CN111691872B - 一种煤层覆岩裂隙发育范围及程度的动态精准探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种煤层覆岩裂隙发育范围及程度的动态精准探测方法，该方法包括：通过分析煤矿地质和水文、地质勘察资料，圈定覆岩探测区域；采集圈定的覆岩探测区域的三维地震数据；基于采集的三维地震数据进行地质统计学反演，圈定覆岩探测区域的不同剖面覆岩破坏程度符合预设标准的区域，作为待勘探区域；对待勘探区域进行钻孔雷达或钻孔电视勘探；根据勘探结果对煤层覆岩裂隙发育范围及程度进行动态分析。本发明主要针对下部煤层开采覆岩裂隙发育范围和程度进行探测，实时观测裂隙动态发育范围是否到达煤矿地下水库底部，是否形成导水裂隙，从而为下煤层工作面开采提供安全保障。

Description

一种煤层覆岩裂隙发育范围及程度的动态精准探测方法

技术领域

本发明涉及煤炭开采技术领域，特别是指一种煤层覆岩裂隙发育范围及程度的动态精准探测方法。

背景技术

煤炭是我国主体能源，占化石能源总储量96％，在一次能源生产和消费中约占70％。西部是我国煤炭开采主战场，产量占全国的80％左右，且随着东部资源转入深部和安全风险愈来愈大，其产量比例还将不断上升。但是，西部(晋陕蒙宁甘)水资源匮乏，仅占全国3.9％左右。

另一方面，据统计，我国每年因煤炭开采产生矿井水80亿吨，利用率不足25％，每年约60亿吨矿井水不能有效利用，相当于工业和民用缺水量(100亿吨)的60％。在西部缺水矿区尤为明显，表现在矿井水处理方式以达标外排为主。西部由于蒸发量大，矿井水很快蒸发损失掉，不能得到有效的利用。

对此，国家能源集团煤炭开采水资源保护与利用技术团队在研究和掌握西部矿区煤炭采前、采中和采后地下水系统变化规律的基础上，提出以“导储用”为特征的煤矿地下水库储用矿井水理念。该技术突破了原有“堵截法”保水理念，即利用煤炭开采形成的采空区岩体空隙储水。将安全煤柱用人工坝体连接形成水库坝体，同时建设矿井水入库设施和取水设施，充分利用采空区岩体对矿井水的自然净化作用。经过20年研究开发与工程实践，创建了煤矿地下水库设计、建设和运行理论框架和技术体系。在西部神东矿区成功应用，建成35座煤矿地下水库，储水量最高3100万方，为矿区供应了95％以上用水，年创造直接经济效益超过10亿元，为矿区发展提供了可持续的水资源保障，也为西部矿区矿井水保护利用提供了有效的技术途径。

西部矿区煤炭资源具有多煤层分布的特点，可采煤层处于地下不同深度(如图2所示)。目前，在建煤矿地下水库多以同一煤层地下水库为主。随着上煤层开采逐渐完毕，转入下煤层开采，如何保障下煤层开采扰动下，上煤层地下水库安全稳定运行是亟待解决的问题。下煤层开采引起覆岩原始应力失衡，覆岩断裂形成导水裂隙(如图3所示)；如果导水裂隙范围到达上煤层煤矿地下水库底部，将形成导水通道，上煤层地下水库储水会通过裂隙进入下煤层开采工作面，造成安全事故。为此，在开采过程中监测下煤层开采覆岩裂隙发育范围及程度，在导通上煤层地下水库库底之前进行预警，对于保障上煤层煤矿地下水库安全，实现煤炭开采和水资源保护利用具有重要意义。

