CN111722269A - 一种深部煤层探测系统及控制方法 - Google Patents

一种深部煤层探测系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种深部煤层探测系统及控制方法，系统：包括煤层钻孔中的探测传感器A、地面上的地震震源B、信号传输设备和中央处理器；方法：在煤层钻孔完成目标后的封孔过程中于煤层顶板中、煤层中和煤层底板中依次埋设探测传感器A；布置地震震源B；依次激发每个震源安装点中的地震震源B，通过中央处理器核实所有探测传感器A均能获取地震波信号；激发地震震源B，通过中央数据采集器实时记录控制传感器A所采集的数据；方法包括，建立与煤层传感器采集数据的速度模型分析；三维图像成像技术。本系统和方法有助于准确地探测深部煤层的空间结构及地质异常结构，可以有效保证矿山按计划投产运行。

Description

一种深部煤层探测系统及控制方法
技术领域
本发明属于矿山勘探技术领域，具体涉及一种深部煤层探测系统及控制方法。
背景技术
煤层的结构和空间分布是矿山建设的主要依据，但目前的勘探手段效果有限，其对多煤层矿山的深部煤层的结构和空间的探测往往不能满足设计及建设的要求，这容易在矿山实际建设过程中导致设计中途的修改，甚至会引发矿山的改建，导致矿山的延期投产，进而会造成大量的时间和财产损失，这种现象在大多数开采矿山过程中均有发生，所不同的只是设计改动的多少，改建影响大小的问题。另外，地质异常体空间分布不但直接影响到矿山的设计和建设，最重要的是会影响煤矿的安全开采，由于在开采过程中由于对煤层结构及分布的不能控制，错误判断地质异常的位置，经常会引起各种安全灾害的发生，也会造成生命和财产的严重损失。
目前煤层的结构和地质异常体的确定主要有两种方法：钻探的方法和地球物理勘探的方法。
钻探的方法就是使用钻孔的方法直接确定和测量煤层的深度、厚度和结构，位于相邻钻孔1之间的煤层结构和分布依靠钻孔获得的数据进行估算，如图1所示。因此，钻探方法的精度与钻孔1的密度有着非常重要的关系，勘探区内钻孔1设置的越多探测的精度越高，但是钻探高昂的费用和时间限制了钻孔1的使用数量，同时，提供钻探点的煤层深度越深、结构越复杂费用就越高。特别地，对于一些钻孔1之间的局部结构，钻探方法无法的有效探知。
地球物理勘探方法，如三维地震勘探方法用来探测钻探方法无法感知的钻孔之间煤层、结构及地质异常体的分布。三维地震勘探方法通过煤层对地震波的反射时间和特征来计算煤层的空间分布，其精度由地面的地震震源A2和探测传感器C3的密度来决定，三维地震勘探方法是目前最好的探测钻孔之间煤层空间分布和结构变化的技术手段，如图2所示。在目前的三维地震勘探方法中，主要是通过地面的地震震源A2发射地震波，再通过设置在地面上的若干探测传感器C3来接收经煤层反射后地震波的方式来计算煤层的空间分布，并通过地震波传播和衰减特征来对煤层的结构空间分布进行深入分析的。而因为煤层在反射地震波同时，也在大量消耗和吸收地震波的能量，煤层越厚，消耗的能量越大；这种消耗和吸收不但在地震波下行时发生，在上行反射回地面时同样会发生，进而会大大降低反射信号的有效性和可靠性。除了能量因素以外，煤层间的传播路径的复杂性也会叠加微弱的地震有效信号，增加了计算和解析的困难，降低了三维地震勘探方法在多煤层地区深部煤层探测过程中的可靠性。如图2所示，位于上部煤层4和深部煤层5之间煤层会存在层间反射信号6，层间反射信号6就是一种干扰信号，其与下覆煤层的有效反射信号叠加后，降低了三维地震勘探方法中反射波法对深部煤层探测的可靠性。同时，在深部煤层5中的透深部煤层透射信号12和深部煤层反射信号13都呈指数衰减，上覆煤层越厚，层数越多，信号越弱。
