成庄矿3#煤层构造煤研究(毕业设计).doc

河南理工大学本科毕业设计河南理工大学本科毕业设计 1 目目 录录 1 绪 论 1 2 构造煤与瓦斯突出 2 2.1 构造煤的特征.2 2.1.1 构造煤的宏观结构特征 .2 2.1.2 构造煤的微观结构特征 .2 2.1.3 构造煤的超微观结构特征 .3 2.2 构造煤的物理特性.4 2.3 构造煤对瓦斯突出的控制作用.4 3 地球物理测井和判识构造煤基本原理及曲线特征 6 3.1 地球物理曲线测井基本原理.6 3.1.1 视电阻率（s）测井基本原理.6 3.1.2 伽玛伽玛（-）测井基本原理 8 3.2 测井曲线判识构造煤的理论基础.10 3.2.1 视电阻率（s）曲线判识构造煤10 3.2.2 伽玛伽玛（- ）曲线判识构造煤 11 3.2.3 自然伽玛（）和接地电阻梯度曲线判识构造煤11 3.3 构造煤测井曲线特征.12 4 构造煤测井曲线解译及应用 14 4.1 构造煤结构类型划分.14 4.2 研究步骤.14 4.3 成庄矿测井曲线解译15 4.3.1 矿区概况 .15 4.3.2 成庄矿构造煤观测 .17 4.3.3 成庄矿测井曲线解译 .20 4.4 小结.21 5 成庄矿 3煤层构造煤分布规律23 5.1 构造煤分布一般规律.23 5.1.1 构造煤是挤压、剪切作用的产物 .23 河南理工大学本科毕业设计河南理工大学本科毕业设计 2 5.1.2 构造煤分布一般特征 .23 5.2 3煤层构造煤分布规律27 6 结 论 29 致 谢 30 参考文献 31 附录 A 英文原文节选 .32 附录 B 英文翻译节选48 河南理工大学本科毕业设计河南理工大学本科毕业设计 1 1 绪绪 论论 构造煤是煤与瓦斯突出的必要条件。煤与瓦斯突出主要发生在构造应力集 中、挤压、研磨作用强烈的构造部位，这已为国内外采矿工程的大量事实所证 实，也为多数从事矿井瓦斯地质的研究者所公认。对突出破坏程度的研究，对 于研究煤和瓦斯突出预测、煤层构造成因及构造预测都具有重要作用。 但长期以来，采矿工程技术人员往往只在煤层被揭露的地方才进行构造煤 的观测描述，划分煤体结构，这远远不能满足矿井生产的需要。煤田地质勘探 的理论与实践表明，利用勘探钻孔资料尤其是钻孔的地球物理测井信息不仅可 以进行岩层、煤层和夹矸的划分。利用钻孔测井曲线，依据构造煤与原生结构 煤在物理力学方面具有的差异性在测井曲线上的明显的响应特征识别构造煤， 其中，构造煤在测井曲线上具有视电阻率小、人工伽玛大、自然电位正异常自 然伽玛小等特点，通过对比多种测井曲线中构造煤分层和围岩层的可能响应特 征，就能获取构造煤的厚度资料，研究构造煤分布规律，划分出瓦斯突出预测 危险性区域，有助于预测煤与瓦斯突出，提高采掘生产中防突措施的科学性和 针对性，指导矿井安全生产。特别是在矿井投产初期，判识构造煤的存在与分 布对矿井瓦斯防治具有重要意义。 本文研究内容： （1）对成庄矿 3煤层井下揭露巷道进行构造煤观测、编录； （2）依据构造煤观测结果，结合观测区域测井曲线，查找矿区测井曲线 构造煤表现的变化特征； （3）借助 Suffer8.0 软件和 AutoCAD 绘图工具，绘制成庄矿 3煤层构造 煤厚度等值线图， ； （4）对成庄矿 3煤层构造煤分布特征进行研究。 河南理工大学本科毕业设计河南理工大学本科毕业设计 2 2 构造煤与瓦斯突出构造煤与瓦斯突出 2.1 构造煤的特征构造煤的特征 2.1.1 构造煤的宏观结构特征 构造煤是指煤层中分布的软弱分层，是煤层在构造应力作用下发生破碎或 强烈的韧、塑性变形及流变迁移的产物，构造煤在区域变质的基础上又叠加了 动力变质作用。 构造煤体的宏观结构分为碎裂结构、碎粒结构、糜棱结构 3 种类型，相应 的煤体为碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤。 1）碎裂结构。煤被密集的次生裂隙相互交切成碎块，但对碎块之间基本没 有位移，煤层原生层理基本可见，时断时续。碎裂结构常常位于原生结构与碎 粒结构的过渡部位。 2）碎粒结构。煤被破碎成粒，主要粒级大于 1mm。大部分煤粒由于相互 位移摩擦失去棱角，煤层原生层理被破坏，层理不清，碎裂较发育，煤层煤体 主要呈粒状。碎粒结构往往紧靠碎裂结构分布，常常距离煤层顶板或底板一定 距离，也常常位于断裂带的中心部位。 3）糜棱结构。煤被破碎成很细的粉末，主要粒级小于 1mm、有时被重新 压紧煤层原生结构层完全被破坏，已看不到煤层原生层理和节理，滑移面、摩 擦面很多，煤体呈透透镜体状、粉状、鳞片状，极易捻成粉末。糜棱结构煤受 强挤压、剪切破坏的束缚常出现在压应力很大的断裂褶皱带中。 2.1.2 构造煤的微观结构特征 构造煤在光学显微镜下可见有形态、方向不同，长短、疏密不等的各种裂 隙，或者有各种纤维褶皱、纤维断裂等，甚至表现为纤维角砾岩化；有机显微 组分常呈现出挤压变形、扭曲变形特征；受力严重时显微组分发生破碎或发生 位移，并常被重新胶结；构造滑动面与塑性流变现象常见根据构造煤光片统 计，随着破坏程度增高，微裂隙、微褶皱数量明显增多，但裂隙平均宽度却减 少，亦即构造煤的特点就是裂隙较多。