针对此，国内外相关学者和机构开展了大量的研究和工程实践活动，取得了一系列成果，如专利《一种采场覆岩动态活动特征的综合探测方法》提出了一种综合探测方法，对采用钻孔探测仪、支架工作阻力、测氡仪脉冲计数三种方法测量获得数据进行综合分析，得到覆岩活动状况；专利《一种基于钻孔摄像的覆岩活动规律综合探测方法》提出采用钻孔摄像观测覆岩活动规律；专利《一种基于同位素标识的覆岩裂隙导通性探测方法》通过分析对比各含水层及工作面排水中标识同位素的千分偏差值，确定各含水层的水是否导入工作面，得到覆岩裂隙导通性；专利《一种探测西部浅埋煤层开采覆岩动态活动规律的方法》采用InSAR影像、氡气探测集成方法，利用小波编号分析法，获得覆岩动态活动规律；专利《电控式单回路堵水覆岩裂隙探测方法及探测仪》采用电控式单回路堵水覆岩裂隙探测仪，李克用电阻率变化，探测覆岩裂隙；专利《一种用于覆岩裂隙探测的钻测一体化系统及方法》设计了覆岩裂隙探测的钻测一体化系统，实现覆岩裂隙探测；专利《一种采动覆岩离层分布特征的钻孔注浆探测方法》利用小孔径钻孔对采动覆岩离层区灌注水泥浆，根据水泥浆在地层中的固结位置和大小，直观辨别采动覆岩离层分布特征；专利《一种基于应力监测的采动覆岩导水裂隙带高度探测方法》通过布设压力传感器，根据应力检测结果，推算导水裂隙带高度；专利《岩层控制的三位一体监测方法》采用钻孔电视和GPS地表观测数据，分析覆岩破断运行，确定致灾关键层；专利《煤层采动顶底板岩层变形与破坏井下综合测试方法》采用电法等方式实现了煤层带动顶底板岩层变形与破坏综合测试；专利《一种室内覆岩离层变形探测装置及其评价方法》提出了采用应变和位移监测方式，对覆岩离层变形探测的方法。

论文《利用三维地震技术探测覆岩变形破坏研究》利用三维地震技术进行覆岩采动裂隙的探测；论文《井间地震层析成像技术在采空区及其覆岩结构探测中的应用》应用井间地震对拟建场地的采空区及其覆岩现状进行探测，分析采空区及其覆岩结构类型；论文《覆岩及采动岩体裂隙场分布特征的可视化探测》利用钻孔彩色电视系统观测大量钻孔内部原生裂隙及采动岩体裂隙的分布及其发育特点；论文《采空区覆岩破坏高度监测分析》提出根据现场钻孔冲洗液漏失量，钻孔水位变化及井下彩色钻孔电视影像，探明煤层开采后上覆岩层内垮落带和导水裂缝带的发育高度及其分布形态；论文《深厚松散层薄基岩条件下覆岩破坏高度实测分析》提出采用地面钻孔观测法，观测覆岩破坏高度等。

但上述专利和论文主要是对覆岩破坏动态变化规律、导水裂隙带等进行探测，确保井下生产安全，对裂隙发育范围和程度关注较少。因此，目前还没有相关技术方案可以实现煤层覆岩裂隙发育范围及程度的动态精准探测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种煤层覆岩裂隙发育范围及程度的动态精准探测方法，以解决目前还没有方案可以实现煤层覆岩裂隙发育范围及程度的动态精准探测的问题，确保下煤层工作开采安全和煤矿地下水库安全运行。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种煤层覆岩裂隙发育范围及程度的动态精准探测方法，所述方法包括：

通过分析煤矿地质和水文、地质勘察资料，圈定覆岩探测区域；

采集圈定的覆岩探测区域的三维地震数据；

基于采集的三维地震数据进行地质统计学反演，圈定所述覆岩探测区域的不同剖面覆岩破坏程度符合预设标准的区域，作为待勘探区域；

对所述待勘探区域进行钻孔雷达或钻孔电视勘探；

根据勘探结果对煤层覆岩裂隙发育范围及程度进行动态分析。

进一步地，所述通过分析煤矿地质和水文、地质勘察资料，圈定覆岩探测区域，包括：

通过分析煤矿地质和水文、地质勘察资料，确定上下煤层覆岩破坏探测区域中是否存在断层、冲刷带和/或陷落柱类型的地质构造；

将存在断层、冲刷带和/或陷落柱的区域圈定为覆岩探测区域。

进一步地，所述采集圈定的覆岩探测区域的三维地震数据，包括：

采用三维地震技术对圈定的覆岩探测区域进行三维地震数据采集；三维地震采集参数设置为：接收线数为20条，每线道数为40道，每束道数为800道，线距为40m，道距为20m，炮点数为2个，纵向炮点距为20m，横向炮点距为20m，最小非纵炮检距为14m,最大非纵炮检距为552m，纵向滚动距为80m，横向滚动距为40m，5mX10m面元覆盖次数为50次，其中纵向5次，横向10次。

