煤体超声波速度影响因素的实验研究

摘要

随着矿井开采向深部延伸，开采难度和开采成本逐渐增大，对煤系地层结构与危险性的探测精度要求日益增加。开展对煤层的地震勘探理论与技术的研究可以为煤炭现代化安全生产提供有力的保障。超声波测试技术是近40年来发展起来的一项新技术，是了解煤岩体物理特征与结构特征的一种重要的研究手段。本文以不同矿区、不同变质程度类型的煤样作为研究对象，测试其不同条件下的超声波参数，研究超声波在煤体中传播的影响因素，并通过理论分析建立在温度-应力共同作用下煤体超声波速度模型。为煤炭与煤层气勘探中应用井震联合进行煤属性三维推测提供理论支撑。
　　通过理论分析、实验室实验等手段，本文取得了以下主要进展：
　　(1)不同的测试条件对测试结果产生的影响不同：在对煤体进行超声波测试时，选用蜂蜜作为耦合剂的耦合效果要好于白凡士林、机油、热缩管等物质；在对实验室标准煤样(Φ50×100mm)进行测试时，大尺寸换能器(Φ50mm)所测波速要高于小尺寸换能器(Φ25mm)；在发射频率为50KHz至1000KHz范围内纵波速度的变化趋势有所不同，这是由于频率对声波的传播正反两方面耦合作用的结果，无烟煤中随频率增大，声压增强，衰减效果较弱，有利于声波传播；焦煤、肥煤中，随着频率增大衰减效果逐渐增强，不利于声波传播。
　　(2)原生结构煤的波速远大于型煤波速，纵波速度最大差距为1262m/s，横波速度最大差距为793m/s；除个别煤样表现出差异性之外，不同变质程度煤样的纵波速度、横波速度大小顺序相同，依次为：无烟煤、焦煤、肥煤、气肥煤。
　　(3)通过回归分析得到煤样纵波速度-密度、横波速度-纵波速度的关系式：Vp=3007.1ρ-2199，R2=0.97；Vs=0.6022Vp-60.254，R2=0.7876，纵波速度与密度关系拟合度较高，平均误差为3.55％，低于前人拟合公式的平均误差；随着煤样长度增大，波速逐渐增大，增至一定长度后，波速逐渐稳定，且纵波速度比横波速度先稳定；超声波纵波速度对煤样中裂隙的响应比横波更敏感，纵波衰减随层理方位的变化明显大于横波，纵波速度随层理方位的变化大于横波。
　　(4)无烟煤在整个浸水全过程中，呈现先增大后减小最后趋于稳定的态势，肥煤表现出先增大后逐渐稳定，在80h又出现下降趋势，焦煤在前期有明显变化之后，整个过程波速变化相对平缓，肥煤受水分的影响最大，焦煤次之，无烟煤最小；无烟煤、焦煤、肥煤、气肥煤等四类煤在5℃-100℃之间受温度的影响均不明显，相比较而言，横波速度受温度变化的影响稍大于纵波速度。
　　(5)通过纵波速度与孔隙率的关系模型，建立由温度-应力共同作用下的纵波速度变化模型并通过实验对其适用性进行验证，结果表明：在加载的一定阶段内波速变化适用该模型。

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1绪论

1.1研究的背景和意义

1.2煤岩体超声波波速影响因素研究现状

1.3研究方法及研究内容

1.4本章小结

2声波传播理论

2.1超声波基础理论

2.2声波速度方程

2.3本章小结

3煤体超声波速度测试实验

3.1主要实验仪器

3.2煤体试样的选取与制备

3.3测试原理

3.4实验步骤以及需注意事项

3.5本章小结

4测试条件对煤体超声波速度测试结果的影响研究

4.1耦合剂对超声波速度测试的影响研究

4.2换能器尺寸对超声波速度的影响研究

4.3测试频率对煤样超声波速度的影响研究

4.4本章小结

5煤体超声波速度的影响因素研究

5.1不同结构类型煤样的超声波速度特征研究

5.2不同变质程度煤样的超声波速度特征研究

5.3煤样密度对超声波速度的影响研究

5.4尺度效应对煤样超声波速度的影响研究

5.5煤样超声波速度的各向异性研究

5.6水分对煤样超声波速度的影响研究

5.7温度对波速的影响研究

5.8本章小结

6温度与应力共同影响下的超声波纵波速度模型

6.1应力与孔隙率之间的关系方程

6.2温度影响下的孔隙度与应力的关系方程

6.3纵波速度演化模型

6.4煤体单轴加载声波测试实验

7研究结论与建议

7.1主要研究结论

7.2建议

参考文献

作者简历

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