一種以自然伽瑪參數(shù)為主的綜合煤礦井下測(cè)井系統(tǒng)

馬慶勛，李賢志，張澤奇

(1.西安科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西西安710054; 2.山西中煤華晉能源有限責(zé)任公司，山西河津043300; 3.山西中煤華晉能源有限責(zé)任公司王家?guī)X煤礦，山西河津043300)

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一種以自然伽瑪參數(shù)為主的綜合煤礦井下測(cè)井系統(tǒng)

馬慶勛1，李賢志2，張澤奇3

(1.西安科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西西安710054; 2.山西中煤華晉能源有限責(zé)任公司，山西河津043300; 3.山西中煤華晉能源有限責(zé)任公司王家?guī)X煤礦，山西河津043300)

［摘要］由于煤礦的防爆要求、施工空間等條件限制，目前井下測(cè)井技術(shù)相對(duì)滯后?！暗V用鉆孔測(cè)井分析儀”以自然伽瑪測(cè)井技術(shù)為核心，同時(shí)能夠獲取鉆孔的自然伽瑪、鉆孔高分辨率視頻及全方位井斜測(cè)量數(shù)據(jù)。詳細(xì)敘述了該儀器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)思想、數(shù)據(jù)分析軟件的自然伽瑪與視頻同步分析巖性的方法，以及巖性分析中存在的曲線異常問(wèn)題;并且闡述了軟件中如何結(jié)合巖性分析與測(cè)斜數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)巖層真厚計(jì)算、自然伽瑪曲線的“砂泥比”曲線區(qū)分巖石的力學(xué)強(qiáng)度的機(jī)理、繪制孔斜剖面圖與孔斜平面圖、繪制鉆孔預(yù)測(cè)地質(zhì)剖面圖的方法;指出了該技術(shù)的局限性及相關(guān)應(yīng)對(duì)措施。

［關(guān)鍵詞］自然伽瑪;測(cè)井系統(tǒng);鉆孔視頻;鉆孔測(cè)斜

［引用格式］馬慶勛，李賢志，張澤奇.一種以自然伽瑪參數(shù)為主的綜合煤礦井下測(cè)井系統(tǒng)［J］.煤礦開采，2015，20 (2) : 16－19.

鉆探作為一種必備的技術(shù)手段，在煤礦井下廣泛使用，而測(cè)井技術(shù)則可以驗(yàn)證與獲取鉆探資料。然而，由于煤礦特殊的防爆要求、有限的施工空間及對(duì)儀器功耗的限制，井下鉆孔測(cè)井的實(shí)用性技術(shù)還嚴(yán)重滯后。

上世紀(jì)80年代中期，匈牙利采礦研究所研制的MINIKAR和德國(guó)WBK公司物探所開發(fā)的GMB－77防爆測(cè)井系統(tǒng)，可測(cè)量自然伽瑪(簡(jiǎn)稱GR曲線)、井溫、井斜等參數(shù); 2007年中煤科工西安分院進(jìn)行了“煤礦井下無(wú)纜測(cè)井系統(tǒng)”的研究，利用選擇伽瑪、自然伽瑪及測(cè)斜等參數(shù)進(jìn)行井下無(wú)纜測(cè)井。這些儀器由于體積較為笨重、操作繁瑣、獲取參數(shù)少等原因，至今在國(guó)內(nèi)外未推廣應(yīng)用［1］。

2013年安徽理工大學(xué)研制了“井下仰角鉆孔測(cè)井系統(tǒng)”，它采用多探管協(xié)同工作，一次可完成軌跡、自然伽瑪、電阻率的測(cè)量［2］。該儀器的結(jié)構(gòu)組成相對(duì)復(fù)雜、采用PC機(jī)控制、上位機(jī)、網(wǎng)絡(luò)總線通訊、多個(gè)探頭協(xié)同，操作步驟多，且并未看到電阻率試驗(yàn)效果的文字描述、測(cè)量數(shù)據(jù)誤差大，只適用于上斜孔、干孔，仍然處于試驗(yàn)階段［3］。

