晋城矿区瓦斯灾害隐患地震资料预测技术

第1章　绪　　论

11　研究意义

煤层中普遍含有瓦斯.当地下掘进到煤层时.由于煤层的应力条件发生变化.煤层瓦斯发生泄压、涌出.在一定的压力作用下.破碎煤与瓦斯由煤体突然向采掘空间大量喷出.这是一种瓦斯特殊涌出的现象.这种现象被称为煤与瓦斯突出.这种突出在煤矿中常产生破坏性作用.比如爆炸、窒息.从而形成瓦斯灾害.

瓦斯灾害的根源在于煤与瓦斯突出现象.这种现象涉及煤层的先天性条件.比如.煤体结构、煤层吨煤含气量、煤层瓦斯压力等.同时也与后天性条件有关.比如煤矿的开采、生产方法.后天性条件需要根据先天性的煤层条件来确定.并根据实际情况的变化进行及时的调整.由于我国含煤地层的复杂性.煤与瓦斯突出现象时有发生.给煤矿的安全高效生产带来极大的难度.根据煤炭行业统计数据.我国国有重点煤矿48％以上是高瓦斯突出矿井.新中国成立以来发生了22起死亡百人以上的煤矿事故.其中20起是由于瓦斯灾害 (付建华、程远平.2007).

目前进行瓦斯灾害的防治.主要是通过两种措施的结合.一是根据矿区已有的瓦斯突出规律.确定瓦斯突出的主控地质因素.比如煤层的赋存条件、煤的结构类型及工业分析等.通过一定技术手段掌握地质因素的展布规律.在具有突出危险的区域或部位.进行针对性瓦斯突出的防治.二是根据煤与瓦斯的突出规律.在井下进行动态的监测.根据监测参数的变化规律.预测瓦斯突出.提前采取区域、或局部综合防突措施.

从上述的瓦斯防治措施可以看出.这两大类措施的采取.都需要详细可靠的瓦斯参数.用于确定突出危险区或突出危险性.瓦斯防治需要的基础性地质资料.比如实测煤层含气量、煤体结构等瓦斯参数.主要是通过钻孔或地下取心测试完成.或者进行瓦斯参数监控.它们的特点是 :控制点分布较为松散.分布不均匀.在煤层赋存条件简单.横向变化小的区域.该方法能满足煤矿的安全高效生产.在煤矿地质条件复杂区域.该方法对远离控制点的瓦斯参数控制能力差.不利于煤矿的安全高效生产.

根据1991年原国家能源投资公司下发的能投计(1991)612号文 .关于基本建设矿井补做地震工作的通知其要求 “凡列入计划建设的基本建设矿井项目.有条件的一律补做地震工作 在地震工作没有完成之前.不准进入采区施工”.这一文件的下发.推动了高分辨地震勘探技术在煤矿建设和生产领域中的应用.揭开了大规模矿井采区地震勘探工作的帷幕.目前我国的大部分采区都已经开展或是即将开展三维地震勘探工作.虽然每个地区由于受地表条件、地下构造、煤层埋深等地质因素影响.采集到的地震数据优劣也各有差别.但是.由于地震数据具有横向上密度高的特征.地震解释成果的准确性高.对同一个物理点具有多次覆盖的特征.可提高地震资料的信噪比.这些特点使得地震勘探技术具有勘探面积大、密度高、精度高、效果好的优势.

目前地震勘探技术广泛应用于煤田地质精细探查.可以分析地质构造、煤层厚度、煤体结构、煤层气富集区等地质条件.该技术的优势就是横向上网格小.与钻孔勘探相比.钻孔网格为200m×200m.而地震的网格一般为10m×5m.因此.采用地震勘探技术构建瓦斯灾害源探测的技术方法.有利于获得更为精细的成果.进而更有针对性地指导瓦斯突出的预防.提高经济效益.可见.利用地震技术进行瓦斯灾害预测.具有重要和明显的社会经济效益.

12　瓦斯灾害隐患预测技术研究现状

瓦斯灾害属于流体灾害类型.这种现象涉及三个因素 :涌出源、涌出通道、涌出量.部分因素在一定条件下表现出静态、动态特征 (周心权和陈国新.2008).做好瓦斯灾害的防治工作.主要从上述的三个因素展开.同时.随着我国提出煤层气资源的开发利用.从煤层气资源开发的角度在这些方面也开展了大量的工作.两者相互促进.

