转龙湾煤矿煤层冲刷带的解释方法研究_曹秀森.pdf

1概况煤层冲刷带一般是指水流对泥炭层或煤层的冲蚀，并通常由砂质沉积物充填而成的地质综合体，是一种常见的矿井地质现象1。煤层冲刷带的存在对煤炭的正常采掘和安全生产造成了不利影响2-3。目前常用的煤层冲刷带预测方法有沉积分析法、矿井物探法以及地质统计法等4，其中矿井物探法可分为井下电法勘探和地震勘探，而三维地震勘探是识别煤层冲刷带最常用的技术手段5-6。转龙湾煤矿位于鄂尔多斯盆地的东北缘，主要可采煤层为侏罗系中下统的 II-3 号煤层。根据煤层采掘及钻孔的揭露情况，发现井田中存在古河流冲刷带。因此，本文使用全波场地震模拟软件建立了煤层冲刷带的地质模型，通过正演模拟分析总结了冲刷带在地震时间剖面上的判别标志，以期为煤矿的采掘和安全生产提供依据。2地质模型的建立建立的地质模型长度 1 000 m，深度 400 m，包括煤层冲刷缺失区（250350 m）、煤层冲刷变薄区 1（450550 m）和煤层冲刷变薄区 2（650转龙湾煤矿煤层冲刷带的解释方法研究曹秀森（河北省煤田地质局 环境地质调查院，河北 石家庄 050091）摘要：转龙湾煤矿位于鄂尔多斯盆地的东北缘，主要可采煤层为侏罗系中下统的 II-3 号煤层。根据煤层采掘及钻孔的揭露情况，发现井田中存在古河流冲刷带。本文使用全波场地震模拟软件建立了煤层冲刷的地质模型，通过分析总结出了冲刷带在时间剖面上同相轴振幅变弱或中断的响应特征。结合转龙湾井田西部勘探区工程实例，解释了区内的冲刷带，与矿方的实际揭露情况吻合度较高，为煤矿的安全、高效生产提供了保障。关键词：煤层冲刷带；三维地震勘探；正演模拟中图分类号：P631文献标识码：B文章编号：2095-5979（2023）05-0062-04Study on interpretation method of coal seamerosion zone in Zhuanlongwan MineCaoXiusen(Institute of Environmental Geology,Hebei Coal Geology Bureau，Shijiazhuang 050091，China)Abstract：Zhuanlongwan Mine is located in the northeastern margin of the Ordos Basin.The main mineable coal seam isthe No.II-3 coal seam of the middle and lower Jurassic.According to the mining and excavation of coal seam and exposureof drilling hole,it is found that there are ancient river erosion zones in the mine field.In this paper,the geological model ofcoal seam erosion was established by using the full wave field seismic simulation software.The response characteristics ofthe weakening or interruption of the event amplitude in the time section were summarized through analysis.Combined withthe engineering example of the western exploration area of Zhuanlongwan Mine Field,the erosion zone in the area wasexplained,which was in good agreement with the actual expose of the mine,and provided a guarantee for the safe andefficient production ofcoal mines.Key words：coal seamerosion zone;three-dimensional seismic exploration;forward modeling责任编辑：张彤DOI：10.19286/ki.cci.2023.05.015作者简介：曹秀森（1987），男，河北正定人，工程师。