“礦井鉆孔測(cè)井分析儀”是一種以自然伽瑪技術(shù)為核心測(cè)井手段，并針對(duì)井下環(huán)境要求、煤系地層特點(diǎn)與礦井地質(zhì)、防治水工作需求，采用新的設(shè)計(jì)理念與數(shù)據(jù)分析方法研制的適合井下測(cè)井的儀器。該儀器歷經(jīng)3年多的研制，已通過(guò)國(guó)家防爆檢測(cè)，具備了產(chǎn)品化的條件。

1　技術(shù)方案選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1硬件結(jié)構(gòu)

礦井鉆孔測(cè)井分析儀的設(shè)計(jì)目標(biāo)是:體積小、重量輕、便于攜帶，同時(shí)操作簡(jiǎn)單、采集信息豐富、分析功能強(qiáng)，滿足日常礦井地質(zhì)工作的需要。為此，經(jīng)過(guò)多方論證，儀器采用“高分辨率視頻+自然伽瑪+全方位孔斜測(cè)量”集成技術(shù)的一體化探頭，配合主控機(jī)箱的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1　儀器結(jié)構(gòu)示意

探頭設(shè)計(jì)直徑可以控制在26mm，重量不足2kg，適合包括錨索孔在內(nèi)的井下各類鉆孔探測(cè)。探測(cè)時(shí)將探頭通過(guò)電纜與控制箱相連，采用每節(jié)1m的推桿將探頭送入鉆孔中。電纜采用直徑不足4mm的多芯電纜，繞線盤放置在控制箱中?？刂葡浒ㄒ壕?、控制按鍵、數(shù)據(jù)通訊接口等，完成儀器的控制操作，還包括通過(guò)計(jì)量電纜長(zhǎng)度獲取測(cè)井深度的光電編碼器裝置;包括150m電纜在內(nèi)的控制箱的總重量控制在不超過(guò)12kg，體積控制在長(zhǎng)×寬×高: 30mm×30mm×30mm，方便攜帶。

1.2選擇自然伽瑪技術(shù)的原因

1.2.1現(xiàn)有測(cè)井技術(shù)的限制

地面鉆孔通過(guò)地球物理測(cè)井與測(cè)斜是可以準(zhǔn)確獲取鉆孔的地質(zhì)、水文資料。根據(jù)《DZ/T 0080－2010煤炭地球物理測(cè)井規(guī)范》，鉆孔必須具備4種以上的測(cè)井曲線相互驗(yàn)證才能得到可靠的分層結(jié)論。這些曲線包括自然伽瑪、人工伽瑪、自然電位、密度、視電阻率、井徑等。由于礦山井下特殊環(huán)境要求，實(shí)現(xiàn)難度很大。這是由于常規(guī)測(cè)井中人工伽瑪、自然電位、密度、視電阻率、井徑等對(duì)人員、使用等條件要求較高，如人工伽瑪具有放射性，對(duì)操作者人體有害，且成本高;自然電位、視電阻率要求鉆孔的孔壁潮濕，在很多情況下難以滿足;井徑、密度測(cè)量的裝置相對(duì)體積大，操作不便且在分析巖性中作用不大。從單一的便攜式儀器設(shè)計(jì)考慮，采用測(cè)井技術(shù)過(guò)多，必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積增大，實(shí)用性顯著降低，同時(shí)難以滿足防爆要求。從供電方面也是不允許的，井下便攜儀器用電池組供電，防爆要求不允許電池容量過(guò)大。

GR曲線是地球物理測(cè)井中最基礎(chǔ)、最重要的一條曲線。其通過(guò)測(cè)量巖層的天然放射性來(lái)區(qū)分巖性，對(duì)測(cè)井的鉆孔無(wú)任何限制條件，技術(shù)與理論已經(jīng)成熟，并且硬件設(shè)計(jì)可以做到微型化。

1.2.2煤系地層的構(gòu)成因素

絕大多數(shù)沉積巖層，尤其煤系地層主要由砂巖、泥巖組成，并有少量的灰?guī)r、煤層。這些地層的GR曲線有著明顯的異常值特征，可以用來(lái)定量分層。GR曲線可以十分有效地區(qū)分各種砂巖、泥巖(見(jiàn)圖2)。其局限性是不能區(qū)分煤層、砂巖、灰?guī)r，這些地層的GR曲線往往都是低異常。這種情況可以結(jié)合視頻予以判層。

