趙耀

（煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122）

測(cè)井在露天礦邊坡軟弱夾層識(shí)別上的研究

趙耀

（煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122）

針對(duì)軟弱夾層賦存規(guī)律以及地球物理特征，運(yùn)用費(fèi)歇爾判別分析方法結(jié)合測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)鉆孔控制地層進(jìn)行軟弱層識(shí)別。將該方法運(yùn)用于F露天煤礦，以密度、聲波、中子、伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)作為基礎(chǔ)樣本建立判別函數(shù)，結(jié)果表明，采用該方法能夠有效的對(duì)鉆孔周圍地層軟弱層位的識(shí)別，為邊坡安全性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

露天礦邊坡；軟弱夾層；測(cè)井；費(fèi)歇爾判別分析；自動(dòng)識(shí)別

0 引 言

露天礦邊坡高達(dá)300～500 m，邊坡的變形、破壞極為普遍，邊坡失穩(wěn)已成為危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全及工程正常運(yùn)營(yíng)的災(zāi)害。露天礦邊坡通常為巖體邊坡，巖體內(nèi)的結(jié)構(gòu)面，尤其是軟弱結(jié)構(gòu)面的存在，常常是巖坡不穩(wěn)定的主要因素。因此在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析時(shí)，應(yīng)當(dāng)特別注意結(jié)構(gòu)面和軟弱層的影響。

目前我國(guó)在露天礦邊坡工程地質(zhì)勘察中，盡管沒(méi)有統(tǒng)一的軟弱層定義，但軟弱層具有強(qiáng)度低、天然含水量大、密度小、變形量大的特點(diǎn)是不可否認(rèn)的。主要由粘土頁(yè)巖、軟質(zhì)凝灰?guī)r、泥灰?guī)r、滑石片巖以及含有巖鹽或石膏成分的構(gòu)成。這類巖層遇水浸泡后易軟化，大大降低了巖體強(qiáng)度[1-2]。

通常在鉆探過(guò)程中，巖層中的薄層、軟弱結(jié)構(gòu)面難以發(fā)現(xiàn)。地球物理測(cè)井技術(shù)能夠探測(cè)到巖體內(nèi)破碎、斷裂帶以及軟弱夾層，并且可以準(zhǔn)確定位[3-5]，給邊坡失穩(wěn)預(yù)防提供了可靠的技術(shù)支持。

1 測(cè)井方法選用及軟弱層識(shí)別

地球物理測(cè)井常用方法有普通電阻率測(cè)井、感應(yīng)測(cè)井、自然伽馬測(cè)井、密度測(cè)井、中子孔隙度測(cè)井、井徑測(cè)井以及近年發(fā)展流行的成像測(cè)井和聲波陣列測(cè)井等。在實(shí)際工作中，根據(jù)探測(cè)的目的和要求可以選擇幾種方法進(jìn)行組合，互相對(duì)比，驗(yàn)證。

1.1 邊坡軟弱層測(cè)井響應(yīng)特征及原因

1）側(cè)向測(cè)井。側(cè)向測(cè)井又稱聚焦電阻率測(cè)井，是具有一個(gè)測(cè)量電極和多個(gè)屏蔽電極的一種測(cè)井方法。受地層厚度、相鄰層影響小，是劃分不同地層的有效方法[6]。

與普通電阻率測(cè)井相比，三側(cè)向測(cè)井更能反映原狀地層電性特征：由于屏流作用，使得視電阻率曲線受井眼影響小，主電極尺寸小，縱向分辨率高，有利于薄層劃分；其曲線具有對(duì)地層中心上、下對(duì)稱的特點(diǎn)，在巖層上、下界面處，曲線陡度大，劃分地層分界面更為精確；軟弱夾層由于常處與含水狀態(tài)，導(dǎo)致電阻率降低，結(jié)合深、淺側(cè)向重合方法能夠較好的識(shí)別軟弱層位[7]。

2）聲速測(cè)井。聲波測(cè)井是利用聲波在巖石等介質(zhì)中傳播時(shí)，幅度的衰減、速度或頻率的變化等聲學(xué)特性來(lái)研究鉆井地質(zhì)剖面、判斷固井質(zhì)量等問(wèn)題的測(cè)井方法。目前邊坡工程地質(zhì)中常用聲速測(cè)井方法，又稱聲波時(shí)差測(cè)井。

聲速測(cè)井通過(guò)測(cè)量地層聲波速度，用來(lái)提供地層孔隙度資料，工程中常采用縱波聲速測(cè)井，通過(guò)測(cè)試縱波波速來(lái)判斷層位。當(dāng)探測(cè)地層有破碎帶或隱伏斷裂時(shí)，聲波時(shí)差曲線常出現(xiàn)較大波動(dòng)，即周波跳躍現(xiàn)象。因此聲波測(cè)井在識(shí)別邊坡巖體中斷裂破碎弱層具有十分重要的作用[8]。

