利用瓦斯抽采钻孔资料和MATLAB预测隐伏小断层_崔洪庆.pdf

第43卷第2期 2015年4月 煤田地质与勘探Vol. 43 No.2 Apr. 2015 COALGEOL正阳Y2.中原经济区煤层（页岩）气河南省协同创新中心，河南焦作454003 摘要煤层隐伏小断层的精细探测和准确预测，对预防煤矿地质灾害性事故至关重要。基于煤矿 现行施工的穿层瓦斯抽禾钻孔资料，利用Matlab数值计算和图形处理功能，通过编程计算煤层（顶） 底板控制点三维坐标，绘制高精度煤层等高线图、等厚线图和三维立体图，进而实现定量预测煤 层隐伏小断层位直、产状和性质。煤矿实例模型计算验证了利用瓦斯抽采钻孔资料预测煤层隐伏 小断层的有效性和可行性。 关键词隐伏小断层；瓦斯抽采钻孔；定量预测；Matlab 中图分类号X936文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.l001-1986.2015.02.005 Concealed small fault forecasting based on Matlab and coal seam gas drainage borehole CUI Hongqing1气DINGZhiwei I . School of S，收tyScience and Engineering, Key Laboratory of Gas Geology and Gas Control of Henan Province, Henan Polytechnic Universi纱，Jiaozuo454003, China; 2. Collaborative Innovation Center ofCoalbed Methane and Shale Gas for Central Plains Economic Region, Jiaozuo, 454003, China Abstract Small fault is an important factor resulting in geological disaster of coal mine accidents, fine detection and accurate prediction are important for concealed small fault. Based on the current construction of a large number of across-layers gas drainage boreholes, using Matlab numerical calculation and graphic processing function, through the calculation of 3-coordinate of control points in coal roof/ floor by programming, drawing high precision contour, coal isopach map and three-dimensional graph, the location, occurrence and nature of small concealed faults in seam were quantitatively predicted. The calculation of mine model verified the efficiency and feasibility to predict small concealed faults by using gas drainage borehole. Key words concealed small faults; gas drainage borehole; quantitative prediction; Matlab 煤与瓦斯突出是井工煤矿地质灾害之一［汀，常 发生于隐伏小断层等地质异常带［2］。在煤层开采之 前，通过地质勘探，如钻探和三维地震勘探等[3], 通常可以查明较大的地质异常带［句，但对落差较小 断层的探测精度却很低，以致煤矿生产过程中，采 掘巷道经常遭遇隐伏小断层等地质异常。煤层中的 隐伏小断层不仅影响煤巷的正常掘送，还可能因应 力集中和瓦斯积聚等造成煤与瓦斯突出等事故［5-7］。 为了预防煤与瓦斯灾害，我国防治煤与瓦斯 突出规定中明确要求高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出 矿井在煤层开采前，必须进行瓦斯抽采，因而，煤 矿通常需要施工大量的瓦斯抽采钻孔［叫。