一种单一煤层火烧区边界的估算方法

【技术领域】

本发明涉及采矿工程领域与矿井地质领域有一定的交叉，尤其涉及单一煤层火烧区边界的 估算方法。

【背景技术】

我国西北地区煤炭埋藏浅，甚至出露地表，煤炭多在历史上发生过自燃，煤炭自燃后形成 的火烧区直接影响了附近的煤炭开采。火烧区的边界受多种因素控制，难以精确掌控，磁法等 地球物理勘探手段虽然能基本查明火烧区边界线，但精度不理想，不能用于指导靠近火烧区的 工作面布置。火烧区圈定范围过大，则造成煤炭资源的浪费；火烧区圈定范围过小，则工作面 要变化设计，甚至报废，经济损失几百万，甚至上千万，同时存在发生火烧区水害，威胁矿井 安全。为达到指导生产的目的，目前主要采取的方法是综合补充勘探，包括井上钻探、井下钻 探和地球物理勘探。其中主要的存在问题有

1)不做其他工作，火烧区边界无法控制到指导生产的地步，存在经济损失和安全风险。

2)地球物理勘探精度只能有限提高不能完全满足生产需求。

3)钻探则费用较大，不宜大量补充。

4)实施补充勘探工程浪费时间，对生产接续有一定的影响。

【发明内容】

本发明为了解决上述问题，提供一种单一煤层火烧区边界的估算方法，方法简单、可操 作性强，成本低廉，且确定的。

一种单一煤层火烧区边界的估算方法，包括以下步骤：

(1)煤田勘探工程为勘探网格布置，在所有钻孔中对开采的目标煤层所在标高范围内进 行测井工作，获取测井结果曲线；

(2)在煤田勘探工程的基础上，沿煤层延伸方向，穿越火烧边界孔和相对应的火烧边界 对孔补充实施多组井下水平钻孔，确定火烧区实测分界点，其中，火烧区实测分界点和相应的 火烧区推测分界点的距离为N；

(3)拟合确定火烧区推测边界点的误差修正模型N＝f(M，D，w，△HG，△DLW，△ HGG)，其中，M为煤层厚度，D为目标煤层底板埋深，w为各火烧边界对孔的平均煤吸氧量， △HG，△DLW及△HGG分别为各火烧边界孔的平均自然伽马测井变异值、平均视电阻率测 井变异值及平均密度测井变异值；

(4)利用火烧区推测边界点的误差修正模型，以火烧边界孔和火烧边界对孔数据为基础， 计算火烧区推测边界线点的误差，修正各点，得修正的火烧区推测分界点；

(5)按照修正的火烧区推测分界点和火烧区实测分界点，依照火烧区推测边界线的趋势， 顺次圆滑连接修正的火烧区推测分界点和火烧区实测分界点，得到修正的火烧区边界线。

步骤(1)中的煤田勘探工程，钻孔深度为勘探目的煤层标高以下。

步骤(2)中，补充实施多组井下水平钻孔时，钻孔组数大于煤田范围内总火烧边界对孔 数的10％。

火烧边界孔和火烧边界对孔的确定方法为：同一个勘探网格内，被火烧的钻孔相邻至少有 一个钻孔未被火烧，则该被火烧的钻孔即为火烧边界孔，该未被火烧的钻孔为火烧边界对孔。

步骤(3)中各火烧边界对孔的平均煤吸氧量w的确定方法为：首先从所有目标煤层未被 火烧的钻孔中取出煤样，每个钻孔取煤样3组，通过钻孔取出所有火烧边界对孔目标煤层的三 组煤样，测定各火烧边界对孔的平均煤吸氧量。

3组煤样中，每组煤样在垂向上间距大于0.5m。

各火烧边界孔的平均自然伽马测井变异值△HG、平均视电阻率测井变异值△DLW及平均 密度测井变异值△HGG的计算方法为：基于所有火烧边界孔和火烧边界对孔的测井曲线，依 据火烧边界孔测井曲线确定目标煤层所在位置的平均自然伽马测井值HG₁，依据火烧边界对孔 测井曲线确定目标煤层的平均自然伽马测井值HG₂；依据火烧边界孔测井曲线确定目标煤层所 在位置的平均视电阻率值DLW₁，依据火烧边界对孔测井曲线确定目标煤层的平均视电阻率测 井值DLW₂；依据火烧边界孔测井曲线确定目标煤层所在位置的平均密度测井值HGG₁，依据 火烧边界对孔测井曲线确定目标煤层的平均密度井值HGG₂；各火烧边界孔的平均自然伽马测 井变异值△HG、平均视电阻率测井变异值△DLW及平均密度测井变异值△HGG即为对应的 火烧边界孔和火烧边界对孔的三种对应的测井值求差。

