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1、彭苏萍 “煤炭资源与安全开采”国家重点实验室主任 中国矿业大学地质与地球物理研究所所长,煤矿安全高效开采地质保障系统,煤矿安全高效开采地质保障系统的研究意义,我煤炭工业由于地质状况查明不清，机械化程度低，生产效率低，90年代全国年煤炭产量约十亿余 吨，职工人数超过700万80年代我国开始综合机械化生产技术，难度很大。其中最大的问题是开采地质条件复杂影响了机械化的效益。,1、综采机械设备遇到3-5米断层，便要停产搬家，造成经济损失；2、顶板压架事故造成重大的经济损失,有时甚至人员伤亡。3、淮南潘二矿：年设计能力300万吨，因地质构造查明不清，投产十年后，产量一直在50万吨左右，亏损20亿元，20
2、00年破产,实施煤矿机械化高效开采，必须有可靠的地质保障为基础,煤矿安全高效开采地质保障系统的研究意义,深部煤炭资源赋存状况掌握程度低，开发盲目性大,深部煤炭资源精确勘查的技术难度越来越大,深部开发地质条件的变化，致灾因素增多，影响强度加大,突水事故 井筒破裂 围岩变形 巷道失稳 地温增高 瓦斯聚积,随着煤矿开采深度加大，影响煤矿高效开采的地质制约越来 越大，研究建立先进的地质勘探技术与煤矿高效安全开采地 质保障系统迫在眉睫,煤矿安全高效开采地质保障系统的研究意义,矿井地质工作要求能分辨3米的断层和地质异常体, 空间误差1.5%。而精查地质报告只能查明落差 20米的断层。 深部开发中，各种地质
3、因素影响矿井安全生产的问题将更加突出，传统地质成果和方法很难保障煤矿安全高效开采。必须依靠先进的探测技术与装备。 煤矿物探技术专业性强，很多地面先进物探技术与装备由于不符合煤矿安全规范不能用于煤矿，煤矿探测技术与装备必须自主开发。,煤矿高效安全开采地质保障系统必须以先进的物探技术为基础，必须依靠自主开发,煤矿安全高效开采地质保障系统主要研究内容：,煤矿精细地质构造高分辨三维地震勘探技术煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法顶板稳定性地质预测技术与防治方法 矿井突水灾害源高分辨探测技术技术与方法研究发展先进矿井物探仪器和技术,主要包括:,先进高效的综合机械化采煤技术，必须查明采区内落差3-5m的断层
4、，否则设备推进速度慢、开采效益差.精查地质报告只能查明落差大于20米的断层迫切需要先进可靠的煤矿复杂地质构造探测和预测技术。以运动学为基础的三维地震勘探理论认为三维地震勘探只能解决落差13米的断层和地质异常体。,一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系,背 景,要查清落差3-5米的断层，无论从理论和技术上的难度极大！,结合我国煤矿特点，针对煤矿小构造、煤岩层结构和厚度进行长期攻关，在煤矿高分辨三维地震勘探技术的：理论研究野外数据采集技术数据处理技术成果解释技术等方面进行重点研究，取得一批具有自主产权的科研成果。,研究内容,一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系,关键技术1：初步建立了以能量为
5、基础的煤矿高分辨地震探测理论与技术 结合煤矿地震勘探实践，认为地震勘探对微小断层的分辨、岩层界面的粗糙度、以及岩层结构等问题的研究，都不能简单地使用几何地震学的描述量，如波长来定义。我们认为：反射界面的任何微小变化所引起的地震波量子的损失都会在地震波能量上宏观显现出来。,反演梯度剖面,物理模型- 岩层中异常体叠前识别技术,一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系,关键技术2：建立了以聚焦分析技术为基础的地震野外数据采集技术利用聚焦分析技术开发了三维地震探测数据采集与评价软件，在淮南顾桥矿实施了井地联合三维三分量数据采集，采集到800-1200m深煤系地层品质良好的三维地震数据体。,顾桥矿区全方
6、位、高覆盖、炮检均匀的观测系统,常规地震野外采集评价方法,我们地震野外采集评价方法,一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系,地表一致性校正 （淮南顾北矿）,关键技术3：开发出由96个处理模块组成的煤田地震数据处理系统（EMS）,淮南顾北矿（深度: 890m）,处理效果：高分辨率处理剖面中尖灭点、薄层分辨率明显提高,法国CGG软件处理效果,EMS系统处理效果,法国CGG软件处理效果,EMS系统处理效果,高分辨处理 （淮南顾北矿）,一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系,关键技术4：建立了以-为约束的地震反演方法和精细构造评估技术建立了以人工伽玛曲线为约束的地震反演方法、可视化解释技术、精细地