其微观结构特征是由封闭粒状物质组成， 它们之间富含滑动平面，各层间由无粘结力的物质组成。特别是在这些滑动面 上大量微观裂隙的存在给原有的弱面和点提供了再次被压碎及易于破碎成粉状 的能力。因此把煤体变成多孔的和易碎的物质构造煤具有丰富的内表面积，从 河南理工大学本科毕业设计河南理工大学本科毕业设计 3 而使煤对瓦斯的吸附能力大大增强。由于煤结构比较破碎，煤颗粒间微裂隙也 易于积存较多自由状态的瓦斯分子，储积瓦斯的空间也相对增加。有利于具备 富含瓦斯气体的介质条件。在采场应力作用下，微裂隙进一步拓展。将许多原 来相对封闭的微裂隙和微孔隙连通起来，使瓦斯具有很高的速度。因此构造煤 具有快速解吸瓦斯的能力。另一方面，被切割成粒状或鳞片状的构造煤的力学 性质明显降低，况且，由于吸附层的瓦斯影响了煤分子之间的相互作用力，从 而降低了煤的力学稳定性。 有一种观点认为：“随着煤体破坏程度的增加，煤中微孔隙比例增高，是 造成构造煤吸附瓦斯量升高的主要原因” ，这实际上是不准确的，国内外大量 的测试数据表明，随着煤体破坏程度的增加，中孔容积在总容积中所占的百分 比，由 I 类煤的 24.3增大到 V 类煤的 59.3；而相应的小孔在总容积中所占 的百分比，却由 75.7降至 40.7 也就是说，当煤体破坏程度增高时，渗透 孔隙容积的增加，主要依靠大孔容积的增加；同时孔径越大，其增加的幅度也 越大；因而，提高了煤吸收和放散瓦斯的能力。煤吸附瓦斯量与煤体破坏程度 无明显关系，这也说明了煤中的微孔隙不受破坏程度的影响。 2.1.3 构造煤的超微观结构特征 1) 网格状结构。所谓网格状结构，是指由许多白色或灰白色的长短不等、 宽窄不同、弯弯曲曲、彼此交织在一起的网纹所构成的似经络状的图案，实际 上是多组互相交切的微裂隙或是细小煤粒间缝隙，其实质上为煤体遭受改造破 坏的一种表现而已。几乎所有的糜棱煤中均具有程度不同的网格状结构 。因 此，这种结构在实际工作中常作为鉴定煤与瓦斯突出危险程度的一种标志。 2) 碎裂结构。根据构造应力作用的性质(压、张、扭)、大小、方向、快 慢不同，煤体形变大体可分为脆性形变和塑性形变，前者以角砾状结构、团粒 状结构为代表；后者以定向排列的流变结构和鳞片状结构为代表，并常具揉皱 镜面等塑性变形特征，统称碎裂结构。这种结构在实际工作中也常作为判别煤 体破坏程度的一个依据，进而应用于煤与瓦斯突出危险性评价。 3) 蜂窝状结构。指煤体中分布的貌似溶蚀空洞的众多大小不等的孔 洞蜂窝状结构的存在是构造煤比表面积显著增大的一个重要原因，同时为瓦 斯的富集与运移提供了有利条件，再加上孔洞造成煤体强度降低、抵御瓦斯突 出的阻力变小，从而使煤与瓦斯突出所需要的能量降低，因而更有利于煤与瓦 斯突出的发生。 河南理工大学本科毕业设计河南理工大学本科毕业设计 4 2.2 构造煤的物理特性构造煤的物理特性 1）坚固性系数是一个无量纲量，它用于表示岩石抗冲击能力的大小或破 碎时破坏功的大小。坚固性系数 值越小说明岩石抗冲击能力越小，或破坏时 所需要的破碎功越小。构造煤的坚固性系数 值主要决定于煤对破坏程度无论 在构造煤的五类划分方案或四类划分方案中， 值都随固性系破坏程度增高而 规律的降低。有时候，在不同矿区的 值的绝对大小不能横向比较。但对于同 一矿区同一试验粒度条件下所获得的 值，仍遵从强度随破坏程度增高而降低 的规律，具有强烈变形的、类煤层（易突出煤层）的 值一般在 0.10.3 区间内。 2）瓦斯放散初速度 P 的实质是煤在 0.1MP压力吸附瓦斯的条件下 ， 向一固定体积的真空空间放散时，某一时间段内所放散的瓦斯量。P 值的大 小决定于煤的变质程度和煤的破坏类型，P 值随煤级升高而增大，随破坏程 度增高而增大。例如，对于平顶山八矿的焦煤，原生结构煤的 P 值为 7.5。 碎裂煤的 P 值为 9.6，碎粒煤和糜棱煤的 P 值为 13.8 和 13.1。焦作矿区无 烟煤的 P 相当高，其类煤为 8.1，类煤为 10.6，、类煤骤然升 高至 19.3、28.58、和 35.70。煤的瓦斯放散初速度 P 是煤的特性及表面积大 小的一种表现，构造煤的中孔和过渡孔容积显著增高，相应 P 也随之增大。 3）构造煤的孔径，孔容和比表面积特征。煤被认为是由不同大小和形态 的孔隙及围绕孔壁分布的芳香稠核所组成，Duber 和 Rouzaud 认为煤中孔的大 小核形态决定炭物质的微观结构和煤的双反射率，孔的大小及形态依赖于煤化 程度及其煤化过程中的温度和各向异性应力状态。在我国，最早比较构造煤与 原生结构煤孔隙特征的是王佑安和杨思敬。根据对湖南红卫煤矿和辽宁北票煤 矿 29 个不同破坏类型煤样的压汞试验结果，他们发现渗透孔隙体积随煤体破 坏程度增高而增大不同类型煤的渗透孔隙体积分别为：原生结构煤为 0.03166cm3/，类煤为 0.01305cm3/，类煤为 0.02155cm3/，类煤为 0.03166cm3/，类煤为 0.0825 cm3/。严重破坏的类煤的渗透孔隙体积是原 生结构煤的 6.5 倍。已经查明，煤的比表面积随破坏程度增高而增大。 