煤系岩石物理力学参数与声波速度之间的关系.doc

煤系岩石物理力学参数与声波速度之间的关系第49卷第5期2006年9月地球物理CHINESEJOURNALOFGEOPHYSICSVo1.49.No.5Sep.,2006孟召平,张吉昌,JoachimTiedemann.煤系岩石物理力学参数与声波速度之间的关系.地球物理,2006,49(5):15051510MengZP,ZhgJC,JoachimTiedemann.Relationshipbetweenphysicalandmechanicalparametersandacousticwavevelocityofcoalmeasuresrocks.ChineseJ.Geophys.(inChinese),2006.49(5):15051510煤系岩石物理力学参数与声波速度之间的关系孟召平,张吉昌,JoachimTiedemann1中国矿业大学资源与地球科学系,北京1000832AppliedGeoscienceInstituteofTechnicalUniversityBerlin,Aekerstrasse76,13355Berlin,Germany摘要通过超声一时间动态测试方法系统地分析了煤系沉积岩石纵波和横波速度,计算了煤系岩石动弹性力学参数,同步测试了煤系岩石的静态力学参数,建立了煤系沉积岩石动弹性力学参数与静弹性力学参数之间和煤系岩石物理力学参数与其声波速度之间的定性定量关系.研究结果表明,煤系岩石的动弹性模量与岩石的纵波或横波速度具有很好的正相关关系,而与泊松比不具有这种正相关关系.煤系岩石的动弹性模量要大于其静弹性模量,而动泊松比要小于其静泊松比,它们之间呈线性相关关系.煤系岩石密度,单轴抗压和抗拉强度与其纵波或横波速度之间也呈正相关关系,它们分别服从二次函数,指数函数和线性函数分布.关键词煤系岩石,声波速度,物理力学参数文章编号00015733(2oo6)o5150506中图分类号P631收稿日期2O050602,20060127收修定稿RelationshipbetweenphysicalandmechanicalparametersandacousticwavevelocityofcoalmeasuresrocksMENGZhao.Ping,ZHANGji.Chang,JoachimTiedemann1DepartmentofResourceandC,eoscienceofChinaUniversityofMiningandTechnology,Belting100083,China2AppliedGeoscienoeInstituteofTechnicalUniversityBerlin,Ackerstrasse76,13355Berlin,GermanyAbstractThelongitudinalandtransversewavevelocityofsedimentaryrockofcoalmeasuresissystematicallyanalyzedbyultrasonictimedynamictesting.Theparametersofdynamicelasticityarecalculated.Staticmechanicsparametersoftherocksaresynchronouslytested.Thequalitativeandquantitativerelationshipsbetweenthedynamicandstaticelasticityparameters,andbetweenthephysicalandmechanicalparametersandacousticwavevelocityoftherocksareestablished.Theresearchresultsshowthatthereisagoodpositivecorrelativitybetweendynamicmodulusofelasticityandthelongitudinalortransversewavevelocity,butthereisnosuchpositivecorrelativitybetweendynamicPoissonSratiooftherocksanditslongitudinalortransversewavevelocity