圖2　GR曲線區(qū)分砂泥巖［6］

2　測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析

通過(guò)PC機(jī)算法設(shè)計(jì)，分析軟件可以實(shí)現(xiàn)鉆孔巖性分析、厚度計(jì)算、鉆孔結(jié)構(gòu)(巖石孔隙、裂隙、出水點(diǎn)、頂板離層等)分析、孔斜剖面與平面軌跡計(jì)算、預(yù)測(cè)地質(zhì)剖面圖等功能。軟件能夠輸出視頻截圖、鉆孔預(yù)測(cè)地質(zhì)剖面圖等5種成果，以圖片或CAD格式輸出，一個(gè)鉆孔的分析成果可以在2h內(nèi)快速完成。

2.1數(shù)據(jù)下載與預(yù)處理

現(xiàn)場(chǎng)采集完成后將PC機(jī)與儀器USB口連接，用分析軟件下載數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行“數(shù)據(jù)刻度”:鉆孔視頻是連續(xù)按幀采集的，深度、自然伽瑪、孔斜測(cè)量是按照單位時(shí)間(如每秒8個(gè)點(diǎn))采集的。軟件先計(jì)算出每個(gè)深度點(diǎn)的采集從開始采集數(shù)據(jù)至該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間，將該深度數(shù)據(jù)的時(shí)間點(diǎn)與視頻、自然伽瑪、孔斜數(shù)據(jù)相同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，使這些數(shù)據(jù)具有對(duì)應(yīng)的深度值，此過(guò)程稱“數(shù)據(jù)刻度”。

2.2 GR曲線與視頻同步分析巖性

2.2.1巖性分析過(guò)程

在“數(shù)據(jù)刻度”基礎(chǔ)上，根據(jù)自然伽瑪數(shù)據(jù)，繪制出GR曲線。如果根據(jù)測(cè)井曲線或視頻，能夠判斷出巖性，如自然伽瑪為高異常的地層一般為泥巖;視頻中巖層為黑色且有金屬光澤，則一般為煤層，這類情況可直接劃分出地層分界點(diǎn)的位置。

若直接使用GR曲線或視頻不能判斷巖性，可以采用視頻與GR曲線在同一深度處的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步綜合判斷(稱“自然伽瑪與視頻同步分析法”)。比如在相同深度的自然伽瑪為低異常處的視頻中，如果巖層為黑色、且有金屬光澤，此時(shí)可判斷出巖性為煤層;如果視頻中的顏色為淺灰色、灰色、層理發(fā)育、具有顆粒感則可判斷該層巖性為砂巖;如果顏色為灰色、孔壁細(xì)膩光滑、無(wú)明顯顆粒感，則可判斷該層巖性為灰?guī)r。至于其他的砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖等過(guò)渡粒度的巖性，同樣可以結(jié)合視頻、測(cè)井曲線的相對(duì)異常值的高低，進(jìn)行判斷，這樣就基本劃分出了煤系地層的常見(jiàn)巖性。

圖3為GR曲線與視頻同步分析的軟件功能示意圖。同時(shí)打開GR曲線和視頻播放器，在GR曲線上設(shè)置有一條可以移動(dòng)的深度指示線，代表當(dāng)前的測(cè)井深度。視頻按照時(shí)間順序播放時(shí)，該指示線會(huì)隨視頻播放的時(shí)間移動(dòng)，這樣用戶即可按照GR曲線特征與視頻的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)分析巖性。

圖3　GR曲線與視頻同步分析法的軟件功能示意

2.2.2鉆孔的穿層角度對(duì)曲線影響

井下鉆孔設(shè)計(jì)時(shí)，傾角與煤巖層的夾角很小或者沿煤巖層層位布設(shè)。由于自然伽瑪測(cè)井采集的是鉆孔孔壁向外30～50mm空間范圍內(nèi)的放射性粒子的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，因此GR曲線的形態(tài)就會(huì)受到鉆孔實(shí)際當(dāng)前揭露的巖層附近層位的放射性影響較大。圖4顯示，GR曲線的異常值與常規(guī)情況的GR曲線分層位置發(fā)生偏移，鉆孔穿越煤層時(shí)的曲線也呈現(xiàn)一定的高異常，此時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)曲線的變化與視頻中觀察的分界點(diǎn)來(lái)綜合分析，確定巖層分層界面。

