CN107807412B - 一种瓦斯地质溯源重构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种瓦斯地质溯源重构的方法，属于地质勘探领域。该方法包括三部分：成煤环境三维重构恢复出成煤环境及其三维空间模型，认知瓦斯成藏基本条件、煤体原生结构和储存物理力学性质；地质体构造演化与瓦斯生、储、散历史过程重构把煤系地层的构造演化与伴生的甲烷气体成藏规律结合起来，反演煤层埋藏时空变化与瓦斯生、储、散历史过程，建立动态瓦斯地质模型。瓦斯地质遗迹特征量化重构进行数值模拟和相似模拟实验，分别建立不同瓦斯地质遗迹特征与瓦斯相关性模型，匹配典型地质遗迹与煤层瓦斯赋存规律。本发明可分析煤层气从生成到后期改造过程，从而适应各种地质条件揭示瓦斯成藏过程和致灾机理，指导煤矿安全生产和煤层气开发。

Description

一种瓦斯地质溯源重构的方法

技术领域

本发明属于地质勘探领域，涉及一种瓦斯地质溯源重构的方法。

背景技术

由于煤岩地质条件的复杂性和瓦斯赋存的隐蔽性，人们很难摸清瓦斯地质情况，如瓦斯储量、瓦斯灾害，而只能从采掘工程后的瓦斯涌出量和局部检测结果反推瓦斯地质情况。因而，人们一直希望能建立一种瓦斯地质溯源重构方法，利用有限的已知条件去预测瓦斯地质情况。

但是，要建立一个放之所有瓦斯地质条件而皆准的瓦斯地质重构方法是无法实现的。虽然很多文献资料致力于建立一个能够预测瓦斯赋存规律的模型，并模拟出深部瓦斯参数预测公式，但由于在建立模型和推导公式时需要尽可能地考虑各种地质条件，如煤层赋存条件、煤层渗透性、顶底板围岩性质、构造方位和倾角、裂隙方位和倾角、裂隙分布情况和连通性、地下水及隔水层、是否有岩浆岩侵入、煤层变质程度等，而这些条件又是如此复杂多变，所以想建立一个包含所有因素并适合所有情形的瓦斯地质规律预测方程是不可能的。因此，研究者们都是将某些条件简化后进行研究，如一维或二维瓦斯参数预测模型、把煤岩地质条件简化成均质体、忽略局部小构造、忽略地下水作用等，从而建立了不少瓦斯赋存预测模型。

根据现有资料可以分析得出：(1)在几乎所有的瓦斯参数预测模型中，地质变量的选定都是建立瓦斯赋存规律的一个十分重要的前提。对于不同地质变量而言，其影响程度不同，而各地质影响因素的类型和取值对瓦斯参数预测将产生重要影响。例如，煤层厚度存在变化甚至尖灭；构造遗迹存在不同类型、规模、构造位置、形成时间；煤体经历埋藏最深、埋藏最浅、生烃不同关键时刻。这些地质参数对瓦斯储存逸散的影响是不同的。(2)当把煤岩简化为均质体时，受地层静压力和地层温度影响，一定范围内埋深或标高与瓦斯含量呈线性关系。(3)揭示和重构瓦斯在煤体内从生成到逸散整个系统化过程，需要架构起一套完整的瓦斯地质溯源重构理论体系方法，涉及沉积学、层序地层学、埋藏与热演化史、构造地质学、地质力学、地质遗迹学、火山地质学、地球物理学等。

但目前研究中存在的比较突出的问题是：(1)缺乏普适性，煤储层改造技术地质适应性理论不成熟，对于一些典型的瓦斯储存无法给予合理的解释，尚未建立典型的储层特征-储层改造-改造效果关系，导致同样的改造方式在不同区块，甚至同一区块差异显著，难以评价储层改造有效性。如南桐矿业集团东林煤矿在埋深600m深度，煤层瓦斯压力达到21MPa，与传统的煤层瓦斯成藏规律0.01H(6MPa)相距较大，又如潞安集团李村矿在同一地质构造单元内，东区与西区煤层瓦斯赋存出现了较大差异，不符合传统观点。(2)缺乏系统性，瓦斯地质学说理论较多，如“构造逐级控制理论”、“大数据思维瓦斯地质分析”、“多层叠置独立含煤层气系统”等注重强调某些方面的主控作用。不同地质条件下瓦斯赋存发育规律和机理认识不充分，有利建产区优选理论可靠性较低，导致有利区优选准确率偏低；不同地质条件和储层类型控制下的单井产量主控因素不明，导致产能到位率低。(3)缺乏动态过程考虑，现有的瓦斯地质理论大多基于现有既定信息进行研究，缺乏过程化思维分析。因此，需要对系统化、动态化的基于地质学思想史的建立瓦斯地质溯源重构方法，从产生、形成和演变过程着手，达到对瓦斯地质情况的把握和准确认识，通过科学的瓦斯地质溯源重构方法达到宏观与微观、动态与静态、空间与时间、例外与普适、归纳与演绎的有机结合。