.Thedynamicelasticmodulusoftherocksishigherthanitsstaticelasticmodulus,whilethedynamicPoissonSratioislowerthanitsstaticPoissonSration,andthereisalinearcorrelativitybetweenthem.Therelationshipsbetweendensityoftherock,uniaxialcompressivestrength,tensilestrengthandthelongitudinalortransversewavevelocityarealsothepositivecorrelativity,whicharebestfittedbyquadraticfunction,exponentialfunctionandlinearfunction,respectively.KeywordsCoalmeasuresrocks,Acousticwavevelocity,Physicalandmechanicalparameters基金项目作者简介全国优秀博士学位论文作者专项资金(200247),高等学校博士学科点专项科研基金(20050290009),教育部留学回国人员科研启动基金和国家自然科学基金(40172059)联合资助.孟召平,男,1963年生,教授,博士导师,主要从事工程地质,岩石(体)力学和煤油气地质方面的研究.E-mail:.一l5O6地球物理(ChineseJ.Geophys.)49卷1引言长期以来,地震勘探主要通过研究地震波的运动学特点来推断地下的构造形态,从而间接地解决寻找油气藏的问题.从20世纪70年代开始,由于石油勘探的需要,地震勘探数字化能提供比以前更为先进的一整套方法技术,例如亮点技术,波动方程模拟,波动方程偏移和反演,地震地层学等就是具有代表性的几个方面,使得地震波动力学问题的理论研究和实际应用取得了较大进展,随着地震波动力学理论在地震勘探中的迅速发展,尤其是地震地质学的发展进一步推动了各向异性介质中弹性波传播理论的研究,如何应用地震波信息进行岩性解译和岩石(体)力学参数分析,目前受到普遍关注.目前测量岩石弹性参数的方法有两种:一是测量岩石在静荷载作用下纵横向应变,然后计算岩石的静弹性力学参数的静态法;二是测量岩石纵横波速度,根据弹性波理论,计算岩石动弹性力学参数的动态法.超声一时间方法主要利用弹性脉冲,即弹性波在固体介质中的传播.由于这种弹性波,即声波不仅对岩石具有一定的穿透力和分辨力,而且它在介质中传播时与介质相互作用,使接收波中携带了与岩石物理力学性质相关的各种信息,因此,通常用于材料的无损检测.该技术在岩土特性检测及混凝土探测中得到了广泛应用,获得了有关岩(石)体的动弹性力学参数,并与静弹性力学参数进行了一些实验对比研究,获得一些经验公式.但以往的研究仅局限在动弹性模量和动泊松比与静弹性模量和静泊松比之间的相关分析上,对如何应用声波速度预测其他岩石(体)物理力学参数(密度,抗压强度和抗拉强度等)方面的研究涉及不多,且主要针对火成岩和常见的几种变质岩,如大理岩,花岗岩等.含煤岩系是一套在成因上有共生关系并含有煤层(或煤线)的沉积岩系,简称煤系.含煤岩系形成是在潮湿气候条件下沉积盆地边缘发生的充填,主要由陆源碎屑岩和煤层构成,岩性多为砂岩,粉砂岩,沙质泥岩和泥岩.由于含煤岩系形成于地壳浅部,其生成和赋存环境与岩浆岩或变质岩显然不同,岩性较为软弱,变化较大,成分和结构复杂,使得含煤岩系岩石具有不同于其他岩类的变形力学特性,因此对煤系岩石进行声波速度(,)测试,并建立煤系岩石力学参数与其声波速度之间的定性定量关系,将为三维地震信息预测岩石(体)力学参数和岩性解译提供系统的试验和理论基础.2煤系岩石声波速度实验实验采用美国NewEnglandResearch公司生产的AUTOLAB.1000多功能岩石超声波参数自动测量系统.实验岩样164个,分别来自淮南煤田新集矿,潘谢矿和固桥矿,河北峰峰矿区和河南平顶山矿区的石炭和二叠纪煤系地层,岩石类型主要有中砂岩,细砂岩,粉砂岩,砂质泥岩,泥岩,石灰岩和煤.各试样岩石类型统计如表1所示.为满足岩芯超声波测试边界条件,根据国际岩石力学学会实验室和现场实验标准化委员会(ISRM标准)规定及实验室测量仪器条件,选取具有代表性的岩芯加工成qb25mmx50mm的圆柱体,磨光两端面,使其相互平行并垂直圆柱体的轴线.