2.3 构造煤对煤与瓦斯突出的控制作用构造煤对煤与瓦斯突出的控制作用 构造煤对煤与瓦斯突出的控制作用，主要表现为以下几个方面： 1）从煤体特征方面看，构造煤的空隙率一般较高，因而可以保存更多的游 离瓦斯；同时，构造煤的透气性一般较小，因而构造煤一般能够保持相对较高 河南理工大学本科毕业设计河南理工大学本科毕业设计 5 的瓦斯压力。 因此，这两方面促成了煤与瓦斯突出所需的动力条件，是煤与 瓦斯突出发生的内因。 2）构造煤遭受地质构造作用后，结构遭受不同程度的破坏，裂隙、揉皱密 布。滑面发育，外形呈碎粒和粉状，抵御外力作用的能力大大降低，形成了有 利于煤与瓦斯突出事件发生的外部条件，即外因。 3）构造煤中的瓦斯吸附层，削弱了煤分子之间的相互作用力，起着一定的 “分隔”作用；而构造煤中的游离瓦斯，在煤体发生破碎作用时充当着“气垫” 的作用，这两方面的因素，一是造成了煤体强度明显降低；二是有利于煤体 颗粒相对移动，煤与瓦斯突出抛出煤体，大大促进了突出作用持续、迅速地发 生与发展。 4）由于构造煤的强度低，所以其发生变形的幅度差异与关系更敏感。这就 是说，在煤层采掘后，由于集中应力的作用，构造煤压缩变形的幅度较原生结 构煤更大；反之，在卸压作用条件形成时，构造煤伸张变形幅度也较大，甚至 可以形成一些新的裂隙，为瓦斯的迅速解吸、放散和快速流动创造条件。因而， 更有利于煤与瓦斯突出的发生。 总之，构造煤的高空隙率、低透气性使构造煤能够保持较高的瓦斯压力； 结构破碎性、吸附瓦斯的“隔离”作用及游离瓦斯的“气垫”作用，使构造煤 抵御外力作用的能力大大降低；构造煤变形幅度大的特性，为瓦斯的迅速解吸、 放散和快速流动创造条件；构造煤薄弱分层或“通道层”的存在，则为煤与瓦 斯突出的初始激发和持续发展奠定了基础。 河南理工大学本科毕业设计河南理工大学本科毕业设计 6 3 地球物理测井和判识构造煤基本原理及曲线特征地球物理测井和判识构造煤基本原理及曲线特征 一种类型的测井曲线只能反映岩层某一方面的物理性质，不同的岩层在某 些物理性质方面可能相近，不能达到分层、定性、定厚解释的目的，所以不同 的岩层很难用同一种类型曲线的变化特征区分开来。如煤层中还有薄的夹矸层， 又有构造煤的存在，仅仅利用视电阻率曲线定性区分原生煤和构造煤，结果是 不可靠的，因为夹矸和构造煤的电阻率都比原生煤小，较薄的夹矸和适当厚度 的构造煤视电阻率曲线变化相似，就不能盲目下结论是原生煤还是构造煤，更 不能用来定厚划分。采用测井曲线判识构造煤就必须综合多种类型的测井曲线， 根据曲线反映构造煤分层的明显程度针对性选择曲线类型。 物理性质差异越大，反映该种物理性质曲线的分辨能力就越好，采用该种 曲线判识构造煤的结果就会越准确。对不同曲线物性参数测试的结果和现有资 料来看，利用视电阻率和伽玛伽玛曲线定性、定厚判识构造煤效果较好。夹矸 在视电阻率曲线的变化趋势同构造煤的类似，单从视电阻率曲线很容易将夹矸 和灰分较大分层误判为构造煤，而伽玛伽玛测井曲线能很好将夹矸和灰分较大 分层及构造煤区分开。 3.1 地球物理曲线测井基本原理地球物理曲线测井基本原理 在煤田地质勘探期间往往要进行大量的测井工作，主要有视电阻率、自然 电位、自然伽玛、井径和声波等等，这为未采区煤体结构划分提供了途径。为 了正确划分煤体结构，收集了成庄矿3煤层的143个钻孔的测井资料，并从测 井原理、构造煤的物理力学性质以及实际对比中研究了构造煤的测井特征。 3.1.1 视电阻率（s）测井基本原理 进行视电阻率测井时，不是直接测得岩石的电阻率，而是视电阻率。实际 上，视电阻率的值是随着真电阻率的测量值变化而变化的，真电阻率越大视电 阻率就越大，只是在均匀无限大介质中，视电阻率才等于介质的真电阻率。视 电阻率沿井轴的变化，主要是由于电极系周围岩层的改变而引起的。因此，只 要预先掌握了由岩层改变而引起视电阻率变化的规律，在实际中，就可以运用 这些规律来解译视电阻率曲线，从而根据视电阻率测井曲线来划分钻孔地质剖 面，确定岩层及煤层的位置和厚度等。 将电极系放在钻孔中不同位置上时，由于电极系周围的岩石不同，将测得 河南理工大学本科毕业设计河南理工大学本科毕业设计 7 不同的视电阻率值。这样，沿着井轴连续移动电极系，通过电测井仪器的自动 连续记录，就能够测得一条沿井轴连续变化的视电阻率测井曲线。 A M B R E mA G N 图图31 视电阻率测井原理图视电阻率测井原理图 下面为理想状态均匀介质电阻率的测定过程分析： 同理可求N电极的电位： （31）) 11 ( 4BNAN I UN 式中：、分别表示电极A、N和B、N间的距离。ANBN 由于、很大，所以，即：ANBN0 N U 由图31，设从A电极流出的电流强度为I，由点电源在均匀全无限介质 中电场的分布公式可得A电极电流在M点的电位： r I UP 1 4 （32） AM I UMA 4 其中：表示A、M二电极间的距离。AM 河南理工大学本科毕业设计河南理工大学本科毕业设计 8 B电极对M点造成的电位： （33） BM I UMB 4 其中：为B、M二电极间的距离。