废弃矿井煤层气资源地球物理勘探研究进展

余传涛,柳春林, 薛俊杰,张富明 ,李 勇

1.太原理工大学矿业工程学院,太原 030024

2.中国科学院地质与地球物理研究所/中国科学院矿产资源研究重点实验室,北京 100029

3.中国科学院地球科学研究院,北京 100029

4.中国科学院大学地球与行星科学学院,北京 100029

5.北京中科地垣科技有限公司,北京 100029

0 引言

长期高强度的煤炭开采形成大面积的采空区和数量众多的废弃矿井,受开采工艺技术以及地质因素的限制,煤矿井下还遗留有大量的煤炭资源[1-2]。残煤及采动影响范围内临近煤层中吸附的气体逐渐解吸,随着时间的推移,这些矿井中聚集着大量的煤层气(CBM)资源[3-4]。统计显示,2011 年至今,全国累计关闭煤矿7 800余处,到2030年预计达到约15 000处[5];据此测算,全国废弃矿井残存煤层气资源可达5 000亿m3,储量非常可观。废弃矿井煤层气一方面会对后续煤炭资源的开采产生安全威胁,同时这些煤层气资源也会顺着地层中的裂隙逸散到地表,产生温室效应,对地球的生态环境产生极大的影响。在当前国家“双碳目标”落实过程中,对废弃矿井煤层气资源的勘探和开发既可以解决煤矿安全与生态环境问题,还可以变废为宝,缓解我国面临的能源短缺问题[6-8]。

在众多勘探手段中,地球物理勘探技术具有成本低,可穿透覆盖层进行大深度、无损探测的优势,在废弃矿井煤层气勘探中发挥着越来越重要的作用,成为废弃矿井煤层气勘探和开发过程中最重要的一个环节[9-10]。地球物理勘探技术例如地震法[11]、电磁法[12-13]、高密度电法[14-16]、激发极化法[17-19]、微动法[20-21]、放射性探测法[22-23]等在精确探查采空积水区、老窑采空区以及废弃矿井探测等方面发挥了重要作用,不仅可为煤矿的安全高效开采及矿山环境的恢复治理贡献力量[24],还可以为废弃矿井煤层气资源的勘探和开发奠定地质基础[25]。

本文梳理了煤田采空区地球物理勘探方法的研究应用进展,并以此为基础,针对煤矿开采、矿山环境修复、废弃矿井煤层气资源的勘探和开发等实际需求,对废弃矿井煤层气资源的地球物理新技术发展方向进行了展望。

1 山西废弃矿井煤层气资源概况

山西省境内地层发育较为齐全,其主要含煤地层为石炭系和二叠系,在山西北部大同、宁武一带侏罗系亦为山西地区含煤地层之一[26]。全省煤炭资源多为中、厚煤煤层,不仅数量多,而且煤质优,无烟煤、烟煤和褐煤均有分布。山西各煤田埋深差异较大,最浅为100 m左右,最深可达2 000 m左右,这也是采空区情况复杂的重要原因之一。经过多年的大规模开采,山西形成了广泛分布的采空区,在废弃的采空区中储存着大量的煤层气资源。

2018年山西省对全省采空区煤层气资源情况进行摸底调查,估算了全省废弃煤矿采空区及其煤层气资源量。山西全省煤矿采空区面积目前已达4 027 km2,而且还在不断增加[27-29],其中一半以上的采空区内煤层气资源具有开发利用价值, 预测废弃矿井煤层气储量超过700 亿m3,其中7个煤层气含量较高的矿区,采空区总面积约为870 km2,预测煤层气资源储量超过300 亿m3(表1)[30-31]。目前山西省已累计建成废弃矿井煤层气抽采井100多口,抽采煤层气资源量超过1 亿m3。但废弃煤矿采空区煤层气勘探开发由于历史资料不全,地质条件不清,煤层气赋存状态和封藏条件不同,即使同一个矿井,不同地段的钻井成功率、煤层气日产量也不相同,且采空区煤层气井产量不稳定、衰减快,给废弃矿井煤层气资源的开发带来了巨大的挑战[32]。因此,对废弃矿井煤层气勘探和开发的关键是进行精细的地质调查与地球物理勘探,其有助于了解废弃矿井煤层气赋存的地质与水文条件。