瓦斯抽采 收稿日期2013-12-06 钻孔的大量实施，客观上为更好地探测和预测煤层 小断层提供了必要的工程条件。本文结合我国常用 的穿层瓦斯抽采布孔方式［10］，提出基于Matlab和 瓦斯抽采钻孔资料的小断层预测方法。 1 基本原理 Matlab是一种具有优秀的数值计算能力和卓 越的数据可视化能力［11］。通过观测瓦斯抽采钻孔的 基础参数（开孔坐标、钻孔各段长度、方位角和仰 角等），根据钻孔与煤层的空间几何关系，计算每 个钻孔与煤层底（顶）板的交点坐标，通过Matlab绘 制出煤层顶（底）板三维曲面图、底板等高线图以 基金项目国家自然科学基金项目（41372160）；国家科技重大专项课题。011ZX05040-005 作者简介崔洪庆（1958一），男，辽宁营口人，博士，教授，从事矿井地质和瓦斯地质的教学和科研工作． Email hqcui 引用格式崔洪庆，丁志伟．利用瓦斯抽采钻孔资料和Matlab预测隐伏小断层问．煤田地质与勘探，2015,432 24-27. ChaoXing 第2期崔洪庆等利用瓦斯抽采钻孔资料和Matlab预测隐伏小断层 25 及煤层厚度等值线图，进而根据煤层顶（底）板曲面的形 态特征，定量预测煤层隐伏小断层的位置和性质（12］。 具体工作流程如图1。 钻孔数据的采集 钻孔数据的处理 ｜每数据导入MATLAB 分析判断隐伏构造 图l工作流程图 Fig. l Work flowchart 一般而言，用上述方法绘制出煤层底板等高线 图及三维曲面图后，如果煤层存在隐伏断层，断层 所处位置等高线的间距会变得异常密集或稀疏，形 成等高线异常带，异常带两侧煤层底板标高发生突 变，高于或低于正常值。等高线异常带的延展方向 为隐伏断层的走向；与走向垂直沿异常带等高线由 高向低的方向为隐伏断层的倾向。通过量测和计算 也可以方便地获得隐伏断层的倾角和任意方向的断 层落差。 2 基础数据的获取和控制点坐标计算 2.1 基础数据的获取 a.建立坐标系为了方便获取瓦斯抽采钻孔 的基础参数，必须建立统一的三维参考坐标系。通 常选取实施抽采钻孔巷道的中线方向为x轴，垂直 巷道中线的方向y轴，铅直方向设为z轴。 b.合理布设钻孔我国煤矿煤层瓦斯抽采 钻孔的布设主要根据有效抽采半径和均衡抽采的 原则确定孔间距［13］。常规布设方式如图2所示。 为了综合利用瓦斯抽采钻孔探测煤层隐伏小断 层，必须确保有足够数量的瓦斯抽采钻孔打到煤 层底（顶）板，尽量使钻孔均匀分布到煤层的每一角 落，这样才能全面地发现煤厚和煤层层位的变化（14］。 c.基础数据观测在瓦斯抽采钻孔的施工过 1-1’剖面 1－钻场；2一穿层钻孔；3一底抽巷；4一进风巷；5回风巷 图2瓦斯抽采钻孔布设示意图 Fig.2 Schematic layout of gas drainage borehole 程中，应由具有一定地质钻探专业知识的技术人员 做好施工记录和地质分析工作。 2.2 煤层顶（底）摄控制点坐标计算 在已建立的参考坐标系中，在井下和采掘工程 平面图上量测出各个瓦斯抽采钻孔的开口坐标，并 根据钻孔施工中观测的基础数据，根据式（1）求算钻 孔与煤层顶（底）板交点（控制点）的三维坐标。 rx,l, 写＝只＋l;*cos/J; *sin a; 1 Z; z; I; *sin a; 式中矶、品、l；分别是第i个瓦斯抽采钻孔的方位 角、仰（伏）角和钻孔揭露煤层顶（底）板时的钻孔长 度；X；、y；、Z；为第i个瓦斯抽采钻孔的开口坐标； X；、Y;,Z；为第i个瓦斯抽采钻孔的煤层顶（底）板控 制点的坐标（图3）。观测和计算数据填入表l。 A B z 图时 意 叫 一－ mh 算“r ↓d“四川 ～一 m化 纣dm 川－ Ma 点 ω“ 制JUM -FULC W口n ’J hLon 底山附 层山 UAj 煤 C 33 00 图日 ChaoXing 26 煤田地质与勘探第43卷 表1钻孔参鼓 Table 1 Drilling parameters 钻孔 方位角仰角钻孔长 开孔坐标A控制点B α／（。） Pl（。）Im 。 α。 Po Lo xo,Yo,zo Xo，儿，Z。 α1 p, L, x,,y,,z, 元，Y1,Z1 2 a2 P2 L2 X2,Y2,Z2 足，巧，Z2 αt p; L; X;,Y1,Z; 元，乞，z, 3 Matlab绘图 3.1 插值方法的选择 Matlab常用插值函数［151griddata作散点数据的 插值计算，插值方法包括’nearest，、’linear，、’cubic’ 和’v4’。其中，’nearest’、’linear＇，’cubic，均按Delaunay 方法［16］先找出内插点四周的几个点构成三角形，再 按照线性内插或三次方程内插方法生成内插点；’v4’ 为4次样条函数内插法。’