数字测井估算岩、煤层力学性质参数在山阳井田勘探中的应用

（陕西省一三九煤田地质水文地质有限公司 陕西渭南714000）

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本文通过对山阳井田的声速、密度测井资料解释处理，应用CLog-ProV2.0数字测井处理软件分析、研究，得出山阳井田的煤层顶底板岩石的物理力学性质参数，说明了应用声速、密度测井资料可以确定煤层顶底板的岩石力学性质参数。

声速、密度测井资料分析估算岩石力学性质

1 井田概况

澄合矿区山阳井田位于陕西省合阳县东部，距合阳县城5km，面积约43km2，地貌部位属陕西省渭北东部黄土台塬区，上部为第四系风积黄土（局部该层下分布有新近系红粘土），中部为二叠系和石炭系碎屑岩夹煤层，含煤地层为石炭系太原组、二叠系山西组，可采煤层为4号、5号、6、10号，其主采煤层5号煤埋深388~616m，厚度分别为2.86m~9.89m，平均5.5 m。地质储量约4亿吨。

5号煤层：5号煤层位于山西组下部，K3标志层之上，层位稳定，全区分布，5号煤层埋藏深度在388.40(J8-2)-616.65(40-1)m，一般在500-550m左右。厚度从CH83钻孔的2.86m到P17号钻孔的9.89m，平均5.5m，下距6号煤层1.05～9.05m，一般4.70m。全井田发育且较稳定。厚度有一定变化但规律性明显,总的趋势是由浅部向深部变厚的趋势。含矸1～2层，局部不含夹矸或含三层夹矸。仅在42-1有4层夹矸。夹矸厚度0.10(J1-1)-0.75m（J1-1）。煤层可采（有效厚度）厚度2.71m-9.87m,平均4.5m。

测井使用的仪器是车载psj-2数字测井仪成套设备，选用的测井方法参数包括，视电阻率电位(A0.1m)、密度(长、短源距伽玛伽玛（0.4,0.2）)、声速测井、自然伽玛、自然电位等参数。地球物理测井资料完整齐全。

2 利用测井资料评价煤岩层体强度参数方法

近20年来发展的声波测井技术，对深层岩体的工程地质评价，有其独特的优点。它不但简便易行，快速经济，而且测定结果真实，具有代表性。近年来数字测井和计算机技术的应用，更使其展现出广阔的前景，对岩体的工程勘探设计和施工都具有十分重要的意义。

2.1 原理简述

岩石声学探测技术中所涉及的声波是在固体介质中传播的一种机械波。理论上波仔介质中的传播速度；

式中：Vp-从波速度；Vs-横波速度；μ-切变模量；ε-弹性模量。

声波传播速度只取决于介质本身的性质，即介质的弹性模量、剪切模量和密度。当介质均一时，其波速为常量。对于岩石来讲，岩石的组分和结构决定着弹性波的岩石和结构面。因此，波在不同性质的岩石（岩体）中传播将出现不同的速度和振动特性，这就是岩石（岩体）声波测井的理论依据。

声波测井的方法是通过探管发射器向岩体发射弹性波，接受器把经过岩体传播一定距离后的弹性波再接收下来，获得岩体弹性波的传播时间及频谱特征，经过一系列的计算，然后结合被测钻孔岩体的地质特点对其进行工程地质评价。

2.2 岩石强度参数计算

常用的动态弹性参数一般有杨氏模量（E）、切变模量（μ）、体积模量（K）与泊松比（σ）。这些参数都可用测井数据按下列公式求出：

上述公式中岩石的密度值p用密度测井获得；纵波时差△tp由声速测井获得；有时也可以利用纵波和横波的一般经验比值，估算横波时差。据有关资料，在砂岩中横波时差一般为纵波时差的1.73倍。

当没有全波列测井时，可根据岩石的泥质含量估算岩石的泊松比σ：

σ=0.125Q+0.27

式中：Q为相对泥质含量，可由孔隙度测井和自然伽玛测井得出：

式中：фs-声波测井孔隙度

фD-密度测井孔隙度

Vsh，ф-自然伽玛测井获得岩石中泥质含量和有效孔隙度然后根据σ求E、K、μ:

