“三維地震”勘探技術(shù)在雙柳煤礦的應(yīng)用

張晉龍

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán) 雙柳煤礦， 山西 柳林 033300)

我國煤層賦存地質(zhì)條件復(fù)雜多變，瓦斯分布不均，隨著近幾年煤炭開采深度的增加，瓦斯含量急劇增加。開采深度的加大和開采規(guī)模的提高導(dǎo)致開采條件更趨復(fù)雜，而研究人員還習(xí)慣于應(yīng)用淺部開采條件下的瓦斯地質(zhì)作用特征和規(guī)律，指導(dǎo)深部開采地質(zhì)狀況下的瓦斯治理，對瓦斯的賦存特征和分布規(guī)律掌握很少，還沒有找到探測和預(yù)測瓦斯富集區(qū)和突出部位的有效方法和手段。因此，需要研究探索在深部開采地質(zhì)條件下，開采煤層圍巖巖體地質(zhì)構(gòu)造與瓦斯富集的關(guān)系，瓦斯富集和瓦斯突出災(zāi)害源準(zhǔn)確探測和預(yù)測的方法和技術(shù)[1]. 三維地震勘探技術(shù)能有效查明礦區(qū)瓦斯分布范圍，確定分布區(qū)域中瓦斯富集部分和瓦斯地質(zhì)構(gòu)造，有效指導(dǎo)礦井生產(chǎn)過程中的瓦斯治理模式[2-4].

雙柳煤礦位于山西省柳林縣西北部，為煤與瓦斯突出礦井，為查明三采區(qū)南部瓦斯富集潛在區(qū)的分布規(guī)律和地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域內(nèi)的瓦斯富集情況，在該礦三采區(qū)南部進(jìn)行了三維地震勘探。

1 地震地質(zhì)條件

1.1 表層地震地質(zhì)條件

勘探區(qū)為典型的黃土高原地貌，地形形態(tài)主要為侵蝕形，表現(xiàn)為強(qiáng)烈的切割梁、峁?fàn)铧S土丘陵，在孟門鎮(zhèn)溝南、北兩側(cè)分布甚廣，沖溝密集而狹窄，谷底基巖出露，區(qū)內(nèi)植被稀少，水土流失嚴(yán)重。區(qū)內(nèi)較大溝谷呈東西向垂直于黃河分布，勘探區(qū)最高點(diǎn)位于勘探區(qū)南部，標(biāo)高+956.3 m，最低點(diǎn)位于勘探區(qū)西南部，標(biāo)高+686.9 m，一般標(biāo)高750～850 m，最大高差269.4 m. 一般高差100～200 m，為中低山地形。由于勘探區(qū)內(nèi)溝谷十分發(fā)育，溝坡陡峭和溝底基巖給地震激發(fā)和檢波線的布設(shè)帶來了難度?？辈閰^(qū)內(nèi)有村莊(郭家塔等)以及零星村莊以外的房屋、路等，這些都對地震野外施工的測量選點(diǎn)、測線布置及檢波器的埋置等帶來不便，所以本區(qū)表層地震地質(zhì)條件較差。

1.2 淺層地震地質(zhì)條件

勘查區(qū)內(nèi)第四系厚度及覆蓋層分布不均勻，給地震激發(fā)層位的選擇帶來了難度。另外，黃土層對地震波的吸收衰減極為強(qiáng)烈，對其向下傳播極為不利。因此，本區(qū)淺層地震地質(zhì)條件亦較差。

1.3 深層地震地質(zhì)條件

根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔揭露的實(shí)際情況，4號煤層埋深209～543 m，8號煤層埋深302～699 m.太原組(C3t) 以K1砂巖為底連續(xù)沉積于本溪組之上，厚度78.60～109.92 m，平均92.49 m. 含煤4層，其中8、9號煤層厚度大，穩(wěn)定可采。山西組(P1s)與下伏地層太原組呈整合接觸，以K3砂巖為底，厚56.00～84.75 m，平均73.85 m. 含煤5層，其中4(3+4)#煤層厚度大，穩(wěn)定可采。可見，煤層與圍巖之間有較大的物性差異，是一個(gè)較好的波阻抗界面，能產(chǎn)生較強(qiáng)的反射波。所以深層地震地質(zhì)條件良好，具備地震勘探的前提[2].

