CN104196526A - 一种获取地下气化燃烧工作面状态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种获取地下气化燃烧工作面状态的方法，属于地下气化燃烧监测技术领域，包括：微地震监测井的布置，微地震监测井至少设有一个；微地震监测系统的安装，微地震监测系统包括三分量检波器、及通过电缆与其连接的主机箱；微地震事件的信号提取、识别和定位；有效震源点的确定分析；地下气化燃烧工作面的三维曲面状态的获得。与其它对地下气化燃烧工作面状态监测手段相比，本发明实施例不受环境温度的影响，能够得到精确度及准确度高的地下气化燃烧工作面的三维曲面工作状态及其演化规律。

Description

一种获取地下气化燃烧工作面状态的方法

技术领域

本发明涉及一种获取地下气化燃烧工作面状态的方法，属于煤炭地下气化生产的监测技术领域。

背景技术

煤炭地下气化是指地下煤炭通过热化学反应原地转化为可燃气体的技术，它是集建井、采煤、转化三大工艺为一体，多学科开发能量及化工原料的新技术。

在煤炭地下气化过程中，由于受到地质结构、煤质、裂隙方向、上覆岩层特征、地下含水层等因素的影响，并且地下的具体情况不具有直视可观性，所以很难确切掌握气化炉点火以后与气化采煤工艺密切相关的技术参数，例如：地下气化炉中的燃烧工作面的位置参数、气化炉内的燃烧范围参数、燃烧工作面的移动速度及方向参数等，而这些参数的获得对控制气化过程中煤气质量的控制、保持炉内温度的稳定、燃空区上覆岩层移动及地表沉陷起着至关重要的作用。

由于在煤层中广泛存在衰变子体氡，而氡在岩石中的析出率与温度有一定的关系，故现有技术中利用了两者间的关系，通过监测煤炭地下气化过程中氡的析出率，即测氡法对煤层中煤炭的地下气化燃烧工作面的移动状态进行监测。但是，测氡法只能得到地下气化炉内燃烧工作面的二维温度场，氡气的运移受气候的影响大，故其探测精度和准确度较低。

发明内容

本发明的实施例提供一种能够实时地获取地下气化燃烧工作面三维状态的方法，此种方法不受气候影响，且能保证较高的探测精度和准确度。

为达到上述目的，本发明的实施例提供一种获取地下气化燃烧工作面状态的方法，包括：

微地震监测井的布置，所述微地震监测井至少设有一个；

微地震监测系统的安装，所述微地震监测系统包括三分量检波器、及通过电缆与所述三分量检波器连接的主机箱；

微地震事件的信号提取、识别和定位；

有效震源点的确定分析；

地下气化炉的燃烧工作面的三维曲面工作状态的获得。

进一步，所述微地震监测井的布置具体为：由地下气化炉的进、出气孔的位置预判地下气化炉的位置，所述地下气化炉的扩展宽度为20～30米，所述微地震监测井距离震源的距离不大于300米。

优选的，以所述地下气化炉进、出气孔的连线为基线，以所述基线的中点为圆心的半径不大于300米的范围为微地震事件信号的接收矩阵的布置范围，在所述接受矩阵的布置范围内布置至少一个所述微地震观测井。

优选的，所述微地震监测井设在所述地下气化炉的燃烧工作面范围内。

进一步，所述微地震监测系统的安装具体为：

首先，安装所述三分量检波器，当所述微地震监测井的数量为一个时，微地震监测井内的井壁上至少固定安装4个所述三分量检波器，相邻所述三分量检波器的距离不小于5米；当所述微地震监测井的数量不止一个时，所述微地震检测井内井壁上的相邻所述三分量检波器的距离不小于5米；优选的，所述三分量检波器胶结在所述微地震监测井的井壁内相应位置处；

然后，将各所述三分量检波器通过所述电缆与所述主机箱连接；

最后，启动所述三分量检波器，使所述三分量检波器处于工作状态，通过放炮标定，检验所述三分量检波器及整个所述微地震监测系统的工作状态，并获得弹性波在各岩层中的传播参数，包括：弹性波在各种介质中的传播速度、平均传播速度、能量衰减速度和标定定位精度。

