六種不同煤階煤的品質(zhì)因子特征

許小凱，王赟，孟召平

1 中國礦業(yè)大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京 100083

2 中國科學院地球化學研究所，貴陽 550002

3 中國地質(zhì)大學（北京），北京 100083

1 引言

煤巖的品質(zhì)因子是衡量煤巖對地震波能量、頻率吸收衰減能力的重要指標.對于一般致密、剛性巖石的品質(zhì)因子研究，國內(nèi)外學術(shù)與生產(chǎn)部門已做過大量的測試工作（趙明階和徐蓉，2000；何元金和馬興晟，2003；馬占國等，2005）.對于品質(zhì)因子在井下與地面地震探測中的應用，國內(nèi)外的報道更多（韓德品等，2009；White，1992；Wang Y，2002）.但由于煤巖制樣困難，關(guān)于煤巖的品質(zhì)因子研究，目前大多基于井下巷道的實際地震觀測和信息解譯來探索煤層吸收衰減特征與煤巖結(jié)構(gòu)、物性之間的關(guān)系.例如，張平松等（2006）通過井下巷道的聲波探測試驗發(fā)現(xiàn)煤層突出危險性與煤層的衰減系數(shù)呈正相關(guān)，與煤層品質(zhì)因子呈負相關(guān)；劉盛東等（2005）和趙秋芳（2008）等基于彈性波在介質(zhì)中傳播的衰減理論，利用地震縱波探測技術(shù)對淮南礦區(qū)多個煤礦的高突煤層和低突煤層、鄭州大平礦高突煤層及山東淄博嶺子礦不含瓦斯煤層進行探測和衰減試驗，分析了不同煤層的縱、橫波波速、煤體彈性模量、孔隙率特征；重點研究了煤層突出性和非突出性與煤層固有主頻值、頻譜特征、地震波在不同煤層中的吸收衰減系數(shù)和反映煤體物理性質(zhì)和狀態(tài)的品質(zhì)因子Q值之間的相關(guān)性，提出了以煤層固有頻率和品質(zhì)因子Q值為預測參數(shù)對煤層進行分類的新方法；Krey（Krey，1963，Krey et al.，1982）和 Buchnan 等（1978；1983；1985）分別從煤礦井下巷道地震波探測的角度，探索了地震波的能量、頻率的吸收衰減特征及槽波能量在不同方向上的吸收衰減各向異性特征.

少量關(guān)于煤巖品質(zhì)因子實驗室測量研究主要以煤樣（湯紅偉等，2009）或相似物理模型的超聲頻譜分析為主.例如，Nie等（2007）從改善煤儲層滲透率的角度研究了聲發(fā)射的頻率、強度與煤巖聲阻抗的關(guān)系及其在煤巖中的衰減機制，探索利用聲發(fā)射技術(shù)提高煤層氣采收率的方法；李建樓和嚴家平（2010）通過煤體的密閉物理模擬試驗研究認為聲波振動有利于改造煤體的滲透能力；并認為聲波能量與頻率的損耗由熱損耗、發(fā)散熱等多種原因引起；趙群和郝守玲（2005；2006）通過對某一種煤巖多面體模型超聲試驗，研究了煤巖縱波與橫波能量吸收衰減隨方位呈現(xiàn)W型的各向異性特征；縱波吸收衰減的方位各向異性強于縱波傳播速度的各向異性；縱波衰減隨裂隙方位的變化明顯大于橫波，縱波速度隨裂隙方位的變化小于橫波變化幅度.

目前煤巖品質(zhì)因子的研究，由于井下多分量地震技術(shù)尚未大規(guī)模開展應用，對縱波品質(zhì)因子研究較多，橫波較少；涉及縱橫波品質(zhì)因子及其各向異性的研究更少.理論上，不論對于瓦斯與煤突出的災害預防，還是構(gòu)造與巖性的探測，研究煤巖對縱波、橫波的吸收衰減特征及變化規(guī)律對于提高煤田地震勘探的精度十分有意義（Lu and Wang，2010）.為此，本文在6種不同煤階煤巖超聲彈性測量的基礎(chǔ)上，重點分析煤巖縱波與橫波的吸收衰減特征與煤巖變質(zhì)程度的關(guān)系，并進一步討論它們與縱橫波速度的關(guān)系；從多分量地震探測的角度，著重分析縱波與橫波品質(zhì)因子的相互換算關(guān)系及存在的規(guī)律，為多分量轉(zhuǎn)換橫波的吸收衰減補償提供試驗與物性依據(jù).實驗室的超聲測量對于認識煤巖的地震波速度和品質(zhì)因子特征具有參考意義.

