单轴加载煤孔、裂隙变化与声波各向异性特征分析

摘要

煤的孔、裂隙各向异性对煤层瓦斯赋存与运移起控制作用，已引起广泛地关注。地球物理技术是无损研究煤岩体物性信息和结构构造的重要方法，超声波测试技术与核磁共振技术(NMR)是近年广泛应用于煤岩体结构研究的重要手段。 本文采用理论分析与实验结合研究方法，定性、定量角度研究了煤孔、裂隙结构变化各向异性特征。以平煤八矿同种变质程度、不同层理方向的煤样进行常温单轴加载超声波、核磁共振实验，分析其声波、核磁特征。首先，在初始状态（未加载应力）进行了核磁共振实验，测试核磁共振T2弛豫谱、核磁共振成像(MRI)特征。其次，开展了单轴加载下煤的超声响应特征实验，测试波速特征、品质因子特征、各向异性特征。然后，进行单轴加载后核磁共振实验。最后，将声波响应特征与核磁共振特征结合，基于改进 Biot 理论分析单轴加载下煤孔、裂隙结构变化的各向异性规律。研究表明： （1）初始状态时，不同层理方向煤样纵横波速度、品质因子各向异性特征明显，不同层理方向核磁共振T2各向异性特征明显。理论分析表明，初始状态不同层理方向孔、裂隙发育程度及发育方位是造成煤样波速、核磁各向异性的主要原因。 （2）单轴加载下，超声结果表明：不同层理方向煤样纵横波速先上升后下降，品质因子先增大后减小，煤样在单轴加载过程经历密实闭合、弹性变形、塑性变形、破坏变形阶段，其波速衰减先减小后增大。核磁共振特征表明：单轴加载后，弹性变形阶段煤内部孔、裂隙分布方位并未发生改变，只造成了部分孔隙和大尺度裂隙的闭合，导致波速增加衰减减小；塑性变形阶段煤内部孔、裂隙分布出现较大改变，大尺度的裂隙被进一步压密为中大孔隙且煤内部出现新的损伤裂隙，导致波速逐渐稳定后开始下降衰减迅速增大。理论分析表明，弹性变形阶段、塑性变形阶段孔、裂隙的结构变化不同造成波速的衰减也不同。 （3）单轴加载下，不同层理方向波速、品质因子各向异性因子差距较大：顺层理方向波速、品质因子各向异性因子基本在 0 值附近波动，各向异性不明显；顺层理与垂直层理方向波速各向异性不段减小，表明随着单轴压力的增大波速之间差距逐渐减小；顺层理与垂直层理方向品质因子各向异性呈浴盆曲线，先减小后增大。理论分析表明，由于不同层理方向煤样抗压强度不同，其孔、裂隙结构变化特征也不尽相同。 （4）由初始状态、单轴加载后煤样MRI特征分析：初始状态下，X方向孔隙密度大，裂隙交错分布，Y方向裂隙密度大，Z方向孔、裂隙分布特征明显；单轴加载后，经历弹性变形煤样，顺层理方向孔隙压密闭合，部分裂隙产生径向变形，垂直层理方向裂隙压密闭合，孔隙受力的影响较小。经历塑性变形煤样，顺层理方向扩展损伤裂隙明显；垂直层理方向裂隙多被压密为微小孔隙。MRI 从图像角度更加直观反映了煤孔、裂隙不同应变阶段的变化特征。 综上所述，本文通过超声波、核磁共振测试手段研究了单轴加载煤孔、裂隙变化与声波的各向异性变形特征，为利用地球物理方法研究煤储层物性提供了一定的理论支持。

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