煤与瓦斯突出灾害隐患高分辨三维地震预测方法_彭苏萍.pdf

第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 煤与瓦斯突出灾害隐患高分辨三维 地震预测方法 彭苏萍 1， 卢勇旭1,2 （1.中国矿业大学 （北京） 煤炭资源与安全开采国家重点实验室， 北京 100083； 2.中国矿业大学 （北京） 地球科学与测绘工程学院， 北京 100083） 摘要 针对煤炭开采过程中的煤与瓦斯突出灾害防治问题， 提出了利用煤矿三维地震探测信 息量大、 探测数据横向连续性好、 采样间距小的特点， 通过与矿区内钻孔测井数据融合， 建立煤 与瓦斯突出部位高分辨三维地震预测的方法。通过岩石弹性特征的实验室测定、 测井和 VSP 资 料分析， 掌握煤、 岩石物性参数与视电阻率、 自然伽玛、 伽玛伽玛、 声波时差等测井曲线之间的定 性和定量关系以及煤体结构的测井响应特征，建立煤与瓦斯突出部位测井曲线识别模型和方 法； 研究和开发以测井曲线为约束的煤层结构高分辨率三维地震反演方法， 实现了对构造突出 煤体的精细描述； 开展对煤矿三维三分量转换波地震勘探技术的研究， 利用坐标旋转法实现快 慢横波的分离， 由快慢横波的时差确定煤层裂隙的发育程度， 并在空间上进行了精确定位； 研究 瓦斯富集区块地震波振幅变化规律，发现瓦斯突出煤层地震振幅随偏移距的增大呈下降趋势， 而非突出煤层的地震振幅随着偏移距的增大呈上升趋势。 关键词 煤与瓦斯突出； 灾害隐患； 测井技术； 地震预测方法 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 010-0034-05 High-resolution 3D Seismic Prediction for Hidden Dangers of Coal and Gas Outburst Hazard PENG Suping1, LU Yongxu1,2 （1.State Key Laboratory Coal Resources and Safe Mining, China University of Mining 2.School of Geosciences hidden hazard; well logging technology; seismic prediction 图 1淮南顾桥副检 1 井 13-1 煤层测井曲线 Fig.1Logging curves of 13-1 coal seam in Huainan Guqiao auxiliary inspection No.1 well 35 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 表 2不同突出危险程度煤体的测井响应参数 Table 2Logging response parameters of coal bodies with different outburst risk degrees 物性响应 参数 原生 煤体 裂隙 煤体 突出 煤体 严重突出 煤体 密度/ （g cm-3） 孔隙度/ 挥发分/ 弹性模量/GPa 泊松比 抗拉强度/MPa 抗压强度/MPa 纵波速度/ （m s-1） 视电阻率电位/ （Ω m ） 伽玛伽玛/ （γ mc-1） 自然伽玛/γ 声波时差/ （μs m-1） 1.65 36 4 0.45 12 2 050 100 14 400 1.55～1.65 1.5～3.5 32～36 3～4 0.2～0.3 0.35～0.45 8～12 1 850～2 050 100～150 490～580 10～14 400～450 1.45～1.55 3.5～5.5 28～32 2～3 0.3～0.4 0.25～0.35 4～8 1 650～1 850 150～200 580～670 6～10 450～500 5.5 28 0.4 0.25 670 500 度、密度和大的泊松比。随着煤体突出危险程度的 增高，其孔隙度提高，在测井响应参数上主要表现 为大的孔隙度和小的挥发分。突出煤与原生煤的密 度和纵波速度也有较大差异。同一煤层中的构造煤 弹性参数明显低于原生煤，突出煤的密度降低幅度 为 1.4％～8.6％，平均约 5％；纵波速度降低幅度为 4.8％～25.7％， 平均约 13％。这些变化反映了突出煤 和原生煤结构特征的差异，也为利用地震勘探技术 预测煤体结构提供了研究基础， 不同突出危险程度 煤体的测井响应参数见表 2。 