煤與瓦斯突出災(zāi)害隱患高分辨三維地震預(yù)測(cè)方法

彭蘇萍，盧勇旭,2

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京100083）

我國(guó)高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井眾多，隨著煤炭開(kāi)采深度的增大，煤與瓦斯突出問(wèn)題愈趨嚴(yán)重，并已成為影響我國(guó)煤礦安全高效開(kāi)采的主要因素之一[1-2]。實(shí)踐證明僅僅靠傳統(tǒng)的瓦斯抽采，難以滿(mǎn)足礦井銜接和安全生產(chǎn)的需要。為實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦煤與瓦斯突出災(zāi)害的科學(xué)預(yù)測(cè)，原蘇聯(lián)OИ 切爾諾夫和EC 羅贊采夫等分別研究了瓦斯地質(zhì)特征的區(qū)域分布特性[3]。周世寧院士首先（1963 年）提出了影響煤層原始瓦斯含量的8 項(xiàng)地質(zhì)因素，成為瓦斯地質(zhì)科學(xué)的基礎(chǔ)[4]。焦作礦業(yè)學(xué)院開(kāi)展了瓦斯地質(zhì)調(diào)查和瓦斯地質(zhì)編圖工作, 查明了煤礦瓦斯災(zāi)害分布的主要控制因素，證實(shí)了不同尺度的構(gòu)造通過(guò)對(duì)構(gòu)造軟煤的發(fā)育控制來(lái)控制瓦斯突出的分布規(guī)律，瓦斯突出都是發(fā)生在構(gòu)造軟煤發(fā)育的部位[5]。但當(dāng)前煤礦煤與瓦斯突出防治最大難題還是對(duì)瓦斯含氣量和突出構(gòu)造煤體的空間分布不落實(shí)，因此難以有的放矢地開(kāi)展瓦斯預(yù)防的有關(guān)工程。針對(duì)上述難題，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）研究團(tuán)隊(duì)自20 世紀(jì)90 年代末以來(lái)開(kāi)展基于三維地震精細(xì)探測(cè)的煤礦煤與瓦斯災(zāi)害隱患的預(yù)測(cè)研究。在獲得煤礦精細(xì)地質(zhì)構(gòu)造精確預(yù)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用地震探測(cè)信息量大、探測(cè)數(shù)據(jù)橫向連續(xù)性好、采樣間距小的特點(diǎn)，與礦區(qū)內(nèi)大量在縱向上分辨率很高的鉆孔測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)融合，企圖運(yùn)用先進(jìn)的地球物理探測(cè)技術(shù)，闡明含瓦斯煤體含氣性、滲透性、非均質(zhì)性等煤層特征在地球物理場(chǎng)中的高精度響應(yīng)機(jī)理，提高煤與瓦斯突出部位地質(zhì)預(yù)測(cè)的分辨率與可靠性，實(shí)現(xiàn)精細(xì)描述煤層頂板巖性、煤層厚度、煤體滑脫面、構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)和瓦斯富集部位的目的[6]。為此，以安徽淮南礦區(qū)、山西晉城礦區(qū)為依托，采用地球物理測(cè)井曲線分析、AVO 技術(shù)、地震屬性定量分析技術(shù)、地震波形分類(lèi)技術(shù)等地震探測(cè)技術(shù)與方法，對(duì)含瓦斯煤體的巖石力學(xué)行為、瓦斯賦存地質(zhì)條件、含瓦斯煤體儲(chǔ)層物性及含氣性進(jìn)行了探測(cè)分析，并取得一些初步認(rèn)識(shí)。

1 不同突出危險(xiǎn)程度的煤體結(jié)構(gòu)測(cè)井響應(yīng)特征

通過(guò)對(duì)淮南、晉城等礦區(qū)內(nèi)鉆孔巖心巖石彈性特征進(jìn)行測(cè)試，以及對(duì)鉆孔的視電阻率、自然電位、自然伽瑪、人工伽瑪、井徑和聲波時(shí)差等測(cè)井曲線進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)同一煤層中不同結(jié)構(gòu)煤層的測(cè)井曲線有明顯區(qū)別[7-8]。即突出構(gòu)造煤表現(xiàn)為視電阻率明顯下降的低幅值，伽瑪伽瑪曲線和聲波時(shí)差曲線則為較明顯的高幅值，自然伽瑪曲線為明顯上升的中等幅值。煤層中泥巖夾矸的視電阻率曲線、伽瑪伽瑪曲線和聲波時(shí)差曲線均呈低幅值，自然伽瑪曲線為明顯高幅值。原生煤視電阻率曲線為明顯高幅值，自然伽瑪曲線為明顯低幅值，伽瑪伽瑪曲線和聲波時(shí)差曲線的幅值介于構(gòu)造煤與泥巖夾矸之間?；茨项櫂蚋睓z1 井13-1 煤層測(cè)井曲線如圖1。瓦斯突出煤體的測(cè)井曲線幅值特征見(jiàn)表1。

