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。

主权项

一种煤层顶板稳定性测井评价评价方法，其特征在于，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                (2)$I_l=\frac{M_d}{V_{sh}}---\left(3\right)$$V_{sh}=\frac{2^{GCUR·\Delta GR}-1}{2^{GCUR}-1}---\left(4\right)$式中：ΔGR为相对自然伽马，无量纲；GR、GR_max、GR_min分别为计算层点、纯泥岩、纯砂岩的自然伽马值，API；M_d为岩石粒径，mm；I_l为煤层顶板岩性系数，无量纲；V_sh为泥质含量，小数；GCUR为地区经验参数，对第三纪地层取3.7，对老地层取2；步骤二、计算煤层顶板的孔隙度：对孔隙度测试数据进行归位之后，提取归位后的密度测井数据，并考虑到泥质含量对孔隙度的影响，以密度和泥质含量为自变量，孔隙度为因变量，进行二元回归拟合，便可得到方程(5)所示孔隙度计算模型， φ＝‑1.392·ρ_b‑0.028·V_sh+6.672              (5)式中：φ为煤层顶板的孔隙度，％；ρ_b为煤层顶板的密度，g/cm³；步骤三、计算煤层顶板裂缝发育指数：构建方程(8)所示的裂缝发育指数：$R_f=\frac{E_{ma}-E}{E_{ma}}---\left(6\right)$$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)$式中：C_w为煤层顶板含水率，无量纲；ρ_w为煤层顶板所含水的密度，g/cm³；ρ_m为煤层顶板岩石骨架的密度，g/cm³；步骤五、计算煤层顶板抗压强度：抗压强度与杨氏模量和泥质含量关系密切，据此，建立了方程(11)碎屑岩剖面中抗压强度的计算模型， C_o＝0.0045·E·(1‑V_sh)+0.008·E·V_sh           (11)式中：C_o为岩石抗压强度，MPa；步骤六、构建煤层顶板稳定性测井定量评价模型：基于步骤一～步骤五中的方案可知，岩石的稳定性与岩性系数、抗压强度成正比，与孔隙度、裂缝发育指数及含水率成反比，于是定义方程(12)煤层顶板稳定性评价指数的定量计算公式，依托方程(12)计算的稳定性系数，并考虑到1m有8个测井采样数据点，采用加权处理的方法构建了方程(13)所示的煤层顶板稳定性评价指数计算模型：$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。