表1 山西主要矿区采空区煤层气资源

废弃矿井煤层气资源的富集与煤层地质情况、采空区分布、围岩渗透、煤层气运移与储藏、地质构造、水文地质条件、开采后岩移及破坏条件等因素的综合影响有关[2]。实践表明,对于不同的地质类型及采煤工艺和方式,煤层气的分布特征及富集规律具有明显的差异性,地球物理勘探技术在煤矿地质构造、采空区分布、煤层气储层特征表征上面具有明显的优势。

2 废弃矿井煤层气富集地质模型

一般气体都是由高压力、高浓度向低压力、低浓度区域运移。在开采活动结束后一段时间内,从临近未采煤层、煤柱、围岩中解吸的煤层气在压力作用下向采空区内运移。由于煤层气的密度小于空气,在采空区内会向采空区顶部运移。采空区上方顶板岩石在重力作用下,会发生位移、坍塌等作用[33-34]。根据其被破坏程度分为3带,即冒落带、裂隙带和弯曲下沉带[35-36]。在冒落带内,覆岩压力降低,孔裂隙增多,是煤层气向上运移的重要通道;在裂隙带内,受浓度及压力场双重影响,煤层气经采空裂隙向上运移。在裂隙带顶部封存条件较好时,会形成一个煤层气富集区;如果有裂隙贯通地表,煤层气会经裂隙运移到地表,不能形成煤层气的富集。如果矿井中地下水丰富,由于水的存在,致使采空区内压力升高,部分煤层气会溶解于水或者重新吸附到围岩中,这也是废弃矿井煤层气抽采井产量不稳定的因素之一[2, 37-38](图1)。

据文献[2]修编。

由于上述原因,在煤层气资源开采中,井位的确定十分困难。例如,晋城矿区初期采空区试验井钻井过程中经常钻遇煤柱、采空积水区、煤岩巷甚至原位煤,实际钻井成功率比较低[31]。废弃矿井采空区煤层气地球物理勘探就是要利用地球物理勘探手段,详细了解采空区分布、覆盖层、裂隙以及采空区中的地下水等情况,为煤层气资源评价与开发提供基础数据。

3 废弃矿井采空区地球物理属性

3.1 地震波场特征

一般煤层沉积较稳定,顶底板地层的物性差异明显,地震波在地层中传播时,能够在不同的时间形成连续性好、振幅高、便于对比的反射波[11,39]。当煤层开采后,地层之间不再连续,地震波经过采空区时发生散射且能量被吸收,这导致反射波能量变弱,频率与振幅变低且不连续,据此可以圈定采空区的范围[40-42]。

地震波经过煤层时,由于煤层与围岩的波阻抗差异,地震剖面上会出现明显的响应特征;当地震波经过采空区时也会产生同相轴不连续、错位或杂乱无章等响应特征[43-45]。这为使用反射波法探测采空区提供了的辨别依据,从而有助于煤炭资源的勘探和评价[11, 40]。

3.2 电性特征

煤层是由沉积作用形成的,与围岩形成了稳定的平衡状态,其电性特征较为明显;煤层开采后,原煤层不再连续,此时,地层会达到一个新的平衡,电性特征也随之变化[46-47]。具体表现为如下。1)煤层连续性被破坏。忽略地质构造活动的影响时,煤层一般为连续沉积且相对均匀,电性特征具有层理性;煤层开采后,原有的电性层结构会发生明显的改变。2)采空区处会出现电阻率局部异常。采空区一般会出现局部高阻异常;当采空区内被岩石、泥土或水填充时,会出现局部低阻异常。3)采空区周围形成纵向低阻带。上覆围岩出现坍塌、冒落等现象,导致岩层出现破碎、裂隙,导致围岩电阻降低,低阻区域纵向扩大甚至形成新的低阻带[46,48-49]。

