赵 宇 张玉贵 于弘奕

(①河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454000； ②河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作 454000)

煤岩吸水率对声波速度各向异性影响的实验研究

赵 宇*①②张玉贵②于弘奕②

(①河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454000； ②河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作 454000)

赵宇，张玉贵，于弘奕.煤岩吸水率对声波速度各向异性影响的实验研究.石油地球物理勘探，2017,52(5):999-1004.

在煤岩超声波响应规律研究中，较少地考虑煤岩吸水率及各向异性对纵、横波速度的影响，这些问题对煤岩物性超声测试具有重要意义。为此，选取平煤八矿己16-17煤层煤样，制备垂直层理(Z方向)、平行层理垂直面割理(Y方向)和平行层理垂直端割理(X方向)三类煤样，进行煤岩吸水和超声测试。实验结果表明：①在X、Y、Z方向，同一煤层在相同条件下吸附水的能力存在明显的各向异性，其中Y方向自然吸水率大于X、Z方向。②煤样超声响应具有明显的各向异性特征，其中Z方向的波速最大，Y方向的波速最小。③随着煤样自然吸水率的不断增加，纵波速度明显呈近似指数变化的非线性增长，在煤柱含水饱和度较小(低于60%)时，纵波速度随含水饱和度变化幅度较小；在含水饱和度大于60%(对应X、Y、Z方向的自然吸水率分别为1.3%、2.65%、0.72%)时，纵波速度增幅明显变大。④随着煤样自然吸水率的不断增加，横波速度也不断增大，但横波速度变化幅度远小于纵波速度；煤样纵、横波速度比随吸水率的增加基本呈先减小、后增大的现象。⑤分别利用空间平均模型和时间平均模型分析了孔隙流体对煤体超声波参数的影响，其中纵波对于煤体孔隙流体十分敏感，孔隙流体对横波速度几乎没有影响，可以利用这一性质探测煤岩中流体的存在和运动。

吸水率 各向异性 弹性波速度 纵、横波速度比

1 引言

煤岩介质超声波测试技术通过测定超声波穿透煤岩体后声波信号的声学参数变化，间接地了解煤岩体的力学特性及结构特征[1,2]， 目前已广泛用于煤岩体动弹性参数、煤岩结构物性特征测量等方面。针对岩石的声学响应特征，人们分别从压力、温度、水分、密度、孔隙流体等因素对超声波速度的影响作了大量的研究工作[3-8]，并获得了众多的研究成果。

成林等[9]论述了影响煤岩超声波速度的因素、煤岩超声波频谱特征及与力学参数间的关系、煤岩声波衰减及各向异性方面的研究进展。汤红伟等[10]、李琼等[11]分别对不同煤样进行了常温压、加压、水饱和、高温等不同条件下的纵、横波速度测试，结果表明：加压使纵、横波速度均有不同程度的提高；水饱和也使纵、横波速度值有所增大，但增加幅度没有加压显著；温度变化对速度的影响不甚明显。史謌等[12]以灰岩作为试样，测试了不同含水饱和度的纵、横波速度，获得了纵、横波速度及纵、横波速度比与含水饱和度的关系。

邓华锋等[13]对三峡库区层状砂岩制备了垂直层理和平行层理两种岩样，进行岩样的饱含水和风干试验。结果表明，砂岩各向异性明显，垂直层理岩样纵波速度的变化幅度明显大于平行层理岩样，饱含水后，砂岩的各向异性特征略有增强。周治国等[14]对板岩、花岗片麻岩、黑云母片麻岩等岩样的饱含水和烘干条件下的声波传播规律进行研究，结果表明：纵、横波速度受水的影响较小，样品饱含水以后纵波衰减速率显著降低，但横波衰减速率明显增强；板岩和黑云母片麻岩的声波衰减各向异性特征明显，花岗片麻岩声波衰减各向异性特征不明显。煤岩是一种生物高聚合物沉积岩，岩体中分布着大量的孔隙、裂隙、层理等微构造，各向异性明显[15-19]。然而，有关煤岩超声波速度各向异性随吸水率变化的研究较少，并缺乏孔隙流体对超声波参数的影响机理的系统研究，这些问题对于煤岩力学参数测试具有重要意义。