在我国华北南部煤田，如安徽河南等地，可开采煤层达数十层，同时，最上层的煤层较厚，受到目前的勘探方法的限制，对深部煤层的探测精度一直无法满足矿山建设的要求。由于不能精确探测深部煤层及地质异常体的空间分布，时而会导致重大灾害发生。因此，一种能在勘探阶段或矿山早期建设时期就能精准确定煤层的结构、地质异常情况及煤层空间分布的机构和方法，是大幅提高经济效益、保证矿山按计划投产运行的重要保障。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种深部煤层探测系统及控制方法，该系统结构简单，投入成本低，可以有助于准确地探测深部煤层的空间结构及地质异常结构，可以有效保证矿山按计划投产运行；该方法能结合三维地震勘探方法和钻探方法的特点，将钻探方法和三维地震勘探方法从设计、时间和空间整合在一体，能为矿山深部煤层开采提供可靠的资料，可有效防止深部开采过程中重大灾害的发生。
本发明提供一种深部煤层探测系统，包括在勘探区中钻取的多个钻孔、探测传感器A、地震震源B和中央处理器；
每个钻孔中填满有封孔介质，且于主要探测煤层位置埋设有探测传感器A；所述探测传感器A上连接的传输信号电缆穿过封孔介质延伸到地表；
所述地震震源B按探测精度和区域确定位置布置在勘探区中的地表面；
所述中央处理器通过信号传输设备分别与各个探测传感器A的传输信号电缆连接。
在该技术方案中，通过使钻孔中埋设探测传感器A，可以方便地采集地震直达波和下覆煤层的反射波，同时，其采集的地震反射波信号衰减少，受干扰少，计算的煤层空间分布比目前其它的方法更丰富更精准，它既可以利用地震直达波来确定煤层顶板的结构，也可确定下覆煤层的空间分布情况。埋设在钻孔中的探测传感器A作为长效探测传感器A，解决了多煤层深部煤层的勘探和地质异常体的确定问题，有效地解决了深部煤层的空间分布及地质异常体的探测技术难题。
进一步，为了能通过所采集的波信号来确定煤层本身的结构变化及空间演化情况、确定煤层与地面之间或上覆煤层之间的隐覆地质结构，所述主要探测煤层位置至少包括煤层顶板所在位置、煤层所在位置和煤层底板所在位置。
进一步，为了获得顶部煤层的数据，还包括安装在勘探区地表面上的多个探测传感器B，多个探测传感器B按探测精度和区域确定位置布置在勘探区中的地表面，且均通过信号传输设备与中央数据采集器连接。
作为一种优选，所述中央处理器为带有信号采集器和数模转换设备的工业计算机。
本发明还提供了一种深部煤层探测方法，包括以下步骤：
步骤一：通过煤层钻孔的方式确定探测煤层；
在勘探区中，按照钻探勘探规程，确定深部主要煤层；
步骤二：埋设探测传感器；
对每个钻孔进行封孔作业，并在封孔过程中，从最深煤层开始依次在主要探测煤层增加安装探测传感器A，同时，使探测传感器A上连接的信号传输电缆穿出到地表，再在钻孔的上端进行封堵处理；通过信号传输设备建立中央处理器与各个探测传感器A的传输信号电缆的连接；其中，主要探测煤层位置至少包括煤层顶板所在位置、煤层所在位置和煤层底板所在位置；
步骤三：布置地震震源；
根据勘探的阶段和需求，在勘探区中按探测精度和区域确定位置布置三维地震勘探系统或布置地震震源网络；
步骤四：地震震源测试；
依次激发每个震源安装点中的地震震源B，通过中央处理器及信号采集器核实所有探测传感器A均能获取地震波信号；
步骤五：采集地震波信号；
激发地震震源B，通过中央采集器实时记录探测传感器A所采集的数据，并保证地震震源B与探测传感器A所采集数据的时间同步；
步骤六：建立速度模型；
通过中央处理器，以地震直达波数据为依据，利用全波和地震波成像的方法，对地震震源B和探测传感器A之间地质异常体和煤层空间进行计算分析，并得出精确的速度模型，计算分析过程从浅步煤层向深部煤层依序进行；
步骤七：三维成像；
根据速度模型及反射波的数据，计算并得到下覆煤层的空间分布和地质异常体的空间分布三维图像。
