利用地球物理方法评估卡拉干达盆地煤层强度特性及结构异质性，以提升采矿安全性 拉维尔·穆辛（Ravil Mussin）、 瓦西里·波特诺夫（Vassiliy Portnov）、 安德烈·戈利克（Andrey Golik）、 奈尔·扎马利耶夫（Nail Zamaliyev）、 丹尼斯·阿赫马特努罗夫（Denis Akhmatnurov）、 尼基塔·加尼科夫（Nikita Ganyukov）、 克里斯托夫·斯克日普科夫斯基（Krzysztof Skrzypkowski）、 克里斯托夫·扎戈尔斯基（Krzysztof Zagórski） 以及斯韦特兰娜·埃夫列莫娃（Svetlana Efremova）

《Mining》：Assessment of Strength Characteristics and Structural Heterogeneity of Coal Seams in the Karaganda Basin by Geophysical Methods for Enhancing Mining Safety Ravil Mussin, Vassiliy Portnov, Andrey Golik, Nail Zamaliyev, Denis Akhmatnurov, Nikita Ganyukov, Krzysztof Skrzypkowski, Krzysztof Zagórski and Svetlana Efremova

　　摘要
在使用岩芯样本在实验室条件下研究煤炭和围岩的物理力学性质及过滤能力时，主要困难在于再现自然热力学条件，这些条件是原位深度所特有的。为解决这一问题，采用了专门的设备和测量结果转换方法，包括Hoek–Brown破坏准则、结构弱化系数以及热力学模型的开发。这些测量的可靠性和准确性取决于实验室条件与自然原位条件的一致性、代表不同岩性类型的样本数量，以及确保代表性的采样程序的适当性。当采样在自然应力-应变条件下形成的裂解和断裂煤炭（其中含有甲烷）时，会遇到特殊挑战，因为甲烷显著影响其物理性质。这些困难在卡拉甘达盆地约700米深处的含高气体煤炭层中尤为明显，因为在这种情况下获取代表性样本在技术上非常复杂。可靠地获取煤-岩体物理力学性质对于进行地质力学计算至关重要，这些计算旨在通过评估地质动力学现象（特别是在地质扰动区、底板抬升和顶板坍塌区域）来确保高气体含量的煤炭层能够安全开采。在此背景下，利用勘探钻孔中的综合性地球物理测井数据可以连续、高精度地获取关于物理力学性质和过滤能力的信息。这些方法对于运营中的煤矿尤为重要，因为开采作业、预先脱气措施和水力压裂改变了围岩和准备好的煤层的自然状态。本研究旨在通过利用围岩和含气煤层的物理力学性质及过滤能力，无论这些煤层是否已经准备好开采，来确保高效安全的煤炭开采。研究方法基于勘探井的地球物理测井综合数据、专用软件工具和统计处理技术，以识别自然应力-应变条件下围岩和煤层物理力学性质及过滤能力的模式，并确定这些性质在开采区域内的变化。研究了列宁矿和哈萨克斯坦矿的围岩和煤炭的物理力学性质及过滤能力，建立了这些参数在不同地质构造和深度下的适用规律；评估了裂隙的方向和特征；并确定了煤层参数变化与气体含量之间的关系。开发了一套全面的方法论框架，用于研究自然热力学条件下的煤-岩体物理和能力性质。其主要应用是为准备开采的煤层进行地质力学计算，以支持高效安全的煤炭开采，实施高气体含量煤层的脱气措施，并根据物理参数的变化评估气体动力学风险。

1. 引言
众所周知，在实验室样品上测定岩石和煤炭的物理力学性质时，主要挑战在于将这些结果转化为自然地质条件下的煤-岩体。这种转化需要考虑结构异质性、裂隙发育、矿物成分变化以及其他原位因素[1,2]。多项研究[3,4]应用了基于微观和宏观尺度过程相似性的Hoek–Brown破坏准则。为此，根据GOST 21153.4-75标准，建立了岩体结构弱化系数与试样拉伸强度与压缩强度比值之间的关系。评估了测量不确定性，识别了结构特征与位移过程之间的相关性，并确定了位移角与岩石强度之间的依赖性[5,6]。这种从实验室测量得出岩体参数的方法论方向仍然很重要。然而，它需要大量按岩性和深度分类的代表性样本，尽可能保持接近原位条件的热力学条件，仔细考虑结构特征，严格从试样尺度数据过渡到岩体数据，并定量评估测量误差和相关性的稳定性。

影响卡拉甘达盆地煤炭安全开采的关键因素包括突发的煤炭和气体喷发[7,8]。几乎所有被归类为潜在地质动力学危险性的煤层都与构造弱化区相关[9]。煤炭中的甲烷存在多种形式：作为孔隙系统内的自由气体、裂缝和通道中的气体；作为吸附在煤炭表面（包括孔隙和裂缝内部表面）的层；以及溶解在煤炭基质中的甲烷[10,11]。甲烷的含量对于确保作业安全和卡拉甘达盆地煤炭及气体资源的商业评估起着决定性作用[12,13]。煤炭和气体喷发是由原位应力、煤炭的物理力学性质[14,15]、其微观和宏观结构[13,14]以及气体含量[16,17]的综合作用引起的。吸附态和自由态气体都显著影响煤炭的机械性能，降低其强度；气体压力的增加会导致机械参数逐渐恶化[13,18]。气体的存在还决定了煤炭的膨胀能量、其破碎程度以及煤炭和气体从喷发区的位移[19]。

