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1、煤矿地球物理勘探技术及应用 于景邨,中国矿业大学 资源与地球科学学院 地球物理研究所2012.8,第一部分：煤矿深部开采地震勘探技术第二部分：煤矿三维地震数据动态解释技术 第三部分：煤矿水害地面电磁法探测技术第四部分：煤矿水害井下电磁法探测技术第五部分：煤矿水害事故案例,第一部分 煤矿深部开采地震勘探技术,煤矿深部开采地震勘探技术,1.概述2.地震勘探的基本原理3.二维地震勘探4.三维地震勘探,煤矿深部开采地震勘探技术,1.概述 在现代化高产高效矿井的建设和生产过程中，综采工作面的合理布置、综采机组高产高效的发挥、矿工以至整个矿井的安全，依赖于矿井地质条件的查明程度。主要地质任务包括：(1)查
2、明落差5m左右的断层及幅度5m左右的褶曲；(2)查清陷落柱、老窑及采空区的空间分布形态；(3)解决煤层分叉与合并、煤层厚度变化、火成岩侵入、煤层顶底板水文地质条件及力学性质等一系列地质问题。,煤矿深部开采地震勘探技术,1.概述 现行高产高效矿井地质条件保障是以物探技术为先导，钻探、化探和巷探等基础地质手段加以配合，同时依托计算机技术实现生产地质工作的动态管理。其工作模式可分为三个层面：(1)井田范围主要可采煤层开采地质条件评价，查明煤层构造是主要工作，主要勘查手段为二维地震勘探、电法勘探与钻孔。(2)采区采前地质条件勘查，主要工作是查明采区范围内的小构造，包括落差5m左右的断层、陷落柱(直径1
3、5m左右）、老窑及采空区的空间分布形态，根据采区衔接的要求，应提前布置实施。在地表条件允许的前提下，三维高分辨率地震勘探技术是首选方法。(3)综采工作面地质条件超前探测，在综采设备安装或开采前，查明工作面内一切地质异常现象，为工作面持续开采提供地质保障是主要工作。矿井物探方法（无线电波透视等）,煤矿深部开采地震勘探技术,2.地震勘探的基本原理 地震波的传播特征：地震波分为体波和面波，体波在弹性介质的内部传播，面波沿着弹性介质的某些界面传播，见图1。纵波(P波)质点振动方向和波传播方向相同。横波(S波)质点振动方向和波传播方向相垂直。质点振动在水平平面中的横波分量称为水平横波(SH波)，质点振动
4、在垂直平面中的横波分量称为垂直横波(SV波)。瑞雷面波(R波)质点在通过传播方向的铅垂面内沿椭圆轨迹逆转运动。,煤矿深部开采地震勘探技术,2.地震勘探的基本原理,图1 地震波的传播示意图a纵波；b水平横波；c垂直横波；d瑞雷面波,煤矿深部开采地震勘探技术,2.地震勘探的基本原理 地震波在传播过程中遇到两种地层分界面时，就会产生反射波。在地面上用仪器把各个地层分界面的反射波到达时间 记录下来，利用地震波传播速度，便可以计算出地层分界面的埋藏深度。图2是地震勘探示意图。,煤矿深部开采地震勘探技术,2.地震勘探的基本原理,图2 地震勘探示意图,煤矿深部开采地震勘探技术,3.二维地震勘探,二维地震勘探
5、是一套以数字方式记录地震信号，经数字处理获得地震时间剖面，查明煤田构造的技术方法。地震时间剖面是构造解释的基础资料。通常，一条地震测线可得到一张时间剖面(图3)。图3中，横坐标为共中心点(CDP)，纵坐标为双程旅行时间，以秒(s)为单位。时间剖面不同于深度剖面，但能直观地反映地下构造形态。,煤矿深部开采地震勘探技术,3.二维地震勘探,图3 地震时间剖面,煤矿深部开采地震勘探技术,3.二维地震勘探,二维地震勘探可以解决主要地质问题是：(1)查明落差10m的断层，提供落差小于10m的断点，平面摆动误差小于50m；(2)查明幅度 10m的褶曲，主要可采煤层底板深度误差不大于2%；(3)查明新生界(第
6、四系)厚度；(4)探明直径大于30m的陷落柱、无煤带、煤层分叉合并，为回采工作面布置提供可靠的地质资料。,煤矿深部开采地震勘探技术,4.三维地震勘探,三维地震勘探的特点：三维地震勘探具有大面积密集采集信息的优势，利用地震信息可以从平面和立体角度研究地层的构造、岩性的变化，广泛用于煤矿采区的合理布置、主巷道的开拓、综采工作面开采地质条件的评价。三维地震勘探提供了能反映地质体时空变化的三维数据体，见图4。利用该数据体，可以提取垂直剖面和地震切片，以满足解释工作的需要，见图5。,煤矿深部开采地震勘探技术,4.三维地震勘探,图5 垂直剖面和地震切片,图4 三维地震数据体,煤矿深部开采地震勘探技术,4.