3）自然伽馬測(cè)井。自然伽瑪測(cè)井測(cè)量地層的天然放射性，測(cè)量自然伽瑪射線的強(qiáng)度。在沉積巖地層中，除了在地層中夾有火山灰、花崗巖質(zhì)沖積物等放射性物質(zhì)，或地層水中溶有鉀鹽外，通常純地層的放射性是很微弱的，而放射性元素主要聚集在粘土（泥質(zhì)）中。因此，自然伽瑪測(cè)井一般反應(yīng)地層中的粘土（泥質(zhì)）含量。它與自然電位測(cè)井同屬于粘土指示測(cè)井系列。由于不同地層具有不同的自然放射性強(qiáng)度，因此可根據(jù)自然伽瑪測(cè)井曲線判斷巖性。泥巖層或含有放射性物質(zhì)的地層呈高自然伽馬特征；砂巖層、致密地層及純灰?guī)r地層呈低自然伽馬特征。

4）井徑測(cè)井。井徑測(cè)井是測(cè)量井筒直徑大小的一種機(jī)械測(cè)井方法。在能夠利用測(cè)井中所測(cè)得的多條井徑曲線，計(jì)算出最大井徑、最小井徑及平均井徑。利用記錄的多條井徑數(shù)據(jù)，把井徑數(shù)據(jù)按井周順序插值計(jì)算，求出其井周的均勻的井徑數(shù)據(jù)列同時(shí)計(jì)算出每一深度點(diǎn)的最大值、最小值及平均值。

5）密度測(cè)井。密度測(cè)井屬于核測(cè)井的一種，通過(guò)探測(cè)地層反射的伽馬射線能量，經(jīng)標(biāo)定換算給出不同地層的密度值。通常情況下，斷層、破碎帶以及軟弱泥化夾層以及內(nèi)部含水的因素，常會(huì)導(dǎo)致密度曲線的變化。

6）中子孔隙度測(cè)井。中子測(cè)井利用中子源所放射出具有一定能量的中子與井周圍巖石起作用,從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射中子的彈性散射和俘獲輻射等核反應(yīng)的測(cè)井方法。地層中的含氫量決定中子在地層中的減速過(guò)程，而含氫量與飽含水或油的孔隙體積相關(guān)。可以利用測(cè)井所獲得的中子、熱中子參數(shù)來(lái)反映巖層天然含水量（濕度）的大小。

綜上所述，通過(guò)單一的測(cè)井曲線來(lái)判別弱層必然存在較大誤差，同時(shí)考慮若層機(jī)械強(qiáng)度低、天然含水量大、密度較小且孔隙度略大的特征，需綜合多種測(cè)井方法來(lái)識(shí)別。

其中：24 h連續(xù)運(yùn)行設(shè)備的日平均耗電量為三鑒/微波探測(cè)器日平均耗電量、光口交換機(jī)日平均耗電量、網(wǎng)絡(luò)繼電器日平均耗電量三者之和。

1.2 判別分析方法識(shí)別軟弱層

根據(jù)鉆孔中軟弱層位測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的明顯差異，將異常數(shù)據(jù)作為樣本，經(jīng)過(guò)處理建立軟弱層識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而對(duì)井段各個(gè)層位進(jìn)行歸類識(shí)別。主要步驟包括測(cè)井曲線選擇、建立判別函數(shù)確定判定標(biāo)準(zhǔn)、歸類識(shí)別。

1）測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)特征分析。軟弱泥化夾層在物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、放射性等方面具有明顯差異，測(cè)井曲線會(huì)有相應(yīng)的異常響應(yīng)，總體來(lái)說(shuō)呈現(xiàn)高伽馬、高中子、低聲波和低密度的曲線特征，為多參數(shù)判別軟弱層提供了基礎(chǔ)條件，因此在選取曲線分析樣本數(shù)據(jù)時(shí)常會(huì)使用以上幾種曲線[10]。

2）費(fèi)歇爾判別分析識(shí)別。費(fèi)歇爾判別法是根據(jù)方差分析建立起來(lái)的一種區(qū)分各個(gè)總體的線性判別法，其基本思想就是投影，將n組k維數(shù)據(jù)投影到某一個(gè)方向上，使其投影的組和組之間盡可能的分開(kāi)。具體步驟（圖1）首先確定訓(xùn)練樣本集：

其中，第一類、二類分別為：

定義各類類內(nèi)的離散度矩陣，即各類的協(xié)方差矩陣：

式中mj表示各類內(nèi)均值。

類內(nèi)離散度、總類內(nèi)離散度和類間離散度分別為：

為使得向需求的方向投影后兩類能夠盡可能的分離，而類內(nèi)部又盡可能的聚集，表示成如下準(zhǔn)則，及Fisher準(zhǔn)則：

將公式帶入并通過(guò)拉格朗日求極值方法得到所需投影方向和判別閾值：

最后將待確定樣本代入

通過(guò)判斷上式的符號(hào)和哪個(gè)類別相同，確定其屬于哪個(gè)類別[11-13]。

2 工程實(shí)例應(yīng)用

以F露天煤礦為例，該礦區(qū)地層由老到新有凝灰?guī)r、煤層、泥頁(yè)巖、砂巖。其中軟弱泥化夾層多發(fā)育在泥頁(yè)巖層中，于構(gòu)造作用下層間流動(dòng)形成，遇水極易泥化。

