单轴加载条件下煤岩超声各向异性特征实验
赵宇1, 张玉贵2, 周俊义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

作者简介: 赵宇(1981-),男,讲师,博士研究生,从事煤(煤层气)储层渗透性研究工作。Email:zyxgll2000@163.com

摘要

在煤岩弹性波响应特征研究中,较少系统地考虑轴压对煤岩纵、横波速度和衰减的影响。基于此,选取平煤八矿3种不同变质程度煤样,制备垂直层理、平行层理垂直面割理和平行层理垂直端割理3类煤样,进行煤岩单轴应力作用下的超声测试。实验结果表明:①在自然状态下,3种变质程度煤样3个方向的纵、横波速度以及品质因子均存在各向异性,一般情况下平行层理的两个方向纵、横波速度以及品质因子均大于垂直层理方向;②煤岩的纵、横波速度随着轴压的增加呈现先快速增加,后缓慢增大,直至煤样破坏后波速迅速降低的阶段性变化规律,横波速度阶段性变化规律不如纵波明显;③3个方向品质因子都随着应力的增加呈现先增加后减小的变化趋势,且 Qs普遍比 Qp大;④不同变质程度煤样,纵、横波速度和品质因子差异均比较明显,1/3焦煤纵、横波速度大于焦煤大于肥煤。

关键词: 单轴加载; 各向异性; 弹性波速度; 衰减; 割理
中图分类号:P631.4 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)02-0306-05
An experimental study of ultrasonic anisotropy of coal under uniaxial loading
ZHAO Yu1, ZHANG Yu-Gui2, ZHOU Jun-Yi2
1.School of Civil Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China
2.College of Safety Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China
Abstract

In the study of coal rock elastic wave response characteristics,the influence of axial compression on longitudinal wave,transverse wave velocity and attenuation has not been given enough comprehensive consideration.In view of such a situation,three kinds of coal samples which experienced different grades of metamorphism were chosen from the Pingdingshan No.8 mine.Vertical-bedding samples,parallel-bedding and vertical-face cleat samples,parallel-bedding and vertical-butt cleat samples were prepared to conduct water absorption and ultrasonic experiment.Some experimental results have been obtained:First,in the natural state,longitudinal,transverse wave velocity and quality factor in three directions of the three kinds of coal samples are anisotropic,generally longitudinal,transverse wave velocity and quality factor in two directions parallel to bedding are greater than the corresponding data perpendicular to bedding plane.Second,in the coal rock,the longitudinal and transverse wave velocity increases rapidly with the increase of axial pressure in the early stages.After that,the velocity increases slowly and the wave velocity decreases rapidly until the coal sample is destroyed,the transverse wave velocity is not as obvious as the longitudinal wave.Third,in the three directions,the quality factor increases firstly and then decreases with the increase of stress,and QS is generally larger than that of QP.Fourth,in coal samples of different metamorphic grades,longitudinal,transverse wave velocity and quality factor differences are more obvious,longitudinal,transverse wave velocity of 1/3 coke is greater than that of coking coal and that of the fat coal.

Keyword: uniaxial loading; anisotropy; elastic wave velocity; attenuation; cleat
0 引言

