槽波地震勘探在煤矿大型工作面的应用_任亚平.pdf

第43卷第3期 2015年6月 煤田地质与勘探Vol. 43 No.3 Jun. 2015 COAL GEOLOGY ISS; faul战panelexploration; coal mine 槽波地震勘探技术最先研究与应用是20世纪60 年代的德国［I-2,20世纪80年代引入到我国。“七五” 期间，槽波地震勘探被列为原煤炭部重点攻关课题。 作为矿井安全保障的重要技术，槽波地震勘探曾被列 为煤炭部重点推广技术，并写入了综采技术手册。后 来，经过在全国70多个煤矿的探测实践，槽波地震 勘探技术取得了长足的发展［叫。 近年来，我国煤矿企业不断向建设大型现代化矿 井发展，隐伏构造的发育情况对工作面的布置、回采 影响很大，尤其是随之而来的安全隐患，严重影响了 矿井的正常生产。本文以陕西榆林某特大型矿井工作 面的断层探查为例，研究分析了槽波地震勘探在超大 型工作面探查断层发育的情况。以往进行的槽波地震 探测的工作面较小，长度一般不超过lkm。此次槽 波地震勘探为我国现代化大型矿井工作面，单面产煤 量超过千万吨，工作面长度近3km；槽波地震施工 收稿日期2013-11-11 基金项目国家科技重大专项课题（2011ZX05040-002 区为该矿A工作面，工作面沿NW40。方向展布，煤 层厚度5.4m左右。 1 槽波地震勘探原理 1.1 槽波透射法 槽波透射法是槽波地震勘探法中最基本、最常 用、最可靠和最重要的方法，槽波透射法所用的有效 波是从震源透过煤层传至接收点的槽波信号。如 图1[7剖，炮点与检波点（接收点）分别布置在工作面回 顺和运）I目。根据槽披振幅强弱分析来判断在相应透射 射线扇形区内有无构造异常。图l中左侧接收点信号受 断层影响，随断层断距逐渐增大，槽波振幅由强渐弱； 断层断距大于煤厚，槽波信号完全接收不到。 1.2 槽波反射法 槽波在煤层中传播遇到煤层中的不连续体，即遇 到了地震波阻抗（速度和密度差异）的分界面，就会产 作者简介任亚平（1982一），男，陕西西安人，硕士，助理研究员，从事地球探视lj与信息技术工作.E-mail renyaping 引用格式任亚平．槽波地震勘探在煤矿大型工作面的应用［J］.煤田地质与勘探，2015,433 102-104. ChaoXing 第3期任亚平槽波地震勘探在煤矿大型工作面的应用 103 生反射槽波信号。因此，识别出这些反射槽波信 号就能直接判断出煤层不连续体的位置。如图2, 炮点与检波点布置在同一巷道内，炮点就在排列 附近［3-4］。 因此，单独使用槽波反射法探测构造是比较困难 的。槽波透射法与槽波反射法是相辅相成的，根据具 体探测条件与目的，联合应用效果最好。 爆炸点2爆炸点l 图l槽波透射法勘探示意图 Fig. I Transmission of ISS 图2槽披反射法勘探示意图 Fig.2 Reflection of ISS 2 槽波探测条件 2.1 地质条件 陕西榆林某井田大部为第四系松散沉积物所覆 盖，少有基岩出露。井田内地层由老至新有三叠系 上统永坪组（TJ.Y）、保罗系中、下统延安组（J1-7.Y）、保 罗系中统直罗组J2z）、新近系上新统三趾马红土CN2）、 第四系（Q）等。含煤地层保罗系中下统延安组属湖泊 三角洲沉积，自下而上分为5个含煤岩段，每段含一 个煤组，煤层位于各段顶部。 槽波地震施工的工作面22408位于延安组第四段， 段厚33.30～52.59m，一般40,-,50m，平均43.45m, r2 煤层平均厚度5.8m。该段下部以巨厚层状灰色一灰白 色中粒－粗粒砂岩为主，上部以灰色粉砂岩为主，层 位稳定。因此，该工作面槽波地震地质条件良好。 2.2 巷道断层揭露情况 工作面揭露断层有2条，即FlO和F62，也是此 次槽波工作需要控制的断层。A工作面回顺揭露的 FlO断层，其落差2.4m，倾角约60。；运输巷FlO 断层及F62断层均有揭露，其中FlO断层落差7.3m, 倾角约60。，F62断层落差8.3m，倾角约70。 。断层 与运顺及回顺的交角30。左右（图3）。 R4-49 R4-57 运顺 阳岛IS83 S82 S81 ... __ ＿，－包J点力日密段－－－－ ｜回T飞飞，，，亏6;.---” R3引｜撇,,,,’ A工作面,/ R3-4I lss4玉”’＇S86炮点JJn密段 R3-49 R3-57囚J收 图3槽被设计施工图 Fig.3 Working layout of the ISS 2.3 槽波地震勘探难点 a.