构造煤地球物理响应研究.pdf

全日制硕士学位论文 申请人姓名 成林 指导教师 张玉贵、张子敏 学位类别 工学硕士 专业名称 矿业工程（安全技术及工程） 研究方向 瓦斯地质理论与应用 河南理工大学河南理工大学安全科学与工程安全科学与工程学院学院 二○二○一一二二年年 六六 月月 构造煤地球物理响应研究构造煤地球物理响应研究 万方数据 中图分类号中图分类号 密密 级公开级公开 UDC 单位代码单位代码10460 构造煤地球物理响应研究 Research on Geophysical Response of Deed Coal 申请人姓名申请人姓名 成林成林 申 请 学 位申 请 学 位 工学硕士工学硕士 学 科 专 业学 科 专 业 安全技术及工程安全技术及工程 研 究 方 向研 究 方 向 瓦斯地质理论与技术瓦斯地质理论与技术 导师导师 张玉贵张玉贵 职称职称 教授教授 张子敏张子敏 教授教授 提 交 日 期提 交 日 期 2012.4 答 辩 日 期答 辩 日 期 2012.6 河南理工大学 万方数据 河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 学 学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发 表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声 明并表示了谢意。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 河南理工大学河南理工大学 有权保留并向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 河南理工大河南理工大 学学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播， 可以采 用影印、缩印或扫描等手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书。保密的学位论文在解密后适用本授权书。 学位论文作者签名学位论文作者签名 指导教师签名指导教师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 万方数据 致致 谢谢 时光荏苒，三年的硕士学习生活即将结束，值论文完成之际，衷心感谢所有 关心、帮助、支持我的人。 感谢尊敬的张玉贵教授和张子敏教授对我的学习进步所倾注的心血、为我为 人处世给予的精心指导、对我日常生活无微不至的关怀。两位导师严谨求实的治 学态度、务实创新的科研作风和宽厚待人的高尚品质使学生受益终生。两位导师 在我论文开题、研究、审阅上花费大量时间和精力，给予大量的指导，为论文顺 利完成提供了保障。在此，谨向两位导师致以崇高的敬意和衷心的感谢同时感 谢师母江林华女士，感谢她对我学习和生活的关心和帮助。 感谢王赟研究员在论文期间给予的指导及生活上的帮助，王赟老师高瞻的科 学思维方式及严谨的治学精神，不断激励着我、感染着我；感谢中国科学院地质 与地球物理研究所芦俊老师、杨春颖师姐、张建利师兄、刘媛媛、杨维在学习上 给予的指导；感谢颜中辉、杨振给予的生活上的帮助。 在充满学术气氛、具有团队精神的瓦斯地质研究所里，我得到了崔洪庆老师、 张明杰老师、魏国营老师、蔡成功老师、曹运兴老师、贾天让老师、闫江伟老师、 谭志宏老师、钟福平老师以及其他一些老师等给予的莫大关心和指导，与他们结 下了不解的师生情谊，在此谨向他们致以诚挚的谢意与高然超、李恒乐、侯海 海、许小凯、薛浩、赫少攀等研究生同学的交流使我受益匪浅，在此一并向他们 表示真诚的谢意感谢安全科学与工程学院的领导和老师、瓦斯地质研究所全体 老师、研究生处的领导和老师在求学的过程中提供的优雅环境和学习条件。 感谢所引用参考文献的作者，他们卓有成效的工作业绩，让我受益匪浅。 感谢我的父母和亲人，正是他们在学习和生活上的支持和鼓励，才使我能够 顺利完成学业。 最后，衷心感谢各位专家在百忙之中对本论文给予评审。由于作者水平和时 间的限制，文中难免有不足、疏漏甚至错误，恳请各位专家给予批评指正，以便 在今后的工作中进一步修正、完善。感谢参加论文答辩的各位评委。 万方数据 I 摘摘 要要 构造煤是影响煤矿开采和煤层气抽采的主要因素。煤与瓦斯突出事故严重制 约着煤矿安全生产，而一定厚度的构造煤分层的存在是引起煤与瓦斯突出的必要 条件。利用地球物理技术预测构造煤目前尚处于探索阶段， 研究构造煤的地球物理 响应特征，主要是地震弹性响应特征是实现地球物理技术预测构造煤的物理基础， 对煤矿安全生产以及煤矿瓦斯防治具有非常重要的现实意义。 本论文以研究构造煤地球物理响应为目的，通过对采自不同矿区、4 种不同变 质程度构造煤岩的实验室常温常压条件下的弹性测试，研究了构造煤岩的纵横波 速度特征、衰减特征、弹性模量；并与对应相同变质程度的原生结构煤进行对比。 超声测量发现构造煤样的纵波、横波速度均与煤岩视密度存在线性相关关系， 纵横波速度相关性良好；纵横波速比原生结构煤岩有所降低。利用振幅衰减法计 算弹性波动能量在构造煤样品传播过程中的衰减值，发现构造煤岩纵、横波速度 与 Q 值线性相关，Qp、Qs 值比原生结构煤岩小，表现为强吸收衰减。弹性参数计 算结果表明构造煤的弹性模量比原生煤的弹性模量有所降低，弹性参数测试结 果与构造煤岩强度低、易破碎特性相符。 在原生结构煤和构造煤的超声测量中，针对煤岩透射波型复杂，多种震相混 合难以准确拾取纵波与横波横波初至与波形的问题， 利用 Butterworth 滤波器原理， 在 Matlab 语言及平台的基础上，研究了利用偏振特性拾取横波初至的方法，提高 了原生结构煤和构造煤样弹性测量中纵横波速度的计算精度，保证了弹性模量计 算的可信度。 通过建立三种原生结构煤中的不同位置构造煤夹层模型，模拟了不同位置和 厚度构造煤在不同频率时 PP 波与 PS 波的反射系数，结果表明煤层中含有构造煤 会导致煤层反射系数的模变大，构造煤夹层的位置和厚度不同，煤层反射系数也 随之变化，为利用地震技术预测构造煤提供了物理依据。 