黄陵矿区2号煤层构造应力场分析

煤层构造应力场与煤与瓦斯突出和煤层裂隙分布带范围密切相关.黄陵矿区煤层中瓦斯含量较高,分布不均是矿井安全生产的重要隐患.基于该区地震、地质和测井数据,本文对三维地震数据体进行精细的构造解释,用反演法建立了地质力学模型,并确定岩石力学参数,运用有限元理论和弹性计算力学对矿区三维构造应力场进行了数值模拟,得到黄陵矿区2号煤层地质构造带应力场分布特征,模拟结果与井田宏观及微观构造信息一致.这对预测该区裂隙分布带,煤与瓦斯突出等具有重要的指导意义.     

构造煤AVO特征及正演模拟研究

瓦斯突出是当前影响我国煤矿安全生产的主要因素之一.由于不同性质的煤层其瓦斯突出的可能性不同,原生煤具有低瓦斯炙出可能性,构造煤瓦斯突出可能性较大,而具有软分层特征的构造煤其瓦斯突出的可能性极高.由于不同性质煤层间的岩性差异较大,构造煤的泊松比要比原生煤的泊松比大0.1～0.2.因此,不同煤层与其顶、底板岩性差异不同,从而其顶、底板反射波的AVO曲线存在较大差异.从而可以通过AVO分析技术探测瓦斯突出可能性较高的构造煤的分布,特别是具有软分层特征构的造煤的分布.通过这种方式可以为煤矿安全生产提供第一手的地质资料.但目前AVO技术是以石油工业为基础发展而来的,并不完全适用于煤系地层.通过对煤层顶、底板AVO曲线的对比分析,发现目前常用的AVO近似方程对煤系地层来说精度较低,严重影响AVO分析精度.本文通过对Zoeppritz方程及其主要近似方程的分析对比,提出了一种改进的Hilterman近似方程,从而极大地提高了煤系地层AVO曲线的近似精度,使高精度的煤系地层AVO分析成为可能.另外,通过对构造煤顶、底板AV0曲线的分析,发现构造煤底板反射波较复杂并不适合AVO分析,而其顶板反射波规律性较强有利于AVO分析.     

常温压条件下五种变质程度构造煤的超声弹性特征

鉴于构造煤对煤矿安全生产和煤层气抽采的重要影响,为了实现构造煤的地震预测,针对淮南、平顶山、鹤壁和焦作4个矿区采集的5种不同变质程度的碎粒与糜棱构造煤样进行了走向方向的实验室超声测量。在常温常压条件下,构造煤样纵、横波超声测试显示：相比于原生结构煤,构造煤的纵横波速度、品质因子、弹性模量大幅度降低。具体表现为：构造煤的纵横波速度之间存在一定的相关性,但速度与密度、速度与品质因子、纵波品质因子与横波品质因子之间的线性相关性已不存在;纵横波速度比与泊松比总体呈现降低的规律,纵波品质因子小于横波品质因子。孔隙结构与弹性模量的关系分析显示：纵横波速度与孔隙体积、有效孔隙率和比表面积存在较好的正相关性;杨氏模量、剪切模量也存在类似的关系,但其他模量不存在这种相关性。不同构造煤样的弹性模量、孔隙结构与变质程度、密度之间未发现存在相关性,这与构造煤主要表现为结构的破坏是吻合的。上述实验结果显示,从地震弹性反演的角度预测构造煤是可能的。     

构造煤及夹矸对煤层AVO正演模拟结果影响分析

为研究煤层中夹矸、构造煤对煤层AVO特征的影响,本文建立了4类典型模型并以岩石物理实验数据为依据确定了模型参数,基于反射系数谱理论计算了模型PP波、PS波的反射系数和相位,分析了煤层中夹矸和构造煤对煤层AVO特征的影响.模拟结果表明:夹矸层在煤层中所处空间位置和分层情况对煤层反射系数没有影响,但随夹矸层厚度的增大,煤层PP波PS波反射系数和相位均发生变化;构造煤对煤层PP波、PS波反射系数和相位影响大于夹矸层,构造煤和夹矸层对煤层AVO结果的影响相反;对于即含有夹矸又含有构造煤的厚煤层,夹矸层和构造煤在煤层中所处空间位置对煤层反射系数没有影响;夹矸层与构造煤相对厚度变化会对构造煤AVO地震响应产生影响.煤层中夹矸会减弱构造煤响应识别,在进行构造煤反演时,应结合实际地质资料,排除夹矸影响,提高构造煤预测精度.     

