“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律掌握很少，還沒有找到探測和預測瓦斯富集區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瓦斯分布范圍，確定分布區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，為查明三采區南部瓦斯富集潛在區的分布規律和地質構造區域內的瓦斯富集情況，在該礦三采區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

勘探區為典型的黃土高原地貌，地形形態主要為侵蝕形，表現為強烈的切割梁、峁狀黃土丘陵，在孟門鎮溝南、北兩側分布甚廣，沖溝密集而狹窄，谷底基巖出露，區內植被稀少，水土流失嚴重。區內較大溝谷呈東西向垂直于黃河分布，勘探區最高點位于勘探區南部，標高+956.3 m，最低點位于勘探區西南部，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。由于勘探區內溝谷十分發育，溝坡陡峭和溝底基巖給地震激發和檢波線的布設帶來了難度。勘查區內有村莊(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，所以本區表層地震地質條件較差。

1.2 淺層地震地質條件

勘查區內第四系厚度及覆蓋層分布不均勻，給地震激發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，本區淺層地震地質條件亦較差。

1.3 深層地震地質條件

根據區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，并評價三維勘探區內小構造的發育程度；查明勘探區內直徑≥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育區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。

2.1 綜合預測瓦斯富集潛在區

雙柳三維區煤系地層流體富集潛在區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，其預測區域是原生裂縫發育和易受采動影響發育裂縫的區域，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

從雙柳煤礦三采區三維區域內目前的煤層勘探和開采情況來看，區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，對于瓦斯富集區的預測及評估制定了預測瓦斯區分類：

一類瓦斯富集區：以斷層或者陷落柱為主導的破碎帶、多條斷層密集發育帶、頂底板泥巖阻隔瓦斯運移區、緊鄰區域大斷裂的上升盤、局部微幅構造高部位及其附近、中厚煤層發育等區域。

二類瓦斯富集區：具有獨立斷層發育的破碎帶、局部孤立的斷層附近。

三類瓦斯富集區：無斷層發育的破碎帶、煤層裂隙發育區、單斜構造等區域。

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

雙柳煤礦三維區煤系地層4(3+4)煤的流體富集潛在區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域內流體富集潛在區。

圖2 4(3+4)煤預測流體富集潛在區要素圖

4(3+4)煤的瓦斯富集潛在區的分析圖見圖3，圖中瓦斯富集潛在區發育較廣，說明區域內瓦斯是煤田安全開采的主要問題之一。瓦斯潛在富集區主要分布在井田西部，集中在工區邊界。

圖3 4(3+4)煤預測瓦斯富集潛在區分布圖

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，其精度遠大于常規解釋精度，勘探區內共解釋斷點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，該三維勘探區內小構造的發育程度低，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發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，總體形態一般是上小下大的不規則椎形，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。

雙柳礦區在實際采掘中發現的陷落柱從二采區往南呈逐漸變少的趨勢，且二采區發現的陷落柱都小于20 m. 該次三采區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潛在富集區，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，一類瓦斯潛在富集區分布于井田西部。

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分布規律，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；查明了礦區瓦斯分布范圍，確定了分布區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。