一种煤层顶板稳定性测井定量评价方法

摘要

一种煤层顶板稳定性测井评价评价方法，先计算煤层顶板岩性系数，再计算煤层顶板的孔隙度，然后计算煤层顶板裂缝发育指数，然后计算煤层顶板含水率，接着计算煤层顶板抗压强度，再构建煤层顶板稳定性测井定量评价模型，最后煤层顶板稳定性评价指数计算；本发明基于煤层顶板岩性系数、孔隙度、裂缝发育指数、含水性及抗压强度参数，构建了煤层顶板稳定性评价指数测井定量计算模型，以此计算模型对煤层顶板稳定性评价指数进行计算，将为煤矿安全开采提供钻孔测井技术支持。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿开采过程中的钻孔测井评价技术，特别涉及一种煤层顶板稳定性测井定量评价方法。

背景技术

为了评估煤层顶板的稳定性能，本发明的目的在于提供一种煤层顶板稳定性测井定量评价方法。基于对煤层顶板稳定性影响较大的岩性特征和抗压强度，并充分考虑到顶板岩层的孔隙度、含水率及裂缝发育程度对稳定性影响较大这一客观地质因素，在系统分析岩性系数、孔隙度、含水率、裂缝发育指数及抗压强度与煤层顶板稳定性间的内在关系之后，建立了煤层顶板稳定性评价指数测井计算模型。该模型从多个方面综合考虑了对煤层顶板稳定性影响较大的五个指标，因此，该评价方法更能较准确地表征煤层顶板的稳定性能，进而可为煤矿安全开采提供测井技术支持。

实际生产中，为了安全开采煤矿，必须要评估煤层顶板的稳定性。一般而言，煤层直接顶为厚层致密砂岩，且不含裂缝时，则抗压强度大、稳定性好；如果直接顶为泥岩或孔隙性好的砂岩，且含有裂缝时，则抗压强度低、稳定性差。

现有的煤层顶板稳定性评价方法，多根据岩层的抗压强度来评价，有些评价方法也考虑了岩性特征和含水率对稳定性能的影响。实际上，煤层顶板的稳定性能不仅仅与抗压强度、岩性特征和含水率有关，而且与孔隙度和裂缝发育指数有关。然而，现有的专利没有考虑到孔隙度、裂缝发育指数对煤层顶板稳定性能的影响。此外，现有煤层顶板稳定性评价中，尚且没有充分利用煤田钻孔测井资料来计算煤层顶板岩性系数、孔隙度、裂缝发育指数、含水率及抗压强度，进而来对煤层顶板的稳定性进行测井定量评价，这给煤矿安全开采施工设计带来不便。

发明内容

为了克服上述现有方法的不足，本发明的目的在于提供一种煤层顶板稳定性测井评价评价方法，基于煤层顶板岩性系数、孔隙度、裂缝发育指数、含水性及抗压强度参数，构建了煤层顶板稳定性评价指数测井定量计算模型，以此计算模型对煤层顶板稳定性评价指数进行计算，将为煤矿安全开采提供钻孔测井技术支持。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种煤层顶板稳定性测井评价评价方法，包括以下步骤：

步骤一、计算煤层顶板岩性系数：采用方程(1)求取相对自然伽马，进而利用相对自然伽马与实验室测得的岩石粒径进行相关性分析，求取煤层顶板岩石的粒径，进而利用岩石粒径和泥质含量来构建煤层顶板岩性系数计算模型，具体如下：

$>\Delta GR=\frac{GR-{\mathrm{GR}}_{min}}{{\mathrm{GR}}_{max}-{\mathrm{GR}}_{\min }}---\left(1\right)$>

M_d＝-0.124·ΔGR+0.248>

$>I_l=\frac{M_d}{V_{sh}}---\left(3\right)$>

$>V_{sh}=\frac{2^{GCUR·\Delta GR}-1}{2^{GCUR}-1}---\left(4\right)$>

式中：ΔGR为相对自然伽马，无量纲；GR、GR_max、GR_min分别为计算层点、纯泥岩、纯砂岩的自然伽马值，API；M_d为岩石粒径，mm；I_l为煤层顶板岩性系数，无量纲；V_sh为泥质含量，小数；GCUR为地区经验参数，对第三纪地层取3.7，对老地层取2；

步骤二、计算煤层顶板的孔隙度：对孔隙度测试数据进行归位之后，提取归位后的密度测井数据，并考虑到泥质含量对孔隙度的影响，以密度和泥质含量为自变量，孔隙度为因变量，进行二元回归拟合，便可得到方程(5)所示孔隙度计算模型，

φ＝-1.392·ρ_b-0.028·V_sh+6.672>

式中：φ为煤层顶板的孔隙度，％；ρ_b为煤层顶板的密度，g/cm³；

步骤三、计算煤层顶板裂缝发育指数：构建方程(8)所示的裂缝发育指数:

