煤矿地震勘探技术

2020/6/6,中国矿业大学,1,煤矿地震勘探技术,崔若飞中国矿业大学二零一一年十月,2020/6/6,中国矿业大学,2,目录,概述地震勘探的基本原理二维地震勘探三维地震勘探岩性地震勘探,2020/6/6,中国矿业大学,3,1概述,在现代化高产高效矿井的建设和生产过程中，综采工作面的合理布置、综采机组高产高效的发挥、矿工以至整个矿井的安全，依赖于矿井地质条件的查明程度。主要地质任务包括：(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态；(3)解决煤层分叉与合并、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。,2020/6/6,中国矿业大学,4,现行的高产高效矿井地质条件保障是以物探技术为先导，钻探、巷探等基础地质手段加以配合，同时依托计算机技术实现生产地质工作的动态管理。其工作模式可分为三个层面：(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工作，主要勘查手段为二维地震勘探、电法勘探与钻孔。,2020/6/6,中国矿业大学,5,(2)采区采前地质条件勘查，主要工作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态，根据采区衔接的要求，应提前布置实施。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)综采工作面地质条件超前探测，在综采设备安装或开采前，查明工作面内一切地质异常现象，为工作面持续开采提供地质保障是主要工作。,2地震勘探的基本原理,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相同。横波(S波)质点振动方向和波传播方向相垂直。质点振动在水平平面中的横波分量称为水平横波(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)质点在通过传播方向的铅垂面内沿椭圆轨迹逆转运动。,2020/6/6,中国矿业大学,6,2020/6/6,中国矿业大学,7,图1地震波的传播示意图a纵波；b水平横波；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是地震勘探示意图。,2020/6/6,中国矿业大学,8,2020/6/6,9,陷落柱在地震剖面上的反映,图2地震勘探示意图,地震勘探的地震地质条件决定一个地区能否开展及如何进行地震勘探工作的客观条件，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、激发与接收条件。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。,2020/6/6,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，经数字处理获得地震时间剖面，查明煤田构造的技术方法。地震时间剖面是构造解释的基础资料。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)，纵坐标为双程旅行时间，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态。,2020/6/6,中国矿业大学,11,3二维地震勘探,2020/6/6,中国矿业大学,12,图3地震时间剖面,二维地震勘探可以解决的主要地质问题是：(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，为回采工作面布置提供可靠的地质资料。,2020/6/6,中国矿业大学,13,2020/6/6,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究地层的构造、岩性的变化，广泛用于煤矿采区的合理布置、主巷道的开拓、综采工作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，以满足解释工作的需要，见图5。,4三维地震勘探,2020/6/6,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,2020/6/6,中国矿业大学,16,图6三维可视化,目前，煤田三维地震勘探技术已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，其整体水平仍处于构造解释阶段，尚不能解决煤矿安全生产中的所有地质问题。,2020/6/6,中国矿业大学,17,2020/6/6,中国矿业大学,18,目前，我国主要矿区的生产矿井均做了采区三维地震勘探工作，获得了大量的三维地震数据。在地震地质条件较好的地区，可以解决的主要地质问题是：(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。,2020/6/6,中国矿业大学,19,应用实例,探查陷落柱,解释小断层,探查古溶洞,探测巷道,2020/6/6,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,2020/6/6,中国矿业大学,21,2006年6月中旬，安徽恒源煤电股份有限公司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一般表现为上下煤组的反射波自下而上中断或消失，成为一片反射波空白带，出现明显的“塌陷漏斗”现象，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，这些异常表现结合水平沿层切片和相干方差切片上，可对陷落柱进行有效查找。,探查陷落柱,2020/6/6,中国矿业大学,22,图5陷落柱,2020/6/6,中国矿业大学,23,图6陷落柱在地震剖面上的反映,2020/6/6,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)和相干切片(图9和图10)对勘探区内陷落柱进行了查找，发现一处上、下煤层均错断大于20m的塌陷漏斗状的陷落柱现象，长轴约为140m，短轴约为70m。