廢棄礦井煤層氣資源地球物理勘探研究進展

余傳濤,柳春林, 薛俊杰,張富明 ,李 勇

1.太原理工大學礦業工程學院,太原 030024

2.中國科學院地質與地球物理研究所/中國科學院礦產資源研究重點實驗室,北京 100029

3.中國科學院地球科學研究院,北京 100029

4.中國科學院大學地球與行星科學學院,北京 100029

5.北京中科地垣科技有限公司,北京 100029

0 引言

長期高強度的煤炭開采形成大面積的采空區和數量眾多的廢棄礦井,受開采工藝技術以及地質因素的限制,煤礦井下還遺留有大量的煤炭資源[1-2]。殘煤及采動影響范圍內臨近煤層中吸附的氣體逐漸解吸,隨著時間的推移,這些礦井中聚集著大量的煤層氣(CBM)資源[3-4]。統計顯示,2011 年至今,全國累計關閉煤礦7 800余處,到2030年預計達到約15 000處[5];據此測算,全國廢棄礦井殘存煤層氣資源可達5 000億m3,儲量非常可觀。廢棄礦井煤層氣一方面會對后續煤炭資源的開采產生安全威脅,同時這些煤層氣資源也會順著地層中的裂隙逸散到地表,產生溫室效應,對地球的生態環境產生極大的影響。在當前國家“雙碳目標”落實過程中,對廢棄礦井煤層氣資源的勘探和開發既可以解決煤礦安全與生態環境問題,還可以變廢為寶,緩解我國面臨的能源短缺問題[6-8]。

在眾多勘探手段中,地球物理勘探技術具有成本低,可穿透覆蓋層進行大深度、無損探測的優勢,在廢棄礦井煤層氣勘探中發揮著越來越重要的作用,成為廢棄礦井煤層氣勘探和開發過程中最重要的一個環節[9-10]。地球物理勘探技術例如地震法[11]、電磁法[12-13]、高密度電法[14-16]、激發極化法[17-19]、微動法[20-21]、放射性探測法[22-23]等在精確探查采空積水區、老窯采空區以及廢棄礦井探測等方面發揮了重要作用,不僅可為煤礦的安全高效開采及礦山環境的恢復治理貢獻力量[24],還可以為廢棄礦井煤層氣資源的勘探和開發奠定地質基礎[25]。

本文梳理了煤田采空區地球物理勘探方法的研究應用進展,并以此為基礎,針對煤礦開采、礦山環境修復、廢棄礦井煤層氣資源的勘探和開發等實際需求,對廢棄礦井煤層氣資源的地球物理新技術發展方向進行了展望。

1 山西廢棄礦井煤層氣資源概況

山西省境內地層發育較為齊全,其主要含煤地層為石炭系和二疊系,在山西北部大同、寧武一帶侏羅系亦為山西地區含煤地層之一[26]。全省煤炭資源多為中、厚煤煤層,不僅數量多,而且煤質優,無煙煤、煙煤和褐煤均有分布。山西各煤田埋深差異較大,最淺為100 m左右,最深可達2 000 m左右,這也是采空區情況復雜的重要原因之一。經過多年的大規模開采,山西形成了廣泛分布的采空區,在廢棄的采空區中儲存著大量的煤層氣資源。

2018年山西省對全省采空區煤層氣資源情況進行摸底調查,估算了全省廢棄煤礦采空區及其煤層氣資源量。山西全省煤礦采空區面積目前已達4 027 km2,而且還在不斷增加[27-29],其中一半以上的采空區內煤層氣資源具有開發利用價值, 預測廢棄礦井煤層氣儲量超過700 億m3,其中7個煤層氣含量較高的礦區,采空區總面積約為870 km2,預測煤層氣資源儲量超過300 億m3(表1)[30-31]。目前山西省已累計建成廢棄礦井煤層氣抽采井100多口,抽采煤層氣資源量超過1 億m3。但廢棄煤礦采空區煤層氣勘探開發由于歷史資料不全,地質條件不清,煤層氣賦存狀態和封藏條件不同,即使同一個礦井,不同地段的鉆井成功率、煤層氣日產量也不相同,且采空區煤層氣井產量不穩定、衰減快,給廢棄礦井煤層氣資源的開發帶來了巨大的挑戰[32]。因此,對廢棄礦井煤層氣勘探和開發的關鍵是進行精細的地質調查與地球物理勘探,其有助于了解廢棄礦井煤層氣賦存的地質與水文條件。

