煤巖吸水率對聲波速度各向異性影響的實驗研究

趙 宇 張玉貴 于弘奕

(①河南理工大學土木工程學院，河南焦作 454000； ②河南理工大學安全科學與工程學院，河南焦作 454000)

煤巖吸水率對聲波速度各向異性影響的實驗研究

趙 宇*①②張玉貴②于弘奕②

(①河南理工大學土木工程學院，河南焦作 454000； ②河南理工大學安全科學與工程學院，河南焦作 454000)

趙宇，張玉貴，于弘奕.煤巖吸水率對聲波速度各向異性影響的實驗研究.石油地球物理勘探，2017,52(5):999-1004.

在煤巖超聲波響應規律研究中，較少地考慮煤巖吸水率及各向異性對縱、橫波速度的影響，這些問題對煤巖物性超聲測試具有重要意義。為此，選取平煤八礦己16-17煤層煤樣，制備垂直層理(Z方向)、平行層理垂直面割理(Y方向)和平行層理垂直端割理(X方向)三類煤樣，進行煤巖吸水和超聲測試。實驗結果表明：①在X、Y、Z方向，同一煤層在相同條件下吸附水的能力存在明顯的各向異性，其中Y方向自然吸水率大于X、Z方向。②煤樣超聲響應具有明顯的各向異性特征，其中Z方向的波速最大，Y方向的波速最小。③隨著煤樣自然吸水率的不斷增加，縱波速度明顯呈近似指數變化的非線性增長，在煤柱含水飽和度較小(低于60%)時，縱波速度隨含水飽和度變化幅度較小；在含水飽和度大于60%(對應X、Y、Z方向的自然吸水率分別為1.3%、2.65%、0.72%)時，縱波速度增幅明顯變大。④隨著煤樣自然吸水率的不斷增加，橫波速度也不斷增大，但橫波速度變化幅度遠小于縱波速度；煤樣縱、橫波速度比隨吸水率的增加基本呈先減小、后增大的現象。⑤分別利用空間平均模型和時間平均模型分析了孔隙流體對煤體超聲波參數的影響，其中縱波對于煤體孔隙流體十分敏感，孔隙流體對橫波速度幾乎沒有影響，可以利用這一性質探測煤巖中流體的存在和運動。

吸水率 各向異性 彈性波速度 縱、橫波速度比

1 引言

煤巖介質超聲波測試技術通過測定超聲波穿透煤巖體后聲波信號的聲學參數變化，間接地了解煤巖體的力學特性及結構特征[1,2]， 目前已廣泛用于煤巖體動彈性參數、煤巖結構物性特征測量等方面。針對巖石的聲學響應特征，人們分別從壓力、溫度、水分、密度、孔隙流體等因素對超聲波速度的影響作了大量的研究工作[3-8]，并獲得了眾多的研究成果。

成林等[9]論述了影響煤巖超聲波速度的因素、煤巖超聲波頻譜特征及與力學參數間的關系、煤巖聲波衰減及各向異性方面的研究進展。湯紅偉等[10]、李瓊等[11]分別對不同煤樣進行了常溫壓、加壓、水飽和、高溫等不同條件下的縱、橫波速度測試，結果表明：加壓使縱、橫波速度均有不同程度的提高；水飽和也使縱、橫波速度值有所增大，但增加幅度沒有加壓顯著；溫度變化對速度的影響不甚明顯。史謌等[12]以灰巖作為試樣，測試了不同含水飽和度的縱、橫波速度，獲得了縱、橫波速度及縱、橫波速度比與含水飽和度的關系。

鄧華鋒等[13]對三峽庫區層狀砂巖制備了垂直層理和平行層理兩種巖樣，進行巖樣的飽含水和風干試驗。結果表明，砂巖各向異性明顯，垂直層理巖樣縱波速度的變化幅度明顯大于平行層理巖樣，飽含水后，砂巖的各向異性特征略有增強。周治國等[14]對板巖、花崗片麻巖、黑云母片麻巖等巖樣的飽含水和烘干條件下的聲波傳播規律進行研究，結果表明：縱、橫波速度受水的影響較小，樣品飽含水以后縱波衰減速率顯著降低，但橫波衰減速率明顯增強；板巖和黑云母片麻巖的聲波衰減各向異性特征明顯，花崗片麻巖聲波衰減各向異性特征不明顯。煤巖是一種生物高聚合物沉積巖，巖體中分布著大量的孔隙、裂隙、層理等微構造，各向異性明顯[15-19]。然而，有關煤巖超聲波速度各向異性隨吸水率變化的研究較少，并缺乏孔隙流體對超聲波參數的影響機理的系統研究，這些問題對于煤巖力學參數測試具有重要意義。

