对利用测井曲线判识构造煤方法的认识_陈萍.pdf

第42卷第3期 2014年6月 煤田地质与勘探Vol. 42 No.3 Jun. 2014 COAL GEOLOOY tectonic coal; coal bed structure 我国DZ/T0215-2002煤、泥炭地质勘查规 范和原煤炭工业部制定的矿井地质规程，都只 要求判定煤层和煤层内的夹肝，并不要求判别纯煤 层内部的结构。由于防治煤与瓦斯突出的需要，人 们才详细研究纯煤层内部的结构。国家安全生产监 督管理总局于2009年发布防治煤与瓦斯突出规 定’．对原煤炭工业部制定的防治煤与瓦斯突出细 则作了修订。其中第13条仍然采用原细则第 26条的规定，将煤的破坏类型分为五类，其中第I 和第Jl类煤不具有突出危险性，第田、町、V类煤 被定为预测煤层突出危险性单项指标之一。这三类 破坏类型煤的共同特点是煤呈粒状或土状，用手 捻之成粉末，硬度低甚至疏松，煤的条带状结构、 层理和裂隙都不显现fl］。 向20世纪80年代，我国瓦斯地质研究者引进 构造地质学中的“构造岩”概念，将遭受地质构造作 用改造过的煤称为构造煤。研究者们提出过多种构 造煤分类方案，其称谓也不一。本文不讨论构造煤 收稿日期2013-01-ll 的概念与分类问题，所称构造煤仅指具有突出危险 性的煤，相当于田、四、V类破坏类型煤；而在一 些构造煤分类方案中所称的构造煤不仅仅指具有突 出危险性的煤，还包含不具有突出危险性的碎裂煤， 即相当II类破坏类型煤［2］。 构造煤或煤破坏类型的标志都是定性描述，没 有严格的可量化标志，而且也都只能用于在煤矿巷 道观测煤壁［1-2］。在煤层未被巷道揭露的新采区和新 水平，目前判识构造煤的唯一可行的方法是利用测 井曲线显示的特征予以判识。亚如孙四清等［3］指出 的“井下煤壁观测无法获取矿井未揭露区的构造软 煤资料；钻孔取心常因煤层打丢、打薄、取心率低 或煤心描述过分简洁而无法准确分析构造软煤的发 育程度及其分布状况。而测井曲线则客观真实地记 录了钻孔揭露的所有岩矿层的物理特征信息。”但在 DZ/T 0080一1993煤田地球物理测井规范里尚无 此项要求，防治煤与瓦斯突出规定也没有列入此 项内容。 作者简介l练碎（1958一），女，黑龙江集贤人．教撞，硕士生导师，从事地质勘查研究与教学． ChaoXing 第3期陈萍等对利用测井曲线判识构造煤的认识 79 早在1978年，美国的S.W.兰伯特、M.A.特立 维茨利用密度测井曲线将煤体结构分为脆煤和硬 煤；1989年前苏联B.M.伊万诺夫利用地质勘探钻孔 的地球物理数据进行过预报煤与瓦斯突出危险性的 试验I飞自20世纪90年代，我国研究者开始探索 利用测井曲线判识构造煤的方法［5-9）。据已有发表的 文献资料，构造煤与共生的非构造煤的物性差异在 测井曲线上确有响应，但用于判识构造煤并非易事， 至今提出的判识方法还是判识人依靠自己的经验定 性判识构造煤。 安徽省煤田地质局曾经组织科研人员研究利用 测井曲线判识淮南和淮北煤矿构造煤的方法［9-10）。 最近笔者在曾庆华指导下参与研究淮南新集煤矿构 造煤，体会到，利用测井曲线判识构造煤是一项难 度较大的技术，需要对此项技术的特点和复杂性有 充分认识，还需澄清一些概念性问题，以利进一步 完善与应用此项技术。 