趙 宇 張玉貴 于弘奕

(①河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南焦作 454000； ②河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作 454000)

煤巖吸水率對(duì)聲波速度各向異性影響的實(shí)驗(yàn)研究

趙 宇*①②張玉貴②于弘奕②

(①河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南焦作 454000； ②河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作 454000)

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

在煤巖超聲波響應(yīng)規(guī)律研究中，較少地考慮煤巖吸水率及各向異性對(duì)縱、橫波速度的影響，這些問(wèn)題對(duì)煤巖物性超聲測(cè)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(jìn)行煤巖吸水和超聲測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yīng)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(shù)變化的非線性增長(zhǎng)，在煤柱含水飽和度較小(低于60%)時(shí)，縱波速度隨含水飽和度變化幅度較??；在含水飽和度大于60%(對(duì)應(yīng)X、Y、Z方向的自然吸水率分別為1.3%、2.65%、0.72%)時(shí)，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(yuǎn)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(xiàn)象。⑤分別利用空間平均模型和時(shí)間平均模型分析了孔隙流體對(duì)煤體超聲波參數(shù)的影響，其中縱波對(duì)于煤體孔隙流體十分敏感，孔隙流體對(duì)橫波速度幾乎沒(méi)有影響，可以利用這一性質(zhì)探測(cè)煤巖中流體的存在和運(yùn)動(dòng)。

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(zhì)超聲波測(cè)試技術(shù)通過(guò)測(cè)定超聲波穿透煤巖體后聲波信號(hào)的聲學(xué)參數(shù)變化，間接地了解煤巖體的力學(xué)特性及結(jié)構(gòu)特征[1,2]， 目前已廣泛用于煤巖體動(dòng)彈性參數(shù)、煤巖結(jié)構(gòu)物性特征測(cè)量等方面。針對(duì)巖石的聲學(xué)響應(yīng)特征，人們分別從壓力、溫度、水分、密度、孔隙流體等因素對(duì)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(xué)參數(shù)間的關(guān)系、煤巖聲波衰減及各向異性方面的研究進(jìn)展。湯紅偉等[10]、李瓊等[11]分別對(duì)不同煤樣進(jìn)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(cè)試，結(jié)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(méi)有加壓顯著；溫度變化對(duì)速度的影響不甚明顯。史謌等[12]以灰?guī)r作為試樣，測(cè)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(guān)系。

鄧華鋒等[13]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)層狀砂巖制備了垂直層理和平行層理兩種巖樣，進(jìn)行巖樣的飽含水和風(fēng)干試驗(yàn)。結(jié)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(qiáng)。周治國(guó)等[14]對(duì)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(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)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(qiáng)；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(gòu)造，各向異性明顯[15-19]。然而，有關(guān)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(duì)超聲波參數(shù)的影響機(jī)理的系統(tǒng)研究，這些問(wèn)題對(duì)于煤巖力學(xué)參數(shù)測(cè)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(gè)方向的煤樣進(jìn)行煤巖吸水和超聲波測(cè)試，系統(tǒng)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(guān)系，初步分析了孔隙流體對(duì)超聲波參數(shù)的影響機(jī)理。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及煤樣制備

須用超聲波脈沖透射法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試原理見圖1，主要儀器設(shè)備包括非金屬超聲檢測(cè)儀、電子天平、干燥箱等。通過(guò)測(cè)試儀器讀取超聲縱、橫波在被測(cè)物體中的走時(shí)，使用游標(biāo)卡尺測(cè)量試樣的長(zhǎng)度L(發(fā)射、接收換能器中心間的距離)；然后根據(jù)L和測(cè)出的超聲縱、橫波通過(guò)煤柱的走時(shí)tP、tS，參考波速測(cè)試精度分析方法[20]，根據(jù)標(biāo)定算出儀器的系統(tǒng)誤差t0；再通過(guò)波速公式計(jì)算縱、橫波速度VP、VS

(1)

