马良慧，赵华山，尹杨林，王言龙，何双龙，李笔文

（1.华亭煤业公司山寨煤矿，甘肃 华亭 744112；2.中国矿业大学矿山水害防治技术基础研究实验室，江苏 徐州 221116）

目前煤矿井下探测地质条件的方法主要有物探和钻探两种方法。依靠钻孔获取岩芯实物和测试一直是较为有效的方式，而由于取芯耗时耗力，也严重影响着施工的进度和效率。本文使用随钻测振仪器[1]，采用随钻加速度测井技术[2]，以山寨煤矿二、三采区顶板岩层为研究对象，建立一套随钻测井快速探测覆岩岩性和地层结构的方法。该仪器和测振方法的应用使地质条件复杂无法取芯情况下仍能获取岩性和一定物理力学性质成为可能，同时显著提高了测试和获取地层信息的速度；在山寨煤矿冲击地压地质条件勘探阶段的早期识别、早期分析判断方面，具有重要的支撑作用，对其他工程领域的岩性和岩体结构宏观识别也具有借鉴作用。

1 测试设备及测试原理

1.1 测试设备

钻探过程中，因钻遇岩石性质、结构和环境的不同，钻头破碎岩石做功和产生的振动将发生变化。最初的设计主要考虑进行钻遇岩性判断与钻探工程验收等功能，主要测试随钻三分量振动和钻孔轨迹。随钻测试时内管置于外管内，通过操作主机即可与内管测试数据同步记录。

图1 随钻测振示意图

图1为随钻测振施工示意图。测试仪器总成安装在钻头和钻杆之间，随钻头进入钻孔。测试仪器总成具有与钻杆内过流面积相近的泥浆循环通道，管内和孔壁与钻杆环状间隙之间循环的泥浆为仪器的冷却介质；仪器外观对内管进行保护，密封。测试仪器与钻杆同步旋转、下钻、提钻。由于内置存储器，可以每天提钻一次读取一次数据。

1.2 轴向加速度测井原理

钻杆柱在孔内工作过程中有扭转、轴向、横向三种振动形式[3]。这些振动一方面是由钻机、钻杆本身决定的，另一方面是由所切削的岩体决定。由于钻机、钻具的稳定性，其形成的振动信号基本稳定，而钻头切削的岩体因岩性、岩体结构变化，其振动随钻进进尺发生变化。

在钻进过程中，钻具在孔内的振动可通过加速度进行观测。本文采用的装备应用三分量加速度传感器进行加速度观测。通过加速度变化即可监测振动频率变化，根据加速度的幅度变化可反映碎岩的能量大小。由此，为采用测振方法识别岩性、岩体强度带来了可能。钻杆柱的这些振动，通过传感器记录下来，即形成随时间的加速度历时曲线。

根据文献[4]的分析成果，若测振信号可表示为x(t)，则连续信号x(t)在时间0-T内的平均能量可采用公式（1）表示。其中为信号的均方值，也就是信号的强度或能量。由于测试采样频率的原因，事实上采样取得的数据是离散后的曲线，如果在0-T时刻内采样的离散点数为N，则对公式（1）进行离散后可得公式（2）。

由于测振加速度可表示成重力加速度g的倍数，因此，离散化后能量实际为重力加速度g2的倍数，为表达方便，软件输出和曲线绘制时统一表述为几个g。

由于振动监测原因，钻进过程起下钻、纯钻进时间是有区别的信号，因此只要掌握钻进某层位到某层位的时间，在钻进速度基本稳定的情况下，即可建立钻进深度和能量信号之间的对应关系。测井过程采集到的是时间-加速度曲线，经过倒杆拼接和能量变换后，即可得到全孔的钻深～能量变化曲线。

