六种不同煤阶煤的品质因子特征

许小凯，王赟，孟召平

1 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京 100083

2 中国科学院地球化学研究所，贵阳 550002

3 中国地质大学（北京），北京 100083

1 引言

煤岩的品质因子是衡量煤岩对地震波能量、频率吸收衰减能力的重要指标.对于一般致密、刚性岩石的品质因子研究，国内外学术与生产部门已做过大量的测试工作（赵明阶和徐蓉，2000；何元金和马兴晟，2003；马占国等，2005）.对于品质因子在井下与地面地震探测中的应用，国内外的报道更多（韩德品等，2009；White，1992；Wang Y，2002）.但由于煤岩制样困难，关于煤岩的品质因子研究，目前大多基于井下巷道的实际地震观测和信息解译来探索煤层吸收衰减特征与煤岩结构、物性之间的关系.例如，张平松等（2006）通过井下巷道的声波探测试验发现煤层突出危险性与煤层的衰减系数呈正相关，与煤层品质因子呈负相关；刘盛东等（2005）和赵秋芳（2008）等基于弹性波在介质中传播的衰减理论，利用地震纵波探测技术对淮南矿区多个煤矿的高突煤层和低突煤层、郑州大平矿高突煤层及山东淄博岭子矿不含瓦斯煤层进行探测和衰减试验，分析了不同煤层的纵、横波波速、煤体弹性模量、孔隙率特征；重点研究了煤层突出性和非突出性与煤层固有主频值、频谱特征、地震波在不同煤层中的吸收衰减系数和反映煤体物理性质和状态的品质因子Q值之间的相关性，提出了以煤层固有频率和品质因子Q值为预测参数对煤层进行分类的新方法；Krey（Krey，1963，Krey et al.，1982）和 Buchnan 等（1978；1983；1985）分别从煤矿井下巷道地震波探测的角度，探索了地震波的能量、频率的吸收衰减特征及槽波能量在不同方向上的吸收衰减各向异性特征.

少量关于煤岩品质因子实验室测量研究主要以煤样（汤红伟等，2009）或相似物理模型的超声频谱分析为主.例如，Nie等（2007）从改善煤储层渗透率的角度研究了声发射的频率、强度与煤岩声阻抗的关系及其在煤岩中的衰减机制，探索利用声发射技术提高煤层气采收率的方法；李建楼和严家平（2010）通过煤体的密闭物理模拟试验研究认为声波振动有利于改造煤体的渗透能力；并认为声波能量与频率的损耗由热损耗、发散热等多种原因引起；赵群和郝守玲（2005；2006）通过对某一种煤岩多面体模型超声试验，研究了煤岩纵波与横波能量吸收衰减随方位呈现W型的各向异性特征；纵波吸收衰减的方位各向异性强于纵波传播速度的各向异性；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.

目前煤岩品质因子的研究，由于井下多分量地震技术尚未大规模开展应用，对纵波品质因子研究较多，横波较少；涉及纵横波品质因子及其各向异性的研究更少.理论上，不论对于瓦斯与煤突出的灾害预防，还是构造与岩性的探测，研究煤岩对纵波、横波的吸收衰减特征及变化规律对于提高煤田地震勘探的精度十分有意义（Lu and Wang，2010）.为此，本文在6种不同煤阶煤岩超声弹性测量的基础上，重点分析煤岩纵波与横波的吸收衰减特征与煤岩变质程度的关系，并进一步讨论它们与纵横波速度的关系；从多分量地震探测的角度，着重分析纵波与横波品质因子的相互换算关系及存在的规律，为多分量转换横波的吸收衰减补偿提供试验与物性依据.实验室的超声测量对于认识煤岩的地震波速度和品质因子特征具有参考意义.

2 原煤样品弹性测试

2.1 待测样品信息

试验所采取的样品来自8个不同的矿区，代表了6种不同煤阶的煤岩，如表1所示.采样过程中为测试不同方向的煤岩品质因子，分别对采样煤层标明了垂直层理方向、倾向与走向.为满足弹性测试的需要煤岩被加工成边长6cm的立方体，共25块，如图1所示.煤岩样品镜质组最大反射率（Romax）测试结果如表1所示，其中相同变质程度煤岩的参数给出的是不同岩样的平均值.

