利用煤田测井曲线精细预测潘集矿区深部煤层围岩抗压强度

邵军战

（安徽省煤田地质局勘查研究院， 安徽合肥 230088）

0 引言

煤层围岩强度大小及其分布特征是巷道掘进和工作面回采过程中的一项重要测试参数，其在巷道支护、顶板管理、底板水害防治等方面具有重要的指示意义[1～2]。矿山安全高效生产的基础保障工作之一就是在巷道掘进及工作面回采工作中，提前获取煤层底板的岩石抗压强度。目前，获得岩石抗压强度的途径主要采用有代表性的岩心在室内进行试验测得[3]，由于费用、技术等原因，利用有限的岩心在室内进行岩石强度特性实验，已经越来越不能满足大范围开拓和中深部开采的需要[4]。而采用勘探过程中的地球物理测井曲线数据可以对围岩条件进行精细分析和解释，进而获得勘探区或是采区内相应的解释成果。

淮南煤田潘集区生产矿井有潘一、潘二、潘三、潘四东和朱集东煤矿。其中潘一、潘二、潘三3对生产矿井均始建于上世纪70 年代，经过近40 多年的改造扩建和开采，浅部（一水平）煤炭资源已开采殆尽。其深部及外围煤炭资源丰富、煤质优良，是矿区未来生产接替和开发的必然趋势。本文通过对安徽省淮南煤田潘集煤矿外围煤炭详查（项目编号：2014-煤-1）工程实践和所获成果资料的分析总结，以淮南煤田潘集矿区深部（标高-800～-1500m）1 煤层底板泥岩层段岩体强度为研究对象，利用视电阻率、伽马伽马、自然伽马等测井数据，并结合室内岩心抗压强度测试结果，探讨了煤田测井曲线与岩石抗压强度之间的相关性。根据抗压强度与各种测井曲线单因素之间的相关关系，构建出复合参数，分析测井数据与抗压强度的相关关系，并进行岩石抗压强度预测，为潘集矿区及深部范围煤矿安全生产提供技术依据[5]。

1 理论基础

地球物理测井技术作为一种常用的地球物理勘探方法，在煤炭资源勘探中发挥着重要的作用。煤岩层物理力学性质与不同的测井因素之间具有良好的相关性[6]，所以建立煤层底板抗压强度与煤田测井曲线参数之间的相关关系，可以用来准确的预测岩石抗压强度。前期的研究结果表明，煤田勘探过程中的视电阻率、伽马伽马、自然伽马等测井曲线参数与岩石强度之间相关性强，这为围岩强度计算和预测提供了基础。

图1 单因素相关性分析 （a）自然伽马；（b）视电阻率；（c）伽马伽马Figure 1. Correlation analysis of single factor（a）natural gamma;（b）apparent resistivity;（c）gamma gamma

其中，视电阻率测井是通过利用地层电阻率差异来研究地层性质的技术[7]，主要用来进行煤岩层解释，划分破碎带、裂隙及岩土层，以及在水文工程测井中可以用来划分含水层等[8]；自然伽马测井是通过利用岩石总自然伽马射线强度差异进行探测的技术，主要用来进行煤岩层解释比较、地质年代划分等[9]。研究表明，岩层泥质含量越大，岩石的总自然伽马射线强度越大[10]；伽马伽马测井，则主要用来进行煤层定性、定量解释，划分破碎带，进行煤层灰分、砂、泥、水及孔隙度分析[8]。因此利用单一测井曲线进行复合参数求取，可实现对岩石强度等参数的预测。先后有田忠等通过利用煤田测井曲线对某矿1煤层顶板砂岩抗压强度进行了预测，在单因素分析的基础上，构建了复合参数，准确地预测出煤层顶板砂岩的岩石抗压强度[5]；徐胜平等以某矿1煤层顶板砂、泥岩为研究对象，分析了砂岩抗拉强度与测井曲线单因素的相关关系，并构建出多因素复合参数，也成功预测了1煤层采区各钻孔处1煤层顶板砂岩层段的抗拉强度[6]。