3.3 激发极化特征

常见岩石的激电效应一般不超过2.0%,但是当岩石中含较多的黏土矿物、金属硫化物矿石、炭质矿物时,激电效应会显著增强,极化率可达到4.0%以上[50];含水层中富水性较强的区域一般可达到2.0%～4.0%,但一般不会超过5.0%;未充水采空区激电效应较微弱,一般在0.1%～1.0%之间,采空区充水后激电效应会增强,一般在0.7%～2.0%之间。在电阻率无法明显区分异常时,极化率的大小可作为区分富水性强弱的依据[51]。

3.4 放射性氡异常特征

当地下煤层开采后形成采空区时,其上覆岩层破碎、冒落,形成一定规模的裂隙带,氡气在压力、浓度差,空气对流,团簇效应等多重因素影响下可通过裂隙向上运移,形成高氡值异常区且氡值变化比较大;而在正常地层中,氡值较小,变化范围小。根据氡气异常区特征形态(带状异常或环状异常)可以判断出地下采空区、断层等地下地质体的分布规律和范围。

4 废弃矿井采空区地球物理方法技术进展

4.1 地震法

地震勘探是通过观测和分析地震波在通过有密度和弹性差异的目标体及围岩的响应来推测地下地质构造、寻找气体储层的一种重要的地球物理方法[52-53]。其中反射波法是采空区探测的主要方法之一[25]。反射波法是通过接收和分析人工激发的地震波在地下遇到不同波阻抗界面发生反射后返回地面的反射波的振幅、相位等特征来推断地下地层结构等信息的一种地质勘探方法(图2,3)。

图2 反射波地震勘探示意图

一般探测较大规模的异常体时,多采用反射波地震方法,但是当目标体尺寸小于反射波的横向分辨率时,可采用绕射波或瑞雷波地震方法。三维地震勘探技术较其他电磁类勘探方法,在勘探精度上有明显的优势;但是当存在多层采空区或者采空区中有水时,地震波难以穿透采空层或者积水层,限制了该方法在多层采空区和积水区勘探中的应用,只能选择电磁类方法。

目前,以高精度三维地震采集、地震属性分析、三维地震勘探数据反演为核心的地震资料综合解译技术,将围岩构造、岩性、沉积相等储层构成要素作为研究对象,可以实现煤层气封层单元的识别,有助于废弃矿井煤层气资源的精细勘探和开发[54-56]。

4.2 直流电法

直流电法是以岩(矿)石的电性差异为基础的一种重要的地球物理勘查方法。其主要用于地质填图、找煤、隐伏地质构造探测(如断层、陷落柱、岩溶等)、矿井突水通道填图、煤层冲刷带圈定等[57-58]。煤田直流电法勘探可根据不同的地质任务和地电条件,采用不同类型的装置,施工方法灵活多样[15](图4),可以准确推断勘探区内地质异常的赋存状态和影响范围(图5)。

a. 温纳α装置; b. 温纳β装置;c. 温纳 γ装置;d. 偶极-偶极装置;e. 单级-偶极装置;f. 温施装置。AB为供电电极;MN为测量电极。

图5 某废弃矿井积水采空区高密度电法探测结果

直流电法受地形影响比较明显,在地表基岩出露无法供电时难以展开工作,勘探深度一般不超过300 m,而且深度越大,成本越高、分辨率越低,限制了这种方法的应用。直流电法常用于地形比较平坦、地面供电条件比较好的地区。

4.3 可控源音频大地电磁法

可控源音频大地电磁法(CSAMT)是一种人工源频域测深方法[9, 59-61]。电磁波在岩层中传播时,其传播深度与供入电流频率和大地电阻率有关;电阻率的差异可以通过测量正交的电场分量(Ex)和磁场分量(Hy)来计算[61]:

(1)

(2)

式中:ρs为视电阻率,也称为卡尼亚电阻率;H为勘探深度;f为频率。

该方法探测效率高,一次发射可探测多个物理点,探测深度可达1～2 km。一般而言,CSAMT中使用的发射电极AB长度在1～3 km之间,接收线在发射电极一侧或两侧张角为与AB两边夹角30°的扇形区域内,并且与AB平行排列[62-63](图6)。正常未开采煤层电阻率在横向上变化不大;如果存在采空区且积水,则表现为低视卡尼亚电阻率异常(图7);通过CSAMT法可以探测地下水的分布,查明煤层气富集区的地质构造[64]。