圖4　巖層與鉆孔夾角很小時(shí)GR曲線異常情況

2.3“砂泥比”分析巖石力學(xué)強(qiáng)度

在評(píng)價(jià)沉積地層時(shí)，自然伽瑪測(cè)井曲線是一種重要的泥質(zhì)指示曲線，根據(jù)自然伽瑪?shù)臄?shù)值可以計(jì)算巖層中的砂質(zhì)與泥質(zhì)含量的比值，用此比值可以繪制出“砂泥比”曲線。該曲線可以反映巖層的相對(duì)力學(xué)強(qiáng)度，一般來(lái)講，砂質(zhì)含量高，巖層強(qiáng)度大，反之亦然。這對(duì)礦井煤層頂?shù)装逯ёo(hù)條件是個(gè)重要的參考。其計(jì)算公式如下:

式中，GR為目的層測(cè)井值; GRmin為純地層的測(cè)井值; GRmax為泥巖層測(cè)井值，API單位; GCUR為希爾奇指數(shù)，與地層年代有關(guān)，第三系地層，取3.7，老地層取2。

根據(jù)圖3中的砂泥比曲線可以看出砂質(zhì)含量的相對(duì)高低，就可以初步判斷巖層的軟硬程度。“煤層”在該曲線上的砂質(zhì)含量雖然也是高值，不應(yīng)分析為力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)的巖層，即砂泥比對(duì)巖層力學(xué)強(qiáng)度的定性分析只對(duì)砂泥巖、灰?guī)r有效。

2.4其他成果分析

2.4.1巖層厚度計(jì)算

前述巖性分析過(guò)程，只確定出了巖層的分層位置，巖層的真厚度計(jì)算過(guò)程為:根據(jù)分層位置，對(duì)每一個(gè)分層對(duì)應(yīng)深度范圍的數(shù)據(jù)離散值(深度、方位角、傾角)，計(jì)算出各鉆孔軌跡離散點(diǎn)的空間坐標(biāo);每相鄰兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)連線為一個(gè)線段，結(jié)合巖層產(chǎn)狀(走向、傾向和傾角)數(shù)據(jù)，按照線段與巖層的空間幾何關(guān)系，計(jì)算出線段穿越的巖層真厚度;對(duì)巖層分層中相鄰線段對(duì)應(yīng)的真厚度求和，即近似得出該巖層分層的真厚度。結(jié)合巖性分層，按照巖層真厚度繪制鉆孔的巖性柱狀圖。

2.4.2平、剖面軌跡圖、預(yù)測(cè)地質(zhì)剖面圖繪制

在計(jì)算出鉆孔軌跡各離散點(diǎn)的空間坐標(biāo)基礎(chǔ)上，利用鉆孔軌跡方位角、傾斜角數(shù)據(jù)可以計(jì)算并繪制出鉆孔剖面軌跡圖、鉆孔平面軌跡圖。已計(jì)算出的巖層分層結(jié)果，與鉆孔軌跡剖面圖、巖層產(chǎn)狀及前方構(gòu)造變化情況結(jié)合，可繪制鉆孔預(yù)測(cè)地質(zhì)剖面圖，步驟為:鉆孔軌跡剖面圖上標(biāo)出巖層分層點(diǎn)的位置與巖性;按照地層產(chǎn)狀換算出該剖面方向上的視傾角;將分層點(diǎn)按照巖層視傾角繪制出層位，結(jié)合構(gòu)造情況即可繪制出鉆孔的地質(zhì)預(yù)測(cè)剖面圖。

通過(guò)視頻數(shù)據(jù)還可以查看鉆孔孔壁巖層的裂隙、孔隙的發(fā)育程度、鉆孔套管的完整程度，如果有出水點(diǎn)可以觀察到出水點(diǎn)的特征、出水量的大致情況。

