“三维地震”勘探技术在双柳煤矿的应用

张晋龙

(山西汾西矿业集团 双柳煤矿， 山西 柳林 033300)

我国煤层赋存地质条件复杂多变，瓦斯分布不均，随着近几年煤炭开采深度的增加，瓦斯含量急剧增加。开采深度的加大和开采规模的提高导致开采条件更趋复杂，而研究人员还习惯于应用浅部开采条件下的瓦斯地质作用特征和规律，指导深部开采地质状况下的瓦斯治理，对瓦斯的赋存特征和分布规律掌握很少，还没有找到探测和预测瓦斯富集区和突出部位的有效方法和手段。因此，需要研究探索在深部开采地质条件下，开采煤层围岩岩体地质构造与瓦斯富集的关系，瓦斯富集和瓦斯突出灾害源准确探测和预测的方法和技术[1]. 三维地震勘探技术能有效查明矿区瓦斯分布范围，确定分布区域中瓦斯富集部分和瓦斯地质构造，有效指导矿井生产过程中的瓦斯治理模式[2-4].

双柳煤矿位于山西省柳林县西北部，为煤与瓦斯突出矿井，为查明三采区南部瓦斯富集潜在区的分布规律和地质构造区域内的瓦斯富集情况，在该矿三采区南部进行了三维地震勘探。

1 地震地质条件

1.1 表层地震地质条件

勘探区为典型的黄土高原地貌，地形形态主要为侵蚀形，表现为强烈的切割梁、峁状黄土丘陵，在孟门镇沟南、北两侧分布甚广，冲沟密集而狭窄，谷底基岩出露，区内植被稀少，水土流失严重。区内较大沟谷呈东西向垂直于黄河分布，勘探区最高点位于勘探区南部，标高+956.3 m，最低点位于勘探区西南部，标高+686.9 m，一般标高750～850 m，最大高差269.4 m. 一般高差100～200 m，为中低山地形。由于勘探区内沟谷十分发育，沟坡陡峭和沟底基岩给地震激发和检波线的布设带来了难度。勘查区内有村庄(郭家塔等)以及零星村庄以外的房屋、路等，这些都对地震野外施工的测量选点、测线布置及检波器的埋置等带来不便，所以本区表层地震地质条件较差。

1.2 浅层地震地质条件

勘查区内第四系厚度及覆盖层分布不均匀，给地震激发层位的选择带来了难度。另外，黄土层对地震波的吸收衰减极为强烈，对其向下传播极为不利。因此，本区浅层地震地质条件亦较差。

1.3 深层地震地质条件

根据区内钻孔揭露的实际情况，4号煤层埋深209～543 m，8号煤层埋深302～699 m.太原组(C3t) 以K1砂岩为底连续沉积于本溪组之上，厚度78.60～109.92 m，平均92.49 m. 含煤4层，其中8、9号煤层厚度大，稳定可采。山西组(P1s)与下伏地层太原组呈整合接触，以K3砂岩为底，厚56.00～84.75 m，平均73.85 m. 含煤5层，其中4(3+4)#煤层厚度大，稳定可采。可见，煤层与围岩之间有较大的物性差异，是一个较好的波阻抗界面，能产生较强的反射波。所以深层地震地质条件良好，具备地震勘探的前提[2].

2 三维地震勘探技术原理

利用基于岩石物理的叠后反演、地震属性数据体和叠后统计学反演等全新方法，达到对煤层及构造高精度解释的目的，进一步查明区内落差≥5 m的断层，对于<5 m的断层给予定性分布解释，并评价三维勘探区内小构造的发育程度；查明勘探区内直径≥30 m的陷落柱，对直径20 m左右的陷落柱进行定性分布解释；利用高分辨反演、潜在破碎带或者裂缝发育区的成果与构造综合分析相结合，综合预测煤系地层潜在的高瓦斯富集分布区。

2.1 综合预测瓦斯富集潜在区

双柳三维区煤系地层流体富集潜在区预测是将煤层构造分析、煤层及顶底板岩性分析和易破碎带为主构造分析共同确定。其中，在构造方面主要是利用微幅构造区域，煤层局部高构造和局部低构造对于瓦斯富集更加具有现实意义；煤层及顶底板岩性分析是将煤层厚度和顶底板岩性考虑在内，一般情况下煤层厚度与瓦斯量成正比，而顶底板岩性对于瓦斯富集和运移有一定的控制作用；在易破碎带为主构造分析方面，其预测区域是原生裂缝发育和易受采动影响发育裂缝的区域，易破碎带是煤层采掘过程中需要着重注意的方面，也是构造煤发育重要位置，由于破碎带孔隙空间较大，容易赋存瓦斯。其微幅度构造分布图见图1.

