一种探测煤矿浅部含水层的方法及系统

技术领域

本发明涉及含水层探测技术领域，具体涉及一种探测煤矿浅部含水层的方法及系统。

背景技术

煤矿水害是影响矿井安全生产的主要因素之一，为了防治煤矿突水水害，在煤层开采之前查明煤层顶、底板围岩的富水情况，以及断层、裂隙等导含水构造的分布对煤矿开采具有十分重要的意义。并且，由于含水层的富水性是决定突水水量大小和突水点是否持久涌水的基本条件，因此查明煤矿富水异常区是防治突水水害的先决条件。

所谓的含水层，简单的来讲就是指这一地层中富含丰富的水资源，所存在的水资源还具备一定的流动性。这种含水岩层通常有着非常良好的透水性能。在具体的探测工作中，针对煤层所在的地质环境和水文条件进行探测和了解时，具体的探测指标包括了地下水位、岩层分布情况、埋深指标等多个不同的参数。

现阶段煤矿对含水层的探测以反射地震方法结合钻孔资料进行综合解释为主。通过钻孔信息在钻孔位置划分不同深度的岩性，圈定含水层位置；通过井震匹配，对地震反射剖面进行含水层的追踪，实现其空间展布的描述。

现有含水层的探测方法存在以下缺点：

(1)在含水层埋深较浅的情况下，煤田构造勘探的地震资料信噪比与覆盖次数低，含水层成像难度大，方法不适应；

(2)提高浅层资料的信噪比与覆盖次数的经济代价极高。

上述缺点导致现有含水层的探测方法无法准确探测煤矿浅部含水层。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种探测煤矿浅部含水层的方法及系统，用于解决现有含水层的探测方法无法准确探测煤矿浅部含水层的技术问题，从而达到在不增加勘探成本的条件下，实现准确描述煤矿浅部含水层的目的。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种探测煤矿浅部含水层的方法，包括以下步骤：