BM 由电位叠加原理，M点的电位为A、B二电极对其造成的电位代数和： M U ) 11 ( 4BMAM I UUU MBMA M （34） NNMMN UUUU) 11 ( 4BNAN I )( 4BMAM ABI 可得： （35） I U K MN 式中：ABBMAMK/4 此外，对视电阻率曲线解释以前应充分了解研究区内煤和相关岩石的电阻 率变化情况，这是进行视电阻率曲线推断解释所不可缺少的基础性工作。根据 所要解决的地质任务，合理选择视电阻率测井的技术条件，通过野外试验选定 所用电极系的类型和电极距的大小，这也是保证获得优质观测记录的重要关键。 梯度电极系的突出优点是有利于分层，包括划分厚度小于电极距的薄层。 如果使顶部梯度电极系与底部梯度电极系相配合，譬如对于高电阻率岩层， 利用顶部梯度电极系：曲线划分顶界面，利用底部梯度电极系曲线划分底界面， 可以得到令人十分满意的分层结果。若研究区岩层的视倾角很大，应该选用梯 度电极系；电位电极系的突出优点是其曲线形态较简单，且对厚度大于电极距 的岩层反映清晰，易于读取岩层电阻率的近似值。其中，不应该用电位电极系 曲线去划分厚度小于电极距的岩层。 总之，划分层面的划分是视电阻率测井曲线解释的重要内容，也是应用视 电阻率测井资料解决地质问题的重要方面。 3.1.2 伽玛伽玛（-）测井基本原理 伽玛伽玛测井法是以研究岩层对伽玛射线的散射和吸收性质为基础的一 种方法，它所测量的是被岩层散射的伽玛射线强度。当所使用的伽玛源的能量 河南理工大学本科毕业设计河南理工大学本科毕业设计 9 在一定范围时，这种被测定的散射伽玛射线强度与岩石的密度有密切关系。 由于伽玛源发出的伽玛射线不一定一次散射到探测器，可能要多次散射到 达。但测井时，探测器记录的伽玛散射线仍然以一次散射为主，因此用一次散 射伽玛射线的计算结果近似表示总的散射结果。 现以一次散射伽玛线被探测器记录的过程进行分析（图32）： r 0 R2 dV z R1 图图32 伽玛伽玛射线一次散射示意图伽玛伽玛射线一次散射示意图 由伽玛源发出的伽玛射线到达体积圆与其垂直的单位面积上的几率为： （36） 2 1 1 4 11 R e P R 式中：为介质对能量的伽玛射线的吸收系数。 1 E 到达体积圆后的一个伽玛射线与中一个电子发生康普顿吴有训效dvdv 应后被散射到与入射方向成角方向上的小立体角内的几率为，则到d d 达的每个伽玛射线被散射到与入射方向成角的单位立体角内的几率为：dv （37） d d NP 02 被散射到原来方向成角的单位立体角的每个伽玛射线到M点处与垂直 2 R 河南理工大学本科毕业设计河南理工大学本科毕业设计 10 的单位面积的几率为： （38） 22 2 2 3 1 R e R P 式中为介质对能量E的伽玛射线的吸收系数。 1 由（1）（2）（3）式可得由伽玛源发出的每个伽玛射线经散射后到达dv M点处与垂直的单位面积上的总几率为： 2 R 3213 PPPP 伽玛源平均每秒发出a个伽玛射线，则每秒由体积圆散射到M点并与垂直dv 2 R 的单位面积上的伽玛射线强度为： apdJ 对空间积分可M点的一次散射伽玛射线的总强度 vdJ J 经数学方法处理： （39） cL e L KQJ 式中： 为放射源的源强；Q 为放射源的源距；L 、是与放射源性质有关的系数。KC 3.2 测井曲线判识构造煤的理论基础测井曲线判识构造煤的理论基础 在煤矿井下，易突出的软分层并不是独立存在的，而是和岩石、硬煤等相 互伴生的。它们的物理与化学性质各不相同，采用不同的测井方法，表现为在 不同的测井曲线上具有不同的响应特征。选择适当的测井系列，有助于获得精 确的煤层与非煤层的详细资料。构造煤与其伴生的岩石、硬煤在各种测井曲线 上所显示的异常极性、幅度和宽度等形态特征差异均可作为识别构造煤的标志， 这也正是测井曲线识别构造煤的理论基础所在。 3.2.1 视电阻率（s）曲线判识构造煤 利用视电阻率曲线定性、定厚判识构造煤，首先要注意原生煤和构造煤在 电阻率的差异。因此在开展视电阻率测井时，应该充分了解研究区构造煤和非 构造煤的电阻率变化特点。视电阻率曲线变化特征虽然与电极系周围介质的电 阻率及这些介质的分布因素、所用电极系的类型和尺寸有关。而岩石之间存在 河南理工大学本科毕业设计河南理工大学本科毕业设计 11 着较明显的电阻率差别是主要因素，这是开展视电阻率测井的物性前提条件。 构造煤是在遭受构造应力破坏后，煤体裂隙增多，孔隙度增大，含水性增 强，自由离子在导电情况下增多，这是构造煤的电阻率出现明显降低之一；另 外，煤大分子的主体结构单元是缩聚芳香核和氢化芳香核，结构单元周边还含 有各种原子基团（包括脂肪基、含氧基和杂原子团等）。构造煤分层形成时， 其所受应力和温度均高于硬煤分层，使其中的腐植复合物更易于发生聚合反应， 稠核芳香系统趋于增大，丧失部分官能团，侧链减少、变短，芳香化程度有所 提高，分子排列局部规则化。在此过程中，煤大分子结构从无序趋于有序，电 子的定向运动与热振动的质点碰撞几率有所降低，也使构造软煤的导电性增强， 电阻率出现一定程度地降低。 3.2.2 伽玛伽玛（- ）曲线判识构造煤 伽玛伽玛测井曲线是根据岩层密度的大小来识别岩性的，地层的密度愈小， 单位时间内进入计数管的散射伽马量子就愈多，则伽玛伽玛测井曲线上的计 数率（脉冲分）就愈高。