进一步，所述三分量检波器的安装位置最大限度的接近震源，但不能布置在所述地下气化炉内及所述地下气化炉的顶板的冒落带和裂隙带内；

所述冒落带高度h₁为：h₁＝m/[(k-1)cos α]；

所述裂隙带高度h₂为：h₂＝(1-3)h₁m；

其中：m为燃烧煤层厚度，米；k为岩石松散系数；α为煤层倾角，度；

所述冒落带高度与所述裂隙带高度均为从所述地下气化炉的顶板算起的法向高度。

进一步，所述微地震事件的信号提取、识别和定位具体为：将所述检波器获得的微地震信号进行滤波、去噪处理，以去除干扰数据和无效数据；所述信号识别包括对纵波及横波的识别、到时拾取、振幅拾取、方向拾取；所述定位是对微地震事件进行反演定位参数的计算。

进一步，所述有效震源点的确定分析具体为：根据微地震事件的定位结果，采用相邻微地震事件的距离差来衡量微地震事件在空间上的密集程度；

首先，通过监测微地震事件的时间差来求取顺序发生的微地震事件的三维定位坐标，P_i(x_i，y_i，z_i)和P_i+1(x_i+1，y_i+1，z_i+1)；

然后，计算上述彼此时间相邻的微地震事件之间的距离，d_i＝((x_i-x_i+1)²+(y_i-y_i+1)²+(z_i-z_i+1)²)^1/2；

最后，根据上述微地震事件之间的距离d_i，当d_i≤2.5米时，微地震事件为有效震源点。

进一步，所述地下气化炉的燃烧工作面的三维曲面工作状态的获得具体为：将不同时段的所有所述有效震源点的相应参数拟合成相对应的三维曲面，得到地下气化燃烧工作面的不同时段的燃烧工作状态。

本发明实施例提供的获取地下气化燃烧工作面状态的方法，根据地下气化炉的位置，在此地下气化炉的周围布置至少一个微地震监测井，并采用三分量微地震监测系统进行微地震监测，通过读取各个三分量检波器所感应的微地震事件的时间和波形，获得微地震事件信号，并对微地震事件信号进行信号提取、识别及定位，得到微地震事件的位置坐标；然后通过微地震事件的位置坐标，微地震监测系统对有效震源点进行分析，进而来确定微地震事件的有效震源点，并得到微地震有效震源点的空间位置坐标及其发生时间，以确定煤岩热破裂的位置和强度；通过持续微地震事件的时序分析，确定一个时段的持续微地震信号空间分布形态，通过空间内各有效震源点进行曲面拟合，得到地下气化燃烧工作面的三维曲面工作状态，即随着时间的推移，得到这个时段的持续微地震信号的空间分布形态的演化规律，从而实时监测地下气化工作面的三维火区形态及其发展变化规律，以指导地下气化过程控制工艺参数的优化与调节。与其它对地下气化燃烧工作面状态监测手段相比，例如与测氡技术相比，本发明实施例不受环境温度的影响，能够实时得到精确度及准确度高的地下气化燃烧工作面三维曲面工作状态及其演化规律。

附图说明

图1为本发明实施例的微地震监测系统的系统布置示意图；

图2为本发明实施例的微地震接受矩阵布置区示意图；

图3为本发明实施例的地震监测系统的布置结构示意图。

其中，1.进气孔，2.出气孔，3.微地震监测井，4.煤层，5.三分量检波器，6.燃烧区，7.微地震震源。

B为预测的燃烧区工作面范围的宽度；

R为预测的微地震接受矩阵布置区的半径。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例获取地下气化燃烧工作面状态的方法进行详细描述。

本发明实施例是一种获取地下气化燃烧工作面状态的方法，包括：微地震监测井的布置，微地震监测井至少设有一个；微地震监测系统的安装，微地震监测系统包括三分量检波器、及通过电缆与其连接的主机箱；微地震事件的信号提取、识别和定位；有效震源点的确定分析；地下气化燃烧工作面的三维曲面状态的获得。