先前研究[20,21,22]分析了影响甲烷解吸和扩散的内部和外部因素。内部因素包括煤炭的物理特性、有机质组成、变质程度和成煤级别。外部因素包括温度[23,24,25]、原位应力[26,27]、气体压力[28,29,30]和颗粒大小等热力学参数。危险气体动力学事件的其他外部触发因素还包括采矿机械和爆破作业产生的弹性波。这些波会周期性地使煤炭颗粒变形，促进气体解吸，改变渗透性，并为气体沿裂隙系统向工作面快速迁移创造条件[31,32]。循环变形也会改变煤炭的强度[33,34]和吸附-解吸特性[35,36]。孔隙的大小、形态和分布强烈影响吸附、解吸和扩散过程，而煤层的渗透性则控制着脱气过程中的可回收甲烷资源量。在深层煤层中，孔隙形态和微裂隙结构对吸附能力有关键影响。在有机物转化为煤炭的过程中，由于地壳变形，形成了复杂的孔隙系统，随后经过再沉积作用，形成了结构改变的煤炭，其渗透性显著增加，比原始煤炭结构的比表面积也大大增大。例如，对卡拉甘达盆地D6煤层的研究[37]显示了明显的结构异质性：煤层的上部与下部1.5–2.0米的细粒煤材料有显著差异。孔隙大小分布根据IUPAC系统被分类为微孔（<2纳米）、中孔（2–50纳米）和 macropores（>50纳米）[38]。

已经研究了煤炭和气体喷发与构造扰动（特别是强烈裂隙区）之间的关系[39,40]。对卡拉甘达盆地喷发事件的统计分析[30]表明，几乎所有事件都发生在地质扰动区内。具体来说，53起事件中有23起与接近断层结构有关（主要是逆冲断层），19起发生在轻微构造扰动区，11起发生在煤层厚度变化区域，伴有强烈变形的煤带和煤层高程及物理力学性质的突然变化[41,42]。考虑到准确描述煤-岩体物理力学和储层性质对于卡拉甘达盆地开发和开采阶段采矿作业的地质力学支持的重要性，本研究的目标是研究为地下开采准备的围岩和煤层的物理力学和储层性质。

研究任务是利用从测井中获得的丰富数据集，通过优化的地球物理工具集，以最大可靠性确定这些物理特性。所有测量结果均经过外部地质物理公司的独立验证，并结合井内的内部质量控制程序和仪器校准。数据采集和解释使用了Weatherford提供的硬件和软件。结合来自准备开采区域的原位物理性质数据显著提高了围岩和煤层地质力学计算的准确性和可靠性，从而支持有效且安全的地下煤炭开采。

这些考虑凸显了详细研究为开发准备的煤层储层和物理力学性质的重要性。应特别强调对煤层和周围岩石中裂隙强度的定量描述，包括评估裂隙方向、充填物和开口大小，以评估气体动力学现象的风险[43,44]。

2. 研究方法论
本研究采用地球物理测井这种方法作为基本方法论。其重要性不仅在于确定自然原位条件下岩石和煤层的物理力学和储层性质，还在于评估与采矿作业相关的应力变化对这些性质的影响。地球物理调查旨在提供煤-岩体自然应力-应变状态的可靠表征。特别关注了由于开采上方和下方煤层剥采导致的应力重新分布而引起的弹性、强度和过滤能力参数的变化。此外，还考虑了脱气过程中煤层气体压力的变化，以及对于地质力学建模至关重要的横向压力系数的估计。测井数据的综合解释有助于识别应力引起的岩石性质变化及其与渗透性演变的关系。这些参数直接关联到拱形区的形成、底板抬升的发展、周围岩体中的应力重新分布以及其他决定采矿技术和支护设计的地质力学过程。此外，所获得的数据对于验证煤层中的水力压裂参数至关重要。机械强度、裂隙密度和应力状态的变化显著影响裂隙的起始和传播，以及渗透性提升的效果。这些参数还直接关联到气体动力学风险的评估，包括煤炭和气体喷发的潜在可能性。

因此，该方法基于地球物理测井数据与地质力学解释的复杂整合，使得能够在操作载荷下定量评估煤层行为，并为安全高效的地下煤炭开采提供基于证据的决策支持。

3. 目标
确保地下开采的稳定性是高效安全煤炭开采的先决条件。选择支撑系统参数（包括岩石锚固系统的设计特征和布局）基于煤-岩体的物理力学性质[45]。这些性质必须充分反映准备开采区域岩体的强度特性，而不仅仅是依赖实验室尺度参数。对勘探井获得的地球物理测井（GWL）数据的分析表明，现代测井技术能够可靠地确定煤层孔隙度、密度和与强度相关的参数，包括杨氏模量、泊松比、体积模量、剪切模量、体积压缩系数和横向压力系数。此外，测井还提供了关于煤层和周围岩石中裂隙强度的定量信息、裂隙充填特征、裂隙面的空间方向以及实际钻孔轨迹与设计轮廓的一致性。通过使用先进的地球物理仪器、专用解释软件、大量数据集和内部及外部质量控制程序，实现了高数据可靠性[36,37,38]。

