煤矿瓦斯突出防治.docx

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煤矿瓦斯突出防治

煤矿瓦斯突出防治

彭苏萍，长江学者特聘教授

“煤炭资源与安全开采”国家重点实验室主

中国矿业大学地质与地球物理研究所所长

一、国外研究现状1

二、研究方案及技术路线1

三、主要应用领域及实用价值3

（一）瓦斯突出煤体结构高分辨测井技术3

1．瓦斯突出煤体结构高分辨测井曲线特征提取3

2.不同突出危险程度煤体的测井响应4

（二）矿井瓦斯富集部位的地震反演技术5

1．实现高分辨率地震勘探5

2．识别小断层5

3．预测煤层厚度6

4．瓦斯及突出煤层的反演技术7

（三）三维三分量地震探测煤矿瓦斯富集部位的技术8

（四）探测瓦斯富集区的AVO技术11

四、结论18

我国层赋存地质条件复杂多变，瓦斯分布不均，重大瓦斯灾害事故时有发生。

瓦斯重大事故频发的原因，除有些是安全管理不到位外，更主要与近十多年来我国煤矿随开采深度增加瓦斯含量急剧增加有密切关系。

开采深度的加大和开采规模的提高导致开采条件更趋复杂，而研究人员还习惯于应用浅部开采条件下的瓦斯地质作用特征和规律来指导深部开采地质状况下的瓦斯治理，还主要采用基于矿井通风的煤矿瓦斯安全理论及技术，因此难以适应当前煤矿安全高效生产的迫切需求。

实践证明，当前煤矿瓦斯治理需要从全局出发，进行综合预防和治理，其中有效的方法是在在掌握煤层中瓦斯和构造煤赋存规律的基础上，在煤矿开采前对瓦斯进行有效超前预抽，降低瓦斯浓度，但我们目前对瓦斯的赋存特征和分布规律掌握很少，还没有找到探测和预测瓦斯富集和突出部位的有效方法和手段。

因此迫切需要探索在深部开采地质条件下，开采煤层围岩岩体地质结构与瓦斯富集的关系，深入研究探索瓦斯富集和瓦斯突出灾害源准确探测和预测的方法和技术。

一、国外研究现状

世界一些主要产煤大国如英、德、法、前苏联、美国、澳大利亚和南非等国家，在煤矿瓦斯探测和预测方面作了大量工作。

在美国，目前主要采用地面地震探测技术来预测瓦斯富集部位，用地面抽排技术来降低矿井瓦斯浓度。

最成功的例子是美国西达山（CedarHill）矿区瓦斯地面抽放工程。

该区为一单斜盆地，含7个煤组，煤层厚度大，连续性好。

因此，首先通过三维地震勘探等查明矿区瓦斯分布范围，确定分布区域中瓦斯富集部位。

然后在富集部位进行地面抽放，使煤层中瓦斯含量大大减少。

前苏联地区的地质学家则更重视利用各类地质参数和煤的物理、化学特征来预测预报瓦斯变化；德国在鲁尔矿区采用横波地震构造综合探测技术和沿煤层水平钻探探测和预测瓦斯的富集部位和煤矿开采前的瓦斯抽排，并认为横波地震探测瓦斯是最具前景的方法；澳大利亚主要应用沿煤层钻探、横波地震、地面地震及地震填图等手段预测工作面灾害事故。

二、研究方案及技术路线

近年来，我们在淮南矿业集团等企业的大力支持下，对煤层中瓦斯富集特征和富集规律进行了大量分析与研究，开发了准确探测精细地质构造、煤层及其特征、顶底板岩性、煤和瓦斯突出区域预测的三维地震勘探技术体系及其资料处理与解释软件，初步建立了探测瓦斯富集部位的地震地质方法。

具体采用的研究流程如图1所示：

1）在钻孔测井资料、煤样分析结果与测井资料之间能够建立明显定量统计结果的地区，采用多地震属性定量人工神经网络技术，定量预测目的层的瓦斯含量。

即将计算的目的层瓦斯含量曲线与井旁道地震属性进行相关分析筛选，利用地球物理反演技术及地震多属性神经网络分析技术直接预瓦斯含量，得到瓦斯含量三维数据体，进而预测瓦斯富集带；2）对钻孔比较稀少、尚未建立瓦斯含量与测井资料之间定量关系的三维地震勘探工区，可以利用地震波形分类技术。