1 j则井曲线判识构造煤的基本技术路线 王定武［町、龙王寅等［9）、严家平等［川］都是先取 得巷道煤壁观测资料，对照分析观测点附近的钻孔 测井曲线，发现构造煤的特殊物性在曲线上的响应 特征；经反复验证，总结出判识该煤矿构造煤的标 志。孙四清等［3）、王建国等［12）在淮南潘三煤矿和谢 桥煤矿不仅观测煤矿巷道煤壁，还在井下用直流电 法仪测定不同煤体结构类型煤分层的视电阻率，又 采集煤样品测定坚固性系数、密度等参数，进而得 到构造软煤（即构造煤）在测井曲线上的响应特征。 孟磊等［13］指出“在判识的过程中，先进行矿井采掘 区内钻孔测井曲线的构造软煤判识，经对采掘区构 造软煤判识结果与煤壁观测结果反复验证，不断校 正构造软煤测井曲线判识时的定性、定厚准则后， 再向未采区推广。”总之，这可以说是利用测井曲线 判识构造煤的基本技术路线。至今此项技术先在淮 南、淮北、平顶山，最近在湖安等矿区的几个大型煤 矿已经取得成效［3叫。今后判识煤矿的构造煤还是需 要遵循这一基本技术路线，从观测该煤矿井下巷道煤 壁入手，不能简单套用其他煤矿的经验。 必须指出，判识上述煤矿构造煤所利用的测井 曲线仍然是煤矿提供的模拟测井曲线。近来各煤矿 已经改用数字视lj井技术，如何利用数字测井资料判 识构造煤尚待研究。 煤层气开发部门也关注煤层内构造煤的发育情 况。据陈振宏等［15）、曹代勇等［16］的报道，采气目的 层内的构造煤将产生大量难以处理的煤粉。此外， 煤层内构造煤发育还将降低煤层渗透性，又使井壁 难以维护。在未采区的煤层气区块内，如何利用煤 层气井的数字测井曲线判识构造煤也待研究。姚军 鹏等［17］提出用测井资料求取煤孔隙结构指数的新方 法，所用实例像是某地区的煤层气井。这是一种探 索，但文献对方法本身和实例的陈述都过于简略。 如若在煤矿井田范围内打煤层气抽采井，此项技术 可为选择目的层、施工技术及采气方法提供基础资 料，对此李伟等［18］作了报道。 2 j则井曲线判识煤层内的构造煤分层方法 在一个煤矿井田范围内，同一煤层的沉积环境 相似，并处于相同的煤变质阶段（若有岩浆岩侵入煤 层，另当别论），因而该煤层具有一般正常的条带状 结构，层理构造和裂隙系统；该煤层的测井曲线形 态也呈现为一般正常的基本形态。例如，淮南潘一 煤矿8煤层的视电阻率电位曲线总体上具4种基本 形态特征［10］。这种正常测井曲线形态反映的是具有 正常结构煤层的物性。粉状构造煤是地质构造作用 改造煤层的产物，往往成为煤层内部厚度不大，分 布不稳定的分层。因其物性有别，现lj井曲线形态呈 现异常。所有研究者都发现，与相邻的具有正常结 构煤（有文献称之为原生结构煤）相比，构造煤在测 井曲线上表现为低电阻率、低密度、高声波时差、 井径扩径等异常。必需指出，这些异常都是相对比 较而言，只有在了解研究区内该煤层测井曲线正常 形态、特征基础上，通过对比，方可发现曲线异常。 龙王寅等［9-10］、傅雪海等［19］、王建国等［12］都指出过 这一点。这可以说是利用测井曲线判识构造煤的又 一技术路线。 还需指出，与相邻的正常煤相比，构造煤分层 的测井曲线异常既是相对的，又不十分明显。因此， 不仅要比较本钻孔本煤层内各分层的曲线特征，还 要比较同钻孔相邻煤层和相邻钻孔同一煤层的曲线 特征，如此通过多方比较，方可确认测井曲线相对 异常，判定构造煤［9-10.14］。 