表1 测试样品信息Table 1 Coal samples′information

2.2 超声测量

图1 待测试验样品Fig.1 Photos of coal samples

图2 数字化脉冲法声波测试系统框图Fig.2 Diagram of digital pulse sonic testing system

图3 煤样测速示意图Fig.3 Schematic diagram of ultra－sonic measurement of coal sample

本次超声试验采用常温常压（室温、一个大气压）行波传播－脉冲透射的方法进行测试（何元金和马兴晟，2003；伍向阳，2000）.整套仪器由脉冲信号发生器、超声换能器、放大器和示波器组成，如图2所示.实验使用的是压电陶瓷柱状纵横波换能器；为保证样品与换能器耦合良好，测试纵波时采用凡士林进行耦合，测试横波时采用蜂蜜耦合.由于测试煤样为边长6cm的立方体，选用超声的低频段，主频为100kHz；整个测量系统误差小于1%；考虑到煤岩的特殊性，最大误差不超过3%.

本次超声测量从25块煤岩中选取8块（代表6种煤阶）相对较完整、具有平整平面的样品，分别测量了煤岩沿煤层走向、倾向和垂向3个方向的纵横波透射波形；同时还测量了一个与煤样尺寸相同的标准铝块，如图3所示.

为与煤田人工地震的观测方式相统一，分别以x、y、z分别代表煤层的走向、倾向和垂直层理的方向.如图3所示，Vx、Vy、Vz分别表示沿煤层走向、倾向和垂直层理的纵波速度.横波振动方向与波前方向垂直，由于煤样中裂隙的存在，横波通过煤样传播会分裂成两个相互垂直的横波，所以横波沿煤样某个方向传播时会有两个速度值.以沿x方向传播为例，沿x方向传播的横波有Vxy与Vxz，下标的第一个字母x代表横波传播的方向，第二个字母代表与传播方向垂直的方向（即横波振动方向），即Vxy表示横波沿x传播，振动方向与y平行；Vxz表示沿x传播，振动方向与z平行.

2.3 品质因子Q计算

在采集煤岩样品三方向纵波与横波透射波的基础上，本文品质因子的计算采用谱比法（Tonn，1991；孙进忠等，1988），其结果如表2所示.

表2 煤样Q值计算表Table Calculated Qof the coal samples

3 实验数据分析

3.1 煤岩变质程度与品质因子的关系

通过煤岩的镜质组反射率（Romax）分别与QP值、QS值回归分析，可以得到煤岩镜质组最大反射率与QP值、QS值线性相关，QP值、QS值随煤岩镜质组反射率的增加而增大，见图4、5.镜质组反射率与煤的分子结构密切相关，尤其是在煤化作用过程中形成的芳香稠环的类石墨层，对煤的反射率影响较大.由于煤的变质程度越高，芳香族稠环缩合程度不断增加，微晶结构不断有序化，基本结构单元定向生长和优先拼叠使堆砌度增大、平面碳网中的芳环环数增多、层面间距减小，芳香稠环体系增大；结构的有序化提高了煤中波能量的传递效率.

图4 镜质组最大反射率（Romax）与QP值的关系Fig.4 Romaxversus QP

图5 镜质组最大反射率（Romax）与QS值Fig.5 Romaxversus QS

其中，沿倾向与走向方向的纵波品质因子、横波品质因子与镜质组最大反射率的相关性均大于垂直层理方向的，平均相关系数大于90%；横波品质因子与镜质组最大反射率的相关性要好于纵波品质因子与镜质组最大反射率的相关性，平均在96%以上.这与横波沿骨架传播，其品质因子主要反映煤岩固体骨架的物性特点相吻合.

3.2 纵波速度与QP的关系

在实际地震资料处理过程中，Q值的求取一般通过扫描近似获得（Wang，2003，2004，2006；Wang and Guo，2004）；而速度是经常使用的参数，若能建立速度与品质因子之间的关系，则可以为Q值扫描提供初始的、相对精确的模型.本次实验通过三方向QP值与相同方向传播的纵波速度回归分析，可以看出三方向QP与VP正相关，QP随着VP的升高呈增大趋势，即纵波速越大，纵波能量的吸收衰减越小；垂直层理方向的纵波速度与QP相关性最好，相关系数高达98.9%；倾向与走向方向的较差，其中走向纵波速度与走向QP相关性最差，相关系数只有56%，见图6，这与煤岩的纵向压实沉积和广泛发育的平行层理构造是有关系的.