即在精细解释基础上，对煤层附近的地震道进行波形分类，并与已知钻孔瓦斯含量数据进行对比，分析瓦斯富集带的地震响应特征，寻找地震波形属性特征与瓦斯富集钻孔之间的关系，进而将这种关系沿相同波形特征区外推，直接定性预测瓦斯富集带。

最后将上述预测结果进行结合，综合选择瓦斯的有利勘探目标对未采用三维地震勘探工区进行预测。

钻孔资料

三、主要应用领域及实用价值

（一）瓦斯突出煤体结构高分辨测井技术

1．瓦斯突出煤体结构高分辨测井曲线特征提取

煤与瓦斯突出发生在突出煤体中。

突出煤体多为原生结构遭受破坏的煤体，一般具有构造结构特征，通常称为构造煤。

研究突出煤体的地球物理测井响应特征，可以为划分突出煤体结构、预测瓦斯危险性提供依据。

通过对研究区内的视电阻率、自然电位、自然伽玛、人工伽玛、井径和声波时差等测井曲线进行研究，发现同一煤层中构造煤与原生煤、夹矸的测井曲线有明显区别（见图2，表1）。

图2淮南顾桥副检1井13-1煤层测井曲线

表1瓦斯突出煤体的测井曲线幅值特征

类别

测井曲线幅值

视电阻率

伽玛伽玛

声波时差

自然伽玛

构造煤

低

高

高

中

泥岩夹矸

低

低

低

高

原生煤

高

中

中

低

构造煤表现为视电阻率明显下降的低幅值，伽玛伽玛曲线和声波时差曲线则为较明显的高幅值，自然伽玛曲线为明显上升的中等幅值。

煤层中泥岩夹矸的视电阻率曲线、伽玛伽玛曲线和声波时差曲线均呈低幅值，自然伽玛曲线为明显高幅值。

原生煤视电阻率曲线为明显高幅值，自然伽玛曲线为明显低幅值，伽玛伽玛曲线和声波时差曲线的幅值介于构造煤与泥岩夹矸之间。

2.不同突出危险程度煤体的测井响应

对研究区常规测井曲线和VSP测井进行统计与综合研究，得到了不同突出危险程度煤体的测井响应特征（如表2所示）。

不同突出危险程度的煤体测井响应具有明显的差异性，测井响应的差异可以作为划分突出煤体结构和预测瓦斯突出的依据。

表2不同突出危险程度煤体的测井响应参数

物性响应参数

非突出煤体

过渡煤体

突出煤体

严重突出煤体

密度ρ/g·cm-3

>1.65

1.55-1.65

1.45-1.55

<1.45

孔隙度nv/%

<1.5

1.5-3.5

3.5-5.5

>5.5

挥发分Vdaf/%

>36

32-36

28-32

<28

弹性模量E50/GPa

>4

3-4

2-3

<2

泊松比μ

<0.2

0.2-0.3

0.3-0.4

>0.4

抗拉强度Rc/MPa

>0.45

0.35-0.45

0.25-0.35

<0.25

抗压强度Rt/MPa

>12

8-12

4-8

<4

纵波速度Vp/m·s-1

>2050

1850-2050

1650-1850

<1650

视电阻率电位DLW/Ω·m

<100

100-150

150-200

>200

伽玛伽玛HGG/γ·mc-1

<490

490-580

580-670

>670

自然伽玛HG/γ

>14

10-14

6-10

<6

声波时差SV/us·m-1

<400

400-450

450-500

>500

突出煤体一般都遭到了不同程度的破坏，因此比非突出煤体具有更小的强度和密度。

在物性响应参数上主要表现为小的弹性模量、抗拉强度、抗压强度、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。

构造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，构造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％。

