勘探结果图,瑞雷波地震法巷道超前探测研究,多次覆盖观测系统布置图,多次覆盖系统电法超前探测交汇剖面,直流电阻率法巷道超前探测研究,点源空间示意图,向坑道工作面发送回线上供一电流脉冲方波，方波后沿下降的瞬间，产生一个向回线法线方向传播的一次磁场，在一次磁场的激励下，地质体将产生涡流（大小取决于地质体的导电程度）；一次场消失后，该涡流不会立即消失，它将有一个过渡(衰减)过程。过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向掌子面传播，由接收回线接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地质体的电性分布情况。如按不同的延迟时间测量二次感生电动势V(t)，就得到了二次磁场随时间衰减的特性曲线。如果没有良导体存在时，将观测到快速衰减的过渡过程；当存在良导体时，由于电源切断的一瞬间，在导体内部将产生涡流以维持一次场的切断，所观测到的过渡过程衰变速度将变慢，从而判断导体的存在。,瞬变电磁法巷道超前探测研究,瞬变电磁法巷道超前探测原理示意图,瞬变电磁法巷道超前探测立体布置图,瞬变电磁法巷道超前探测研究,瞬变电磁法巷道超前探测三方向剖面电阻率成果图,瞬变电磁法巷道超前探测剖面及验证结果对比图,利用发射天线发射高频宽带电磁波脉冲，接收天线接收来自地下介质的界面的反射波。,地质雷达法巷道超前探测原理示意图,地质雷达巷道超前探测研究,顾南1414(1)工作面轨道顺槽K11点前94m超前探测验证剖面图,透射槽波勘探原理图,槽波又称为导波或煤层波。,槽波地震回采工作面超前探测研究,槽波地震探测技术主要应用于：探测煤层的不连续性，如煤层厚度变化，矸石层分布，大、小断层，陷落柱，剥蚀带，古河床冲刷带，岩墙，老窑等；评估煤层地压的相对高带、可能的高瓦斯带等。,槽波地震煤层厚度解释成果图,槽波地震回采工作面超前探测研究,工作面地震CT探测现场布置示意图,各种波组发育特征,震波CT回采工作面超前探测研究,地震CT探测速度分布解释及验证,震波CT回采工作面超前探测研究,坑透布置及异常解释图,无线电透视CT成像（坑透）回采工作面超前探测研究,顾桥矿工作面坑透场强分布剖面,张集矿17268面工作面中部薄煤区探测与验证结果(红线为实见层滑变薄区),直流电法透视CT回采工作面超前探测研究,潘二矿底板灰岩富气区域勘查剖面及地质解释成果,井下二维地震掘进工作面底部超前探测研究,潘二矿底板巷顶板岩层二维地震探测剖面,井下二维地震掘进工作面底部超前探测研究,2009年6月26日，潘二矿A组煤层底板巷放水钻孔至97.5m处发生严重的瓦斯喷孔，共喷出瓦斯量6700m3，单孔瓦斯喷孔之大，为淮南矿区岩石孔之最。为查明原因，集团公司利用物探、化探、钻探综合技术方法，实施一定范围内立体式探测方案，查明其瓦斯气源、储存空腔、导气通道。验证结果：经钻探、化探相互验证与实际相吻合。,多灾源瓦斯地质综合探测技术研究,潘二矿A组煤层底板巷放水钻孔严重瓦斯喷孔事例,右帮底板反射地震波探测异常位置确定,多灾源瓦斯地质综合探测技术研究,右帮底板二维电阻率法探测异常位置确定,多灾源瓦斯地质综合探测技术研究,右帮底板瞬变电磁法探测异常位置确定,多灾源瓦斯地质综合探测技术研究,潜在含气空腔,实见喷气空腔,综合探测异常平面分布,实见出水位置,多灾源瓦斯地质综合探测技术研究,瓦斯样品分析直方图,2011、2012年淮南矿区地质（断层）预报准确率统计,4.着力推进全面实施瓦斯地质工作保障措施,对因地质测量工作失误造成煤与瓦斯异常涌出事故的，给予矿地测副总工程师和地测科