T. 发射线圈;R. 接收线圈。

图7 废弃煤矿采空积水区CSAMT探测成果图

该方法相对其他电磁类方法成本较高,不适合做大面积的勘查,常用于重点勘查区域的验证工作。

4.4 瞬变电磁法

瞬变电磁法(TEM)是通过分析接收到的感应磁场衰减规律和特性来探明地下地质情况的一种电磁勘探方法[65-67]。地质体导电性愈好,瞬变过程愈长[68](图8)。瞬变电磁法具有效率高、对低阻异常敏感、易施工的优点,而且勘探深度非常适合煤矿采空区及积水的探测(图9)[49, 69-70]。同时,瞬变电磁法施工时一次激发可以同时获取多深度、多分量的地下信息,探测效率较高。因此,瞬变电磁法被广泛应用于采空区探测中,是煤矿查明积水区的重要方法[12, 35, 70-73]。

据文献[13]修编。

据文献[53]修编。

目前瞬变电磁法在采空区勘探中研究很多,但是该方法基础理论依然比较薄弱,纵向分辨能力不够,在深度反演、地形矫正、地面高压电磁场压制及有用信号的提取等方面还需要进一步深入研究。

而且随着采矿活动的深入,采空区呈现多层化的趋势,即同一平面位置往往有多层采空区(积水区)的存在,这样不同层位的采空区引起的瞬变电磁场会相互叠加,无法实现多层采空区的识别;因此需要对多层采空区的电磁响应规律进行进一步研究,同时加强数据采集硬件的研发以及基于大数据和人工智能反演技术的软件开发。

4.5 激发极化法

激发极化法(IP)是以地质体电化学性质(极化率)差异为基础的一种人工源电法勘探方法[74]。在勘探过程中,利用供电电极AB向地下供入直流电源,在测量电极MN间会产生一个随时间增加的电位差(图10);经过一段时间T后,趋于一个稳定的值;将供电电源断开后,测量电极MN间仍然存在一个随时间缓慢变化的电位差(称为二次电位差)[51, 74]。可以利用如下公式表示不同岩矿石之间的这种激发极化特征差异:

据文献[51]修编。

(3)

式中:η为极化率;ΔU2(T,t)为二次场电位差;ΔU(T)为总场电位差;T为供电时间;t为断电时间。

在采空积水区勘探中,一般视电阻率显示为低值,而视极化率显示为较高的值(图11)。

据文献[74]修编。

在保证足够电流密度的情况下,该方法的勘探深度与发射极距成正比。通过改变发射电极AB的长度可以得到不同深度的信息。该方法在深度上能够较好地控制异常的位置,但大面积施工效率低、成本高,只适用于重点区域的验证。

4.6 放射性探勘法

放射性勘探是通过仪器监测地下天然放射性物质衰变时产生的放射性强度来解决地质问题的一种勘探方法[75],其中活性炭测氡法是应用最广泛的一种放射性勘探方法[22, 47, 76]。施工时,在地面挖40 cm深的坑,埋入氡气吸附装置;5 d后取出,用专门的仪器测量氡计数[25, 47](图12)。利用观测到的氡气异常区特征形态可以判断出地下采空区、断层等地下地质体的分布规律和范围(图13)。

据文献[47]修编。

据文献[47]修编。

该方法施工比较简单,成本低,效率高,适合做大面积的采空区普查,能够很好地区分采空区的平面位置;但是无法在深度上进行解释,需要配合其他测深类方法,才能取得较好的效果。

4.7 微动勘探法

地球内部和表面每时每刻都在发生微弱的震动,这是一种自然的、在时间和空间上不规则的现象,一般称为“微动”。微动探测方法就是通过获取这种天然的微动信号分析地下地质构造的地球物理探测方法[77-78](图14)。一般在采空区上方,由于岩层塌陷破碎,横波速度明显下降(图15);而正常地层横波速度成层状分布。