實(shí)驗(yàn)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(xù)性較弱的端割理的發(fā)育受限于連續(xù)性較強(qiáng)的面割理。考慮到煤樣制備過(guò)程中成功率偏低，因此在井下采集煤樣重點(diǎn)挑選邊長(zhǎng)不小于200mm的原煤煤塊，利用KD-2新型巖心鉆取機(jī)取樣，在X、Y、Z三個(gè)方向上取心(圖2)。取心后用切割機(jī)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(shù)字化脈沖法聲波測(cè)試系統(tǒng)原理圖

圖2 煤體結(jié)構(gòu)示意圖及取樣方向

圖3 沿不同方向鉆取試驗(yàn)煤樣(a)及其實(shí)物圖(b)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同方向煤柱吸水率測(cè)試實(shí)驗(yàn)

煤樣的吸水率分為自然吸水率和強(qiáng)制吸水率兩種。本次實(shí)驗(yàn)僅測(cè)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(zhì)量；M0為試件自然狀態(tài)下的質(zhì)量。

文中給出了同一煤層不同方向煤樣的WZ測(cè)試結(jié)果(表1)、不同方向煤柱WZ與實(shí)驗(yàn)時(shí)間T的關(guān)系(圖4)?？梢姡弘S著T的延長(zhǎng)，同一煤層不同方向煤樣在相同條件下的WZ不斷增加；三個(gè)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(nèi)部的裂隙體積大于X和Z方向，當(dāng)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(cè)試結(jié)果

注：數(shù)字1、2表示樣本號(hào)

圖4 不同方向煤柱WZ-T關(guān)系圖

3.2 不同WZ煤樣超聲各向異性特征測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)所用縱、橫波換能器的發(fā)射頻率分別為50、100kHz。在測(cè)量過(guò)程中煤心與換能器之間始終保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的位置和方向?？v、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(jié)構(gòu)示意圖及取樣方向(圖2)中的X、Y、Z三個(gè)方向鉆取煤樣進(jìn)行超聲波測(cè)試。測(cè)試結(jié)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(shù)變化的非線性增長(zhǎng)，同一煤層的X、Y、Z方向煤樣的VP隨WZ的變化規(guī)律總體一致，煤樣超聲響應(yīng)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(jié)果與不同方向煤樣的WZ測(cè)試結(jié)果(表1)、不同方向煤柱WZ-T關(guān)系圖(圖4)的認(rèn)識(shí)相吻合，即煤樣孔隙度對(duì)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(guī)律，即隨著WZ的不斷增加，VS也不斷增加，但VS變化幅度遠(yuǎn)小于VP，這與前人的研究結(jié)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(shì)，這主要是由于在WZ較低時(shí)，VP增長(zhǎng)幅度較小，隨著WZ的不斷增加，VP增幅明顯，而VS對(duì)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(guān)系

圖5 同一煤層的X、Y、Z方向煤樣超聲波速與WZ的關(guān)系

此外，前期煤柱WZ變化明顯，對(duì)煤柱的超聲波速度影響小，后期WZ變化小，對(duì)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(shí)(對(duì)應(yīng)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(gè)快速的增加(圖5a)，這與前人的巖石試驗(yàn)結(jié)果基本一致。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因?yàn)椋河捎诿褐湃胝麴s水中，煤柱迅速吸水，水進(jìn)入大孔隙內(nèi)部，但是并沒(méi)有進(jìn)入煤柱內(nèi)部的微裂隙中，此時(shí)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(nèi)部，對(duì)外表現(xiàn)為吸水率上升，波速變化率很低；隨著浸水時(shí)間的延長(zhǎng)，水從大孔隙逐漸進(jìn)入微孔隙內(nèi)部，水對(duì)煤柱的性質(zhì)影響開始顯現(xiàn)。吸水后煤柱變形，煤柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)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(duì)超聲波參數(shù)的影響機(jī)理

煤層是一種松軟的沉積巖體，而且煤巖內(nèi)具有無(wú)數(shù)的孔隙和裂隙，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，煤體是一類不均勻的物體。波在物體內(nèi)傳播的理論大多是建立在均勻物體假設(shè)之上的，對(duì)于煤體而言，由于孔、裂隙的尺寸d遠(yuǎn)小于彈性波的波長(zhǎng)λ，因此可以將煤巖看作一個(gè)統(tǒng)計(jì)意義上的均勻物體，可利用有效彈性參數(shù)方法進(jìn)行分析[21]。文中分別利用空間平均模型和時(shí)間平均模型分析孔隙流體對(duì)煤體超聲波參數(shù)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(shù)。