2 原煤樣品彈性測試

2.1 待測樣品信息

試驗所采取的樣品來自8個不同的礦區(qū)，代表了6種不同煤階的煤巖，如表1所示.采樣過程中為測試不同方向的煤巖品質(zhì)因子，分別對采樣煤層標明了垂直層理方向、傾向與走向.為滿足彈性測試的需要煤巖被加工成邊長6cm的立方體，共25塊，如圖1所示.煤巖樣品鏡質(zhì)組最大反射率（Romax）測試結(jié)果如表1所示，其中相同變質(zhì)程度煤巖的參數(shù)給出的是不同巖樣的平均值.

表1 測試樣品信息Table 1 Coal samples′information

2.2 超聲測量

圖1 待測試驗樣品Fig.1 Photos of coal samples

圖2 數(shù)字化脈沖法聲波測試系統(tǒng)框圖Fig.2 Diagram of digital pulse sonic testing system

圖3 煤樣測速示意圖Fig.3 Schematic diagram of ultra－sonic measurement of coal sample

本次超聲試驗采用常溫常壓（室溫、一個大氣壓）行波傳播－脈沖透射的方法進行測試（何元金和馬興晟，2003；伍向陽，2000）.整套儀器由脈沖信號發(fā)生器、超聲換能器、放大器和示波器組成，如圖2所示.實驗使用的是壓電陶瓷柱狀縱橫波換能器；為保證樣品與換能器耦合良好，測試縱波時采用凡士林進行耦合，測試橫波時采用蜂蜜耦合.由于測試煤樣為邊長6cm的立方體，選用超聲的低頻段，主頻為100kHz；整個測量系統(tǒng)誤差小于1%；考慮到煤巖的特殊性，最大誤差不超過3%.

本次超聲測量從25塊煤巖中選取8塊（代表6種煤階）相對較完整、具有平整平面的樣品，分別測量了煤巖沿煤層走向、傾向和垂向3個方向的縱橫波透射波形；同時還測量了一個與煤樣尺寸相同的標準鋁塊，如圖3所示.

為與煤田人工地震的觀測方式相統(tǒng)一，分別以x、y、z分別代表煤層的走向、傾向和垂直層理的方向.如圖3所示，Vx、Vy、Vz分別表示沿煤層走向、傾向和垂直層理的縱波速度.橫波振動方向與波前方向垂直，由于煤樣中裂隙的存在，橫波通過煤樣傳播會分裂成兩個相互垂直的橫波，所以橫波沿煤樣某個方向傳播時會有兩個速度值.以沿x方向傳播為例，沿x方向傳播的橫波有Vxy與Vxz，下標的第一個字母x代表橫波傳播的方向，第二個字母代表與傳播方向垂直的方向（即橫波振動方向），即Vxy表示橫波沿x傳播，振動方向與y平行；Vxz表示沿x傳播，振動方向與z平行.

2.3 品質(zhì)因子Q計算

在采集煤巖樣品三方向縱波與橫波透射波的基礎(chǔ)上，本文品質(zhì)因子的計算采用譜比法（Tonn，1991；孫進忠等，1988），其結(jié)果如表2所示.

表2 煤樣Q值計算表Table Calculated Qof the coal samples

3 實驗數(shù)據(jù)分析

3.1 煤巖變質(zhì)程度與品質(zhì)因子的關(guān)系

通過煤巖的鏡質(zhì)組反射率（Romax）分別與QP值、QS值回歸分析，可以得到煤巖鏡質(zhì)組最大反射率與QP值、QS值線性相關(guān)，QP值、QS值隨煤巖鏡質(zhì)組反射率的增加而增大，見圖4、5.鏡質(zhì)組反射率與煤的分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，尤其是在煤化作用過程中形成的芳香稠環(huán)的類石墨層，對煤的反射率影響較大.由于煤的變質(zhì)程度越高，芳香族稠環(huán)縮合程度不斷增加，微晶結(jié)構(gòu)不斷有序化，基本結(jié)構(gòu)單元定向生長和優(yōu)先拼疊使堆砌度增大、平面碳網(wǎng)中的芳環(huán)環(huán)數(shù)增多、層面間距減小，芳香稠環(huán)體系增大；結(jié)構(gòu)的有序化提高了煤中波能量的傳遞效率.