2 三維地震勘探技術(shù)原理

利用基于巖石物理的疊后反演、地震屬性數(shù)據(jù)體和疊后統(tǒng)計(jì)學(xué)反演等全新方法，達(dá)到對煤層及構(gòu)造高精度解釋的目的，進(jìn)一步查明區(qū)內(nèi)落差≥5 m的斷層，對于<5 m的斷層給予定性分布解釋，并評價(jià)三維勘探區(qū)內(nèi)小構(gòu)造的發(fā)育程度；查明勘探區(qū)內(nèi)直徑≥30 m的陷落柱，對直徑20 m左右的陷落柱進(jìn)行定性分布解釋；利用高分辨反演、潛在破碎帶或者裂縫發(fā)育區(qū)的成果與構(gòu)造綜合分析相結(jié)合，綜合預(yù)測煤系地層潛在的高瓦斯富集分布區(qū)。

2.1 綜合預(yù)測瓦斯富集潛在區(qū)

雙柳三維區(qū)煤系地層流體富集潛在區(qū)預(yù)測是將煤層構(gòu)造分析、煤層及頂?shù)装鍘r性分析和易破碎帶為主構(gòu)造分析共同確定。其中，在構(gòu)造方面主要是利用微幅構(gòu)造區(qū)域，煤層局部高構(gòu)造和局部低構(gòu)造對于瓦斯富集更加具有現(xiàn)實(shí)意義；煤層及頂?shù)装鍘r性分析是將煤層厚度和頂?shù)装鍘r性考慮在內(nèi)，一般情況下煤層厚度與瓦斯量成正比，而頂?shù)装鍘r性對于瓦斯富集和運(yùn)移有一定的控制作用；在易破碎帶為主構(gòu)造分析方面，其預(yù)測區(qū)域是原生裂縫發(fā)育和易受采動影響發(fā)育裂縫的區(qū)域，易破碎帶是煤層采掘過程中需要著重注意的方面，也是構(gòu)造煤發(fā)育重要位置，由于破碎帶孔隙空間較大，容易賦存瓦斯。其微幅度構(gòu)造分布圖見圖1.

圖1 微幅度構(gòu)造分布圖

從雙柳煤礦三采區(qū)三維區(qū)域內(nèi)目前的煤層勘探和開采情況來看，區(qū)域內(nèi)主要是關(guān)注瓦斯富集的情況。根據(jù)該項(xiàng)目的研究成果整理及分析，對于瓦斯富集區(qū)的預(yù)測及評估制定了預(yù)測瓦斯區(qū)分類：

一類瓦斯富集區(qū)：以斷層或者陷落柱為主導(dǎo)的破碎帶、多條斷層密集發(fā)育帶、頂?shù)装迥鄮r阻隔瓦斯運(yùn)移區(qū)、緊鄰區(qū)域大斷裂的上升盤、局部微幅構(gòu)造高部位及其附近、中厚煤層發(fā)育等區(qū)域。

二類瓦斯富集區(qū)：具有獨(dú)立斷層發(fā)育的破碎帶、局部孤立的斷層附近。

三類瓦斯富集區(qū)：無斷層發(fā)育的破碎帶、煤層裂隙發(fā)育區(qū)、單斜構(gòu)造等區(qū)域。

該瓦斯分類中最需要注意的是一類瓦斯富集區(qū)，其容易形成高瓦斯富集區(qū)；二類瓦斯富集區(qū)是在一類瓦斯富集區(qū)和三類瓦斯富集區(qū)之間的一種類型，其瓦斯含量相對變化范圍較大；三類瓦斯富集區(qū)瓦斯含量較低，有些區(qū)域與正常瓦斯含量相差不大。

雙柳煤礦三維區(qū)煤系地層4(3+4)煤的流體富集潛在區(qū)預(yù)測所用的參考依據(jù)見圖2.這些依據(jù)雖然是煤層流體預(yù)測的間接依據(jù)，但是它們控制著流體富集的各個(gè)主要因素，是更加客觀地反映區(qū)域內(nèi)流體富集潛在區(qū)。

圖2 4(3+4)煤預(yù)測流體富集潛在區(qū)要素圖

4(3+4)煤的瓦斯富集潛在區(qū)的分析圖見圖3，圖中瓦斯富集潛在區(qū)發(fā)育較廣，說明區(qū)域內(nèi)瓦斯是煤田安全開采的主要問題之一。瓦斯?jié)撛诟患瘏^(qū)主要分布在井田西部，集中在工區(qū)邊界。

圖3 4(3+4)煤預(yù)測瓦斯富集潛在區(qū)分布圖

2.2 綜合預(yù)測地質(zhì)構(gòu)造帶

通過三維地震，在高分辨率地震反演的基礎(chǔ)上，斷點(diǎn)的位置精確到煤層的頂?shù)装?，其精度遠(yuǎn)大于常規(guī)解釋精度，勘探區(qū)內(nèi)共解釋斷點(diǎn)314個(gè)，組合斷層21條，全部為正斷層。按斷層落差劃分：落差>5 m的斷層11條，為可靠斷層，落差≤5 m的斷層10條，該三維勘探區(qū)內(nèi)小構(gòu)造的發(fā)育程度低，斷層分布圖見圖4.