图1 微幅度构造分布图

从双柳煤矿三采区三维区域内目前的煤层勘探和开采情况来看，区域内主要是关注瓦斯富集的情况。根据该项目的研究成果整理及分析，对于瓦斯富集区的预测及评估制定了预测瓦斯区分类：

一类瓦斯富集区：以断层或者陷落柱为主导的破碎带、多条断层密集发育带、顶底板泥岩阻隔瓦斯运移区、紧邻区域大断裂的上升盘、局部微幅构造高部位及其附近、中厚煤层发育等区域。

二类瓦斯富集区：具有独立断层发育的破碎带、局部孤立的断层附近。

三类瓦斯富集区：无断层发育的破碎带、煤层裂隙发育区、单斜构造等区域。

该瓦斯分类中最需要注意的是一类瓦斯富集区，其容易形成高瓦斯富集区；二类瓦斯富集区是在一类瓦斯富集区和三类瓦斯富集区之间的一种类型，其瓦斯含量相对变化范围较大；三类瓦斯富集区瓦斯含量较低，有些区域与正常瓦斯含量相差不大。

双柳煤矿三维区煤系地层4(3+4)煤的流体富集潜在区预测所用的参考依据见图2.这些依据虽然是煤层流体预测的间接依据，但是它们控制着流体富集的各个主要因素，是更加客观地反映区域内流体富集潜在区。

图2 4(3+4)煤预测流体富集潜在区要素图

4(3+4)煤的瓦斯富集潜在区的分析图见图3，图中瓦斯富集潜在区发育较广，说明区域内瓦斯是煤田安全开采的主要问题之一。瓦斯潜在富集区主要分布在井田西部，集中在工区边界。

图3 4(3+4)煤预测瓦斯富集潜在区分布图

2.2 综合预测地质构造带

通过三维地震，在高分辨率地震反演的基础上，断点的位置精确到煤层的顶底板，其精度远大于常规解释精度，勘探区内共解释断点314个，组合断层21条，全部为正断层。按断层落差划分：落差>5 m的断层11条，为可靠断层，落差≤5 m的断层10条，该三维勘探区内小构造的发育程度低，断层分布图见图4.

图4 断层分布图

在该次三维地震勘探区发现煤层的反射波呈地堑状错断，时间剖面上断距反映为上小下大，煤层反射波错断特别明显且落差也较大，时间剖面上解释成一组逆断层，但该断层的平面展布在小范围内形成一个封闭圈，总体形态一般是上小下大的不规则椎形，对于具有该特征的煤层反射波情况解释为陷落柱，水平切面上多呈椭圆和扁圆形。

双柳矿区在实际采掘中发现的陷落柱从二采区往南呈逐渐变少的趋势，且二采区发现的陷落柱都小于20 m. 该次三采区三维地震勘探共解释了1个陷落柱构造，陷落柱控制情况：陷落柱DX1位于勘探区西南部，在平面上反映为椭圆形柱状体。该陷落柱最大直径约为100 m，破坏4(3+4)号煤层和9(8+9)号煤层，属控制可靠，陷落柱DX1时间剖面图见图5.

图5 陷落柱DX1时间剖面图

3 钻探验证

通过三维地震勘探可知，双柳煤矿井田西部属一类瓦斯潜在富集区，西南部存在DX1陷落柱,且瓦斯含量较大，为验证其准确性，探放区在33(4)17等材料巷掘进到位后，为有效预抽33(4)19掘进工作面瓦斯，在西侧帮施工两个千米钻场，使用顺层千米钻孔对该范围进行了探测，同时制定了区域预抽钻孔设计及安全技术措施。其中，在一号千米钻场内施工4#、5#、6#、7#千米钻孔期间，孔内瓦斯压力大，出现喷孔、顶钻现象;在提钻完毕后，进行抽放期间，钻孔内瓦斯涌出异常发生喷孔现象。1#—3#孔施工至约210 m时，千米钻孔见岩，孔内瓦斯涌出异常，停止施工，提钻接孔抽放，未能按设计孔深施工到位，预测前方遇地质变化带，通过现场探测,为DX1陷落柱。

将钻孔连接抽采后，定期测定钻孔浓度、流量，4#—7#钻孔初期平均浓度为90%以上，单孔平均流量为0.8 m3/min，经为期2个月的抽采后，浓度逐渐呈衰减趋势为50%左右，单孔平均流量为0.6 m3/min. 经验证后，及时对巷道进行了合理布置，调整了采掘部署，并对钻孔重新进行设计，提前对瓦斯富集区域内的瓦斯进行预抽，有效地指导了矿井中的瓦斯抽采和瓦斯治理模式。

三维地震勘探技术准确地对双柳煤矿地质构造进行预测预报，该次三维地震共计勘探出断层21条，陷落柱1个，一类瓦斯潜在富集区分布于井田西部。

4 结 语

三维地震勘探能够有效指导突出矿井中遇地质构造期间钻孔的设计，提前施工钻孔预抽瓦斯，避免误揭露地质构造而发生突出事故。该勘探技术准确分析了双柳煤矿瓦斯富集潜在区分布规律，指导了矿井中的瓦斯抽采和瓦斯治理工作，提高了矿井瓦斯抽采效果，指导了矿井采掘衔接部署与安排；查明了矿区瓦斯分布范围，确定了分布区域中瓦斯富集部分和瓦斯地质构造，对矿井瓦斯综合治理，降低地质风险，促进矿井高产高效建设具有较好的应用推广前景。