為此，選擇平煤八礦己16-17煤層，制備垂直層理(Z方向)、平行層理垂直面割離(Y方向)和平行層理垂直端割離(X方向)共3個方向的煤樣進行煤巖吸水和超聲波測試，系統研究了煤樣吸水率的各向異性及縱、橫波速度與煤樣吸水率的關系，初步分析了孔隙流體對超聲波參數的影響機理。

2 實驗裝置及煤樣制備

須用超聲波脈沖透射法進行實驗，測試原理見圖1，主要儀器設備包括非金屬超聲檢測儀、電子天平、干燥箱等。通過測試儀器讀取超聲縱、橫波在被測物體中的走時，使用游標卡尺測量試樣的長度L(發射、接收換能器中心間的距離)；然后根據L和測出的超聲縱、橫波通過煤柱的走時tP、tS，參考波速測試精度分析方法[20]，根據標定算出儀器的系統誤差t0；再通過波速公式計算縱、橫波速度VP、VS

(1)

實驗煤樣取自平煤八礦己16-17煤層，煤種為焦煤，煤巖類型為半暗—半亮型。煤體中層理面明顯，且存在正交的天然裂隙，連續性較弱的端割理的發育受限于連續性較強的面割理。考慮到煤樣制備過程中成功率偏低，因此在井下采集煤樣重點挑選邊長不小于200mm的原煤煤塊，利用KD-2新型巖心鉆取機取樣，在X、Y、Z三個方向上取心(圖2)。取心后用切割機將煤樣試件上、下端面打磨光滑、平整，加工成直徑為50mm、高為100mm的柱體(圖3)。

圖1 數字化脈沖法聲波測試系統原理圖

圖2 煤體結構示意圖及取樣方向

圖3 沿不同方向鉆取試驗煤樣(a)及其實物圖(b)

3 實驗結果分析

3.1 不同方向煤柱吸水率測試實驗

煤樣的吸水率分為自然吸水率和強制吸水率兩種。本次實驗僅測試煤樣的自然吸水率WZ，即

(2)

式中：M為試件自然吸水后的質量；M0為試件自然狀態下的質量。

文中給出了同一煤層不同方向煤樣的WZ測試結果(表1)、不同方向煤柱WZ與實驗時間T的關系(圖4)。可見：隨著T的延長，同一煤層不同方向煤樣在相同條件下的WZ不斷增加；三個方向的煤柱吸附水的能力存在一定差異，其中Y方向的WZ大于X、Z方向，X與Z方向的WZ相近，且X比Z方向略大。因此，Y方向煤柱內部的裂隙體積大于X和Z方向，當煤柱浸入水中以后，Y方向吸水量大于X方向，Z方向吸水量最小。