因此，可根据伽玛伽玛测井曲线能判断岩层密度的 相对大小，识别出构造煤和非构造煤。 伽玛伽玛曲线主要反映不同岩层的密度差异。夹矸和灰分较大分层的密度 均大于煤层，夹矸和灰分较大分层出现的地方，伽玛伽玛曲线会出现下降。从 密度测试的结果可知，构造煤与硬煤的密度差异不明显，且出现交叉现象，那 么在煤层所对应的伽玛伽玛测井曲线段上构造煤分层不会引起测井曲线幅值发 生明显变化。从实测的伽玛伽玛曲线中也能看到，夹矸层出现的孔段曲线幅值 骤然下降，这有利于将夹矸与构造煤分层区别开来，一般岩石的密度差别并不 太大，但煤相对于一般岩石却存在着鲜明的低密度特性。因此在伽玛伽玛测井 曲线上，煤层通常表现为明显的高峰。 3.2.3 自然伽玛（）和接地电阻梯度曲线判识构造煤 自然伽玛测井法是放射性测井中最简单的一种方法，它是以记录钻井地质 剖面中各种岩石的自然放射性强度为基础的。一般地说，岩层中所含放射性物 质越多，其自然放射性强度就越大。不同岩层，其放射性物质含量不同，因而 在自然伽玛曲线上就有不同的反映。 构造煤是原生结构煤遭受构造运动破坏的煤体，其空隙和裂隙均较发育， 单位体积内放射物质的含量减少，所以自然伽玛曲线上表现为负异常（图 33） ，其特征较明显。 河南理工大学本科毕业设计河南理工大学本科毕业设计 12 接地电阻梯度 构造煤 夹矸 原生煤 砂岩 图图33 构造煤厚度解译构造煤厚度解译 从成庄矿3煤层钻孔测井曲线分析，该曲线是判断构造煤的主要 参考曲 线，配合伽玛散射曲线应用起来更方便。构造煤在自然伽玛曲线上为低异常反 映，定厚解释点理论上应在办幅点位置。考虑到测井速度会使曲线的上、下半 幅点及最大值都向仪器移运方向移动一段距离，定厚解释为底界面在低异常开 始下降的根部，顶界面在低异常由低向高变化的中部。 接地电阻梯度曲线法是接地电路法的一种派生方法，它对煤层特别是复杂 构造煤层的分层定厚工作十分有效。在煤系地层中煤层与夹矸相比，具有明显 的高阻异常，接地电阻梯度曲线在煤层处出现正负两尖峰。 3.3 构造煤测井曲线特征构造煤测井曲线特征 根据成庄矿提供的地质勘探资料上的测井曲线，利用视电阻率曲线和伽玛 伽玛曲线来判识构造煤：视电阻率反映的是被测煤层的电阻率，从幅值上看， 在同一煤层内，如果构造煤十分破碎，则大孔增多，含水性相对增强，其电阻 率相对减小，在视电阻率曲线上的反映是幅值降低；从曲线形态上看，正常煤 由于结构相对均一，视电阻率曲线较平滑，峰顶较圆，而构造煤由于结构相对 不均，视电阻率曲线呈现小的波动。伽玛伽玛曲线反映的是被测煤层散射的伽 玛射线强度，当所使用的伽玛源的能量在一定范围内，这种被测定的散射伽玛 线强度与煤的密度密切相关；在同一煤层内部，构造煤的密度显然不同于正常 煤的密度，构造煤的伽玛伽玛曲线呈现的幅值相对增高。据此，若在一个煤层 河南理工大学本科毕业设计河南理工大学本科毕业设计 13 内部，某分层与其它分层相比较，其视电阻率曲线幅值相对降低，同时其伽玛 伽玛曲线的幅值相对增高，那么该分层可被视为构造煤分层；同样，将某一煤 层与相邻煤层比较，也可判定该煤层是否全层都属构造煤。 在利用测井曲线判识构造煤时还需要考虑到其他因素对判识的影响，如煤 层厚度、煤级、煤中矿物质、井径等。另外，由于地质勘探报告提供的是模拟 测井曲线，不是数字测井曲线，因而，识别曲线幅值的高与低，以及观察曲线 形态都是相对的，存在一些经验的因素。 现以一钻孔测井曲线进行形态特征描述如下： 视电阻率曲线人工伽马曲线 泥岩原生煤 - S 砂岩构造煤 视电阻率曲线人工伽马曲线 图图34 测井曲线表现的构造煤变化特征测井曲线表现的构造煤变化特征 由图34知，伽玛伽玛曲线异常幅值较高， 形态呈正台阶状， 台阶呈锯 齿出现在煤层的上部；视电阻率曲线呈倒台阶状，台阶呈锯齿出现在煤层的下 部，曲线上部异常幅值高。视电阻率曲线下部的低值台阶和伽玛伽玛曲线下部 的高值段都显示煤层下部为构造煤。 河南理工大学本科毕业设计河南理工大学本科毕业设计 14 4 构造煤测井曲线解译及应用构造煤测井曲线解译及应用 4.1 构造煤结构类型划分构造煤结构类型划分 煤体结构是指煤层经过地质构造变运产生的结构特征，利用测井曲线对煤 层结构定性、定厚判识，首先要对煤层破坏程度有效分层。目前对煤体结构的 划分还没有完全统一，根据防治煤与瓦斯突出细则将其类型分为原生结构 (非破坏)煤和破坏结构煤两大类别，其中破坏结构煤又视其煤体破坏程度的不 同，进一步划分出不同类型（IV类）。利用测井曲线定性判识煤层结构是比 较概略的，煤层结构不可能划分得很细；研究中划分出三类（见表41），即 I类为正常煤、类为过渡性煤和类为构造煤（原+V）。I类煤不具有 突出危险性，类煤可用作预测突出危险性的参考，类煤具有突出危险性。 4.2 研究步骤研究步骤 1）收集所有钻孔测井资料，对所研究矿区煤层特点和原生煤、构造煤相 关物性参数进行统计，了解煤层的总体特征。 2）通过对井下已揭露煤层的观测，对比测井曲线变化特征，进行构造煤 定性判识：煤层中视电阻率曲线出现低幅值反映，伽玛伽玛曲线出现相对稍高 幅值，或者煤层中视电阻率曲线出现低幅值反映，伽玛伽玛曲线出现相对稍低 幅值时，应定性地判识为构造煤分层；但煤层中视电阻率曲线出现急剧下降， 而伽玛伽玛曲线出现较大幅度的下降，认为是由夹矸或灰分分层所致。 