在煤炭地下气化过程中，因为煤岩是非均质的,在持续燃烧高温条件下,由于颗粒间受热不均匀，使其变形不一致，引起颗粒之间不断发生断裂，从而发生煤岩持续热破裂，其持续热破裂而产生的持续微地震弹性波在周围岩体快速释放和传播，具有频率比较低、能量大传播远、噪音小的特点，适合于对煤层结构破坏进行实时定位探测的有效而可靠的信号源。由于煤炭地下气化过程中，火焰工作面燃烧波是持续移动的，其所产生的持续微地震事件也会随着地下气化燃烧波的移动而持续移动，因此，可以通过实时监测煤岩持续热破裂微地震事件来对燃烧工作面形态及其发展规律进行实时监测和定位。

本发明实施例根据地下气化炉的位置，在此地下气化炉的周围布置至少一个微地震监测井，并采用多通道三分量微地震监测系统进行微地震监测，系统布置示意图如图1所示，微地震监测系统硬件一般包括：三分量检波器、前置放大器、多道数据采集卡、通信单元(图中未示出)、数据控制中心(图中未示出)、计算机(图中未示出)等，软件包括：数据采集软件、远程数据通讯软件、系统计时软件(图中未示出)、可视化软件(图中未示出)、数据处理与解释软件等。根据监测实际环境对微震监测系统合理布站以提高监测精度，其中，三分量检波器通过电缆与计算机连接。通过读取监测到微震事件的各三分量检波器所感应的时间和波形；通过三分量检波器获得微地震事件信号，然后主机箱内的系统软件对这一系列的微地震事件信号进行信号提取、识别，并对这些微地震事件进行定位，得到微地震事件的位置坐标；然后通过微地震事件的位置坐标，微地震监测系统的相关软件对有效震源点进行分析，来确定微地震事件的有效震源点，并得到微地震有效震源点的空间位置坐标及其发生时间，以确定煤岩热破裂的位置和强度；然后，通过持续微地震事件的时序分析，确定一个时段的持续微地震信号空间分布形态，通过空间内各有效震源点进行曲面拟合，得到地下气化燃烧工作面的三维曲面工作状态，即随着时间的推移，得到这个时段的持续微地震信号的空间分布形态的演化规律，从而确定地下气化工作面的火区形态及其发展变化规律，以指导地下气化过程控制工艺参数的优化与调节。

本实施例中，由地下气化炉的进、出气孔的位置预判地下气化炉的位置，地下气化炉的扩展宽度为20～30米，长度为为几十米到几百米不等，微地震监测井距离震源的距离不大于300米，即此距离范围为微地震监测信号的有效接受区域。由于煤燃烧产生的多数微地震信号的能量较弱，受地层衰减严重，所以传播距离较短，这就要求检波器与震源点距离不能相距太远，本实施例使微地震监测井位到燃烧工作面位置最远端的距离控制在300米以内。为了方便直观地确定微地震监测井的布置范围，以地下气化炉进、出气孔的连线为基线，以基线的中点为圆心画圆，其半径为300米以内的范围为接收矩阵的布置范围，如图2所示，在接受矩阵的布置范围内布置至少一个微地震观测井。为了更加精确的描述燃烧工作面的形态，需要采用尽量多的微地震监测井，并且这些监测应尽可能分布在地下气化炉(预测)燃烧工作面范围内，以便完整的记录燃烧过程产生的微地震事件。

鉴于地下气化的特殊性，需要对气化炉内煤层从点火倒气化结束的全过程进行长期、稳定的实时监测，这就需要将三分量检波器的放置深度尽量与目标层(指：煤层或地下气化炉)接近，例如：可将三分量检波器置于目标层的上方、下方或穿越目标层，并最大限度的接近震源，以避免地表噪声对微地震信号的干扰，并减少微地震信号在底层传播过程中的衰减，确保信号质量；但是，为了保证三分量检波器不会由于受热而被损坏，在三分量检波器尽量靠近目标层的前提下，不能将三分量检波器布置在预测的地下气化炉的燃烧工作面的范围内及其顶板冒落带和裂隙带内；地下气缸燃烧面移动过程中会对围岩持续加热，且随着燃空区的逐步扩大，在热作用下的围岩会失稳，产生冒落和/或裂隙，其中冒落带与裂隙带的计算公式为：