7、三维地震勘探,图6 三维可视化,煤矿深部开采地震勘探技术,4.三维地震勘探,目前，煤田三维地震勘探技术已经成为详细查明小断层、小褶曲、陷落柱、采空区、冲刷带等重要地质资料的主要手段。但是，其整体水平仍处于构造解释阶段，尚不能解决煤矿安全生产中的所有地质问题。在地震地质条件较好的地区，三维地震勘探可以解决的主要地质问题是：(1)查明落差大于等于5m的断层，提供落差小于5m的断点，平面摆动误差小于30m；(2)查明幅度大于等于5m的褶曲，主要可采煤层底板深度误差不大于1.5%；(3)查明新生界(第四系)厚度；(4)探明直径大于20m的陷落柱、无煤带、煤层分叉合并及煤层厚度变化(误差小于1m)。,煤
8、矿深部开采地震勘探技术,应用实例,探测巷道,探测陷落柱,解释小断层,煤矿深部开采地震勘探技术,探测巷道,图4 谢桥煤矿东一采区两个平行回风石门,煤矿深部开采地震勘探技术,探查陷落柱,图5 巷道掘金揭露陷落柱,煤矿深部开采地震勘探技术,图6 陷落柱在地震剖面上的反映,煤矿深部开采地震勘探技术,根据4、6煤层反射波的特征，结合沿层切片(图7和图8)和相干切片(图9和图10)对勘探区内陷落柱进行了查找，发现一处上、下煤层均错断大于20m的塌陷漏斗状的陷落柱现象，长轴约为140m，短轴约为70m。,煤矿深部开采地震勘探技术,陷落柱,图7陷落柱在4煤层沿层切片上的显示,煤矿深部开采地震勘探技术,陷落柱,
9、图8陷落柱在4煤层相干切片上的显示,煤矿深部开采地震勘探技术,解释小断层:淮南矿业集团张集煤矿西三采区三维地震勘探为高效和准确的构造解释发挥了重要作用。图11是西三采区13-1煤层相干切片与底板等高线图的对比，左图是西三采区13-1煤层的相干切片，右图是西三采区13-1煤层的底板等高线图。,煤矿深部开采地震勘探技术,图11 西三采区13-1煤层相干切片与底板等高线图的对比,第二部分 煤矿三维地震数据动态解释技术,煤矿三维地震数据动态解释技术,一、煤矿采区三维地震勘探存在的问题,近年来，三维地震勘探技术广泛用于煤矿采区的合理布置、主巷道的开拓、综采工作面开采地质条件的评价，在矿井和采区设计优化、
10、避免和减少地质风险、优选采煤方法等方面起到了重大作用。,煤矿三维地震数据动态解释技术,煤矿采区三维地震勘探存在的问题,近年来，在使用三维地震勘探成果的过程中暴露出许多问题，主要包括：(1)地震成果的利用率低，仅限于煤层底板等高线图和固定间距的地震时间剖面，无法利用三维地震数据体的所有信息；(2)无法实时获得沿巷道方向(即任意方向)的地震剖面；(3)无法对煤层底板等高线的误差进行修正；(4)在掘进和回采过程中，可以发现许多落差小于5m的断层，但是无法自动修改原构造解释方案(即无法自动修改煤层底板等高线图)。,煤矿三维地震数据动态解释技术,造成上述问题的主要原因是，目前三维地震资料解释系统(如La
11、ndMark、GeoFrame等)均为安装在UNIX系统下的工作站上，过于专业化，而且价格昂贵，煤矿地质人员一般无法使用。因此，随着煤矿生产对三维数据进行动态解释的需求越来越高，煤矿地质人员急需一种安装在微机上，基于WINDOWS平台，价格便宜、简单易学的、具有基本解释功能的地震数据解释系统。它将使得地震资料能够随煤矿生产进行全程动态解释，提高三维地震成果利用水平，以便解决更多的地质问题。,煤矿三维地震数据动态解释技术,经过多年的研究，中国矿业大学资源与地球科学学院开发了“煤矿三维地震数据动态解释系统”，先后公布了多个版本。煤矿三维地震数据动态解释系统(V1.0)于2008年获得国家软件版权。