圖4 鏡質(zhì)組最大反射率（Romax）與QP值的關(guān)系Fig.4 Romaxversus QP

圖5 鏡質(zhì)組最大反射率（Romax）與QS值Fig.5 Romaxversus QS

其中，沿傾向與走向方向的縱波品質(zhì)因子、橫波品質(zhì)因子與鏡質(zhì)組最大反射率的相關(guān)性均大于垂直層理方向的，平均相關(guān)系數(shù)大于90%；橫波品質(zhì)因子與鏡質(zhì)組最大反射率的相關(guān)性要好于縱波品質(zhì)因子與鏡質(zhì)組最大反射率的相關(guān)性，平均在96%以上.這與橫波沿骨架傳播，其品質(zhì)因子主要反映煤巖固體骨架的物性特點相吻合.

3.2 縱波速度與QP的關(guān)系

在實際地震資料處理過程中，Q值的求取一般通過掃描近似獲得（Wang，2003，2004，2006；Wang and Guo，2004）；而速度是經(jīng)常使用的參數(shù)，若能建立速度與品質(zhì)因子之間的關(guān)系，則可以為Q值掃描提供初始的、相對精確的模型.本次實驗通過三方向QP值與相同方向傳播的縱波速度回歸分析，可以看出三方向QP與VP正相關(guān)，QP隨著VP的升高呈增大趨勢，即縱波速越大，縱波能量的吸收衰減越?。淮怪睂永矸较虻目v波速度與QP相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)高達98.9%；傾向與走向方向的較差，其中走向縱波速度與走向QP相關(guān)性最差，相關(guān)系數(shù)只有56%，見圖6，這與煤巖的縱向壓實沉積和廣泛發(fā)育的平行層理構(gòu)造是有關(guān)系的.

圖6 縱波速度與QP關(guān)系Fig.6 P－wave velocity versus QP

3.3 橫波速度與QS的關(guān)系

在多分量地震數(shù)據(jù)處理過程中，橫波Q值的取得一般通過掃描或縱波品質(zhì)因子與速度比換算獲得（Wang et al.，2009；Yan and Liu，2009），因此建立橫波速度與橫波品質(zhì)因子之間的關(guān)系也是非常有意義的.本次實驗經(jīng)過三方向QS值與相同方向傳播橫波速度（取不同偏振方向橫波的速度均值）回歸分析，可以看出各方向QS與VS正相關(guān)，QS隨著VS的升高呈增大趨勢，即橫波速越大，橫波能量的吸收衰減越小；橫波速度在垂直層理方向上與相同方向的QS相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)高達96%；在其它方向上相關(guān)性較差（見圖7），這與煤巖的縱向壓實沉積和廣泛發(fā)育的平行層理構(gòu)造是有關(guān)系的.

3.4 Qp與QS間的關(guān)系

為配合多分量地震數(shù)據(jù)的處理，建立垂向橫波品質(zhì)因子與縱波品質(zhì)因子之間的關(guān)系是關(guān)鍵步驟之一（Wang et al.，2009）.本次實驗通過沿垂直方向QP值與沿相同方向傳播橫波的QS值（該方向的橫波速度取同方向快慢橫波速度的均值）回歸分析，可以看出QP與QS線性相關(guān)，見圖8.為重點說明在轉(zhuǎn)換橫波處理中的應用，本圖沒有顯示另外兩個方向的回歸關(guān)系.

圖7 橫波速度與QS關(guān)系Fig.7 S－wave velocity versus QS

圖8 垂向QP與QS線性回歸圖Fig.8 Linear fitting between QPand QS in vertical direction

3.5 煤巖品質(zhì)因子的各向異性

在本次實驗的基礎(chǔ)上，通過三方向縱橫波的傳播試驗，我們還研究了煤巖品質(zhì)因子的各向異性特征.如表4所示，以A＝2×（Q1－Q2）／（Q1＋Q2）（Q1與Q2分別表示對比的兩方向品質(zhì)因子，單位dB）表示兩方向品質(zhì)因子之間的各向異性大小.可見：縱波的品質(zhì)因子各向異性強于橫波的；通過與速度各向異性（王赟等，2012）的對比，品質(zhì)因子的各向異性強于速度各向異性.這一結(jié)論認識與趙群和郝守玲（2005），Liu et al（2007），的結(jié)論相同，對于各向異性地震理論和多波技術(shù)的研究，這將會是個很好的啟示.