利用方位波阻抗信息预测煤层裂隙发育

由于煤层为弱各向异性介质,当煤体结构遭到一定程度的破坏时,煤层内生裂隙较为发育,此时地震波在煤层中传播时会表现出比较明显的各向异性特征.本文针对山西某矿宽方位采集的三维地震数据进行方位角道集抽取,处理得到六个不同方位的偏移数据体.针对不同方位的数据体,分别提取15煤层的振幅属性.同时,利用测井曲线约束分别进行波阻抗反演.利用不同方位的振幅属性和波阻抗信息,通过阻尼最小二乘法计算得到裂隙发育的相对密度值B/A及裂隙发育方向Φf.研究结果表明波阻抗的方位各向异性特征相对振幅属性更加明显,对裂隙的探测结果分辨率更高.且预测结果与钻孔资料吻合度较高,裂隙发育具有一定的构造倾向性.     

神经网络在煤层瓦斯含量预测中的应用

随着我国煤炭资源开采深度增加,瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出等与瓦斯(煤层气)含量有关的安全事故日趋增多.煤的导电性是煤受到的应力大小、煤层瓦斯含量和煤中含水量等多因素的综合反映,由此借助电学方法来建立煤层瓦斯含量与煤导电特性之间的数学模型,进而达到预测煤层瓦斯含量的目的.通过采用自主研制的煤电阻率测试系统,对大佛寺井田低变质原生结构煤进行了应力大小、恒定压力下作用时间、煤含水量以及煤吸附甲烷量等多种因素对煤电阻率的影响的研究.结果表明：应力大小是影响煤电阻率变化的主要因素,同时煤层瓦斯含量对煤电阻率也有较大的影响,最后基于BP神经网络对煤层瓦斯含量进行反演,建立了煤层瓦斯含量的预测模型,其预测结果对未开采区煤层瓦斯含量的预测具有一定的参考意义.     

构造煤中敏感元素迁移、聚集规律及地质控制因素——以淮北海孜矿为例

构造煤是煤层在构造应力作用下发生变形变质的产物,煤中元素在变形变质过程的迁移、聚集在很大程度上是对应力。应变环境的响应。基于安徽淮北海孜矿中不同变形序列构造煤样,利用XRF和ICP—MS方法测定了煤中49种元素的含量,结合煤的显微分析,探讨了不同类型构造煤中敏感元素迁移、聚集规律及其地质控制。结果表明,煤中矿物的分布和形态与构造煤变形程度有关,从弱脆性变形煤中的有序分布向韧性变形煤的无序结构演化。依据煤中元素分布特征,将构造煤中元素迁移模式分为稳定型、聚集型、散失型和复杂型等4类,元素迁移模式与构造煤类型密切相关。研究发现,构造煤的变质变形作用并未改变稀土元素（REE）的整体分布形态,但稀土元素分布随构造煤变形出现明显的动力分异现象。由此可以认为,成煤期后的构造作用、构造煤的脆性和韧性变形机制及其伴随的动热效应是影响构造煤中元素重新分配的主要因素,构造运动为元素的再次迁移提供了动力和基础,变质变形过程决控制了元素迁移的方式和途径,动热效应是煤变质作用发生的重要原因,构造应力加速了元素迁移、聚集的速率,从而使元素随煤体变形发生动力分异。     

多参数岩性地震反演在识别煤层顶板砂岩中的应用——以新景煤矿为例

山西国阳新能股份有限公司新景煤矿3煤层在掘进和回采过程中,频发煤与瓦斯突出事故,给煤矿安全生产带来隐患.通过多个采区的瓦斯地质调查,发现大部分区域的瓦斯突出与煤层的顶板岩性(砂岩)和煤层结构(煤层的冲刷变薄)密切相关,当3煤层被顶板砂岩冲刷变薄,即3煤层顶板砂岩的厚度增加时,极易发生瓦斯突出.本文对研究区的测井曲线进行特征分析,并对测井曲线进行融合处理,利用多参数岩性反演的方法获得的波阻抗数据体可以对3煤层顶板砂岩的分布特征进行详细研究.反演结果与实际情况吻合度较高,且在瓦斯突出点位置,煤层顶板的波阻抗值明显增大,并能够清晰地辨别砂岩的位置和空间形态,其研究成果对新景煤矿瓦斯预测和治理具有重要意义.     