引用格式：曹秀森.转龙湾煤矿煤层冲刷带的解释方法研究J.煤炭与化工，2023，46（5）：62-65.地 测 与 水 害 防 治Coal and Chemical Industry煤 炭 与 化 工Coal and Chemical Industry第 46 卷 第 5 期2023 年 5 月Vol.46 No.5May 2023622023 年第 5 期uk+1i,j=ukij+utt=k*t*t+122ut2t=k*t*t2+o(t2)750 m），如图 1 所示。正常煤层的厚度为 4 m，冲刷缺失区煤层厚度为 0，冲刷变薄区 1 煤层厚度为2 m，冲刷变薄区 2 煤层厚度为 3 m。煤层冲刷的区域为砂岩所填充。模型具体的几何与物性参数见表 1。图 1煤层冲刷带模型Fig.1 Model ofcoal seamerosion zone3冲刷带正演模拟本文采用 Tesseral-2D 软件对建立的地质模型进行正演模拟，该软件是一种基于有限差分方法的波动方程模拟软件，相对于射线追踪方法能更好的反映地震波的动力学特征。3.1有限差分法有限差分法首先利用网格将求解的区域进行划分（空间离散），一般用二维结构化网格将空间划分为一个个大小相等的网格，x 和 y 方向上的增量相等。然后利用差分方程对偏微分方程进行替换，计算区域每个网格点在不同时刻的波场值。此次正演模拟采用的计算模型为声波方程。对于二维速度-深度模型，地震波在地下介质中的传播可近似地用声波方程描述：式中：v(x,z)为点（x,z）处的纵波速度；u 为速度波场；t 为时间；s(t)为震源函数。空间模型的网格化如图 2 所示。用 ukij表示（i，j）点 k 时刻的波场值。将 uk+1ij在（i，j）点 k 时刻用 Taylor 级数展开：表 1 煤层冲刷带模型的几何与物性参数Table 1 Geometric and geophysical prameters ofcoal seamerosion zone model地层砂岩煤层深度范围/m0190、194400190194厚度/m190、2064纵波速度/（m s-1）3 0002 000密度/（g cm-3）2.201.252ut2=v2(2ux2+2uz2)+S(t)（1）图 2网格化Fig.2 The gridding（2）uk-1i,j=uki,j+utt=k*t*t+122ut2t=k*t*t2+o(t2)（3）将上面 2 个公式相加，省略掉高阶小量，得到（i，j）点在时刻 k 的二阶时间微商为：同理可得（i，j）点在时刻 k 的二阶空间微商分别为：这便用网格点波场值的差商替换了偏微分方程的微商，最后将以上 3 个公式代入（1）式中得：2ut2=uk+1i,j-2uki,j+uk-1i,jt2（4）2ux2=uki+1,j-2uki,j+uki-1,jh2（5）2uz2=uki,j+1-2uki,j+uki,j-1h2（6）200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720 740 760 780 800240220200180160冲刷缺失区冲刷变薄区 1冲刷变薄区 2砂岩1砂岩2煤层hhi-l，j-1i-l，j+1i-l，ji，j-1i，ji，j+1i+l，j+1i+l，ji+l，j-1曹秀森：转龙湾煤矿煤层冲刷带的解释方法研究63煤炭与化工2023 年第 5 期第 46 卷uk+1i,j=v*th()2*(uki+1j+uki-1j+uki,j+1+uki,j-1)+2h2-4v2t2h2()2*uki,j-uk-1i,j+S(k)*(i-i0)*(j-j0)（7）此即二阶声波方程的有限差分公式。