描述煤层和围岩中裂隙系统对于矿山规划和水力压裂（HF）操作尤为重要。裂隙强度直接影响渗透性提升的效果，而自然或采矿引起的裂隙可能导致压裂液意外泄漏到相邻地层。选择用于水力压裂的煤层的主要因素包括煤层和周围岩石的储层性质（作为限制屏障）、岩相特征、含水层的存在以及水力压裂过程中的水突破风险，以及存在强烈裂隙的区域。这些因素可以通过井测井方法识别出来，它们通常与甲烷含量的陡峭梯度和气体排放强度有关[11,21,30]。为了实现这些目标，应用了一套综合的地球物理井测井方法（表1）。通过视电阻率测井、自然伽马射线测井、伽马-伽马密度测井、常规声学测井、宽带声学测井以及声学和电成像工具来调查地层的岩性和物理力学性质，以详细检测裂缝。这种综合方法能够确定地质力学设计和采矿作业支持所需的关键参数。测井程序还包括井径测量和井眼轨迹控制，以确保精确的空间定位。地球物理方法在地下矿山地质学中广泛用于检测构造扰动、煤层中的软化区以及采空区和工作面前方的煤层高度。基于纵波（P波）和横波（S波）速度测量的地震技术可以估计岩石体的动态弹性和强度相关参数[11,21,24]。表1. 卡拉干达盆地应用的综合井测井（GWL）套件。对于矿山地质应用来说，双波测量以及监测在地质力学载荷下岩石和煤炭中产生的声学噪声和电磁辐射特别有趣。从选定井段内的微水力压裂测试获得的压力恢复曲线提供了关于原位应力条件和渗透率的额外信息[25,36,37]。通过结合三维地震调查和卫星图像解释，已经识别出弯曲区和构造扰动[38]。在卡拉干达盆地，应用了三维地震反射（CDP-3D）调查来识别和绘制构造扰动图，作为易发生爆炸区域的指标，并评估岩石渗透率[39]。这些研究的进一步发展是双波 migratio（DWM）方法，该方法可以提高煤层内裂缝分布的分辨率[40]。为了评估井间空间的煤层连续性、检测可能的变薄或褶皱以及识别构造扰动，采用了电相关方法[41]。还有报道指出，构造扰动区域的特点是稀有元素和稀土元素的浓度升高，这可能作为额外的诊断指标[42]。所研究的井使用直径为123.5毫米的钻头钻探。平均总深度约为770米。使用了密度为1.03克/立方厘米的聚合物基钻井液。地球物理调查的平均间隔为95至769米。地球物理井测井（GWL）数据解释方法基于构建一个体积岩石物理模型，该模型考虑了岩石成分对测量物理参数的影响。对于卡拉干达煤盆地，采用了一个模型，包括石英基质以及方解石（石灰岩）、副矿物和粘土成分（粘土岩）的存在。通过压实密度、压缩波（P波）的间隔传输时间增加和井径扩大来识别井段中的煤层。额外的指标包括中子-中子热测井（NNKt）和光谱伽马射线测井（GSKp）中响应的增加，结合伽马-伽马密度测井（GGKp）的密度值降低和中子-中子热测井的氢指数降低。使用交叉偶极声学测井和电微成像技术来确定各向异性、层理结构和裂缝的存在。中子-中子测井、交叉偶极声学测井和电微成像调查由Weatherford公司进行。使用Szabó方程根据伽马射线（GR）数据确定页岩体积[44]。沉积岩的自然伽马活性受两个主要因素控制：放射性元素盐在造岩矿物颗粒表面的吸附以及矿物晶格内固有的伽马发射元素。粘土矿物具有最高的比表面积，因此表现出最大的吸附能力。许多粘土矿物在其晶体结构中也含有放射性钾同位素。因此，富含粘土的地层的伽马活性通常比石英砂岩、碳酸盐岩和化学成因沉积物高一个数量级，这为从GR数据估计页岩体积提供了基础。从伽马射线测井确定体积页岩含量的标准方法涉及根据以下公式计算双差分参数：\[D_KR = (K_R - K_R^{mi}_{ni})(K_R^{mi}_{ax} - K_R^{mi}_{ni})\]（1），其中\(K_R^{mi}_{ni}\)是在干净、无页岩地层中测得的伽马射线值，\(K_R^{mi}_{ax}\)是在页岩地层中测得的伽马射线值。由于在大多数矿藏中，不存在类型为\(K_g^l = f(D_KR)\)的单独依赖性，因此对于卡拉干达地段的煤井，假设\(W_{SG}^t = 0.33 \cdot (22 \cdot D_KR^{-1})\)（2）。岩石和煤炭的总孔隙度是根据声学和密度伽马-伽马测井曲线确定的，并使用声学-密度交叉图对井眼条件进行了校正。根据声学测井数据，使用Wyllie的时间平均值方程估计孔隙度：\[T_A L_T = (D_T - D_T^{mi}_a \cdot D_T^{mi}_f - D_T^{mi}_a) \cdot D_T^{mi}_a \cdot 330(K \cdot D_T^s)\]（3），其中\(D_T\)是测井工具读数（间隔传输时间）；\(D_T^{mi}_a\)是岩石基质的\(\Delta T\)；\(D_T^{f}\)是流体的\(\Delta T\)；\(K\)是岩石压实系数——1.1；\(D_T^s\)是页岩的\(\Delta T\)。\(D_T^{mi}_a\)的值取决于岩石基质的矿物组成（表2）。根据密度伽马-伽马测井（DGGK）数据，使用以下公式计算孔隙度：\[T_H I_R = (D_E^{ni} - D_E^{ni}_a)(D_E^{ni} - D_E^{ni}_f)\]（4），其中\(D_E^{ni}\)代表基质密度，\(D_E^{ni}_a\)代表仪器读数，\(D_E^{ni}_f\)代表流体密度。根据关系（4），可以得知密度测井（\(D_E^{ni}\）的结果只能确定岩石的总孔隙度，其中包括颗粒间孔隙、空洞和吸附在粘土矿物表面的结合水的总体积。在可渗透地层中，密度测井调查区域内的\(D_E^{ni}_f\)值——其穿透深度不超过0.1米——由钻井液滤液的密度决定。