煤矿复杂地质条件精细预测预报技术及应用

段中会，马 丽，高 阳，师修昌，吕广罗

(1.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，西安 710021；2.陕西省煤田地质集团有限公司，西安 710021；3.陕西省186煤田地质有限公司，西安 710054)

煤矿复杂地质条件精细预测预报技术及应用

段中会1,2，马 丽1,2，高 阳1,2，师修昌1,2，吕广罗1,3

(1.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，西安 710021；2.陕西省煤田地质集团有限公司，西安 710021；3.陕西省186煤田地质有限公司，西安 710054)

三维地震勘探信息挖掘不足及与矿井采掘地质信息脱节是矿井地质保障工作中存在的普遍现象。针对影响郭家河煤矿安全生产的主要地质问题，利用采区三维地震勘探成果和矿井采掘信息的集成和融合，对煤层厚度、地质构造、水害等矿井地质条件进行精细预测预报研究。建立了以矿井开采和测井资料为约束条件、多参数反演煤层厚度的综合预测技术，使煤厚预测准确率提高15%；采用地震属性融合技术提高小构造的识别能力，预测地质构造准确率提高30%。基于三维地震信息识别含水砂体的空间分布，建立了充水含水层富水性层次分析结构模型和水害危险性地质预测方法。研究成果对复杂地质条件煤矿的安全高效生产提供了低成本但有效的地质支撑。

三维地震勘探；地质保障；煤层厚度；矿井水害；精细预测

0 引言

我国约80%的煤矿重特大事故与隐蔽致灾地质因素有关，绝大多数煤矿安全隐患是由于地质条件在采矿过程中的变化引起的[1]。煤矿地质工作是煤矿安全高效生产的基础，查明矿井地质条件是本质安全型矿井的核心要求。

2016年新版《煤矿安全规程》首次引入“地质保障”作为独立一编，“地质保障”成为煤矿安全法律法规体系的重要内容，在《规程》中有了具有强制性、规范性的规定。但是，从实践来看，煤矿安全地质保障仍然是我国煤矿企业的薄弱环节。煤矿地质保障工作现阶段突出的、具有普遍性的问题是：勘探地质报告和采区三维地震勘探报告都是固化的一次性产品，交付矿方使用的地质成果是基于有限勘查数据得出的有限地质认识，在报告交付时这些成果尚没有、也无法得到验证；采区三维地震数据中含有大量、丰富的信息，提交报告所提取并利用的尚不足三分之一，大多数有用信息没能够挖掘应用，甚为可惜；矿井建设和生产采掘过程中揭露的大量地质现象，是对原报告地质认识的检验和约束，在目前煤炭生产与勘探相分离的情况下，矿井揭示的地质现象不能及时反馈给地质人员，地质人员无法进一步深化对地质成果的认识，无法精细预测地质条件的变化。

笔者认为，煤矿地质工作实质是一个将预测地质模型逐步修正、不断转化并最终形成一个真实地质实体的过程。在矿井采掘过程中揭露的日益丰富的地质信息约束下，深度挖掘煤田地质勘查、采区三维地震勘探及井下物探所内蕴的地质信息，提高矿井地质条件的预测预报准确性，才能为矿井建设提供更准确、更详细、更全面、更及时、更有效的地质保障[2-3]。

研究区选定陕西省黄龙侏罗纪煤田永陇矿区郭家河煤矿，面积94.72km2，侏罗系中统延安组为矿区主要含煤地层，主要可采煤层3号煤层，煤层埋深178～588m，平均可采厚度11.66m；矿井设计规模500万t/a，服务期限为61.3a，单水平开采，采用综采放顶煤采煤工艺。该矿曾进行了系统完整的地质勘查工作，积累了丰富的勘查地质资料。采矿实际遇到的影响煤矿安全生产主要地质问题有：煤厚变化、地质构造、顶板水害、瓦斯涌出及矿山压力等。

1 采区三维地震勘探成果分析

在Ⅰ、Ⅱ盘区范围共进行三维地震勘探面积31.64km2。在生产三维地震勘探解释阶段，基于单机工作站的计算能力，仅利用了密度和波速两个物性参数，得到地震数据的波阻抗，以煤层特有的低波阻抗的特征，对其顶底界面拾取并进行厚度转化，得到煤层厚度变化趋势；地震解释地质构造时以垂直时间剖面为主，结合地震属性提取技术，在区内解释出不同规模的断层70条、褶曲27条。断层以走向NW、NE、NNE向的张性正断层为主，落差多集中在5～20m；褶曲走向主要为近EW、NS。