3）在构造煤定性准确的前提下，进行定厚判识：以视电阻率曲线为主曲 线，但应与伽玛伽玛曲线的基本同步反映；当构造煤分层较薄时，直接用煤层 的视电阻率曲线中相对低幅值的上、下拐点作为构造煤分层的界点且定厚；当 构造煤分层较厚时，可用1/31/2相对低幅值点作为煤分层的界点定厚。 4）将研究区从观测点扩展至采区或整个井田，对每一个钻孔每一煤层的 测井曲线进行构造煤判识。 5）根据解释结果，初步查明突出煤层构造煤的厚度及宏观分布规律，结 合其它因素对矿井的突出危险性进行区域预测，以达到指导矿井生产的目的。 河南理工大学本科毕业设计河南理工大学本科毕业设计 15 表表4-1 煤煤体体结结构构类类型型的的四四类类划划分分 类 型 号 类型 光泽和层 理 煤体破碎程度 裂隙、揉 皱发育程 度 手试强 度 坚固 性系 数 f 瓦斯放 散指数 P 突出 危险 程 度 煤岩类型 界限清晰、 原生条带 状结构明 显 呈现较大的保持 棱角的块体，块 体间无相对位移 内、外生 裂隙均可 辩认，未 见揉皱镜 面 捏不动 或成 cm 级碎块 0.810 非 突 出 煤岩类型 界限清晰， 原生条带 状结构断 续可见 呈现棱角状块体， 但块体间已有相 对位移 煤体被多 组互相交 切的裂隙 切割，未 见揉皱镜 面 可捻搓 成 cm、mm 级碎粒 0.8 0.3 1015 过 渡 光泽暗淡， 原生结构 遭到破坏 光泽暗淡， 原生结构 遭到破坏 煤被揉搓捻碎、 主要粒级在 1mm 以上 煤被揉搓捻碎的 更细小，主要粒 级在 1mm 以下 构造镜面 发育构造、 揉皱镜面 发育 易捻搓 成 mm 级碎粒 或煤粉 极易捻 搓成粉 末或粉 尘 0.3 0.3 15 15 易 突 出 *在河南理工大学四类划分的基础上加以修改 4.3 成庄矿测井曲线解译成庄矿测井曲线解译 4.3.1 矿区概况 成庄矿井是晋城矿务局规划区中的一个井田，位于沁水煤田南端，晋城市 西北 20km 处，跨泽州和沁水两县，原设计生产能力 400 万 t，是国家重点建 设大型矿井（图 42）。本井田北至大阳井田南界，南至寺河井田北界，东以 煤层露头及小窑批准界线为界，西以潘庄井田东界为界，东西长 10km，南北 碎 裂 煤 碎 粒 煤 糜 棱 煤原 生 结 构 煤 河南理工大学本科毕业设计河南理工大学本科毕业设计 16 宽约 9.7km，面积 74.39km2。成庄矿现在生产能力为 4.0Mt/a，目前矿井绝对 瓦斯涌出量已达 84m3/min 以上，大于 40m3/min；回采工作面瓦斯涌出量已达 1520m3/min，大于 5m3/min；掘进工作面瓦斯涌出量已达 1015m3/min，大 于 3m3/min。随着矿井开采的延伸，开采深度不断增加，矿井的瓦斯涌出量将 大幅度增加。 郑下 下 庄 矿 井 下下 下下 下下 阳城 下下 下下 下下下 下下 下下下 下下 下下 下下下 下下 下下 下下下 东沟 东蜀 下下 下下 下下 图图 42 成庄矿交通简图成庄矿交通简图 矿井于 1985 年列入国家建设项目，1987 年正式开工，截止 1997 年历时 10 年，基本完成了建井阶段的各项工作。矿井分两个水平开采，即640 水平 （一水平）和520 水平（二水平）。一水平服务年限 33 年，其中 3 号煤服务 年限 20 年。一水平共划分 7 个盘区（C1、C2、S1、S2、N1、N2、N3），二 水平划分 8 个盘区 （2N1、2N2、2N3、2N4、2S1、2S2、2S3、2S4）。矿井先 开采一水平 C1、C2 盘区，从目前情况来看，随着开采技术的不断发展，原设 计盘区有合并加大的趋势。采煤方法采用走向长壁分层全部跨落式。目前，正 河南理工大学本科毕业设计河南理工大学本科毕业设计 17 在积极研究试验走向长壁一次采全高全部跨落式采煤方法。 4.3.2 成庄矿构造煤观测 根据矿井的实际情况和观测的基本要求，结合成庄矿 3煤采掘工程平面 图，选取了三个盘区（二盘区、三盘区、四盘区）的四个工作面（2316 工作面、 3309 工作面、4303 工作面、4307 工作面）进行观测，并对其观测结果进行分 析整理，了解整个矿井的构造煤厚度变化规律。其有代表性观测点的部分观测 结果见（表 43，表 44，表 45）。 