这种密度在电阻率大于0.2 \(\Omega \cdot m\)的条件下通常接近1克/立方厘米。通过从总孔隙度中减去粘土结合孔隙度成分来计算每种方法的有效孔隙度：\[T_H I_E = T_H I_T - W_{SG} T\]（5），其中\(T_H I_T\)表示总孔隙度；\(W_{SG}\)是页岩（粘土）的含量；\(T_H I_T\)是粘土围岩的孔隙度。最终的有效孔隙度作为来自声学测井（AK）和伽马-伽马密度测井（GGKp）的孔隙度值的算术平均值确定。宿主岩石的体积岩石物理模型主要基于GGKp数据构建，考虑了卡拉干达盆地地层剖面的主要岩石成分：粘土/粘土岩、粉砂岩、含碳酸盐的粉砂岩和砂岩。使用声学（AK）和密度（GGKp）曲线对煤层进行了定性识别。具有特征性“密度效应”的存在——根据GGKp数据的体积密度降低——结合声学传输时间（\(\mu s/m\)的增加，作为煤炭的诊断指标。使用伽马射线（GR）、声学（AK）和密度（GGKp）测井的综合分析区分了碳质粘土岩。在这种情况下，主要指标是GR值的增加，反映了页岩含量的升高。井径测量的增加被解释为机械上较弱或柔软地层的证据，这些地层在钻探过程中容易发生洗出，这典型地出现在某些煤层和富含粘土的岩石类型中。3. 结果与讨论在哈萨克斯坦矿场的4号井和1-2-3号勘探井中进行的井测井调查结果分别在图1和图2中展示，并在表3和表4中总结。图1. D6煤层上下层的粒径组成X轴：粒径，米（对数刻度）；Y轴：累积分数。图2. Kazakhstanskaya矿D6煤层区间的井测井曲线和孔隙度确定。表3. D6煤层的岩石和煤炭的物理力学性质。表4. “Kazakhstanskaya”矿D6煤层宿主岩石和煤层的岩石物理特性。图1显示了用于综合孔隙度确定、地层剖面构建和储层性质评估的地球物理测井曲线集（表3）。图2展示了宽带声学测井曲线以及岩石的计算物理力学参数（表3）。4号井（图1）的GWL数据表明D6煤层在物理性质上存在明显的异质性。与上层区间（668.1-674米）相比，672-674米区间的下层在所有测井曲线上都清晰区分开来。大的井眼扩大（洞穴超过300毫米）表明该区间内煤炭破碎程度很高。这一解释得到了常规电阻率（RS）和感应（IK）测井中降低的电阻率值、增加的声学传输时间（高达660微秒/米）和升高的电导率（高达600毫西门子）的支持。相比之下，上层的电导率值约为50毫西门子，其总孔隙度（高达0.8单位）和从密度（GGKp）和声学（AC）测井得出的有效孔隙度值增加。煤样（图3）的粒度分析进一步证实了D6煤层内的结构差异。上层样本中包含66%小于0.6毫米的颗粒，而下层样本中包含48%小于0.1毫米的颗粒。同时，上层样本中只有14%的颗粒大小为0.1毫米[32]。图3. D6煤层区间的宽带声学测井记录和物理力学性质测定结果。D6煤层上层的较大颗粒主要是盘状，而较细的颗粒倾向于呈现立方形态。所有筛分分数中，最小与最大颗粒尺寸的平均比例约为1:3。细粒部分（“煤尘”）通常呈现盘状，样品质量的大约43%由细颗粒组成。相比之下，D6煤层下层的颗粒主要为圆形。最小与最大颗粒尺寸的比例介于1:2到1:3之间。这些颗粒通常是立方形态，样品质量的大约66%由细颗粒组成。分析表明，D6煤层的上层和下层在粒度组成上有显著差异。下层由高度破碎、分散良好的煤炭组成，其物理力学特性（图1）与上层有显著不同。下层煤炭的高度破碎程度被认为是气体动力学现象中最危险的，主要是因为其较高的甲烷含量。这种差异在来自AK调查的动力学参数中得到了明显体现。压缩波传输时间从290微秒/米增加到490微秒/米，而剪切波传输时间从810微秒/米增加到910微秒/米。体积模量从8.5吉帕减少到4.5吉帕，杨氏模量从12吉帕下降到4.5吉帕。同时，下层两米区间内的体积压缩系数从0.15增加到0.25，泊松比从0.38增加到0.43。横向压力系数（Kbr）的平均值从0.72下降到0.56（图2，表4）。这些结果表明下层在刚度和强度参数上有显著降低，证实了其机械上较弱的状态和较高的气体动力学风险潜力。在4号井的631.9-668.1米区间（D6煤层顶部），地层由粘土-粘土岩、砂岩和含粉砂的砂岩组成。整个岩石复合体的物理响应总体均匀，孔隙度值相当。一个米长的粉砂岩区间在常规电阻率（RS）和感应（IK）测井中表现出较高的电阻率，伴随着AK传输时间的减少和GGKp的密度值降低。值得注意的是，这种粉砂岩中的粉砂比例低于整个上覆砂岩序列。使用宽带AK测井对上覆地层的物理力学性质的研究表明，压缩波和剪切波传输时间总体稳定，平均值分别为约295微秒/米和970微秒/米（除了一个米的粉砂岩区间，压缩波传输时间减少了约8微秒/米）。体积模量相对稳定，在28-30吉帕范围内，而剪切模量在2到3吉帕之间，杨氏模量在8到10吉帕之间。对于含粉砂的砂岩层，体积模量达到45 GPa，而整个层段的平均值约为35 GPa。泊松比、侧向压力系数和体积压缩系数分别保持在0.43、0.9和0.1左右，几乎保持不变。位于D6层底部以下674-684米的层段由含有结合水的粉砂岩夹层的粘土-泥灰岩组成。压缩波传播时间在270到300 μs/m之间，而剪切波传播时间则在1150到1200 μs/m之间。剪切模量和杨氏模量相对稳定，平均值分别为4.8 GPa和7.2 GPa。体积模量在15到45 GPa之间变化，并与侧向压力系数（Kbr）相关，后者的范围为0.8到0.95。泊松比和体积压缩系数分别稳定在大约0.45和0.11。

