煤礦地震勘探技術(shù)

2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)1煤礦地震勘探技術(shù)崔假設(shè)飛中國礦業(yè)大學(xué)二零一一年十月2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)2目錄概述地震勘探的根本原理二維地震勘探三維地震勘探巖性地震勘探2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)31概述在現(xiàn)代化高產(chǎn)高效礦井的建立和消費過程中，綜采任務(wù)面的合理布置、綜采機組高產(chǎn)高效的發(fā)揚、礦工以致整個礦井的平安，依賴于礦井地質(zhì)條件的查明程度。主要地質(zhì)義務(wù)包括：(1)查明落差5m左右的斷層及幅度5m左右的褶曲；(2)查清陷落柱、老窯及采空區(qū)的空間分布形狀；(3)處理煤層分叉與合并、煤層厚度變化、火成巖侵入、煤層頂?shù)装逅牡刭|(zhì)條件及力學(xué)性質(zhì)等一系列地質(zhì)問題。2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)4現(xiàn)行的高產(chǎn)高效礦井地質(zhì)條件保證是以物探技術(shù)為先導(dǎo)，鉆探、巷探等根底地質(zhì)手段加以配合，同時依托計算機技術(shù)實現(xiàn)消費地質(zhì)任務(wù)的動態(tài)管理。其任務(wù)方式可分為三個層面：(1)井田范圍主要可采煤層開采地質(zhì)條件評價，查明煤層構(gòu)造是主要任務(wù)，主要勘查手段為二維地震勘探、電法勘探與鉆孔。2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)5(2)采區(qū)采前地質(zhì)條件勘查，主要任務(wù)是查明采區(qū)范圍內(nèi)的小構(gòu)造，包括落差5m左右的斷層、陷落柱、老窯及采空區(qū)的空間分布形狀，根據(jù)采區(qū)銜接的要求，應(yīng)提早布置實施。在地表條件允許的前提下，三維高分辨率地震勘探技術(shù)是首選方法。(3)綜采任務(wù)面地質(zhì)條件超前探測，在綜采設(shè)備安裝或開采前，查明任務(wù)面內(nèi)一切地質(zhì)異常景象，為任務(wù)面繼續(xù)開采提供地質(zhì)保證是主要任務(wù)。2地震勘探的根本原理地震波的傳播特征地震波分為體波和面波，體波在彈性介質(zhì)的內(nèi)部傳播，面波沿著彈性介質(zhì)的某些界面?zhèn)鞑?，見圖1?？v波(P波)——質(zhì)點振動方向和波傳播方向一樣。橫波(S波)——質(zhì)點振動方向和波傳播方向相垂直。質(zhì)點振動在程度平面中的橫波分量稱為程度橫波(SH波)，質(zhì)點振動在垂直平面中的橫波分量稱為垂直橫波(SV波)。瑞雷面波(R波)——質(zhì)點在經(jīng)過傳播方向的鉛垂面內(nèi)沿橢圓軌跡逆轉(zhuǎn)運動。2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)62024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)7圖1地震波的傳播表示圖a—縱波；b—程度橫波；c—垂直橫波；d—瑞雷面波地震波在傳播過程中遇到兩種地層分界面時，就會產(chǎn)生反射波。在地面上用儀器把各個地層分界面的反射波到達時間記錄下來，利用地震波傳播速度，便可以計算出地層分界面的埋藏深度。圖2是地震勘探表示圖。2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)82024/1/19陷落柱在地震剖面上的反映圖2地震勘探表示圖地震勘探的地震地質(zhì)條件決議一個地域能否開展及如何進展地震勘探任務(wù)的客觀條件，統(tǒng)稱為地震地質(zhì)條件，它分為表層條件和深部條件兩部分。表層地震地質(zhì)條件是指地表附近的地質(zhì)和地貌的特點，它主要影響地震勘探的施工效率、激發(fā)與接納條件。深部地震地質(zhì)條件是指地震界面與地質(zhì)界面的對應(yīng)關(guān)系，以及地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜程度。2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)10二維地震勘探是一套以數(shù)字方式記錄地震信號，經(jīng)數(shù)字處置獲得地震時間剖面，查明煤田構(gòu)造的技術(shù)方法。地震時間剖面是構(gòu)造解釋的根底資料。通常，一條地震測線可得到一張時間剖面(圖3)。圖3中，橫坐標(biāo)為共中心點(CDP)，縱坐標(biāo)為雙程游覽時間，以秒(s)為單位。時間剖面不同于深度剖面，但能直觀地反映地下構(gòu)造形狀。