构造煤物性参数测试的研究进展

一定厚度构造煤的存在是煤与瓦斯突出发生的必要条件;同时,构造煤发育区域也往往是瓦斯富集区.因此,研究构造煤的物性参数具有重要意义.由于构造煤具有煤体强度低、孔隙率高、渗透率低等特点导致采样制样及准确获得影响其物性参数的主控因素困难,因此研究构造煤弹性和电性参数的主控因素,初步分析主控因素的影响机理,这对利用地球物理勘探技术探测构造煤赋存分布、突出预测具有重要的指导意义.本文在系统查阅国内外有关利用地球物理学手段预测煤与瓦斯突出文献的基础上,从以下3个方面论述了构造煤的物性参数测试的研究进展:(1)对比分析了当前阶段构造煤制样手段的优缺点.(2)探讨了煤岩物理性质、储层条件和测试条件对构造煤物性参数的影响.(3)物性参数在岩石物理模型建立、地震数据处理和岩性反演等预测煤与瓦斯突出方面的应用研究.最后提出了构造煤物性参数测试存在的主要问题及一些认识.     

序贯指示模拟方法在煤层顶板岩性预测中的应用

渭北石炭二叠纪煤田煤层顶板横向非均质性强,依靠钻探所得煤层顶板岩性误差较大.地震资料具有较高的纵向、横向分辨率,利用地震资料可以提高煤层顶板岩性预测精度.本文采用序贯指示模拟方法进行煤层顶板岩性预测.通过分析煤层顶板岩性资料,利用数据空间变异性特征和相应的地震属性求取变差函数,将井点资料作为硬数据,地震数据作为软约束进行煤层顶板岩性预测.综合运用地质资料、地震资料,为煤层顶板岩性预测提供了一种有效的方法.     

煤及煤层气储层导电特性研究综述与展望

随着人类对天然气资源需求的剧增,煤层气勘探开发已备受业界重视.煤层气勘探开发的诸多技术均移植于常规天然气.常规天然气储层的含气饱和度与电阻率间具有良好的相关性.对于煤层气储层,煤层含气量与电阻率间是否具有相关性、其影响因素主要有哪些,对电阻率预测煤层含气量至关重要.本文翔实调研了国内外煤及煤层气储层导电性研究的相关文献,系统总结了煤体结构、煤的变质程度、温度及水分等对煤体导电性的影响特征,并细致梳理了含气煤储层吸附和解吸过程中电阻率变化规律.系统总结得知,现有研究成果多集中在煤体导电性的研究方面,煤层含气量与煤储层导电性间的内在定量关系尚不清晰.借助于煤岩样标定电阻率测井,进而来分煤阶、分煤体结构来研究煤层气储层导电性是本领域发展的趋势.     

利用地震资料预测断裂发育区泥岩盖层封油气区的方法

为了研究断裂发育区泥岩盖层在油气成藏与分布中的作用,在断裂对泥岩盖层破坏程度研究的基础上,通过断裂对泥岩盖层的破坏程度与其上下油气分布关系,确定出了泥岩盖层封油气所需的最大破坏程度.通过比较断裂对泥岩盖层破坏程度与其封油气所需最大破坏程度的相对大小,建立了一套利用地震资料预测断裂发育区泥岩盖层封油气区的方法,并将其应用渤海湾盆地冀中凹陷留楚地区断裂破坏东一、二段泥岩盖层封油气区的预测中,结果表明:留楚地区断裂破坏东一、二段泥岩盖层封油气区主要分布在留楚地区东部、西部中部和北部地区.东一、二段泥岩盖层非封油气区则主要分布在北部留楚背斜核部、西南广大地区和西北局部地区,与目前留楚地区其下东二、三段和其上馆陶组已发现油气仅分布在非封闭区相吻合,表明利用地震资料预测断裂发育区泥岩盖层封油气区是可行的.     

