煤与瓦斯突出灾害隐患高分辨三维地震预测方法

彭苏萍，卢勇旭,2

（1.中国矿业大学（北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京100083；2.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京100083）

我国高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井众多，随着煤炭开采深度的增大，煤与瓦斯突出问题愈趋严重，并已成为影响我国煤矿安全高效开采的主要因素之一[1-2]。实践证明仅仅靠传统的瓦斯抽采，难以满足矿井衔接和安全生产的需要。为实现对煤矿煤与瓦斯突出灾害的科学预测，原苏联OИ 切尔诺夫和EC 罗赞采夫等分别研究了瓦斯地质特征的区域分布特性[3]。周世宁院士首先（1963 年）提出了影响煤层原始瓦斯含量的8 项地质因素，成为瓦斯地质科学的基础[4]。焦作矿业学院开展了瓦斯地质调查和瓦斯地质编图工作, 查明了煤矿瓦斯灾害分布的主要控制因素，证实了不同尺度的构造通过对构造软煤的发育控制来控制瓦斯突出的分布规律，瓦斯突出都是发生在构造软煤发育的部位[5]。但当前煤矿煤与瓦斯突出防治最大难题还是对瓦斯含气量和突出构造煤体的空间分布不落实，因此难以有的放矢地开展瓦斯预防的有关工程。针对上述难题，中国矿业大学（北京）研究团队自20 世纪90 年代末以来开展基于三维地震精细探测的煤矿煤与瓦斯灾害隐患的预测研究。在获得煤矿精细地质构造精确预测技术的基础上，进一步利用地震探测信息量大、探测数据横向连续性好、采样间距小的特点，与矿区内大量在纵向上分辨率很高的钻孔测井数据融合，企图运用先进的地球物理探测技术，阐明含瓦斯煤体含气性、渗透性、非均质性等煤层特征在地球物理场中的高精度响应机理，提高煤与瓦斯突出部位地质预测的分辨率与可靠性，实现精细描述煤层顶板岩性、煤层厚度、煤体滑脱面、构造煤发育区和瓦斯富集部位的目的[6]。为此，以安徽淮南矿区、山西晋城矿区为依托，采用地球物理测井曲线分析、AVO 技术、地震属性定量分析技术、地震波形分类技术等地震探测技术与方法，对含瓦斯煤体的岩石力学行为、瓦斯赋存地质条件、含瓦斯煤体储层物性及含气性进行了探测分析，并取得一些初步认识。

1 不同突出危险程度的煤体结构测井响应特征

通过对淮南、晋城等矿区内钻孔岩心岩石弹性特征进行测试，以及对钻孔的视电阻率、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，发现同一煤层中不同结构煤层的测井曲线有明显区别[7-8]。即突出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。淮南顾桥副检1 井13-1 煤层测井曲线如图1。瓦斯突出煤体的测井曲线幅值特征见表1。

图1 淮南顾桥副检1 井13-1 煤层测井曲线Fig.1 Logging curves of 13-1 coal seam in Huainan Guqiao auxiliary inspection No.1 well

表1 瓦斯突出煤体的测井曲线幅值特征Table 1 Amplitude characteristics of logging curves of coal body with gas outburst

对研究区内常规测井曲线和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。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。突出煤体的结构一般都遭到了不同程度的破坏，因此比原生结构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。突出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，突出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%。这些变化反映了突出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，不同突出危险程度煤体的测井响应参数见表2。

表2 不同突出危险程度煤体的测井响应参数Table 2 Logging response parameters of coal bodies with different outburst risk degrees

研究发现，突出煤体表现为视电阻率明显下降的低幅值，伽玛曲线和声波时差曲线则为较明显的高振幅值，自然伽玛曲线为明显上升的中等振幅值。突出煤体表现为弹性模量小、抗拉强度小、抗压强度小、密度小、泊松比大的特征。