表1 山西主要礦區采空區煤層氣資源

廢棄礦井煤層氣資源的富集與煤層地質情況、采空區分布、圍巖滲透、煤層氣運移與儲藏、地質構造、水文地質條件、開采后巖移及破壞條件等因素的綜合影響有關[2]。實踐表明,對于不同的地質類型及采煤工藝和方式,煤層氣的分布特征及富集規律具有明顯的差異性,地球物理勘探技術在煤礦地質構造、采空區分布、煤層氣儲層特征表征上面具有明顯的優勢。

2 廢棄礦井煤層氣富集地質模型

一般氣體都是由高壓力、高濃度向低壓力、低濃度區域運移。在開采活動結束后一段時間內,從臨近未采煤層、煤柱、圍巖中解吸的煤層氣在壓力作用下向采空區內運移。由于煤層氣的密度小于空氣,在采空區內會向采空區頂部運移。采空區上方頂板巖石在重力作用下,會發生位移、坍塌等作用[33-34]。根據其被破壞程度分為3帶,即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶[35-36]。在冒落帶內,覆巖壓力降低,孔裂隙增多,是煤層氣向上運移的重要通道;在裂隙帶內,受濃度及壓力場雙重影響,煤層氣經采空裂隙向上運移。在裂隙帶頂部封存條件較好時,會形成一個煤層氣富集區;如果有裂隙貫通地表,煤層氣會經裂隙運移到地表,不能形成煤層氣的富集。如果礦井中地下水豐富,由于水的存在,致使采空區內壓力升高,部分煤層氣會溶解于水或者重新吸附到圍巖中,這也是廢棄礦井煤層氣抽采井產量不穩定的因素之一[2, 37-38](圖1)。

據文獻[2]修編。

由于上述原因,在煤層氣資源開采中,井位的確定十分困難。例如,晉城礦區初期采空區試驗井鉆井過程中經常鉆遇煤柱、采空積水區、煤巖巷甚至原位煤,實際鉆井成功率比較低[31]。廢棄礦井采空區煤層氣地球物理勘探就是要利用地球物理勘探手段,詳細了解采空區分布、覆蓋層、裂隙以及采空區中的地下水等情況,為煤層氣資源評價與開發提供基礎數據。

3 廢棄礦井采空區地球物理屬性

3.1 地震波場特征

一般煤層沉積較穩定,頂底板地層的物性差異明顯,地震波在地層中傳播時,能夠在不同的時間形成連續性好、振幅高、便于對比的反射波[11,39]。當煤層開采后,地層之間不再連續,地震波經過采空區時發生散射且能量被吸收,這導致反射波能量變弱,頻率與振幅變低且不連續,據此可以圈定采空區的范圍[40-42]。

地震波經過煤層時,由于煤層與圍巖的波阻抗差異,地震剖面上會出現明顯的響應特征;當地震波經過采空區時也會產生同相軸不連續、錯位或雜亂無章等響應特征[43-45]。這為使用反射波法探測采空區提供了的辨別依據,從而有助于煤炭資源的勘探和評價[11, 40]。

3.2 電性特征

煤層是由沉積作用形成的,與圍巖形成了穩定的平衡狀態,其電性特征較為明顯;煤層開采后,原煤層不再連續,此時,地層會達到一個新的平衡,電性特征也隨之變化[46-47]。具體表現為如下。1)煤層連續性被破壞。忽略地質構造活動的影響時,煤層一般為連續沉積且相對均勻,電性特征具有層理性;煤層開采后,原有的電性層結構會發生明顯的改變。2)采空區處會出現電阻率局部異常。采空區一般會出現局部高阻異常;當采空區內被巖石、泥土或水填充時,會出現局部低阻異常。3)采空區周圍形成縱向低阻帶。上覆圍巖出現坍塌、冒落等現象,導致巖層出現破碎、裂隙,導致圍巖電阻降低,低阻區域縱向擴大甚至形成新的低阻帶[46,48-49]。