目前矿井采掘活动集中在Ⅰ盘区，开采3号煤层，截止2016年，完成1301、1303、1304、1305、1306共5个工作面的开采，1307工作面正在掘进中，实际开采面积1.4km2。分析已经开采区域的地质条件的预测和验证结果，以1307工作面为例，按50m间隔读取煤层开采数据与三维地震解释成果对比，三维地震预测的煤层厚度绝对误差为-0.4～12.5m，相对误差最大137.07%、最小2.37%，平均相对误差34.0%。地震地质成果能反映煤层厚度变化趋势，但在个别地段误差偏大；在已开采范围内，三维地震勘探解释10条褶曲、5条断层，均得到生产的揭示，另有巷道生产揭示的4条褶曲和2条断层三维地震未给予解释，褶曲查明率为71.5%、断层查明率为71.4%。

矿井采掘实际揭示情况说明，对影响郭家河煤矿安全生产的主要地质条件的预测精度有待进一步提高。精细解释中，基于计算速度为25万亿次/s的HPC高性能计算机平台，先对地震数据进行了重新处理，特别注重炮检点空间位置的检查，注重对Ⅰ、Ⅱ盘区地震数据进行接边处理、静校正和干扰波消除等工作，确保地层及构造的精确成像。紧密结合测井数据与矿井采掘信息，对处理后的三维地震数据体进一步认识和分析，对煤层厚度、地质构造、水害等矿井地质条件进行精细预测预报研究。

2 煤层厚度精细解释与预测

煤层厚度精细解释采用了波阻抗综合反演预测技术，以测井数据为约束，以地震数据控制，采用地质统计学反演方法，根据煤层在测井曲线上的低密度、低波速、高电阻率、低伽马等特征，进行模型估算及反演，反演波阻抗、伽马等多种特性数据体，再利用多种物性参数对岩性的敏感程度及矿井生产揭示煤层的物性特征得到转换阈值(其中煤层的阈值为：密度<1.8g/cm3，电阻率>50Ω·m，伽马<90gapi)，计算得到岩性转换数据体，把垂向时窗比例放大，拾取煤层的顶底板并进行时深转换，得到煤层厚度变化情况，见图1。

在精细解释的煤厚变化趋势上，1307皮带顺槽煤厚在1 300m后出现跳水现象，1 400m附近出现无煤区，该结论与实际生产中所揭示的情况基本吻合(图2)。以50m为间隔读取1305、1306、1307工作面生产揭示情况，二次解释较一次解释的煤厚平均误差分别从-8.3%、7.6%、34%降低到0.9%、1.0%、8.1%；精度提高了6.6%～25.9%，解释精度平均提高15%。

3 煤层缺失带精细解释与预测

为降低多解性，精细解释综合利用了垂直时间剖面、波阻抗反演数据体、地震属性图和煤层聚煤规律分析共同解释煤层缺失。在垂直时间剖面上，煤层缺失特征是煤层反射波波组连续性变差、能量变弱至消失。在方差属性图上，煤层沉积稳定时，波组同相性好、差异性小、色彩均匀；煤层无沉积或煤厚变小、不连续，则地震波能量变差、 方差图上表现出色彩斑澜、杂乱。还进行了岩相古地理分析。从岩相古地理格局来看，矿区煤层的沉积相具有沉积环带状特征，矿井中部沿东西向为富煤带，且东西向沉积稳定、煤层厚、结构简单，向南北分别过渡为稳定聚煤区至含煤过渡带，煤层位于在古隆起与河漫沼泽的过渡带冲积相区，到矿区边界附近，煤层迅速变薄至不可采，甚至尖灭，煤层赋存受古地形影响较大。

图1 煤层厚度反演连井剖面Figure 1 Coal seam inversion cross-well section

图2 1307工作面一、二次解释煤层厚度精度对比Figure 2 Comparison of working face No.1307 coal seam thickness primary and secondary interpreted result accuracies

