含瓦斯煤体弹性波传播规律研究

以Biot的饱和流体多孔隙介质弹性波传播理论为基础,考虑到游离态瓦斯和吸附态瓦斯对煤体的力学变形特性存在较大差异,将含瓦斯煤体分为无吸附相模型和吸附相模型,并对含瓦斯煤体的弹性波传播规律进行了研究。研究结果表明:无吸附相模型的弹性波速度随着瓦斯压力的增加略有下降,与单相介质煤相比相差不大;吸附相模型的弹性波速度随着瓦斯压力的增加下降趋势明显,表现出明显的双相介质特征。     

构造煤槽波地震探测可行性分析

煤与瓦斯突出灾害是影响煤矿安全生产的重大危害之一,构造煤是瓦斯突出的物质基础,如能够通过地球物理手段预测出构造煤分布区域,对减少煤矿瓦斯突出灾害将起到积极作用。槽波地震技术在煤层厚度及小构造探测方面取得较好的应用成果,但对于构造煤探测尚未成熟。利用槽波正演模拟技术,分析槽波在不同煤体结构煤层中的传播规律,发现槽波在构造煤和原生结构煤中速度频散和能量衰减差异明显。建立构造煤和原生结构煤中勒夫型槽波速度频散和能量衰减曲线,认为低频段槽波受煤层厚度和煤体结构两者共同影响,而高频段槽波受煤层厚度影响小,与煤体结构类型关系更密切;槽波在煤层中随传播距离增加,能量逐渐减弱,影响因素除波前扩散和介质吸收作用外,还受透射能量损失等因素影响。当煤层较厚时,透射能量损失占主导地位,原生结构煤透射区域大于构造煤,使得构造煤中槽波能量高于原生结构煤;当煤层较薄时,介质吸收作用占主导地位,原生结构煤介质吸收作用弱于构造煤,使得构造煤中槽波能量低于原生结构煤。构造煤中槽波在不同频率下吸收衰减系数随煤层厚度变化大,而原生结构煤中槽波吸收衰减系数变化小。槽波在构造煤和原生结构煤中的传播特征差异,有望为构造煤预测提供依据。     

煤与瓦斯突出灾害隐患高分辨三维地震预测方法

针对煤炭开采过程中的煤与瓦斯突出灾害防治问题,提出了利用煤矿三维地震探测信息量大、探测数据横向连续性好、采样间距小的特点,通过与矿区内钻孔测井数据融合,建立煤与瓦斯突出部位高分辨三维地震预测的方法。通过岩石弹性特征的实验室测定、测井和VSP资料分析,掌握煤、岩石物性参数与视电阻率、自然伽玛、伽玛伽玛、声波时差等测井曲线之间的定性和定量关系以及煤体结构的测井响应特征,建立煤与瓦斯突出部位测井曲线识别模型和方法;研究和开发以测井曲线为约束的煤层结构高分辨率三维地震反演方法,实现了对构造突出煤体的精细描述;开展对煤矿三维三分量转换波地震勘探技术的研究,利用坐标旋转法实现快慢横波的分离,由快慢横波的时差确定煤层裂隙的发育程度,并在空间上进行了精确定位;研究瓦斯富集区块地震波振幅变化规律,发现瓦斯突出煤层地震振幅随偏移距的增大呈下降趋势,而非突出煤层的地震振幅随着偏移距的增大呈上升趋势。     

矿井煤与瓦斯突出弹性波特征评价及其应用

采用多波地震勘探与常规的煤与瓦斯突出危险性预测技术相结合方法,分析了突出煤体弹性波响应特征.结果表明:多波地震探测能够以数据和剖面图形方式,给出巷道前方地质构造及异常预报结果;煤层的地球物理属性变化大小主要表现为煤层中物性变异界面多少,煤层中存在的物性变异处,正是瓦斯容易富集区;弹性波频谱分析对煤岩体结构特征解释具有很好的针对性,对每一道波形的波谱特征进行具体的研究,利用吸收系数、品质因子等多个参量进行计算与对比,建立常规的突出危险性评价指标与地震波波谱特征的关系.     

突出孔洞构造煤与原生结构煤瓦斯吸附特性对比研究

为研究突出孔洞构造煤与原生结构煤孔隙特征对瓦斯吸附特性的影响,以三甲煤矿突出孔洞构造煤和原生结构煤为研究对象,运用压汞和液氮吸附实验相结合的方法对不同结构煤体孔隙结构进行研究;结合Menger几何模型分析不同结构煤体孔隙分形特征,进一步阐述孔隙结构分形特征对瓦斯吸附特征的影响。结果表明:原生结构煤与突出孔洞构造煤均存在滞后环,且突出孔洞构造煤的滞后环明显大于原生结构煤的滞后环;突出孔洞构造煤分形维数大于原生结构煤,突出孔洞构造煤孔隙复杂程度比原生结构煤高,突出孔洞构造煤孔隙复杂程度为瓦斯的吸附准备了良好条件;突出孔洞构造煤整体孔隙发育情况比原生结构煤要好,微孔、小孔阶段孔隙发育情况远大于原生结构煤。     