所述火烧区实测分界点是通过井下水平钻孔取芯而确定的。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明利用常规的测井结果曲线，在 此基础上，拟合自变量N与煤层厚度M，目标煤层底板埋深D，火烧边界对孔的平均煤吸氧 量w，以及火烧边界孔的平均自然伽马测井变异值、平均视电阻率测井变异值及平均密度测井 变异值之间的模型关系，在此基础上，对火烧区推测边界点的误差进行修正，从而确定出更准 确的火烧边界线。方法简单、可操作性强，成本低廉。

【附图说明】

图1是：本发明的流程图；

图2是：本发明的局部工程平面示意图；

图中：1、勘探线；2、勘探网格；3、被火烧的钻孔；4、未被火烧的钻孔；5、火烧边 界孔；6、火烧边界对孔；7、火烧区勘探边界线；8、含煤孔勘探边界线；9、火烧区推测边界 线；10、火烧区推测分界点；11、修正的火烧区推测分界点；12、火烧区实测分界点；13、修 正的火烧区边界线。

【具体实施方式】

如图1所示，一种单一煤层火烧区煤柱留设的煤炭开采方法，包括下述步骤：

步骤一：进行既定的煤田勘探工程。煤田勘探工程为1000m×1000m勘探网格2布置或 更密，钻孔深度达到勘探目的煤层标高以下，从所有目标煤层未被火烧的钻孔4(未被火烧的 钻孔通过外观即可辨别，明显有被烧的痕迹)取出煤样，其中每个钻孔所取煤样为3组，每组 煤样在垂向上间距大于0.5m。

在所有的钻孔中对开采的目标煤层所在标高范围进行既定的测井工作，测井工程包括自然 伽马测井、视电阻率测井和密度测井，测井获取测井结果曲线。

步骤二：依据煤田勘探钻孔绘制火烧区勘探边界线7和含煤孔勘探边界线8。首先，从 所有煤田勘探钻孔柱状图上找出目标煤层被火烧的钻孔3；然后，选出火烧边界孔5，其选定 依据为：在同一个勘探网格2内被火烧的钻孔3相邻的2个钻孔至少有1个未被火烧的钻孔4， 该被火烧的钻孔即为火烧边界孔5，将其采用曲线顺次圆滑连接，即为火烧区勘探边界线7； 最后，火烧边界孔5相邻的未被火烧的钻孔4为火烧边界对孔6。将火烧区边界对孔6采用曲 线依次圆滑连接，即为含煤孔勘探边界线8。

步骤三：进行既定的地面磁法勘探。其勘探的范围在火烧区勘探边界线7和含煤孔勘探 边界线8之间。通过火烧岩磁性的异常反映，得到火烧区推测边界线9，火烧区推测边界线9 是依据磁法地球物理勘探原理反演得出的。

步骤四：通过步骤三所得的全部火烧边界对孔6的钻孔柱状图确定各勘探点的煤层厚度 M和目标煤层底板埋深D。

步骤五：通过步骤一钻孔取出所有火烧边界对孔6目标煤层的3组煤样，测定各火烧边 界对孔的平均煤吸氧量w。

步骤六：通过步骤一钻孔取得所有火烧边界孔5和火烧边界对孔6的测井曲线，依据火 烧边界孔5测井曲线确定目标煤层所在位置的平均自然伽马测井值HG₁和依据火烧边界对孔6 测井曲线确定目标煤层的平均自然伽马测井值HG₂；依据火烧边界孔5测井曲线确定目标煤层 所在位置的平均视电阻率值DLW₁和依据火烧边界对孔6测井曲线确定目标煤层的平均视电阻 率测井值DLW₂；依据火烧边界孔5测井曲线确定目标煤层所在位置的平均密度测井值HGG₁和依据火烧边界对孔6测井曲线确定目标煤层的平均密度井值HGG₂；对应的火烧边界孔5和 火烧边界对孔6的三种对应的测井值求差，有各火烧边界孔的平均自然伽马测井变异值△HG、 平均视电阻率测井变异值△DLW和平均密度测井变异值△HGG。