图3为Ⅰ盘区方差体切片，图中黄色区域为煤层沉积稳定区；红、黄色相杂处为煤层沉积变薄至缺失带。精细解释后，调整了原来的9处缺失边界、新增缺失区3处。以1307工作面为例， 在掘进至约1090m时，煤层变薄至尖灭，采掘被迫停工，仅从周边施工钻孔来看，煤层沉积连续无异常；实际上，缺失段正处于B6背斜核部，该处为南部大型古隆起延伸至矿区的一个狭长带，见图4。

4 地质构造的精细解释与预测

在众多的地震属性中，只有少量的地震属性能反应矿井的构造特征，而且单一属性不能完全反映矿井所有构造，因此有必要优选一些对构造特征比较敏感的属性，综合对地质构造反映的优势，实现矿井构造精细解释。研究中采用RGB属性融合技术，它能将三种不同属性融合形成新影像，并基于三基色(红、绿、蓝)原理，使三基色彼此耦合，形成色彩丰富的新图形，直观反映地质构造形态[4-5]。融合前，先提取单一地震属性、采用相关性分析方法，对地震属性进行优选，再以矿井采掘揭露的断层产状及空间展布特征等信息作为判定标准，对属性进一步优选，选定倾角、方位角、相似性、弯曲度等地震属性，进行RGB 三元色融合(见图5)，实现对单个有效地震属性求同存异，对属性异常进行放大，提高了对小构造的反映能力。

图3 Ⅰ盘区方差属性平面图Figure 3 Panel I variance attribute plan

图4 煤层厚度与古地理叠合图(局部)Figure 4 Stacking chart of coal seam thickness and paleogeographic map

图5 Ⅰ盘区单一地震属性与属性融合效果对比Figure 5 Comparison of panel I single seismic attribute and attribute fusion effects

在地质构造精细解释的基础上，采用专业地震软件，根据矿区的实际地质构造特征，利用测井、地质和钻探资料，计算拉梅常数和剪切模量等参数，建立地质模型、力学模型及数学模型，运用三维有限差分数值模拟方法对应力场进行模拟，研究构造、地层厚度、区域应力场等地质因素，预测地应力的分布规律。从反演得到的地应力方向与应力值分布规律看，矿区主要应力方向由近N-S向和NW-SE向两组组成，且以N-S向为主要应力方向，地质构造发育带附近地应力集中，地应力分析与地质构造特征一致。

精细解释后，对个别断层及褶曲的空间展布进行了调整，全区新解释断层38条、褶曲10条，新解释出的构造规模相对较小，以5m左右的断层居多。对比地质揭示情况，地质构造精细解释小型(小于5m断层，小于10m褶皱)地质构造的发现率提高30%以上。在此基础上，采用模糊评判对构造复杂程度进行分类，为矿井水害防治工作提供参数。

5 矿井水害危险性精细预测

5.1 多参数岩性反演技术

常规波阻抗反演仅仅只利用了测井曲线中的声波和密度曲线，而忽略了其他有价值的测井曲线，得到的也只有波阻抗一种物性参数结果，通常主要用来进行煤层厚度解释。研究过程中把测井和地震数据结合起来，用地震数据的解释层位为控制手段，以测井曲线为出发点进行外推内插，通过主组分分析形成初始地质模型，然后进行模型估算，并反演出波阻抗、伽马、电阻率、自然电位等多种属性数据体；再利用阈值计算得到岩性转换数据体，这样充分利用了多个物性参数的对于岩性的敏感程度，可反演得到密度、电阻率、自然伽马三维数据体，将所有测井曲线的密度、电阻率和自然伽马进行交汇分析，确定各岩性的阈值，砾岩阈值：密度≥2.2g/cm3，电阻率>150Ω·m，伽马小于160GAPI；泥岩阈值：密度≥1.8g/cm3，电阻率<100Ω·m，伽马≥160GAPI；砂体阈值：密度≥1.8g/ cm3，电阻率≥50Ω·m，伽马≤160GAPI；其他为砂质泥岩或者泥质砂岩(图6)，基于此分析，可以分别圈定出洛河组砂砾岩底界面和延安组砂岩顶界面(图7)。

图6 密度、电阻率和自然伽马测井交汇示意图Figure 6 A schematic crossplot of density, resistivity andgamma-ray well logging