进一步地，基于采集的三维地震数据进行地质统计学反演，圈定覆岩探测区域的不同剖面覆岩破坏程度符合预设标准的区域，作为待勘探区域，包括：

建立地质统计学反演地质模型，依据覆岩探测区域的厚度改进地质框架模型，进一步优化井震标定，计算岩性曲线以及加载测井数据的曲线重采样，为地质统计学反演提供精准参照与地质基础；

结合测井数据进行地质统计学参数分析，应用测井数据与三维地震数据，计算上下煤层间覆岩裂隙发育程度相关储层厚度和岩性属性值，通过岩相约束创建基于厚度和岩性的多变量概率密度函数进行地质统计学反演，同时考虑加入无井约束反演过程以提高地震数据信噪比，测试地震权重；在确定好参数后，进行地质统计学模拟步骤，通过其与确定性反演结果的对比检测所确定的上下煤层间覆岩裂隙发育程度相关储层厚度和岩性属性值是否合理；确定最佳参数后将结果加入进行约束反演，并将地质统计学反演的结果与叠后CSS I反演结果比较，检查规模尺度和岩性曲线是否在预设误差范围内吻合；

圈定不同剖面覆岩的待勘探区域，将地质统计学反演获得的多概率岩性实现和纵波阻抗实现结果进行量化，确定出存在断层、冲刷带和/或陷落柱地质构造区域的岩性参数范围，为圈定围岩不同剖面的待勘探区域提供理论指导。

进一步地，所述对所述待勘探区域进行钻孔雷达或钻孔电视勘探，包括：

针对圈定的待勘探区域，根据埋深选择地面或井下施工钻孔探地雷达并结合钻孔电视方法，建设覆岩动态变化监测点，开展裂隙发育精准化动态探测；

在选定区域利用向顶板或底板开展钻孔施工，并在孔内利用孔中探地雷达和钻孔可视化技术开展顶底板断裂系统及裂隙发育程度探测研究。

进一步地，所述根据埋深选择地面或井下施工钻孔探地雷达，包括：

当上下煤层间岩层厚度大于50m且埋深不大于100m时，选择地面施工钻孔探地雷达；当埋深大于100m时，选择井下施工钻孔探地雷达。

进一步地，所述孔中探地雷达包括单孔及跨孔两种类型。

进一步地，所述对煤层覆岩裂隙发育范围及程度进行动态分析，包括：

在下煤层开采期间，根据采煤掘进计划，定期对钻孔雷达或钻孔电视数据进行采集，得到裂隙发育范围和高度，评判是否导通上煤层地下水库。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明采用地质资料分析、三维地震先期探测，钻孔雷达和电视精准探测相结合的综合探测方案，开展上下煤层间岩岩裂隙发育及程度探测，评价导水裂隙发育范围，实时观测裂隙动态发育范围是否到达煤矿地下水库底部，从而指导现场工程技术措施，确保下煤层工作开采安全和煤矿地下水库安全运行。

附图说明

图1为本发明实施例提供的煤层覆岩裂隙发育范围及程度的动态精准探测方法的流程示意图；

图2为煤层分布示意图；

图3为导水裂隙发育预测范围示意图；

图4为导水裂隙发育探测范围示意图；

图5为图4中A-A＇方向的剖面示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本实施例提供一种煤层覆岩裂隙发育范围及程度的动态精准探测方法，如图1所示，该动态精准探测方法包括以下步骤：

S101，通过分析煤矿地质和水文、地质勘察资料，圈定覆岩探测区域；

具体地，在实施例中，上述步骤包括：

分析煤矿地质和水文、地质勘察资料，查明上下煤层覆岩破坏探测区域中的地质构造，是否存在断层、冲刷带和/或陷落柱等类型的地质构造；将存在断层、冲刷带和/或陷落柱的区域圈定为覆岩探测区域，如图4和图5所示。