2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)113二維地震勘探2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)12圖3地震時間剖面二維地震勘探可以處理的主要地質(zhì)問題是：(1)查明落差大于等于10m的斷層，提供落差小于10m的斷點，平面擺動誤差小于50m；(2)查明幅度大于等于10m的褶曲，主要可采煤層底板深度誤差不大于2%；(3)查明新生界(第四系)厚度；(4)探明直徑大于30m的陷落柱、無煤帶、煤層分叉合并，為回采任務(wù)面布置提供可靠的地質(zhì)資料。2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)132024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)14三維地震勘探的特點三維地震勘探具有大面積密集采集信息的優(yōu)勢，利用地震信息可以從平面和立體角度研討地層的構(gòu)造、巖性的變化，廣泛用于煤礦采區(qū)的合理布置、主巷道的開辟、綜采任務(wù)面開采地質(zhì)條件的評價。三維地震勘探提供了能反映地質(zhì)體時空變化的三維數(shù)據(jù)體，見圖4。利用該數(shù)據(jù)體，可以提取垂直剖面和地震切片，以滿足解釋任務(wù)的需求，見圖5。4三維地震勘探2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)15圖4三維地震數(shù)據(jù)體圖5垂直剖面和地震切片2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)16圖3三維可視化技術(shù)是用于顯示描畫和了解地下和地面諸多景象特征的一種工具，其目的是以一種直觀的方式把數(shù)據(jù)體及其對數(shù)據(jù)的了解和解釋表示出來。圖6三維可視化目前，煤田三維地震勘探技術(shù)曾經(jīng)成為詳細(xì)查明小斷層、小褶曲、陷落柱、采空區(qū)、沖刷帶等重要地質(zhì)資料的主要手段。但是，其整體程度仍處于構(gòu)造解釋階段，尚不能處理煤礦平安消費中的一切地質(zhì)問題。2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)172024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)18目前，我國主要礦區(qū)的消費礦井均做了采區(qū)三維地震勘探任務(wù)，獲得了大量的三維地震數(shù)據(jù)。在地震地質(zhì)條件較好的地域，可以處理的主要地質(zhì)問題是：(1)查明落差大于等于5m的斷層，提供落差小于5m的斷點，平面擺動誤差小于30m；(2)查明幅度大于等于5m的褶曲，主要可采煤層底板深度誤差不大于1.5%；(3)查明新生界厚度，深度誤差不大于1.5%；(4)探明直徑大于30m的陷落柱。2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)19運用實例探查陷落柱解釋小斷層探查古溶洞探測巷道2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)20探測巷道圖4謝橋煤礦東一采區(qū)兩個平行回風(fēng)石門2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)212006年6月中旬，安徽恒源煤電股份深部采區(qū)在井下巷道掘進過程中發(fā)現(xiàn)有陷落柱的存在(圖5)，而現(xiàn)有的地質(zhì)資料上沒有關(guān)于這個陷落柱的信息。陷落柱在時間剖面上普通表現(xiàn)為上下煤組的反射波自下而上中斷或消逝，成為一片反射波空白帶，出現(xiàn)明顯的“塌陷漏斗〞景象，見圖6，有時在陷落柱邊緣出現(xiàn)明顯的地震異常擾曲反射波，這些異常表現(xiàn)結(jié)合程度沿層切片和相關(guān)方差切片上，可對陷落柱進展有效查找。探查陷落柱2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)22圖5陷落柱2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)23圖6陷落柱在地震剖面上的反映2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)24根據(jù)4、6煤層反射波的特征，結(jié)合沿層切片(圖7和圖8)和相關(guān)切片(圖9和圖10)對勘探區(qū)內(nèi)陷落柱進展了查找，發(fā)現(xiàn)一處上、下煤層均錯斷大于20m的塌陷漏斗狀的陷落柱景象，長軸約為140m，短軸約為70m。