3 电位曲线和伽马一伽马曲线判识构造煤 煤矿提供的模拟测井资料主要有视电阻率电位 曲线，伽马一伽马曲线、自然伽马曲线和自然电位曲 线等4条参数测井曲线，少数钻孔还有井径和声波 时差曲线。所有研充者都认识到，与相邻的正常煤 比较．构造煤的电阻率较低是最明显的特征。所以， 视电阻率电位曲线被用作识别构造煤的主曲线。孙 四清等［3］还选择伽马伽马曲线作为辅助曲线。王建 ChaoXing 80 煤田地质与勘探第42卷 国等［12］、孟磊等［13］、严家平等川都采用视电阻率电 位曲线和伽马一伽马曲线作为判识构造煤的主曲线。 按曾庆华的经验，这两条曲线同等重要，没有主与 辅之分。在同一煤层层段这两条曲线必须都显示异 常，即视电阻率电位曲线幅值相对减小，伽马一伽马 曲线的幅值相对增大，方可作为判定该层段为构造 煤的必要依据［9-10,14］。如果测井资料中还有井径和声 波时差曲线，可作为辅助曲线。 影响各参数曲线的因素很多，既有自然因素又 有人为因素，煤层结构仅仅是自然因素之一。视电 阻率电位和伽马一伽马两条曲线可作为判识构造煤 的主曲线，但还不可忽略其他曲线反映的各种信息。 例如，很多研究者都注意到煤中矿物质含量差 异（有些文献用灰分一词，灰分产率可以近似表征煤 中矿物质含量）也能造成视电阻率电位曲线和伽马 伽马曲线的上述变化。为此曾庆华审视自然伽马曲 线对煤中矿物质的反映，当被判识的各煤层中矿物 质含量接近的前提下，方可依据上述两曲线的异常 判识构造煤；否则视电阻率电位和伽马－伽马两条曲 线即使呈现上述异常，也不能判定构造煤。 另外，测井仪器、技术和操作，以及钻孔内的 泥浆等人为因素都可能对各参数曲线形态产生影 响；应该审查钻孔测井资料的质量，如果发现人为 因素明显影响到了曲线形态，该钻孔的测井曲线不 能用于判识构造煤。 4 ;m1J井曲线判识多种煤层结构类型存在的问题 观测煤矿井下煤壁可以依据观测目的和条件将 煤层结构划分成若干类别。例如防治煤与瓦斯突 出细则将煤的破坏类型分为5类［l］；焦作矿业学 院瓦斯地质研究所把煤分为原生结构煤和构造煤两 大类，又将构造煤划分为碎裂煤、碎粒煤和廉棱煤 等3类［2］；踞宜文等［20］甚至将构造煤划分出10个类 型。利用测井曲线显然不可能判识出多种煤层结构 类型。有些研究者利用测井曲线将煤分为三类（11,17］。 汤友谊等（21］对此作了较详细研究，他们将煤层结构 只划分成两类，称硬煤（相当原生结构煤和碎裂煤） 和构造软煤（相当碎粒煤和廉棱煤）。他们采集淮南 煤田13-1煤层不同媒体结构类型煤的l18个煤样， 进行了坚固性系数扩值）测定，又使用DZII A型防 爆数字直流电法仪在井下掘进工作面煤壁对不同煤 体结构类型的煤分层进行了30组视电阻率值的测 定。两种测定结果都表明，仅可将煤体结构分为硬 煤和构造软煤两类。他们利用测井曲线只判识出这 两类煤（3,12-13］。 按曾庆华的意见，由于煤层的测井曲线形态复 杂多变，依据测井曲线既不可能判识出多种煤层结 构类型，也难以简单地把煤层结构仅仅区分出两类， 经常出现难以肯定非此即彼的情况，因而不得不划 分出三类称之为正常结构煤、构造煤和过渡性结 构煤［川，14］。