关键词关键词构造煤；超声；偏振；地球物理响应；地震弹性响应 万方数据 III Abstract The deed coals are the main influence factor of coal mining and Coal Bed MethaneCBM extraction. Coal and gas outburst accidents seriously restrict the safety in production of coal mine. And the existence of a certain thickness of deed coal stratification is the necessary condition of coal and gas outburst. Using geophysical techniques for deed coal exploration has been still in an exploration stage so far. The study of the geophysical response of deed coals, seismic elastic response characteristics, is the physical basis for the prediction of deed coals and has a very important practical significance of safety in production of coal mine and gas control. This paper is to study the geophysical response of deed coal. Through the elastic test of 4 different metamorphic kinds of deed coals from different mining areas in the lab room temperature and atmospheric pressure, we had studied the characteristic of P-wave and S-wave velocity and attenuation and elastic modulus, and had compared with the native structure of coal with the same coal rank. Ultrasonic measurement found that there exists a linear correlation between the P-wave and S-wave velocity and apparent density of deed coal. The P-wave and S-wave velocity fell a little. The calculated results of elastic parameters show that there exists a linear correlation between the P-wave and S-wave velocity and Q value of deed coal. Qp and Qs value are smaller than native structure of coal, which shows the strong absorption attenuation. During the ultrasonic measurement of native structure of coal and deed coal, the transmissive wave is complex and it is difficult to pick up the first arrival and wave of P-wave and S- waves due to the mixing seismic phases. Aiming at the above problems, using the Butterworth filter principle studying the to pick up the beginning of S-wave on the basis of the Matlab language and plat, which has improved the calculation precision of P-wave and S-wave velocity in the elastic measurement of native structure of coal and deed coal and ensured the credibility of the calculation of elastic modulus. Through the establishment of three models of deed coal in different locations in uned coal seam, the PP wave and PS wave reflection coefficients of deed 万方数据 IV coal with different location and different thickness are simulated at different frequencies. The results show that the coal seam containing deed coal will lead to its reflection coefficients larger, Deed coal seam reflection coefficients change with the location and thickness of the interlayer, which provides a physical basis for using seismic techniques to predict the deed coal. Keywords deed coal; ultrasound; polarization; geophysical response; seismic elastic response 万方数据 V 目目 录录 摘摘 要要 .......................................................................................................................... I I 目目 录录 .......................................................................................................................... V V 1 1 引言引言 ........................................................................................................................ 