步骤七：在煤田勘探工程的基础上，沿煤层延伸方向，穿越火烧边界孔5和相对应的火 烧边界对孔6补充实施多组井下水平钻孔，钻孔组数大于煤田范围内总火烧边界对孔数的 10％。通过井下水平钻孔取芯，确定火烧区实测分界点12。其中，出火烧区实测分界点12和 相应的火烧区推测分界点10(步骤三得出的火烧区推测边界线9与相应勘探线1的交点)距 离为N(火烧区实测分界点12较火烧区推测分界点10靠近火烧边界孔6则N为正值，火烧 区实测分界点12较火烧区推测分界点10远离火烧边界孔6则N为负值)。

步骤八：采用已知数据，进行一元回归分析，得出火烧区推测分界点10的误差与各影响 因素的相关关系类型。以井下钻孔及其所对应的火烧边界孔5和火烧边界对孔6数据，采用最 小二乘法，进行一元回归分析，得出因变量N与5个自变量M、D、w、△HG、△DLW和△ HGG各自的相关关系。即分别采用线性、对数、多项式和指数四种类型进行拟合，找出相关 系统最大的模型，即该自变量与因变量的相关关系类型。

步骤九：建立多元火烧区推测边界点10的误差修正模型。在步骤八选定的各影响因素相 关关系类型的基础上，利用所有井下钻孔及火烧边界孔5和火烧边界对孔6数据，拟合得出该 火烧区推测边界点10的误差修正模型N＝f(M，D，w，△HG，△DLW，△HGG)。

步骤十：利用火烧区推测边界点10的误差修正模型，以火烧边界孔5和火烧边界对孔6 数据为基础，计算火烧区推测边界线点10的误差(火烧区实测分界点12不需要计算)，并修 正各点，得修正的火烧区推测分界点11。按照修正的火烧区推测分界点11和火烧区实测分界 点12，依照火烧区推测边界线9的趋势，顺次圆滑连接修正的火烧区推测分界点11和火烧区 实测分界点12，得到修正的火烧区边界线13。

步骤十一：按照既定的要求，距离修正的火烧区边界线13为L来设计煤炭开采工作面。 其中，L采用下列方式计算。

其中K为安全系数，取2～5；p为火烧区静水压力，MPa，通过相应的被火烧的钻孔3采 用水位计测定；K_p为煤层抗拉强度，通过步骤一采取的煤样室内测定得出。

步骤十二：形成采煤工作面，并进行煤炭资源最大回收率的安全开采。

运行原理：

火烧区是煤层在形成后自燃形成的，火烧边界孔5和火烧边界对孔6分别表征了相应的勘 探线1已经被火烧的程度和进一步可能存在的自燃趋势。其中，火烧边界孔5的自然伽马测井、 视电阻率测井、密度测井得到的曲线能够反映该点烧变程度，这是因为煤层火烧到不同程度， 其成份有变化，其物理性质就会有显现，即多条测井曲线均有不同程度的变化。另外，火烧边 界对孔6的煤层自燃主要受煤层的自燃倾向性、供氧量、煤层厚度控制，而供氧量与目标煤层 的埋深相关，煤层的自然倾向性则常用吸氧量表征。

由于各种煤层自燃有显著的差异，且有一定的随机性，因此对每个影响火烧区边界的因素 需要进行一元回归以确定其相关类型，从而更准确的修正火烧区边界线。

应用实例：

某矿开采2^-2煤，该煤层有一火烧区，为尽量回采煤炭资源，又减少安全隐患，并减少无 用的采煤工作面及其配套的巷道工程，采用以下步骤实施单一煤层火烧区煤柱留设的煤炭开 采：

步骤一：进行既定的煤田勘探工程。煤田勘探工程为1000m×1000m勘探网格布置，钻孔 深度达到勘探目的煤层标高以下5m，从所有目标煤层未被火烧的钻孔4取出煤样，其中每个 钻孔所取煤样为3组，每组煤样在垂向上间距大于0.5m。