结合煤田勘探浅层地质调查资料，建立近地表速度模型；

根据所述近地表速度模型，形成不同岩性岩层的空间展布信息；

根据所述不同岩性岩层的空间展布信息，得到岩层速度的变化，并根据所述岩层速度的变化进行划分，得到不同风化层的空间展布信息；

根据所述不同岩性岩层的空间展布信息和所述不同风化层的空间展布信息，建立浅层水动力模型，并根据所述浅层水动力模型定义含水层；

对所述含水层的含水能力进行评价，并对所述含水层进行成图，形成相关的含水层资料。

作为本发明优选的实施方式，在建立近地表速度模型时，包括：

结合所述煤田勘探浅层地质调查资料，建立表层速度模型约束信息，对煤田三维地震初至信息进行高精度约束层析反演，获得所述近地表速度模型。

作为本发明优选的实施方式，在获得所述近地表速度模型时，包括：

对所述煤田勘探浅层地质调查资料数据进行处理，得到第一近地表速度模型；

对所述煤田勘探浅层地质调查资料数据进行走时层析反演，得到第二近地表速度模型；

获取所述第一近地表速度模型和所述第二近地表速度模型中相同位置处的数据的差值，并剔除差值大于预设阈值时对应位置处的数据，得到优化近地表速度模型；

对所述优化近地表速度模型进行插值，得到初始近地表速度模型；

根据所述第二近地表速度模型与所述优化近地表速度模型中相同位置处的数据，得到各个位置处对应的权重系数；

根据所述权重系数对，在待探测煤矿浅部的纵向方向和横向方向分别进行插值，得到所述待探测煤矿浅部中不同位置处的权重因子；

利用所述权重因子，对所述初始近地表速度模型进行迭代校正，直至满足预设条件，并将满足所述预设条件的迭代校正后的速度模型确定为所述近地表速度模型。

作为本发明优选的实施方式，在得到第一近地表速度模型时，包括：

当所述煤田勘探浅层地质调查资料数据为微测井数据时，从所述微测井数据中拾取不同岩层处的初至时间，并将拾取的初至时间转化为垂直时间；

利用最小二乘法对所述垂直时间进行拟合，得到不同岩层处的速度值以及与所述速度值对应的厚度值；

将所述不同地层处的速度值以及与所述速度值对应的厚度值确定为所述第一近地表速度模型；

或者，当所述表层调查数据为小折射数据时，从所述小折射数据中拾取不同岩层处的初至时间；

利用最小二乘法对所述不同岩层处的初至时间进行拟合，得到不同岩层处的速度值；

获取所述不同岩层处的速度值对应的厚度值；

将所述不同岩层处的速度值以及与所述速度值对应的厚度值确定为所述第一近地表速度模型。

作为本发明优选的实施方式，在形成不同岩性岩层的空间展布信息时，包括：

根据所述近地表速度模型，得到近地表速度，并基于所述近地表速度的差异对浅层岩性进行划分，以形成不同岩性岩层的空间展布信息。

作为本发明优选的实施方式，在得到不同风化层的空间展布信息时，包括：

根据所述不同岩性岩层的空间展布信息上岩层速度的变化，进行风化程度划分，形成岩层强风化层、中风化层、弱风化层、微风化层以及不风化层的空间展布信息。

作为本发明优选的实施方式，在建立浅层水动力模型时，包括：

根据所述不同岩性岩层的空间展布信息和所述不同风化层的空间展布信息对可含水的浅层岩层和风化层进行空间识别，并结合水文地质资料，建立所述浅层水动力模式；

在定义含水层时，包括：

将具有水源补给与赋存条件的浅层岩层及风化层定义为所述含水层。

作为本发明优选的实施方式，在建立浅层水动力模型时，还包括：

利用Navier-Stocks方程的并行有限元算法模拟煤矿浅部的流场分布，将流场分布数据与所述煤田勘探浅层地质调查资料进行对比分析，调整水动力条件参数，以符合地质条件；

所述Navier-Stocks方程包括连续性方程和动量方程；

所述连续性方程，如公式1所示：

式中，ω为自由表面到基准面的距离，m；f为基准面以下的水深，m；I、B为平均速度，m/s；W为流量，m

所述动量方程公式，如公式2、公式3以及公式4所示：

式中，ρ为流体密度，kg/m

作为本发明优选的实施方式，在对所述含水层的含水能力进行评价时，包括：

依据含水层赋水条件及水动力信息，对所述含水层的含水能力进行评价，并依据含水能力划分为强含水层和弱含水层；

在对所述含水层进行成图时，包括：

对所述含水层的空间信息以及含水能力进行成图，形成含水层分布空间展布图和含水层厚度分布图；

其中，所述相关的含水层资料包括：所述含水层分布空间展布图和所述含水层厚度分布图。

一种探测煤矿浅部含水层的系统，包括：

速度模型建立单元：用于结合煤田勘探浅层地质调查资料，建立近地表速度模型；

空间展布信息获取单元：用于根据所述近地表速度模型，形成不同岩性岩层的空间展布信息；根据所述不同岩性岩层的空间展布信息，得到岩层速度的变化，并根据所述岩层速度的变化进行划分，得到不同风化层的空间展布信息；

含水层定义单元：用于根据所述不同岩性岩层的空间展布信息和所述不同风化层的空间展布信息，建立浅层水动力模型，并根据所述浅层水动力模型定义含水层；

含水层资料生成单元：用于对所述含水层的含水能力进行评价，并对所述含水层进行成图，形成相关的含水层资料。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)本发明所提供的探测方法，可以在不增加勘探成本的条件下，提高反射地震资料的应用价值与范围，实现煤矿浅部含水层的准确描述；

(2)本发明能有效解决煤矿浅部含水层准确描述的问题，指导浅部煤矿顶板水防治，并降低地震方法探测浅部含水层的经济代价；

(3)本发明利用煤田三维地震初至与近地表调查结果联合层析反演，计算近地表介质速度分布信息，得到高精度近地表速度模型，并通过高精度近地表速度模型得到近地表速度分布，从而依据近地表速度分布，划分浅层地质体岩性及风化程度，最后结合近地表水文资料对浅部含水层的信息进行准确描述。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明所提供的探测煤矿浅部含水层的方法步骤图；

图2是本发明实施例的探测煤矿浅部含水层的方法组成与流程图；

图3是本发明实施例的煤矿浅部含水层厚度分布图。

具体实施方式

本发明所提供的探测煤矿浅部含水层的方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1：结合煤田勘探浅层地质调查资料，建立近地表速度模型；