圖1 淮南顧橋副檢1 井13-1 煤層測(cè)井曲線Fig.1 Logging curves of 13-1 coal seam in Huainan Guqiao auxiliary inspection No.1 well

表1 瓦斯突出煤體的測(cè)井曲線幅值特征Table 1 Amplitude characteristics of logging curves of coal body with gas outburst

對(duì)研究區(qū)內(nèi)常規(guī)測(cè)井曲線和VSP 測(cè)井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與綜合研究，得到了不同突出危險(xiǎn)程度煤體的測(cè)井響應(yīng)特征。不同突出危險(xiǎn)程度的煤體測(cè)井響應(yīng)具有明顯的差異性，測(cè)井響應(yīng)的差異可以作為劃分突出煤體結(jié)構(gòu)和預(yù)測(cè)瓦斯突出的依據(jù)。突出煤體的結(jié)構(gòu)一般都遭到了不同程度的破壞，因此比原生結(jié)構(gòu)非突出煤體具有更小的強(qiáng)度和密度，在物性響應(yīng)參數(shù)上主要表現(xiàn)為小的彈性模量、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、密度和大的泊松比。隨著煤體突出危險(xiǎn)程度的增高，其孔隙度提高，在測(cè)井響應(yīng)參數(shù)上主要表現(xiàn)為大的孔隙度和小的揮發(fā)分。突出煤與原生煤的密度和縱波速度也有較大差異。同一煤層中的構(gòu)造煤彈性參數(shù)明顯低于原生煤，突出煤的密度降低幅度為1.4%～8.6%，平均約5%；縱波速度降低幅度為4.8%～25.7%，平均約13%。這些變化反映了突出煤和原生煤結(jié)構(gòu)特征的差異，也為利用地震勘探技術(shù)預(yù)測(cè)煤體結(jié)構(gòu)提供了研究基礎(chǔ)，不同突出危險(xiǎn)程度煤體的測(cè)井響應(yīng)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 不同突出危險(xiǎn)程度煤體的測(cè)井響應(yīng)參數(shù)Table 2 Logging response parameters of coal bodies with different outburst risk degrees

研究發(fā)現(xiàn)，突出煤體表現(xiàn)為視電阻率明顯下降的低幅值，伽瑪曲線和聲波時(shí)差曲線則為較明顯的高振幅值，自然伽瑪曲線為明顯上升的中等振幅值。突出煤體表現(xiàn)為彈性模量小、抗拉強(qiáng)度小、抗壓強(qiáng)度小、密度小、泊松比大的特征。

2 煤層結(jié)構(gòu)高分辨率三維地震反演方法

煤系地層的構(gòu)造、巖性及其細(xì)微結(jié)構(gòu)是決定瓦斯是否富集的重要因素之一，因此準(zhǔn)確地描述煤系地層的精細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)于探測(cè)瓦斯富集區(qū)具有重要意義?？v波資料具有高信噪比、高分辨率等特點(diǎn)，在描述地層的構(gòu)造特征方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，故可通過(guò)對(duì)縱波資料的精細(xì)處理與解釋準(zhǔn)確描述煤層與煤系地層的構(gòu)造特征，再通過(guò)縱波反演與屬性提取技術(shù)分析煤層的細(xì)微結(jié)構(gòu)特征，反演煤層厚度，尋找煤層破碎帶，為瓦斯是否富集提供佐證。充分利用三維地震探測(cè)數(shù)據(jù)在橫向上、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)體在垂向上的高分辨率特點(diǎn)，開(kāi)展地震數(shù)據(jù)體與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)體數(shù)據(jù)融合方面的研究，構(gòu)建以測(cè)井響應(yīng)特征、地震屬性特征與地質(zhì)巖性特征相關(guān)性為基礎(chǔ)的煤巖層反演方法；同時(shí)，研究煤體結(jié)構(gòu)和煤層破壞程度在反演數(shù)據(jù)體的響應(yīng)特征，通過(guò)與煤礦突出實(shí)際煤體結(jié)構(gòu)對(duì)比，建立煤礦煤與瓦斯突出煤層突出部位的預(yù)測(cè)方法，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。

在地震-測(cè)井聯(lián)合屬性分析中可以發(fā)現(xiàn)突出煤體作為夾層賦存于整個(gè)煤層內(nèi)，并在橫向上不連續(xù),煤層及突出煤預(yù)測(cè)剖面圖如圖2。因此改變了原先關(guān)于突出構(gòu)造煤是整個(gè)煤層并且在區(qū)域上穩(wěn)定分布的觀念。研究發(fā)展了以人工伽瑪為約束的煤層厚度及其精細(xì)構(gòu)造反演方法，建立了煤層識(shí)別模型，反演出的煤層厚度預(yù)測(cè)精度達(dá)95%以上。發(fā)現(xiàn)在煙煤地區(qū)，煤與瓦斯突出與煤的密度有密切關(guān)系，煤體越破碎，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性就越高。

