第二章 煤样测试速度

中国矿业大学博士学位论文
20
3 煤岩速度测试
速度是煤田高分辨率地震勘探指示煤、岩石弹性重要参数。

3.1 煤岩速度测试原理与方法
一、表征体积
Hudosn 指出随着岩样尺寸的变化，所得出岩石特性参数也是不同的，但当岩样达到一定尺度时，则其参数趋于定值，这样的岩样体积称之表征体积，表征体积是岩样的临界尺寸[70]。

煤储层是由气、水、煤基质等组成的地质体，煤基质为芳香碳层和侧链组成的大分子结构，而其中流体水、甲烷等直径零点几微米，且流体在煤岩体中的赋存方式也较为复杂，其间的相互作用、流动机制及平衡方式目前还难以通过实验观测，从分子水平研究目前还达不到。

在微观水平上流体与煤基质分别在各自的区域，流体通过裂隙、孔隙流动，它们之间相互作用必须通过流、固两相界面上的边界效应来反映。

而煤储层流、固相耦合是固体区域相互包含，因而将煤储层视为一定大小，包含裂隙、孔隙和基质骨架的质点。

现在的任务是确定围绕孔隙、裂隙介质的质点表征体积元大小。

体积元应当比整个研究区域尺寸小，否则平均的结果就不能代表在质点所发生的特性；另一方面，表征体积元与单个孔隙、裂隙比较又必须足够大，并且包含足够多的孔隙、裂隙，这样才能按各向异性介质分析。

二、实验方法
1、速度测试装置
用超声频率对压缩波（P ）和剪切波（S ）速度进行测量。

测定过程把接收换能器与发射换能器置于煤、岩样品的两侧，如图3.1测量法结构示意图。

测试装置按一个垂直于煤层面（z ）、二个平行于煤层面（x 、y ）三维方向超声波纵波速度V P 和横波速度V S ，使用SYC-2型岩石声波仪，换能器频率200～750Hz ，记时精度0.1μs ，波形初至清晰，横波容易辨认，保证了纵、横波速度的准确性。

煤、岩样密度按煤质分析规范执行。

2、测试煤、岩样
测试煤、岩样采自我国东部主要产煤区淮北矿区朔里、张庄、朱庄、芦岭煤矿和兖州矿区共5个矿，煤样及其顶底板岩样200多块。

换能器
换能器
第三章 煤岩速度测试
21
3、样品制备
从矿井新揭露的工作面上，采取边长大于30cm ，且规则大煤块，用黑塑料
袋包装，再用宽胶带包扎好，运到地面。

在室内，根据实验要求，将煤、岩样端面切平整，加工精度按国际岩石力学学会推荐标准进行（图3.2）。

4、测试内容
速度测试项目是在大气压下、自然
风干48小时以上，每个煤样要进行3个方向纵波与横波速度测量。

3.2 测试数据处理
每一个煤样、岩样在速度测试时均记录波形，对于波形以示波器显示照相的形式记录。

一、速度计算
波速测量是利用脉冲透射方法实现的，即利用超声波透射测量样品的路程长度L 除以透射时间的走时t 来计算被测介质的波速
t L V /= (3.2.1) 对于P 波测量以P 波换能器，S 波速度测量以P 波的波形曲线读取S 波的波至，
二、密度测试与计算
按实验室化验煤样的规定称煤、岩样总重量(m )，对于形状规则煤、岩样，再根据其形状测量边长的大小，计算其总体积（V ）；而对形状不规则的煤样利用排水法测量它的总体积（V ），最终确定煤、岩样的密度ρ为
V
m
=ρ (3.2.2)
三、泊松比计算
对于某一介质来说，由于()
2
/1/)2(ρμλ+=P V 和()
2
/1/ρμ=S V ，则
2
/12
/115.02⎪
⎭
⎫
⎝⎛--=⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛+=σσμλμS P V V ，其中λ、μ为拉梅常数。

3.3 煤、岩三方向速度特性
煤、岩样三个方向是指垂直煤层层面方向（Z ）与顺着煤层面的两个（X 与Y ）方向。

煤、岩样三方向测试岩样取自淮北朔里、张庄、朱庄煤矿3、5
煤层与其煤
中国矿业大学博士学位论文
22
层与其煤层顶底板。

一、煤层顶底板泥岩三方向速度特性
煤层顶底板泥岩测试结果见表3.1。

由表中可见，密度2.334～2.823 g/cm 3， 其平均值2.64 g/cm 3，X 方向纵波速度V XP 为1456～4591m/s ，其平均值3509m/s ；X 方向横波速度V XS 为896～2634m/s ，其平均值1896m/s ；Y 方向纵波速度V YP 为1594～4316m/s ，其平均值3368m/s ；Y 方向横波速度V YS 为915～2500m/s ，其平均值1824m/s ；Z 方向纵波速度V ZP 为1152～4374m/s ，其平均值2713m/s ； Z 方向横波速度V ZS 为569～2146m/s ，其平均值1479m/s 。

由图3.3得出结论，在X 、Y 和Z 同方向上纵波与横小组超声速度具有较好的相关性，在不同方向相同类型的超声速度具有一定的相关性，但是不同方向类型的超声速度相关性较差，密度 与纵横波速度的相半性也较差。