1 1 1.1 研究目的及意义 ................................................. 1 1.2 煤岩声学特征研究现状 ........................................... 1 1.2.1 温压对煤岩波速的影响 ................................................... 2 1.2.2 煤岩的声学各向异性 ..................................................... 2 1.2.3 吸附瓦斯煤岩的声学特征 ................................................. 4 1.2.4 煤岩声波速度与力学参数间的关系 ......................................... 5 1.3 构造煤岩声学特征研究现状 ....................................... 7 1.3.1 构造煤岩声学特征 ....................................................... 7 1.3.2 构造煤超声测量中存在的问题 ............................................. 8 1.3.3 构造煤声波特征研究的发展方向 ........................................... 9 1.4 研究的主要内容及技术路线 ...................................... 10 1.4.1 研究的主要内容 ........................................................ 10 1.4.2 研究的技术路线 ........................................................ 10 1.4.3 创新点 ................................................................ 11 2 2 构造煤岩地球物构造煤岩地球物理响应理响应 ........................................................................................ 1313 2.1 构造煤岩弹性超声测量 .......................................... 13 2.1.1 待测样品信息 .......................................................... 13 2.1.2 测试设备介绍 .......................................................... 13 2.1.3 测试目的及过程 ........................................................ 14 2.2 构造煤弹性参数计算 ............................................ 14 2.2.1 纵、横波速度计算 ...................................................... 14 2.2.2 品质因子 Q 计算 ........................................................ 14 2.2.3 弹性模量计算 .......................................................... 15 2.3 试验结果分析与讨论 ............................................ 16 2.3.1 构造煤岩纵、横波速度与密度关系 ........................................ 16 2.3.2 纵、横波速度与 Q 值关系 ................................................ 18 万方数据 VI 2.3.3 构造煤岩弹性模量计算 ..................................................20 2.4 本章小结 ...................................................... 21 3 3 偏振滤波与横波初至拾取偏振滤波与横波初至拾取 .................................................................................... 2323 3.1 横波分裂 ...................................................... 23 3.1.1 横波分裂现象的特征 ....................................................23 3.1.2 产生横波分裂现象的因素 ................................................23 3.1.3 横波分裂参数的求取 ....................................................24 3.2 Butterworth 滤波器 ............................................ 25 3.3 偏振分析拾取横波初至 .......................................... 25 3.3.1 以焦作位村矿样品为例 ..................................................27 3.3.2 以平煤八矿样品为例 ....................................................30 3.4 弹性测试结果对比 .............................................. 33 3.4.1 纵、横波速度测试 ......................................................33 3.4.2 原煤样品 Q 值计算 ......................................................34 3.5 本章小结 ...................................................... 