冒落带高度h₁为：h₁＝m/[(k-1)cos α]；

裂隙带高度h₂为：h₂＝(1-3)h₁m；

其中：m为燃烧煤层厚度，米；k为岩石松散系数；α为煤层倾角，度；

冒落带高度与所述裂隙带高度均为从煤层顶板算起的法向高度，在地下气化中，根据煤层围岩性质不同，冒落带高度一般为燃烧煤层厚度的0.5-5倍。为了不损坏检波器，预测的燃烧工作面范围及其冒落和裂隙带内不能布置检波器。

本实施例中，微地震监测系统的安装为：首先，安装三分量检波器，当微地震监测井的数量为一个时，监测井内井壁上至少固定安装4个检波器，可将多达50个三分量检波器胶结在微地震监测井的井壁上，且相邻检波器的距离不小于5米；当微地震监测井的数量不止一个时，井内井壁上的相邻检波器的距离也不小于5米；为了保证检波器的定位精度，一般要求微地震监测井的竖直方向上的深度大于最大定位高度。当然，微地震监测井的参数可以根据煤层、顶底板的实际情况及监测目的进行调整。当三分量检波器胶结在微地震监测井内的相应位置处后，将各三分量检波器通过电缆与主机箱(计算机)连接；然后启动三分量检波器，使其处于工作状态，通过放炮标定，检验检波器及整个微地震监测系统的工作状态，并获得弹性波在各岩层中的传播参数，包括：弹性波在各种介质中的传播速度、平均传播速度、能量衰减速度和标定定位精度。当所有三分量检波器收到质量好的微地震信号时，表明三分量检波器安装和整个监测系统的工作状态是良好的，否则要对有问题的三分量检波器和电缆等传输线路进行进一步检查、重新安装连接，以使其最终均达到良好的工作状态，此时微地震监测系统安装完毕，如图3所示。

本实施例中，将检波器获得的微地震信号进行滤波、去噪处理，以去除干扰数据和无效数据；信号识别包括对纵波及横波的识别、到时拾取、振幅拾取、方向拾取；至少通过单一方法或综合定位方法的一种方法对微地震事件进行反演定位参数的计算，得到准确的微地震事件的三维坐标值。

由于微地震事件在空间上的密集区域即为燃烧工作面的位置，微地震事件越趋于集中，则相应位置处的煤燃烧越剧烈。故本实施例中，根据微地震事件的定位结果，采用相邻微地震事件的距离差来衡量微地震事件在空间上的密集程度：

首先，通过监测微地震事件的时间差来求取顺序发生的微地震事件的三维定位坐标，P_i(x_i，y_i，z_i)和P_i+1(x_i+1，y_i+1，z_i+1)；

然后，计算上述彼此时间相邻的微地震事件之间的距离，d_i＝((x_i-x_i+1)²+(y_i-y_i+1)²+(z_i-z_i+1)²)^1/2；

最后，根据上述微地震事件之间的距离d_i，根据煤炭地下气化经验，煤燃烧时其温度影响范围为2～2.5米，所以当d_i≤2.5米时，微地震事件为有效震源点。

最后将上述不同时段的所有有效震源点拟合成三维曲面，得到地下气化燃烧工作面的不同时段的状态。

总之，本发明实施例是一种用来监测地下气化火区燃烧工作面发展规律的方法，利用微地震监测技术，通过微地震事件产生的微地震波，采用反演定位技术对气化火区燃烧波进行动态监测，根据不同时刻燃烧波的空间变化，实时得到燃烧工作面三维形态。本发明实施例是在结合地下气化燃烧区的特征的基础上，确定微地震监测井和三分量检波器布置范围、数量，本发明实施例中的有效震源点的识别方法，保证了信号接收的质量和定位的准确性；另外，本发明实施例根据地下气化各个阶段的监测需要，对燃烧波实时进行监测，进而得到地下气化炉燃烧工作面状态的动态显示、时刻更新的新的燃烧工作面的三维工作状态，与其他监测手段相比，本实施监测方法不仅不受气候和环境的影响，还具有准确度高、时空定位性能强的优点。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种获取地下气化燃烧工作面状态的方法，其特征在于，包括：