3.2地震正演模拟此次正演模拟采用的观测系统为 240-10-10-10-240。炮距 30 m，共布设 30 炮，覆盖次数为 8。选用 55 Hz的零相位雷克子波。通过模拟放炮，并进行切初至、抽道集、动校正、叠加和偏移等处理，得到了最终的叠加和偏移时间剖面，如图 3所示。从正演叠加时间剖面来看，因煤层与围岩间有明显的波阻抗差异，煤层正常赋存区形成了稳定可连续追踪的反射波；煤层冲刷缺失区及变薄区处反射波频率降低，绕射波发育。从偏移时间剖面及振幅属性图来看，煤层冲刷缺失区及变薄区处的绕射波得到了很好的收敛，正常煤层处的反射波振幅稳定，能量较强；在 250350 m 处的煤层冲刷缺失区，出现了煤层反射波的中断；在 450550 m 和650750 m 处的煤层冲刷变薄区处，可清楚看到煤层反射波振幅变弱的特征，且煤层冲刷变薄区 1（煤厚 2 m）的反射波振幅相对煤层冲刷变薄区 2（煤厚 3 m）的反射波振幅要更弱些。由此可总结出煤层冲刷带在地震时间剖面上会反映为反射波同相轴的中断或振幅变弱；煤层反射波振幅的强弱可作为煤厚定性解释的依据。4实例分析此次三维地震勘探区位于鄂尔多斯市转龙湾井田西部勘探区。主要地质任务为查明主要煤层的赋存、断层发育及冲刷带的分布情况。4.1勘探区地质概况及地球物理特征勘探区范围内大面积被第四系风成沙覆盖，基岩出露甚少。沉积的主要地层有三叠系上统延长组；侏罗系中、下统延安组、中统直罗组和安定组；白垩系下统伊金霍洛组；第四系上更新统萨拉乌苏组和全新统地层。井田内含煤地层为侏罗系延安组，共含煤 10层。主要可采煤层为-3、-2 煤层。-3 煤层位于延安组第五岩段，煤组中下部，煤层平均厚度 4.30 m，局部有冲刷现象。顶板主要为粉砂岩和泥质粉砂岩，也有砂岩、细砂岩；底板以泥质粉砂岩和粉砂质泥岩为主，局部也有细砂岩。煤层在大部分区域厚且稳定，该特征也是井田内煤层对比的主要标志之一。4.2资料的采集、处理针对勘探区的地震地质条件，经过点实验的定量、定性分析和线束实验的情况，确定了合理的施工参数。三维地震勘探观测系统为 14L4S60T7R24 次线束状，CDP 网格 5 m10 m。资料处理中经过面波衰减、静校正、反褶积、速度分析、叠加、噪音衰减及偏移等处理，使数据体的品质有了明显改进。4.3煤层冲刷带的解释通过时间剖面上煤层反射波同相轴的中断或振幅变弱的特征及煤层的沿层振幅切片上的显示，结合钻孔等地质资料，解释了-3 煤冲刷区 8 个（CS1、CS2、CS3、CS4、CS5、CS6、CS7、CS8），如图 4、图 5 所示。5结语通过 Tesseral-2D 全波场地震模拟软件对煤层冲刷带模型的正演模拟可知，根据受到冲刷作用的强弱，煤层冲刷带处的反射波会出现同相轴的中断或振幅变弱的特征。结合鄂尔多斯市转龙湾井田西图 3正演剖面及振幅属性显示Fig.3 The forward section and displayofamplitude property406080100CDP50100150200250双程反射时/ms（a）叠加剖面CDP40608010050100150200250双程反射时/ms（b）偏移剖面CDP6040608010050100150200250300350双程反射时/ms（c）振幅显示冲刷缺失区冲刷变薄区 1 冲刷变薄区 2冲刷缺失区冲刷变薄区 1 冲刷变薄区 2冲刷缺失区冲刷变薄区 1 冲刷变薄区 2642023 年第 5 期（1）根据深部开采厚隔水底板的突水量变化和底板破坏特征，将作用于底板的应力扰动模式细化为远场基本顶失稳的动载荷和近场支承压力的静载荷扰动模式两类，前者底板突水量随支护载荷和推进速度的变化呈现出明显的突变增加，后者无明显的矿山压力显现。