研究发现，突出煤体表现为视电阻率明显下降 的低幅值，伽玛曲线和声波时差曲线则为较明显的 高振幅值，自然伽玛曲线为明显上升的中等振幅 值。突出煤体表现为弹性模量小、 抗拉强度小、 抗压 强度小、 密度小、 泊松比大的特征。 2煤层结构高分辨率三维地震反演方法 煤系地层的构造、岩性及其细微结构是决定瓦 斯是否富集的重要因素之一，因此准确地描述煤系 地层的精细结构对于探测瓦斯富集区具有重要意 义。纵波资料具有高信噪比、 高分辨率等特点， 在描 述地层的构造特征方面具有独特的优势，故可通过 对纵波资料的精细处理与解释准确描述煤层与煤 系地层的构造特征， 再通过纵波反演与属性提取技 术分析煤层的细微结构特征，反演煤层厚度，寻找 煤层破碎带，为瓦斯是否富集提供佐证。充分利用 三维地震探测数据在横向上、测井数据体在垂向上 的高分辨率特点，开展地震数据体与测井数据体数 据融合方面的研究， 构建以测井响应特征、 地震属性 特征与地质岩性特征相关性为基础的煤岩层反演方 法； 同时， 研究煤体结构和煤层破坏程度在反演数据 体的响应特征， 通过与煤矿突出实际煤体结构对比， 建立煤矿煤与瓦斯突出煤层突出部位的预测方法， 并开发相应的软件系统。 在地震-测井联合属性分析中可以发现突出煤 体作为夹层赋存于整个煤层内， 并在横向上不连续, 煤层及突出煤预测剖面图如图 2。因此改变了原先 关于突出构造煤是整个煤层并且在区域上稳定分布 的观念。研究发展了以人工伽玛为约束的煤层厚度 及其精细构造反演方法， 建立了煤层识别模型， 反演 出的煤层厚度预测精度达 95以上。发现在烟煤地 区， 煤与瓦斯突出与煤的密度有密切关系， 煤体越破 碎， 煤与瓦斯突出危险性就越高。 3煤层裂隙的发育程度及其空间展布规律 煤层气的赋存与煤体结构、 煤的孔隙裂隙状态、 煤系地层的地质构造现状及其演化史、地应力的分 布情况等因素有关。这些结构、状态和分布变化所 导致的最终结果， 就是地质介质、 岩石物性和各向异 性的变化。 所以， 用多波地震勘探研究煤层气问题最 终就归结为用多波地震方法检测岩石物性和各向异 性。通过多波地震正演技术，开发了多波地震野外 采集软件并野外采集了多块三维三分量地震资料。 在常规三维地震资料处理基础上，利用含裂隙介质 中的横波分裂特性求取地下煤层的裂隙参数。采用 基于大道集数据的快波偏移方位扫描，多道两分量 旋转叠加及根据角度谱与快慢波到时先后鉴别快波 偏振方位角的办法，以提高分离快慢波的精度和稳 定性。 图 2煤层及突出煤预测剖面图 Fig.2Coal seam and outburst coal prediction profile 共深度点道集 CDP 36 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 研究发现转换横波遇到方位各向异性的煤层 后， 产生以不同速度传播的 2 组横波， 即平行裂缝走 向偏振的快横波和垂直于裂隙方向偏振的慢横波。 慢横波的传播速度则受煤层裂隙发育及填充物的影 响， 裂隙发育程度越高， 其传播速度越低， 因此， 快 波的偏振方向代表了煤层地下裂隙的发育方向， 快 波与慢波之间旅行时之差代表了地下裂隙的发育程 度， 时差越大， 地下煤层裂隙的发育程度越高， 经过 钻孔验证，发现地下煤层裂隙发育越高的部位瓦斯 含量越高。三维三分量地震勘探如图 3。 4瓦斯富集区块地震波振幅变化规律 通过研究振幅随偏移距的变化 （AVO） 、 振幅随 炮点-检波点方位角的变化 （方位 AVO） 特征， 可以 反演获得各种瓦斯赋存地层地震属性，在与已知瓦 斯富集区煤、非瓦斯富集区煤（或者原生煤、构造 煤） 的弹性特征及其差异对比基础上，掌握煤的节 理、裂隙、变质和构造作用等因素与煤的弹性特征 之间的关系，并进一步探讨各种特性的煤层与岩层 构成的岩体反射界面的反射特征和节理、裂隙（即 瓦斯富集） 、 煤层厚度、 顶 （底） 板岩性对反射特征的 影响[9-12]。通过对瓦斯突出煤层与非突出煤层 AVO 响应进行分析，发现瓦斯突出煤层地震振幅随偏移 距的增大呈下降趋势，而非突出煤层的地震振幅随 着偏移距的增大呈上升趋势[8]。瓦斯突出煤层与非 突出煤层的 AVO 响应如图 4。 5结语 由于煤矿三维地震探测信息量大、探测数据横 向连续性好、 采样间距小 （10 m10 m 甚至更小） ， 因 此不但在煤矿精细地质构造探测中优势明显，而且 可以通过与矿区内钻孔测井数据融合，形成煤与瓦 斯突出部位高分辨三维地震预测的一种有效精准方 法，在煤矿煤与瓦斯突出灾害预防中发挥积极科技 支撑作用。 