大城勘查区测井计算岩石抗压强度的校正分析_宋朋印.pdf

2023 年 2 月Feb.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.01.036大城勘查区测井计算岩石抗压强度的校正分析宋朋印（河北省煤田地质局物测地质队，河北 邢台 054000）摘要 以大城勘查区 5 个钻孔的 108 组岩石力学样品为依据，通过试验室数据与测井计算强度指数作散点图，分析得出经验公式。由此经验公式计算得出的抗压强度，再次与试验室数据相差较大的部分作分析对比，结合大城勘查区的工作实践，找出误差原因并作校正，从而得到较准确的测井计算抗压强度，扩大勘查区岩石抗压强度预测范围，为预测勘查区煤层顶板抗压强度提供技术保障。关键词 大城勘查区；岩石抗压强度；强度指数；双收时差；密度中图分类号TD315文献标识码B文章编号1672-9943（2023）01-0116-030引言在煤矿的勘探、建设与开采中，岩石抗压强度可以用来评价煤层顶底板的稳定性，帮助制定开采方案和巷道支护设计等1。通常，岩石抗压强度是通过钻探取芯、试验室分析测试获取的。而在实际生产过程中，可能存在钻探采取率不高、测试样品数量和层段选取范围有限等情况，不能在纵向或整个勘查区内连续、完整地获取强度数据2。利用测井计算强度指数与试验室数据作线性拟合，利用拟合的经验公式来计算岩石抗压强度，则可连续获得钻孔纵向或未取芯钻孔资料，扩大勘查区岩石抗压强度预测范围，有效降低成本3。大城勘查区位于河北省中东部，勘查区及周边新生界之下地层发育较全，古老基底为太古宇、中上元古界，煤系基底为寒武奥陶系，煤系地层属晚古生代石炭二叠纪含煤建造，上覆盖层为中生界和新生界。煤系地层岩性以泥岩、粉砂岩为主，间夹中、细砂岩和灰岩。勘查区岩石力学样大部分取自煤系地层。1岩石抗压强度初步计算岩石强度指数是测井所特有的一个计算参数，定义为密度和纵波时差平方的比值。即：S=t2P式中：为密度；tP为双收时差。岩石抗压强度与强度指数具有良好的线性相关关系，故可用测井强度指数来近似评价岩石抗压强度。在大城勘查区中，选取 5 个钻孔的 108 组样品资料，通过试验室数据与测井计算强度指数作散点图，如图 1 所示。图 1大城勘查区试验室抗压强度与测井强度指数散点图由图 1 可初步分析得出经验公式为：Q=0.942 2S+2.040 4式中：Q 为抗压强度；S 为强度指数。其相关系数 R2=0.8682。2抗压强度误差本次选取的 108 组样品，用测井强度指数计算出的抗压强度与试验室抗压强度的差值绝对值进行分析，结果如表 1 所示。两者相差平均为 5.78 MPa，最大相差 18.74 MPa，大于 15 MPa 的占比为 5%，小于等于 5 MPa 的占比为 54%。为提高测井计算抗压强度的准确性，选取样品中差值较大的部分进行分析研究。表 1测井数据与实验室数据差值绝对值统计差值/MPa个数/个占比/%平均差值/MPa最大差值/MPa最小差值/MPa558542.354.880.0751031297.329.805.121015131212.5214.8510.80156516.3018.7415.20总计1081005.7818.740.07测井计算强度指数/GPay=0.942 2 x+2.040 4R2=0.868 2140120100806040200试验室抗压强度/MPa204060800100120140能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.11162023 年 2 月Feb.,20233抗压强度误差分析与校正3.1测井取样位置误差对于大段岩层，试验室样品只是取一小部分层段，具有一定的随机性。而测井则可能取此段岩层的任一层段，当这个层段抗压强度不同时，就会产生误差。比如图 2 所示的 20-6 孔 1 165.791 174.36 m砂质泥岩段，此段密度基本变化不大，而双收时差则分为 4 个层段。