探查陷落柱2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)25陷落柱圖7陷落柱在4煤層沿層切片上的顯示2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)26陷落柱圖8陷落柱在4煤層相關(guān)切片上的顯示2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)27陷落柱圖9陷落柱在6煤層沿層切片上的顯示2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)28陷落柱圖10陷落柱在6煤層相關(guān)切片上的顯示2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)29解釋小斷層淮南礦業(yè)集團張集煤礦西三采區(qū)三維地震勘探為高效和準(zhǔn)確的構(gòu)造解釋發(fā)揚了重要作用。圖11是西三采區(qū)13-1煤層相關(guān)切片與底板等高線圖的對比，左圖是西三采區(qū)13-1煤層的相關(guān)切片，右圖是西三采區(qū)13-1煤層的底板等高線圖。2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)30圖11西三采區(qū)13-1煤層相關(guān)切片與底板等高線圖的對比2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)31探查古溶洞2006年11月24日，臨沂礦業(yè)集團丘集煤礦首采區(qū)在11煤層頂板巖巷掘進過程中忽然涌水，水量達1200m3/h，極大的影響了煤礦的正常消費。根據(jù)水文地質(zhì)資料和地質(zhì)人員的任務(wù)閱歷，初步判別出水點東南部存在斷層或垂直構(gòu)造。利用三維地震資料進展了分析，在出水點東南方向200~300m處發(fā)現(xiàn)一個古溶洞(陷落柱)，見圖12，長軸長度大約200m左右，短軸長度大約150m左右。2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)32古溶洞(陷落柱)出水點圖12解釋古溶洞(陷落柱)的位置2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)33解釋古溶洞(陷落柱)過程以三維地震資料為主，結(jié)合礦井地質(zhì)和水文地質(zhì)資料。根據(jù)地震剖面上煤層反射波同向軸延續(xù)性和振幅變化來確定陷落柱邊境，T7波對應(yīng)7煤，T10波對應(yīng)10煤，T13波為10煤和13煤的復(fù)合波。在Crossline850~862線之間，不存在7煤層采空區(qū)影響，三個煤層反射波均存在，且信噪比和分辨率均較高，每隔10m切一條地震剖面(圖13~圖19)，可以觀測到古溶洞(陷落柱)的整個變化過程。2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)34圖13中，T7波、T10波延續(xù)性好且振幅強，而T13波延續(xù)性好但振幅在陷落柱處變?nèi)?，初步定位于古溶?陷落柱)邊境。古溶洞(陷落柱)圖13Crossline850線地震剖面2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)35圖14中，T13波同向軸出現(xiàn)空白帶，但并不存在落差，這是典型的陷落柱反映。古溶洞(陷落柱)圖14Crossline852線地震剖面2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)36從Crossline854線地震剖面開場，陷落柱影響到10煤層的T10波，見圖15和圖16。古溶洞(陷落柱)圖15Crossline854線地震剖面2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)37古溶洞(陷落柱)圖16Crossline856線地震剖面2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)38從Crossline858線地震剖面開場中，陷落柱影響到7煤層的T7波，見圖17、圖18和圖19。古溶洞(陷落柱)圖17Crossline858線地震剖面2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)39古溶洞(陷落柱)圖18Crossline860線地震剖面2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)40古溶洞(陷落柱)圖19Crossline862線地震剖面2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)41圖20為古溶洞(陷落柱)在T13波沿層方差切片上的反映。古溶洞(陷落柱)圖20古溶洞(陷落柱)在T13波沿層方差切片上的反映存在的問題煤礦三維地震數(shù)據(jù)動態(tài)解釋技術(shù)2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)422024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)435巖性地震勘探中國東部主要礦區(qū)經(jīng)過多年的開采，淺部資源已亮紅燈，迫切需求開采深部地域的煤炭資源。