瓦斯在我国的含煤地层中普遍存在.通过瓦斯抽采数据发现.瓦斯主要存在于煤层中.在煤层围岩及不可采煤层中的气体中也含有一定的量 (王素玲等.1999).总体上.煤层是最为重要的涌出源.

煤层中所有瓦斯含量的多少.可以用煤层含气量来表征.由于煤层含气量数据是评价煤与瓦斯突出、煤层气资源潜力的一个重要参数.如果能获取煤层含气量与地质因素之间的关系.则能利用地质因素预测煤层含气量的大小.进一步研究认为煤的物质组成、变质程度、煤体变形 (煤体结构)、顶底板岩性、埋深与上覆有效地层厚度、构造发育情况、岩浆活动和水文地质条件是影响煤层含气量的主要因素(YeeetAl 1993.张晓宝等.2002.王凯雄和姚铭.2004.张同周等.2005.苏现波等.2005.苏现波、林晓英.2007).通过对沁水盆地南部目标煤层含气量影响因素的分析.建立了煤变质程度、储层压力、温度及煤质特征支持向量机模型来预测煤层含气量 (刘爱华等.2010).基于煤层有效埋藏深度、水分＋灰分和镜质组最大反射率三个参数与煤层含气量关系密切.建立BP神经网络模型来预测煤层含气量 (孟召平等.2008).利用电阻率、密度、自然伽马、声波时差四种测井曲线.通过聚类分析计算煤层含气量和煤体结构划分.表明利用测井参数评价煤层的甲烷含量 (张妮等.2010)和分析煤层破坏类型是可行的 (陆国桢等.1997.FuetAl 2009).由于地质资料主要是散点式获取.这些结果也仍然是散点式的.不同点之间的距离较大.

煤层含气量在横向上表现出变化.体现了瓦斯在一定范围内呈现富集到减弱的特征.这种变化与含煤地层在横向上的变化有关.由于边界限制.瓦斯流动系统具有独立性.则容易形成局部的瓦斯富集.在煤层气研究中.这种富集被称为煤层气藏.在瓦斯灾害中.则称为瓦斯富集区.根据含煤地层横向上的物性变化.将其边界区分为四种类

第1章　绪　　论3

型:水动力边界、风氧化带边界、物性边界和断层边界.苏现波认为水动力边界和风氧化带边界具有普遍性.将油气领域断层的四种封闭机理 (胶结作用、泥岩涂抹、对接关系和碎裂作用 )引入到瓦斯富集区封闭性断层边界研究.首次将物性边界的封闭机理区分为排驱压力封闭和烃浓度封闭.不同地质背景下含煤地层具有不同的边界组合类型.进而构成了瓦斯富集区的多样性 (苏现波等.2005).同时.瓦斯富集区还存在一个岩性边界.该边界是指位于煤层尖灭带的边界.有两种情形 : 1位于煤层尖灭带的岩性具有较大的渗透率.排驱压力低.瓦斯容易逸散.难以在煤层内聚集.不利于瓦斯的保存. 2位于煤层尖灭带的岩性具有较低的渗透率.边界具有较高的排驱压力.有利于瓦斯的保存.后一种情形常见.如在我国的铁法盆地.在深部盆缘断裂附近存在煤层分叉尖灭带、岩性相变带等不渗透边界.致使瓦斯在深部聚集.构成了典型的铁法盆地瓦斯富集区 (宋岩等.2009).构造应力场也是控制瓦斯富集区极为重要的因素.挤压应力场作用下.在强变形带的中心及其附近.可以形成糜棱煤类构造煤.但糜棱煤分布较为局限.在较大范围内形成脆性变形系列的构造煤.这类煤层是瓦斯开发的有利区带.拉张构造应力场中.大部分区域有利于煤层裂隙的形成和渗透率的提高.同时.易造成瓦斯的散失.含气量降低.应重视有利储气构造的研究.剪切构造应力场中.以平移断层为界.煤层的赋存状态、煤体结构和煤储层物性都会存在一定的差异.应对不同的构造单元分别研究其煤储层特征 (姜波等.2005).

通过进行瓦斯富集区与常规天然气成藏机理的差异性研究.发现它们之间的差异性体现在以下方面 :一是瓦斯以甲烷为主且成分简单.常规天然气成分相对复杂.二是瓦斯主要以吸附态储集于煤岩微孔和过渡孔的表面.常规天然气以游离态存在于储层孔隙或裂缝中.三是瓦斯赋存均经历了晚期抬升过程.后期保存条件好坏是能否形成富集区的关键.常规天然气经历了生烃、运聚和保存与破坏演化过程.天然气形成的静态地质要素和天然气成藏过程的动态地质作用的最佳时空匹配是成藏的关键.四是瓦斯的聚集受水势、压力的控制.往往具有向斜富集的特征.而常规天然气聚集受气势的控制.往往具有背斜或高部位富集的特征 (宋岩等.2011).