表表 43 成成庄庄矿矿 2232 煤煤巷巷观观测测结结果果 距基 点*/m 构造煤类型（厚度/ m） 0底板碎裂(0.56)碎底粒 (0.02)夹矸（0.04）碎裂（0.16）原生 4.8底板碎裂 (0.62)碎粒（0.02）碎裂（0.25）原生 8底板碎裂（0.54）碎粒 (0.06) 碎裂（0.13）原生 26底板碎裂 (0.54)碎粒 (0.04)夹矸（0.03）原生 41底板碎裂 (0.55)夹矸（0.02）原生 50底板碎裂（0.21）碎粒（0.05）原生 70底板碎裂（0.50）碎粒（0.04）原生 80底板碎裂（0.30） 90底板碎裂（0.30）原生 95底板原生（0.47）碎裂（0.32） 100底板碎裂（0.50）碎粒（0.05）原生 110底板碎裂（0.48）碎粒（0.03）原生 130底板碎裂（0.41）碎粒（0.11）原生 150底板碎裂（0.58）碎粒（0.13）原生 165底板碎裂 (0.58)夹矸（0.01）原生 175底板碎裂 (0.76)夹矸（0.01）原生 187底板碎裂 (0.61)夹矸（0.01）原生 270底板碎裂（0.13）原生（0.41）碎裂（0.04）原生 285底板碎裂（0.50）夹矸（0.02）碎裂（0.02）原生 300底板碎粒（1.10）原生 308底板原生（1.40）碎裂（1.50）夹矸（0.03）原生 205底板原生（0.60）碎粒碎裂（0.04）原生 220底板碎裂（0.68）原生 注：2232 巷与 2104 巷交点为基点。 河南理工大学本科毕业设计河南理工大学本科毕业设计 18 表表 44 成成庄庄矿矿 4215 巷巷道道观观测测结结果果 距基 点*/m 构造煤类型（厚度/ m） 150底板碎裂（0.31）碎粒 (0.025)夹矸(0.005)原生 160底板碎裂（0.25）碎粒 (0.07)夹矸(0.005)原生 175底板碎裂（0.44）碎粒 (0.025)碎裂（0.05）夹矸(0.01)原生 190底板碎裂+碎粒 (0.56)夹矸 (0.002)原生 200底板原生（0.49）碎粒 (硬矸)（0.02）原生 212底板原生（0.50）碎粒（0.02）原生 230底板原生（0.57）夹矸（0.02）原生 250底板原生（0.57）夹矸（0.01）原生 256底板原生（0.60）夹矸（0.02）原生（0.88）夹矸（0.02） 280底板原生（0.15）夹矸（0.02）原生（0.39）夹矸（0.03）原生 350底板碎裂（0.06）原生（0.47）夹矸(0.03)原生 365底板原生 (0.42) 碎裂（0.13）夹矸(0.05)原生 395底板碎裂（0.64）夹矸 (0.01)原生 412底板原生（1.10）夹矸（0.10）原生 435底板原生（1.15）夹矸（0.10）原生 445底板原生（0.58）夹矸（0.01）原生（0.71）夹矸（0.06）原生 （0.05）夹矸（0.04）原生 450底板原生（0.58）夹矸（0.02）原生（0.98）夹矸（0.03）原生 518底板碎裂（0.5）碎粒(0.03)夹矸(0.025)原生(0.60)夹矸(0.06)原生 535底板碎裂（0.46）碎粒(0.01)夹矸(0.025)原生(0.58)夹矸(0.05)原生 555底板原生（0.51）夹矸（0.01）原生（0.67）夹矸（0.04）原生 （0.11）夹矸（0.02）原生 注：4214 煤巷与 1 号措施巷交叉点为基点。 表表 45 成成庄庄矿矿 4214 煤煤巷巷观观测测数数据据 距横川 0/ m构造煤类型（厚度/ m） 17底板碎裂（0.70）碎粒（0.06）原生 27底板原生（0.70）碎粒（0.05）原生 33底板碎裂（0.75）碎粒（0.02）原生 43底板原生（0.65）碎粒（0.02）原生 47底板碎裂（0.58）碎粒（0.17）原生 56底板碎粒（0.10）碎裂（0.60）原生 68.4底板碎裂 （0.09）原生（0.25）碎裂（0.02）碎粒（0.12）糜棱 （0.15）原生 71.4底板碎裂（0.09）碎粒（0.11）糜棱（0.03）原生 河南理工大学本科毕业设计河南理工大学本科毕业设计 19 续续表表（45） 87.8底板碎粒（0.03）原生（0.42）碎裂（0.09）碎粒（0.03）原生 95.9底板碎粒（0.12）原生（0.27）碎裂（0.15）碎粒（0.08）原生 106.2底板碎粒（0.64）原生 117.2底板原生（0.63）碎粒（0.57）原生 131.2底板原生（0.60）碎粒（0.63）原生 134.9底板原生（0.99）碎粒（0.03）原生 141.2底板原生（0.57）糜棱（0.04）原生 155.2底板原生（0.58）碎裂（0.08）碎粒（0.02）原生 157.2底板原生（0.58）碎粒（0.10）原生 168.2底板原生（0.58）碎粒（0.06）原生 176.3底板原生（0.60）碎裂（0.05）碎粒（0.02）原生 182.2底板原生（0.55）碎粒（0.08）原生 192.2底板碎裂（0.60）碎粒（0.10）原生 199.7底板原生（0.60）碎裂（0.07）碎粒（0.03）原生 211.5底板原生（0.65）碎粒（0.08）原生 215.7底板碎裂（0.50）碎粒（0.07）糜棱（0.02）矸石（0.05）原生 221.2底板碎裂（0.65）糜棱（0.35）碎裂（0.09）原生 230.5底板碎裂（0.60）矸石（0.01）原生 235.5底板碎裂（0.71）矸石（0.01）糜棱（0.02）矸石（0.02）原生 240.5底板碎裂（0.74）糜棱（0.02）矸石（0.02）原生 246.3底板碎裂（0.62）碎粒（0.13）糜棱（0.02）碎裂（0.03）原生 253.8底板碎裂（0.49）碎粒（0.12）糜棱（0.03）碎裂（0.10）原生 