邵軍戰(zhàn)

（安徽省煤田地質(zhì)局勘查研究院， 安徽合肥 230088）

0 引言

煤層圍巖強(qiáng)度大小及其分布特征是巷道掘進(jìn)和工作面回采過程中的一項重要測試參數(shù)，其在巷道支護(hù)、頂板管理、底板水害防治等方面具有重要的指示意義[1～2]。礦山安全高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)保障工作之一就是在巷道掘進(jìn)及工作面回采工作中，提前獲取煤層底板的巖石抗壓強(qiáng)度。目前，獲得巖石抗壓強(qiáng)度的途徑主要采用有代表性的巖心在室內(nèi)進(jìn)行試驗測得[3]，由于費用、技術(shù)等原因，利用有限的巖心在室內(nèi)進(jìn)行巖石強(qiáng)度特性實驗，已經(jīng)越來越不能滿足大范圍開拓和中深部開采的需要[4]。而采用勘探過程中的地球物理測井曲線數(shù)據(jù)可以對圍巖條件進(jìn)行精細(xì)分析和解釋，進(jìn)而獲得勘探區(qū)或是采區(qū)內(nèi)相應(yīng)的解釋成果。

淮南煤田潘集區(qū)生產(chǎn)礦井有潘一、潘二、潘三、潘四東和朱集東煤礦。其中潘一、潘二、潘三3對生產(chǎn)礦井均始建于上世紀(jì)70 年代，經(jīng)過近40 多年的改造擴(kuò)建和開采，淺部（一水平）煤炭資源已開采殆盡。其深部及外圍煤炭資源豐富、煤質(zhì)優(yōu)良，是礦區(qū)未來生產(chǎn)接替和開發(fā)的必然趨勢。本文通過對安徽省淮南煤田潘集煤礦外圍煤炭詳查（項目編號：2014-煤-1）工程實踐和所獲成果資料的分析總結(jié)，以淮南煤田潘集礦區(qū)深部（標(biāo)高-800～-1500m）1 煤層底板泥巖層段巖體強(qiáng)度為研究對象，利用視電阻率、伽馬伽馬、自然伽馬等測井?dāng)?shù)據(jù)，并結(jié)合室內(nèi)巖心抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果，探討了煤田測井曲線與巖石抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)性。根據(jù)抗壓強(qiáng)度與各種測井曲線單因素之間的相關(guān)關(guān)系，構(gòu)建出復(fù)合參數(shù)，分析測井?dāng)?shù)據(jù)與抗壓強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系，并進(jìn)行巖石抗壓強(qiáng)度預(yù)測，為潘集礦區(qū)及深部范圍煤礦安全生產(chǎn)提供技術(shù)依據(jù)[5]。

1 理論基礎(chǔ)

地球物理測井技術(shù)作為一種常用的地球物理勘探方法，在煤炭資源勘探中發(fā)揮著重要的作用。煤巖層物理力學(xué)性質(zhì)與不同的測井因素之間具有良好的相關(guān)性[6]，所以建立煤層底板抗壓強(qiáng)度與煤田測井曲線參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，可以用來準(zhǔn)確的預(yù)測巖石抗壓強(qiáng)度。前期的研究結(jié)果表明，煤田勘探過程中的視電阻率、伽馬伽馬、自然伽馬等測井曲線參數(shù)與巖石強(qiáng)度之間相關(guān)性強(qiáng)，這為圍巖強(qiáng)度計算和預(yù)測提供了基礎(chǔ)。

圖1 單因素相關(guān)性分析 （a）自然伽馬；（b）視電阻率；（c）伽馬伽馬Figure 1. Correlation analysis of single factor（a）natural gamma;（b）apparent resistivity;（c）gamma gamma

