徐勝平， 云曉鳴， 汪宏志， 王 軒

（1.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)，安徽 宿州 234000）

煤田地球物理測(cè)井作為一種重要的物探技術(shù)手段，在煤炭資源勘探中發(fā)揮著重要的作用?？碧竭^程中，煤田測(cè)井直接通過鉆孔井壁近距離地獲取地層中物理性質(zhì)信息，其曲線中攜帶著豐富的地質(zhì)信息，不同屬性參數(shù)與巖煤層結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)、富水儲(chǔ)氣等特征具有一定的相關(guān)性［1］。通過對(duì)測(cè)井曲線的綜合分析，根據(jù)巖煤層的地球物理響應(yīng)特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦開采地質(zhì)條件的解釋。利用單井和多井測(cè)井曲線參數(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)巖煤層深度、厚度及結(jié)構(gòu)的確定，對(duì)煤類的劃分，對(duì)巖性解釋及地層劃分等常規(guī)解釋應(yīng)用，而且可以實(shí)現(xiàn)巖層孔隙度確定、煤層對(duì)比、構(gòu)造分析，以及沉積環(huán)境分析等相關(guān)內(nèi)容［2］。近年來，安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)完成50個(gè)左右勘探區(qū)探查任務(wù)，以每個(gè)勘探區(qū)200個(gè)鉆孔數(shù)量計(jì)算，已完成近10 000個(gè)鉆孔的地質(zhì)勘探任務(wù)，其中絕大多數(shù)鉆孔完成測(cè)井任務(wù)。而縱觀煤田系統(tǒng)對(duì)測(cè)井曲線的利用，其所采用的綜合解釋方法不夠突出，地質(zhì)成果資料解釋普遍采用單井或多井曲線間的簡(jiǎn)單組合與對(duì)比，實(shí)現(xiàn)常規(guī)地質(zhì)解釋，未能全面利用5大類曲線的信息，在某種程度上造成測(cè)井曲線資源的丟失與浪費(fèi)［3］，這也是全國(guó)煤田勘探測(cè)井技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀。

通過國(guó)內(nèi)外煤田測(cè)井技術(shù)發(fā)展進(jìn)程可以看出，20世紀(jì)70年代后的煤田測(cè)井，無論在數(shù)量和質(zhì)量上，或是在應(yīng)用的深度和廣度上都有所提高，測(cè)井資料從煤田的普查、預(yù)測(cè)到勘探直至開采設(shè)計(jì)，都有著廣泛而有效的應(yīng)用［4－8］，目前正朝著對(duì)測(cè)井曲線精細(xì)化解釋的方向發(fā)展。本文通過對(duì)淮南某礦西二采區(qū)1煤層地質(zhì)資料、鉆孔測(cè)井曲線的收集，確立對(duì)各類研究地質(zhì)條件的敏感曲線，統(tǒng)計(jì)和分析測(cè)井曲線幅值，對(duì)巖煤層儲(chǔ)氣特征、含水性、巖石力學(xué)參數(shù)等利用率高的地質(zhì)屬性進(jìn)行相關(guān)性分析，建立地質(zhì)物理性質(zhì)參數(shù)與靈敏測(cè)井曲線屬性參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，重建勘探區(qū)綜合地質(zhì)模型，進(jìn)一步提高對(duì)現(xiàn)有測(cè)井曲線資料的利用程度。

1 測(cè)井曲線資料精細(xì)解釋方法

煤田地球物理測(cè)井資料精細(xì)解釋是一個(gè)對(duì)現(xiàn)有資料的信息提取細(xì)化過程，重點(diǎn)是通過對(duì)測(cè)井曲線資料標(biāo)準(zhǔn)化，在精確提取測(cè)井曲線幅值的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同的研究?jī)?nèi)容，分別構(gòu)建測(cè)井參數(shù)，分析兩者之間的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而建立研究區(qū)地質(zhì)屬性與測(cè)井參數(shù)之間的解釋模型。

1.1 測(cè)井曲線資料分類及數(shù)值提取

目前，煤田上常用自然電位、視電阻率、自然伽馬、密度、聲波等5類測(cè)井曲線，不同曲線反映的巖煤層特征各有不同，其測(cè)試的物理量差別較大，因此需要對(duì)不同曲線的相關(guān)性進(jìn)行分析和標(biāo)準(zhǔn)化處理，便于進(jìn)行曲線之間的對(duì)比利用，為測(cè)井精細(xì)地質(zhì)解釋提供基礎(chǔ)；同時(shí)可以建立必要的參數(shù)計(jì)算公式和巖煤層的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［9－10］。研究中針對(duì)紙質(zhì)材料還需數(shù)字化，利用CorelDraw、Auto－CAD等矢量化軟件，結(jié)合自主編寫的基于CAD平臺(tái)開發(fā)的數(shù)值提取軟件將各種物理量分層、定值后形成數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)對(duì)比分析做準(zhǔn)備。