对煤体特征而言，瓦斯地质溯源重构还涉及到煤体古地理沉积相、层序地层体系域划分问题。煤层所属的层序地层学体系域影响煤体横向展布特征、煤体厚度变化、煤体顶底板泥岩厚度等，这些参数是瓦斯赋存的重要指标。这些指标对建立瓦斯地质溯源重构模型有着重要影响。

瓦斯地质工作实践还表明，中国煤层气开发目前仍处于商业化起步阶段，开发区块空间尚未形成大规模展布，而煤层含气性与渗透性的空间分布具有强烈的非均一性，致使煤层气开发利用局限性、未知性增加，煤矿开采中频繁发生瓦斯灾害并且与构造有关，有的构造对矿区瓦斯赋存形成控制并分区带，有的构造只是局部影响。因此，有必要研究构造的控制类型、构造与瓦斯生成匹配时空关系，以探究不同构造的控制范围和效果，更好的指导煤矿安全生产和煤层气开发。

综上所述，对煤层沉积体系恢复重构，煤系地层成藏演化过程中伴生瓦斯的生、储、散条件分析，典型构造与煤层瓦斯赋存之间的匹配关系等进行研究，建立如下瓦斯地质溯源重构方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种瓦斯地质溯源重构的方法，包括成煤环境三维重构，地质体构造演化与瓦斯生、储、散历史过程重构，瓦斯地质遗迹特征量化重构，溯源性分析煤层气生成到后期改造过程，从而适应各种地质条件揭示瓦斯成藏过程和致灾机理。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种瓦斯地质溯源重构的方法，包括以下步骤：

S1：进行成煤环境三维重构；

S2：进行地质体构造演化与瓦斯生、储、散历史过程重构；

S3：进行瓦斯地质遗迹特征量化重构；

S4：溯源性分析煤层气从生成到后期改造过程。

进一步，所述成煤环境三维重构为：恢复出成煤环境及其三维空间模型，用于实现煤系地层沉积环境的立体透明可视化，认知瓦斯成藏基本条件、煤体原生结构和储存物理力学性质。

进一步，所述地质体构造演化与瓦斯生、储、散历史过程重构为：结合煤系地层的构造演化与伴生的甲烷气体成藏规律，反演煤层埋藏时空变化与瓦斯生、储、散历史过程，恢复煤层埋藏史和热演化史，实现瓦斯成藏过程演绎，找出瓦斯成藏关键时刻，建立动态瓦斯地质模型。

进一步，所述瓦斯地质遗迹特征量化重构为：利用相关设备和方法采集多源参数，基于瓦斯参数测定、地球物理测定，进行数值模拟和相似模拟实验，分别建立不同瓦斯地质遗迹特征与瓦斯相关性模型，匹配构造、变质、火成岩等典型地质遗迹与煤层瓦斯赋存规律，揭示煤层气富集规律和瓦斯致灾机理。

本发明的有益效果在于：本发明的瓦斯地质溯源重构方法可模拟出各种成煤环境、构造演化、埋藏生烃史，揭示煤与瓦斯成藏过程和成灾机理，从而使煤矿安全生产、瓦斯抽采达到预定的效果。本发明通过成煤环境三维重构，地质体构造演化与瓦斯生、储、散历史过程重构，瓦斯地质遗迹特征量化重构，克服了瓦斯地质理论在复杂多变的地质环境以及各种施工因素下，无法预测瓦斯参数的缺陷，从而可在复杂的煤岩地质条件下，克服瓦斯地质分析的隐蔽性，很好的指导煤炭安全生产和瓦斯抽采。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1是本发明瓦斯地质溯源重构方法一种具体实施方式工作原理图；