（2）深部开采厚隔水层底板破坏模式为采动裂隙与底板深部隐伏构造和贯穿断层直接沟通奥灰含水层破坏模式，前者最大突水量在较长时间内达到低值，而后者在较短时间内达到较高的最大值。（3）提出了以“地面水平分支孔底板注浆加固+切顶卸压”为主的深部开采底板突水防控技术，现场开采实践防控效果较好。参考文献：1 施龙青，韩进.底板突水机理及预测预报M.北京：中国矿业大学出版社，2004.2 李浩，白海波，武建军，等.循环荷载下完整底板导水通道演化过程研究 J.岩土力学，2017，38（S1）：447-454.3 尹尚先，王屹，尹慧超，等.深部底板奥灰薄灰突水机理及全时空防治技术J.煤炭学报，2020，45（5）：1 855-1 864.4 尹立明，郭惟嘉，路畅.深井底板突水模式及其突变特征分析J.采矿与安全工程学报，2017，34（3）：459-463.5 鲁海峰，孟祥帅，张元，等.采场底板层状结构关键层隔水性能力学分析 J.中国矿业大学学报，2020，49（6）：1 057-1 066.5结语通过建立的 29106 工作面的走向和倾向观测站，获得了回采期间的岩层移动规律。观测结果表明，地表的下沉值较大，且岩层运动时间较长，这对于地表建筑物十分不利。为此，在开采过程中，必需要做好地面采动区设施的保护工作。参考文献：1 张海君，吴奕枢，王飞，等.准格尔煤田龙王沟煤矿特厚煤层综放开采地表沉陷规律 J.西安科技大学学报，2022，42（5）：874-883.2 张晓岩，路鑫.S1306 工作面开采沉陷“天-地”协同监测方案研究J.煤，2022，31（9）：55-57，73.3 张海洋，李小萌，孙利辉.大倾角煤层开采地表沉陷规律研究J.煤炭工程，2022，54（6）：108-112.4 孙镜博.长春市双阳区长岭煤田多采空区地表沉降变形研究D.吉林：吉林大学，2022.5 屈正一.邢台矿固体密实充填开采覆岩及地表运移规律研究D.邯郸：河北工程大学，2022.6 谢晓深，侯恩科，王双明，等.风沙滩地区中深埋厚煤层综采地表移动变形规律实测研究 J.煤矿安全，2021，52（12）：199-206.部勘探区实例解释了冲刷带的分布，从矿方后续的的实际揭露情况来看吻合度较高，对矿方的正常采掘及安全生产具有积极的指导意义。参考文献：1 刘俊杰.地质统计学在预测煤层冲刷带中的应用研究 J.煤炭学报，2004，29（1）：49-52.2 庄百宏.呼盛煤矿 3 煤层故河流冲刷带特征及对开采的影响J.呼伦贝尔学院学报，2019，27（4）：84-86.3 管永伟，陈同俊，崔若飞，等.煤层冲刷带地震响应特征及其与煤层瓦斯突出的相关性分析 J.地球物理学进展，2016，31（1）：191-197.4 李普涛，张起钻，汪恕生.煤层冲刷带预测方法评述 J.中国煤田地质，2007，19（2）：17-195 周玉华，程继东，周恒心.利用地震属性技术解释煤层冲刷变薄带J.山东煤炭科技，2020（5）：152-154 6 李雪梅.三维地震勘探预测煤层冲刷带 J.能源技术与管理，2017，42（2）：173-175.7 和卫红，王再峰.李村煤矿大断面煤巷过冲刷带围岩控制方法研究J.煤，2020（11）：34-38.8 王存飞，范文胜.补连塔煤矿大采高综采工作面过冲刷带技术研究J.煤炭工程，2017，49（8）：85-87.9 彭可平，董智慧，李学彬，等.煤层冲刷带软岩巷道支护技术研究J.中国资源综合利用，2011，29（7）：47-49.10 郑 岩，程增庆，王永哲，等.大隆煤矿煤层冲刷及采空区的解释方法研究J.中国煤田地质，2007（6）：63-64，78.图 5-3 煤层的沿层振幅切片Fig.5 Amplitude slices alongthe No.-3 coal seam图 4CS5 煤层冲刷区在时间剖面上的显示Fig.4 DisplayofCS5 coal seamerosion zone on time section（上接第 61 页）（上接第 57 页）曹秀森：转龙湾煤矿煤层冲刷带的解释方法研究65