煤系地层结构及物性特征对煤炭的井下安全高效开采及煤层气的开发具有重大的现实意义。岩石超声波测试技术是通过研究超声波穿过岩石后的参数变化, 间接了解岩体的物理力学特性及结构特征[1, 2, 3, 4]。目前已广泛用于岩石、岩体和土体动弹性参数测试、岩体结构分类、参数确定以及岩体质量评价等方面。针对岩石的声学响应特征, 国内外学者分别从压力、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[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17], 并获得了众多的研究成果。孟召平等[5]采集石炭— 二叠系煤系地层的岩芯进行了实验室超声波测试, 研究表明沉积岩石的纵波速度和横波速度随着岩石密度、围压和含水量的增大而增大。赵明阶[6]从岩石的变形特性出发, 建立了在单轴加载、卸载和重加载过程中岩石声学特性的理论模型, 并对大理岩、灰岩和玄武岩3种岩石进行了单轴循环加载过程中的超声波测试实验, 得出岩石在单轴加载过程中, 微裂隙的闭合是影响岩石轴向声学特性的主要因素。李琼[7]对沁水盆地煤层样品进行了不同压力条件下的煤样超声波测试, 得出煤岩样的纵波、横波速度随着压力的增加而增大, 煤岩样的纵波、横波速度与压力之间表现出较好的二次项相关关系。周锋[8]模拟实际煤层埋藏应力状态条件进行煤样超声波速度测试, 得出随着围压的增加, 煤样的纵横波速都呈现增大趋势, 当围压达到10 MPa时, 煤样内部孔隙大部分已经闭合压实, 裂隙的方位会对超声波在煤岩中的传播速度产生一定的影响。

从目前研究的现状来看, 以往对于岩体超声波的研究涉及较多的主要为岩性较为均质的火成岩 6, 1819, 对于非均质程度较高的沉积岩尤其是煤体的物理力学性质的研究较少, 目前对于煤体超声特性的研究大多反应围压对煤岩超声响应特征的影响[20], 而对轴压对煤岩超声响应特征的影响鲜有报道。基于此, 笔者利用平煤八矿煤样, 按照垂直层理、平行层理垂直面割离和平行层理垂直端割离3个方向制备煤样, 采用自主研发的煤岩三轴物性特征试验系统, 进行煤岩单轴加载条件下超声响应特征测试。

1 实验研究
1.1 实验装置及煤样制备

实验采用河南理工大学煤岩三轴物性特征试验系统, 该系统可以测试不同类型煤样在单轴、三轴应力和不同孔隙压力下的物性特征。此设备超声测试部分由脉冲信号发生器、超声换能器、放大器、示波器等组成。该系统的超声换能器是集成在三轴夹持器中轴向压头上的, 可在同一状态下分别测纵波和横波。采用蜂蜜作为耦合剂同时测试纵波和横波。煤岩超声特征测试系统结构如图1所示。

实验煤样取自平煤八矿, 采集煤样基础参数见表1。考虑到煤样制备过程中, 成功率偏低, 所以井下采集煤样重点挑选边长不小于200 mm的原煤煤块, 按图2中的xyz三个方向取芯, x方向是平行层理垂直端割理方向、y方向是平行层理垂直面割理方向、z方向为垂直层理方向, 取芯后用切割机将上下端面打磨光滑、平行, 制备煤样试件Φ 50 mm× 100 mm。

图1 三轴状态下煤岩超声特征测试系统结构

表1 采集煤样基本参数表

图2 煤体结构示意及取样方向

1.2 实验方法

实验利用超声波脉冲透射法测量, 本次超声波脉冲统一选用100 kHz的稍低频率。

纵、横波速度计算按公式

vp=L/tp-tp0,  vs=L/ts-ts0(1)

进行。式中:vp为纵波速度(m/s); vs 为横波速度(m/s); L为发射接收换能器中心间的距离(m); tp为纵波在样品中的走时(s); ts为横波在样品中的走时(s); tp0ts0为测试系统的延迟时间(s)。

品质因子Q值采用振幅衰减法[21]进行计算:

Q=-πft/lnA(x)A0(2)

式中:Q为品质因子; f为主频(Hz); A0为未通过介质的子波振幅; A(x)为通过介质的透射波振幅; t为透射波初至时间(s)。

因实验需要同时测试煤样在单轴加载条件下的纵波和横波特征, 因此选取蜂蜜作为煤样与换能器之间的耦合剂, 将煤柱装入三轴岩芯夹持器, 保证煤柱与轴向压头充分接触; 开始自动加载轴压泵给煤样提供持续的单轴压力, 每加载0.5 Mpa后进行保压20 min; 然后采集纵波和横波信号, 读出、记录首波振幅, 最后将数字示波器显示的波形数据导出, 这样依次直至煤样破裂。