表4总结了D6层围岩的物理力学性质。顶板和底板岩石的泊松比一般稳定在0.4-0.5之间。顶板岩石的杨氏模量（8.6-10.6 GPa）高于下层岩石（5.8-6.2 GPa），而D6层煤的杨氏模量在3.8到4.1 GPa之间。上覆岩石的体积模量在30.2到33.3 GPa之间，下层岩石在23.4到25.1 GPa之间，煤的体积模量在8.2到10.6 GPa之间。顶板岩石的剪切模量在3.0到3.7 GPa之间，下层岩石在2.0到3.4 GPa之间，煤层的剪切模量在1.3到2.2 GPa之间。体积压缩系数（1/GPa）在几百到几十之间，无论是岩石还是煤的值都相当。顶板和底板岩石的侧向压力系数都在0.7到0.8之间。

在宽带AK曲线（图3）和整个地球物理测井组合（图2），包括图像测井（图4）中，可以清楚地识别出下层岩层的较低物理力学特性。图4显示了Kazakhstanskaya矿D6层段的钻孔图像和岩石裂缝特征。对Kazakhstanskaya矿场1/2号、4号和3号井中D6层的地球物理测量及其派生物理参数的分析表明，从3号井到1/2号井，层段深度增加了97.2米，同时层段厚度从5.5米略微增加到5.9米。4号井中D6层的IL和KSVB响应与其他井相比有显著差异，这归因于该井中遇到的构造扰动的影响。这些深度处的地层温度范围为17.8到19.7°C。D6层煤的有效孔隙度在51.2%到56.3%之间（1/2号井）。页岩含量在4.0%到7.0%之间，并与伽马射线强度值（2.0–2.2 μR/h）有良好相关性，在4号井中由于D6层空洞区存在粘土层而显著增加到3.8 μR/h。

为了确定地质不连续体的倾角和走向角、测量裂缝和钻孔空洞的真实厚度以及表征裂缝强度、裂缝填充物、层理特征和岩性边界，采用了声学钻孔成像（IBI）技术。获取的数据使用WellCAD 5.6和MS Excel软件（Microsoft 365版本）进行处理。这些平台允许根据与其他测井方法的交叉相关性来校正和插值深度相关差异，从而提高识别出的结构特征的位置精度。解释的地质不连续体在表5中总结并在测井图中说明（图4）。此外，还构建了施密特等面积立体网（深度间隔为50米），以确定裂缝和结构边界的平均方向和倾角。ABI（声学钻孔成像）图表包括以下组成部分：钻孔轨迹的方位角和偏差角曲线；口径数据；声学振幅图像；结构解释数据（结构挑取、蝌蚪图）；声学传播时间图像；三维结构测井可视化；岩石质量分级（RQD）；每米裂缝频率；选定区间内的裂缝密度立体投影（在本研究中，每隔50米）。

这种综合成像分析提供了裂缝几何形状和空间分布的定量评估，这对于评估煤岩体的机械完整性和潜在的气动危害发展至关重要。对围岩和煤层中的裂缝研究结果表明，大多数识别出的不连续体为填充裂缝（图4，表6）。根据交叉偶极AK测井和电微成像数据，主要的连续层理倾角主要是北向至西北向，平均倾角为14.3°。导电和填充裂缝主要呈东北-西南（NE-SW）和西-西北-东-东南（WNW-ESE）走向。这些方向与哈萨克斯坦中部的主断裂系统一致。一些裂缝被解释为人为形成的；然而，它们可能与分析中识别出的自然裂缝网络部分重叠。塌陷区的趋势（NE-SW）与最小水平应力的方向一致。从交叉偶极AK测井得出的各向异性值在0.2%到6%之间，其中4%以下的值主要出现在深度大于570米的位置。

在Tentekskaya地层序列中，大约440米以上观察到快剪切波方向的变化，总体方向为西-西南-东-东北（WSW-ENE）。在该深度以下，对应于Dolinskaya地层中的含煤层，主要方向转变为西北-东南（NW-SE）。所得结果与固体介质（围岩和煤层）中塑性变形的宏观定位模型一致，表现出明显的波动行为。在容易滑动和线性到抛物线形应变硬化阶段，变形逐渐传播。在预破裂阶段，应力局部化导致形成细小尺度的裂缝，其传播速度约为10^-4 m/s，特征波长约为10^-2 m，显示出二次依赖性。因此，钻孔周围高应力岩石的纵向和横向变形表现出受重力和区域地震活动影响的波动特性。根据方程（5），可以得出钻孔深度处的径向应力分量与1/H成正比，而轴向应力分量与1/H^2成正比。得出的裂缝强度、储层容量和围岩的物理力学参数可以应用于地质力学建模、应力重分布评估、气动危害区预测以及采矿和脱气策略的优化。