图2是本发明瓦斯地质溯源重构方法一种具体实施手段和参数结构图；

图3是本发明瓦斯地质溯源重构方法一种具体子参数和主要设备结构图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1是本发明瓦斯地质溯源重构方法一种具体实施方式工作原理图。图中，瓦斯地质溯源重构方法涵盖理论1、方法2、手段3、参数4、子参数5、设备6等六类，组成部分包括成煤环境三维重构11，地质体构造演化与瓦斯生、储、散历史过程重构12，瓦斯地质遗迹特征量化重构13，成煤环境三维重构11包括沉积古地理分析211、层序地层学分析212、GIS三维建模213，地质体构造演化与瓦斯生、储、散历史过程重构12包括构造演化史重构221、生烃史重构222、关键时刻重构223，瓦斯地质遗迹特征量化重构13包括构造与瓦斯遗迹特征量化重构231、变质与瓦斯遗迹特征量化重构232、火成岩与瓦斯遗迹特征量化重构233。

图2是本发明瓦斯地质溯源重构方法一种具体实施手段和参数结构图。本瓦斯地质溯源重构方法是这样实施的。成煤环境三维重构11中的沉积古地理分析211重构煤岩性质4111和煤炭轮廓形态4112，层序地层学分析212建立精细的地质体的等时地层格架4121，是更精细划分煤岩层序体系域4122，控制煤体沉积形态分布4123、顶底板岩性渐变特征4124、煤岩产状特征4125；GIS三维建模213采集矿区井上下对照图4131、煤层底板等高线4132、煤层厚度等值线4133、三维地震剖面4134、钻孔测井曲线4135等，采用Surpmap二次开发建模313重构成煤环境。

地质体构造演化与瓦斯生、储、散历史过程重构12中的构造演化史重构214通过分析三维地震剖面4134、钻孔岩心及测井曲线4135、采掘巷道剖面跟踪4211等参数采用平衡剖面技术321重构，生烃史重构215通过热解模拟法322计算生烃史，叠加构造演化史重构214、生烃史重构215形成关键时刻重构216。

瓦斯地质遗迹特征量化重构13中的构造与瓦斯遗迹特征量化重构231通过煤层瓦斯含量测定4311、实验室煤样瓦斯参数测定4312、瓦斯涌出监测及日常预测指标4313、地应力测定4314、矿压监测4315、电磁波CT测定4316、地震弹性波测定4317、坚固性系数测定4318、构造煤发育程度观测4319、煤层几何形态变化测定4310等获得参数，进行数值模拟或相似模拟实验334，建立构造与瓦斯遗迹特征量化重构模型331。历史构造应力对煤层气分布已经造成影响且保留至今，留下的构造遗迹特征可以反映出构造运动的过程及强度，构造运动强度对煤层气富集的影响主要取决于构造煤发育程度、煤层几何形态变化和应力状态等方面。

变质与瓦斯遗迹特征量化重构232通过煤层瓦斯含量测定4311、实验室煤样瓦斯参数测定4312、瓦斯涌出监测及日常预测指标4313、坚固性系数测定4318、煤层镜质体反射率测定4321、煤质分析4322等获得参数，进行数值模拟或相似模拟实验334，建立变质与瓦斯遗迹特征量化重构模型332；火成岩与瓦斯遗迹特征量化重构233通过煤层瓦斯含量测定4311、实验室煤样瓦斯参数测定4312、瓦斯涌出监测及日常预测指标4313、煤层镜质体反射率测定4321、煤质分析4322、坚固性系数测定4318、三维地震剖面4134、钻孔岩心及测井曲线4135等获得参数，进行数值模拟或相似模拟实验334，建立火成岩与瓦斯遗迹特征量化重构模型333。