3.3 激發極化特征

常見巖石的激電效應一般不超過2.0%,但是當巖石中含較多的黏土礦物、金屬硫化物礦石、炭質礦物時,激電效應會顯著增強,極化率可達到4.0%以上[50];含水層中富水性較強的區域一般可達到2.0%～4.0%,但一般不會超過5.0%;未充水采空區激電效應較微弱,一般在0.1%～1.0%之間,采空區充水后激電效應會增強,一般在0.7%～2.0%之間。在電阻率無法明顯區分異常時,極化率的大小可作為區分富水性強弱的依據[51]。

3.4 放射性氡異常特征

當地下煤層開采后形成采空區時,其上覆巖層破碎、冒落,形成一定規模的裂隙帶,氡氣在壓力、濃度差,空氣對流,團簇效應等多重因素影響下可通過裂隙向上運移,形成高氡值異常區且氡值變化比較大;而在正常地層中,氡值較小,變化范圍小。根據氡氣異常區特征形態(帶狀異常或環狀異常)可以判斷出地下采空區、斷層等地下地質體的分布規律和范圍。

4 廢棄礦井采空區地球物理方法技術進展

4.1 地震法

地震勘探是通過觀測和分析地震波在通過有密度和彈性差異的目標體及圍巖的響應來推測地下地質構造、尋找氣體儲層的一種重要的地球物理方法[52-53]。其中反射波法是采空區探測的主要方法之一[25]。反射波法是通過接收和分析人工激發的地震波在地下遇到不同波阻抗界面發生反射后返回地面的反射波的振幅、相位等特征來推斷地下地層結構等信息的一種地質勘探方法(圖2,3)。

圖2 反射波地震勘探示意圖

一般探測較大規模的異常體時,多采用反射波地震方法,但是當目標體尺寸小于反射波的橫向分辨率時,可采用繞射波或瑞雷波地震方法。三維地震勘探技術較其他電磁類勘探方法,在勘探精度上有明顯的優勢;但是當存在多層采空區或者采空區中有水時,地震波難以穿透采空層或者積水層,限制了該方法在多層采空區和積水區勘探中的應用,只能選擇電磁類方法。

目前,以高精度三維地震采集、地震屬性分析、三維地震勘探數據反演為核心的地震資料綜合解譯技術,將圍巖構造、巖性、沉積相等儲層構成要素作為研究對象,可以實現煤層氣封層單元的識別,有助于廢棄礦井煤層氣資源的精細勘探和開發[54-56]。

4.2 直流電法

直流電法是以巖(礦)石的電性差異為基礎的一種重要的地球物理勘查方法。其主要用于地質填圖、找煤、隱伏地質構造探測(如斷層、陷落柱、巖溶等)、礦井突水通道填圖、煤層沖刷帶圈定等[57-58]。煤田直流電法勘探可根據不同的地質任務和地電條件,采用不同類型的裝置,施工方法靈活多樣[15](圖4),可以準確推斷勘探區內地質異常的賦存狀態和影響范圍(圖5)。

a. 溫納α裝置; b. 溫納β裝置;c. 溫納 γ裝置;d. 偶極-偶極裝置;e. 單級-偶極裝置;f. 溫施裝置。AB為供電電極;MN為測量電極。

圖5 某廢棄礦井積水采空區高密度電法探測結果

直流電法受地形影響比較明顯,在地表基巖出露無法供電時難以展開工作,勘探深度一般不超過300 m,而且深度越大,成本越高、分辨率越低,限制了這種方法的應用。直流電法常用于地形比較平坦、地面供電條件比較好的地區。

4.3 可控源音頻大地電磁法

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)是一種人工源頻域測深方法[9, 59-61]。電磁波在巖層中傳播時,其傳播深度與供入電流頻率和大地電阻率有關;電阻率的差異可以通過測量正交的電場分量(Ex)和磁場分量(Hy)來計算[61]:

(1)

(2)

式中:ρs為視電阻率,也稱為卡尼亞電阻率;H為勘探深度;f為頻率。

該方法探測效率高,一次發射可探測多個物理點,探測深度可達1～2 km。一般而言,CSAMT中使用的發射電極AB長度在1～3 km之間,接收線在發射電極一側或兩側張角為與AB兩邊夾角30°的扇形區域內,并且與AB平行排列[62-63](圖6)。正常未開采煤層電阻率在橫向上變化不大;如果存在采空區且積水,則表現為低視卡尼亞電阻率異常(圖7);通過CSAMT法可以探測地下水的分布,查明煤層氣富集區的地質構造[64]。