35 4 4 构造煤的地震弹性响应特征构造煤的地震弹性响应特征 .............................................................................. 3737 4.1 层状介质中弹性波的传播 ........................................ 37 4.1.1 厚层 ..................................................................38 4.1.2 薄层 ..................................................................38 4.2 模型建立 ...................................................... 38 4.3 不同频率下 PP 波反射系数 ....................................... 39 4.3.1 参数设置 ..............................................................39 4.3.2 模拟结果分析 ..........................................................40 4.4 不同频率下 PS 波反射系数 ....................................... 44 4.4.1 参数设置 ..............................................................44 4.4.2 模拟结果分析 ..........................................................45 4.5 本章小结 ...................................................... 48 5 5 结论与展望结论与展望 .......................................................................................................... 4949 5.1 结论 ....................................................................49 5.2 展望 ....................................................................49 万方数据 VII 参考文献参考文献 .................................................................................................................. 5151 作者简历作者简历 .................................................................................................................. 5555 学位论文数据集学位论文数据集........................................................................................................ 5757 万方数据 1 引言 1 1 引言 1.1 研究目的及意义 煤炭是我国的主要能源，约占一次性能源的 70％。煤矿煤层气（瓦斯）是重 要的能源，也是重要的安全问题，积极应用地球物理技术研究煤与瓦斯的固气耦 合特征及其规律一直是国家重大科技攻关项目的组成部分，其研究研究成果具有 明显的推广应用意义。我国地质条件复杂，构造煤是煤层在构造应力作用下，发 生成分、结构和构造的变化，引起煤层破坏、粉化、增厚、减薄等变形作用和煤 的降解、缩聚等变质作用的产物 [1]。大量煤与瓦斯突出事例统计分析结果表明，大 部分的突出地点和突出煤层普遍存在由于构造作用形成的具有一定厚度的构造 煤。与原生结构煤相比，构造煤强度低，在遭受相同的外力作用下，构造煤更容 易被破坏和抛出 [2]；构造煤的孔隙度比原生结构煤要大，易于形成良好的瓦斯富集 带和高压瓦斯区，有利于保存瓦斯。因此，利用地球物理技术研究构造煤及其含 气性地球物理响应，对煤矿安全生产、开采过程中采取特殊的安全措施防止煤与 瓦斯突出以及避开构造煤发育区以提高煤层气产量的高效开发，有十分重要的指 导意义。 利用地球物理技术进行煤层气勘探，国内外研究均比较少，处于探索阶段， 因此加强基础研究，积极开展技术试验，实现重点突破，形成针对我国煤层气勘 探开发地质情况的地球物理技术是主要的研究趋势。测试确定富气和不富气煤层 的岩性和物性，以及这些物性与测井曲线和地震波场等特征之间的响应关系是煤 层气岩石物理研究的重要内容。 河南理工大学的申振华 [3]对原生结构煤及其含气性地球物理响应进行了研究， 讨论了原生结构煤的纵、横波速度特征、衰减特征、方位各向异性特征、弹性模 量及煤变质程度对弹性参数的影响，为构造煤及其含气性地球物理响应研究打下 了基础，但是没有做进一步的研究。本文拟沿着这一方向，对构造煤及其含气性 地球物理响应研究做探索式的尝试。 1.2 煤岩声学特征研究现状 岩石介质超声波测试技术是近 30 年来发展起来的一种新技术，它通过测定超 声波穿透岩石或岩体后声波信号的声学参数波速、衰减系数、波形、频谱、振 幅等的变化，间接地了解岩石或岩体的物理力学特性及结构特征[4]。与静力学方法 相比，超声波测试技术具有简便、快捷、可靠、经济及无破损等特点。目前这种 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 测试技术已得到国内外岩土工程和地球物理学界的广泛重视，并较为成功的用于 了岩土体动弹性参数测试、岩体结构物性参数测量和岩体质量评价等领域。作为 超声波测试技术的理论基础，国内外学者对岩石声学作了大量的研究工作，并获 得了众多的研究成果。特别是近几年随着煤炭与煤层气资源大规模的勘探开发， 针对煤岩物理力学性质研究的超声波测试受到越来越多的关注和应用。 1.2.1 温压对煤岩波速的影响 国内外很多学者研究了温度和压力（包括围压、孔隙压力和有效压力）对岩 石波速的影响。 20世纪60年代初Birch根据实验波速测量结果， 提出了著名的Birch 公式，这一公式所确定的声波速度成为近代地球模型的基础之一。