其中，視電阻率測井是通過利用地層電阻率差異來研究地層性質(zhì)的技術(shù)[7]，主要用來進(jìn)行煤巖層解釋，劃分破碎帶、裂隙及巖土層，以及在水文工程測井中可以用來劃分含水層等[8]；自然伽馬測井是通過利用巖石總自然伽馬射線強(qiáng)度差異進(jìn)行探測的技術(shù)，主要用來進(jìn)行煤巖層解釋比較、地質(zhì)年代劃分等[9]。研究表明，巖層泥質(zhì)含量越大，巖石的總自然伽馬射線強(qiáng)度越大[10]；伽馬伽馬測井，則主要用來進(jìn)行煤層定性、定量解釋，劃分破碎帶，進(jìn)行煤層灰分、砂、泥、水及孔隙度分析[8]。因此利用單一測井曲線進(jìn)行復(fù)合參數(shù)求取，可實現(xiàn)對巖石強(qiáng)度等參數(shù)的預(yù)測。先后有田忠等通過利用煤田測井曲線對某礦1煤層頂板砂巖抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了預(yù)測，在單因素分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了復(fù)合參數(shù)，準(zhǔn)確地預(yù)測出煤層頂板砂巖的巖石抗壓強(qiáng)度[5]；徐勝平等以某礦1煤層頂板砂、泥巖為研究對象，分析了砂巖抗拉強(qiáng)度與測井曲線單因素的相關(guān)關(guān)系，并構(gòu)建出多因素復(fù)合參數(shù)，也成功預(yù)測了1煤層采區(qū)各鉆孔處1煤層頂板砂巖層段的抗拉強(qiáng)度[6]。

2 巖石強(qiáng)度特征預(yù)測與解釋

2.1 巖石抗壓強(qiáng)度樣本獲取

煤層底板巖石抗壓強(qiáng)度直接影響底板的穩(wěn)定性，是煤層底板突水災(zāi)害的重要影響因素?；茨厦禾锱思V區(qū)深部1煤層底板發(fā)育砂泥巖地層，底板多為砂質(zhì)泥巖或泥巖，局部為粉砂巖，其中泥巖類占73%，厚度 0.55～13.06m，粉砂巖類占 16%，厚度 1.60～15.86m。雖然砂巖的抗壓強(qiáng)度大于泥巖，但該勘探區(qū)1 煤層底板泥巖類占73%，所以泥巖對底板穩(wěn)定性的主導(dǎo)作用更大，因此研究區(qū)內(nèi)的泥巖抗壓強(qiáng)度具有重要的實踐意義。潘集礦區(qū)深部1煤層底板部分鉆孔泥巖巖心室內(nèi)抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果與相關(guān)測井曲線響應(yīng)值對比情況見表1。

2.2 單因素分析

進(jìn)行單因素分析，即利用線性回歸方法分析巖石抗壓強(qiáng)度與測井曲線單一因素之間的相關(guān)性，以巖石抗壓強(qiáng)度為因變量，視電阻率、自然伽馬和伽馬伽馬測井響應(yīng)值為自變量，分別分析它們之間的相關(guān)性[6]，得出結(jié)果，如圖1所示。

表1 潘集礦區(qū)深部1煤層底板泥巖抗壓強(qiáng)度與測井曲線響應(yīng)值Table 1. Compressive strength and log response of mudstone at the floor of coal seam 1 in the deep of the Panji mining area

分析圖1 可知，巖石抗壓強(qiáng)度與自然伽馬響應(yīng)值高度相關(guān)，抗壓強(qiáng)度值隨著自然伽馬值增大而增大，相關(guān)系數(shù)與視電阻率成正相關(guān)關(guān)系，視電阻率值越高，抗壓強(qiáng)度值越大，相關(guān)系數(shù)高度相關(guān)；與伽馬伽馬成正相關(guān)關(guān)系，伽馬伽馬值越高，抗壓強(qiáng)度值越大，相關(guān)系數(shù)高度相關(guān)。3種因素中，自然伽馬相關(guān)性更高。

圖2 抗壓強(qiáng)度與測井復(fù)合參數(shù)相關(guān)性分析Figure 2. Correlation analysis of compressive strength and logging composite parameters

2.3 復(fù)合參數(shù)分析

由于地層的復(fù)雜性，巖石的物理性質(zhì)受所處環(huán)境的影響，會隨著環(huán)境的變化而變化，所以巖石抗壓強(qiáng)度會對視電阻率、自然伽馬以及伽馬伽馬測井曲線存在一個綜合響應(yīng)[5]。