5.2 洛河砂岩富水性预测

充水含水层的富水性分区是准确评价煤层顶板涌(突)水条件的一个重要因素。影响地层富水性的因素是多方面的，包括区域构造、岩性、孔隙性等[6]，研究基于MAPGIS与AHP(层次分析法)耦合的“富水性指数”方法[7]，根据地震数据反演结果、矿区水文地质试验和相关资料， 优选含水层富水性的5个主要控制因素：含水层厚度、平均孔隙度、视电阻率、冲洗液消耗量和构造发育程度，构建白垩系洛河组含水层富水性AHP(层次分析法)评价的判断矩阵，并计算出各层单排序的权值，建立含水层富水性层次分析结构模型。

基于AHP计算各主控因素权重，再对各主控因素数据进行归一化处理，利用MAPGIS的空间信息叠加功能将各主控因素按其权重综合成一个富水性量化指标，即富水性指数。建立矿区煤层顶板洛河组充水含水层富水性评价模型为：

(式中，f1(x,y)、f2(x,y)、f3(x,y)、f4(x,y)、f5(x,y)分别为含水层厚度、平均孔隙度、冲洗液消耗量、视电阻率和断层密度在位置(x,y)的同化值。)

根据富水性指数大小，选择分区阈值为0.26、0.38、0.50，将该含水层分为富水程度不同的4个区域：①相对较强富水区(CI>0.50)；②中等富水区(0.38

5.3 突水危险性预测预报

回采期间，1303、1304、1306工作面均发生顶板涌突水事故。工作面瞬时突水强度大于300m3/h的有3次，最大突水强度达700m3/h，均属大突水点。单次突水总量为5 300～200 000m3。造成重大财产损失和安全隐患。 工作面涌突水具有如下特征：

①涌突水总量小而强度大；②涌突水与工作面推进速度及距离密切相关；③涌突水水量较大时往往伴随着矿压显著增大，涌水量较大的涌突水事故与矿压关系密切；④涌突水危害严重，大的突水全部伴随着冒顶、抽顶、煤避片帮、支架压死等现象。分析表明，这数次水害的发生均以洛河组砂岩含水层水的涌入为主。矿井突水危险性预测预报应以含水层富水区空间分布、煤层顶板覆岩结构及厚度、地质构造部位等几个因素作为主要判定因素。

(1)富水性强的洛河含水层处于导水裂隙带之上下沉弯曲带内，是洛河砂岩水突水的有利条件。尽管矿井直接充水含水层为直罗组砂岩裂隙含水层及延安组砂岩裂隙含水层，但是该组地层厚度小、连续性较差、有砂泥岩互层，富水性弱，对矿井开采威协不大；洛河组砂砾岩含水层分布广、厚度大、富水性较强，是影响矿井安全生产的主要含水层；富水性分区平面图上相对富水区处工作面回采时突水危险性较大。

当洛河组砂砾岩含水层作为主要充水含水层、组成煤层覆岩时，若该含水层处于导水裂隙带之上下沉弯曲带，则有条件形成突水水源。根据矿区周围相似条件的崔木煤矿、下沟煤矿、大佛寺煤矿等5个煤矿9 个工作面导水裂隙带发育特征，研究了深埋特厚煤层综放开采导水裂隙带高度(Hf)与煤层采厚(M)、工作面倾向长度(L)、煤层开采深度(H)等相关因素间的关系计算公式[9-10]：Hf=-154.534+18.777 19M+0.446 365L+0.157 095H，可知煤层采厚是影响导水裂隙带发育的主要因素、工作面倾向长度、煤层开采深度是次要影响因素；由数值模拟、相似材料模拟及钻孔实测等多种技术手段，分析得出了研究区特定条件下煤层开采导水裂隙带高度与煤层采厚的比值范围为9.17～13.06(表1)。3煤采厚取12m，则导水裂隙带最大高度为156.72m。比较区内煤层覆岩结构与冒裂带发育高度，可知一般情况下，导水裂隙带发育在煤系之中或达洛河组底部、安定组上部，则洛河组含水层处于导水裂隙带之上下沉弯曲带内，这形成了洛河组承压水突水的有利条件。