D6层及其围岩的岩相特征如下：D6层是Dolinskaya地层中最厚且横向连续性最好的层。其可采厚度在2.92到7.04米之间，平均值为5.44米。在此层段内观察到最多8层厚度不一的岩石夹层，通常不超过0.2米（图5）。最持久的夹层厚度为0.05-0.2米，仅限于层段的上部。其余夹层呈透镜状几何形态，在层段中占据不稳定位置。所有岩石夹层的总厚度平均约为层段总厚度的5%，除非在涉及复杂层内置换过程的局部区域。图5显示了D6层的结构柱（A）和Kazakhstanskaya矿场（东部区块）D6层的钻孔布置方案（B）。在D6层的底部，经常存在一层薄煤或含碳层（“化石底”。这一层位于工作层面以下0.5到1.5-2.0米处，贯穿整个矿场并延伸到更远区域，标志着构造稳定的开始和沉积条件的变化。在某些局部区域，D6层表现出特有的分裂现象，这在所评估区域及相邻矿场中都很常见。此外，还观察到部分置换现象——通常影响层段的上部，表现为可采厚度的显著减少，并通过详细的地球物理相关性（包括电相关性和侧向测井方法）得到确认。

以前，钻孔剖面内岩石的物理力学性质是通过岩心测试确定的，并通过实验室数据与地球物理测量之间的相关性计算得出的参数。采样在相当于十层段厚度的垂直区间内进行，顶部为十层段厚度，底部为10-15米。对于厚度不超过5米的岩性均匀层，取一个代表性样本；对于较厚的层，每隔4-5米采集一个样本。每个样本由3-5个圆柱形试样组成，总采样厚度最大为1.6米。对于扩展性研究，包括弹性和声学特性分析，样本厚度达到3米。用于表征岩石强度的主要参数是单轴抗压强度（σc）和抗拉强度（σt）。在含煤层中，砂岩的强度最高（σc = 20.6–97.0 MPa；σt = 1.4–8.6 MPa）。粉砂岩的强度为σc = 10.9–79.2 MPa和σt = 0.7–5.2 MPa；对于夹层序列，σc = 16.5–64.5 MPa和σt = 1.0–3.7 MPa。泥灰岩的强度最低，平均值为σc ≈ 24.7 MPa和σt ≈ 1.5 MPa。物理性质相对稳定，主要取决于岩性组成。含水量和孔隙率从砂岩（平均分别为1.84%和7.44%）到泥灰岩（3.26%和9.69%）有所增加。真密度和体积密度仅略有变化，砂岩为2.62和2.27 g/cm3，泥灰岩为2.66和2.40 g/cm3。变形特征在有限范围内变化。弹性模量在16.8到47.8 GPa之间，平均值为31.1 GPa；砂岩的模量通常略高于粉砂岩。泊松比在0.17到0.30之间，平均值为0.24；较高值对应于较大的变形能力。剪切模量在6.7到22.3 GPa之间，平均值为11.8 GPa。

D6层通过68个层段交点的地质和地球物理数据进行了表征。主要顶板主要由砂岩（60%）、粉砂岩（19%）及其夹层（21%）组成，整个区域的平均抗压强度约为6.11 MPa。直接顶板的厚度在1.4到33.8米之间，主要由粉砂岩（80%）、夹层砂质-粘土质岩石（16%）以及少量砂岩和泥灰岩（4%）组成。岩石强度在22.6到43.1 MPa之间，对应于II-IV强度等级。虚假顶板是从一个工作面样本中识别的，由0.2米厚的泥灰岩组成，其σc = 17.8 MPa。虚假底板的厚度在0.3到2.5米之间，由粉砂岩（51%）、泥灰岩（37%）和夹层含碳岩石（12%）组成，平均强度为20.2 MPa。直接底板主要由砂岩（62%）组成，泥灰岩占9%，夹层砂质-粘土质和含碳岩石占29%。其厚度在0.2到52.7米之间，围岩的平均强度为26.3 MPa。主要底板主要由砂岩（39%）和粉砂岩（44%）组成，夹层占10%，泥灰岩占7%。平均厚度为2.1米时，强度值在35.4到86.5 MPa之间。难以坍塌的顶板岩石（厚度为8.9米）的强度约为61.1 MPa，而容易坍塌的直接顶板岩石（厚度为18.9米）的强度约为33.7 MPa。

4.1 D6层的地球物理数据分析（井段研究）根据本研究的主要目标——即研究准备开采的围岩和煤层的物理力学及储层性质（包括预脱气、煤层的水力压裂和采矿作业中的应力释放）以及评估这些影响下的变化——选择了卡拉甘达煤盆地的D6层作为研究对象。D6层目前正在Lenin矿和Kazakhstanskaya矿进行开发，是Dolinskaya地层中最重要的和最稳定的煤层之一。其地质结构、厚度变化以及岩力学特性使其特别适合用于评估技术干预（如预排水和水力压裂）对煤岩体应力-应变状态和渗透率演变的影响。图6展示了D6煤层的结构剖面（地层剖面）以及Kazakhstanskaya矿场内调查井（编号1/2、3和4）的空间布局。这种配置使得沿煤层倾斜方向的地球物理参数可以进行比较分析，并为评估构造扰动、应力重新分布以及与地质特征和采矿引起的效果相关的物理性质变化提供了基础。图6显示了Kazakhstanskaya矿场中D6煤层沿 borehole No. 2 的煤质密度变化。关键指标是岩石的强度特性，表现为抗压强度（σc）和抗拉强度（σt）。在所有围岩中，砂岩具有最高的强度（σc = 20.6–97.0 MPa; σt = 1.4–8.6 MPa）。粉砂岩的抗压强度为 σc = 10.9–79.2 MPa，抗拉强度为 σt = 0.7–5.2 MPa；夹层单元的抗压强度介于 σc = 16.5–64.5 MPa 之间，抗拉强度介于 σt = 1.0–3.7 MPa 之间。泥岩的强度最低，平均值为 σc ≈ 24.7 MPa 和 σt ≈ 1.5 MPa。