对这三类煤层结构的概念需要作如下说明。 被称之为正常结构煤的测井曲线具有前述的正 常形态特征。经与煤矿井下煤壁观测的资料对比， 正常结构煤相当汤友谊等提出的硬煤（包含原生结 构煤和碎裂煤），也相当第I和第H类破坏类型煤。 所称构造煤的测井曲线具有前述形态异常特征，相 当汤友谊等提出的构造软煤（包含碎粒煤和廉棱 煤），以及相当具有突出危险性的第四、凹、V等三 类破坏类型煤。这两类煤的概念尚较易理解。难点 在于几条测井曲线显示的特征比较复杂，互有矛盾。 例如某煤分层视电阻率电位曲线相对减小，但是伽 马伽马曲线的幅值并未相对增大，两条曲线异常反 映的煤层结构不一样，难以判定曲线对应的煤分层 属于正常结构煤或者属于构造煤；因而不得不分出 另一类煤，称“过渡性结构煤气当然这种煤本身有 可能就是处于正常结构煤和构造煤结构之间过渡性 状态，即强碎裂状态，但这仅是一种可能。还应该 考虑到另一种可能，即未知的自然因素或人为因素 造成曲线的如此多样化。严格意义上讲，曾庆华所 定的过渡性结构是依据测井曲线难以判定的煤层结 构［弘10,14］。在淮南和淮北煤矿里这种情况并非偶见。 以淮北芦岭煤矿8煤层为例，被解释的45个钻孔测 井曲线中，28个钻孔里出现这种情况。 总之，一来因为自然界煤层结构本身就很复 杂，二来由于多种因素可造成曲线形态变化，测 井曲线常有可能出现多样变化，以致很难用以判 定煤层结构类型。曾庆华划分出过疲性结构煤符 合客观实际。 5结语 至今利用测井曲线判识构造煤的方法属人工定 性方法，依赖判识者个人的经验，要求判识者不仅 熟悉测井技术，还要了解并田地质；不同判识者识 别的结果常存在差异，这种状况显然是不完整的。 汤友谊等（22］曾研究测井曲线计算机识别构造 软煤的方法，他们研究的对象是淮南潘三煤矿13-1 煤层。汤友谊所在团队已经开展过煤矿井下煤壁观 测，现场和样品测试，以及测井曲线解释等大量工 作。在此基础上他们提出，以视电阻率曲线为识别 构造软煤的主曲线，伽马伽马曲线为辅助曲线，应 ChaoXing 第3期陈萍等对利用测井曲线判识构造煤的认识 81 用斜率方差分层，概率计算识别的方法。这是一项 有意义的探索，但恐难以推广应用。正如作者指出的 “计算机自动识别构造软煤的技术难度较大．．．．．．，有 待进一步研究、完善。”此文发表以后，在研究淮南 煤矿构造煤的文献中也未见此方法得到应用口，12-13］。 依据上述4点认识，利用煤矿提供的钻孔测井 曲线判识构造煤的变数太多，采用一条或两条参数 曲线，予以量化，探求计算机自动判识构造煤的方 法，即使在及其有限的范围内取得某种成效，也不 可能推广应用。今后研究与引进新的测井技术，或 有可能建立起判识构造煤的模型，定量和计算机自 动判识构造煤。 外国学者首先提出利用地球物理测井技术有可 能判识煤层结构，我国研究者做了比较多的研究。 虽然现今提出的判识方法不完善，但为探测煤矿区 内煤层未被揭露的新采区和新水平的构造煤，目前 尚无其他更好的方法。探测煤层气井内的粉状构造 煤也只有想办法应用测井技术了。 参考文献 川中华人民共和国煤炭工业部防治煤与瓦斯突出细则［M］.北 京煤炭工业出版杜，199516一17. 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