微地震监测井的布置，所述微地震监测井至少设有一个；

微地震监测系统的安装，所述微地震监测系统包括三分量检波器、及通过电缆与所述三分量检波器连接的主机箱；

微地震事件的信号提取、识别和定位；

有效震源点的确定分析；

地下气化炉的燃烧工作面的三维曲面工作状态的获得。

2.根据权利要求1所述的获取地下气化燃烧工作面状态的方法，其特征在于，所述微地震监测井的布置具体为：由地下气化炉的进、出气孔的位置预判地下气化炉的位置，所述地下气化炉的扩展宽度为20～30米，所述微地震监测井距离震源的距离不大于300米。

3.根据权利要求2所述的获取地下气化燃烧工作面状态的方法，其特征在于，以所述地下气化炉进、出气孔的连线为基线，以所述基线的中点为圆心的半径不大于300米的范围为微地震事件信号的接收矩阵的布置范围，在所述接受矩阵的布置范围内布置至少一个所述微地震观测井。

4.根据权利要求2或3所述的获取地下气化燃烧工作面状态的方法，其特征在于，所述微地震监测井设在所述地下气化炉的燃烧工作面范围内。

5.根据权利要求2所述的获取地下气化燃烧工作面状态的方法，其特征在于，所述微地震监测系统的安装具体为：

首先，安装所述三分量检波器，当所述微地震监测井的数量为一个时，微地震监测井内的井壁上至少固定安装4个所述三分量检波器，相邻所述三分量检波器的距离不小于5米；当所述微地震监测井的数量不止一个时，所述微地震检测井内井壁上的相邻所述三分量检波器的距离不小于5米；

然后，将各所述三分量检波器通过所述电缆与所述主机箱连接；

最后，启动所述三分量检波器，使所述三分量检波器处于工作状态，通过放炮标定，检验所述三分量检波器及整个所述微地震监测系统的工作状态，并获得弹性波在各岩层中的传播参数，包括：弹性波在各种介质中的传播速度、平均传播速度、能量衰减速度和标定定位精度。

6.根据权利要求5所述的获取地下气化燃烧工作面状态的方法，其特征在于，所述三分量检波器胶结在所述微地震监测井的井壁内相应位置处。

7.根据权利要求5或6所述的获取地下气化燃烧工作面状态的方法，其特征在于，所述三分量检波器的安装位置最大限度的接近震源，但不能布置在所述地下气化炉内及所述地下气化炉的顶板的冒落带和裂隙带内；

所述冒落带高度h₁为：h₁＝m/[(k-1)cos α]；

所述裂隙带高度h₂为：h₂＝(1-3)h₁m；

其中：m为燃烧煤层厚度，米；k为岩石松散系数；α为煤层倾角，度；

所述冒落带高度与所述裂隙带高度均为从所述地下气化炉的顶板算起的法向高度。

8.根据权利要求5或6所述的获取地下气化燃烧工作面状态的方法，其特征在于，所述微地震事件的信号提取、识别和定位具体为：将所述三分量检波器获得的微地震信号进行滤波、去噪处理，以去除干扰数据和无效数据；所述信号识别包括对纵波及横波的识别、到时拾取、振幅拾取、方向拾取；所述定位是对微地震事件进行反演定位参数的计算。

9.根据权利要求8所述的获取地下气化燃烧工作面状态的方法，其特征在于，所述有效震源点的确定分析具体为：根据微地震事件的定位结果，采用相邻微地震事件的距离差来衡量微地震事件在空间上的密集程度；

首先，通过监测微地震事件的时间差来求取顺序发生的微地震事件的三维定位坐标，P_i(x_i，y_i，z_i)和P_i+1(x_i+1，y_i+1，z_i+1)；

然后，计算上述彼此时间相邻的微地震事件之间的距离，d_i＝((x_i-x_i+1)²+(y_i-y_i+1)²+(z_i-z_i+1)²)^1/2；

最后，根据上述微地震事件之间的距离d_i，当d_i≤2.5米时，微地震事件为有效震源点。

10.根据权利要求9所述的获取地下气化燃烧工作面状态的方法，其特征在于，所述地下气化炉的燃烧工作面的三维曲面工作状态的获得具体为：将不同时段的所有所述有效震源点的相应参数拟合成相对应的三维曲面，得到地下气化燃烧工作面的不同时段的燃烧工作状态。