据此用经验公式计算出的抗压强度分别为 43.78、60.38、47.87、42.66 MPa。测井初次选取了强度最大的部分，即 60.38 MPa，与实验室数据 50.3 MPa 相差较大，由此分析试验室样品取自 47.87 MPa 部分的概率较大，故而选取此部分的双收时差进行计算，会适当减小误差。图 220-6 孔砂质泥岩段3.2测井数据采集误差根据强度指数计算公式，影响测井计算抗压强度的因素为密度 和双收时差 tP。在井壁不规则层段，密度 和双收时差 tP的数据采集均会受到影响。其中密度 是探管在贴着井壁的情况下测量的，受影响较小；而 tP的采集在大城勘查区用的是单发双收探管，受井径影响较大，且较实际值增大或减小不定。单收时差也受井径影响，但总比实际值大，根据上下井壁均匀层段围岩算出单收时差与双收时差 tP的差值，用单收时差减去差值来近似代替双收时差，可减小误差。20-4 孔 1 250.491 256.84 m细砂岩段测井数据采集如图 3 所示。因井壁不规则，取井径小的部分，单收时差为330 s。根据上部井壁均匀层段，算出单收与双收的差值为 110 s，此段密度为 2.7 g/cm3，计算得出抗压强度为 60.34 MPa，与试验室样品值 64.4 MPa相差不大。在井壁岩石薄互层段，双收时差受上下围岩影响，总是比实际值偏大或偏小。如 26-2 孔 1 129.151 132.00 m细砂岩段，取本段强度指数最大的地方，算出的抗压强度为 63.67 MPa，与试验室样品值71.2 MPa 相差仍然较大。对于此层段在作试验室分析对比时，尽量不采用或根据实际情况进行调整。3.3试验样品与原状岩层的误差从钻孔取样到样品在试验室测试需要一定的时间，如果间隔的时间太长，且样品未保存完善，会使样品逐渐风干，造成试验室抗压强度较实际抗压强度偏小。而测井的数据是在钻孔内实时采集的，与实际抗压强度具有相关关系，从而产生误差。3.4人为误差在井壁规则、测井曲线根据上下对照未发现异常的层段，测井计算出的抗压强度与试验室数据仍有较大差距的，可以考虑人为弄错样本或样本本身存在问题，这种情况在实际工作过程中也偶有发生。如 20-4 孔的 1 246.541 250.49 m 的砂质泥岩段，此段位于 10 煤与 10下煤之间，为均匀厚层段，井壁规则，密度和双收时差曲线正常。而计算得出的抗压强度 46.47 MPa 与试验室数据仍相差较大。在校正过程中，考虑不采用此组数据。4校正后抗压强度本次校正大部分以调整取样位置为主，有 5 组样品不予采用。校正后的相关关系如图 4 所示。图 4校正后试验室抗压强度与测井强度指数散点图测井计算抗压强度与强度指数的经验公式为：Q=1.034 9S+0.058 5式中：Q 为抗压强度；S 为强度指数。其相关系数 R2=0.962 5。宋朋印大城勘查区测井计算岩石抗压强度的校正分析图 320-4 孔细砂岩段20-6 孔SON2 STRN CAL1抗压强度1 165.79 m1 174.36 m40.18 GPa43.78 MPa55.82 GPa60.38 MPa47.87 MPa42.66 MPa44.03 GPa39.12 GPa1 247.69 m1 250.49 m1 256.84 m20-4 孔SON2 SON1 CAL110下煤110 s330 s测井计算强度指数/GPa试验室抗压强度/MPa140120100806040200y=1.034 9 x+0.058 5R2=0.962 52040608010012014001172023 年 2 月Feb.,2023（上接第 20 页）煤品种，满足市场多样化的要求，同时增加矿井经济效益，结合实际情况最终选择在沫煤胶带运输机机头转载点下方安装滚轴筛，沫煤经过再次筛选，形成三八块和沫煤 2 个品种。安装后增加了籽煤品种，对块煤率增加较为显著。原矿井地面 1#、2#均为沫煤煤仓，改造后 2#煤仓为籽煤三八块煤仓，极大地增加了块煤率。