T. 發射線圈;R. 接收線圈。

圖7 廢棄煤礦采空積水區CSAMT探測成果圖

該方法相對其他電磁類方法成本較高,不適合做大面積的勘查,常用于重點勘查區域的驗證工作。

4.4 瞬變電磁法

瞬變電磁法(TEM)是通過分析接收到的感應磁場衰減規律和特性來探明地下地質情況的一種電磁勘探方法[65-67]。地質體導電性愈好,瞬變過程愈長[68](圖8)。瞬變電磁法具有效率高、對低阻異常敏感、易施工的優點,而且勘探深度非常適合煤礦采空區及積水的探測(圖9)[49, 69-70]。同時,瞬變電磁法施工時一次激發可以同時獲取多深度、多分量的地下信息,探測效率較高。因此,瞬變電磁法被廣泛應用于采空區探測中,是煤礦查明積水區的重要方法[12, 35, 70-73]。

據文獻[13]修編。

據文獻[53]修編。

目前瞬變電磁法在采空區勘探中研究很多,但是該方法基礎理論依然比較薄弱,縱向分辨能力不夠,在深度反演、地形矯正、地面高壓電磁場壓制及有用信號的提取等方面還需要進一步深入研究。

而且隨著采礦活動的深入,采空區呈現多層化的趨勢,即同一平面位置往往有多層采空區(積水區)的存在,這樣不同層位的采空區引起的瞬變電磁場會相互疊加,無法實現多層采空區的識別;因此需要對多層采空區的電磁響應規律進行進一步研究,同時加強數據采集硬件的研發以及基于大數據和人工智能反演技術的軟件開發。

4.5 激發極化法

激發極化法(IP)是以地質體電化學性質(極化率)差異為基礎的一種人工源電法勘探方法[74]。在勘探過程中,利用供電電極AB向地下供入直流電源,在測量電極MN間會產生一個隨時間增加的電位差(圖10);經過一段時間T后,趨于一個穩定的值;將供電電源斷開后,測量電極MN間仍然存在一個隨時間緩慢變化的電位差(稱為二次電位差)[51, 74]。可以利用如下公式表示不同巖礦石之間的這種激發極化特征差異:

據文獻[51]修編。

(3)

式中:η為極化率;ΔU2(T,t)為二次場電位差;ΔU(T)為總場電位差;T為供電時間;t為斷電時間。

在采空積水區勘探中,一般視電阻率顯示為低值,而視極化率顯示為較高的值(圖11)。

據文獻[74]修編。

在保證足夠電流密度的情況下,該方法的勘探深度與發射極距成正比。通過改變發射電極AB的長度可以得到不同深度的信息。該方法在深度上能夠較好地控制異常的位置,但大面積施工效率低、成本高,只適用于重點區域的驗證。

4.6 放射性探勘法

放射性勘探是通過儀器監測地下天然放射性物質衰變時產生的放射性強度來解決地質問題的一種勘探方法[75],其中活性炭測氡法是應用最廣泛的一種放射性勘探方法[22, 47, 76]。施工時,在地面挖40 cm深的坑,埋入氡氣吸附裝置;5 d后取出,用專門的儀器測量氡計數[25, 47](圖12)。利用觀測到的氡氣異常區特征形態可以判斷出地下采空區、斷層等地下地質體的分布規律和范圍(圖13)。

據文獻[47]修編。

據文獻[47]修編。

該方法施工比較簡單,成本低,效率高,適合做大面積的采空區普查,能夠很好地區分采空區的平面位置;但是無法在深度上進行解釋,需要配合其他測深類方法,才能取得較好的效果。

4.7 微動勘探法

地球內部和表面每時每刻都在發生微弱的震動,這是一種自然的、在時間和空間上不規則的現象,一般稱為“微動”。微動探測方法就是通過獲取這種天然的微動信號分析地下地質構造的地球物理探測方法[77-78](圖14)。一般在采空區上方,由于巖層塌陷破碎,橫波速度明顯下降(圖15);而正常地層橫波速度成層狀分布。