測(cè)井采用重慶地質(zhì)儀器廠綜合數(shù)字測(cè)井系統(tǒng)JGS3，進(jìn)行了深淺側(cè)向電阻率、自然伽馬、聲波、密度、中子、井徑共7項(xiàng)測(cè)井項(xiàng)目。在對(duì)原始數(shù)據(jù)的拼接校正和標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)上，繪制了相應(yīng)的測(cè)井曲線并劃分了巖性段。

圖1 費(fèi)歇爾判別程序圖

以ZL-1鉆井650～690 m井段為例（ZL-1井650～690 m曲線如圖2），根據(jù)綜合測(cè)井曲線，結(jié)合實(shí)際鉆孔資料進(jìn)行對(duì)比煤層底板泥頁(yè)巖層位厚度約為1.5 m，具有明顯的高伽馬、高中子、低聲波和低密度的曲線特征。因此選擇GR、AC、DEN、CNL這4個(gè)最主要的影響因素作為判別因子，另選取5組不同深度軟弱層及多組其它巖層段數(shù)據(jù)為判別樣本，統(tǒng)計(jì)測(cè)井特征值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

采用MATLB計(jì)算軟件，編程實(shí)現(xiàn)測(cè)井樣本數(shù)據(jù)的分析，通過(guò)建立費(fèi)歇爾判別分析的函數(shù)[14]，由此得到的投影方向多維向量方程和閾值分別為：

式中：Y為綜合判別值，X1為自然伽馬，X2為密度；X3為聲波；X4為中子。

對(duì)該鉆孔192.0～249.5 m井段285個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)比鉆孔巖心，成功判別了該孔位內(nèi)3處軟弱層位，判別結(jié)果見(jiàn)表2及成果如圖3。

圖2 ZL-1井650～690 m曲線

表1 測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)判別分析樣本

表2 費(fèi)歇爾判別結(jié)果

通過(guò)建立判別函數(shù)對(duì)其余多個(gè)鉆孔識(shí)別了巖層中的軟弱夾層，其深度、厚度情況與鉆孔、錄井情況吻合度較高，說(shuō)明了該方法的可行性。但該判別方法只能在軟弱層和其它巖性進(jìn)行識(shí)別，無(wú)法進(jìn)一步識(shí)別巖性，主要受測(cè)井項(xiàng)目數(shù)量的限制。

圖3 測(cè)井自動(dòng)判別成果圖

3 結(jié) 論

利用測(cè)井方法結(jié)合費(fèi)歇爾判別，對(duì)F露天煤礦其它施工的鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，均取得了較好的地質(zhì)效果。在同一鉆孔內(nèi)，通過(guò)此方法能夠快速識(shí)別軟弱夾層，確定潛在滑動(dòng)面位置，對(duì)于邊坡穩(wěn)定的預(yù)防和評(píng)價(jià)解釋有著一定的輔助作用。今后應(yīng)在測(cè)井項(xiàng)目組合上、資料處理的程序上再做一些研究工作，相信測(cè)井技術(shù)在邊坡工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用前景將會(huì)更加樂(lè)觀。由于地質(zhì)條件差別大，導(dǎo)致判別函數(shù)不甚適用，需要另外建立判別函數(shù)。

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【責(zé)任編輯：解連江】

Research of well logging for weak layer identification in Open-pit Mine slope

ZHAO Yao
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute,Fushun 113122,China)

According to the law of occurrence and geophysical characteristics of weak interlayer,using Fischer discriminant analysis method,the article recognizes drilling control strata combining with logging data.This method is applied for open-pit mine,using density,sonic,neutron,gamma logging data as a basis sample discriminant function.The results show that this method can effectively identify weak layer of surrounding formation,which provide evidence for safety evaluation of open-pit slope

open-pit mine slope;weak layer;well logging;fisher discriminant-analysis;automatic recognition

TD824.7

B

1671－9816（2017）06－0052－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.06.015

趙耀.測(cè)井在露天礦邊坡軟弱夾層識(shí)別上的研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（6）：52-55.

2017-03-17

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51274122）；國(guó)家自然科學(xué)基金煤炭聯(lián)合基金資助項(xiàng)目（U1361211）

趙 耀（1989—），男，黑龍江綏化人，助理工程師，碩士，2015年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地球探測(cè)與信息技術(shù)專業(yè)，主要從事露天礦邊坡穩(wěn)定性研究工作。