图14 微振三重圆台阵布设示意图

该项技术相对其他物探手段(电磁法和人工地震)具有一定优势。在施工时,探测仪器轻巧、方便,对地形、周围环境要求低,可以选择不同的台阵排列来适应各种地形施工,且无需人工震源,不会对环境造成影响,可节约人力与物力的支出;在资料解释分析时,可以结合其他物探方法综合解释,能极大地提高探测精度[21, 79]。

4.8 航空电磁勘探方法

航空瞬变电磁法(ATEM) 利用直升机、固定翼飞机、飞艇、热气球等飞行平台搭载瞬变电磁法的发射和接收系统[80],向发射线圈供入一定频率的半正弦脉冲电流,利用接收线圈接收切断电流间隙产生的二次场[81-82](图16a);通过分析测量的电磁数据,判断地下地质体的分布状况。ATEM可有效克服地形地貌的影响,深入森林、山地等恶劣环境中,适合大面积的矿产普查,可以高效地获取地电信息[83]。

据文献[84]修编。

半航空瞬变电磁法(semi-ATEM)在地面发射大功率电流激发产生一次场,在空中快速接收二次场的响应(图16b)[84]。半航空瞬变电磁法不仅解决了地面瞬变电磁法对地形条件的制约,也解决了航空瞬变电磁法信噪比低、勘探深度较浅的难题。所以,半航空瞬变电磁法快速成为研究的热点并被广泛应用[85-86](图17)。

据文献[87]修编。

5 展望

尽管地球物理勘探技术原理、方法、仪器装备都得到了良好的发展,但目前仍然难以满足废弃矿井煤层气资源高效开发对地质结构精细刻画的探测需求。建议未来废弃矿井煤层气资源的地球物理勘探技术从以下几个方面进行研究。

1)煤层气资源的高分辨率地震勘探。通过发展地震波场的加密技术和高精度探测技术,利用多波多分量地震勘探方法,实现对煤层气储层的精细刻画,提高对废弃矿井煤层气资源储量和开发潜力的评价精度。

2)高精度电磁成像技术。研发宽频电磁波的勘探方法、电磁波高效激发与接收技术以及正演与反演模拟技术,实现对煤层气储层的精细探测和评估,为废弃矿井煤层气资源开发提供科学依据。

3)综合地球物理勘探技术。将高分辨率地震技术、高精度电磁成像技术以及其他地球物理勘探方法相结合,综合评价废弃矿井煤层气资源的储量和开发潜力,提高探测精度和资源利用效率。

4)多尺度地球物理勘探技术。针对废弃矿井煤层气资源开发的不同需求,发展从小到大不同尺度地球物理勘探方法,实现对废弃矿井煤层气储层的精细刻画、构造解析和区域地质研究,为废弃矿井煤层气资源开发提供全方位的技术支持。

5)地球物理大数据的应用。通过对大数据的挖掘和分析,更加深入地了解煤层气储层的特征和变化规律,提高对资源储量和开发潜力的评价精度。针对不同来源和类型的地球物理数据,发展高效的数据处理和清洗技术,提高数据的准确性和可信度,为后续的数据分析和应用提供基础保障。

6)深度学习和人工智能反演。通过发展机器学习和深度学习等模式识别方法,对地球物理数据进行分类、聚类和特征提取等处理,实现对煤层气储层的精细刻画和异常检测,提高探测精度。

6 结语

我国废弃矿井煤层气资源储量巨大,具有较大的开发利用前景。然而,废弃矿井煤层气资源的产量受采空区分布、覆盖层和围岩情况、裂隙带发育情况、煤层顶底板情况、煤矿开采方式以及采空区的地下水等情况的综合影响,使用单一的地球物理方法对废弃矿井煤层气资源的评价往往难以满足要求。开展多种地球物理技术的集成创新,开发、研究新的地球物理方法,建立多波场、多方法、多维度、多空间的采空区综合探测体系,充分利用地球物理大数据、多尺度人工智能联合反演技术,在降低勘探成本的基础上,大幅提高采空区的分辨率与勘探精度,可为我国废弃矿井煤层气资源的开发利用提供技术支持。