上述对煤层中瓦斯的研究表明.煤层中的瓦斯受到煤阶、煤储层邻近围岩的岩性及厚度、构造条件及水文地质条件等地质因素的控制.在我国众多的煤田里.瓦斯形成条件并不完全相同.从而造成不同区域的瓦斯赋存有较大的差异.比如.在我国的山西地区.主采3＃煤层.在晋城寺河矿区.3＃煤层平均含气量达到15m3 /t.易于开采.然而在长治大峪矿区.3＃煤层由于埋藏较浅.含气量平均在5m3 /t.而且在同一采区内.由于煤层厚度、煤阶、埋深等地质因素的影响.煤层含气量在横向上变化大.比如寺河煤矿西采区的煤层含气量在横向上变化范围为2 ~21m3/t.背斜与向斜位置的煤层含气量差异大 (王平虎.2010).

煤层中瓦斯涌出是一种正常的现象.然而在局部位置.由于含气量、煤体结构及围岩应力等条件突变.容易产生突然的煤与瓦斯突出.因此.这些部位构成了煤与瓦斯的涌出通道.针对瓦斯容易突出的部位.国内外开展了大量的研究.主要与煤层及围岩条件的突变有关.比如.构造煤 (邵强等.2010)、小断层 (刘咸卫等.2000)、小褶曲 (何俊等.2001)、煤层厚度突变位置 (李中州.2010)和煤层围岩变化 (姚艳芳等. 

4晋城矿区瓦斯灾害隐患地震资料预测技术

1999.黄凯.2008)等.煤与瓦斯突出的危险性随着煤层开采深度的增加而增加.比如.根据平顶山十矿相关统计资料.煤层采深500m以上发生突出21次.500m以下发生突出60余次.随着矿井开采深度的增加.煤与瓦斯突出已越来越频繁 (许伟功等.2006).

不同地区.瓦斯突出部位的地质决定因素也不同.为了预测瓦斯突出部位.许多学者对致灾因素进行了深入研究.比如.潞安矿区主采煤层普遍遭受地质构造破坏.煤体结构在平面上和垂向上均有明显的分带特征.井田北部和南部地区煤体原生结构较发育.煤储层渗透性较好.东部和西部的构造煤发育.易于瓦斯突出 (郭德勇和韩德馨.1998.白鸽等.2012).对河南平顶山、安阳和四川南桐、天府矿区地质构造和煤与瓦斯突出的关系研究表明.不同构造具有不同的突出倾向性.将地质构造分为突出构造和非突出构造及突出构造的突出段和非突出段.利用地质构造指标预测突出 (郭德勇、韩德馨.1998).众多影响瓦斯突出的因素中.构造煤的低强度、高吸附、快速解吸和低渗透性是造成瓦斯突出的根本原因.是瓦斯涌出量预测不准、瓦斯聚集致灾的重要原因.也是构造煤发育区瓦斯难抽采的直接原因 (张玉贵.2006).汤友谊等(2004)分析了淮南煤田不同煤体结构煤的f值 (坚固性系数 )分布特征和统计规律.认为煤体结构和f值关系密切.提出将f值作为硬煤和构造软煤的分类指标.以焦作煤田为例.对 Ⅰ~Ⅴ类结构煤进行了渗透率测试.结果表明 :渗透率与不同煤体结构的关系曲线近似呈正态分布.先是呈级数增大.随后呈级数减小. Ⅱ类煤体渗透率最大.V类煤体渗透率最小 (吕闰生等.2012).基于应用力化学理论.水平挤压应力是形成构造煤的重要原因.构造煤是力化学作用的产物 (张玉贵等.2005).构造煤尤其是糜棱煤的瓦斯易突性.不仅受地质构造的控制.还可能与韧性变形条件下的应力降解作用有关 (侯泉林等.2012).由于煤体结构的划分方法多.杨陆武和郭德勇(1996)评价了煤体结构类型的不同划分方法.认为把煤体结构划分为 :原生煤、破碎煤、构造煤是一种较为合适的方法.傅雪海通过测井曲线划分煤体结构.利用聚类分析将两淮煤田各矿井煤体结构划分为原生结构、碎裂煤 (Ⅰ类)、碎斑煤 (Ⅱ类)和糜棱煤 (Ⅲ类)4种类型.根据煤层气试井资料.建立煤层渗透率与Ⅱ、 Ⅲ类构造煤厚度百分比之间的数学模型 (傅雪海等.2003).由于构造煤在煤层中不一定连续分布.杨陆武和彭立世(1997)根据以煤体结构为基础的煤与瓦斯突出简化力学模型.给出了其构造煤临界厚度判据.以河南平顶山矿区为例.郭德勇等(1998)提出突出煤层煤体结构有效厚度的概念和计算方法.探讨了突出煤层煤体结构指标临界值的计算方法.实验室大量的煤样测试结果表明.瓦斯突出煤体和非突出煤体的导电性和介电性质存在着十分明显的差异.当电磁波穿透原生结构受到严重破坏的瓦斯突出煤体时.电磁波能量就会明显减弱或屏蔽而形成阴影.阴影区出现的位置是瓦斯突出煤体富集的部位或瓦斯突出煤体与地质构造共生的位置.此时可以通过地质雷达等电磁波进行超前探测 (吕绍林等.2000.杨峰和彭苏萍.2006).当煤层中存在强烈破坏的构造煤时.会出现低速区.槽波由于被吸收很多而不能继续向前传播.出现弱反射区或者衰减区域.指示瓦斯可能突出位置 (胡国泽等.2013).在一定地应力和瓦斯压力作用下.煤体弹性能量集中.当煤体力学强度较弱如存在软分层等缺陷时.煤体局部破坏从而释放应力波.这种现象可以通过声发射设 