linear，和’nearest，插值结果 误差大而且构成的曲面不光滑、不连续。’cubic’和 ’v4’插值结果误差小，构成的曲面比较光滑［II］。因 而，在利用离散点构建模型时为了保证其精确性尽 量选择’cubic’或’v4’插值方法。 3.2 程序的设计及主要代码 a.读入钻孔数据M文件，把坐标转换成三维 矩阵的形式，其格式为xM,l;yM,2; zM ,3）。 b.划分x、y平面网格点。对x、y值细化， 以获取更加精细的数据格网数组。调用的函数为 linspace，其格式为XlinspaceXmin,Xmax,n），同样 的，Ylinspaceymin,Ymax,n, n是在最大值和最小值 之间插入n个点。 c.调用griddata函数，并用’v4’插值法［17］计算 格网处的值，即未采集到数据点的估计值。其格式 为Zgriddatax,y,z,X,Y，’v4’） d.调用mesh函数进行煤层地质模型图的输 出。调用contour函数进行等高线的输出，其格式分 别为meshX, Y,Z ; [ C,h ]contourX, Y,Z,n）。并对 输出的屏幕坐标系作相应的标注。 4 实例验证 河南煤化集团焦作某矿14171采区工作面，走 向长592m，倾斜宽110.5m，煤层产状走向E34W, 倾角16，倾向124。，平均煤厚约5.1m，实测煤层 原始瓦斯含量在11.74～24.44旷It，属于高瓦斯突出 煤层。为消除危险，在工作面下方沿地层走向布设 了煤层瓦斯抽采巷道，并按照有效抽采半径2.5m 设计并施工了穿层瓦斯抽采钻孔。在该工作面底抽 巷建立相对坐标系，选取14171工作面内沿走向长 度280-420mX轴正方向）、倾斜宽度40mY轴负 方向）的区段作为实验区域。 根据瓦斯抽采钻孔的基础数据，计算出各个 钻孔的煤层顶（底）板控制点的坐标，运用Matlab 软件和上述绘图程序，获得煤层底板三维曲面图 （图4）。从图4中可以看到，在区域ABCD内有一 个形态异常带。从A、B两点连线开始到C、D两 点连线结束，煤层底板标高突然降低，产生一定 的高度落差，具有典型的煤层小断层特点。根据A B、C、D点的坐标，可以准确推测小断层所处的 位置。 16 El2 问10 8 6 图4煤层底板三维曲面图 Fig.4 B-D curved surface of seam floor 绘制煤层底板等高线图（图5），图中FF’为小 断层的延展方向，代表了小断层的走向，且小断 层走向为N42。W，断层的倾向与走向垂直。如将 上盘任意等高线延长至下盘，在其延长线上取高 程最小点B’（387.45，一4.97,12.62），再取上盘等高 线上任一点B354.96,- 5.17, 13.48），则两点的高程 差即为断层在煤层走向上的落差（0.86m）。图5中 将小断层的影响范围分为明显的位移带（I）和变形 过渡带（II）。 360 Xlm I一断层带II一断层影响带囚一正常带 图5煤层底板等高线异常区域划分 Fig.5 Drvision of abnormal area of contour of seam floor 根据获得的煤层顶、底板控制点坐标还可以绘 制煤厚等值线填充图（图6）。从中可以发现，在该小 ChaoXing 第2期崔洪庆等利用瓦斯抽采钻孔资料和Matlab预测隐伏小断层 27 断层的明显位移带上，煤层厚度具有变厚的趋势。 .l. . 飞（，飞 气1、 图6煤层等厚填充图 Fig.6 Coal isopach filling map 经验证，上述预测结果与生产实际基本相符。 由此可见，当煤层顶（底）板控制点间距小于5m时， 即使落差只有lm，也会在煤层顶（底）板等高线图 上有十分明显的表现。 5结论 基于瓦斯抽采钻孔获取必要的瓦斯地质信息，应 用Matlab等计算机软件，绘制高精度的煤层顶（底）板 三维立体图、等高线图和煤层等厚线图，可以直 观地反映煤层顶（底）板起伏和煤厚变化特征，进而 能够定量的预测煤层隐伏小构造。虽然预测结果与 实际的情况相比有一定的误差，但这无疑是一种预 测煤层隐伏小构造的有效方法。 参考文献 川李希建，林柏泉煤与瓦斯突出机理研究现状及分析问．煤田 地质与勘探，2010,381 7一13. 2］陈永清，赵鹏大．综合致矿地质异常信息提取与集成问．地球 科学中国地质大学学报，2009,342 325-335. 3］范庆荣，李丽萍，王晶，等三维地震属性技术在湖区的应 用效果［几华北地震科学，2008,263 46-50. 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