基于地震数据和关键层理论的导水裂隙带高度预测方法与流程

本发明属于煤矿井下开采领域，具体涉及一种基于地震数据和关键层理论的导水裂隙带高度预测方法。

背景技术：

1、研究和掌握采动覆岩运移规律对于煤矿安全高效开采具有重大意义。上世纪90年代，钱鸣高院士在“砌体梁”理论的基础上进一步提出了“岩层控制的关键层理论”，该理论在后人多年的工程实践中得到了进一步发展和完善，在煤矿防治水、瓦斯卸压抽采以及充填减沉等领域取得了显著的应用效果。覆岩关键层的定义是：在采场上覆岩层中存在着多层坚硬岩层时，对岩体活动全部或局部起决定作用的岩层称为关键层，前者可称为岩层运动的关键层，后者可称为亚关键层。

2、目前，许家林教授建立的《基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法》为当前基于关键层判别进行导水裂隙带发育高度预测的主流方法，该方法分别通过刚度计算和强度计算来分别判断关键层的承载力和岩层的先后破断顺序，进而预测导水裂隙带发育高度以及覆岩离层的发育位置。具体技术方案为：设煤层采高倍数为m，如关键层位置距开采煤层间距大于临界高度(7-10)m，则该层关键层破断裂隙是不贯通的；如该层关键层位置距开采煤层高度小于(7-10)m，则该层关键层破断裂隙是贯通的，且它控制的上覆基岩破断裂隙也是贯通的。此处采高倍数选择的原则为：当煤层采高较小时，宜取较大倍数的采高；当煤层采高较大时，宜取较小倍数的采高。覆岩离层发育位置为未贯通的关键层下方。

3、但是，该上述方法需要普遍使用钻孔数据进行具体计算，考虑到地质构造和成岩作用的差异性，地层是具有非均质性和各向异性的，采用取样钻孔数据计算获得的关键层判别结果来代表整个工作面是有一定局限性的。同时，钻井施工及岩石力学取样测试费用过高也制约着本方法的使用。

技术实现思路

1、发明目的：针对于上述现有技术的不足，本发明公开了基于地震数据和关键层理论的导水裂隙带高度预测方法。本发明基于地震数据解释出煤层上覆岩层的岩性，完成地层岩性分层划分，并反演出各个岩层的弹性模量、密度以及抗拉强度等岩石力学参数用于进行关键层计算，利用三维地震勘探覆盖面积大、探测深度广的优势完成待测区域内关键层的全空间精细刻画，结合煤层开采方案预测导水裂隙带发育高度及覆岩离层发育位置及规模，指导防治水工程方案部署。

2、技术方案：基于地震数据和关键层理论的导水裂隙带高度预测方法，步骤如下：

3、(1)、收集待测区域的地震资料、地质资料、测井资料、钻井资料以及岩石物理测试资料，然后通过分析所述测井资料、所述岩石物理测试资料之间的内在联系，完成动、静态岩石物理参数转换工作；

4、(2)、基于钻井资料、测井资料以及岩石物理测试资料的已知数据，完成地震正演分析，为地震反演分析提供基础和约束；

5、(3)、基于步骤(2)地震正演分析的结果，完成待测区域内的岩性解释工作，然后基于岩性解释工作的成果完成地层岩性分层，统计各个岩层的层厚、埋深以及岩层岩性；

6、(4)、基于正演分析通过叠前地震反演计算待测区域内地层的密度、弹性模量以及抗拉强度，并基于步骤(3)得到的地层岩性分层的结果，选出具有代表性的各个分层的岩石力学参数；

7、(5)、基于钻井资料(包括岩层厚度、岩性以及演示物理测试等数据)和步骤(4)选出的岩石力学参数，通过kspb软件计算钻孔位置处的关键层位置；

8、(6)、以平面10*10m为标准提取待测区域内各个点处的虚拟钻井信息；

9、(7)、基于步骤(6)获得的虚拟钻井信息，通过kspb软件计算各个虚拟钻井处的关键层位置，并将其与步骤(5)获得的钻孔位置处的关键层位置进行比较，若两者结果不一致，进入步骤(1)，若两个结果一致，进入步骤(8)；

10、(8)、基于克里金插值算法，对待测区域内的关键层计算位置进行插值处理，以实现对待测区域内关键层全空间精细刻画；

11、(9)、结合煤层开采方案确定临界高度(7-10)m与关键层的位置关系，m为煤层采高，判别关键层破断裂隙是否贯通，进而确定导水裂隙带发育高度以及离层发育位置。