进一步，为了方便获得顶部煤层的相关数据，在步骤二中，，还可以在勘探区的地表面安装与中央处理器及采集器连接的多个探测传感器B。
作为一种优选，在步骤三中，地震震源B的间隔与探测煤层的深度、多煤层间的距离及钻孔的间隔相关联，且钻孔间隔为地震震源B间隔的整数倍。
作为一种优选，在步骤三中，先将勘探区等距划分网格，再进行地震震源网络的布置。
作为一种优选，在钻孔及勘探阶段结束后，步骤三、步骤四、步骤五、步骤六和步骤七，可根据开采和探测需要随时进行，也可反复进行。
现有技术中，钻探过程中产生的钻孔在使用后均直接进行了封孔，浪费了通过钻孔资源及成本。本方法在封孔过程中埋设探测传感器A，进而能实现对钻探过程中产生钻孔的充分利用。在钻探封孔过程中，预埋接收地震波的探测传感器A，增加了钻孔的价值，解决了三维地震勘探方法中深部煤层反射信号被屏蔽的技术问题，为多煤层地区地球物理勘探和应用提供了新的解决方案。在钻孔中埋设探测传感器A，不但极大地降低了地震波在传播过程中能量消耗的影响，而且能够使地震勘探的时间和空间的机动性更强，便于实时同步调整，对深部煤层精准探测有十分重要的意义。
本方法中的探测传感器A的埋设位置可以在煤层顶板中、煤层中和煤层底板中，具体可根据探测重点而定；如需要对顶部煤层进行探测，还可以在地表面设置探测传感器B。本发明采用钻孔传感器和地面震源的布置方法，在获取深部煤层反射波的同时，也可获取的煤层上覆地层的地震直达波信息，特别地，设置在煤层中的探测传感器还可以方便地采集煤层槽波，而传统的技术中，并不能对槽波进行采集，本发明通过槽波的采集可以便捷地确定煤层本身的结构变化及空间演化情况，对资源监测有着显著的效果。与地震反射波比，地震直达波提供的信息更直接可靠，能更真实反映震源和传感器之间的地质岩石特征，从而能提供更可靠、更精确的分析建模依据。
本方法以地震直达波数据为依据，这与三维地震勘探方法明显的不同，由于本方法确保了直达波数据大量获得，而大量有效的地震直达波的资料又是三维地震勘探方法的基础，这样，本方法可以充分利用全波和地震波速度成像的方法，精准探测出震源和钻孔传感器之间地质异常体和煤层间的速度模型，而通过本方法能够确定出的空间煤层的分布结果也会更为最精准，更为可靠。
由于目前勘探技术的限制，多煤层地区深部煤层的探测一直是勘探和生产的疑难问题，本方法将钻探方法和三维地震勘探方法的优势有效的结合在了一起，并克服了其各自的局限性，并通过埋设长效探测传感器A的方式解决了多煤层深部煤层的勘探和地质异常体的确定问题，有效地解决了深部煤层的空间分布及地质异常体的探测技术难题。另外，钻孔中的探测传感器A布置后，可连续长期使用，需要针对某煤层或局部地区的地质异常现象进行探测时，只需在地面适当位置激发地震震源即可，再通过对采集数据进行分析对比即可。无需费工费时的进行多次地震勘探施工。本方法中的勘探过程可反复进行，直到得到合适的结果为止，非常方便有效。
附图说明
图1是现有技术中钻探方法对煤层空间分布的探测结构示意图；
图2是现有技术中三维地震勘探方法中信号传播的结构示意图；
图3是本发明中地震震源的布置结构示意图；
图4是本发明中探测传感器A相对于煤层位置的布置结构示意图；
图5是本发明利用地震波探测的结构示意图；
图6是现有技术中三维地震勘探技术中使用的平均速度模型；
图7是本发明中三维地震勘探技术中使用的速度模型。
图中：1、钻孔，2、地震震源A，3、探测传感器C，4、上部煤层，5、深部煤层，6、层间反射信号，7、探测传感器A，8、地震震源B，9、反射波，10、槽波，11、直达波，12、深部煤层透射信号，13、深部煤层反射信号。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图4至图7所示，一种深部煤层探测系统，包括在勘探区中钻取的多个钻孔1、探测传感器A7、地震震源B8和中央处理器；