7、质构造分析评估技术。开发出具有自主产权的微机版煤田高分辨地震解释软件。,时差分析断层检测与落差估计,淮南矿区潘一矿地震反演剖面(深度: 780m),利用三维可视化技术确定煤层的空间形态,三维地震勘探微机解释系统,一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系,落差小于5米大于3米的小断层在时间剖面（左）和水平切片上的显示,应用效果1：可精确识别断距3-5米的小断层，为保证机械化生产提供可靠的地质保障,一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系,应用效果2：可精确探测直径20米的陷落柱状况，为保证综采装备的推进、防止煤矿突水事故的发生提供精确地质预警,一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系,剖面上为反
8、射波的突变,应用效果3：可准确探测出深度500米的3米3米的煤矿巷道，保障煤矿生产布局和生产安全。,在沿层振幅切上表现为强振幅,探测的巷道位置与煤矿提供的实际平面位置相符,3米3米巷道在时间剖面上的显示（沿巷道剖面）,一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系,应用效果4：可根据各向异性研究成果，描述煤矿采区地应力分布状况，为煤矿锚杆支护设计提供地质基础。,一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系,邢台矿区9煤最大主应力等值线图,邢台矿区9煤最小主应力等值线图,采空区边界地震反射波出现中断，采空部位地震波得零乱,采空区在沿层振幅切片上表现为弱振幅带,应用效果5：可准确探测出深度350米的煤矿采空
9、区边界，指导煤矿生产布局，保障生产安全。,采空区边界通过强弱振幅变化带圈定,一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系,应用效果6：精确预测煤层厚度，1米的煤层厚度预测精度达95%以上。可用来指导采区布置、开采方法选择和开采资源的管理。,一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系,煤矿三维地震勘探可查明5米的褶曲和断层，在淮南等条件较好矿区可基本查明落差3米的断层及直径 20米的陷落柱；煤矿开挖结果证明，查明的断层、陷落柱等的吻合率在淮南、永城 89%，在其他地区 78%以上；超过英国500米深度查明落差 8米以上的断层的水平。,通过技术创新，使煤矿采区三维地震勘探可达到的精度：,煤矿高分辨三维地
10、震勘探成为一种成熟的先进技术，在煤炭工 业中得到全面推广应用，为我国煤炭工业的发展作出了重要贡献,一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系,1）地震探测精确度高，通过努力能够查明落差3-5m的小断层和小褶皱； 2）地震探测信息量大，地震探测横向连续性好，采样间距小，能够识别顶板岩性、煤层厚度、煤体滑脱面、构造煤发育区、吸附态瓦斯富集部位等瓦斯地质指标; 3）地震探测整体性强，得到的是三维数据体的空间形态。地震结合测井垂向分辨率高；地质结合测井可靠性高; 4）地震探测能够直接得到吸附瓦斯富集的部位，并对断层附近的游离瓦斯有明显反应；,我国95%的煤矿是地下开采，煤层赋存地质条件复杂，瓦斯分布不均
11、，对煤矿安全开采造成严重威胁。,二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法,地层：石炭二叠纪煤系 煤层：上石盒子组13-1煤层,位置：淮南煤田 构造：淮南复式向斜,以淮南煤田为靶区，对瓦斯富集与突出部位进行了详细研究,二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法,完成的实际工作量,主要工作量集中在资料采集和系统开发与应用两个方面 课题目前作了大量的研究任务,200口 89块 1口 42km2 7km 15km2 1套 1套 1套 1套 5份,二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法,瓦斯突出煤体结构高分辨测井技术 矿井瓦斯突出部位预测的地震反演技术 精确探测瓦斯富集部位的三维三分量地震探测技术 瓦斯富集区