六种不同变质程度煤的最大镜质组反射率与弹性参数的关系

煤镜质组反射率是评价煤阶、区分煤种的重要参数之一,在煤层气勘探与开发、采煤、化工和冶金中有着重要的应用.以往煤阶的评价单纯通过巷道和钻孔取芯的煤样实验室测试分析获得,受取样点有限限制.本文通过6种不同变质程度煤的挥发分和镜质组最大反射率的测试,配合煤样的超声弹性测量,探讨了镜质组最大反射率与地震属性参数-波速、密度和弹性模量之间的相关性.研究发现:煤镜质组最大反射率与地震属性参数均存在较好的线性正相关,其中以密度与纵波速度的相关程度最高.从而为利用煤田地震预测镜质组最大反射率,进而预测煤阶的三维立体分布提供了试验与物理依据.     

六种不同变质程度煤的纵横波速度特征及其与密度的关系

对采自不同地区和煤矿的六种不同变质程度煤样进行常温常压条件下的超声测量.测量发现:煤的纵波与横波速度均与密度存在良好的线性正相关关系,且沿煤层走向、倾向和垂直煤层层理方向的纵横波速度逐渐降低;走向、倾向和垂向上的纵波速度与同一方向的横波速度也存在良好的线性正相关性;六种煤样三个方向间的速度各向异性一般都大于10%.通过与经典经验公式—Gardner与Castagna公式理论换算值的对比发现:由于煤层的软岩特征,理论换算煤的纵波速度、横波速度与实验室实测值之间存在较大误差.因此,在煤田地震勘探中应使用根据煤的岩石物理测试而形成的关系式.     

测井曲线识别构造煤实例研究

构造煤发育是发生煤与瓦斯突出的必要条件,常规构造煤识别方法存在效率低和准确率低等缺点.本文以芦岭煤矿Ⅱ六采区8煤层为研究目标,利用不同结构类型煤体的测井响应特征不同的特点,识别煤层中不同结构类型煤体.为了提高识别准确性,利用小波多尺度分析方法提取测井曲线中的低频分量和中频分量;再以低频分量和中频分量为输入,利用聚类分析法划分不同结构类型的煤体.通过识别,可以明显区分出目标层的原生煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤等四种结构类型煤体,同时也可以识别出煤层中的夹矸.以研究区中多钻孔识别的煤体类型为基础,绘制煤体结构三元相图,并将研究区划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ等四类煤体结构组合类型区块.其中,Ⅲ类组合区块中构造煤最为发育,是煤与瓦斯突出的重点防治区.     

常温压条件下六种变质程度煤的超声弹性特征

煤弹性是反映煤的物质组分和结构的重要力学特征之一.在钻孔与测井的约束下,运用地震勘探获取煤层的弹性特征以反映其物性等,对于煤炭井工开采和煤层气储层评价及开发具有重要的工程意义,而其中,煤样的超声实验是实现地震反演煤层物性的基础.鉴于此,本文针对中国义马、阜康、淮南、平顶山、鹤壁和焦作6个矿区采集的6种不同变质程度的原煤样30块,在常温常压条件下分别进行了沿煤层走向、倾向及垂直层理三个方向煤样的实验室超声波测量.测试结果显示:煤样纵横波速度在走向、倾向、垂向三个方向上依次减小,存在各向异性,且P波速度的平均各向异性强于S波;品质因子与弹性模量在三个方向上也存在较大差异,且S波的品质因子大于P波的品质因子;弹性模量除泊松比外,均小于一般的沉积岩.通过本实验与分析进一步证明了:Gardener与Castagna公式不适用于中国煤田的煤岩弹性描述,并给出了精度更高的经验公式.     