这种估算泊松比的方法一般只适合用于沙泥岩地层。

在目前的测井解释中，普遍应用强度指数R来估价岩体强度。

在煤田测井中，一般用R来估算煤层顶、底板的强度，它在数值上和岩芯样品的抗压强度不仅具有较好的相关性，而且数值也非常接近。在石油测井中R又称产砂指数，它是衡量砂岩的强度参数。

有时也可以利用纵波和横波的一般经验比值，估算横波时差。据有关资料，在砂岩中横波时差一般为纵波时差的1.73倍。

在目前的测井解释中，普遍应用强度指数R来估价岩体强度。

3 山阳井田地层岩石力学性质分析应用

山阳井田共进行了22个钻孔的密度、声速测井工作，对所施测有的声速原始资料应用CLogProV2.0均进行了岩石力学性质参数的计算处理工作，确定岩石的物理力学性质所采取的各种参数方法、信息，主要是密度测井和声波测井所获取的原始数据。通过计算机处理、计算获得岩石的强度指数、体积模量、切变模量、杨氏模量、泊松比等岩石力学性质资料的测井曲线和测井计算值，对所有的岩石力学性质参数进行了统计和分析，地层岩石力学性质汇总表见表1。这些数据资料是在原始自然状态下获得的，它是通过国内外大量实践工作而总结的一套行之有效的计算公式，是比较接近原始岩石的力学性质，具有真实可靠性。

表1 西卓子井田测井计算岩（土）体物理力学性质参数汇总表

西卓子井田山西组、太原组含煤地层力学性质参数与测试资料比较，测井资料计算的参数值都比较高。文献介绍，声波、密度测井对岩石中的微小裂隙响应不灵敏，绝大部分地层都存在微小裂隙，因此而削弱的岩石强度无法估计，这样计算出的岩石强度指数为其上限。也可以看出由于同一地区、同一组内岩石的矿物成分、胶结物、胶结程度，以及岩石的完整性、裂隙发育程度、层理等影响岩石强度的因素变化不大，所以岩石的强度主要取决于岩石的颗粒大小。粗粒砂岩的强度最大，泥岩的强度最小。所以利用测井资料计算岩石的力学性质参数客观、准确、成果可靠，全面反映了岩石的力学性质，为以后的开发利用提供了可靠的科学依据。

4 山阳井田可采煤层顶底板岩石力学性质的分析

山阳井田共有3层可采煤层，煤层的顶板岩性一般为粉砂岩和细粒砂岩，个别有泥岩和中粒砂岩，底板岩性一般为泥岩和粉砂岩个别为粗粒砂岩。根据各种参数的数据与整个井田统计的各种岩石力学性质参数的数据相比较，可以清楚的看出，煤层顶板岩石的强度指数、体积模量、切变模量、杨氏模量等各种参数的数值都比较高，与其它同类岩石参考比较，推断结论是：煤层顶板岩石比较致密，耐压能力强，不易破碎。底板岩石多属致密、坚硬、半坚硬不易破碎的层状岩石。另外，我们把这些数据与本井田进行取芯分析，化验资料比较基本吻合。这就充分说明：利用测井数据计算的岩石力学性质参数，客观、准确可信度高，全面的反映了井田岩石的力学物理性质，为山阳井田以后的开发利用提供可靠的科学依据。

5 结束语

通过以上资料的分析研究和资料的综合对比，说明密度、声速测井对岩石力学性质的分析成果，能充分反映整个井田的煤层顶、底板岩石的力学特征。结合勘查钻孔中取出的岩芯样品的地质描述及实验数据测试资料，可进行岩体的稳定性评估和工程地质评价。利用测井资料，既经济，又系统，全面的提高了地质勘探工作的经济效益，为矿井建设和煤矿开采提供准确、可靠的科学依据，具有重要的实用价值。

数字测井估算岩、煤层力学性质参数在山阳井田勘探中的应用

■曹志坚

P314[文献码]B

1000-405X（2016）-10-65-2