三维粘弹性介质地震波场数值模拟技术研究

为了适应油气田勘探的发展需求,提高勘探精度,地震勘探由二维向三维发展。传统的地震波数值模拟一般假设地层介质是均匀、完全弹性的,但在实际情况中,由于介质是非完全弹性、各向异性、物性参数可连续变化的,因此地震波的能量在传播过程中是逐渐衰减的。在非均匀介质情况下进行地震波的数值模拟,可以更真实地反映地震波的传播和能量变化规律。推导出三维交错网格高阶有限差分算法,求取优化差分算子,实现三维粘弹性波数值模拟,获得地震记录,并分析其波场特征和能量变化情况。     

软硬组合煤体塑性破坏与突出能量失稳判据

煤与瓦斯突出过程的复杂性阻碍了人们对瓦斯突出机理的探索,为了更好地定量评价软硬组合赋存时瓦斯突出失稳情况,本文采用理论分析和数值模拟的手段对采掘过程中软硬组合煤体的塑性破坏和失稳突出规律进行了系统的研究,主要结论:巷道开挖后,构造煤的渗透率会骤增使得原来积聚大量的瓦斯突然间释放出来;构造煤分层还会通过界面应力诱发邻近的原生煤塑性体积和塑性变形最大值增加,促进原生煤内部的瓦斯的释放;初始瓦斯压力为0.74 MPa时,单位体积构造煤的突出能量约为原生煤的3倍,构造煤的突出耗散能量却仅是原生煤的0.11倍;构造煤的突出失稳判据大于1,而原生煤的突出失稳判据要小于1。原生煤和构造煤组合体的弹性能、解吸瓦斯膨胀能均是突出能量的主要组成部分,对于组合煤体的区域瓦斯防突措施主要是以降低瓦斯膨胀能为主,局部瓦斯防突措施要同时降低瓦斯膨胀能和弹性能。     

基于旋转交错网格的双相各向异性介质二维三分量波场模拟

基于Biot双相介质模型,推导了双相TTI介质二维三分量一阶速度-应力弹性波方程,采用旋转交错网格(RSG)技术建立了各向异性孔隙介质波动方程的二维三分量高精度有限差分格式(FDTD),并引入不分裂卷积完全匹配层(CPML)作为吸收边界条件。为了验证算法可行性,对均匀双相TTI介质中的弹性波场进行了模拟。结果表明：使用旋转交错网格有限差分技术能够模拟出双相TTI介质中存在的快横波、慢横波、快纵波和慢纵波;双相各向异性介质中存在明显的横波分裂、波前面尖角和三分叉现象;不分裂卷积完全匹配层对边界反射的吸收效果较好。通过对比传统交错网格(SSG)和旋转交错网格有限差分技术,证明了旋转交错网格有限差分算法稳定性较强,精度较高,是一种实用的地震波场数值模拟方法。     

地震波场最大能量扫描法预测煤层瓦斯的应用研究

煤储层是典型的流固耦合渗流模型的双相介质。固体颗粒与孔隙中流体之间存在相对位移,导致双相介质中地震波能量再分配发生变化。尝试研究了采用三角滤波提取特定频率的地震波属性,再以地震波场最大能量扫描法分别求取给定的低、高频范围内地震波能量的最大值以达到由地震资料直接圈定出瓦斯富集区的目的。实际资料测试结果表明,以双相介质理论为基础,能够相应提高地震资料处理与反演结果的精度与可靠性。     

VTI型构造煤AVO正演模拟

通过对原生煤、构造煤、软分层构造煤和VTI型构造煤的P波AVO的正演模拟,探讨上述多种煤层岩性的可探测性.对于厚煤层来说,通过Zoeppritz方程获得了原生煤、构造煤和软分层构造煤的P波AVO曲线.对于厚层的VTI型构造煤,首先利用等效介质理论求出其刚度矩阵,再利用基于各向异性理论的传播矩阵法求解出其P波AVO曲线.在此基础上,通过和地震子波的褶积获得合成地震记录,同时对薄煤层的AVO曲线和合成地震记录进行了正演模拟.发现当煤层为厚煤层时,煤层顶板反射P波的AVO曲线为IV类AVO,并且不同类型煤层间的AVO曲线斜率和截距差别较大.当煤层是薄煤层时,煤层反射波是复合波.此时,原生煤和普通构造煤的反射波振幅较小,AVO曲线具有较明显的IV类AVO特征;而软分层构造煤和VTI型构造煤的反射波振幅较大,AVO曲线变化剧烈.因此,通过AVO技术可以定性识别原生煤、普通构造煤、软分层构造煤和VTI型构造煤.