经对矿井销售数据长期监测，该项改造增加块煤率约为 7%。3.3仓储环节改造地面煤仓是煤炭产品的重要存储场所，其最大垂直高度将近 35 m，原煤入煤仓过程中做由自由落体运动，落煤速度最大可达到 26.5 m/s，块煤之间碰撞冲击严重，是整个原煤运输系统中块煤破碎最严重的环节。为提高块煤率，在 2#、3#煤仓中各安装一套双向耐磨外螺旋溜槽，并且在螺旋溜槽中部间隔安装缓冲减速条以减缓块煤入仓时速度。原煤入仓过程中由自由落体运动转变为螺旋近匀速滑动，降低了块煤入仓过程中受到的冲击作用，有效地减少了块煤破碎。螺旋溜槽的安装使块煤率提高约 2%。4结论通过对纳林庙煤矿二号井原煤系统进行改造，增加籽煤一种（三八块），块煤率由原 31%增加至49%。得出主要结论如下：（1）通过对煤机截齿选型进行研究，选择 ITPP/06042/F76 型刀型截齿出块率最高，通过抬高破碎机锤体高度，由原四组八锤头的锤体优化为两组四锤头的锤体。对生产源头改造后块煤率整体提升约5%。（2）对各转载点进行分类后采取不同改造方法，优化各转载点落煤效果，达到减少块煤撞击破碎的目的。根据市场需要，在沫煤皮带转载点加装滚轴筛，使原混煤进一步筛分出小块煤，2 项改造优化共计提升块煤率约 11%。（3）对块煤仓、籽煤仓加装双向耐磨外螺旋溜槽，减少块煤落仓的冲击力，使块煤率增加约 2%。（4）矿井原煤系统改造完成后总体提高块煤率18%，销售报表显示，块煤率最高达 50%，经济效益显著。参考文献1杨正民，王春艳.提高煤炭开采块煤率的技术措施 J.煤炭技术，2016（4）：17-18.2 鞠春雷，孙计明，王宗勇，等.综合机械化开采条件下提高块煤率技术研究 J.煤炭工程，2015（12）：52-55.3 刘送永，杜长龙，崔新霞，等.不同齿身锥度和合金头直径截齿的截割试验 J.煤炭学报，2009（9）：1276-1280.4 闫修尊，丛子月.综采工作面提高块煤率的方法 J.中州煤炭，2004（3）：53-55.5 马正兰，杜长龙，刘送永.高块煤率采煤机变速截割的理论研究 J.煤炭工程，2009（12）：91-92.6 李晓豁，高健.采煤机运动参数对块煤产量的影响J.煤炭学报，2009（9）：1268-1270.作者简介姜光（1982-），男，工程师，硕士研究生，毕业于中国矿业大学采矿工程专业，长期从事矿山压力与岩层控制方面的研究。收稿日期：2022-09-25用校正后经验公式计算测井抗压强度与试验室数据相差的平均值原为 5.78 MPa，调整后平均值为 3.05 MPa，比原来减小了 2.73 MPa，小于 5 MPa的占比明显增大，有效地减小了误差。数据相差统计如表 2 所示。表 2校正后测井计算数据与实验室数据差值绝对值统计说明：有 5 组样品不予采用。5结论利用强度指数与试验室岩心抗压强度数据作拟合，计算岩石的抗压强度，并根据实际情况分析误差原因，再次拟合，可有效提高测井计算岩石抗压强度的准确性，为今后再次开展类似工作提供了参考和依照。参考文献1孟召平，张吉昌，JoachimTiedemann.煤系岩石物理力学参数与声波速度之间的关系 J.地球物理学报，2006，49（5）：1505-1510.2田忠，张平松，王轩.利用煤田测井曲线预测岩石抗压强度 J.建井技术，2006，37（2）：34-37.3王渊，李兆敏，王德新，等.岩石抗压强度回归模型的建立 J.断块油气田，2005（2）：17-19.作者简介宋朋印（1986-），男，工程师，毕业于中国矿业大学地球物理专业，长期从事煤田地质勘探工作。收稿日期：2022-08-17差值/MPa个数/个占比/%平均差值/MPa最大差值/MPa最小差值/MPa584822.144.480.0751019187.108.925.031015001500总计1031003.058.920.07能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management20