为此，选择平煤八矿己16-17煤层，制备垂直层理(Z方向)、平行层理垂直面割离(Y方向)和平行层理垂直端割离(X方向)共3个方向的煤样进行煤岩吸水和超声波测试，系统研究了煤样吸水率的各向异性及纵、横波速度与煤样吸水率的关系，初步分析了孔隙流体对超声波参数的影响机理。

2 实验装置及煤样制备

须用超声波脉冲透射法进行实验，测试原理见图1，主要仪器设备包括非金属超声检测仪、电子天平、干燥箱等。通过测试仪器读取超声纵、横波在被测物体中的走时，使用游标卡尺测量试样的长度L(发射、接收换能器中心间的距离)；然后根据L和测出的超声纵、横波通过煤柱的走时tP、tS，参考波速测试精度分析方法[20]，根据标定算出仪器的系统误差t0；再通过波速公式计算纵、横波速度VP、VS

(1)

实验煤样取自平煤八矿己16-17煤层，煤种为焦煤，煤岩类型为半暗—半亮型。煤体中层理面明显，且存在正交的天然裂隙，连续性较弱的端割理的发育受限于连续性较强的面割理。考虑到煤样制备过程中成功率偏低，因此在井下采集煤样重点挑选边长不小于200mm的原煤煤块，利用KD-2新型岩心钻取机取样，在X、Y、Z三个方向上取心(图2)。取心后用切割机将煤样试件上、下端面打磨光滑、平整，加工成直径为50mm、高为100mm的柱体(图3)。

图1 数字化脉冲法声波测试系统原理图

图2 煤体结构示意图及取样方向

图3 沿不同方向钻取试验煤样(a)及其实物图(b)

3 实验结果分析

3.1 不同方向煤柱吸水率测试实验

煤样的吸水率分为自然吸水率和强制吸水率两种。本次实验仅测试煤样的自然吸水率WZ，即

(2)

式中：M为试件自然吸水后的质量；M0为试件自然状态下的质量。

文中给出了同一煤层不同方向煤样的WZ测试结果(表1)、不同方向煤柱WZ与实验时间T的关系(图4)。可见：随着T的延长，同一煤层不同方向煤样在相同条件下的WZ不断增加；三个方向的煤柱吸附水的能力存在一定差异，其中Y方向的WZ大于X、Z方向，X与Z方向的WZ相近，且X比Z方向略大。因此，Y方向煤柱内部的裂隙体积大于X和Z方向，当煤柱浸入水中以后，Y方向吸水量大于X方向，Z方向吸水量最小。

表1 不同方向煤样的WZ(%)测试结果

注：数字1、2表示样本号

图4 不同方向煤柱WZ-T关系图

3.2 不同WZ煤样超声各向异性特征测试结果

实验所用纵、横波换能器的发射频率分别为50、100kHz。在测量过程中煤心与换能器之间始终保持一个相对稳定的位置和方向。纵、横波换能器与岩样间分别采用凡士林、蜂蜜做耦合剂。利用平煤八矿己16-17煤样，按煤体结构示意图及取样方向(图2)中的X、Y、Z三个方向钻取煤样进行超声波测试。测试结果(表2、图5)表明： ①随着煤样WZ的不断增加，VP明显呈近似指数变化的非线性增长，同一煤层的X、Y、Z方向煤样的VP随WZ的变化规律总体一致，煤样超声响应具有明显的各向异性特征，其中Z方向的VP最大，Y方向的VP最小(图5a)，这一结果与不同方向煤样的WZ测试结果(表1)、不同方向煤柱WZ-T关系图(图4)的认识相吻合，即煤样孔隙度对VP影响很大，孔隙度越大，弹性波速度越小； ②煤样VS-WZ与VP-WZ呈相似的变化规律，即随着WZ的不断增加，VS也不断增加，但VS变化幅度远小于VP，这与前人的研究结果略有不同(图5b)； ③煤样VP/VS随WZ的增加基本呈先减小、后增大的趋势，这主要是由于在WZ较低时，VP增长幅度较小，随着WZ的不断增加，VP增幅明显，而VS对孔隙流体不敏感所致(图5c)。