岩石的物理性质相对一致，主要受岩性组成的控制。湿度和孔隙率从砂岩（平均值分别为1.84%和7.44%）增加到泥岩（3.26%和9.69%）。真实密度和表观密度均仅有轻微变化：从砂岩（分别为2.62 g/cm3和2.27 g/cm3）到泥岩（分别为2.66 g/cm3和2.40 g/cm3）。变形特性变化范围有限。弹性 modulus 在16.8至47.8 GPa之间，平均值为31.1 GPa；砂岩通常表现出更高的值。泊松比在0.17至0.30之间，平均值为0.24；较高的泊松比对应于更大的岩石可变形性。剪切 modulus 在6.7至23.0 GPa之间，平均值为11.8 GPa。

D6煤层的特性是基于68个煤层交点的地质-地球物理数据确定的。主要顶板由砂岩（60%）、粉砂岩（19%）及其夹层（21%）组成，平均抗压强度为61.1 MPa。直接顶板的厚度从1.4米到33.8米不等，由粉砂岩（80%）、夹层砂质-粘土岩（16%）以及少量砂岩和泥岩（4%）构成。这些岩石的强度范围为22.6至43.1 MPa，属于II–IV强度等级。假顶板通过从矿井作业中采集的单一样本确定，由0.2米厚的泥岩组成，其抗压强度为σ = 17.8 MPa。假底板的厚度为0.3至2.5米，由粉砂岩（51%）、泥岩（37%）和含碳夹层（12%）组成，平均围岩强度为20.2 MPa。直接底板主要由粉砂岩（62%）组成，还包括泥岩（9%）以及夹层砂质-粘土岩和含碳岩（29%）。其厚度从0.2米到52.7米不等，平均强度为26.3 MPa。主要底板主要由砂岩和粉砂岩（分别占39%和44%）组成，夹层占10%，泥岩占7%。平均厚度为2.1米时，围岩的强度范围为35.4至86.5 MPa。难以开采的顶板岩石位于煤层上方8.9米处，强度约为61.1 MPa，而容易开采的直接顶板岩石（厚度为18.9米）的强度较低，约为33.7 MPa。

图5A展示了D6煤层的结构剖面。根据样本测量数据，煤的密度在1.41至1.45 g/cm3之间变化。图5B显示了垂直井编号1/2、3和4的布局。煤层及其围岩的一个关键特性是密度，这一点在所有技术计算中都被考虑在内，并通过伽马-伽马密度测井（GGK）方法确定。D6煤层的体积密度为1.7 g/cm3。上覆和下伏地层的平均密度在2.5至2.6 g/cm3之间（表3）。如图6所示，煤的密度从煤层上部的1.7 g/cm3降低到下部的1.3 g/cm3。研究表明，下部煤层存在扰动、变形和强度降低的现象。

D6煤层的孔隙率系数和有效孔隙率通过伽马-伽马密度测井（GGK）和声波测井（AK）确定（图7）。图7显示了基于井编号1/2、3和4的伽马-伽马密度测井（GGKp）和声波测井（AK）得到的D6煤层孔隙率系数（A）和有效孔隙率系数（B）。从伽马-伽马密度测井（GGKp）得到：Kp = 57.7 ± 2.5%；Kp,eff = 53.7 ± 2.5%。从声波测井（AK）得到：Kp = 58.2 ± 2.6%；Kp,eff = 53.6 ± 2.6%。使用GGKp–AK综合解释图表[42]得到的综合平均值为：Kp,avg = 56.3 ± 0.9%；Kp,eff,avg = 53.6 ± 2.6%。D6煤层较高的总体积和有效孔隙率主要归因于煤层内部形成的技术性裂缝网络。这些裂缝是由于采矿前的脱气（通过垂直表面井）、旨在将天然气含量从约15 m3/t降低到所需6 m3/t的水力压裂操作，以及从D6煤层下方的气体排水巷道钻出的气体排水井进行的持续煤层卸载而形成的[25,32,33]。作为对比，Kazakhstanskaya矿场内编号3井（深度区间617.2–620.3米）的上覆煤层D8的总体积和有效孔隙率分别为39.2%和33.5%。这些值对应于煤层在自然应力-应变状态下的性质。在编号1/2井（深度区间707.2–709.7米）中，D8煤层的总体积和有效孔隙率分别为43.6%和36.1%。D6与D8煤层之间的对比证实了所采用刺激和脱气方法在促进裂缝发育和提高渗透率方面的有效性。额外裂缝系统的形成通过提高气体排水效率和降低气体动力学风险显著加快了煤层的开采准备。

D6煤层的围岩和煤层本身的强度特性（表7）是根据GWL数据确定的，包括宽带声波测井（AKSh）和井径测量，提供了在自然和采矿改变的应力条件下的原位力学参数评估。表7显示，D6煤层的体积模量、杨氏模量和剪切模量均低于周围岩石。D6煤层的强度特性显著低于周围岩石。上覆泥岩的平均体积模量为31.2 ± 1.8 GPa，而下伏地层的体积模量较低，这是由于它们具有更高的裂缝程度（宽带声波和成像测井数据证实）。上覆序列的平均杨氏模量为9.4 ± 1.0 GPa，而下伏序列的平均杨氏模量为7.2 ± 2.1 GPa，反映出由于下伏泥岩裂缝程度更高而导致的下降趋势。上覆岩石的平均剪切模量为3.3 ± 0.4 GPa，而下伏序列的平均剪切模量为2.5 ± 0.8 GPa。这个参数也显示了下伏岩石的系统性下降，其平均值的标准偏差大约是上覆序列的两倍。D6煤层本身的平均泊松比为0.4，而围岩的泊松比为0.5。图8显示，来自编号3井和编号1/2井的D6煤层强度参数基本一致，而编号4井的数据则表现出明显差异。这种变化归因于D6煤层的局部构造特征，这也反映在周围围岩的特性中。编号4井中D6煤层区域的构造扰动解释了从AK和综合测井分析中发现的强度降低和弹性特性变化。