每个钻孔1中填满有封孔介质，且于主要探测煤层位置埋设有探测传感器A7；所述探测传感器A7上连接的传输信号电缆穿过封孔介质延伸到地表；
所述地震震源B8按探测精度和区域确定位置布置在勘探区中的地表面；
所述中央处理器通过信号传输设备分别与各个探测传感器A7的传输信号电缆连接。
通过使钻孔中埋设探测传感器A，可以方便地采集地震直达波和下覆煤层的反射波，同时，其采集的地震反射波信号衰减少，受干扰少，计算的煤层空间分布比目前其它的方法更丰富更精准，它既可以利用地震直达波来确定煤层顶板的结构，也可确定下覆煤层的空间分布情况。埋设在钻孔中的探测传感器A作为长效探测传感器A，解决了多煤层深部煤层的勘探和地质异常体的确定问题，有效地解决了深部煤层的空间分布及地质异常体的探测技术难题。
为了能通过所采集的波信号来确定煤层本身的结构变化及空间演化情况、确定煤层与地面之间或上覆煤层之间的隐覆地质结构，所述主要探测煤层位置至少包括煤层顶板所在位置、煤层所在位置和煤层底板所在位置。
为了获得顶部煤层的数据，还包括安装在勘探区地表面上的多个探测传感器B，多个探测传感器B按探测精度和区域确定位置布置在勘探区中的地表面，且均通过信号传输设备与中央数据采集器连接。
作为一种优选，所述中央处理器为带有信号采集器和数模转换设备的工业计算机。
本发明提供了一种深部煤层探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：通过煤层钻孔的方式确定探测煤层；
在煤层勘探钻孔中，特别是勘探后期和开采期的补充勘探的钻孔中，按照钻探勘探规程的封孔过程中，选取深部煤层的层位置；
步骤二：埋设探测传感器；
对每个钻孔1进行封孔作业，并在封孔过程中，从最深煤层开始依次在主要探测煤层增加安装探测传感器A7，以使探测传感器A7作为长效地震传感器，同时，使探测传感器A7上连接的信号传输电缆穿出到地表，再在钻孔1的上端进行封堵处理；通过信号传输设备建立中央处理器与各个探测传感器A7的传输信号电缆的连接；其中，主要探测煤层位置至少包括煤层顶板所在位置、煤层所在位置和煤层底板所在位置；
这样，能在矿山建设和开采的不同阶段，可根据实际需要，周期性的激发震源和采集数据分析，便于对比不同时段勘探区的成像变化，可以更有效地分析勘探区的地球物理特征的变化，可有效获取精准的地质异常体的变化，能为煤矿安全开采提供更有效、更可靠的数据基础。
设置在煤层顶板中的探测传感器A可以方便地采集地震直达波和下覆煤层的反射波，主要用于通过所采集的波信号来确定煤层与地面之间或上覆煤层之间的隐覆地质结构；设置在煤层中的探测传感器A7，可以方便地采集煤层槽波11，主要用于通过所采集的波信号来确定煤层本身的结构变化及空间演化情况，其对资源监测比较重要；在煤层底板中的探测传感器A7为最有效益的探测传感器，其可以方便地采集地震的直达波11和下覆煤层的反射波9，同时，其采集的地震反射波信号衰减少，受干扰少，计算的煤层空间分布比目前其它的方法更丰富更精准，它既可以利用地震直达波来确定煤层顶板的结构，也可确定下覆煤层的空间分布情况。
如果勘探的目标还包括顶部煤层，还可以在勘探区的地表面安装与中央处理器及采集器连接的多个探测传感器B，以保证顶部煤层的空间分布的勘探精度。
步骤三：设计地震震源位置，布置地震震源；
根据勘探的阶段和需求，在勘探区中布置三维地震勘探系统或布置地震震源网络；如果具备三维地震勘探条件，可以利用三维地震勘探系统中的地震震源及相关设备，如果不具备三维地震勘探系统条件时，可以根据所需要的勘探精度来布置地震震源网络。如果对获取的结果精度需要提高，当然，也可以根据实际情况，在相关的局部区域灵活地进行布置位置的调整，并保证地震震源的间隔应小于勘探精度要求即可，无需重新布置新的传感器网络，极大地降低了对其它地面施工的要求。