表2 不同方向煤样的WZ和超声波速的关系

图5 同一煤层的X、Y、Z方向煤样超声波速与WZ的关系

此外，前期煤柱WZ变化明显，对煤柱的超声波速度影响小，后期WZ变化小，对煤柱的超声波速度影响明显(图4)，即在吸水饱和度大于60%时(对应X、Y、Z方向的WZ分别为1.3%、2.65%、0.72%)，煤样的VP均存在一个快速的增加(图5a)，这与前人的岩石试验结果基本一致。产生上述现象的原因为：由于煤柱放入蒸馏水中，煤柱迅速吸水，水进入大孔隙内部，但是并没有进入煤柱内部的微裂隙中，此时煤柱表面有气泡冒出，冒出的气泡体积完全被水填充，水充满大孔隙内部，对外表现为吸水率上升，波速变化率很低；随着浸水时间的延长，水从大孔隙逐渐进入微孔隙内部，水对煤柱的性质影响开始显现。吸水后煤柱变形，煤柱内部结构发生变化，导致吸水率变化不大，但是超声波波速变化明显。

4 孔隙流体对超声波参数的影响机理

煤层是一种松软的沉积岩体，而且煤岩内具有无数的孔隙和裂隙，严格来说，煤体是一类不均匀的物体。波在物体内传播的理论大多是建立在均匀物体假设之上的，对于煤体而言，由于孔、裂隙的尺寸d远小于弹性波的波长λ，因此可以将煤岩看作一个统计意义上的均匀物体，可利用有效弹性参数方法进行分析[21]。文中分别利用空间平均模型和时间平均模型分析孔隙流体对煤体超声波参数的影响。煤岩中传播的纵、横波速度主要取决于煤岩的体积模量k、剪切模量μ和密度ρ，即

(3)

(4)

式中λ为拉梅常数。

当煤体裂隙中含有水分时，使k、μ、ρ发生变化。因此，要研究含水率对煤岩弹性波速度的影响，首先必须考察当岩石裂隙中含水时对k、μ、ρ的影响。煤岩体积模量k可表示为

(5)

式中：p为煤岩所受压力；β为压缩系数；V为煤岩体积。

根据Voigt[22]提出的空间平均模型，假设外加应力造成岩石内各种矿物受力引起的应变是均匀的，则有

(6)

(7)

式中：kV为多相等效体Voigt模型煤岩体积模量；μV为多相等效体Voigt模型煤岩剪切模量；ki为第i种矿物的体积模量；μi为第i种矿物的剪切模量；Vi为第i种矿物的体积。

众所周知，孔隙液体的压缩系数是煤岩骨架的100倍左右，而孔隙气体的压缩系数几乎趋于无穷大。因此，根据式(6)、式(7)可知，只要煤岩中存在少量的孔隙流体就会引起压缩系数的巨大变化，同样可以引起体积模量的较大变化。因此随着含水率的增加，体积弹性模量逐渐增加，纵波速度随之增加。

横波主要是由于介质的切向扰动而传播的，在岩石外施加一个剪应力，孔隙会发生剪切变形，但孔隙体积不变，因此孔隙压力也不变。即：在瞬态的变化下，饱和岩体的剪切模量和干燥岩石的剪切模量大致相同；当煤层吸水后会发生体积膨胀效应，导致基质间的孔、裂隙发生收缩变形，致使煤岩的孔隙度降低，引起横波速度略有增加。