图3是本发明瓦斯地质溯源重构方法一种具体子参数和主要设备结构图。煤层瓦斯含量测定4311参数包括井下瓦斯含量直接快速测定5311、煤矿井下直接测定煤层瓦斯压力间接计算煤层瓦斯含量5312、地勘钻孔瓦斯含量5313、掘进工作面瓦斯涌出量反算瓦斯含量5314、日常预测指标及K1-P关系反算瓦斯含量5315、KJA瓦斯预警系统解吸量指标反算瓦斯含量5316等多源子参数。其中，井下瓦斯含量直接快速测定5311利用DGC型瓦斯含量直接测定装置63111测定；煤矿井下直接测定煤层瓦斯压力间接计算煤层瓦斯含量5312按照煤矿井下煤层瓦斯压力的HCA型高压容量法吸附装置63121直接测定AQ1047-2007标准测定煤矿井下煤层瓦斯压力，结合实验室煤样瓦斯参数测定4312，根据朗格缪尔方程间接计算煤层瓦斯含量；地勘钻孔瓦斯含量5313按照GB/T23249-2009标准地勘时期煤层瓦斯含量测定方法进行测定并根据实测瓦斯含量5311进行修正；掘进巷道瓦斯涌出浓度推算瓦斯含量5314以煤矿瓦斯监控系统63141监控的掘进巷道碛头瓦斯浓度的变化连续判断煤层瓦斯含量；日常预测指标及K1-P关系反算瓦斯含量5315由实验室煤样K1-P关系测定、日常预测指标钻屑瓦斯解吸指标K1值测定共同获得，日常预测指标钻屑瓦斯解吸指标K1值由WTC瓦斯突出参数仪63151井下测定，K1-P关系值由井下采新鲜掘进面软分层5kg煤样实验室测定，每个掘进面至少测定一次；KJA瓦斯预警系统解吸量指标反算瓦斯含量5316由KJA瓦斯预警系统解吸量指标A连续实时判断煤层巷道前方瓦斯含量。

实验室煤样瓦斯参数测定4312包括由HCA型高压容量法吸附装置测定瓦斯吸附常数、煤层透气性系数、煤样工业分析、瓦斯放散初速度等子参数。瓦斯涌出监测及日常预测指标4313包括指标掘进工作面绝对涌出量、相对涌出量、钻屑瓦斯解吸指标和钻屑量指标，掘进工作面绝对涌出量、相对涌出量由煤矿瓦斯监控系统63141实时连续测定，钻屑瓦斯解吸指标和钻屑量指标由WTC瓦斯突出参数仪63151测定。坚固性系数测定4318采用落锤法。

因此，通过本发明的瓦斯地质溯源重构方法，可获得不同沉积环境、不同构造演化史、不同变质条件下瓦斯地质特征，为研究复杂地质条件下不同类型的瓦斯成藏规律和成灾机理，进而反演出适用一般情况下的瓦斯地质溯源重构的理论公式，为煤炭开采和瓦斯抽采提供技术参数，达到预测预防效果最佳。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种瓦斯地质溯源重构的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：进行成煤环境三维重构，成煤环境三维重构包括沉积古地理分析、层序地层学分析和GIS三维建模；

成煤环境三维重构中的沉积古地理分析重构煤岩性质和煤炭轮廓形态，层序地层学分析建立精细的地质体的等时地层格架，是更精细划分煤岩层序体系域，控制煤体沉积形态分布、顶底板岩性渐变特征和煤岩产状特征；GIS三维建模采集矿区井上下对照图、煤层底板等高线、煤层厚度等值线、三维地震剖面和钻孔测井曲线，采用Surpmap二次开发建模重构成煤环境；

S2：进行地质体构造演化与瓦斯生、储、散历史过程重构，地质体构造演化与瓦斯生、储、散历史过程重构包括构造演化史重构、生烃史重构和关键时刻重构；

地质体构造演化与瓦斯生、储、散历史过程重构中的构造演化史重构通过分析三维地震剖面、钻孔岩心及测井曲线和采掘巷道剖面跟踪参数采用平衡剖面技术重构，生烃史重构通过热解模拟法计算生烃史，叠加构造演化史重构和生烃史重构形成关键时刻重构；

S3：进行瓦斯地质遗迹特征量化重构，瓦斯地质遗迹特征量化重构包括构造与瓦斯遗迹特征量化重构、变质与瓦斯遗迹特征量化重构，以及火成岩与瓦斯遗迹特征量化重构；

瓦斯地质遗迹特征量化重构中的构造与瓦斯遗迹特征量化重构通过煤层瓦斯含量测定、实验室煤样瓦斯参数测定、瓦斯涌出监测及日常预测指标、地应力测定、矿压监测、电磁波CT测定、地震弹性波测定、坚固性系数测定、构造煤发育程度观测和煤层几何形态变化测定获得参数，进行数值模拟或相似模拟实验，建立构造与瓦斯遗迹特征量化重构模型；