2 岩石强度特征预测与解释

2.1 岩石抗压强度样本获取

煤层底板岩石抗压强度直接影响底板的稳定性，是煤层底板突水灾害的重要影响因素。淮南煤田潘集矿区深部1煤层底板发育砂泥岩地层，底板多为砂质泥岩或泥岩，局部为粉砂岩，其中泥岩类占73%，厚度 0.55～13.06m，粉砂岩类占 16%，厚度 1.60～15.86m。虽然砂岩的抗压强度大于泥岩，但该勘探区1 煤层底板泥岩类占73%，所以泥岩对底板稳定性的主导作用更大，因此研究区内的泥岩抗压强度具有重要的实践意义。潘集矿区深部1煤层底板部分钻孔泥岩岩心室内抗压强度测试结果与相关测井曲线响应值对比情况见表1。

2.2 单因素分析

进行单因素分析，即利用线性回归方法分析岩石抗压强度与测井曲线单一因素之间的相关性，以岩石抗压强度为因变量，视电阻率、自然伽马和伽马伽马测井响应值为自变量，分别分析它们之间的相关性[6]，得出结果，如图1所示。

表1 潘集矿区深部1煤层底板泥岩抗压强度与测井曲线响应值Table 1. Compressive strength and log response of mudstone at the floor of coal seam 1 in the deep of the Panji mining area

分析图1 可知，岩石抗压强度与自然伽马响应值高度相关，抗压强度值随着自然伽马值增大而增大，相关系数与视电阻率成正相关关系，视电阻率值越高，抗压强度值越大，相关系数高度相关；与伽马伽马成正相关关系，伽马伽马值越高，抗压强度值越大，相关系数高度相关。3种因素中，自然伽马相关性更高。

图2 抗压强度与测井复合参数相关性分析Figure 2. Correlation analysis of compressive strength and logging composite parameters

2.3 复合参数分析

由于地层的复杂性，岩石的物理性质受所处环境的影响，会随着环境的变化而变化，所以岩石抗压强度会对视电阻率、自然伽马以及伽马伽马测井曲线存在一个综合响应[5]。

据此，构建出复合参数G=GR（lnR·lnGG）/100，分析它与岩石抗压强度的相关性，得出结果，如图2 所示。式中，GR为自然伽玛响应值；R为视电阻率响应值；GG为伽玛伽玛响应值。

由图2可见，岩石抗压强度与复合参数高度相关，抗压强度随着复合参数的增大而增大，相关关系为y=0.2926x+9.2886，相关系数 ||R=0.92，高于单因素分析结果。所以，利用复合参数分析得出的结果来预测勘探区1煤层底板泥岩的抗压强度，会更加合理。

2.4 抗压强度预测

表2为利用复合参数拟合公式预测得出的各钻孔1 煤层底板岩石抗压强度值。由表2 可知，预测求出的潘集矿区深部1煤层底板泥岩抗压强度与实验室测试得出的抗压强度间的绝对误差范围在-4.6～5.26MPa，平均仅2.33MPa，结果表明可以利用拟合公式来预测求取岩石抗压强度。

表2 复合参数预测1煤层底板泥岩抗压强度值Table 2. Compressive strength of the mudstone at the floor of coal seam 1 prognosticated by composite parameter

根据表2中预测得出的各钻孔1煤层底板岩石抗压强度值，绘制的1煤层底板泥岩抗压强度等值线图及分布特征如图3所示。由图3可知，潘集矿区深部1煤层底板泥岩强度具有明显的分布规律和差异性，总体变化趋势为自西南向东北抗压强度由小变大。其中背斜轴部附近强度变化梯度较大，原因可能为受构造挤压影响所致。未来在1煤层开拓和生产中主要受到来自底板灰岩水的威胁，其中构造发育和抗压强度低于安全水头值的块段是隐患重点部位。因此，对区内1煤层底板主要岩层抗压强度的预测可为后续底抽巷道掘进及底板水害防治提供参考。

图3 潘集矿区深部1煤层底板泥岩抗压强度分布特征示意图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 结论

（1）建立自然伽马、视电阻率以及伽马伽马测井曲线单因素与1 煤层底板泥岩岩石抗压强度相关关系，均表现为高度相关且三种因素中，自然伽马相关性最高。根据单一因素分析结果，建立三因素复合参数，分析其与岩石抗压强度的关系，得出底板泥岩抗压强度与复合参数正相关，相关系数达到0.92。

（2）利用拟合公式对1 煤层底板泥岩岩石抗压强度进行预测，与岩石力学测试结果对比，认为预测结果与实测数据之间具有良好的一致性，平均误差仅为2.33MPa，可以为煤矿安全生产提供一定的参考依据。

（3）利用复合参数拟合公式预测煤层底板泥岩抗压强度，不但提高了工作效率，更为煤田测井曲线资料的再运用提供了一种新手段。