表1 不同方向煤樣的WZ(%)測試結果

注：數字1、2表示樣本號

圖4 不同方向煤柱WZ-T關系圖

3.2 不同WZ煤樣超聲各向異性特征測試結果

實驗所用縱、橫波換能器的發射頻率分別為50、100kHz。在測量過程中煤心與換能器之間始終保持一個相對穩定的位置和方向。縱、橫波換能器與巖樣間分別采用凡士林、蜂蜜做耦合劑。利用平煤八礦己16-17煤樣，按煤體結構示意圖及取樣方向(圖2)中的X、Y、Z三個方向鉆取煤樣進行超聲波測試。測試結果(表2、圖5)表明： ①隨著煤樣WZ的不斷增加，VP明顯呈近似指數變化的非線性增長，同一煤層的X、Y、Z方向煤樣的VP隨WZ的變化規律總體一致，煤樣超聲響應具有明顯的各向異性特征，其中Z方向的VP最大，Y方向的VP最小(圖5a)，這一結果與不同方向煤樣的WZ測試結果(表1)、不同方向煤柱WZ-T關系圖(圖4)的認識相吻合，即煤樣孔隙度對VP影響很大，孔隙度越大，彈性波速度越小； ②煤樣VS-WZ與VP-WZ呈相似的變化規律，即隨著WZ的不斷增加，VS也不斷增加，但VS變化幅度遠小于VP，這與前人的研究結果略有不同(圖5b)； ③煤樣VP/VS隨WZ的增加基本呈先減小、后增大的趨勢，這主要是由于在WZ較低時，VP增長幅度較小，隨著WZ的不斷增加，VP增幅明顯，而VS對孔隙流體不敏感所致(圖5c)。

表2 不同方向煤樣的WZ和超聲波速的關系

圖5 同一煤層的X、Y、Z方向煤樣超聲波速與WZ的關系

此外，前期煤柱WZ變化明顯，對煤柱的超聲波速度影響小，后期WZ變化小，對煤柱的超聲波速度影響明顯(圖4)，即在吸水飽和度大于60%時(對應X、Y、Z方向的WZ分別為1.3%、2.65%、0.72%)，煤樣的VP均存在一個快速的增加(圖5a)，這與前人的巖石試驗結果基本一致。產生上述現象的原因為：由于煤柱放入蒸餾水中，煤柱迅速吸水，水進入大孔隙內部，但是并沒有進入煤柱內部的微裂隙中，此時煤柱表面有氣泡冒出，冒出的氣泡體積完全被水填充，水充滿大孔隙內部，對外表現為吸水率上升，波速變化率很低；隨著浸水時間的延長，水從大孔隙逐漸進入微孔隙內部，水對煤柱的性質影響開始顯現。吸水后煤柱變形，煤柱內部結構發生變化，導致吸水率變化不大，但是超聲波波速變化明顯。

4 孔隙流體對超聲波參數的影響機理

煤層是一種松軟的沉積巖體，而且煤巖內具有無數的孔隙和裂隙，嚴格來說，煤體是一類不均勻的物體。波在物體內傳播的理論大多是建立在均勻物體假設之上的，對于煤體而言，由于孔、裂隙的尺寸d遠小于彈性波的波長λ，因此可以將煤巖看作一個統計意義上的均勻物體，可利用有效彈性參數方法進行分析[21]。文中分別利用空間平均模型和時間平均模型分析孔隙流體對煤體超聲波參數的影響。煤巖中傳播的縱、橫波速度主要取決于煤巖的體積模量k、剪切模量μ和密度ρ，即

(3)

(4)

式中λ為拉梅常數。

當煤體裂隙中含有水分時，使k、μ、ρ發生變化。因此，要研究含水率對煤巖彈性波速度的影響，首先必須考察當巖石裂隙中含水時對k、μ、ρ的影響。煤巖體積模量k可表示為

(5)

式中：p為煤巖所受壓力；β為壓縮系數；V為煤巖體積。

根據Voigt[22]提出的空間平均模型，假設外加應力造成巖石內各種礦物受力引起的應變是均勻的，則有

(6)

(7)

式中：kV為多相等效體Voigt模型煤巖體積模量；μV為多相等效體Voigt模型煤巖剪切模量；ki為第i種礦物的體積模量；μi為第i種礦物的剪切模量；Vi為第i種礦物的體積。

眾所周知，孔隙液體的壓縮系數是煤巖骨架的100倍左右，而孔隙氣體的壓縮系數幾乎趨于無窮大。因此，根據式(6)、式(7)可知，只要煤巖中存在少量的孔隙流體就會引起壓縮系數的巨大變化，同樣可以引起體積模量的較大變化。因此隨著含水率的增加，體積彈性模量逐漸增加，縱波速度隨之增加。

橫波主要是由于介質的切向擾動而傳播的，在巖石外施加一個剪應力，孔隙會發生剪切變形，但孔隙體積不變，因此孔隙壓力也不變。即：在瞬態的變化下，飽和巖體的剪切模量和干燥巖石的剪切模量大致相同；當煤層吸水后會發生體積膨脹效應，導致基質間的孔、裂隙發生收縮變形，致使煤巖的孔隙度降低，引起橫波速度略有增加。