这些变化反映了构造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。

（二）矿井瓦斯富集部位的地震反演技术

地震反演技术就是综合运用地震、测井、地质等资料以揭示地下目标层（储层、油气层、煤层等）的空间几何形态（包括目标层厚度、顶底构造形态、延伸方向、延伸范围、尖灭位置等）和目标层微观特征，它是将大面积的连续分布的地震资料与具有高分辨率的井点测井资料进行匹配、转换和结合的过程。

与煤和瓦斯突出密切相关的构造（主要是小断层及伴生的裂缝发育带）、煤层的厚度、顶底板岩性等参数也可以利用地震反演的方法进行预测。

由于煤矿采区分布有数量较多的钻孔资料，它可以作为已知的边界条件，从而减少反演问题固有的多解性。

因此，如何将纵向高分辨率的钻孔资料与横向稳定的地震高分辨率三维资料结合，来预测煤层厚度空间变化及其顶底板岩性的分布，是本研究所要探索的主要问题。

1．实现高分辨率地震勘探

由于受地震资料分辨率的限制，目前解释的煤层底板实际上并非真正的煤层底板，可能是煤层的中间甚至是顶板，而煤矿开采对解释精度要求很高，如果不进行地震资料反演，很难达到其要求的解释精度（图3）。

从图中可以明显看出，常规地震资料解释中所谓的煤层底板，可能并非真正的底板，只有通过反演技术，才能真正将煤层顶板底板区分开，实现真正的高分辨率勘探。

（a）常规地震剖面（b）反演地震剖面

图3常规地震剖面与反演地震剖面对比

2．识别小断层

煤矿瓦斯突出与煤层中的地质小构造有密切关系，因此，小构造的探测非常重要，一般要求解释出断距为3-5m的小断层，实际上，地震资料本身能够分辨出的断层其断距至少在10m左右。

因此，要在构造图上反映出小断层，十分困难，而且要求解释人员有较丰富的经验。

即便如此，漏掉断层的情况也时有发生。

而反演剖面上，小断层非常清楚，可以帮助解释人员精细解释断层（图4）。

图4利用反演剖面识别常规地震剖面无法识别的小断层

3．预测煤层厚度

反演结果可以帮助我们确定煤层的厚度。

煤田行业目前一般使用伽玛伽玛来判断煤层的存在与厚度，因此我们可根据测井数据确定某个煤层的伽玛数据值范围，在解释工作站上将地震数据中符合该煤层伽玛数据范围的点自动拾取出来，形成一个符合该煤层伽玛数据值范围的三维数据体，这个三维数据体就是我们所关心的煤层，其顶板就是真正的煤层顶板，而其底板就是煤层的真正底板。

利用地质统计学方法，使用钻孔数据对这个三维数据体进行标定，即可得到我们所需要的煤层厚度数据（如图5所示）。

图5根据反演结果预测的煤层等厚图（淮南张集三维采区）

4．瓦斯及突出煤层的反演技术

可以根据矿区内所选钻孔的拟声波测井曲线以及解释层位建立初始波阻抗模型，进行地震反演，通过放大的反演剖面（如图6所示）可以观察到明显的煤体滑脱面、部分高速夹矸和清晰的断层，为后续精细分析本区的瓦斯地质规律、了解煤体的宏观结构提供了宝贵的资料（如图7，8所示）。

图6潘三矿东四下山采区地震反演剖面（inline226）

图7潘三矿东四下山采区将13-1煤层放大地震反演剖面（inline309）

图8潘三矿东四下山采区将13-1煤层放大地震反演剖面（inline252）

（三）三维三分量地震探测煤矿瓦斯富集部位的技术

三维三分量地震探测技术与常规三维地震勘探的区别是在除了原来的纵波技术的基础上，还利用了地震波中横波技术。

地震波横波分快波和慢波两种，地震波中的横波在遇到裂隙、气体等地质异常时，其快慢波至的延迟时间加大，因此，可以利用这种方法，准确预测煤层中的裂隙发育部位，进而准确预测瓦斯富集部位。