測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的提取步驟為：首先利用自主編寫的數(shù)值提取軟件分別拾取測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的標(biāo)度和鉆孔深度（即X、Y2個(gè)方向），然后選擇需要提取的測(cè)井曲線，最后保存為文本格式。軟件界面如圖1所示。

1.2 測(cè)井解釋模型建立

通過收集研究區(qū)勘探過程、煤層開采過程獲得的巖煤層地質(zhì)屬性實(shí)測(cè)資料，與標(biāo)準(zhǔn)化處理后的層位曲線參數(shù)相對(duì)比，進(jìn)一步構(gòu)建不同地質(zhì)條件下地質(zhì)解釋模型。其重點(diǎn)是以煤層結(jié)構(gòu)特征及其瓦斯含量、巖煤層的力學(xué)性質(zhì)以及巖層富水特征為研究對(duì)象，確定其靈敏曲線參數(shù)，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、回歸分析、聚類分析等手段建立其單因素或多因素分析解釋模型。

2 1煤層精細(xì)解釋應(yīng)用

2.1 巖石力學(xué)參數(shù)確定

本文以西二采區(qū)1煤頂板砂、泥巖為對(duì)象，對(duì)視電阻率測(cè)井、自然伽馬、伽馬伽馬值等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在單軸抗壓強(qiáng)度解釋結(jié)果基礎(chǔ)上，結(jié)合圍壓下砂巖力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)以及砂巖孔隙度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立一種基于測(cè)井資料的單軸到三軸抗壓強(qiáng)度解釋模型［11］。具體來說是通過分析巖石抗拉強(qiáng)度與視電阻率、自然伽馬、伽馬伽馬的相關(guān)關(guān)系，根據(jù)抗拉強(qiáng)度與測(cè)井曲線單因素之間的相關(guān)關(guān)系，構(gòu)建復(fù)合參數(shù)，分析抗拉強(qiáng)度和復(fù)合參數(shù)之間的相關(guān)特性。

為了更好地構(gòu)建復(fù)合參數(shù)分析模型，首先分析巖石抗拉強(qiáng)度與測(cè)井曲線單因素之間的相關(guān)關(guān)系，即以巖石抗拉強(qiáng)度為因變量，視電阻率測(cè)井值、自然伽馬測(cè)井值和伽馬伽馬測(cè)井值為自變量，分別分析它們之間的線性相關(guān)關(guān)系。單因素分析表明巖石抗拉強(qiáng)度與視電阻率呈正相關(guān)關(guān)系，與自然伽馬、伽馬伽馬呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

線性分析結(jié)果表明，兩者具有中度相關(guān)性。為了使預(yù)測(cè)結(jié)果更接近真實(shí)值，在單因素分析的基礎(chǔ)上，設(shè)置測(cè)井復(fù)合參數(shù)F＝lnR／（lnGR×lnGG）。該復(fù)合參數(shù)F代表了抗拉強(qiáng)度與3種測(cè)井值之間的綜合相關(guān)性。利用采區(qū)內(nèi)鉆孔相同層位巖石抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值，可進(jìn)一步構(gòu)建抗拉強(qiáng)度與復(fù)合參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系為y＝25.54x－2.597，其相關(guān)系數(shù)為0.674。根據(jù)此式可對(duì)1煤采區(qū)各鉆孔處1煤層頂板砂巖層段抗拉強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，獲得整個(gè)采區(qū)1煤層頂板砂巖層段抗拉強(qiáng)度分布圖如圖2所示。可以看出，在1煤采區(qū)其頂板砂巖抗拉強(qiáng)度具有分布差異，其重點(diǎn)是采區(qū)深部靠近煤上山位置的1煤頂板砂泥巖層段強(qiáng)度相對(duì)較低，因此需要在工作面巷道掘進(jìn)以及工作面回采維護(hù)中加以重視，這在幾條上山掘進(jìn)中已得到驗(yàn)證。

圖2 抗拉強(qiáng)度分布圖

2.2 巖煤層儲(chǔ)氣特征解釋

由于煤層物性及其儲(chǔ)氣特殊性，目前還不能靠單一的測(cè)井資料對(duì)煤層瓦斯含量做出準(zhǔn)確的解釋，多數(shù)是通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，結(jié)合地區(qū)地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)建立統(tǒng)計(jì)關(guān)系［12－14］。研究中通過視電阻率測(cè)井、自然伽馬測(cè)井、伽馬伽馬測(cè)井及工業(yè)分析相關(guān)參數(shù)，建立統(tǒng)計(jì)關(guān)系的煤層瓦斯含量解釋與預(yù)報(bào)方法。