當(dāng)煤體裂隙中含有水分時(shí)，使k、μ、ρ發(fā)生變化。因此，要研究含水率對(duì)煤巖彈性波速度的影響，首先必須考察當(dāng)巖石裂隙中含水時(shí)對(duì)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(shù)；V為煤巖體積。

根據(jù)Voigt[22]提出的空間平均模型，假設(shè)外加應(yīng)力造成巖石內(nèi)各種礦物受力引起的應(yīng)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(shù)是煤巖骨架的100倍左右，而孔隙氣體的壓縮系數(shù)幾乎趨于無(wú)窮大。因此，根據(jù)式(6)、式(7)可知，只要煤巖中存在少量的孔隙流體就會(huì)引起壓縮系數(shù)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(zhì)的切向擾動(dòng)而傳播的，在巖石外施加一個(gè)剪應(yīng)力，孔隙會(huì)發(fā)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(tài)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(dāng)煤層吸水后會(huì)發(fā)生體積膨脹效應(yīng)，導(dǎo)致基質(zhì)間的孔、裂隙發(fā)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(jù)Wyllie等[23]提出的理想化巖石速度的時(shí)間平均模型，假定有一個(gè)邊長(zhǎng)為單位1的煤巖立方體，在煤體中孔隙全部集中成為一個(gè)層狀，其“厚度”即為煤巖的孔隙度。當(dāng)孔隙中部分含水時(shí)，穿過(guò)煤巖的彈性波所需時(shí)間由三部分組成，即穿過(guò)煤巖固體骨架的時(shí)間、穿過(guò)空隙中水和氣體的時(shí)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(xiàn)討論兩種極限狀態(tài)，即煤樣在干燥狀態(tài)和水飽和狀態(tài)下的情形。在干燥狀態(tài)下

(9)

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

在水飽和狀態(tài)下

(10)

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

于是

(11)

5 結(jié)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(nèi)部的裂隙體積大于X、Z方向的裂隙體積。

(2)煤樣超聲響應(yīng)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(jié)果與煤樣吸水實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論吻合，即煤樣孔隙度對(duì)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(shù)變化的非線性增長(zhǎng)，同一煤層的X、Y、Z方向煤樣縱波速度隨吸水率的變化規(guī)律總體一致。在煤柱含水飽和度較小(低于60%)時(shí)，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(shí)，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(yuǎn)小于縱波速度，這與前人的研究結(jié)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(shì)。這主要是由于縱波在含水率較低時(shí)，增長(zhǎng)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(duì)孔隙流體不敏感所致。

(5)文中分別利用空間平均模型和時(shí)間平均模型分析孔隙流體對(duì)煤體超聲波參數(shù)的影響，結(jié)果表明，縱波對(duì)于煤體孔隙流體十分敏感，孔隙流體對(duì)橫波速度幾乎沒(méi)有影響，可以利用這一性質(zhì)探測(cè)煤巖中流體的存在和運(yùn)動(dòng)。

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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(xué)土木工程學(xué)院巖土工程專業(yè)工學(xué)學(xué)士學(xué)位；2007年獲西南交通大學(xué)橋梁與隧道工程專業(yè)碩士學(xué)位?，F(xiàn)在河南理工大學(xué)攻讀安全科學(xué)與工程學(xué)院礦業(yè)工程專業(yè)博士學(xué)位。長(zhǎng)期從事煤(煤層氣)儲(chǔ)層滲透性研究。目前在河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院從事煤層氣勘探與開發(fā)相關(guān)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(qū)世紀(jì)路2001號(hào)河南理工大學(xué)土木工程學(xué)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(xiàng)研究受國(guó)家科技重大專項(xiàng)“全國(guó)重點(diǎn)煤礦區(qū)瓦斯(煤層氣)賦存規(guī)律和控制因素”(2011ZX05040-005)、河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目“煤體吸附膨脹變形各向異性特性實(shí)驗(yàn)研究”(162102310427)聯(lián)合資助。