为此，我们进行了将近十年的研究与探索，开发研制了具有自主知识产权的煤层三维三分量地震资料处理软件系统（图9）

图9三维三分量地震资料处理系统=

通过研究，发现煤田三维三分量地震探测的主要特点表现在以下方面：

（1）目的层明确，煤层为强反射层，煤层的转换波能量也相对较强，煤田转换波勘探的主要目的就是确定煤层及顶底板的岩性与各向异性参数；

（2）煤田纵波资料能够提供详细的地下介质构造模型，为开展基于模型的转换波资料处理提供了前提；（3）信噪比相对较高，利于成像；（4）目的层埋深较浅，转换点相对于中心点与渐近转换点的偏离距离较大，速度分析与波场成像难度增大。

针对上述特点，提出了如下煤田转换波资料常规处理流程（图10）。

在对三维三分量地震探测数据体进行详细分析处理基础上，利用方位角度扫描技术求取地下裂隙主方位及快慢波的分离，利用方位角叠加技术求取地下裂隙主方位。

图11是快慢波叠合地震剖面，快波和慢波之间存在明显的时差。

通过拾取快波和慢波数据体上13-1煤层的时间值，便可求得13-1煤层的快慢波时差（图12）。

从图上可以看出，快慢波的最大时差为20ms，大多数时差在0~9ms之间。

根据顾桥矿区实验室测定的瓦斯含量得知，5-23孔的瓦斯含量为2.17ml/g，5-24孔的瓦斯含量为4.71ml/g。

在快慢波时差图上5-23孔的时差较小（<2ms），5-24孔的时差较大（>5ms），这说明快慢波时差与实验室测定的瓦斯含量之间具有较好的对应关系，即快慢波时差越大，表明煤层的裂隙越发育。

（黑色为快波、红色为慢波）

图11快慢波叠合地震剖面

图12快慢波延迟时间平面图

（四）探测瓦斯富集区的AVO技术

AVO技术利用CDP道集上振幅随偏移距的变化（Amplitude-Versus-Offset）特征预测勘探目的层岩石孔隙中流体性质的变化。

AVO技术是上世纪八十年代发展起来的一项地震勘探技术，是用于勘探天然气和轻质油的特殊技术。

在油气勘探中，因为AVO异常的位置直接指示了天然气赋存的位置，因此AVO技术被称为直接碳氢探测技术。

利用AVO技术探测煤层中的瓦斯，主要是我们在这方面做了一些探索。

从AVO处理中可以获得多种AVO属性（又称为AVO异常），这些名目繁多AVO属性都是由两个基本AVO属性——截距和梯度——换算出来的。

在AVO理论中，截距和梯度的定义是：

（1）

式中

是入射角，

是反射系数，也就是地震波的振幅，A是截距，B是梯度。

截距A相当于零偏移距的振幅，主要决定于反射界面两侧的波阻抗差。

对于煤田AVO处理成果，截距异常主要受下列因素的影响：

煤层顶板和底板的岩性（砂岩、页岩、粘土岩）、煤层厚度、煤体结构（裂隙发育或破碎程度）、断层等构造因素。

当测区范围较小，顶（底）板岩性变化不大时，在考虑了断层的影响之后，截距的强异常与煤层厚度增大或构造煤发育有关。

B是梯度，主要决定于反射界面两侧泊松比差。

不同煤体结构煤的泊松比随煤的裂隙或破碎程度升高而增大，这又导致反射界面两侧泊松比差随煤的裂隙或破碎程度升高而增大，波阻抗差也增大，这些最终导致地震波振幅随偏移距增加而变化的梯度。