表1 郭家河煤矿导水裂隙带高度对比及综合确定

(2)洛河组砂岩之下发育厚度较大且稳定的软性岩层，易形成覆岩“离层带”。分析表明，当沉降弯曲变形带内的洛河砂岩层内出现了“离层带”，洛河组砂岩水汇聚而后才能突入矿井形成水害。是否能形成离层带取决于弯曲变形带内的覆岩结构及特征。根据组合梁原理，离层带形成基于特定的覆岩力学结构，通常易形成于具有软硬互层结构地层中，且主要发育于厚层坚硬岩层底部。区内洛河组砂岩之下、安定组上部多为厚度较大且稳定发育的砂质泥岩或泥质沙岩等软性岩层，随着煤层开采及地层塌落变形，可在洛河组砂岩底部与下伏砂泥岩间形成规模较大的离层[8]，在这种离层空间内部，容易积聚大量来自洛河组砂岩含水层的补给，一般含水量较大。

(3)断层和褶曲构造轴部是突水危险性较大部位，尤其是大型向斜的轴部附近。褶曲轴部构造应力集中，工作面顶板压力显现明显，通常是离层空间形成的有利部位或突水薄弱地带；矿区张性正断层在拉张应力的作用下，断面破碎，易形成水源通道也是突水危险性较大部位。研究区已发生的4次突水事故，突水位置均靠近向斜轴部区域。如1304工作面“9·7”水害发生于工作面回采405m处，1306工作面“1·12”涌突水发生于工作面回采1 011m处，分别位于X2和X+1向斜轴部。

此外，结合水害发生前常伴随的瓦斯突出、冒顶、抽顶、煤壁片帮、支架压死及观测水位急剧下降等规律，可以建立对离层水害突水核心预报的指标体系，实现离层水害的精准预报预警；也可以有的放矢地提前采取工程措施，消除水害发生的条件，做到防患于未然。

6 结论

煤矿地质条件精细预测预报是煤矿安全高效开采的基础。针对影响郭家河煤矿安全生产的主要地质问题，利用资源勘查采区三维地震勘探成果和矿井采掘信息的集成和融合，对煤层厚度、地质构造、水害等矿井地质条件进行精细预测预报研究。建立了多参数反演煤层厚度的综合预测技术，使煤厚预测准确率提高15%，采用地震属性融合技术提高小构造的识别能力，预测地质构造准确率提高30%。基于三维地震信息识别含水砂体的空间分布，建立了充水含水层富水性层次分析结构模型和水害危险性地质预测方法。有效解决了三维地震勘查成果浪费和矿井采掘地质信息脱节、导致矿井地质保障弱化的问题，取得了煤矿复杂地质条件精细预测预报技术的突破。研究成果为煤矿工业设计、生产工作面布置及煤矿地质灾害防治提供了地质依据；对国内煤矿尤其是复杂地质条件煤矿的安全高效生产提供了低成本但有效的地质支撑。

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PrecisePredictionandForecastingTechnologiesandTheirApplicationunderCoalmineComplexGeologicalCondition

Duan Zhonghui1,2, Ma Li1,2, Gao Yang1,2, Shi Xiuchang1,2and Lyu Guangluo1,3

(1.Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization, Ministry of Land and Resources,Xi’an, Shaanxi 710026; 2.Shaanxi Coal Geology Group Co. Ltd., Xi’an, Shaanxi 710021; 3.Shaanxi No.186 Coal Geology Co. Ltd., Xi’an, Shaanxi 710065)

The underutilized 3D seismic prospecting information and disjointed with coalmine mining work geological information are common phenomena in geological support works. In allusion to main geological issues impacting safety production in the Guojiahe coalmine, using winning district 3D seismic prospecting results and coalmine mining work information integration and fusion, carried out studies on precise prediction and forecasting of coalmine geological conditions of coal seam thickness, geological structure, water disaster etc. Taking coalmine extraction and well logging data as constrained conditions established multi-parameter inversion coal seam thickness comprehensive prediction technology. Thus make the accuracy rate of coal seam thickness prediction 15% improved. Through seismic attribute fusion has improved minor structure identification ability, accuracy rate of predicted geological structure 30% improved. Based on 3D seismic information identified water-bearing sand mass spatial distribution, established water filling aquifer water yield property AHP structural model and water disaster hazard geological prediction method. The studied results have provided low cost but effective geological support to safe and efficient production of coalmines with complex geological condition.

3D seismic prospecting; geological guarantee; coal seam thickness; coalmine water disaster; precise prediction

国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室项目(ZZ2013-3、ZZ2016-2)。

段中会(1963—)，男，陕西商洛人，教授高级工程师，从事煤田地质与勘探技术研究，现任国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室主任。

2017-08-01

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.09.11

1674-1803(2017)09-0053-08

A

责任编辑：孙常长