3　技術(shù)局限性

礦井鉆孔測(cè)井分析已在10多座煤礦進(jìn)行了日常探放水鉆孔驗(yàn)證、采空區(qū)、斷層、頂板巖層結(jié)構(gòu)、封閉不良鉆孔堵水等多方面應(yīng)用，取得了良好的效果。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)如下局限:對(duì)于少數(shù)混水鉆進(jìn)的下斜孔，視頻數(shù)據(jù)無(wú)法獲取(GR曲線和孔斜數(shù)據(jù)仍可正常測(cè)得) ;上斜鉆孔中有涌水的情況下，如果鉆孔充水，該儀器具備防水性能仍可使用，只是操作條件惡劣，受到水的阻力而致使探頭的推進(jìn)困難而探測(cè)深度會(huì)減少;如果鉆孔未充水且涌水量較大，水花的強(qiáng)烈波動(dòng)影響視頻效果，探測(cè)難度也有所加大;對(duì)于清水鉆進(jìn)的下斜孔，由于孔壁沉淀有巖粉，探頭進(jìn)入后巖粉會(huì)隨之漂浮到探頭前，影響視頻拍攝，可以根據(jù)巖粉情況調(diào)整推進(jìn)速度;鉆孔放置時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)塌孔，探測(cè)時(shí)間應(yīng)該在鉆孔施工后的1～3d之內(nèi);該設(shè)備只能進(jìn)行粗略的巖性判斷，即GR曲線只能判斷碎屑巖巖層的粒度相對(duì)分類，而在諸如只用GR曲線異常值來(lái)區(qū)分粉砂巖與細(xì)砂巖時(shí)就比較困難。如遇上述情況可以通過(guò)結(jié)合附近地面勘探鉆孔資料或地質(zhì)素描，利用層序關(guān)系進(jìn)行綜合對(duì)比判層。

4　結(jié)束語(yǔ)

煤礦井下測(cè)井技術(shù)尚且處于萌芽狀態(tài)，值得業(yè)界去探索。礦井鉆孔測(cè)井分析儀雖然有其局限性，但從其集成性、便攜化、易操作的設(shè)計(jì)理念、視頻與GR曲線同步巖性分析方法，以及“砂泥比”曲線理論在礦井地質(zhì)中的應(yīng)用、成果的豐富性等方面都有所創(chuàng)新，是一種綜合、高效、定量化的地質(zhì)防探水手段。

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［責(zé)任編輯:施紅霞］

Comprehensive Underground Logging System Dominated by Natural Gamma Parameters

MA Qing-xun1，LI Xian-zhi2，ZHANG Ze-qi3

(1.Survey Science＆Technology School，Xi＇an University of Science＆Technology，Xi’an 710054，China;
2.Geology Surveying Department，Shanxi Zhongmei Huajin Energy Co.，Ltd.，Hejin 043300，China;
3.Wangjialing Colliery，Shanxi Zhongmei Huajin Energy Co.，Ltd.，Hejin 043000，China)

Abstract:At present，restricted by anti-explosion requirement and construction space condition，underground logging technology is relatively outmoded.Applying natural gamma logging technology，mine borehole logging equipment could simultaneously obtain natural gamma，borehole high resolution video and comprehensive deviation measurement data.This paper introduced the equipment＇s structure，design idea，method of simultaneously analyzing lithology with natural gamma and video in data analysis software，and curve exception problem in lithology analysis.By combining lithology analysis and surveying data，it also introduced how to realize strata true thickness calculation，distinguish rock strength with " sand-to-mud" curve，plot hole deviation profile and plan figure and plot geological profile plot with borehole data.Limitation of this technology and corresponding countermeasures was pointed out.

Keywords:natural gamma; logging system; bore-hole video; borehole survey

［作者簡(jiǎn)介］馬慶勛(1968－)，男，河北永年人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榈V井地質(zhì)防治水及地質(zhì)儀器研發(fā)。

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.005

［收稿日期］2014－08－18

［中圖分類號(hào)］TD718

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A

［文章編號(hào)］1006-6225 (2015) 02-0016-04