試驗(yàn)以淮南某礦西二采區(qū)1煤為對(duì)象開展。由于含氣量的增加會(huì)使深淺電阻相對(duì)變化率、聲波時(shí)差和中子孔隙度進(jìn)一步增大，使自然伽馬和體積密度值進(jìn)一步降低。因此，可以通過這些測(cè)井參數(shù)的變化來反映含氣量的變化。根據(jù)收集的采區(qū)鉆孔測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和各曲線對(duì)煤層參數(shù)的貢獻(xiàn)程度，結(jié)合儲(chǔ)層變化對(duì)測(cè)井分析的需要，確定利用視電阻率、自然伽馬和伽馬伽馬值形成復(fù)合參數(shù)L，構(gòu)建復(fù)合參數(shù)L與煤層瓦斯含量的關(guān)系模型。其構(gòu)建方法如下所述。

測(cè)井曲線復(fù)合參數(shù)與煤層瓦斯含氣量之間具有良好的相關(guān)性，由此獲得線性關(guān)系式為：Q氣＝f（L）＝－1.636L＋82.56，R＝0.92。由此可對(duì)整個(gè)采區(qū)鉆孔處的1煤層測(cè)井含氣量進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測(cè)，結(jié)果如圖3所示。經(jīng)過對(duì)比，由測(cè)井復(fù)合參數(shù)給出的預(yù)測(cè)結(jié)果與采區(qū)個(gè)別工作面抽采揭露的煤層實(shí)測(cè)含氣量之間具有良好的對(duì)應(yīng)性，表明利用上述方法進(jìn)行煤層含氣量預(yù)測(cè)在生產(chǎn)中具有可行性，其預(yù)測(cè)結(jié)果可為礦井安全生產(chǎn)及采場(chǎng)瓦斯預(yù)測(cè)提供參考。

圖3 1煤層含氣量預(yù)測(cè)圖

2.3 巖煤層富水特征解釋

勘探區(qū)的水文地質(zhì)資料對(duì)于建設(shè)礦井和開采具有重要意義，利用測(cè)井資料研究水文地質(zhì)問題的優(yōu)越性大，它可充分利用區(qū)內(nèi)已有的測(cè)井曲線，對(duì)比分析含水層的層位、分布情況及其含水性，便于掌握整個(gè)采區(qū)的基本情況。視電阻率是煤田測(cè)井最先采用的參數(shù)，它不僅是巖煤層定性定厚參數(shù)之一，而且是解釋滲透性地層砂巖體含水層的主要參數(shù)［15］。

研究以西二采區(qū)1煤頂板砂巖作為研究地層，討論其賦水特性。結(jié)合勘探過程中巖層飽和度測(cè)試數(shù)據(jù)、鉆孔視電阻率曲線等前期資料，利用Archie公式計(jì)算的采區(qū)巖層的含水飽和度分布圖如圖4所示。

圖4 含水飽和度分布圖

可以看出，采區(qū)1煤層頂板砂巖層段含水性具有差異，其中隨著埋深增加其含水飽和度增加，采區(qū)下部巖層賦水性比上部要大，且在走向上局部具有分帶差異性。1煤頂板砂巖含水組之間有泥質(zhì)巖類隔水層間隔，而且斷層帶一般不含水，導(dǎo)水性也較弱，所以相互之間無水力聯(lián)系。與上覆松散含水層和下伏太原組灰?guī)r含水層之間，在自然狀態(tài)下，無水力聯(lián)系。對(duì)于采區(qū)深部含水飽和度高異常區(qū)域，在巷道掘進(jìn)過程中已揭露證實(shí)，此結(jié)果還可為工作面回采過程中頂板水害防治提供參考。

3 結(jié) 論

（1）以淮南某礦1煤采區(qū)開采地質(zhì)條件進(jìn)行測(cè)井曲線精細(xì)分析試驗(yàn)研究，取得1煤層瓦斯含量、1煤層頂板厚砂巖層段賦水性以及力學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)等精細(xì)解釋結(jié)果，室內(nèi)巖石測(cè)試試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、礦井生產(chǎn)揭露地質(zhì)條件數(shù)據(jù)等綜合驗(yàn)證表明，利用測(cè)井曲線單因素、多因素綜合判斷成果與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)之間具有良好的一致性。

（2）結(jié)合煤田勘探系統(tǒng)測(cè)井曲線現(xiàn)狀，形成的煤田勘探測(cè)井曲線精細(xì)解釋的方法具有一定的可靠性，該方法可為現(xiàn)有礦井曲線資料再利用、今后勘探曲線深入解釋提供有效手段，為煤炭生產(chǎn)提供更多更為有效的地質(zhì)信息。

（3）受數(shù)據(jù)條件限制，對(duì)于地質(zhì)條件的精細(xì)判斷還需結(jié)合所獲得的多種地質(zhì)信息綜合分析，對(duì)于精細(xì)方法還需結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍和效果。

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