因此，梯度是指示瓦斯富集部位的主要AVO属性。

通过研究，发现煤体结构和顶底板岩性对AVO特征的影响特征有如下几点（图13,14）：

（1）顶板岩性对AVO特征有很大影响，图中的曲线明显地按照顶板岩性（砂岩、页岩）分为两组。

（2）在小入射角（<18º）时，振幅随入射角的变化不明显，最有意义的入射角变化范围是15º-40º之间。

（3）可以看到煤的破碎程度对AVO特征的影响，但是，由于影响因素不单一，在反演时需要分离各种因素。

（4）无论是砂岩顶板还是页泥岩顶板，软分层（即非常破碎的构造煤）的AVO特征比较突出。

这对于使用AVO技术预测瓦斯富集是有利的。

这是本次模型正演的一个积极的成果。

图13煤层顶板反射系数随入射角变化图14煤层底板反射系数随入射角变化

（图中：

sp表示顶板为砂岩，p表示顶板为页泥岩，数字表示泊松比。

泊松比从0.267变化到0.45表示煤体结构从原生煤变化到软分层（IV级结构煤即棱煤）。

sp45：

砂岩~软分层反射界面（顶板），45表示软分层煤的泊松比等于0.45。

p276：

页泥岩~原生煤反射界面（顶板），276表示原生煤的泊松比等于0.276）

根据不同结构煤层顶面AVO梯度（G）与截距（P）交会图（图15）可以看出：

顶板岩性相同时，构造煤的AVO梯度与截距绝对值均大于原生煤，而且差异明显。

煤体结构相同，顶板岩性不同时，煤层顶面的AVO响应也有较大变化。

因此，对于厚度很大的煤层，根据AVO响应特征不仅可以区分不同结构的煤体，而且能够反映顶板岩性的变化。

图15不同结构煤层顶板P-G交会图

不同厚度煤层顶板的反射振幅（绝对值）都是随着炮检距的增加而减小的；煤层厚度对零炮检距处的反射振幅（AVO截距）有明显的影响：

当煤层厚度小于9米（1/4波长）时，AVO截距是随着煤层的厚度增加而增大；煤层厚度介于9～15米之间时，AVO截距随着煤层的厚度增加而减小；煤层厚度大于15米时，趋于稳定，不再随煤层厚度变化而变化。

振幅的变化梯度（AVO梯度）随着厚度也表现出相似的变化特征。

从煤层厚度与AVO属性交会图（图16、17）可以更清楚地看出上述变化规律。

因此，在进行AVO分析时，首先应该根据其它资料（如钻孔）确定研究区目的层厚度变化范围和规律，以便充分考虑煤层厚度因素对AVO反演结果的影响。

图16煤层厚度与AVO截距散点图图17煤层厚度与AVO梯度散点图

三参数AVO反演理论和方法

目前，常规的AVO分析方法是从地震资料中提取振幅，并通过截距和斜率两种属性将振幅随炮检距的变化与岩石物性联系起来。

由于截距是νp和ρ的函数，斜率是νs和νp的函数。

这就使得主要的三个弹性参数——νp、νs、ρ中的任意2个被捆在了一起，不能分离。

在许多情况下两参数反演会失效，为此，我们研究开发我们开发了一种新的三参数AVO识别与预测软件包。

新的软件给出了六种属性参数，如表3。

表3三参数AVO属性

AVO属性名称/道头字

意义

密度/attr1

影响因素：

岩性、矿物成分、孔隙、裂隙和压实程度、流体含量

剪切模量/attr2

用于标明岩性变化、区分孔隙和裂隙类储层、区分固体和流体介质

P波速度/attr3

影响因素：

岩性、矿物成分、孔隙、裂隙和压实程度、含量、密度

横纵波速度比Vs/Vp/attr4

影响因素：

岩性、流体

泊松比/attr5

影响因素：

岩性、流体

体积模量/attr6

影响因素：

岩性、矿物成分、孔隙、裂隙和压实程度、流体含量

表4为新的三参数AVO分析方法与两参数AVO分析方法及Kelly和Skidmore（2001）等采用三参数的AVO分析方法的比较。

表4不同AVO反演方法比较

AVO方法

新的三参数AVO分析方法

两参数AVO分析方法

Kelly和SkidmoreAVO分析方法

主要参数

、

、

P、G

我们新提出的三参数AVO分析方法的优点是能够直接反映介质地震响应特征（

、

、

），而原先两参数AVO分析方法所获得的P、G参数是

、

、

的函数，不能直接反映介质地震响应特征。

图18-图24是利用三参数AVO反演方法获得的反演属性剖面。

从可以看出，在瓦斯突出附近的煤层密度低，减切模量和体积模量小。

并且裂隙发育。

图18G2线密度图

图19G2线剪切模量图

图20G5线密度图

图21G5线剪切模量图

图2213-1煤的密度分布特征图

图2313-1煤的剪切模量分布特征图

图2413-1煤的体积模量分布特征图