2 煤层结构高分辨率三维地震反演方法

煤系地层的构造、岩性及其细微结构是决定瓦斯是否富集的重要因素之一，因此准确地描述煤系地层的精细结构对于探测瓦斯富集区具有重要意义。纵波资料具有高信噪比、高分辨率等特点，在描述地层的构造特征方面具有独特的优势，故可通过对纵波资料的精细处理与解释准确描述煤层与煤系地层的构造特征，再通过纵波反演与属性提取技术分析煤层的细微结构特征，反演煤层厚度，寻找煤层破碎带，为瓦斯是否富集提供佐证。充分利用三维地震探测数据在横向上、测井数据体在垂向上的高分辨率特点，开展地震数据体与测井数据体数据融合方面的研究，构建以测井响应特征、地震属性特征与地质岩性特征相关性为基础的煤岩层反演方法；同时，研究煤体结构和煤层破坏程度在反演数据体的响应特征，通过与煤矿突出实际煤体结构对比，建立煤矿煤与瓦斯突出煤层突出部位的预测方法，并开发相应的软件系统。

在地震-测井联合属性分析中可以发现突出煤体作为夹层赋存于整个煤层内，并在横向上不连续,煤层及突出煤预测剖面图如图2。因此改变了原先关于突出构造煤是整个煤层并且在区域上稳定分布的观念。研究发展了以人工伽玛为约束的煤层厚度及其精细构造反演方法，建立了煤层识别模型，反演出的煤层厚度预测精度达95%以上。发现在烟煤地区，煤与瓦斯突出与煤的密度有密切关系，煤体越破碎，煤与瓦斯突出危险性就越高。

图2 煤层及突出煤预测剖面图Fig.2 Coal seam and outburst coal prediction profile

3 煤层裂隙的发育程度及其空间展布规律

煤层气的赋存与煤体结构、煤的孔隙裂隙状态、煤系地层的地质构造现状及其演化史、地应力的分布情况等因素有关。这些结构、状态和分布变化所导致的最终结果，就是地质介质、岩石物性和各向异性的变化。所以，用多波地震勘探研究煤层气问题最终就归结为用多波地震方法检测岩石物性和各向异性。通过多波地震正演技术，开发了多波地震野外采集软件并野外采集了多块三维三分量地震资料。在常规三维地震资料处理基础上，利用含裂隙介质中的横波分裂特性求取地下煤层的裂隙参数。采用基于大道集数据的快波偏移方位扫描，多道两分量旋转叠加及根据角度谱与快慢波到时先后鉴别快波偏振方位角的办法，以提高分离快慢波的精度和稳定性。

研究发现：转换横波遇到方位各向异性的煤层后，产生以不同速度传播的2 组横波，即平行裂缝走向偏振的快横波和垂直于裂隙方向偏振的慢横波。慢横波的传播速度则受煤层裂隙发育及填充物的影响，裂隙发育程度越高，其传播速度越低，因此，快波的偏振方向代表了煤层地下裂隙的发育方向，快波与慢波之间旅行时之差代表了地下裂隙的发育程度，时差越大，地下煤层裂隙的发育程度越高，经过钻孔验证，发现地下煤层裂隙发育越高的部位瓦斯含量越高。三维三分量地震勘探如图3。

图3 三维三分量地震勘探Fig.3 Three-dimensional three-component seismic exploration

4 瓦斯富集区块地震波振幅变化规律

通过研究振幅随偏移距的变化（AVO）、振幅随炮点-检波点方位角的变化（方位AVO）特征，可以反演获得各种瓦斯赋存地层地震属性，在与已知瓦斯富集区煤、非瓦斯富集区煤（或者原生煤、构造煤）的弹性特征及其差异对比基础上，掌握煤的节理、裂隙、变质和构造作用等因素与煤的弹性特征之间的关系，并进一步探讨各种特性的煤层与岩层构成的岩体反射界面的反射特征和节理、裂隙（即瓦斯富集）、煤层厚度、顶（底）板岩性对反射特征的影响[9-12]。通过对瓦斯突出煤层与非突出煤层AVO响应进行分析，发现瓦斯突出煤层地震振幅随偏移距的增大呈下降趋势，而非突出煤层的地震振幅随着偏移距的增大呈上升趋势[8]。瓦斯突出煤层与非突出煤层的AVO 响应如图4。

图4 瓦斯突出煤层与非突出煤层的AVO 响应Fig.4 AVO response of gas outburst coal seam and nonoutburst coal seam

5 结 语

由于煤矿三维地震探测信息量大、探测数据横向连续性好、采样间距小（10 m×10 m 甚至更小），因此不但在煤矿精细地质构造探测中优势明显，而且可以通过与矿区内钻孔测井数据融合，形成煤与瓦斯突出部位高分辨三维地震预测的一种有效精准方法，在煤矿煤与瓦斯突出灾害预防中发挥积极科技支撑作用。