$>R_f=\frac{E_{ma}-E}{E_{ma}}---\left(6\right)$>

$>E=\frac{{\rho }_b}{{{\mathrm{\Delta t}}_s}^2}·\frac{3{{\mathrm{\Delta t}}_s}^2-4{{\mathrm{\Delta t}}_c}^2}{{{\mathrm{\Delta t}}_s}^2-{{\mathrm{\Delta t}}_c}^2}---\left(7\right)$>

$>F_c=\frac{R_f}{K_v}---\left(8\right)$>

$>K_v={\left(\frac{{\mathrm{\Delta t}}_m}{{\mathrm{\Delta t}}_c}\right)}^2---\left(9\right)$>

式中：R_f为杨氏模量计算的裂缝强度指数，无量纲；E_ma为岩石骨架的动弹性模量，MPa，由理论值求得；E为煤层的杨氏模量，MPa；Δt_c、Δt_s分别为煤层顶板的纵波和横波时差，μs/m；Δt_m为煤层顶板骨架的纵波时差，μs/m；F_c为裂缝发育强度指数，无量纲；K_ν为岩石完整性系数，无量纲；

步骤四、计算煤层顶板含水率：构建方程(10)所示的含水率计算模型，

$>C_w=\frac{\phi ·{\rho }_w}{\phi ·{\rho }_w+(1-\phi )·{\rho }_m}---\left(10\right)$>

式中：C_w为煤层顶板含水率，无量纲；ρ_w为煤层顶板所含水的密度，g/cm³；ρ_m为煤层顶板岩石骨架的密度，g/cm³；其他参数物理意义同上；

步骤五、计算煤层顶板抗压强度：抗压强度与杨氏模量和泥质含量关系密切，据此，建立了方程(11)碎屑岩剖面中抗压强度的计算模型，

C_o＝0.0045·E·(1-V_sh)+0.008·E·V_sh>

式中：C_o为岩石抗压强度，MPa；

步骤六、构建煤层顶板稳定性测井定量评价模型：基于步骤一～步骤五中的方案可知，岩石的稳定性与岩性系数、抗压强度成正比，与孔隙度、裂缝发育指数及含水率成反比，于是定义方程(12)煤层顶板稳定性评价指数的定量计算公式，依托方程(12)计算的稳定性系数，并考虑到1m有8个测井采样数据点，采用加权处理的方法构建了方程(13)所示的煤层顶板稳定性评价指数计算模型：

$>R_s=\frac{I_l·C_o}{\phi ·F_c·C_w}---\left(12\right)$>

$>I_s=\frac{\underset{i=1}{\overset{8H}{\Sigma }}\frac{R_s}{i}}{ln\left(8H\right)}---\left(13\right)$>

式中：R_s为煤层顶板稳定性系数，无量纲；I_s为煤层顶板稳定性评价指数，无量纲；H为煤层顶板厚度，m，该值可取为10m；i为待计算的测井数据点数，无量纲；

步骤七、煤层顶板稳定性评价指数计算：将上述步骤一～步骤五中计算的各评价指标代入步骤六中的方程(12)、方程(13)中，便可实现煤层顶板稳定指数的计算，煤层顶板稳定性评价指数I_s数值变化比较大，为了依据I_s值划分顶板封闭性能的类型，对R_s值亦进行了归一化处理，经归一化处理好，I_s的最大值为1，最小值为0，其值越大，煤层顶板的稳定性就越强，依据其计算结果，在系统对比实际煤矿开采过程中顶板稳定性监测资料的基础上，给出了表1所示的煤层顶板稳定性评价等级划分标准：

表1煤层顶板稳定性评价等级划分表

顶板稳定性类型稳定性评价指数I_sⅠ类>0.7Ⅱ类0.4<I_s<0.7Ⅲ类<0.4

由表1可知，本发明将煤层顶板的稳定性划分为三类，Ⅰ类表示稳定性好；Ⅱ类表示稳定性中等；Ⅲ类表示稳定性差。

本发明首次针对煤层顶板稳定性，提出了一种煤层顶板稳定性测井定量评价方法，能够有效地利用测井资料进行煤层顶板稳定指数计算，以期为煤矿安全开采提供钻孔测井技术支持，既充分考虑了煤层顶板岩性特征、抗压强度及含水率对稳定性的影响，又兼顾了煤层顶板孔隙度、裂缝发育特征的影响，所评价的煤层顶板稳定性与煤矿实际情况较为吻合。

附图说明

图1为本发明中的煤层顶板稳定性测井定量评价方法流程图。

图2为本发明中的煤层顶板自然伽马与粒径关系图。

图3为本发明中的煤层顶板密度与孔隙度关系图。

图4为本发明中的煤层顶板泥质含量与孔隙度关系图。

图5为本发明中的煤层顶板稳定性测井定量评价成果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做详细叙述。