圖14 微振三重圓臺陣布設示意圖

該項技術相對其他物探手段(電磁法和人工地震)具有一定優勢。在施工時,探測儀器輕巧、方便,對地形、周圍環境要求低,可以選擇不同的臺陣排列來適應各種地形施工,且無需人工震源,不會對環境造成影響,可節約人力與物力的支出;在資料解釋分析時,可以結合其他物探方法綜合解釋,能極大地提高探測精度[21, 79]。

4.8 航空電磁勘探方法

航空瞬變電磁法(ATEM) 利用直升機、固定翼飛機、飛艇、熱氣球等飛行平臺搭載瞬變電磁法的發射和接收系統[80],向發射線圈供入一定頻率的半正弦脈沖電流,利用接收線圈接收切斷電流間隙產生的二次場[81-82](圖16a);通過分析測量的電磁數據,判斷地下地質體的分布狀況。ATEM可有效克服地形地貌的影響,深入森林、山地等惡劣環境中,適合大面積的礦產普查,可以高效地獲取地電信息[83]。

據文獻[84]修編。

半航空瞬變電磁法(semi-ATEM)在地面發射大功率電流激發產生一次場,在空中快速接收二次場的響應(圖16b)[84]。半航空瞬變電磁法不僅解決了地面瞬變電磁法對地形條件的制約,也解決了航空瞬變電磁法信噪比低、勘探深度較淺的難題。所以,半航空瞬變電磁法快速成為研究的熱點并被廣泛應用[85-86](圖17)。

據文獻[87]修編。

5 展望

盡管地球物理勘探技術原理、方法、儀器裝備都得到了良好的發展,但目前仍然難以滿足廢棄礦井煤層氣資源高效開發對地質結構精細刻畫的探測需求。建議未來廢棄礦井煤層氣資源的地球物理勘探技術從以下幾個方面進行研究。

1)煤層氣資源的高分辨率地震勘探。通過發展地震波場的加密技術和高精度探測技術,利用多波多分量地震勘探方法,實現對煤層氣儲層的精細刻畫,提高對廢棄礦井煤層氣資源儲量和開發潛力的評價精度。

2)高精度電磁成像技術。研發寬頻電磁波的勘探方法、電磁波高效激發與接收技術以及正演與反演模擬技術,實現對煤層氣儲層的精細探測和評估,為廢棄礦井煤層氣資源開發提供科學依據。

3)綜合地球物理勘探技術。將高分辨率地震技術、高精度電磁成像技術以及其他地球物理勘探方法相結合,綜合評價廢棄礦井煤層氣資源的儲量和開發潛力,提高探測精度和資源利用效率。

4)多尺度地球物理勘探技術。針對廢棄礦井煤層氣資源開發的不同需求,發展從小到大不同尺度地球物理勘探方法,實現對廢棄礦井煤層氣儲層的精細刻畫、構造解析和區域地質研究,為廢棄礦井煤層氣資源開發提供全方位的技術支持。

5)地球物理大數據的應用。通過對大數據的挖掘和分析,更加深入地了解煤層氣儲層的特征和變化規律,提高對資源儲量和開發潛力的評價精度。針對不同來源和類型的地球物理數據,發展高效的數據處理和清洗技術,提高數據的準確性和可信度,為后續的數據分析和應用提供基礎保障。

6)深度學習和人工智能反演。通過發展機器學習和深度學習等模式識別方法,對地球物理數據進行分類、聚類和特征提取等處理,實現對煤層氣儲層的精細刻畫和異常檢測,提高探測精度。

6 結語

我國廢棄礦井煤層氣資源儲量巨大,具有較大的開發利用前景。然而,廢棄礦井煤層氣資源的產量受采空區分布、覆蓋層和圍巖情況、裂隙帶發育情況、煤層頂底板情況、煤礦開采方式以及采空區的地下水等情況的綜合影響,使用單一的地球物理方法對廢棄礦井煤層氣資源的評價往往難以滿足要求。開展多種地球物理技術的集成創新,開發、研究新的地球物理方法,建立多波場、多方法、多維度、多空間的采空區綜合探測體系,充分利用地球物理大數據、多尺度人工智能聯合反演技術,在降低勘探成本的基礎上,大幅提高采空區的分辨率與勘探精度,可為我國廢棄礦井煤層氣資源的開發利用提供技術支持。