煤矿安全高效开采地质保障系统彭苏萍院士

彭苏萍“煤炭资源与安全开采”国家重点实验室主任中国矿业大学地质与地球物理研究所所长煤矿安全高效开采地质保障系统煤矿安全高效开采地质保障系统的研究意义我煤炭工业由于地质状况查明不清，机械化程度低，生产效率低，90年代全国年煤炭产量约十亿余吨，职工人数超过700万80年代我国开始综合机械化生产技术，难度很大。其中最大的问题是开采地质条件复杂影响了机械化的效益。1、综采机械设备遇到3-5米断层，便要停产搬家，造成经济损失；2、顶板压架事故造成重大的经济损失,有时甚至人员伤亡。3、淮南潘二矿：年设计能力300万吨，因地质构造查明不清，投产十年后，产量一直在50万吨左右，亏损20亿元，2000年破产实施煤矿机械化高效开采，必须有可靠的地质保障为基础煤矿安全高效开采地质保障系统的研究意义深部煤炭资源赋存状况掌握程度低，开发盲目性大深部煤炭资源精确勘查的技术难度越来越大深部开发地质条件的变化，致灾因素增多，影响强度加大突水事故井筒破裂围岩变形巷道失稳地温增高瓦斯聚积随着煤矿开采深度加大，影响煤矿高效开采的地质制约越来越大，研究建立先进的地质勘探技术与煤矿高效安全开采地质保障系统迫在眉睫煤矿安全高效开采地质保障系统的研究意义矿井地质工作要求能分辨≥3米的断层和地质异常体,空间误差＜1.5%。而精查地质报告只能查明落差≥20米的断层。深部开发中，各种地质因素影响矿井安全生产的问题将更加突出，传统地质成果和方法很难保障煤矿安全高效开采。必须依靠先进的探测技术与装备。煤矿物探技术专业性强，很多地面先进物探技术与装备由于不符合煤矿安全规范不能用于煤矿，煤矿探测技术与装备必须自主开发。煤矿高效安全开采地质保障系统必须以先进的物探技术为基础，必须依靠自主开发煤矿安全高效开采地质保障系统主要研究内容：1.煤矿精细地质构造高分辨三维地震勘探技术2.煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法3.顶板稳定性地质预测技术与防治方法4.矿井突水灾害源高分辨探测技术技术与方法5.研究发展先进矿井物探仪器和技术主要包括:先进高效的综合机械化采煤技术，必须查明采区内落差3-5m的断层，否则设备推进速度慢、开采效益差.精查地质报告只能查明落差大于20米的断层迫切需要先进可靠的煤矿复杂地质构造探测和预测技术。以运动学为基础的三维地震勘探理论认为三维地震勘探只能解决落差≥13米的断层和地质异常体。一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系8©RESOLUTIONANDCOVERAGEOFDATARESOLUTIONANDCOVERAGEOFDATAMaximumVerticalResolutionReservoirCoverage.0001%0.01%1.00%100%1mm10mm10cm1m10m100m1kmCoresWirelineLogsSonicLogsCrosswellSeismicImagingVerticalSeismicProfiling3-DSurfaceSeismicIncreasingResolvingPower(VSP)(VSP)背景要查清落差3-5米的断层，无论从理论和技术上的难度极大！结合我国煤矿特点，针对煤矿小构造、煤岩层结构和厚度进行长期攻关，在煤矿高分辨三维地震勘探技术的：理论研究野外数据采集技术数据处理技术成果解释技术等方面进行重点研究，取得一批具有自主产权的科研成果。研究内容一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系关键技术1：初步建立了以能量为基础的煤矿高分辨地震探测理论与技术结合煤矿地震勘探实践，认为地震勘探对微小断层的分辨、岩层界面的粗糙度、以及岩层结构等问题的研究，都不能简单地使用几何地震学的描述量，如波长来定义。我们认为：反射界面的任何微小变化所引起的地震波量子的损失都会在地震波能量上宏观显现出来。反演梯度剖面物理模型--岩层中异常体叠前识别技术一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系关键技术2：建立了以聚焦分析技术为基础的地震野外数据采集技术利用聚焦分析技术开发了三维地震探测数据采集与评价软件，在淮南顾桥矿实施了井地联合三维三分量数据采集，采集到800-1200m深煤系地层品质良好的三维地震数据体。顾桥矿区全方位、高覆盖、炮检均匀的观测系统常规地震野外采集评价方法我们地震野外采集评价方法一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系地表一致性校正（淮南顾北矿）关键技术3：开发出由96个处理模块组成的煤田地震数据处理系统（EMS）淮南顾北矿（深度:890m）处理效果：高分辨率处理剖面中尖灭点、薄层分辨率明显提高法国CGG软件处理效果EMS系统处理效果法国CGG软件处理效果EMS系统处理效果高分辨处理（淮南顾北矿）一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系关键技术4：建立了以γ-γ为约束的地震反演方法和精细构造评估技术建立了以人工伽玛曲线为约束的地震反演方法、可视化解释技术、精细地质构造分析评估技术。开发出具有自主产权的微机版煤田高分辨地震解释软件。140160180200220240260280300Crossline240260280300320340Inline010002000300040005000600070008000900010000110001200013000140001500016000170001800019000200002100022000中国矿业大学(version2.0)1999年12月10日断层陷落柱时差分析断层检测与落差估计淮南矿区潘一矿地震反演剖面(深度:780m)利用三维可视化技术确定煤层的空间形态三维地震勘探微机解释系统一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系Time0.50.6Line354100m565ms落差小于5米大于3米的小断层在时间剖面（左）和水平切片上的显示应用效果1：可精确识别断距3-5米的小断层，为保证机械化生产提供可靠的地质保障一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系0.4s0.5s0.6sLine176大型陷落柱在时间剖面上的显示100m小型陷落柱在地震时间剖面上的显示coal0.2s0.3s0.4s应用效果2：可精确探测直径≥20米的陷落柱状况，为保证综采装备的推进、防止煤矿突水事故的发生提供精确地质预警一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系剖面上为反射波的突变应用效果3：可准确探测出深度≥500米的3米×3米的煤矿巷道，保障煤矿生产布局和生产安全。