12、预测的地震振幅变化判别技术,通过十年的艰苦奋斗和探索,初步摸索到瓦斯在地球物理探测中的响应特征,并实现了关键技术的突破,二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法,瓦斯突出煤体结构的测井曲线特征,高视电阻率 高伽玛伽玛 高自然电位,低声波速度 低自然伽玛,对144个钻孔的测井资料进行分析 构造煤测井曲线具有“三高二低”的特点：,二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法,1、瓦斯突出部位预测的地震探测与反演技术,不同突出危险程度煤体的测井响应特征,二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法,1、瓦斯突出部位预测的地震探测与反演技术,国内外普遍采用的声波反演技术，但煤田勘探的测井工作，主要是人工伽玛曲线。我
13、们独创性地利用人工伽玛曲线约束，反演出伽玛数据体并很好地反映出煤层的分布范围及其厚度，并能精细解释断层和裂缝发育带。,2 瓦斯突出部位预测的地震探测与反演技术,二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法,地震测井联合属性分析识别煤层宏观结构,13-1煤层,构造煤,Inline 309局部放大图,煤层及构造煤预测剖面图,滑脱面,Inline 252局部放大图,煤层及构造煤预测剖面图,3 精确探测瓦斯富集部位的三维三分量地震探测技术,高分辨率三维P波地震勘探可以解决主要的构造问题，但在解决裂缝、岩性及其中所含流体方面能力有限；转换波能够为我们提供关于岩性、流体及裂缝发育程度等方面的信息。,自1996年
14、以来，中国矿业大学（北京）积极开展瓦斯三维三分量地震探测技术研究 采集方面：在不同地区、采用不同的采集方法，采集了17块三维三分量地震资料； 处理方面：研究和开发了具有自主产权的煤田三维三分量地震处理软件，取得了初步成果； 解释方面：研究和开发了地震多属性分析技术，充分利用了煤田3D/3C采区钻孔资料多、易于验证的特点，初步形成了纵横波联合解释的方法和体系,二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法,含裂隙煤层的多波地震响应,含直立裂隙煤层地质模型,多波响应,3 精确探测瓦斯富集部位的三维三分量地震探测技术,二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法,三分量地震处理系统,核 心：基础理论和方法研究成果
15、 平 台：当前地震成熟软件系统 系 统：独立知识产权 适用性：二维和三维 模块数：二维31个，三维46个 作 用：填补国内煤层气处理软件 空白,3 精确探测瓦斯富集部位的三维三分量地震探测技术,二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法,煤田三分量地震资料的处理,快慢波剖面,快慢波处理,3 精确探测瓦斯富集部位的三维三分量地震探测技术,二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法,煤田三分量地震资料的处理,棒状线的方向代表快波偏振方向 棒状线的长短代表着快慢波时差,快波方位与快慢波时差,快慢波时差等值线,3 精确探测瓦斯富集部位的三维三分量地震探测技术,二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法,煤层节理裂
16、隙发育，单位体积的煤表面积大，则吸附态的瓦斯的能力大。而节理裂隙发育的煤层的泊松比增大，煤层与顶板、底板的泊松比差发生变化。这种泊松比差的变化引起振幅随偏移距的变化。使用地震振幅探测瓦斯就是利用振幅信息寻找煤层中的节理裂隙密集带,即构造煤发育区,4 瓦斯富集区预测的地震振幅变化判别技术,利用地震振幅变化判别瓦斯富集的原理,二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法,不同煤体的AVO响应,煤层顶界面AVO响应,无论是砂岩顶板还是页泥岩顶板，软分层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，是本次模型正演的一个积极成果,不同煤体的AVO模型,砂岩原生煤 泥岩原生煤,砂岩构造煤 泥岩构造煤,4、 瓦斯富集区预测的地震振幅变化判别技术,二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法,瓦斯突出煤层与非突出煤层的AVO响应,瓦斯突出点附近,