参照图1，一种煤层顶板稳定性的测井定量评价方法，包括以下步骤：

步骤一、计算煤层顶板岩性系数：碎屑岩剖面中，岩石的颗粒越粗，抗压强度越强，于是稳定性越好。颗粒越细的岩石，岩石颗粒表面所携带的放射性物质越多，自然伽马测井值越大。于是，自然伽马测井能够有效地表征岩石的粒径大小。参考图2，充分考虑到同一地层、多口井的自然伽马变化幅度较大，采用方程(1)来求取相对自然伽马，进而利用相对自然伽马与实验室测得的岩石粒径进行相关性分析，来求取煤层顶板岩石的粒径，进而利用岩石粒径和泥质含量来构建煤层顶板岩性系数计算模型，具体如下：

$>\Delta GR=\frac{GR-{\mathrm{GR}}_{min}}{{\mathrm{GR}}_{max}-{\mathrm{GR}}_{min}}---\left(1\right)$>

M_d＝-0.124·ΔGR+0.248(2)

$>I_l=\frac{M_d}{V_{sh}}---\left(3\right)$>

$>V_{sh}=\frac{2^{GCUR·\Delta GR}-1}{2^{GCUR}-1}---\left(4\right)$>

式中：ΔGR为相对自然伽马，无量纲；GR、GR_max、GR_min分别为计算层点、纯泥岩、纯砂岩的自然伽马值，API；M_d为岩石颗粒直径，mm；I_l为煤层顶板岩性系数，无量纲；V_sh为泥质含量，小数；GCUR为地区经验参数，对第三纪地层取3.7，对老地层取2。

煤层顶板岩性系数增大时，表明所含砂质比重增大，顶板越趋于稳定。反之，当煤层顶板岩性系数减小时，表明所含泥质比重增大，顶板越不稳定。

步骤二、计算煤层顶板的孔隙度：参考图3、图4，密度测井能够有效地反映地层的孔隙度，且密度测井是煤田生产中的必测项目。据此，对孔隙度测试数据进行归位之后，提取归位后的密度测井数据，并考虑到泥质含量对孔隙度的影响，以密度和泥质含量为自变量，孔隙度为因变量，进行二元回归拟合，便可得到方程(5)所示孔隙度计算模型，

φ＝-1.392·ρ_b-0.028·V_sh+6.672>

式中：φ为煤层顶板的孔隙度，％；ρ_b为煤层顶板的密度，g/cm³。

步骤三、计算煤层顶板裂缝发育指数：杨氏模量可以反映其岩石的裂缝发育程度。由于岩石的弹性模量与岩石的裂缝发育程度有关，裂缝越发育，杨氏模量越小，而岩石骨架的弹性模量对同一种岩石来说是一个常数，于是便可由方程(6)所示的裂缝强度指数来表征顶板是否发育裂缝。声波遇到岩石中的破裂时发生绕射，影响走时；破裂带越发育，即岩石的完整越差，纵波速度就越小。因此，利用岩石完整性系数来表征煤层顶板是否发育破碎带。显然，裂缝发强度指数越大，裂缝越发育；完整性系数越大，岩石越发育破碎带。据此，可构建方程(8)所示的裂缝发育指数。

$>R_f=\frac{E_{ma}-E}{E_{ma}}---\left(6\right)$>

$>E=\frac{{\rho }_b}{{{\mathrm{\Delta t}}_s}^2}·\frac{3{{\mathrm{\Delta t}}_s}^2-4{{\mathrm{\Delta t}}_c}^2}{{{\mathrm{\Delta t}}_s}^2-{{\mathrm{\Delta t}}_c}^2}---\left(7\right)$>

$>F_c=\frac{R_f}{K_v}---\left(8\right)$>

$>K_v={\left(\frac{{\mathrm{\Delta t}}_m}{{\mathrm{\Delta t}}_c}\right)}^2---\left(9\right)$>

式中：R_f为杨氏模量计算的裂缝强度指数，无量纲；E_ma为岩石骨架的动弹性模量，MPa，由理论值求得；E为煤层的杨氏模量，MPa；Δt_c、Δt_s分别为煤层顶板的纵波和横波时差，μs/m；Δt_m为煤层顶板骨架的纵波时差，μs/m；F_c为裂缝发育强度指数，无量纲；K_ν为岩石完整性系数，无量纲；其他参数物理意义同前。

步骤四、计算煤层顶板含水率：当煤层顶板存在大量可动水时，可能会直接影响到煤矿的开采。由含水率定义可知，含水率为岩石所含水的质量与整个岩石的质量之比。基于此思想，便可基于岩石物理体积模型，构建方程(10)所示的含水率计算模型。