根据Wyllie等[23]提出的理想化岩石速度的时间平均模型，假定有一个边长为单位1的煤岩立方体，在煤体中孔隙全部集中成为一个层状，其“厚度”即为煤岩的孔隙度。当孔隙中部分含水时，穿过煤岩的弹性波所需时间由三部分组成，即穿过煤岩固体骨架的时间、穿过空隙中水和气体的时间，可表示为

(8)

式中：VP,m为煤岩骨架部分的纵波速度；VP,w为煤岩孔隙水的纵波速度；VP,g为煤岩孔隙气体的纵波速度；η1为煤岩孔隙被水充填部分；η2为煤岩孔隙未被水充填部分。

现讨论两种极限状态，即煤样在干燥状态和水饱和状态下的情形。在干燥状态下

(9)

式中VP,d、VP,g,d分别为在干燥状态下煤岩体、煤岩孔隙气体的纵波速度。

在水饱和状态下

(10)

式中VP,s、VP,w,s分别为在水饱和状态下煤岩体、煤岩孔隙水的纵波速度。

于是

(11)

5 结论

(1)同一煤层在垂直层理、平行层理垂直面割离和平行层理垂直端割离方向，在相同条件下吸附水的能力存在明显的各向异性，其中平行层理垂直面割离方向(Y方向)自然吸水率大于平行层理垂直端割离方向(X方向)、垂直层理方向(Z方向)。由此可知Y方向煤柱内部的裂隙体积大于X、Z方向的裂隙体积。

(2)煤样超声响应具有明显的各向异性特征，其中Z方向的波速最大，Y方向的波速最小，这一结果与煤样吸水实验得出的结论吻合，即煤样孔隙度对纵波速度影响很大，孔隙度越大，弹性波速度越小。

(3)随着煤样吸水率的不断增加，纵波速度明显呈近似指数变化的非线性增长，同一煤层的X、Y、Z方向煤样纵波速度随吸水率的变化规律总体一致。在煤柱含水饱和度较小(低于60%)时，纵波速度随含水饱和度变化幅度较小，在含水饱和度较大(高于60%)时，纵波速度增幅明显变大。

(4)随着煤样吸水率的不断增加，横波速度也不断增大，但横波速度变化幅度远小于纵波速度，这与前人的研究结果略有不同。煤样纵、横波速度比随吸水率的增加基本呈先减小、后增大的趋势。这主要是由于纵波在含水率较低时，增长幅度较小，随着吸水率的不断增加，纵波速度增幅明显，而横波速度对孔隙流体不敏感所致。

(5)文中分别利用空间平均模型和时间平均模型分析孔隙流体对煤体超声波参数的影响，结果表明，纵波对于煤体孔隙流体十分敏感，孔隙流体对横波速度几乎没有影响，可以利用这一性质探测煤岩中流体的存在和运动。

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(本文编辑：刘勇)

赵宇 讲师，1981年生；2004年获河南理工大学土木工程学院岩土工程专业工学学士学位；2007年获西南交通大学桥梁与隧道工程专业硕士学位。现在河南理工大学攻读安全科学与工程学院矿业工程专业博士学位。长期从事煤(煤层气)储层渗透性研究。目前在河南理工大学土木工程学院从事煤层气勘探与开发相关的教研工作。

1000-7210(2017)05-0999-06

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A

10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.2017.05.013

*河南省焦作市高新区世纪路2001号河南理工大学土木工程学院，454000。Email：zyxgll2000@163.com

本文于2016年11月28日收到，最终修改稿于2017年7月21日收到。

本项研究受国家科技重大专项“全国重点煤矿区瓦斯(煤层气)赋存规律和控制因素”(2011ZX05040-005)、河南省科技攻关计划项目“煤体吸附膨胀变形各向异性特性实验研究”(162102310427)联合资助。