步骤S2：根据近地表速度模型，形成不同岩性岩层的空间展布信息；

步骤S3：根据不同岩性岩层的空间展布信息，得到岩层速度的变化，并根据岩层速度的变化进行划分，得到不同风化层的空间展布信息；

步骤S4：根据不同岩性岩层的空间展布信息和所述不同风化层的空间展布信息，建立浅层水动力模型，并根据浅层水动力模型定义含水层；

步骤S5：对含水层的含水能力进行评价，并对含水层进行成图，形成相关的含水层资料。

在上述步骤S1中，在建立近地表速度模型时，包括：

结合煤田勘探浅层地质调查资料，建立表层速度模型约束信息，对煤田三维地震初至信息进行高精度约束层析反演，获得近地表速度模型。

进一步地，在获得近地表速度模型时，包括：

对煤田勘探浅层地质调查资料数据进行处理，得到第一近地表速度模型；

对煤田勘探浅层地质调查资料数据进行走时层析反演，得到第二近地表速度模型；

获取第一近地表速度模型和第二近地表速度模型中相同位置处的数据的差值，并剔除差值大于预设阈值时对应位置处的数据，得到优化近地表速度模型；

对优化近地表速度模型进行插值，得到初始近地表速度模型；

根据第二近地表速度模型与优化近地表速度模型中相同位置处的数据，得到各个位置处对应的权重系数；

根据权重系数对，在待探测煤矿浅部的纵向方向和横向方向分别进行插值，得到待探测煤矿浅部中不同位置处的权重因子；

利用权重因子，对初始近地表速度模型进行迭代校正，直至满足预设条件，并将满足预设条件的迭代校正后的速度模型确定为近地表速度模型。

更进一步地，在得到第一近地表速度模型时，包括：

当煤田勘探浅层地质调查资料数据为微测井数据时，从微测井数据中拾取不同岩层处的初至时间，并将拾取的初至时间转化为垂直时间；

利用最小二乘法对垂直时间进行拟合，得到不同岩层处的速度值以及与速度值对应的厚度值；

将不同地层处的速度值以及与速度值对应的厚度值确定为第一近地表速度模型；

或者，当表层调查数据为小折射数据时，从小折射数据中拾取不同岩层处的初至时间；

利用最小二乘法对不同岩层处的初至时间进行拟合，得到不同岩层处的速度值；

获取不同岩层处的速度值对应的厚度值；

将不同岩层处的速度值以及与速度值对应的厚度值确定为第一近地表速度模型。

具体地，获取不同岩层处的速度值对应的厚度值，如下式所示：

式中，z为大于或者等于2的整数，j

具体地，在得到第二近地表速度模型时，包括：

利用射线追踪算法对煤田勘探浅层地质调查资料数据对应的速度模型进行处理，得到煤田勘探浅层地质调查资料数据对应的速度模型中每个炮检对对应的射线走时以及该射线穿过每个网格对应的射线路径长度；