2 测试工程与布置

2.1 工程背景

山寨煤矿位于甘肃省华亭县华亭矿区，华亭矿区属平凉～永寿地层小区，沉积特征与华北地层相似，普遍缺失上奥陶统至石炭系的地层。山寨井田内地表未见第三纪以前地层出露，据钻孔揭露及地表出露，地层从老到新有：上三叠统延长群（T3yn）、下侏罗统富县组（J1f）、中侏罗统延安组（J2y）、直罗组（J2z）与安定组（J2a）、上第三系甘肃群（Ngn）和第四系（Q）。其中，本井田的含煤地层为中侏罗统延安组，平均厚度为153.81m。赋存5个煤层（组），共7层煤。山寨煤矿主采煤5层，次要可采煤3层。由于煤层顶板中存在若干强度较高、厚度较大的岩层，在开采过程覆岩垮落中具有发生冲击地压的可能性，本区已经开展了大量的冲击倾向性相关研究工作。采用快速的顶板岩性和力学性质探测方法，识别冲击地压关键层和分析岩层的空间分布，对本矿冲击地压灾害防治具有重要意义。本次测试即在煤5层顶板由下向上的仰斜钻孔内进行，利用测振测井快速探测覆岩岩性和结构，识别关键层。

2.2 测试布置

钻孔施工目的层位根据顶板岩性组合判断，以穿透预计的导水裂缝带高度为基本原则。本矿设计终孔层位为煤4层底板油页岩，根据钻孔返浆控制最终的终孔层位。钻孔的平面布置的间距和排列与岩层空间形态特征有密切关系，钻孔密度大则地层情况描述更为准确，考虑到防控冲击地压的目标，应该是每个计划开采工作面应有1个～2个钻孔覆盖。同时，岩层厚度变化大、歼灭等关键位置应加密控制，根据测试结果解释不清的部位应该补充控制。

图2 测试钻孔位置

由于本次研究主要进行测试方法探索，因此设计了测试钻孔3组，三角形分布于3处便于施工的典型位置，每组2个钻孔，其中1个进行测井，另1个全孔取芯。在每组测试孔内选择其中之一进行窥视成像。钻孔终孔直径91mm，仰斜角度70°～80°。3处钻孔施工位置及布置分别为：①西翼三号进风联络巷L4#点后3m处，施工方位255°（与巷道走向垂直），钻孔倾角80°（与煤层倾角一致）；②二采区轨道辅巷上平巷GH12#点处，施工方位236°（与25021顺槽方向夹角70°），钻孔倾角85°（与煤层倾角一直）；③三采区一号进风联络巷051/1#点处，施工方位250°（与巷道方向一致），钻孔倾角80°（与煤层倾角一致）。3处钻孔位置及原有钻孔分布如图2所示。

3 测试结果分析

3.1 岩性识别

3.1.1 取芯编录

结合取芯编录，对051/1点钻孔的前26.4m进行综合解释。

根据取芯和孔内成像分析0m～8m为泥岩泥质砂岩混合段，8m～10m为泥质砂岩和砂岩夹黄色泥岩；10m～12m为灰白色砂岩夹黑色条带，局部夹薄层灰色泥质砂岩；12m～13.3m为灰色泥质砂岩夹黄色泥岩；13.3m～17m为灰白色砂岩局部夹泥质砂岩和泥岩，在14.4～15.1砂岩中含黑色条带明显密集；17m～20m灰色泥质砂岩和砂岩，夹薄层黑色岩块；20m～20.3m为一呈灰黑～黑色炭质泥岩；20.3m～24.1m为灰～深灰色泥质砂岩和泥岩段；24.1m～26.4m为灰黑色～黑色油页岩夹泥岩。

所有钻孔采取的岩芯，按照编录顺序，逐层进行物理力学性质测试，获取岩石的单轴抗压、抗拉、抗剪强度和静、动弹性模量。钻孔取芯、性质测试和孔壁成像，为测井曲线解释、对比奠定了原型基础。

3.1.2 测井岩性识别

以三采区一号进风联络巷051/1#点钻孔为例，图7为051/1点的解释截图，其中横坐标为钻孔深度，纵坐标表示能量大小。

图3 051/1点钻孔测振解释

该点钻孔前26.4m分三段进行测振。根据振动信号分析，在孔深约10m、12.5m、13.2m、14.4m、15m和22.5m处振动信号变化大。岩性大体可划分为：0m～8m主要为泥岩和泥质粉砂岩互层，局部夹砂岩；8m～10m为硬度较高的砂岩；10m～15m为交替变化的泥质粉砂岩和砂岩段；15m～22.5m为硬度变低的砂岩和泥质粉砂岩互层；22.5m～26.4m为硬度低的油页岩并夹泥质粉砂岩。