據(jù)此，構(gòu)建出復(fù)合參數(shù)G=GR（lnR·lnGG）/100，分析它與巖石抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性，得出結(jié)果，如圖2 所示。式中，GR為自然伽瑪響應(yīng)值；R為視電阻率響應(yīng)值；GG為伽瑪伽瑪響應(yīng)值。

由圖2可見，巖石抗壓強(qiáng)度與復(fù)合參數(shù)高度相關(guān)，抗壓強(qiáng)度隨著復(fù)合參數(shù)的增大而增大，相關(guān)關(guān)系為y=0.2926x+9.2886，相關(guān)系數(shù) ||R=0.92，高于單因素分析結(jié)果。所以，利用復(fù)合參數(shù)分析得出的結(jié)果來預(yù)測勘探區(qū)1煤層底板泥巖的抗壓強(qiáng)度，會更加合理。

2.4 抗壓強(qiáng)度預(yù)測

表2為利用復(fù)合參數(shù)擬合公式預(yù)測得出的各鉆孔1 煤層底板巖石抗壓強(qiáng)度值。由表2 可知，預(yù)測求出的潘集礦區(qū)深部1煤層底板泥巖抗壓強(qiáng)度與實驗室測試得出的抗壓強(qiáng)度間的絕對誤差范圍在-4.6～5.26MPa，平均僅2.33MPa，結(jié)果表明可以利用擬合公式來預(yù)測求取巖石抗壓強(qiáng)度。

表2 復(fù)合參數(shù)預(yù)測1煤層底板泥巖抗壓強(qiáng)度值Table 2. Compressive strength of the mudstone at the floor of coal seam 1 prognosticated by composite parameter

根據(jù)表2中預(yù)測得出的各鉆孔1煤層底板巖石抗壓強(qiáng)度值，繪制的1煤層底板泥巖抗壓強(qiáng)度等值線圖及分布特征如圖3所示。由圖3可知，潘集礦區(qū)深部1煤層底板泥巖強(qiáng)度具有明顯的分布規(guī)律和差異性，總體變化趨勢為自西南向東北抗壓強(qiáng)度由小變大。其中背斜軸部附近強(qiáng)度變化梯度較大，原因可能為受構(gòu)造擠壓影響所致。未來在1煤層開拓和生產(chǎn)中主要受到來自底板灰?guī)r水的威脅，其中構(gòu)造發(fā)育和抗壓強(qiáng)度低于安全水頭值的塊段是隱患重點部位。因此，對區(qū)內(nèi)1煤層底板主要巖層抗壓強(qiáng)度的預(yù)測可為后續(xù)底抽巷道掘進(jìn)及底板水害防治提供參考。

圖3 潘集礦區(qū)深部1煤層底板泥巖抗壓強(qiáng)度分布特征示意圖Figure 3. Distribution features of compressive strength of mud stone at the floor of coal seam 1 in the deep of the Panji co al mining area

3 結(jié)論

（1）建立自然伽馬、視電阻率以及伽馬伽馬測井曲線單因素與1 煤層底板泥巖巖石抗壓強(qiáng)度相關(guān)關(guān)系，均表現(xiàn)為高度相關(guān)且三種因素中，自然伽馬相關(guān)性最高。根據(jù)單一因素分析結(jié)果，建立三因素復(fù)合參數(shù)，分析其與巖石抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，得出底板泥巖抗壓強(qiáng)度與復(fù)合參數(shù)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.92。

（2）利用擬合公式對1 煤層底板泥巖巖石抗壓強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測，與巖石力學(xué)測試結(jié)果對比，認(rèn)為預(yù)測結(jié)果與實測數(shù)據(jù)之間具有良好的一致性，平均誤差僅為2.33MPa，可以為煤礦安全生產(chǎn)提供一定的參考依據(jù)。

（3）利用復(fù)合參數(shù)擬合公式預(yù)測煤層底板泥巖抗壓強(qiáng)度，不但提高了工作效率，更為煤田測井曲線資料的再運用提供了一種新手段。