工作面为大型工作面，单个工作面产能超过 1 OOOxlO勺，长度近3kmo根据矿方要求，控制回顺 与运顺揭露的断层在工作面中的延展情况。这样就要 求槽波地震单边测线长度近3km，按10m一道就近 300道，需要仪器道数多；另外，井下通信距离长、 困难大。 b.数据采集要求激发与采集时间同步，但此次 测线长度太大，采集仪器为有线遥测地震仪，地震仪 主机位于回顺中间位置，当在远炮点（与仪器相对位 置）激发时，仪器与炮点的距离近3500 m，既要保证 仪器的触发命令炮点能接收到，又要保证炮点的触发 信号仪器能接收到，同步激发难度大。 c.接收排列长度难以确定。根据槽波地震近年 来的施工经验，对槽波有效信号传播最大距离不确 定，如何确保此次测线得到尽可能多的槽波信号，接 收排列长度是关键参数。 3 槽波地震施工设计及槽波数据 3.1 槽波地震施工设计 针对此次槽波地震勘探难点，勘探采用全工作面 采集，这样可最大限度保证有效槽波信号的采集。槽 波施工主要沿A工作面周围巷道布置炮点和检波器， 包括主回撤巷、回顺巷和运顺巷。全部测点位置示意 图见图3。 整个采集工作的测线布设按照如下原则进行其 中运输巷测线编号4，回风巷及回撤巷道测线编号3; 检波点桩号由巷道人口依次向切眼方向增大，例如 R3-33, R3-34，，R4-58，，R代表检波点（接收 点），33、34、57、58代表点号。3号测线长度2.98km, 4号测线长度2.78km。S代表炮点编号，炮号代表了 放炮顺序，从A工作面运顺巷由内向外，分别是SI、 S2、、S83，共83个炮点。A工作面回顺巷由外向 ChaoXing 104 煤田地质与勘探第43卷 内，分别是S84、S85、、S164，共81个炮点，164 个炮点。 3.2 槽波数据采集及分析 3.2.1 槽泼记录 地震测线长度为5.76恼，安装检波点616道， 采集到高质量的透射与反射槽波数据共164炮（图4）。 Aυ nu κU 的E＼口 HZE 道号 100 120 120 160 180 200 220 240 260 200 400 U ε \ 「 苦600 800 I 000 a）禾雯’断层影响梢议记录 迫号 100 120 120 160 180 200 220 240 260 200 400 800 I 000 b）受断层FlO与断层F62影响槽波记录 道号 50 150 200 100 200 400 ε f 600 800 1 000 c）受FIO断层影响槽波记录 图4槽波原始记录 Fig.4 Original records of the ISS 3.2.2 槽波记录分析 根据良好的槽波单炮记录分析，可以初步掌握断 层在煤层中的发育情况。以图4的3张典型记录为 例，图4a激发点位置位于运｝I匮FlO断层与F62断 层揭露点之间，靠近FlO断层，透射槽波连续性较 好，槽波能量左边大于右边，根据图3观测系统相 对关系，可知右边受F62断层影响，且F62断层断 距小于2.7m。图4b中槽波有3组特征，分别见箭 头所指区域，激发炮点位于FlO断层揭露点左边， 靠近揭露点，左边区域受FlO断层影响，槽波能 量减弱；中间区域离断层面影响较小，槽波能力 最强；右边区域同时受到FlO断层与F62断层影 响，槽波能量最弱。图4c中激发点位于运输巷， FlO断层左边，靠近回撤巷道，回｝I阪FlO断层揭露 点左侧及回撤巷接收到的槽波记录能量强，而回 }I阪FlO揭露点右侧透射槽波缺失，因此可认为FlO 断层穿过工作面。 透射槽披成像见图5，其中纵横坐标相对距离单 位为5m，。可确定FlO断层贯穿A工作面，其垂直 断距向运巷方向变大。F62断层没有与FlO断层相交， 其发育长度较推断长度短约320m（图3虚线），且其 断距变化较快。 50 40 2660 2640 ;u.，骂刊，lE 图5透射槽波成像 Fig.5 Transmission image of the ISS 3.3 验证情况 FlO断层在运输及回顺均有揭露，揭露点位置与 槽波结果吻合（图5）。F62断层根据单炮分析，其发 育长度较推断长度减小约320m，这与槽波CT成像 图中F62断层成像特点一致，而F62断层实际情况只 有在运巷揭露，这与槽波地震工作结果一致。随着 工作面回采，F62逐渐被揭露，揭露F62断层的情 况与图5中解释相符。进一步开采验证情况在持续 跟踪中。 4结论 a.超大型工作面槽波地震勘探数据的成功应用， 进一步拓宽了槽波的应用领域，这使得槽波地震可以 应用于采区、盘区勘探。 b.槽波地震勘探设计采用了全排列接收，最大 限度地接收到了槽波的有效信号。 