优选地，地震震源B8的间隔与探测煤层的深度、多煤层间的距离及钻孔1的间隔相关联，且钻孔1间隔为地震震源B8间隔的整数倍，以能根据精度要求，保障直达波和反射波的传播路径对监测区有足够的覆盖，进而能显著提高探测的精度和效率。
优选地，先将勘探区等距划分网格，再进行地震震源网络的布置。但为了满足特殊需要，震源可根据需要布置，但震源的地理位置必须精准确定。
步骤四：地震震源测试；
依次激发每个震源安装点中的地震震源B8，通过中央处理器及信号采集器核实所有探测传感器A7均能获取地震波信号，以保证所有探测传感器A均能获取到相关的震源信息；
激发所有布置的震源，可以没有激发的顺序和时间的限制，但对每个震源的激发，要保证震源周围的钻孔的最深部煤层的探测传感器A可获取可靠的信号。
步骤五：采集地震波信号；
激发地震震源B8，通过中央采集器实时记录探测传感器A7所采集的数据，并保证地震震源B8与探测传感器A7所采集数据的时间同步；这样，能使采集的数据既有三维数据对顶部煤层的探测精度，也能保证对深部煤层的空间分布的探测精度。
步骤六：建立速度模型；
通过中央处理器，以地震直达波数据为依据，选择合适的处理软件，利用全波和地震波成像的方法，对地震震源B8和探测传感器A7之间地质异常体和煤层空间进行计算分析，并精确地得出上覆地层的速度模型，具体的计算分析过程从浅步煤层向深部煤层依序进行，同时，处理软件的选择主要与勘探区的地质条件有关，同时，也与地震勘探技术的局限性有关。
步骤七：三维图像成像；
根据速度模型及反射波的数据，计算并得到下覆煤层的空间分布和地质异常体的空间分布三维图像。
在钻孔及勘探阶段结束后，步骤三、步骤四、步骤五、步骤六和步骤七，可根据开采和探测需要随时进行，也可反复进行。
现有技术中，钻探过程中产生的钻孔在使用后均直接进行了封堵，浪费了通过钻孔资源及成本。本方法在封孔过程中埋设探测传感器A，进而能实现对钻探过程中产生钻孔的充分利用。在钻探封孔过程中，预埋接收地震波的探测传感器A，增加了钻孔的价值，解决了三维地震勘探方法中深部煤层反射信号被屏蔽的技术问题，为多煤层地区地球物理勘探和应用提供了新的解决方案。在钻孔中埋设探测传感器A，不但极大地降低了地震波在传播过程中能量消耗的影响，而且能够使地震勘探的时间和空间的机动性更强，便于实时同步调整，对深部煤层精准探测有十分重要的意义。
本方法中的探测传感器A的埋设位置可以在煤层顶板中、煤层中和煤层底板中，具体可根据探测重点而定；如需要对顶部煤层进行探测，还可以在地表面设置探测传感器B。本发明采用钻孔传感器和地面震源的布置方法，在获取深部煤层反射波的同时，也可获取的煤层上覆地层的地震直达波信息。与地震反射波比，地震直达波提供的信息更直接可靠，能更真实反映震源和传感器之间的地质岩石特征，从而能提供更可靠、更精确的分析建模依据。
本方法以地震直达波数据为依据，这与三维地震勘探方法明显的不同，由于本方法确保了直达波数据大量获得，而大量有效的地震直达波的资料又是三维地震勘探方法的基础，这样，本方法可以充分利用全波和地震波速度成像的方法，精准探测出震源和钻孔传感器之间地质异常体和煤层间的速度模型，而通过本方法能够确定出的空间煤层的分布结果也会更为最精准，更为可靠。
由于目前勘探技术的限制，多煤层地区深部煤层的探测一直是勘探和生产的疑难问题，本方法将钻探方法和三维地震勘探方法的优势有效的结合在了一起，并克服了其各自的局限性，并通过埋设长效探测传感器A的方式解决了多煤层深部煤层的勘探和地质异常体的确定问题，有效地解决了深部煤层的空间分布及地质异常体的探测技术难题。另外，钻孔中的探测传感器A布置后，可连续长期使用，需要针对某煤层或局部地区的地质异常现象进行探测时，只需在地面适当位置激发地震震源即可，再通过对采集数据进行分析对比即可。无需费工费时的进行多次地震勘探施工。本方法中的勘探过程可反复进行，直到得到合适的结果为止，非常方便有效。