259底板碎裂（0.60）碎粒（0.10）糜棱（0.04）碎裂（0.02）原生 262.1底板碎裂（0.61）碎粒（0.06）碎裂（0.07）原生 266.1底板碎裂（0.66）碎粒（0.07）糜棱（0.03）碎裂（0.01）原生 272.7底板原生（0.50）碎裂（0.09）原生 284.7底板碎裂（0.65）碎粒（0.08）原生 291.7底板碎裂（0.66）碎粒（0.03）原生 301.7底板碎裂（0.55）碎粒（0.14）原生 308底板碎裂（0.60）碎粒（0.23）原生 357.2底板碎裂（0.43）碎粒（0.32）碎裂（0.20）原生 360.3底板碎裂（0.70）碎粒（0.03）矸石（0.02）碎裂（0.04）原生 366.1底板碎裂（0.19）碎粒（0.01）碎裂（0.24）矸石（0.03）原生 377.3底板碎裂（0.83）原生 383.2底板碎裂（0.59）碎粒（0.04）矸石（0.05）原生 391.9底板碎裂（0.60）碎粒（0.10）矸石（0.02）原生 396.7底板碎裂（0.63）碎粒（0.03）矸石（0.02）原生 400底板碎裂（0.64）碎粒（0.50）原生 河南理工大学本科毕业设计河南理工大学本科毕业设计 20 续续表表（4 5） 46.5底板原生（0.56）碎粒（0.05）原生 424底板原生（0.60）碎粒（0.09）原生 429.2底板原生（0.65）碎粒（0.01）原生 440.2底板原生（0.67）碎裂（0.01）碎粒（0.06）原生 450底板原生（0.66）碎粒（0.01）碎裂（0.18）原生 4213 副巷与 4214 煤巷在同一工作面（4307 工作面） ，结合矿井地质构造 研究观测结果发现：在 4307 工作面处有一正断层（F27 H=4.8m 27 ） ，该断 层直接贯穿整个工作面，在 4213 副巷和 4214 煤巷都可见到断层的痕迹，断层 两侧的构造煤厚度都表现出随距断层越近厚度增大的迹象。该断层两侧 60m 外构造煤厚度没有异常变化。在 3309 工作面仅在个别点发现构造煤，总的表 现是煤层内有两层 320cm 厚的夹矸。整体来讲，成庄矿 3煤层存在有一薄 层构造煤，在构造发育较大的地带构造煤比较发育如断层、褶皱背斜轴处等。 4.3.3 成庄矿钻孔测井曲线解译 对成庄矿 3煤层的进行 143 个钻孔的测井曲线辨识和划分构造煤厚度，并依 据钻孔附近的井下观测记录数值，进行筛选分析处理，其部分结果见（表 46） ，该组结果覆盖了成庄矿区五个盘区的三个生产盘区，其判识结果可做 为预测该矿井煤与瓦斯突出危险性的依据。其中，21 个钻孔曲线全部显示有 类煤，并且厚度较大，占所观测厚度的 95%以上；18 个钻孔曲线中判识出 类煤，其厚度为 36cm 局部厚度不超过 40cm，20 个钻孔显示有类煤，厚度 1020cm。 河南理工大学本科毕业设计河南理工大学本科毕业设计 21 表表 46 钻孔测井曲线解译结果钻孔测井曲线解译结果 盘区钻孔号煤层总厚度/m 构造煤厚度 /m 夹矸 一盘区5295.70.10 上 0.15 下 0.12+0.1 补6.630.04 上 0.29 下 0.39 补 126.76无下 0.25 5206.210.05上部夹矸 5256.90.04 二 盘 区 5426.6无上部 0.08+0.06 补 136.540.04 补 186.010.05底部. 补 196.380.05 2026.050.07 三 盘 区 2246.10.06 补 66.31下部 0.08 上部 0.25 下部 0.19 补 106.55下部 0.07 下部少量夹矸 补 116.140.05 上部 0.33 下部 0.27 补 206.260.05 上部. 下部 0.18 补 225.840.05 上部 0.16 中部 0.17 下部. 补 235.750.05 上部 0.18 下部 0.29 3106.43下部 0.06上下部夹矸 四 盘 区 3236.110.05 5046.40.07上部夹矸 0.23 五盘区 5376.60.08顶部 0.85 4.4 小结小结 通过对井下不同部位所选择的正在掘进或回采的 2316、3309、4303、和 4307 共四个工作面的构造煤实测，并结合成庄矿钻孔测井曲线的解译结果，分 析研究了成庄矿各工作面构造煤特征，并编录和划分了各个工作面的煤体结构， 总结所得矿井各部位构造煤的特征如下： 河南理工大学本科毕业设计河南理工大学本科毕业设计 22 1）2316、3309 工作面位于井田北部，煤层赋存稳定，厚度平均 6.8m，倾角 2.5。煤体较硬，呈块状，原生条带结构明显。构造煤在本区极少发育，仅在 煤层底部存在一薄层碎裂煤； 2）4303 工作面煤层平均厚度 6.5m，倾角 2 在断层两侧 70m 内构造煤较发 育，多为碎裂煤。其原生结构遭到轻微破坏，表现为碎裂状，部分有碎粒状、 糜棱状等构造特征。还发育有镜面，揉皱镜面和定向排列构造； 3）4307 工作面，位于井田南部，煤层赋存稳定，平均厚度 6.4m，倾角 3， 构造煤呈层状、条带状等不同形态，几乎全层分布。由于正断层的存