在沿层振幅切上表现为强振幅探测的巷道位置与煤矿提供的实际平面位置相符3米×3米巷道在时间剖面上的显示（沿巷道剖面）一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系应用效果4：可根据各向异性研究成果，描述煤矿采区地应力分布状况，为煤矿锚杆支护设计提供地质基础。一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系890442628903870296d6634230d424er28709d58478711d294222900242348704d53d76d18880587071117900105001000150020002500300005001000邢台矿区9煤最大主应力等值线图890442628903870296d6634230d424er28709d58478711d294222900242348704d53d76d18880587071117900105001000150020002500300005001000邢台矿区9煤最小主应力等值线图采空区边界地震反射波出现中断，采空部位地震波得零乱采空区在沿层振幅切片上表现为弱振幅带应用效果5：可准确探测出深度≥350米的煤矿采空区边界，指导煤矿生产布局，保障生产安全。采空区边界通过强弱振幅变化带圈定一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系应用效果6：精确预测煤层厚度，≥1米的煤层厚度预测精度达95%以上。可用来指导采区布置、开采方法选择和开采资源的管理。一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系煤矿三维地震勘探可查明≥5米的褶曲和断层，在淮南等条件较好矿区可基本查明落差3米的断层及直径≥20米的陷落柱；煤矿开挖结果证明，查明的断层、陷落柱等的吻合率在淮南、永城≥89%，在其他地区≥78%以上；超过英国500米深度查明落差≥8米以上的断层的水平。通过技术创新，使煤矿采区三维地震勘探可达到的精度：煤矿高分辨三维地震勘探成为一种成熟的先进技术，在煤炭工业中得到全面推广应用，为我国煤炭工业的发展作出了重要贡献一、煤矿小构造高分辨三维地震勘探技术体系1）地震探测精确度高，通过努力能够查明落差3-5m的小断层和小褶皱；2）地震探测信息量大，地震探测横向连续性好，采样间距小，能够识别顶板岩性、煤层厚度、煤体滑脱面、构造煤发育区、吸附态瓦斯富集部位等瓦斯地质指标;3）地震探测整体性强，得到的是三维数据体的空间形态。地震结合测井垂向分辨率高；地质结合测井可靠性高;4）地震探测能够直接得到吸附瓦斯富集的部位，并对断层附近的游离瓦斯有明显反应；我国95%的煤矿是地下开采，煤层赋存地质条件复杂，瓦斯分布不均，对煤矿安全开采造成严重威胁。二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法地层：石炭二叠纪煤系煤层：上石盒子组13-1煤层位置：淮南煤田构造：淮南复式向斜以淮南煤田为靶区，对瓦斯富集与突出部位进行了详细研究二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法完成的实际工作量主要工作量集中在资料采集和系统开发与应用两个方面课题目前作了大量的研究任务测井资料分析岩样测试三分量VSP井三维纵波采集二维三分量采集三维三分量采集矿井多波地震仪野外设计评价系统地震资料处理软件三参数AVO反演软件生产性科研报告200口89块1口42km27km15km21套1套1套1套5份二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法瓦斯突出煤体结构高分辨测井技术矿井瓦斯突出部位预测的地震反演技术精确探测瓦斯富集部位的三维三分量地震探测技术瓦斯富集区预测的地震振幅变化判别技术通过十年的艰苦奋斗和探索,初步摸索到瓦斯在地球物理探测中的响应特征,并实现了关键技术的突破二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法瓦斯突出煤体结构的测井曲线特征图3-35潘三矿13-1煤层X29钻孔煤体结构划分Ⅹ290.790.640.831.561.83DLWHGCJJHGGDZWSVX29钻孔号原生结构煤碎裂煤碎粒糜棱煤夹矸煤厚(m)1.56HG自然伽玛视电阻率电位伽玛伽玛自然电位井径声波时差SVCJJDLWHGGDZW高视电阻率高伽玛伽玛高自然电位低声波速度低自然伽玛对144个钻孔的测井资料进行分析构造煤测井曲线具有“三高二低”的特点：二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法1、瓦斯突出部位预测的地震探测与反演技术不同突出危险程度煤体的测井响应特征物性响应参数非突出煤体过渡煤体突出煤体严重突出煤体密度ρ/g·cm-31.651.55-1.651.45-1.551.45孔隙度nv/%1.51.5-3.53.5-5.55.5挥发分Vdaf/%3632-3628-3228弹性模量E50/GPa43-42-32泊松比μ0.20.2-0.30.3-0.40.4抗拉强度Rc/MPa0.450.35-0.450.25-0.350.25抗压强度Rt/MPa128-124-84纵波速度Vp/m·s-120501850-20501650-18501650视电阻率电位DLW/Ω·m100100-150150-200200伽玛伽玛HGG/γ·mc-1490490-580580-670670自然伽玛HG/γ1410-146-106声波时差SV/us·m-1400400-450450-500500二、煤矿瓦斯灾害源高分辨探测技术与方法1、瓦斯突出部位预测的地震探测与反演技术国内外普遍采用的声波反演技术，但煤田勘探的测井工作，主要是人工伽玛曲线。我们独创性地利用人工伽玛曲线约束，反演出伽玛数据体并很好地反映出煤层的分布范围及其厚度，并能精细解释断层和裂缝发育带。2瓦斯突出部位预测的地震探测与反演技