根據Wyllie等[23]提出的理想化巖石速度的時間平均模型，假定有一個邊長為單位1的煤巖立方體，在煤體中孔隙全部集中成為一個層狀，其“厚度”即為煤巖的孔隙度。當孔隙中部分含水時，穿過煤巖的彈性波所需時間由三部分組成，即穿過煤巖固體骨架的時間、穿過空隙中水和氣體的時間，可表示為

(8)

式中：VP,m為煤巖骨架部分的縱波速度；VP,w為煤巖孔隙水的縱波速度；VP,g為煤巖孔隙氣體的縱波速度；η1為煤巖孔隙被水充填部分；η2為煤巖孔隙未被水充填部分。

現討論兩種極限狀態，即煤樣在干燥狀態和水飽和狀態下的情形。在干燥狀態下

(9)

式中VP,d、VP,g,d分別為在干燥狀態下煤巖體、煤巖孔隙氣體的縱波速度。

在水飽和狀態下

(10)

式中VP,s、VP,w,s分別為在水飽和狀態下煤巖體、煤巖孔隙水的縱波速度。

于是

(11)

5 結論

(1)同一煤層在垂直層理、平行層理垂直面割離和平行層理垂直端割離方向，在相同條件下吸附水的能力存在明顯的各向異性，其中平行層理垂直面割離方向(Y方向)自然吸水率大于平行層理垂直端割離方向(X方向)、垂直層理方向(Z方向)。由此可知Y方向煤柱內部的裂隙體積大于X、Z方向的裂隙體積。

(2)煤樣超聲響應具有明顯的各向異性特征，其中Z方向的波速最大，Y方向的波速最小，這一結果與煤樣吸水實驗得出的結論吻合，即煤樣孔隙度對縱波速度影響很大，孔隙度越大，彈性波速度越小。

(3)隨著煤樣吸水率的不斷增加，縱波速度明顯呈近似指數變化的非線性增長，同一煤層的X、Y、Z方向煤樣縱波速度隨吸水率的變化規律總體一致。在煤柱含水飽和度較小(低于60%)時，縱波速度隨含水飽和度變化幅度較小，在含水飽和度較大(高于60%)時，縱波速度增幅明顯變大。

(4)隨著煤樣吸水率的不斷增加，橫波速度也不斷增大，但橫波速度變化幅度遠小于縱波速度，這與前人的研究結果略有不同。煤樣縱、橫波速度比隨吸水率的增加基本呈先減小、后增大的趨勢。這主要是由于縱波在含水率較低時，增長幅度較小，隨著吸水率的不斷增加，縱波速度增幅明顯，而橫波速度對孔隙流體不敏感所致。

(5)文中分別利用空間平均模型和時間平均模型分析孔隙流體對煤體超聲波參數的影響，結果表明，縱波對于煤體孔隙流體十分敏感，孔隙流體對橫波速度幾乎沒有影響，可以利用這一性質探測煤巖中流體的存在和運動。

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(本文編輯：劉勇)

趙宇 講師，1981年生；2004年獲河南理工大學土木工程學院巖土工程專業工學學士學位；2007年獲西南交通大學橋梁與隧道工程專業碩士學位。現在河南理工大學攻讀安全科學與工程學院礦業工程專業博士學位。長期從事煤(煤層氣)儲層滲透性研究。目前在河南理工大學土木工程學院從事煤層氣勘探與開發相關的教研工作。

1000-7210(2017)05-0999-06

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A

10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.2017.05.013

*河南省焦作市高新區世紀路2001號河南理工大學土木工程學院，454000。Email：zyxgll2000@163.com

本文于2016年11月28日收到，最終修改稿于2017年7月21日收到。

本項研究受國家科技重大專項“全國重點煤礦區瓦斯(煤層氣)賦存規律和控制因素”(2011ZX05040-005)、河南省科技攻關計劃項目“煤體吸附膨脹變形各向異性特性實驗研究”(162102310427)聯合資助。