通过随钻测振测井，对轴向加速度进行傅里叶变换和时深转换后，本次测试以能量为1g的为煤层；能量1g～2g解释为硬度较软的泥岩；能量大于2g低于4g解释为硬度一般的泥质粉砂岩；能量大于4g解释为硬度较大的砂岩。

3.2 数学模型的建立

根据岩石物理力学性质与岩样对应钻孔位置的测振能量对比分析，得到力学性质与测振能量的对应关系如图4、图5，通过拟合，获得静弹性模量和动弹性模量与测振能量的拟合关系式。

从图4、图5可见，动弹性模量（Ed）、静弹性模量（Es）两种力学参数分别与测振能量均方值呈正相关的关系，相关性系数均大于0.8，其中弹性模量与测振能量的线性相关性更高，反映了测振能量分别与弹性模量和抗压强度有着密切关系，以测振能量大小来衡量弹性模量和抗压强度具有较高的准确性。

图4 Es和拟合关系

图5 Rc和拟合关系

以上岩石力学性质与测振能量均方值定量模型的建立，如果进一步优化和提升模型的准确性，则可替代中间环节岩石物理力学性质测试，对快速评价岩体结构和岩性判别具有推动作用。

3.3 岩体结构特征

根据钻孔轴向加速度测井曲线，煤5以上60m左右岩层范围内，存在3个比较坚硬的岩层，主要为砂岩层和泥质粉砂岩，从下到上其厚度分别为3.1m～5.1m、4.5m～6.93m、6.3m～6.9m，距 离 煤5顶 板 厚 度 分 别 为17.5m～20.8m、33.5m～51.7m和41.5m～57.25m。

在岩性识别和力学参数估计基础上，基于关键层理论[5]，运用KSPB软件[6]对研究区关键层进行了识别。在3处测试位置均存在一个主控关键层和1个～2个次控关键层，与上述坚硬岩层相对应。如图6为关键层剖面图局部截图，煤5顶板上方35m～55m范围存在由主控关键层和次控关键层形成的组合关键层。

图6 关键层截图

这些坚硬岩层从物质来源上控制了影响冲击地压关键层的位置。煤5上方的关键岩层位置总体为东高西低，在东部区域顶板上方20m左右存在次控关键岩层，而在西部区域L4点附近相同高度位置不存在次控关键岩层。由此也说明，沉积环境、物源和地质结构是决定其具有冲击可能性的重要因素。

根据测井结果绘制的关键层等厚线，通过主控关键层等厚线，可看出山寨煤矿煤5上方关键层厚度受沉积环境影响并发生变化。测试区域研究的目标地层为一套泥炭沼泽相、沼泽相、湖泊相、湖泊三角州相、河漫相和河床相多环境变化的沉积地层。由绘制的地层剖面可见，除煤层外，地层中的泥岩、砂质泥岩、砂岩为软硬互层结构分布，不同钻孔间对应层位存在明显的相变特征，坚硬和软弱岩层连续性不好。由于成因、颗粒和成分的控制，造成不同层位的物理力学性质存在差异，从而导致关键层在空间的分布也缺乏严格的连续性。因此，也形成了复合关键层结构，由此也可能形成关键层的复合破断效应。通过精细探测，考虑地质成因，评价关键层的分布，有可能成为矿井防治冲击矿压和实现顶板安全管理的重要突破。

图7 关键层等厚线

4 结论

通过测试和分析，主要得出以下结论。

（1）应用基于仰斜钻孔轴向加速度测井的方法能够快速获得岩土体岩性信息和岩体结构特征。

（2）建立了山寨煤矿特有的采用测井曲线解释岩性力学性质变化的数学模型。

（3）识别了山寨煤矿研究区地层结构，分析并划分了关键层，为冲击地压防治提供了依据。