12、煤矿三维地震数据动态解释系统由地震数据工具箱、数据体剖面显示、数据体切片显示和地震属性技术四个模块构成。,煤矿三维地震数据动态解释技术,一、煤矿采区三维地震勘探存在的问题,煤矿三维地震数据动态解释技术,煤矿三维地震数据动态解释系统具有以下主要功能：(1)地震工区数据管理 包括建立工区数据库、将UNIX SEGY格式的三维数据体转换为PC-DOS SEGY格式、工区切割、二维测线提取、三维数据体的输入、相对坐标与绝对坐标的转换等。(2)钻孔资料管理 根据钻孔(包括井巷工程和回采过程中)的见煤深度资料计算速度场，可以对速度场实时刷新。图5为工区平面底图。(3)地震剖面显示和输出 对三维数据体的In
13、line剖面、Crossline剖面、联井剖面和任意方向剖面进行显示，对二维测线进行显示，显示方式包括波形、波形加变面积、彩色变密度、灰度、双极性等。图6为联井地震剖面显示。对三维数据体的Inline剖面、Crossline剖面、联井剖面和任意方向剖面进行输出，输出方式可以是PC-DOS SEGY文件或图形文件。,煤矿三维地震数据动态解释技术,(4)地震切片显示 对三维数据体的时间切片和沿层切片进行显示，显示方式包括彩色和灰度。图7为沿层彩色切片显示。(5)地质剖面显示 在显示地震剖面的同时，在另一窗口显示所对应的地质剖面。(6)地震标准层位追踪与拾取 包括三种层位拾取方法，手动拾取、半自动拾
14、取和自动拾取。同时，也可以利用其它解释系统得到的层位数据。(7)断层解释 在地震剖面图上拾取某个目的层断点，在地震平面图上对断点进行组合。,煤矿三维地震数据动态解释技术,(8)地震解释成果输出 利用实时刷新的速度场可以得到实时刷新的各标准层的构造解释成果，输出方式为AutoCAD文件。(9)地震属性计算 提取21个一维、二维地震属性参数；计算 相干数据体与方差数据体；利用Mallat算法计算正交小波数据体；利用Gabor变换计算谱分解三维数据体。(10)采掘工程图平面显示 对于煤矿生产过程中使用的采掘平面图可以输入到本系统中的工区底图中，从而作为重要的已知地质信息帮助煤矿地质人员解释和理解三维
15、地震资料。图8显示的是某采区部分采掘工程图。(11)地震数据三维可视化显示 对三维地震数据体、地震剖面、地震平面等进行三维立体显示，实现了对数据体的动态放大、缩小、平移等交互操作。图9是某采区的交叉剖面立体显示，图10是某采区的沿层切片立体显示，图11是三维数据体中的部分数据体的显示。,煤矿三维地震数据动态解释技术,传统的三维地震解释服务于煤矿勘探阶段，与煤矿安全生产过程相脱节。煤矿三维地震数据动态解释技术是指“三维地震信息与煤矿生产过程中所获得的矿井地质信息相互融合”。这是一个动态过程，服务于煤矿生产阶段，实现了三维地震信息随煤矿生产进行全程动态解释，彻底改变了传统的三维地震解释模式，提高了三维地震成果的利用水平，能够解决更多的地质问题。,