$>C_w=\frac{\phi ·{\rho }_w}{\phi ·{\rho }_w+(1-\phi )·{\rho }_m}---\left(10\right)$>

式中：C_w为煤层顶板含水率，无量纲；ρ_w为煤层顶板所含水的密度，g/cm³；ρ_m为煤层顶板岩石骨架的密度，g/cm³；其他参数物理意义同上。

步骤五、计算煤层顶板抗压强度：岩石的抗压强度是岩石试件在单轴压力下达到破坏的极限值，它在数值上等于破坏时的最大压应力。不同矿物组成的岩石，具有不同的抗压强度。于是，抗压强度在较大程度上反映了煤层顶板的稳定性。由前人研究得知，抗压强度与杨氏模量和泥质含量关系密切，据此，建立了方程(11)碎屑岩剖面中抗压强度的计算模型。

C_o＝0.0045·E·(1-V_sh)+0.008·E·V_sh>

式中：C_o为岩石抗压强度，MPa；其他参数物理意义同上。

步骤六、构建煤层顶板稳定性测井定量评价模型：为了定量表征煤层顶板的稳定性，引入煤层顶板稳定性评价指数，作为定量评价煤层顶板稳定性能的参数，即以此指数对煤层顶板的稳定性进行定量评价。基于步骤一～步骤五中的方案可知，岩石的稳定性与岩性系数、抗压强度成正比，与孔隙度、裂缝发育指数及含水率成反比。于是定义方程(11)煤层顶板稳定性评价指数的定量计算公式。依据生产实践，评价煤层顶板稳定性时，可考虑距煤层顶10m范围内的岩层，距离煤层顶越近的顶板，对稳定性影响越大，即权系数越大。基于此思想，基于方程(12)计算的稳定性系数，并考虑到1m有8个测井采样数据点，采用加权处理的方法构建了方程(13)所示的煤层顶板稳定性评价指数计算模型。

$>R_s=\frac{I_l·C_o}{\phi ·F_c·C_w}---\left(12\right)$>

$>I_s=\frac{\underset{i=1}{\overset{8H}{\Sigma }}\frac{R_s}{i}}{\ln \left(8H\right)}---\left(13\right)$>

式中：R_s为煤层顶板稳定性系数，无量纲；I_s为煤层顶板稳定性评价指数，无量纲；H为煤层顶板厚度，m，该值可取为10m；i为待计算的测井数据点数，无量纲；其他参数物理意义同前。

步骤七、煤层顶板稳定性评价指数计算：将上述步骤一～步骤五中计算的各评价指标代入步骤六中的方程(12)、方程(13)中，便可实现煤层顶板稳定指数的计算。煤层顶板稳定性评价指数I_s数值变化比较大，为了依据I_s值划分顶板封闭性能的类型，对R_s值亦进行了归一化处理。经归一化处理好，I_s的最大值为1，最小值为0，其值越大，煤层顶板的稳定性就越强。依据其计算结果，在系统对比实际煤矿开采过程中顶板稳定性监测资料的基础上，给出了表1所示的煤层顶板稳定性评价等级划分标准。

表1煤层顶板稳定性评价等级划分表

顶板稳定性类型稳定性系数I_sⅠ类>0.7Ⅱ类0.4<I_s<0.7Ⅲ类<0.4

由表1可知，本发明将煤层顶板的稳定性划分为三类，Ⅰ类表示稳定性好；Ⅱ类表示稳定性中等；Ⅲ类表示稳定性差。

将本发明在实际煤田中试用。在X井的煤层顶板稳定性测井定量评价应用中，参照图5，550.1～552.5米井段为煤层，该井段直接顶岩性为泥质砂岩，厚度为4m，老顶岩性为泥岩，厚度为6m，利用本发明方法计算的稳定性系数分布范围为0.21～0.56，加权处理的煤层顶板稳定性评价指数0.48，说明顶板的稳定性中等；该井所属矿区，近几年进行煤矿开采，未发生过煤层顶板垮塌等安全事故，表明本发明所述方法评价的结果完全能够满足煤矿安全开采方案设计的要求。

该方法既充分考虑了煤层顶板岩性特征、抗压强度及含水率对稳定性的影响，又兼顾了煤层顶板孔隙度、裂缝发育特征的影响，所评价的煤层顶板稳定性与煤矿实际情况较为吻合。该法中的各个评价指标都能够从煤田钻孔测井资料来求取，而几乎所有的煤田均具有大量的钻孔测井数据。因此，本发明所述煤层顶板稳定性测井定量评价方法具有良好的推广应用前景和价值。

本领域的技术人员应当理解，由于测井资料易受扩径等钻孔环境的影响，为了更精准地评价煤层顶板的稳定性，对其测井资料进行环境影响校正是十分必要的，且测井计算的岩石抗压强度必须经过动静态转换刻度。