在Kazakhstanskaya矿场的四口井（编号1–4）以及Kazakhstanskaya矿场的一口井（编号2）中对D6煤层的储层和控制参数及围岩的物理力学性质进行了控制测量。这些调查由Weatherford测井团队完成。获得的结果与当代研究一致，证实了所得参数的可靠性。在Kazakhstanskaya矿场的编号2井中，使用Weatherford Compact地球物理系统进行了全面的测井。该程序包括使用Am–Be中子源的中子-中子热测井（2NNKt）。评估的参数包括：使用GGK–NNKt和GGKp–AK方法确定煤层中的页岩含量；通过AK和GGKp计算得出的总体积；有效孔隙率是通过全部应用方法（NNKt–GGKp, AK, GGKp）得到的数值的算术平均值。基于Kazakhstanskaya矿场（编号2井）和Lenin矿场（编号1–4井）的勘探井数据，研究了Tentekskaya（T）和Dolinskaya（D）煤层组合在98–770米深度区间内的情况。从测井响应和储层特性出发，这些煤层被定性分类为非含气煤层和含气煤层。如表8所示，Lenin矿场中Tentekskaya组合的上覆煤层比Dolinskaya组合的下伏煤层具有更高的密度值。对于非含气煤层，密度差异为0.30 g/cm3；对于含气煤层，密度差异为0.24 g/cm3。这种差异可以用下伏煤层中更高的页岩体积含量来解释，分别为2.60%和1.74%。相比之下，在Kazakhstanskaya矿场中，Dolinskaya组合的密度差异对于非含气煤层和含气煤层来说都不显著。在Kazakhstanskaya矿场中，Tentekskaya和Dolinskaya煤层之间的密度差异对于非含气煤层和含气煤层都不起显著作用。Dolinskaya组合中含气煤层较低的体积页岩含量主要是由于厚的含气煤层D6（厚度5.70米，Kgl = 3.30%）的显著贡献。

表9展示了Kazakhstanskaya矿场和Lenin矿场中Tentekskaya和Dolinskaya组合的含气煤层的平均物理力学性质。这些参数可以直接用于D6煤层开采的岩力学计算。如前所述（表8），Dolinskaya组合的含气煤层的平均密度和体积页岩含量低于Tentekskaya组合。然而，Dolinskaya煤层的平均物理力学性质略高于Tentekskaya煤层。这种差异主要受到D6煤层复杂内部结构的影响，该煤层由四个煤层组成，这些煤层之间夹有泥岩层。Karaganda煤层的强度通常在8至10 MPa之间，抗压强度（σc）在3.5至10 MPa之间（35–100 kg/cm2）。这些值明显低于周围围岩的强度。对于D6煤层，下部高度破碎的煤层的强度在2.5至6.0 GPa之间，σc < 2.0 MPa。这些减弱的特点在GGKp测井曲线和井径数据中得到了明显体现（图2、图3和图4）。表5中的成像数据显示，D6煤层区域的表面分类指数为1，对应于大型开放裂缝（洞穴）。D6煤层上覆和下伏岩石的区域主要以填充裂缝为特征，这在Lenin矿场的编号1–4井和Kazakhstanskaya矿场的编号1/2、2、3、4井中观察到。对准备开采的煤层上覆岩石和下伏地层的物理力学性质的地球物理调查结果对于计算支护荷载和规划顶板稳定性措施[45]，以及评估地下作业中的底板翘起和优化岩栓设计[45]至关重要。结论
本研究开发了一套用于卡拉干达盆地煤炭勘探井的综合性地球物理测井方法，能够确定含煤岩石和煤层的物理力学性质（杨氏模量、体模量、剪切模量；泊松比、体积压缩系数和侧向压力系数）；渗透能力特性（总孔隙度和有效孔隙度、粘土含量系数、密度）；温度；地层的详细岩性划分；断裂系统的方位角和倾角以及断裂填充物的性质；煤层和断裂的主要倾向方向；最大水平压缩应力的方向；以及识别地层序列中的含气层。

研究确定了该盆地含煤地层物理参数随深度变化的规律性，并阐明了列宁矿和哈萨克斯坦矿准备开采的煤层在物理力学性质和渗透能力方面的变化特征。这些结果对于进行地质力学计算至关重要，有助于制定确保在复杂地质构造条件下安全高效开采含气煤层的措施，同时也有助于设计脱气系统并评估岩爆和气体动力学现象的风险。

未来在开采区域对煤-岩体物理力学性质和渗透能力特性研究的关键方向包括：
- 在所有勘探井和地面钻孔的排水井中实施地球物理测井；
- 分析物理参数变化模式以评估脱气措施的效果；
- 开发一套全面的地球物理方法来定量评估煤层中的气体含量；
- 制定基于岩体和煤层强度及气体相关参数变化的气体动力学危险性评估方法；
- 构建开采区域煤-岩体物理力学性质和渗透能力的三维模型，以提供地质力学依据支持采矿作业。

这些研究结果证明了建立专门实验室的必要性，该实验室将利用测井数据对煤层和围岩的物理力学性质进行全面研究。这样的实验室将有助于开发更精确的模型，用于矿山设计，并确保矿工的安全作业条件。