第1章　绪　　论5

备进行监控.利用煤体声发射特征规律预测煤与瓦斯突出 (邹银辉等.2005).煤与瓦斯突出前.煤岩发生变形破裂.该过程中.电磁辐射信号基本呈逐渐增强的趋势 (聂百胜等.2002).

煤层中压力变化后.煤层中的吸附态瓦斯解析.与游离态的瓦斯一起涌出到采掘空间.涌出瓦斯量以瓦斯相对涌出量和瓦斯绝对涌出量进行评价.瓦斯相对涌出量为每生产一吨煤的瓦斯涌出量.瓦斯绝对涌出量为每分钟涌出的瓦斯量.瓦斯绝对涌出量除以平均每分钟的煤产量.就是瓦斯相对涌出量.很明显.涌出量与煤层含气量、煤的开采等因素有关.目前.矿井瓦斯涌出量的主要预测方法是分源预测法.比如.在城山矿运用瓦斯地质统计法建立分源瓦斯涌出量预测关系式.对3B＃、25＃层采煤工作面瓦斯涌出量进行预测.对3B＃、25＃层进行煤与瓦斯突出危险性预测.瓦斯含量大于8m3 /t的区域为突出危险区 (石兴龙.2012).基于回采工作面瓦斯分源涌出.利用人工神经网络分别预测开采煤层、邻近煤层、采空区三种来源的瓦斯涌出量 (朱红青等.2007).

考虑到瓦斯突出因素的主控性和多因素性.采用层次分析法和模糊综合评判法综合预测煤与瓦斯突出.运用层次分析法确定煤与瓦斯突出各影响因素的权重系数.采用隶属函数构造单因素判别矩阵.并运用模糊综合评判法建立煤与瓦斯突出预测模型.郭德勇等(2007)对平顶山研究区典型工作面进行了瓦斯突出危险性的定量预测和突出等级划分.黄为勇(2009)构建了基于支持向量机的瓦斯数据融合方法及其矿井瓦斯预警.通过多源的矿井瓦斯数据在数据级、特征级和决策级等三个层次上进行了以矿井瓦斯预警为目的的数据融合.

总体上.对瓦斯灾害隐患的预测技术繁多.这主要是由于瓦斯灾害受到多种地质条件和开采方法的综合影响.瓦斯灾害隐患预测可以归类为两种方法.一种是上游致因定量分析法.即定量分析井下环境的各主要致灾因素对矿井灾变发生发展的贡献.并据此建立分析灾变发生规律的数学模型.经数值分析求解.得到在已知环境条件下的灾变发生规律和相关参数的动态变化.一种是下游表征测定分析法.即分析致灾因素作用于井下环境后环境出现的灾前表现特征.这些特征往往具有可量测性.应用仪器测定其中可量测的参数 (主要是特征 )的变化.比如.声发射监测、电磁辐射监测等.并通过大量的统计资料和综合分析技术.分析这些灾前表现特征变化与灾害发生的关系.总结出灾害预测规律 (周心权等.2002).