Claims (9)

1.一种深部煤层探测系统，包括包括在勘探区中钻取的多个钻孔(1)；
其特征在于，还包括探测传感器A(7)、地震震源B(8)和中央处理器；
每个钻孔(1)中填满有封孔介质，且于主要探测煤层位置埋设有探测传感器A(7)；所述探测传感器A(7)上连接的传输信号电缆穿过封孔介质延伸到地表；
所述地震震源B(8)按探测精度和区域确定位置布置在勘探区中的地表面；
所述中央处理器通过信号传输设备分别与各个探测传感器A(7)的传输信号电缆连接。
2.根据权利要求1所述的一种深部煤层探测系统，其特征在于，所述主要探测煤层位置至少包括煤层顶板所在位置、煤层所在位置和煤层底板所在位置。
3.根据权利要求1或2所述的一种深部煤层探测系统，其特征在于，还包括安装在勘探区地表面上的多个探测传感器B，多个探测传感器B按探测精度和区域确定位置布置在勘探区中的地表面，且均通过信号传输设备与中央数据采集器连接。
4.根据权利要求3所述的一种深部煤层探测系统，其特征在于，所述中央处理器为带有信号采集器和数模转换设备的工业计算机。
5.一种深部煤层探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：通过煤层钻孔的方式确定探测煤层；
在勘探区中，按照钻探勘探规程，确定深部主要煤层；
步骤二：埋设探测传感器；
对每个钻孔(1)进行封孔作业，并在封孔过程中，从最深煤层开始依次在主要探测煤层增加安装探测传感器A(7)，同时，使探测传感器A(7)上连接的信号传输电缆穿出到地表，再在钻孔(1)的上端进行封堵处理；通过信号传输设备建立中央处理器与各个探测传感器A(7)的传输信号电缆的连接；其中，主要探测煤层位置至少包括煤层顶板所在位置、煤层所在位置和煤层底板所在位置；
步骤三：布置地震震源；
根据勘探的阶段和需求，在勘探区中按探测精度和区域确定位置布置三维地震勘探系统或布置地震震源网络；
步骤四：地震震源测试；
依次激发每个震源安装点中的地震震源B(8)，通过中央处理器及信号采集器核实所有探测传感器A(7)均能获取地震波信号；
步骤五：采集地震波信号；
激发地震震源B(8)，通过中央采集器实时记录探测传感器A(7)所采集的数据，并保证地震震源B(8)与探测传感器A(7)所采集数据的时间同步；
步骤六：建立速度模型；
通过中央处理器，以地震直达波数据为依据，利用全波和地震波成像的方法，对地震震源B(8)和探测传感器A(7)之间地质异常体和煤层空间进行计算分析，并得出精确的速度模型，计算分析过程从浅步煤层向深部煤层依序进行；
步骤七：三维成像；
根据速度模型及反射波的数据，计算并得到下覆煤层的空间分布和地质异常体的空间分布三维图像。
6.根据权利要求5所述的一种深部煤层探测方法，其特征在于，在步骤二中，还可以在勘探区的地表面安装与中央处理器及采集器连接的多个探测传感器B。
7.根据权利要求6所述的一种深部煤层探测方法，其特征在于，在步骤三中，地震震源B(8)的间隔与探测煤层的深度、多煤层间的距离及钻孔(1)的间隔相关联，且钻孔(1)间隔为地震震源B(8)间隔的整数倍。
8.根据权利要求7所述的一种深部煤层探测方法，其特征在于，在步骤三中，先将勘探区等距划分网格，再进行地震震源网络的布置。
9.根据权利要求8所述的一种深部煤层探测方法，其特征在于，在钻孔及勘探阶段结束后，步骤三、步骤四、步骤五、步骤六和步骤七，可根据开采和探测需要随时进行，也可反复进行。
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