Birch 的开创性 工作使高温高压实验波速研究在全球迅速发展起来，许多研究通过高温高压波速 实验，并结合地球物理探测资料得到了大量有意义的结果[5]。 朱国维等[6]通过改变温度与压力进行模拟地层条件实验， 研究发现煤岩声波速 度随深度增加而增大。 孟召平等[7]统计分析了大量测井与钻孔数据， 研究结果表明， 砂岩和灰岩的纵、横波速度一般要高于砂质泥岩、泥岩和煤；沉积岩石的横波速 度与纵波速度之间呈现出很好的线性相关性，反映出横波速度大约为纵波速度的 3/5；沉积岩石的声波速度受沉积岩石密度、围压和含水量等因素所控制，且随着 岩石密度、围压和含水量的增大而增大，但由于岩性不同，岩石的声波速度增高 的速率则不完全相同。汤红伟、程建远、王世东[8]利用超声波技术对深层煤矿床进 行了常规条件、加压、水饱和、高温等不同条件下的纵横波速度测试，实验结果 表明压力对煤岩的超声波速、波形和频谱有较大影响，加压使纵、横波速度增 大，且纵波速度增幅比横波大；水饱和也使纵横波速度增大，但增幅没有压力显 著；温度变化对纵、横波速度的影响不显著（图 1-1）。 1.2.2 煤岩的声学各向异性 煤岩和岩石工程中研究的对象岩石，都有一个基本特征，即介质中存在节理 和裂隙，对弹性波的传播速度和能量衰减有很大影响[9]。裂缝一般使地震波速度降 低，使地震波衰减增大。裂缝将导致介质属性的变化，不同的裂缝发育模式具有 不同的表现特征[10-11]。节理、裂隙均具有一定的方向性，从而使得煤岩呈现各向 异性特征；煤体结构力学参数及煤体结构类型定量划分研究结果表明，煤体结构 的破坏程度取决于煤体物理力学性质的各向异性，不同煤体结构类型的力学性质 存在着明显的差异，煤岩的声学各向异性特征研究就是为了弄清超声波速的方向 万方数据 1 引言 3 性与煤岩的各向异性特征之间的关系，以达到利用超声波速的测试结果确定煤岩 结构特征的目的。 图图1-1 煤样各种状态下速度与外力关系曲线煤样各种状态下速度与外力关系曲线 Fig. 1-1 Curves of coal speed and force under various states 张平松、刘盛东等[12]进行了现场声波探测试验，研究结果表明随着突出危 险性的增加，淮南矿区的煤层品质因子值迅速减小，衰减系数增加。郭德勇、韩 德馨等[13]在高压下对原生结构煤不同方位波速变化进行测试得出不同方位波速 不同，波速的各向异性也不同；水平方向的波速一般都大于垂直方向的波速；煤 岩波速的各向异性可达 10％，在低围压时各向异性明显，随着深度增加各向异性 降低，但一般都在 5％以上，如图 1-2 所示。 图图1-2 原生结构煤的波速各向异性随围压的变化原生结构煤的波速各向异性随围压的变化 （（a） 、 （） 、 （b））-不同方向波速的比较； （不同方向波速的比较； （c））-变异系数随围压的变化变异系数随围压的变化 Fig. 1-2 Velocity anisotropy changes with pressure of structure coal 赵群等[14]研究表明①煤岩裂隙方位对纵、横波速度及衰减产生一定的影响， 即不同分布方式的裂缝诱导的各向异性性质不同典型的平行、定向排列的裂隙， 表现为对介质速度、衰减的方位各向异性，速度的变化与裂缝的分布具有很好的 对应关系，沿着裂隙方向，纵波速度最大；垂直裂隙方向，纵波速度最小。垂直 于裂缝的方向上不产生横波分裂，平行于裂缝的方向上产生明显的横波分裂现象， 尤其在与裂缝呈 45角入射时横波分裂现象最明显。②纵横波随裂隙方位变化， 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 4 其地震波振幅呈现出明显的 W 型衰减。③纵波衰减随裂隙方位的变化幅度比纵波 传播速度的变化幅度大，表明纵波的动力学特征变化比运动学特征更明显。④纵 波衰减随裂隙方位的变化明显大于横波，纵波速度随裂隙方位的变化小于横波变 化幅度。 1.2.3 吸附瓦斯煤岩的声学特征 近年来随着煤层气开发和煤矿瓦斯治理的需要，对煤岩吸附瓦斯量的研究成 为关键问题。刘盛东等[15]对淮南矿区煤层频谱特征作了研究，认为瓦斯含量与煤 层固有主频值线性相关。赵秋芳等[16]采用矿井震波探测技术对几个典型矿区的主 采煤层进行了原位煤体震波波谱探测实验。试验结果表明，煤体波谱特征反映了 煤层本身的物理力学性质，同一结构的煤层在其 5 倍厚度的距离内煤壁的主频值 相对稳定，主频的变化反应了煤体结构的特征，结构破坏主频明显低移；不同的 煤层具有不同的主频，突出煤层具有低主频特征。煤层瓦斯含量与煤层固有主频 呈较好的线性相关， 煤层固有主频值越低， 相应煤层瓦斯含量越高， 如图 1-3 所示。 图图1-3 煤体固有主频与瓦斯含量关系煤体固有主频与瓦斯含量关系 Fig. 1-3 Relationship with gas content and inherent frequency 徐刚等[17]对含瓦斯煤体的弹性波传播规律进行研究认为，随着瓦斯压力的增 加，无吸附相模型的弹性波速度略有下降，吸附相模型的弹性波速度下降趋势则 相对明显，如图 1-4 所示。 针对游离瓦斯的存在，刘雯林[18]认为甲烷吸附量能引起地震速度的变化，反 射振幅能放大煤岩的速度变化；利用叠前反演得到的纵、横波波阻抗计算孔隙流 体的弹性参数，可提高煤层气的检测精度。刘盛东等[15]研究表明煤层中瓦斯含量 和地震波动力学参数具有较好的线性相关性，煤层瓦斯含量与震波波速线性相关， 随着煤层瓦斯含量的增加，煤层波速逐渐减小，如图 1-5 所示。张平松、刘盛东等 [12]进行现场声波探测试验研究结果表明瓦斯含量与煤层衰减系数呈对数相关， 与品质因子呈线性相关， 如图 1-6 所示； 并定义品质因子小于 1， 衰减系数大于 0.005 为高瓦斯突出煤层。 万方数据 1 引言 5 图图1-4 含瓦斯煤体弹性波速与瓦斯压力的关系含瓦斯煤体弹性波速与瓦斯压力的关系 Fig. 1-4 Velocity of coal with gas and gas pressure 图图1-5 煤层纵横波速度与瓦斯含量的关系煤层纵横波速度与瓦斯含量的关系 Fig. 1-5 Relationship of p-wave and s-wave velocity with coal seam gas （a） （b） 图图1-6 煤层孔隙率与衰减系数煤层孔隙率与衰减系数a和品质因子和品质因子b曲线曲线 Fig. 1-6 Curve of gas content and attenuation coefficient a、、quality factor b 1.2.4 煤岩声波速度与力学参数间的关系 针对煤岩的力学性质不同于其它类型岩石，国内利用三轴应力-应变测试技术 做了大量的研究[19,20]。在此基础上，对煤岩进行纵、横波