无论是哪种方法.成功的前提是获得各个致灾因素的分布情况.并结合已有研究或生产中总结出的灾害主控因素及其演变规律.指导瓦斯灾害防治工作.从上述的研究可以看出.目前的瓦斯资料主要是通过钻孔、井下测试或井下物探等方法获取.对于瓦斯灾害预测意义重大.针对瓦斯灾害复杂的特征.如果能进一步结合先进的勘探技术.提供更翔实、丰富的地质资料.则有利于进一步促进井下生产安全高效开展.

13　煤田地震解释的国内外研究现状

三维地震资料的解释.是建立地震属性与各种地质异常的关系.利用地震属性来预 

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测地质异常的过程.地震属性是指地震数据经过一定的数学变换后得到的与地震波有关的几何学、运动学、动力学或统计学特征.从属性的定义来看.属性是一个包含内容非常广泛的概念.可以说所有的地震资料都可以归到地震属性的范围.因此.很多学者对地震属性进行了归纳和分类.比如.TAnner于1994年提出的几何属性和物理属性.Brown于1996年提出的叠前属性和叠后属性.QuincyChen于1997年提出了三种地震属性分类方法 :第一种是按属性提取的方法分为单道与多道分时窗属性、层位属性、体积属性和剖面属性.第二种是按地震波的运动学与动力学特征进行分类.第三种则是按储层特征进行分类.

在地震资料的解释过程中.双程时、三瞬属性、相干体、波阻抗属性、AVO (振幅随偏移距变化 )属性应用广泛 (武喜尊.2004.杨双安等.2004.赵镨.2007.杨德义等.2011).双程时属性是地层反射波的到达时间.经过叠加偏移处理后的地震数据.是自激自收剖面.断层、陷落柱等构造破碎带两侧的反射波产生的时差.提供了构造的识别标志.三瞬属性是利用Hilbert变换的信号处理方法得到瞬时振幅、瞬时频率和瞬时相位三种地震属性.瞬时振幅是地震反射波强度的体现.该属性能反映地震波能量上的变化.可以突出岩层波阻抗的变化界面.瞬时相位是描述地震反射波同相轴的相位.该属性与地震波的能量强弱没有关系.常作为地震同相轴连续性的一个衡量标准.瞬时频率是相位的时间变化率.它能够反映组成地层的岩性变化.有助于识别地层 (戴世鑫.2012).地震相干体属性是利用地震波形的相干性.根据相干原理.计算中心地震道与相邻道之间的相干系数.当地质体稳定时.地震道之间的相干性高.当地质体出现异常时.相干性低.因此通过对比能很好地体现出地震资料中的异常现象.指导断层的剖面解释及平面组合 (杜文凤.1998).波阻抗属性是20世纪70年代早期由加拿大TRD有限公司的RoyLindseth博士开发的.该属性根据反褶积的原理.将常规的地震反射振幅与地下介质的波阻抗建立关系.从而把时间域的地震剖面转换成反映地下岩层的深度域波阻抗剖面.如果建立速度与密度之间的关系.由此还可以得到反映地下岩层的速度剖面或密度剖面.AVO属性体现的是振幅随着偏移距的变化.利用该属性可以确定反射界面上覆、下伏介质的岩性特征及物性参数.借助AVO分析.地球物理学家可以更好地评估油气藏岩石属性.包括孔隙度、密度、岩性与流体含量.

煤田构造解释以时间域运动学信息为主.主要是根据各种地质构造在地震时间剖面上的双程时时差来判别.在确定了断层位置后.通过数据网格化方法、等值线编辑方法以及时深转换中的速度场建立技术.获得构造、煤层起伏等地质成果 (杜文凤.1996.崔若飞等.2002.陈辉.2009).该方法适用于地质条件简单和中等复杂的情况.在浅层地震地质条件差.深部地质条件复杂的情况下.会因为信息量小降低解释的精度和可靠性.比如.晋城赵庄矿区.由于静校正问题.漏解释一条落差为5m、延展长度近1000m的断层.对煤矿的安全生产造成极大的影响.随着实践的不断摸索.逐渐增加了振幅变弱、方差异常、相干属性等地震属性进行综合判断 (杜文凤.1996.彭苏萍.1997.崔若飞.1998.张爱敏.1998.彭苏萍等.1999).以淮南煤田为例.利用全三维可视化技术探测出煤层内的旋扭构造和新构造运动.利用地震属性的运动学和动力学特征探测出煤系地层中的陷落柱.通过基于空变速度场的时深转换技术实现煤系地层及