表3 煤樣QS實驗測量值與理論公式計算值的對比Table 3 Comparison between the measured QSin the lab and the theoretical calculated

表4 煤巖的三方向品質(zhì)因子各向異性Table 4 Anisotropy of quality factors in the xyz directions

4 結(jié)論

對于地震數(shù)據(jù)處理中的吸收衰減補償和介質(zhì)屬性的重要指示參數(shù)－品質(zhì)因子的研究，本文通過6種不同煤階煤巖、三方向的超聲測量和數(shù)據(jù)分析，可以獲得如下結(jié)論：

（1）煤巖的品質(zhì)因子與鏡質(zhì)組的最大反射率之間存在良好的線性相關(guān)性，且橫波品質(zhì)因子與鏡質(zhì)組最大反射率的相關(guān)性最好.因此，利用多波勘探預測煤巖煤階是可行的.

（2）垂直層理方向的品質(zhì)因子與速度之間存在良好的線性相關(guān)性，在實際多波數(shù)據(jù)處理中，在已知垂向速度的情況下建立品質(zhì)因子的初始模型是可行與合理的.

（3）垂直層理的縱波品質(zhì)因子與橫波品質(zhì)因子間近似存在線性相關(guān)性，與理論近似公式符合，也從物理實驗上證明了理論近似公式的適用性.

（4）煤巖品質(zhì)因子間存在明顯的各向異性，且強于速度的各向異性；雖然品質(zhì)因子的求取存在諸多問題，但這一結(jié)論對于我們?nèi)绾纬浞掷玫卣鸩ǖ膭恿W信息，拓寬各向異性的研究與指示范圍是有重要意義的.

由于煤巖制樣的困難，本次實驗樣品數(shù)偏少，不能給出規(guī)律性較強的結(jié)論，只列出探索性的測試分析結(jié)果；且由于煤巖層理、割理、裂縫發(fā)育，橫波分離、波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象嚴重，給橫波初至的拾取和品質(zhì)因子計算帶來了一定的影響.但本文所獲得的結(jié)論對于認識不同煤階煤巖的吸收衰減特征及對煤田多波地震數(shù)據(jù)處理、反演的意義是明顯的.

致 謝 感謝中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所的伍向陽研究員和中國石油大學（北京）的魏建新研究員在煤巖超聲測量中給予的指導和幫助，感謝申振華與成林碩士所做的制樣與實驗室測量工作.

（References）

Buchanan D J.1978.The propagation of attenuated SH－channel waves.GeophysicalProspecting，26（1）：16－28.

Buchanan D J.1985.In－seam seismology：a method for detecting faults in coal seams／／Fitch A A.Developments in Geophysical Exploration Methods－5.Applied Science Publishers LTD，71－109.

Buchanan D J，Jackson P J，Davis R.1983.Attenuation and anisotropy of channel waves in coal seams.Geophysics，48（2）：133－147.

Han D P，Zhao P，Li D.2009.Application status and development prospects of mine geophysical exploration technology.Progress inGeophys.（in Chinese），24（5）：1893－1849.

He Y J，Ma X K.2003.Experiments in Modern Physics.Beijing：Tsinghua University Press，198－206.

Krey T.1963.Channel waves as a tool of applied geophysics in coal mining.Geophysics，28（5）：700－714.

Krey T，Arnetzl H，Knecht M.1982.Theoretical and practical aspects of absorption in the application of in－seam seismic coal exploration.Geophysics，47（12）：1645－1656.

Li J L，Yan J P.2010.Experimental study of acoustic effects on coal gas permeability.JournalofChinaCoalSociety，35（S1）：81－85.

Liu S D，Zhao Q F，Zhang P S，et al.2005.Test and research on relationship between seam gas features and vibration wave parameters.CoalScienceandTechnology，33（11）：33－36.

Liu E，Chapman M，Varela I，et al.2007.Velocity and attenuation anisotropy：implication of fracture characterizations.The LeadingEdge，26：1170－1174.

Lu J，Wang Y.2010.Seismic wave propagating in Kelvin－TI media.AppliedGeophysics，7（4）：368－375.

Ma Z G，Mao X B，Li Y S，et al.2005，Experimental study on influence of temperature on the mechanical properties of coal.GroundPressureandStrataControl，（3）：198－206.

Nie B S，He X Q，Li X C，et al.2007.Research on attenuation characteristic of sound wave in coal or rock body.Journalof CoalScience＆Engineering（China），13（2）：154－158.

Sun J Z，Zhao H R，Zhang K Y.1988.Supersonic methods for determining theQvalue of material.OilGeophysicalProspecting，23（6）：699－708.

Tang H W，Cheng J Y，Wang S D.2009.The test results and its analysis of deep coal seam and rock sample.ChinaCoal，35（9）：75－78，81.

Tonn R.1991.The determination of the seismic quality factorQfrom VSP data：A comparison of different computational methods.GeophysicalProspecting，39（1）：1－27.