图6 纵波速度与QP关系Fig.6 P－wave velocity versus QP

3.3 横波速度与QS的关系

在多分量地震数据处理过程中，横波Q值的取得一般通过扫描或纵波品质因子与速度比换算获得（Wang et al.，2009；Yan and Liu，2009），因此建立横波速度与横波品质因子之间的关系也是非常有意义的.本次实验经过三方向QS值与相同方向传播横波速度（取不同偏振方向横波的速度均值）回归分析，可以看出各方向QS与VS正相关，QS随着VS的升高呈增大趋势，即横波速越大，横波能量的吸收衰减越小；横波速度在垂直层理方向上与相同方向的QS相关性最好，相关系数高达96%；在其它方向上相关性较差（见图7），这与煤岩的纵向压实沉积和广泛发育的平行层理构造是有关系的.

3.4 Qp与QS间的关系

为配合多分量地震数据的处理，建立垂向横波品质因子与纵波品质因子之间的关系是关键步骤之一（Wang et al.，2009）.本次实验通过沿垂直方向QP值与沿相同方向传播横波的QS值（该方向的横波速度取同方向快慢横波速度的均值）回归分析，可以看出QP与QS线性相关，见图8.为重点说明在转换横波处理中的应用，本图没有显示另外两个方向的回归关系.

图7 横波速度与QS关系Fig.7 S－wave velocity versus QS

图8 垂向QP与QS线性回归图Fig.8 Linear fitting between QPand QS in vertical direction

3.5 煤岩品质因子的各向异性

在本次实验的基础上，通过三方向纵横波的传播试验，我们还研究了煤岩品质因子的各向异性特征.如表4所示，以A＝2×（Q1－Q2）／（Q1＋Q2）（Q1与Q2分别表示对比的两方向品质因子，单位dB）表示两方向品质因子之间的各向异性大小.可见：纵波的品质因子各向异性强于横波的；通过与速度各向异性（王赟等，2012）的对比，品质因子的各向异性强于速度各向异性.这一结论认识与赵群和郝守玲（2005），Liu et al（2007），的结论相同，对于各向异性地震理论和多波技术的研究，这将会是个很好的启示.

表3 煤样QS实验测量值与理论公式计算值的对比Table 3 Comparison between the measured QSin the lab and the theoretical calculated

表4 煤岩的三方向品质因子各向异性Table 4 Anisotropy of quality factors in the xyz directions

4 结论

对于地震数据处理中的吸收衰减补偿和介质属性的重要指示参数－品质因子的研究，本文通过6种不同煤阶煤岩、三方向的超声测量和数据分析，可以获得如下结论：

（1）煤岩的品质因子与镜质组的最大反射率之间存在良好的线性相关性，且横波品质因子与镜质组最大反射率的相关性最好.因此，利用多波勘探预测煤岩煤阶是可行的.

（2）垂直层理方向的品质因子与速度之间存在良好的线性相关性，在实际多波数据处理中，在已知垂向速度的情况下建立品质因子的初始模型是可行与合理的.

（3）垂直层理的纵波品质因子与横波品质因子间近似存在线性相关性，与理论近似公式符合，也从物理实验上证明了理论近似公式的适用性.

（4）煤岩品质因子间存在明显的各向异性，且强于速度的各向异性；虽然品质因子的求取存在诸多问题，但这一结论对于我们如何充分利用地震波的动力学信息，拓宽各向异性的研究与指示范围是有重要意义的.

由于煤岩制样的困难，本次实验样品数偏少，不能给出规律性较强的结论，只列出探索性的测试分析结果；且由于煤岩层理、割理、裂缝发育，横波分离、波型转换现象严重，给横波初至的拾取和品质因子计算带来了一定的影响.但本文所获得的结论对于认识不同煤阶煤岩的吸收衰减特征及对煤田多波地震数据处理、反演的意义是明显的.

致 谢 感谢中国科学院地质与地球物理研究所的伍向阳研究员和中国石油大学（北京）的魏建新研究员在煤岩超声测量中给予的指导和帮助，感谢申振华与成林硕士所做的制样与实验室测量工作.

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