12、进一步地，步骤(1)中的地震资料包括叠前道集数据以及叠后地震数据。

13、进一步地，步骤(1)中的地质资料包括地质调查资料、矿产地质资料、石油地质资料、天然气地质资料、煤层气地质资料。

14、进一步地，步骤(1)中的测井资料包括纵波速度、横波速度、密度测井曲线、电测井以及放射性测井。

15、进一步地，步骤(1)中的钻井资料包括地层时代、简易水文、钻孔结构、柱状图、累计深度、岩层厚度、岩芯长度、采取率、倾角、真厚、累厚、岩性描述。

16、进一步地，岩石物理测试资料包括岩石的弹性模量、密度、抗拉强度、抗压强度、泊松比、横波速度、纵波速度。

17、进一步地，步骤(5)的具体步骤如下：

18、(51)、参数设置和数据输入：选取煤层、松散层、泥岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、砂质页岩和砂砾岩十种煤矿常见的岩层作为基本岩性，并设置其参数，其中：

19、所述参数包括层厚、埋深、岩层岩性、容重、弹性模量以及抗拉强度；

20、(52)、计算各岩层所受的载荷，同时确定该层是否是硬岩层，即刚度判别：

21、假设第一层岩层所控制的岩层范围为n层，则n层岩层对第一层所形成的载荷为(qn)1，计算公式如式(1)所示；

22、如假设第n+1层仍然受第一层岩层控制，则其作用力是作用在第一层岩层上，故应满足条件(qn+1)1＞(qn)1，反之当满足条件(qn+1)1≤(qn)1，第n+1层岩层具有很强的支撑作用，不受第一层岩层的控制，因此第n+1层为一层硬岩层，根据这一原则从下至上逐层判定，直到找到岩层中所有的硬岩层；

23、

24、其中，ei表示第i层岩层的弹性模量；

25、γi表示第i层岩层的容重γi＝g*ρi，g为重力加速度，ρi表示第i层岩层的密度；

26、hi表示第i层岩层的厚度；

27、(53)、根据各坚硬岩层所承受的载荷计算其极限跨距，其计算公式如式(2)所示，并依据岩层距离煤层的高度及岩层破碎角的影响，计算第i层硬岩层的破断距，其计算公式如式(3)所示：

28、

29、li＝li+2hicotα(3)

30、其中hi表示第i层硬岩层的厚度；

31、σti表示第i层硬岩层的抗拉强度；

32、qi表示第i层硬岩层所承受的载荷；

33、li表示第i层硬岩层的极限跨距；

34、hi表示第i层硬岩层距离煤层上表面的距离；

35、α表示岩层破碎角；

36、li表示第i层硬岩层的破断距；

37、(54)、比较各亚关键层的破断距，再次确认其是否符合上层关键层的破断距大于下部关键层的破断距，即判断li是否≥lj(i＝2，3…n，j＝1，2，…n-1)，如不符合，则重新计算，确认结束后，将最上面一层亚关键层修改为主关键层；

38、(55)、输出关键层判别结果。

39、进一步地，步骤(6)中所述虚拟钻井信息包括每个点位置处纵向的地层分层厚度、地层岩性以及埋深和各个分层代表性的岩石力学参数，其中：岩石力学参数包括弹性模量、密度和抗拉强度。

40、进一步地，步骤(9)的具体步骤如下：

41、煤层采高为m，若关键层位置距开采煤层间距大于临界高度(7-10)m，则该层关键层破断裂隙是不贯通的；

42、若该层关键层位置距开采煤层高度小于(7-10)m，则该层关键层破断裂隙是贯通的，且它控制的上覆基岩破断裂隙也是贯通的。

43、更进一步地，煤层采高为m的倍数选择的原则为；当煤层采高m较小时，宜取较大倍数的采高；当煤层采高m较大时，宜取较小倍数的采高。覆岩离层发育位置为未贯通的关键层下方。

44、有益效果：本发明公开的基于地震数据和关键层理论的导水裂隙带高度预测方法具有以下有益效果：

45、本发明考虑到了地层的非均质性和各向异性，将能够反映地层整体情况的三维地震勘探引入到发明中，通过将钻孔、地震、地质、测井和岩石物理测试资料相互结合相互印证，有效提高了关键层的计算精度，完成了关键层的全空间精细刻画，结合煤层开采方案可以预测导水裂隙带发育高度及覆岩离层发育位置及规模，指导防治水工程方案部署。