Wang Y.2002.A stable and efficient approach to inverseQfiltering.Geophysics，67（2）：657－663.

Wang Y.2003.Quantifying the effectiveness of stabilized inverseQfiltering.Geophysics，68（1）：337－345.

Wang Y.2004.Qanalysis on reflection seismic data.GeophysRes.Lett.31：L17606.

Wang Y.2006.InverseQ－filter for seismic resolution enhancement.Geophysics，71：V51－60.

Wang Y，Guo J.2004.Seismic migration with inverseQfiltering.Geophys.Res.Lett.31：L21608.

Wang Y，Lu J，Shi Y，et al.2009.PS－waveQestimation based on the P－waveQvalues.J.Geophys.Eng.，6（4）：386－389.

Wang Y，Xu X K，Zhang Y G.2012.Characteristics of P－and S－wave velocities and their relation－ships with density of six metamorphic kinds of coals.ChineseJ.Geophys.，55（11）：3754－3761.

White R E.1992.The accuracy of estimatingQfrom seismic data.Geophysics，57（11）：1508－1511.

Wu X Y.2000.Research on Sonic velocity and its properties of hydrocarbon fluids［Ph.D.Thesis］.Beijing：Institute of Geophysics，Chinese Academy of Sciences.

Yan H，Liu Y.2009.Estimation ofQand inverseQfiltering for prestack reflected PP－and converted PS－waves.Applied Geophysics，6：59－69.

Zhang P S，Liu S D，Zhao Q F，et al.2006.Factor analysis on seam reduced features and quality in Huainan Mining Area.Coal ScienceandTechnology，34（5）：83－85.

Zhao M J，Xu R.2000.The present situation and prospect of the acoustic properties research in rock.JournalofChongqing JiaotongInstitute，19（2）：79－85，98.

Zhao Q F，Hou Y，Liu S X.2008.The pilot study on characteristics of the seismic wave spectrum and gas content of coal seam.JournalofHenanPolytechnicUniversity，27（6）：615－618.

Zhao Q，Hao S L.2005.Testing anisotropy of ultrasonic velocity and attenuation in coal samples.OilGeophysicalProspecting，40（6）：708－710.

Zhao Q，Hao S L.2006.Anisotropy test instance of ultrasonic velocity and attenuation of coal sample.ProgressinGeophysics，21（2）：531－534.

附中文參考文獻

韓德品，趙鐠，李丹.2009.礦井物探技術(shù)應用現(xiàn)狀與發(fā)展展望.地球物理學進展，24（5）：1839－1849.

何元金，馬興昆.2003.近代物理實驗.北京：清華大學出版社.

李建樓，嚴家平.2010.聲波作用對煤體瓦斯?jié)B透性影響的實驗研究.煤炭學報，35（S1）：81－85.

劉盛東，趙秋芳，張平松等.2005.煤體瓦斯特征與震波參數(shù)關(guān)系的試驗研究.煤炭科學技術(shù)，33（11）：33－36.

馬占國，茅獻彪，李玉壽等.2005.溫度對煤力學特性影響的實驗研究.礦山壓力與頂板管理，（3）：46－48.

孫進忠，趙鴻儒，張寬一.1988.材料Q值的超聲波測定方法.石油地球物理勘探，23（6）：699－708.

湯紅偉，程建遠，王世東.2009.深層煤礦床的煤巖樣物性測試結(jié)果與分析.煤炭科技，35（9）：75－78，81.

伍向陽.2000.石油流體中聲波速度及其相關(guān)性質(zhì)研究［博士論文］.北京：中國科學院地球物理研究所.

張平松，劉盛東，趙秋芳等.2006.淮南礦區(qū)煤層衰減特征及品質(zhì)因子分析.煤炭科學技術(shù)，34（5）：83－85.

趙明階，徐蓉.2000.巖石聲學特性研究現(xiàn)狀及展望.重慶交通學院學報，19（2）：79－85，98.

趙秋芳，侯懿，劉順喜.2008.煤層波譜特征與瓦斯含量的試驗研究.河南理工大學學報，27（6）：615－618.

趙群，郝守玲.2005.煤樣的超聲速度和衰減各向異性測試.石油地球物理勘探，40（6）：708－710.

趙群，郝守玲.2006.煤樣的超聲速度和衰減各向異性測試實例.地球物理學進展，21（2）：531－534.

王赟，許小凱，張玉貴，2012.6種不同變質(zhì)程度煤的縱橫波速度特征及其與密度的關(guān)系.地球物理學報，55（11）：3754－3761.