,探查陷落柱,2020/6/6,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,2020/6/6,中国矿业大学,26,陷落柱,图8陷落柱在4煤层相干切片上的显示,2020/6/6,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,2020/6/6,中国矿业大学,28,陷落柱,图10陷落柱在6煤层相干切片上的显示,2020/6/6,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挥了重要作用。图11是西三采区13-1煤层相干切片与底板等高线图的对比，左图是西三采区13-1煤层的相干切片，右图是西三采区13-1煤层的底板等高线图。,2020/6/6,中国矿业大学,30,图11西三采区13-1煤层相干切片与底板等高线图的对比,2020/6/6,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突然涌水，水量达1200m3/h，极大的影响了煤矿的正常生产。根据水文地质资料和地质人员的工作经验，初步判断出水点东南部存在断层或垂直构造。利用三维地震资料进行了分析，在出水点东南方向200300m处发现一个古溶洞(陷落柱)，见图12，长轴长度大概200m左右，短轴长度大概150m左右。,2020/6/6,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,2020/6/6,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连续性和振幅变化来确定陷落柱边界，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Crossline850862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。,2020/6/6,中国矿业大学,34,图13中，T7波、T10波连续性好且振幅强，而T13波连续性好但振幅在陷落柱处变弱，初步定位于古溶洞(陷落柱)边界。,古溶洞(陷落柱),图13Crossline850线地震剖面,2020/6/6,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,2020/6/6,中国矿业大学,36,从Crossline854线地震剖面开始，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,2020/6/6,中国矿业大学,37,古溶洞(陷落柱),图16Crossline856线地震剖面,2020/6/6,中国矿业大学,38,从Crossline858线地震剖面开始中，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,2020/6/6,中国矿业大学,39,古溶洞(陷落柱),图18Crossline860线地震剖面,2020/6/6,中国矿业大学,40,古溶洞(陷落柱),图19Crossline862线地震剖面,2020/6/6,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,2020/6/6,中国矿业大学,42,2020/6/6,中国矿业大学,43,5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，迫切需要开采深部地区的煤炭资源。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标。要求实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，解决煤矿深部开采中的一系列地质问题，特别是影响煤矿安全生产的煤层底板突水、瓦斯突出、顶板压力等地质灾害问题。,地震属性技术地震反演技术,2020/6/6,中国矿业大学,44,2020/6/6,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，对井旁地震资料进行约束反演，并在此基础上对孔间地震资料进行反演，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已知测井资料与连续观测的地震资料联系起来，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究程度。波阻抗反演技术能够解决煤矿开采中的一系列问题，特别是影响煤矿安全生产的煤层底板突水和瓦斯突出等地质灾害问题。图21是波阻抗反演剖面。,2020/6/6,中国矿业大学,46,图21波阻抗反演剖面,2020/6/6,中国矿业大学,47,应用实例,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,2020/6/6,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，尽管剖面的信噪比很高，波同相轴连续性很好，但其主频只有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、底板的位置清晰可见。,2020/6/6,中国矿业大学,49,13-1煤,图227e8井Inline方向常规地震剖面,2020/6/6,中国矿业大学,50,13-1煤,图237e8井Inline方向波阻抗反演剖面,2020/6/6,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，而波阻抗反演剖面则有助于解决此类问题。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，可以清晰地分辨13-1煤层、泥岩顶板和炭质泥岩底板。,2020/6/6,中国矿业大学,52,图24D9井Inline方向常规地震剖面,2020/6/6,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,2020/6/6,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。,2020/6/6,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,2020/6/6,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,2020/6/6,中国矿业大学,57,图3015煤层顶板上部15m沿层切片,2020/6/6,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，能够识别10煤及火成岩。,2020/6/6,中国矿业大学,5