拾取每个炮检对对应的初至时间，并基于每个炮检对对应的射线走时、该射线穿过每个网格的射线路径长度以及初至时间，建立层析反演方程；

对层析反演方程进行求解，得到各个网格中速度模型的更新量；

利用各个网格中速度模型的更新量对相应网格内的速度模型进行更新，得到更新后的煤田勘探浅层地质调查资料数据对应的速度模型；

将更新后的煤田勘探浅层地质调查资料数据对应的速度模型作为煤田勘探浅层地质调查资料数据对应的速度模型；

重复执行上述步骤，直至满足预设条件为止；

将满足预设条件的更新后的速度模型确定为第二近地表速度模型。

具体地，在对初始近地表速度模型进行迭代校正，直至满足预设条件时，包括：

利用射线追踪算法对初始速度模型进行处理，得到初始速度模型中每个炮检对对应的射线走时以及该射线穿过每个网格对应的射线路径长度；

拾取每个炮检对对应的初至时间，利用权重因子对各个炮检对对应的射线走时以及该射线穿过每个网格的射线路径长度进行校正；

基于初至时间以及校正后的射线走时和校正后的射线路径长度，建立校正后的层析反演方程；

对校正后的层析反演方程进行求解，得到各个网格中速度模型的更新量；

利用各个网格中速度模型的更新量对相应网格内的初始速度模型进行更新，得到更新后的速度模型；

将更新后的速度模型作为初始速度模型；

重复执行上述步骤，直至满足预设条件为止。

在上述步骤S2中，在形成不同岩性岩层的空间展布信息时，包括：

根据近地表速度模型，得到近地表速度，并基于近地表速度的差异对浅层岩性进行划分，以形成不同岩性岩层的空间展布信息。

在上述步骤S3中，在得到不同风化层的空间展布信息时，包括：

根据不同岩性岩层的空间展布信息上岩层速度的变化，进行风化程度划分，形成岩层强风化层、中风化层、弱风化层、微风化层以及不风化层的空间展布信息。

在上述步骤S4中，在建立浅层水动力模型时，包括：

根据不同岩性岩层的空间展布信息和不同风化层的空间展布信息对可含水的浅层岩层和风化层进行空间识别，并结合水文地质资料，建立浅层水动力模式；

在定义含水层时，包括：

将具有水源补给与赋存条件的浅层岩层及风化层定义为含水层。

进一步地，在建立浅层水动力模型时，还包括：

利用Navier-Stocks方程的并行有限元算法模拟煤矿浅部的流场分布，将流场分布数据与煤田勘探浅层地质调查资料进行对比分析，调整水动力条件参数，以符合地质条件；

Navier-Stocks方程包括连续性方程和动量方程；

连续性方程，如公式1所示：

式中，ω为自由表面到基准面的距离，m；f为基准面以下的水深，m；I、B为平均速度，m/s；W为流量，m

动量方程公式，如公式2、公式3以及公式4所示：

式中，ρ为流体密度，kg/m

在上述步骤S5中，在对含水层的含水能力进行评价时，包括：

依据含水层赋水条件及水动力信息，对含水层的含水能力进行评价，并依据含水能力划分为强含水层和弱含水层；

在对所述含水层进行成图时，包括：

对含水层的空间信息以及含水能力进行成图，形成含水层分布空间展布图和含水层厚度分布图；

其中，相关的含水层资料包括：含水层分布空间展布图和含水层厚度分布图。

本发明所提供的探测煤矿浅部含水层的系统，包括：速度模型建立单元、空间展布信息获取单元、含水层定义单元以及含水层资料生成单元。

速度模型建立单元：用于结合煤田勘探浅层地质调查资料，建立近地表速度模型。

空间展布信息获取单元：用于根据近地表速度模型，形成不同岩性岩层的空间展布信息；根据不同岩性岩层的空间展布信息，得到岩层速度的变化，并根据岩层速度的变化进行划分，得到不同风化层的空间展布信息。

含水层定义单元：用于根据不同岩性岩层的空间展布信息和不同风化层的空间展布信息，建立浅层水动力模型，并根据浅层水动力模型定义含水层。

含水层资料生成单元：用于对含水层的含水能力进行评价，并对含水层进行成图，形成相关的含水层资料。

以下的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的范围并不限制于此。

本实施例提供一种探测煤矿浅部含水层的方法组成与流程，如图2所示，主要的构成包括：1、三维地震初至层析反演近地表速度；2、浅层地质体岩性划分；3、浅层地质体风化程度评价；4、浅部含水层划分；5、浅部含水层评价及其信息成图。

实施方式：

1.结合煤田勘探浅层地质调查资料，建立表层速度模型约束信息，对煤田三维地震初至信息进行高精度约束层析反演，获得近地表速度模型。模型微元横向大小为检波点距的1/2，检波点距10米则微元横向大小为5米，纵向大小为炮点距的1/2，炮点距4米则纵向大小为2米。

2.基于浅层区域地质调查资料的认识，不同的岩性其速度有差异，依据近地表速的差异对浅层岩性进行划分，形成不同岩性岩层的空间展布信息。

3.同一岩性风化程度不同，则速度亦有变化，依据岩层速度的变化对其风化程度进行划分，形成岩层强风化层、中风化层、弱风化层、微风化层及不风化层的空间展布信息。

4.对可含水的浅层岩层及风化层进行空间识别，结合水文地质资料，建立浅层水动力模式，将具有水源补给与赋存条件的岩层及风化层定义为含水层。

5.依据含水层赋水条件及水动力信息，对含水层的含水能力进行评价，依据含水能力划分强弱含水层，对含水层的空间信息及含水能力进行成图，形成含水层分布空间展布图、含水层厚度分布图(如图3所示)等，指导煤矿浅层顶板水的防治工作。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。