同时，同类型波顺层面方向速度大于垂直于垂直层面的速度，表明泥岩速度各向异性很弱。

表3.1 煤层顶底板泥岩三方向纵横波速度
第三章煤岩速度测试
二、煤层顶底板砂质泥岩三方向速度特性
煤层顶底板除了泥岩外，还常有砂质泥岩，砂质泥岩的超声波速度、密度均比泥岩要大（表3.2），砂质泥岩的纵、横波速度及密度关系表明（图3.4），在X、Y 和Z同方向上纵波与横波超声波速度具有较好的相关性，在不同方向相同类型的超声波速度具有一定相关性，但是不同方向不同类型的超声波速度相关性较差，密度 与纵横波的速度相关性也较差。

测试结果表明，表明砂质泥岩速度各向异性较弱。

23
中国矿业大学博士学位论文
密度 ，g/cm密度
第三章煤岩速度测试
表3.2 煤层顶底板砂质泥岩三方向纵横波速度
25
中国矿业大学博士学位论文
26
密度 ，g/cm 2.6密度
第三章 煤岩速度测试
27
三、煤样的三方向速度特性
煤样的煤种为气煤，易碎，三个方向超声波速度测试结果见表3.3。

由表中可见，密度1.304～1.73 g/cm 3， 其平均值1.451 g/cm 3，X 方向纵波速度V XP 为1115～2941m/s ，
表3.3 煤样三方向纵横波速度
28
第三章煤岩速度测试
29
中国矿业大学博士学位论文
30
其平均值1999m/s ，X 方向横波速度V XS 为468～1612m/s ，其平均值1068m/s ；Y 方向纵波速度V YP 为1067～2791m/s ，其平均值1834m/s ；Y 方向横波速度V YS 为460～1425m/s ，其平均值971m/s ；Z 方向纵波速度V ZP 为123～2372m/s ，其平均值1597m/s ； Z 方向横波速度V ZS 为228～1272m/s ，其平均值852m/s 。

三个方向超声波速度以及密度关系见图3.5，可得出结论：
1、煤样在X 、Y 和Z 同方向纵波与横波超声波速度具有较好的相关性；
2、煤样不同方向、不同波型超声波速度相关性要比煤层顶板泥岩相关性要差，表明煤层各向异性要大；
3、煤样的密度与速度关系不明显，但总的趋势随着煤样密度增加纵、横波速度增大。

煤块的波速具有突出的方向性，层状结构和构造特征越明显，波速的的方向性差异越明显。

承压换能器，纵波换能器频率850kHz ，横波换能器频率450kHz 。

测定在一定围压下，不同轴向压力纵、横波到达时间及长度，计算纵、横波速度。

煤样加工成圆柱状，煤种为肥煤。

三轴压力下煤样速度测试数据由傅雪海（2001年）提供。

三轴压缩实验条件下煤速度测试是在围压8MPa ，轴压为100MPa ，加载速率为0.035MPa/s ， 测试结果见表
表3.4 三轴压力下（围压8MPa ）煤样速度测试（据傅雪海，2001年）
第三章 煤岩速度测试
31
3.4与图3.6所示。

在压实初始阶段，当轴压力向由0增加到10MPa 时，煤样的压实程度增加，裂隙开度的变小，裂隙密度增加显著，轴向纵、横波速度变化大，而泊松比由0.37增加到0.38；随着轴向应力继续增大，裂隙密度与开度基本稳定，轴向纵、横波速度不变，泊松比不变。

3.4 小结
1、煤、岩速度测试是研究煤层弹性基础。

速度测量采用超声波透视法，测量的速度包括P V 、S V 。

测试自然风干煤、岩样采自我国东部主要产煤区淮北矿区朔里、张庄、朱庄等矿，煤样及其顶底板岩样200多块。

2、完成多样本顺煤层面（X 与Y ）、垂直煤层面（Z ）三方向煤与其顶底板泥岩、砂质泥岩的纵、横速度测试。

测试结果表明：
（1）煤层顶板泥岩、砂质泥岩在X 、Y 和Z 同方向上纵波与横波超声波速度具有较好的相关性，在不同方向相同类型超声波速度具有一定相关性，同时同类型波顺着煤层面方向速度与垂直于煤层面方向的速度具有一定的相关性，因而泥岩、砂质泥岩速度各向异性较弱，密度与纵横波的速度相关性也较差。

（2）煤样在X 、Y 和Z 同方向纵波与横波超声波速度具有较好的相关性，煤样不同方向、不同波型超声波速度相关性要比煤层顶板泥岩、砂质泥岩相关性要差，表明煤层各向异性要大。

煤样的速度具有突出的方向性，层状结构和构造特征越明显，波速的的方向性差异越明显。

煤样的密度与速度关系不明显。

3、煤与其顶、底板泥岩、砂质泥岩相比具有较大的各向异性。

4、三轴压力下煤速度在压实初始阶段，随着煤样的压实程度增加，裂隙开度的变小，裂隙密度增加显著，轴向纵、横波速度变化大，而泊松比增加；随着轴向应力继续增大，裂隙密度与开度基本稳定，轴向纵、横波速度不变，泊松比不变。