基于地震属性的煤层厚度预测模型及其应用

地震属性技术在岩性和构造解释等方面得到了越来越广泛的应用,特别是在煤、油气资源勘探中具有重要的作用.基于淮南矿区谢桥1区13 1煤层地震勘探资料,提取了28种地震属性数据;通过地震属性的分析,优选出平均峰值振幅、振幅的峰态、最大绝对振幅、瞬时频率斜率等4种地震属性作为煤层厚度预测模型基本参数,结合已知钻孔资料,利用多元多项式回归以及BP人工神经网络方法,求出了各属性与煤厚之间的多元多项式回归模型及人工神经网络模型,并对模型进行了误差分析和应用结果对比分析,反映出人工神经网络模型在煤厚预测中具有好的应用效果.     

基于密集台阵地震背景噪声成像预测煤矿瓦斯分布

瓦斯突出是一种常见的煤矿动力灾害现象,随着煤矿矿井开采深度的增加,煤层瓦斯含量、压力都呈上升趋势,发生煤与瓦斯突出的危险性加大.传统的瓦斯测量方法只能测量局部离散点瓦斯含量,难以从矿井及采区尺度对瓦斯含量进行预测.因此需要寻求一种能够在采区及工作面布设前预测煤层瓦斯富集程度的高效地球物理方法.背景噪声成像方法已经在城市地下空间、矿产资源等近地表成像中得到广泛的运用.本文将该方法首次应用到阳泉寺家庄煤矿井田区域,采用96个台站记录的连续背景噪声数据,通过互相关方法获得了台站对之间的瑞利面波经验格林函数,并进一步提取了 5 Hz～1.4 s的基阶瑞利面波的群速度和相速度频散曲线.本研究首先通过区域的平均频散曲线获得该区域的平均一维横波速度结构作为三维反演的初始模型;其次,利用基于射线追踪的面波频散直接成像方法获得研究区1.0 km以浅的三维横波速度结构;最后,结合获得的三维速度结构,以及岩石物理实验获得的瓦斯含量与地震波速度的经验关系,预测了寺家庄井田15号煤的瓦斯含量,预测的瓦斯含量与实际巷道揭露的瓦斯含量具有较好的一致性.本研究成果表明,对于煤矿瓦斯分布预测来说,背景噪声成像方法是一种潜在有效的全新的技术形式.     

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

阳泉新景煤矿生产实践发现3#煤层发生的煤与瓦斯突出事故大部分位于煤层冲刷带.三维地震勘探记录地层连续性好、控制精度高,是识别煤层冲刷带最常用的技术手段.本文以新景矿芦南二区为研究区,建立二维正演模型,研究煤层的地震响应规律,发现其振幅和相位属性对煤层冲刷带响应明显.利用该区现有的三维地震资料,综合瞬时振幅属性特征、地震相分类特征及声波阻抗响应特征,圈定冲刷带平面位置及分布范围.运用有限元分析软件对煤层冲刷带应力分布进行三维正演模拟,结合煤样测试结果,对区内应力异常带的煤层瓦斯和煤体结构等进行分析.研究发现煤层冲刷带过渡区段突出危险性最大,是圈定冲刷带的关键部位,研究成果与实际突(喷)出点位置吻合度较高.总之:1)煤层冲刷作用是导致瓦斯地质条件差异性的主要因素之一,过渡区段为重点防突区域;2)综合多种地震岩性信息响应特征在准确识别煤层冲刷带位置及分布范围方面效果显著.     

基于GIS的构造裂缝综合分析技术及应用

目前虽然有许多种方法可以进行构造裂缝预测,但由于碳酸盐岩发育区裂缝发育的复杂性,需要综合研究构造裂缝定量预测的新方法.本文以哈萨克斯坦扎纳若尔碳酸盐岩凝析油田为研究和应用对象,提出了基于GIS系统的构造裂缝综合分析技术,通过构造DEM滤波分析、综合曲率分析、裂缝地形因子分析以及DEM构造应力场分析,提取与裂缝有关的构造起伏变化和侵蚀程度指标,对于碳酸盐岩储层利用DEM进行古水文地质条件分析,研究古地貌侵蚀和沉积的空间分布情况.根据构造应力场信息,综合分析不同构造部位岩层发生破裂的可能性及破裂程度,预测区域裂缝和局部构造裂缝发育带、发育程度及发育方向,并取得了不错的预测效果.