加载煤样各向异性超声响应特征研究

摘要

地球物理勘探技术是煤矿安全和煤层气开发的保障，开展加载条件下煤的超声实验为利用声波测井技术测定煤岩结构和物质组成提供理论和实验基础。本论文以研究原生结构煤在加载条件下的超声波-应变响应特征为目的，通过对平煤八矿不同变质程度、不同割理方向的煤样进行常温单轴加载条件下的超声波-应变测试实验，分析其弹性、应变响应差异。研究表明：
　　（1）在应力未加载时，三种煤样的纵横波速度以及衰减系数都存在差异性，一般情况下平行层理的两个方向和垂直层理的方向相差较大，且存在垂直层理的方向纵横波速最小，衰减系数值较小，说明垂直层理方向煤样中超声波衰减的最厉害。这与沿Z方向煤样的压实效应最大有关。
　　（2）在加载状态下，Qs普遍比Qp大，说明实际煤层对纵波的吸收衰减作用大于横波。在煤层某些参数测试方面，选择横波作为检测波更有优势。煤样衰减各向异性系数大于速度各向异性系数，这也说明了品质因子 Q可能是一个比速度对煤样各向异性更为敏感的参数。
　　（3）两种焦煤随着应力的增加，平行层理的两个方向的纵横波速和衰减各向异性变化趋势都不尽相同，一般情况下 Y方向纵横波速和衰减的各向异性系数都大于X方向。这也间接说明了煤层中裂隙的走向变异程度具有差异性。
　　（4）加载过程中，煤样的VP随着应力的升高而逐渐增加，但在低应力段的增长幅度要高于高应力区段。在0-2MPa低应力区间时，VP的增大幅度较快，当应力高于2MPa时，VP的增长幅度也开始变慢。针对三种煤样的VS而言，其变化趋势和PV类似，低应力区波速增长幅度较大，到达VS最大值后迅速下降。此外，三种煤样抗压强度存在差异，同种变质程度煤样三个方向上也存在差异。VS最大值点不同变质程度煤样出现在不同应力加载处。
　　（5）对于加载状态下三种变质程度煤样来说，体积模量变化从整体上来说都是先增加后到达某个最大点或者时稳定在一段时间后下降，这个过程包含了煤样中孔隙的闭合、张开和发育等阶段；针对某种特定变质程度的煤样来说，在加载状态下，三种煤样的体积模量也是随着加载应力的增加而增大，但是三个方向上体积模量的增加快慢存在差异。一般情况下都是平行层理的两个方向的体积模量大于垂直层理方向。
　　通过对单轴应力作用下同一矿区不同变质程度、不同割理方向的原生结构煤的超声波-应变响应特征进行分析，探索了同一矿区煤岩在宏观和微观物质组成、结构及构造在弹性特征和应变方面的差异，为今后运用地震勘探探测煤层物性、结构及软分层的分布提供理论及实验基础。

目录

声明

1 引言

1.1 研究目的及意义

1.2 国内外研究进展

1.3 存在的问题

1.4 本文主要研究工作

1.5 本章小结

2 实验系统及煤样超声波测量

2.1 实验系统介绍

2.2 实验测量原理

2.3 煤试样的选取与制备

2.4 煤样的基本信息

2.5 煤超声波测试实验内容及操作步骤

2.6本章小结

3 加载煤样各向异性超声波响应特征

3.1 本次所测煤样实验结果

3.2 弹性参数之间的关系

3.3 加载应力对煤样超声波影响的理论分析

3.4 加载煤样纵横波速和衰减各向异性分析

3.5 本章小结

4加载煤样各向异性超声-应变响应特征

4.1 加载状态下纵、横波波速与应变的关系

4.2加载状态下煤样波速变化特征

4.3 本章小结

5 研究结论与建议

5.1 研究结论

5.2 建议与展望

参考文献

作者简历

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