参考文献 ［1］ 彭苏萍.建立与完善我国煤矿高产高效矿井地质保障 系统的几个问题 ［C］ //可持续发展与煤炭工业报告文 集.北京 煤炭工业出版社， 1998. ［2］ 彭苏萍， 唐修义.中国东部深部煤炭安全高效开发中 的地质难题及今后研究方向 ［C］ //全国采矿会议论文 集.北京 冶金工业出版社， 1999. ［3］ О И 切尔诺夫， Е С 罗赞采夫. 瓦斯突出危险煤层井 田的准备 ［M］ .宋世钊， 于不凡.译.北京 煤炭工业出 版社， 1980. ［4］ 周世宁.中国工程院院士周世宁 ［EB/OL］ . （2015-08- 10） ［2020-06-25］ . 1453.html. ［5］ 张祖银， 张子敏.1∶200 万中国煤矿瓦斯地质图编制 ［M］ .西安 西安地图出版社， 1992. 图 3三维三分量地震勘探 Fig.3Three-dimensional three-component seismic exploration 图 4瓦斯突出煤层与非突出煤层的 AVO 响应 Fig.4AVO response of gas outburst coal seam and non- outburst coal seam 37 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 ［6］ 彭苏萍， 杜文凤， 苑春方， 等.不同结构类型煤体地球 物理特征差异分析和纵横波联合识别与预测方法研 究 ［J］ .地质学报， 2008， 82 （10） 1311-1322. ［7］ 彭苏萍， 邹冠贵， 李巧灵．测井约束地震反演在煤厚预 测中的应用研究 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2008， 37 （6） 729-733. ［8］ 彭苏萍， 杜文凤， 勾精为， 等.煤层气藏高分辨率探测 的地球物理方法 ［M］ ．北京 科技出版社， 2014. ［9］ 彭苏萍， 杨瑞召， 林金埕， 等.地震反演与三维可视化 技术在煤田三维地震勘探中的应用初探 ［C］ //煤炭工 业技术委员会地质分会/中国煤炭学会矿井地质专业 委员会 2001 年学术年会论文集.合肥 中国煤炭学会 矿井地质专业委员会， 2001. ［10］ 李冬， 彭苏萍， 杜文凤， 等．煤层瓦斯突出危险区综合 预测方法 ［J］ .煤炭学报， 2018， 43 （2） 466-472． ［11］ 彭苏萍， 魏文希， 杜文凤， 等．基于 AVO 反演与叠前 同步反演预测构造煤分布 ［J］ .中国矿业大学学报， 2018， 47 （5） 929-934. ［12］ PENG Suping, CHEN Huajing, YANG Ruizhao, et al. Factors facilitating or limitingthe use of AVO for coal- bed methane ［J］ . Geophysics, 2006, 71 （4） 49-56. 作者简介 彭苏萍 （1959） ， 江西萍乡人， 中国工程院 院士， 教授， 博士生导师， 博士， 研究方向为矿井地质与工 程物探。 （收稿日期 2020-07-01； 责任编辑 王福厚） ［27］ 左建平， 孙运江， 刘文岗， 等.浅埋大采高工作面顶板 初次断裂爆破机理与力学分析 ［J］ .煤炭学报， 2016， 41 （9） 2165-2172． ［28］ 陈苏社.综采工作面超深孔爆破强制放顶技术研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2013， 41 （1） 44-47. ［29］ 于斌， 高瑞， 孟祥斌， 等.大空间远近场结构失稳矿压 作用与控制技术 ［J］ .岩石力学与工程学报， 2018， 37 （5） 1134-1145. ［30］ 王强.潞安矿区破碎煤岩体注浆加固技术及应用 ［D］ .北京 煤炭科学研究总院， 2018. 作者简介 康红普 （1965） ， 男， 山西五台人， 中国工程 院院士。 （收稿日期 2020-07-01； 责任编辑 朱蕾） （上接第 33 页） 333333333333333333333333333333333333333333333 38