“三維地震”勘探技術在雙柳煤礦的應用

張晉龍

(山西汾西礦業(yè)集團 雙柳煤礦， 山西 柳林 033300)

我國煤層賦存地質條件復雜多變，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)模的提高導致開采條件更趨復雜，而研究人員還習慣于應用淺部開采條件下的瓦斯地質作用特征和規(guī)律，指導深部開采地質狀況下的瓦斯治理，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條件下，開采煤層圍巖巖體地質構造與瓦斯富集的關系，瓦斯富集和瓦斯突出災害源準確探測和預測的方法和技術[1]. 三維地震勘探技術能有效查明礦區(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構造，有效指導礦井生產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)律和地質構造區(qū)域內的瓦斯富集情況，在該礦三采區(qū)南部進行了三維地震勘探。

1 地震地質條件

1.1 表層地震地質條件

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，表現為強烈的切割梁、峁狀黃土丘陵，在孟門鎮(zhèn)溝南、北兩側分布甚廣，沖溝密集而狹窄，谷底基巖出露，區(qū)內植被稀少，水土流失嚴重。區(qū)內較大溝谷呈東西向垂直于黃河分布，勘探區(qū)最高點位于勘探區(qū)南部，標高+956.3 m，最低點位于勘探區(qū)西南部，標高+686.9 m，一般標高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)和檢波線的布設帶來了難度。勘查區(qū)內有村莊(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、測線布置及檢波器的埋置等帶來不便，所以本區(qū)表層地震地質條件較差。

1.2 淺層地震地質條件

勘查區(qū)內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烈，對其向下傳播極為不利。因此，本區(qū)淺層地震地質條件亦較差。

1.3 深層地震地質條件

根據區(qū)內鉆孔揭露的實際情況，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，是一個較好的波阻抗界面，能產生較強的反射波。所以深層地震地質條件良好，具備地震勘探的前提[2].

2 三維地震勘探技術原理

利用基于巖石物理的疊后反演、地震屬性數據體和疊后統(tǒng)計學反演等全新方法，達到對煤層及構造高精度解釋的目的，進一步查明區(qū)內落差≥5 m的斷層，對于<5 m的斷層給予定性分布解釋，并評價三維勘探區(qū)內小構造的發(fā)育程度；查明勘探區(qū)內直徑≥30 m的陷落柱，對直徑20 m左右的陷落柱進行定性分布解釋；利用高分辨反演、潛在破碎帶或者裂縫發(fā)育區(qū)的成果與構造綜合分析相結合，綜合預測煤系地層潛在的高瓦斯富集分布區(qū)。

2.1 綜合預測瓦斯富集潛在區(qū)

雙柳三維區(qū)煤系地層流體富集潛在區(qū)預測是將煤層構造分析、煤層及頂底板巖性分析和易破碎帶為主構造分析共同確定。其中，在構造方面主要是利用微幅構造區(qū)域，煤層局部高構造和局部低構造對于瓦斯富集更加具有現實意義；煤層及頂底板巖性分析是將煤層厚度和頂底板巖性考慮在內，一般情況下煤層厚度與瓦斯量成正比，而頂底板巖性對于瓦斯富集和運移有一定的控制作用；在易破碎帶為主構造分析方面，其預測區(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。其微幅度構造分布圖見圖1.

圖1 微幅度構造分布圖

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

一類瓦斯富集區(qū)：以斷層或者陷落柱為主導的破碎帶、多條斷層密集發(fā)育帶、頂底板泥巖阻隔瓦斯運移區(qū)、緊鄰區(qū)域大斷裂的上升盤、局部微幅構造高部位及其附近、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)預測所用的參考依據見圖2.這些依據雖然是煤層流體預測的間接依據，但是它們控制著流體富集的各個主要因素，是更加客觀地反映區(qū)域內流體富集潛在區(qū)。

圖2 4(3+4)煤預測流體富集潛在區(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)煤預測瓦斯富集潛在區(qū)分布圖

2.2 綜合預測地質構造帶

通過三維地震，在高分辨率地震反演的基礎上，斷點的位置精確到煤層的頂底板，其精度遠大于常規(guī)解釋精度，勘探區(qū)內共解釋斷點314個，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)內小構造的發(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)現煤層的反射波呈地塹狀錯斷，時間剖面上斷距反映為上小下大，煤層反射波錯斷特別明顯且落差也較大，時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形成一個封閉圈，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)在實際采掘中發(fā)現的陷落柱從二采區(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個陷落柱構造，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時間剖面圖見圖5.

圖5 陷落柱DX1時間剖面圖

3 鉆探驗證

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，為驗證其準確性，探放區(qū)在33(4)17等材料巷掘進到位后，為有效預抽33(4)19掘進工作面瓦斯，在西側幫施工兩個千米鉆場，使用順層千米鉆孔對該范圍進行了探測，同時制定了區(qū)域預抽鉆孔設計及安全技術措施。其中，在一號千米鉆場內施工4#、5#、6#、7#千米鉆孔期間，孔內瓦斯壓力大，出現噴孔、頂鉆現象;在提鉆完畢后，進行抽放期間，鉆孔內瓦斯涌出異常發(fā)生噴孔現象。1#—3#孔施工至約210 m時，千米鉆孔見巖，孔內瓦斯涌出異常，停止施工，提鉆接孔抽放，未能按設計孔深施工到位，預測前方遇地質變化帶，通過現場探測,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，經為期2個月的抽采后，濃度逐漸呈衰減趨勢為50%左右，單孔平均流量為0.6 m3/min. 經驗證后，及時對巷道進行了合理布置，調整了采掘部署，并對鉆孔重新進行設計，提前對瓦斯富集區(qū)域內的瓦斯進行預抽，有效地指導了礦井中的瓦斯抽采和瓦斯治理模式。

三維地震勘探技術準確地對雙柳煤礦地質構造進行預測預報，該次三維地震共計勘探出斷層21條，陷落柱1個，一類瓦斯?jié)撛诟患瘏^(qū)分布于井田西部。

4 結 語

三維地震勘探能夠有效指導突出礦井中遇地質構造期間鉆孔的設計，提前施工鉆孔預抽瓦斯，避免誤揭露地質構造而發(fā)生突出事故。該勘探技術準確分析了雙柳煤礦瓦斯富集潛在區(qū)分布規(guī)律，指導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構造，對礦井瓦斯綜合治理，降低地質風險，促進礦井高產高效建設具有較好的應用推廣前景。