圖2 煤層及突出煤預(yù)測(cè)剖面圖Fig.2 Coal seam and outburst coal prediction profile

3 煤層裂隙的發(fā)育程度及其空間展布規(guī)律

煤層氣的賦存與煤體結(jié)構(gòu)、煤的孔隙裂隙狀態(tài)、煤系地層的地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)狀及其演化史、地應(yīng)力的分布情況等因素有關(guān)。這些結(jié)構(gòu)、狀態(tài)和分布變化所導(dǎo)致的最終結(jié)果，就是地質(zhì)介質(zhì)、巖石物性和各向異性的變化。所以，用多波地震勘探研究煤層氣問(wèn)題最終就歸結(jié)為用多波地震方法檢測(cè)巖石物性和各向異性。通過(guò)多波地震正演技術(shù)，開(kāi)發(fā)了多波地震野外采集軟件并野外采集了多塊三維三分量地震資料。在常規(guī)三維地震資料處理基礎(chǔ)上，利用含裂隙介質(zhì)中的橫波分裂特性求取地下煤層的裂隙參數(shù)。采用基于大道集數(shù)據(jù)的快波偏移方位掃描，多道兩分量旋轉(zhuǎn)疊加及根據(jù)角度譜與快慢波到時(shí)先后鑒別快波偏振方位角的辦法，以提高分離快慢波的精度和穩(wěn)定性。

研究發(fā)現(xiàn)：轉(zhuǎn)換橫波遇到方位各向異性的煤層后，產(chǎn)生以不同速度傳播的2 組橫波，即平行裂縫走向偏振的快橫波和垂直于裂隙方向偏振的慢橫波。慢橫波的傳播速度則受煤層裂隙發(fā)育及填充物的影響，裂隙發(fā)育程度越高，其傳播速度越低，因此，快波的偏振方向代表了煤層地下裂隙的發(fā)育方向，快波與慢波之間旅行時(shí)之差代表了地下裂隙的發(fā)育程度，時(shí)差越大，地下煤層裂隙的發(fā)育程度越高，經(jīng)過(guò)鉆孔驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)地下煤層裂隙發(fā)育越高的部位瓦斯含量越高。三維三分量地震勘探如圖3。

圖3 三維三分量地震勘探Fig.3 Three-dimensional three-component seismic exploration

4 瓦斯富集區(qū)塊地震波振幅變化規(guī)律

通過(guò)研究振幅隨偏移距的變化（AVO）、振幅隨炮點(diǎn)-檢波點(diǎn)方位角的變化（方位AVO）特征，可以反演獲得各種瓦斯賦存地層地震屬性，在與已知瓦斯富集區(qū)煤、非瓦斯富集區(qū)煤（或者原生煤、構(gòu)造煤）的彈性特征及其差異對(duì)比基礎(chǔ)上，掌握煤的節(jié)理、裂隙、變質(zhì)和構(gòu)造作用等因素與煤的彈性特征之間的關(guān)系，并進(jìn)一步探討各種特性的煤層與巖層構(gòu)成的巖體反射界面的反射特征和節(jié)理、裂隙（即瓦斯富集）、煤層厚度、頂（底）板巖性對(duì)反射特征的影響[9-12]。通過(guò)對(duì)瓦斯突出煤層與非突出煤層AVO響應(yīng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)瓦斯突出煤層地震振幅隨偏移距的增大呈下降趨勢(shì)，而非突出煤層的地震振幅隨著偏移距的增大呈上升趨勢(shì)[8]。瓦斯突出煤層與非突出煤層的AVO 響應(yīng)如圖4。

圖4 瓦斯突出煤層與非突出煤層的AVO 響應(yīng)Fig.4 AVO response of gas outburst coal seam and nonoutburst coal seam

5 結(jié) 語(yǔ)

由于煤礦三維地震探測(cè)信息量大、探測(cè)數(shù)據(jù)橫向連續(xù)性好、采樣間距?。?0 m×10 m 甚至更?。?，因此不但在煤礦精細(xì)地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)中優(yōu)勢(shì)明顯，而且可以通過(guò)與礦區(qū)內(nèi)鉆孔測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)融合，形成煤與瓦斯突出部位高分辨三維地震預(yù)測(cè)的一種有效精準(zhǔn)方法，在煤礦煤與瓦斯突出災(zāi)害預(yù)防中發(fā)揮積極科技支撐作用。