S102，采集圈定的覆岩探测区域的三维地震数据；

具体地，在本实施例中，上述步骤包括：

采用三维地震技术对圈定的覆岩探测区域进行三维地震数据采集；三维地震采集参数设置20线40道2炮中点激发观测系统参数，参照下列表1：

表1三维地震参数设计表

S103，基于采集的三维地震数据进行地质统计学反演，圈定覆岩探测区域的不同剖面覆岩破坏程度符合预设标准的区域，作为待勘探区域；

其中，在本实施例中，上述步骤是通过开展地震资料反演和解释，分析圈定不同剖面覆岩破坏严重区域。具体地，其包括以下步骤：

一是建立地质统计学反演地质模型，依据覆岩探测区域的厚度改进地质框架模型，进一步优化井震标定，计算岩性曲线以及加载测井数据的曲线重采样，为地质统计学反演提供精准参照与地质基础；

二是结合测井数据进行地质统计学参数分析，应用测井数据与三维地震数据，计算上下煤层间覆岩裂隙发育程度相关储层厚度和岩性等属性值，通过岩相约束创建基于厚度和岩性的多变量(概率密度函数)进行地质统计学反演，同时考虑加入无井约束反演过程以提高地震数据信噪比，测试地震权重；在确定好参数后，还需进行地质统计学模拟步骤——通过其与确定性反演结果的对比检测由上述方法所确定的储层厚度和岩性等属性值是否合理；确定最佳参数后将结果加入进行约束反演，并将地质统计学反演的结果与叠后CSS I反演结果比较，检查规模尺度和岩性曲线是否较好地吻合；

三是圈定不同剖面破坏严重区域，将地质统计学反演获得的多概率岩性实现和纵波阻抗实现结果进行量化，确定出存在断层、冲刷带和/或陷落柱等地质构造区域的岩性参数范围为圈定围岩不同剖面破坏严重区域提供理论指导。

S104，对待勘探区域进行钻孔雷达或钻孔电视勘探；

具体地，在本实施例中，上述步骤包括：

针对圈定的待勘探区域(覆岩破坏严重区域)，根据埋深选择地面或井下施工钻孔探地雷达并结合钻孔电视方法，建设覆岩动态变化监测点，开展裂隙发育精准化动态探测；其中，施工方法选择标准参照下列表2：

在选定区域利用向顶板或底板开展钻孔施工，并在孔内利用孔中探地雷达(单孔及跨孔两种类型)和钻孔可视化技术开展顶底板断裂系统及裂隙发育程度探测研究。

表2裂隙发育探测方法选择标准

S105，根据勘探结果对煤层覆岩裂隙发育范围及程度进行动态分析。

具体地，在本实施例中，上述步骤包括：

在下煤层开采期间，根据采煤掘进计划，定期对钻孔雷达或钻孔电视数据进行采集，得到裂隙发育范围和高度，评判是否导通上煤层地下水库。

本实施例采用地质资料分析、三维地震先期探测，钻孔雷达和电视精准探测相结合的综合探测方案，开展上下煤层间岩岩裂隙发育及程度探测，评价导水裂隙发育范围，实时观测裂隙动态发育范围是否到达煤矿地下水库底部，从而指导现场工程技术措施，确保下煤层工作开采安全和煤矿地下水库安全运行。

此外，需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

还需说明的是，以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明的优选实施例，但对于本领域普通技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

Claims (7)

1.一种煤层覆岩裂隙发育范围及程度的动态精准探测方法，其特征在于，所述煤层覆岩裂隙发育范围及程度的动态精准探测方法包括：

通过分析煤矿地质和水文、地质勘察资料，圈定覆岩探测区域；

采集圈定的覆岩探测区域的三维地震数据；

基于采集的三维地震数据进行地质统计学反演，圈定所述覆岩探测区域的不同剖面覆岩破坏程度符合预设标准的区域，作为待勘探区域；

对所述待勘探区域进行钻孔雷达或钻孔电视勘探；

根据勘探结果对煤层覆岩裂隙发育范围及程度进行动态分析；

基于采集的三维地震数据进行地质统计学反演，圈定覆岩探测区域的不同剖面覆岩破坏程度符合预设标准的区域，作为待勘探区域，包括：

建立地质统计学反演地质模型，依据覆岩探测区域的厚度改进地质框架模型，进一步优化井震标定，计算岩性曲线以及加载测井数据的曲线重采样，为地质统计学反演提供精准参照与地质基础；

