矿井采区应力分布的地震预测方法研究

Recently, dynamic disasters of coal mines were increasing sharply and they had caused numerous losses of lives and wealth. According to the last researches, dynamic disasters of mining areas of coal mines are mainly controlled by inhomogeneous distributions of stresses of mining coal beds and their roof key layers. Therefore, the mining coal beds and their roof key layers were main objectives to study. In this project, we treat mining coal beds and their roof key layers as research objectives, and combine azimuthal anisotropy inversion, interval velocity inversion, computed tomography of underground seismic and its anisotropic analysis, and stochastic forward modeling of rock physics together to predict the stress distributions of mining area. In general, the prediction of this project consists of two main parts, namely, distributions of vertical stress and distributions of horizontal stress.On the one hand, we mainly combine AVO inversion, well logging constrained inversion of interval velocity, relationship testing between wave velocity and stress of rock specimen, and stochastic forward modeling of rock physics to forecast the distributions of vertical stress. On the other hand, we predominantly use azimuthal anisotropy analysis of azimuthal AVO, computed tomography of underground seismic and its anisotropy analysis, and stochastic forward modeling of rock physics to predict the distributions of horizontal stress. Therefore, we could obtain the distributions of vertical stress and horizontal stress. The achieved distributions of stress could help the effective prevention of dynamic disasters of coal mines such as rockbursts, coal and gas outbursts, and outbursts of overpressure water.

近年来，煤矿采区动力灾害造成了大量的人员及财产损失。现有研究认为，煤矿采区动力灾害主要受煤层及其上方关键层的应力非均匀分布控制。本次以煤层及其上方关键层为研究目标，结合方位各向异性分析、层速度反演、矿井弹性波CT及方位各向异性分析、岩样测试和岩石物理随机模拟等技术和方法，综合预测煤矿采区应力分布。预测主要包括采区垂向应力分布和采区水平应力分布等两部分。对于采区垂向应力分布的预测来说，主要结合AVO反演、测井曲线约束层速度反演、岩样弹性波速度与应力关系测试和岩石物理随机模拟等技术进行。对于采区水平应力分布的预测来说，主要结合方位AVO的方位各向异性分析、矿井弹性波CT及方位各向异性分析和岩石物理随机模拟等技术进行。通过上述两个方面的预测，最终获得矿井采区垂向应力分布和水平应力分布，为煤矿采区冲击矿压和煤与瓦斯突出等动力灾害的有效防治，提供可靠的应力分布资料。

近年来，煤矿采区动力灾害造成了大量的人员及财产损失。现有研究认为，煤矿采区动力灾害主要受煤层及其上方关键层的应力非均匀分布控制。本次以煤层及其上方关键层为研究目标，结合密度和层速度反演、矿井地震波CT 及方位各向异性分析、岩样测试、地质力学仿真模拟和岩石物理随机模拟等技术和方法，综合研究煤矿采区应力分布的地震预测技术。首先，根据采区测井曲线和应力分布控制要素的特点，研究高质量声波曲线生成技术和采区关键层定量评价技术。其次，分别从孔隙压力预测、速度与应力关系、零偏移距剖面反演和垂向应力分布的仿真模拟等几个方面研究采区垂向应力分布预测技术。通过对比多种孔隙压力预测方法，发现Flemings法的预测效果最好。通过实验测试，发现岩样速度与应力呈幂函数关系，并且关系曲线受围压影响。AVO反演可以获得零偏移距剖面，但非煤地层的反演效果较差，不能直接用于速度体和密度体反演。在上述研究的基础上，通过地质力学建模，仿真模拟高精度的采区垂向地应力分布。再次，分别从采区构造煤分布、方位各向异性分析和水平应力分布的地质力学仿真模拟等几个方面研究采区水平应力分布。通过将机器学习算法和地震属性相结合，可以获得高精度的构造煤厚度确定性预测。将Monte Carlo随机模拟和地震属性相结合，可以获得高精度的构造煤厚度非确定性预测。通过方位AVO等方位各向异性分析，可以获得最大水平主应力方位在采区中的准确分布。在上述研究基础上，通过地质力学建模，仿真模拟高精度的采区水平应力分布。最后，利用矿井地震波CT和微震监测探测工作面高应力区，并通过Monte Carlo随机模拟和点过程空间统计研究断层与高应力区的相关关系。研究发现，断层与高应力区正相关，实例工作面中两者的相关半径约20m。总之，本次研究探索了一套切实可行的采区地应力分布预测技术，达到了预期的研究目标。但由于地震分辨率的限制，精细构造及岩性对地应力分布的影响有待继续深入研究。