2 单轴加载条件下超声响应实验分析

通过实验, 获得了平煤八矿3种不同变质程度煤样在不同单轴应力下纵、横波速度和品质因子的测试数据。在加载过程中每级加载0.5 Mpa, 直至煤样破裂。表2表3分别截取了部分应力下的纵波和横波速度以及品质因子值。

表2 实验煤样vpQp测试结果
表3 实验煤样vsQs测试结果

表2表3中可以看出在未加载时, 不同变质程度煤样xyz三个方向纵、横波速度均存在明显的各向异性, 平行层理的2个方向波速明显大于垂直层理方向, 表明在煤岩成分相近的情况下, 煤样内部结构差异即本身裂隙的发育方位是造成煤岩物性特征各向异性的主要原因。

图3~6可以看出不同变质程度煤样, 纵、横波速度和品质因子差异均比较明显, 1/3焦煤纵、横波速度大于焦煤大于肥煤, 煤的变质程度影响煤体孔、裂隙的发育, 因此影响煤体超声响应特征。

图3、4可以看出煤岩轴向纵波速度随着单轴应力的增加呈现阶段性变化, 在初始压密阶段纵波速度明显增大, 品质因子Qp也逐渐增大, 随后声速呈线性缓慢增加, 而品质因子Qp变化不明显。当应力达到约90 %左右的破坏强度时, 煤岩声速有较明显的下降。这说明了煤岩在单轴加载过程中, 微裂隙的闭合是影响岩石轴向声学特性的主要因素。

图4可以看出相比于平行层理的xy方向而言, 垂直层理的z方向上Qp相对较小, 说明在单轴加载条件下纵波沿z方向要比其他两个方向衰减更严重。这与沿z方向煤样的压实效应最大有关。随着加载时间的持续, 不同变质程度煤样3个方向煤柱纵波波速和衰减变化规律相似, 且各向异性特征比较明显。

图5、6可以看出随着轴向应力的不断增加, 横波波速也呈现明显的阶段性增加特征, 但是煤样3个方向发生波速阶段性变化的拐点有所不同, 随着加载时间的延长, 波速继续增加, 直至后来煤样破坏, 波速迅速下降。1/3焦煤品质因子Qs逐渐增大, 焦煤和肥煤品质因子Qs逐渐减小, 这可能与焦煤和肥煤的裂隙比较发育有关。

图3 实验煤样vp与轴向压力统计结果

图4 实验煤样Qp与轴向压力的统计结果

图5 实验煤样vs与轴向应力的统计结果

图6 实验煤样Qs与轴向应力的统计结果

3 结论

1)煤样的纵、横波速度以及品质因子都存在各向异性, 一般情况下平行层理的两个方向纵、横波速度以及品质因子均大于垂直层理方向。

2)在单轴加载条件下, 煤岩轴向纵、横波速度随着应力的增加呈现阶段性变化规律, 在压密阶段, 波速明显增大, 品质因子显著增加; 随后声速呈线性缓慢增加, 而衰减系数则缓慢减小; 这说明了岩石在单轴加载过程中, 微裂隙的闭合是影响岩石轴向声学特性的主要因素。

3)不同变质程度煤样, 纵、横波速度和品质因子差异均比较明显, 再次印证了煤的变质程度影响煤体孔、裂隙的发育, 因此影响煤体超声响应特征。

4)对于含水(气)煤体超声特征与各向异性机理研究, 目前通过实验研究也初步得出随着煤样吸水率的不断增加, 其纵波速度逐渐增加, 横波速度略有波动, 但变化幅度远小于纵波。由于煤对气体的吸附效应, 在轴压和围压保持不变的条件下, 煤柱从负压状态到注气吸附状态并随着注气时间的延长, 波速是先下降, 然后缓慢升高。这对于进一步研究含水(气)煤体承压条件下的超声响应规律奠定了基础。

The authors have declared that no competing interests exist.

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