结合测井数据进行地质统计学参数分析，应用测井数据与三维地震数据，计算上下煤层间覆岩裂隙发育程度相关储层厚度和岩性属性值，通过岩相约束创建基于厚度和岩性的多变量概率密度函数进行地质统计学反演，同时考虑加入无井约束反演过程以提高地震数据信噪比，测试地震权重；在确定好参数后，进行地质统计学模拟步骤，通过其与确定性反演结果的对比检测所确定的上下煤层间覆岩裂隙发育程度相关储层厚度和岩性属性值是否合理；确定最佳参数后将结果加入进行约束反演，并将地质统计学反演的结果与叠后CSSI反演结果比较，检查规模尺度和岩性曲线是否在预设误差范围内吻合；

圈定不同剖面覆岩的待勘探区域，将地质统计学反演获得的多概率岩性实现和纵波阻抗实现结果进行量化，确定出存在断层、冲刷带和/或陷落柱地质构造区域的岩性参数范围，为圈定围岩不同剖面的待勘探区域提供理论指导。

2.如权利要求1所述的煤层覆岩裂隙发育范围及程度的动态精准探测方法，其特征在于，所述通过分析煤矿地质和水文、地质勘察资料，圈定覆岩探测区域，包括：

通过分析煤矿地质和水文、地质勘察资料，确定上下煤层覆岩破坏探测区域中是否存在断层、冲刷带和/或陷落柱类型的地质构造；

将存在断层、冲刷带和/或陷落柱的区域圈定为覆岩探测区域。

3.如权利要求1所述的煤层覆岩裂隙发育范围及程度的动态精准探测方法，其特征在于，所述采集圈定的覆岩探测区域的三维地震数据，包括：

采用三维地震技术对圈定的覆岩探测区域进行三维地震数据采集；三维地震采集参数设置为：接收线数为20条，每线道数为40道，每束道数为800道，线距为40m，道距为20m，炮点数为2个，纵向炮点距为20m，横向炮点距为20m，最小非纵炮检距为14m,最大非纵炮检距为552m，纵向滚动距为80m，横向滚动距为40m，5mX10m面元覆盖次数为50次，其中纵向5次，横向10次。

4.如权利要求1所述的煤层覆岩裂隙发育范围及程度的动态精准探测方法，其特征在于，所述对所述待勘探区域进行钻孔雷达或钻孔电视勘探，包括：

针对圈定的待勘探区域，根据埋深选择地面或井下施工钻孔探地雷达并结合钻孔电视方法，建设覆岩动态变化监测点，开展裂隙发育精准化动态探测；

在选定区域利用向顶板或底板开展钻孔施工，并在孔内利用孔中探地雷达和钻孔可视化技术开展顶底板断裂系统及裂隙发育程度探测研究。

5.如权利要求4所述的煤层覆岩裂隙发育范围及程度的动态精准探测方法，其特征在于，所述根据埋深选择地面或井下施工钻孔探地雷达，包括：

当上下煤层间岩层厚度大于50m且埋深不大于100m时，选择地面施工钻孔探地雷达；当埋深大于100m时，选择井下施工钻孔探地雷达。

6.如权利要求4所述的煤层覆岩裂隙发育范围及程度的动态精准探测方法，其特征在于，所述孔中探地雷达包括单孔及跨孔两种类型。

7.如权利要求1所述的煤层覆岩裂隙发育范围及程度的动态精准探测方法，其特征在于，所述对煤层覆岩裂隙发育范围及程度进行动态分析，包括：

在下煤层开采期间，根据采煤掘进计划，定期对钻孔雷达或钻孔电视数据进行采集，得到裂隙发育范围和高度，评判是否导通上煤层地下水库。

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