变质与瓦斯遗迹特征量化重构通过煤层瓦斯含量测定、实验室煤样瓦斯参数测定、瓦斯涌出监测及日常预测指标、坚固性系数测定、煤层镜质体反射率测定和煤质分析获得参数，进行数值模拟或相似模拟实验，建立变质与瓦斯遗迹特征量化重构模型；火成岩与瓦斯遗迹特征量化重构通过煤层瓦斯含量测定、实验室煤样瓦斯参数测定、瓦斯涌出监测及日常预测指标、煤层镜质体反射率测定、煤质分析、坚固性系数测定、三维地震剖面、钻孔岩心及测井曲线获得参数，进行数值模拟或相似模拟实验，建立火成岩与瓦斯遗迹特征量化重构模型；

煤层瓦斯含量测定参数包括井下瓦斯含量直接快速测定、煤矿井下直接测定煤层瓦斯压力间接计算煤层瓦斯含量、地勘钻孔瓦斯含量、掘进工作面瓦斯涌出量反算瓦斯含量、日常预测指标及K1-P关系反算瓦斯含量和KJA瓦斯预警系统解吸量指标反算瓦斯含量多源子参数；其中，井下瓦斯含量直接快速测定利用DGC型瓦斯含量直接测定装置测定；煤矿井下直接测定煤层瓦斯压力间接计算煤层瓦斯含量，按照测定煤矿井下煤层瓦斯压力，结合实验室煤样瓦斯参数测定，根据朗格缪尔方程间接计算煤层瓦斯含量；地勘钻孔瓦斯含量按照GB/T23249-2009标准进行测定并根据实测瓦斯含量进行修正；掘进巷道瓦斯涌出浓度推算瓦斯含量以煤矿瓦斯监控系统监控的掘进巷道碛头瓦斯浓度的变化连续判断煤层瓦斯含量；日常预测指标及K1-P关系反算瓦斯含量由实验室煤样K1-P关系测定、日常预测指标钻屑瓦斯解吸指标K1值测定共同获得，日常预测指标钻屑瓦斯解吸指标K1值由WTC瓦斯突出参数仪井下测定，K1-P关系值由井下采新鲜掘进面软分层5kg煤样实验室测定，每个掘进面至少测定一次；KJA瓦斯预警系统解吸量指标反算瓦斯含量由KJA瓦斯预警系统解吸量指标A连续实时判断煤层巷道前方瓦斯含量；

实验室煤样瓦斯参数测定包括由HCA型高压容量法吸附装置测定瓦斯吸附常数、煤层透气性系数、煤样工业分析和瓦斯放散初速度子参数；瓦斯涌出监测及日常预测指标包括指标掘进工作面绝对涌出量、相对涌出量、钻屑瓦斯解吸指标和钻屑量指标，掘进工作面绝对涌出量、相对涌出量由煤矿瓦斯监控系统实时连续测定，钻屑瓦斯解吸指标和钻屑量指标由WTC瓦斯突出参数仪测定；坚固性系数测定采用落锤法；

S4：溯源性分析煤层气从生成到后期改造过程。

2.根据权利要求1所述的一种瓦斯地质溯源重构的方法，其特征在于：所述成煤环境三维重构为：恢复出成煤环境及其三维空间模型，用于实现煤系地层沉积环境的立体透明可视化，认知瓦斯成藏基本条件、煤体原生结构和储存物理力学性质。

3.根据权利要求1所述的一种瓦斯地质溯源重构的方法，其特征在于：所述地质体构造演化与瓦斯生、储、散历史过程重构为：结合煤系地层的构造演化与伴生的甲烷气体成藏规律，反演煤层埋藏时空变化与瓦斯生、储、散历史过程，恢复煤层埋藏史和热演化史，实现瓦斯成藏过程演绎，找出瓦斯成藏关键时刻，建立动态瓦斯地质模型。

4.根据权利要求1所述的一种瓦斯地质溯源重构的方法，其特征在于：所述瓦斯地质遗迹特征量化重构为：利用相关设备和方法采集多源参数，基于瓦斯参数测定、地球物理测定，进行数值模拟和相似模拟实验，分别建立不同瓦斯地质遗迹特征与瓦斯相关性模型，匹配构造、变质和火成岩典型地质遗迹与煤层瓦斯赋存规律，揭示煤层气富集规律和瓦斯致灾机理。