在所有的钻孔中对开采的目标煤层所在标高范围进行既定的测井工作，测井工程包括自然 伽马测井、视电阻率测井和密度测井，测井获取相关测井曲线。

步骤二：依据煤田勘探钻孔绘制火烧区勘探边界线和含煤孔勘探边界线。

首先，从该矿129个煤田勘探钻孔的柱状图中发现2^-2煤厚度小于1.3m的有31个，为被 火烧的钻孔，其余108个为未被火烧的钻孔。

然后，在被火烧的钻孔中发现有18个火烧边界孔，18个火烧边界孔有19个火烧边界对 孔。

最后，分别采用圆滑的曲线连接火烧边界孔和或火烧边界对孔，得到火烧区勘探边界线和 含煤孔勘探边界线。

步骤三：行既定的地面磁法勘探。其勘探的范围在火烧区勘探边界线和含煤孔勘探边界线 之间。地面磁法勘探得到火烧区推测边界线。

步骤四：通过19个火烧边界对孔的钻孔柱状图确定煤层厚度M为3.2～5.6m，相应的煤层 底板埋深D为9～31m。

步骤五：通过步骤一钻孔取出所有19个火烧边界对孔测定各火烧边界对孔的平均煤吸氧 量w为0.62～1.12cm³/g。

步骤六：通过步骤一钻孔取得所有火烧边界孔和火烧边界对孔的测井曲线，得到对应的火 烧边界孔和火烧边界对孔的三种对应的测井值变异值，有各火烧边界孔的平均自然伽马测井变 异值△HG为4.31×10^-1PA/kg～9.68×10^-1PA/kg、平均视电阻率测井变异值△DLW为-21～-104 Ω·m和平均密度测井变异值△HGG为0.80～1.01g/cm³。

步骤七：沿煤层延伸方向，穿越火烧边界孔和相对应的火烧边界对孔补充实施6组井下水 平钻孔。计算出火烧区实测分界点和相应的火烧区推测分界点距离为N分别为127m、-58m、 132m、-45m、43m和86m。

步骤八：采用最小二乘法进行一元回归分析，得出火烧区推测分界点的误差与各影响因素 的相关关系类型。N与M的线性拟合的相关系数为0.88，对数为0.51、多项式为0.85、指数 为0.49，因此N与M的相关关系类型为线性类型。采用相同方法得到N与D的相关关系类型 为线性类型。N与w的相关关系类型为对数类型。N与△HG的相关关系类型为对数类型。N 与△DLW的相关关系类型为多项式类型。N与△HGG的相关关系类型为对数类型。

步骤九：建立多元火烧区推测边界点的误差修正模型。在步骤八选定的各影响因素相关关 系类型的基础上，利用所有井下钻孔及火烧边界孔和火烧边界对孔数据，拟合得出该火烧区推 测边界点的误差修正模型N＝-34.3M+2.8D-56.4ln(w)-37.2ln(△HG)+(0.003△DLW2+0.7 △DLW)-153ln(△HGG)+64.7。

步骤十：利用火烧区推测边界点的误差修正模型N＝-34.3M+2.8D-56.4ln(w)-37.2ln(△ HG)+(0.003△DLW2+0.7△DLW)-153ln(△HGG)+64.7，计算其余13个火烧区推测边界 线点的误差分为-168m～307m，依据误差修正各点，得修正的火烧区推测分界点。并按照修正 的火烧区推测分界点和火烧区实测分界点，依照火烧区推测边界线的趋势，顺次圆滑连接修正 的火烧区推测分界点和火烧区实测分界点，得到修正的火烧区边界线。

步骤十一：按照既定的要求，距离修正的火烧区边界线为L来设计煤炭开采工作面。其 中，L计算为20m～31.2m。

步骤十二：形成采煤工作面，安全回采，且没有报废巷道或工作面，煤炭资源也得到了最 大回采率。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1)简单易实施；2)无额外工程量，节约时间 和成本；3)对火烧区边界的控制更接近实际，减少安全问题；4)减少煤炭损失量，节约国家 能源；5)减少火烧区误差，减少错误的工程量。