如何提高深部勘探成果的精度，在深部實現(xiàn)高產(chǎn)高效是今后的主要勘探目的。要務(wù)虛現(xiàn)煤田地震勘探從構(gòu)造勘探階段向巖性勘探階段的跨越，從查明煤層的構(gòu)造分布到查明地層的巖性分布，處理煤礦深部開采中的一系列地質(zhì)問題，特別是影響煤礦平安消費的煤層底板突水、瓦斯突出、頂板壓力等地質(zhì)災(zāi)禍問題。地震屬性技術(shù)地震反演技術(shù)2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)442024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)45波阻抗反演技術(shù)是巖性地震勘探的重要手段之一，根據(jù)鉆孔測井?dāng)?shù)據(jù)縱向分辨率很高的有利條件，對井旁地震資料進展約束反演，并在此根底上對孔間地震資料進展反演，推斷煤系地層巖性在平面上的變化情況，把具有高縱向分辨率的知測井資料與延續(xù)觀測的地震資料聯(lián)絡(luò)起來，實行優(yōu)勢互補，大大提高三維地震資料的縱、橫向分辨率和對地下地質(zhì)情況的勘探研討程度。波阻抗反演技術(shù)可以處理煤礦開采中的一系列問題，特別是影響煤礦平安消費的煤層底板突水和瓦斯突出等地質(zhì)災(zāi)禍問題。圖21是波阻抗反演剖面。2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)46圖21波阻抗反演剖面2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)47運用實例提高地震剖面的縱向分辨率獲得煤層及其頂、底板的巖性信息確定巖漿巖的分布范圍煤層厚度預(yù)測2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)48提高地震剖面的縱向分辨率圖22是淮南張集煤礦西三采區(qū)7e8井Inline方向的常規(guī)地震剖面，雖然剖面的信噪比很高，波同相軸延續(xù)性很好，但其主頻只需50HZ，無法界定煤層和頂、底板之間的關(guān)系。圖23是相應(yīng)的波阻抗反演剖面，其主頻有了明顯提高，煤層(綠色)及其頂、底板的位置明晰可見。2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)4913-1煤圖227e8井Inline方向常規(guī)地震剖面2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)5013-1煤圖237e8井Inline方向波阻抗反演剖面2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)51獲得煤層及其頂、底板的巖性信息了解煤層頂、底板的巖性對后期的開采至關(guān)重要，常規(guī)地震剖面不能提供相關(guān)信息，而波阻抗反演剖面那么有助于處理此類問題?；茨蠌埣旱V西三采區(qū)13-1煤層的直接頂板是泥巖，直接底板是炭質(zhì)泥巖。在圖24所示的常規(guī)地震剖面上，波為一個復(fù)合波，無法提供煤層頂、底板的巖性信息。在圖25所示的波阻抗反演剖面上，可以明晰地分辨13-1煤層、泥巖頂板和炭質(zhì)泥巖底板。2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)52圖24D9井Inline方向常規(guī)地震剖面2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)53泥巖頂板13-1煤炭質(zhì)泥巖底板圖25D9井Inline方向波阻抗反演剖面2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)54獲得煤層及其頂、底板的巖性信息在時間切片上也可獲得煤層及其頂、底板的巖性信息。從陽泉二礦九采區(qū)的波阻抗數(shù)據(jù)體中，以15煤層底板為參考面向上每3ms(根據(jù)本區(qū)的煤系地層平均速度轉(zhuǎn)換成5m)做一個沿層切片，共提取了5個波阻抗切片，即獲得了15煤層及頂板以上5m、10m、15m的巖性信息，見圖26~圖30。2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)55圖2615煤層底板沿層切片圖2715煤層頂板沿層切片2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)56圖2815煤層頂板上部5m沿層切片圖2915煤層頂板上部10m沿層切片2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)57圖3015煤層頂板上部15m沿層切片2024/1/1中國礦業(yè)大學(xué)58確定巖漿巖的分布范圍圖31是皖北臥龍湖煤礦西一采區(qū)23-242井10煤及其火成巖頂板的測井曲線。在圖32常規(guī)地震剖面上，10煤及其火成巖頂板沒有顯示。在圖33波阻抗反演剖面上，可以識別10煤及火成巖。2024/1/1中國