c.槽波地震数据对断后揭露点反应准确，槽波 （下转第109页） ChaoXing 第3期王道宽等渤钻低密度固井水泥浆降低煤层气储层伤害的实验 109 表9不同水泥浆污染半径统计表 Table 9 The statistics of contamination radius of different cement slurry 水泥浆种类密度 flp 稠化时滤失量半径 /gcm-3 /MP a 间／minlmL Im 渤钻浆1.56 7.8 305 1250.2 6.71 A 1.7 8.5 425 2822.16 11.88 B 1.8 9.0 376 2594.9 10.71 c 1.9 9.5 288 1666.7 7.52 率低、矿化度低、污染后渗透率恢复率高，使得渤 钻浆滤液污染半径相对于其他3种固井水泥滤液污 染半径分别减少了43.59、37.46和10.85，保 护储层效果更好。 4结论 a.渤钻浆相对于常规固井水泥密度低（1.56glcm3, 形成的压差小，对储层破坏小。 b.渤钻浆失水量小，且滤液有一定的黠度和动 切力。滤液冲蚀煤层的减小，对裂隙和孔道的堵塞 机率也会降低，滤液的电导率和矿化度都较常规固 井水泥滤液低，从而降低对储层的伤害，其渗透率 恢复率达89.81，而常规固井水泥滤液污染的煤样 渗透率恢复率为61.18，可更好保护储层。 c.利用数学解析和达西定律推导出，当ro和η已 知时，滤液污染储层的半径与滤失量及水泥浆的稠化 时间成正比。在晋城地区埋深500m煤层，计算渤钻 浆和常规固井水泥污染半径分别为6.71m、11.88m、 10.71 m和7.52m，渤钻浆的污染半径分别减少了 43.59、37.46和10.85，这将更好地保护储层。 （上接第104页） 透射图反映了FlO、F62断层在A工作面中的发育情 况，为工作面的安全回采提供了重要信息。 参考文献 [l］何樵登．地震波理论［M］.北京地质出版社，1988. [2］刘天放，李志鹏矿井地球物理勘探［M］.北京煤炭工业出 版社，1993. [3］刘天放、潘冬明、李德春，等．糟波地震勘探［MJ.徐州中 国矿业大学出版社，1994. [4］潘冬明，刘天放拉夫型槽波的有限差分合成［JJ.中国煤田地 参考文献 [l］蔡记华，袁野，王济君，等．纳米材料稳定的微泡沫钻井液降 低煤层气储层伤害的实验研究［习煤炭学报，2013,389 1640-1645. [2］许浩，张尚虎，冷雪，等．沁水盆地煤储层孔隙系统模型与物 性分析［刀．科学通报，2005,50（增刊I45-50. [3］叶建平，秦勇，林大扬中国煤层气资源仙句．徐州中国矿 业大学出版社，1998. [4］崔凯华，郑洪涛煤层气开采阴］－北京石油工业出版社， 2009. [5］王明寿，汤达祯，魏永佩，等．沁水盆地北端煤层气储层特征 及富集机制［月石油实验地质，2006,285 440-444. [6］姚晓，胡中磊，王华东，等复杂条件浅煤层气井固井水泥浆 体系研究及应用［月天然气工业，2003,232 66-68. [7］齐奉中，刘爱平保护煤储层固井技术的探讨［巧，钻井液与完 井液，2001,181 21-24. [8］孙茂军，如j贻军中国煤层气产业新进展［巧天然气工业， 2008, 283 5-9. [9］郑毅，黄洪春中国煤层气钻井完井技术发展现状及发展 方向［月．石油学报，2002,233 81 85. [10］李相臣，康毅力煤层气储层破坏机理及其影响研究［月中国 煤层气，2008,51 35-37. [11］孟尚志，王竹平，郎捷年．钻井完井过程中煤层气储层伤害机 理分析与控制措施［耳中国煤层气，2007,41 34-36. [12］霍永忠．煤储层的气体解吸特性研究［巧．天然气工业，2004, 245 24一26. [13］乌效呜．煤层气井水力压裂计算原理及应用阴］武汉中国 地质大学出版社，1997 （责任编辑宋震炎） 质，1990254-59. [5] DRESEN L. Seismic coal exploration Part B ln-Seam Seis- mics[M]. Britain Redwood, 1994. [6］杨真基于ISS的薄煤层采空边界探测理论与试验研究［DJ.徐 州中国矿业大学，2009. [7］任亚平，李德春，亢勇敢F-K域三层对称模型洛夫型导波频散 分析［J］.煤田地质与勘探，2009,391 69-71. [8］师旭煤矿井下巷道糟波超前探测技术研究［DJ.徐州中国矿 业大学，2014. （责任编辑宋震炎） ChaoXing