圖4 斷層分布圖

在該次三維地震勘探區(qū)發(fā)現(xiàn)煤層的反射波呈地塹狀錯(cuò)斷，時(shí)間剖面上斷距反映為上小下大，煤層反射波錯(cuò)斷特別明顯且落差也較大，時(shí)間剖面上解釋成一組逆斷層，但該斷層的平面展布在小范圍內(nèi)形成一個(gè)封閉圈，總體形態(tài)一般是上小下大的不規(guī)則椎形，對于具有該特征的煤層反射波情況解釋為陷落柱，水平切面上多呈橢圓和扁圓形。

雙柳礦區(qū)在實(shí)際采掘中發(fā)現(xiàn)的陷落柱從二采區(qū)往南呈逐漸變少的趨勢，且二采區(qū)發(fā)現(xiàn)的陷落柱都小于20 m. 該次三采區(qū)三維地震勘探共解釋了1個(gè)陷落柱構(gòu)造，陷落柱控制情況：陷落柱DX1位于勘探區(qū)西南部，在平面上反映為橢圓形柱狀體。該陷落柱最大直徑約為100 m，破壞4(3+4)號煤層和9(8+9)號煤層，屬控制可靠，陷落柱DX1時(shí)間剖面圖見圖5.

圖5 陷落柱DX1時(shí)間剖面圖

3 鉆探驗(yàn)證

通過三維地震勘探可知，雙柳煤礦井田西部屬一類瓦斯?jié)撛诟患瘏^(qū)，西南部存在DX1陷落柱,且瓦斯含量較大，為驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，探放區(qū)在33(4)17等材料巷掘進(jìn)到位后，為有效預(yù)抽33(4)19掘進(jìn)工作面瓦斯，在西側(cè)幫施工兩個(gè)千米鉆場，使用順層千米鉆孔對該范圍進(jìn)行了探測，同時(shí)制定了區(qū)域預(yù)抽鉆孔設(shè)計(jì)及安全技術(shù)措施。其中，在一號千米鉆場內(nèi)施工4#、5#、6#、7#千米鉆孔期間，孔內(nèi)瓦斯壓力大，出現(xiàn)噴孔、頂鉆現(xiàn)象;在提鉆完畢后，進(jìn)行抽放期間，鉆孔內(nèi)瓦斯涌出異常發(fā)生噴孔現(xiàn)象。1#—3#孔施工至約210 m時(shí)，千米鉆孔見巖，孔內(nèi)瓦斯涌出異常，停止施工，提鉆接孔抽放，未能按設(shè)計(jì)孔深施工到位，預(yù)測前方遇地質(zhì)變化帶，通過現(xiàn)場探測,為DX1陷落柱。

將鉆孔連接抽采后，定期測定鉆孔濃度、流量，4#—7#鉆孔初期平均濃度為90%以上，單孔平均流量為0.8 m3/min，經(jīng)為期2個(gè)月的抽采后，濃度逐漸呈衰減趨勢為50%左右，單孔平均流量為0.6 m3/min. 經(jīng)驗(yàn)證后，及時(shí)對巷道進(jìn)行了合理布置，調(diào)整了采掘部署，并對鉆孔重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，提前對瓦斯富集區(qū)域內(nèi)的瓦斯進(jìn)行預(yù)抽，有效地指導(dǎo)了礦井中的瓦斯抽采和瓦斯治理模式。

三維地震勘探技術(shù)準(zhǔn)確地對雙柳煤礦地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)，該次三維地震共計(jì)勘探出斷層21條，陷落柱1個(gè)，一類瓦斯?jié)撛诟患瘏^(qū)分布于井田西部。

4 結(jié) 語

三維地震勘探能夠有效指導(dǎo)突出礦井中遇地質(zhì)構(gòu)造期間鉆孔的設(shè)計(jì)，提前施工鉆孔預(yù)抽瓦斯，避免誤揭露地質(zhì)構(gòu)造而發(fā)生突出事故。該勘探技術(shù)準(zhǔn)確分析了雙柳煤礦瓦斯富集潛在區(qū)分布規(guī)律，指導(dǎo)了礦井中的瓦斯抽采和瓦斯治理工作，提高了礦井瓦斯抽采效果，指導(dǎo)了礦井采掘銜接部署與安排；查明了礦區(qū)瓦斯分布范圍，確定了分布區(qū)域中瓦斯富集部分和瓦斯地質(zhì)構(gòu)造，對礦井瓦斯綜合治理，降低地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)礦井高產(chǎn)高效建設(shè)具有較好的應(yīng)用推廣前景。