本次实验获得的声波速度均为圆柱体试样沿轴向方向的纵波速度和横波速度.声波速度实验后,应用美国MTS公司生产的MTS815.02电液伺服控制实验系统(Servo.controlledtestingsystem)同步对煤系岩石的静态力学参数进行测试.试验机最大轴向载荷1700kN,加载时采用位移控制方式,加载速率为0.05mm/s.试验机的自动数据采集系统每2S采集一次数据,同步采集的数据包括时间,轴向载荷,试件的轴向变形和横向变形.表1试样岩性统计表Table1Rockt)rpesintheexperiments声波速度实验是将纵波和横波发射器或转换器紧贴试验岩样,由发射器产生超声波,超声波穿过岩样后由接收器接收,并测量出超声波穿过岩样所用时间,用其岩样长度除以时间得到超声波通过岩样的弹性波速度.即=,=,(1)PS式中,分别表示岩石的纵波速度,横波速度(m/s);L为岩石样品长度(m);t,t分别表示纵波,横波穿过岩样经历的时间(S).5期孟召平等:煤系岩石物理力学参数与声波速度之间的关系3基于声波速度的动弹性力学参数计算根据弹性波传播理论,若岩石纵波速度和横波速度以及岩石密度已知,则根据(2)和(3)式能计算出岩石的动弹性模量和动泊松比.2,(2)一,aj140l2OlOO8O吕60402OO式中E为动弹性模量(GPa);/1为动泊松比;lD为岩石试样的密度(g/cm3);取决于单位的常数.实验结果表明,煤系岩石的动弹性模量E与岩石的纵波或横波速度具有很好的正相关关系(如图1所示),因为在计算动弹性模量时岩石的纵波与横波速度是互相关的;而动泊松比与沉积岩石的纵波或横波速度之间不具有这种正相关关系,如图2所示.140l2OlOO吞806o402OOVp/(m?s-)Vs/(m?S.)o中砂岩Mediumsandstone?细砂岩Finesandstone粉砂岩Siltstonex砂质泥岩Sandymudstone?泥岩Mudstone一煤Coal口石灰岩Limestone图1沉积岩石的动弹性模量与纵波(a)和横波(b)速度关系图(图例下同)Fig.1Relationshipsbetweendynamicelasticmodulusandthelongitudinal(a)andtransversal(b)wavevelocityofsedimentaryrocks图2沉积岩石的动泊松比与纵波(a)和横波(b)速度关系图Fig.2RelationshipsbetweendynamicPoissonSratioandthelongitudinal(a)andtransversal(b)wavevelocityofsedimentaryrocks4动,静弹性力学参数之间的关系煤系岩石的弹性模量和泊松比可以由静态载荷试验和动态方法获得.通过岩石声波速度实验测得纵波速度和横波速度以及岩石密度,按(2)和(3)式计算出动弹性模量和动泊松比.通过岩石试样的强度试验获得的横向和纵向变形数据计算出完整岩石的静弹性参数.由于测试方法的不同,煤系沉积岩石的动弹性参数大小与静弹性参数的大小存在一定差异,也就是动弹性模量与动泊松比要大于其静弹性模量.而动泊松比要小于其静泊松比,它们之间呈线性相关关系(如图3),这是由于采用动态方法测试时岩石试样对瞬间应变或高应变速率和很低应力作用的响应处于完全弹性状态所致.煤系沉积岩石动弹性模量与静弹性模量之间的1508地球物理(ChineseJ.Geophys.)49卷EJGPa图3沉积岩石动,静弹性力学参数之间关系图(a)弹性模量的关系;(b)泊松比的关系.Fig.3Relationshipsbetweenstaticanddynamicelasdcityparametersofsedimentaryrocks线性回归方程为Ed=0.7632E.+22.604,(4)式中E.为静弹性模量(GPa);相关系数R=0.87,统计数=47.煤系沉积岩石动泊松比与静泊松比之间的线性回归方程为d=0.2899/1+0.1366,(5)式中.为静泊松比;相关系数R=0.61,统计数=215岩石物理力学特性与声波速度之间的关系岩石的纵波速度通常被用来作为评价岩体质量的指标,完整岩石试样的纵波速度与其各种工程性质之间存在的关系是岩体质量评价的基础.在大多数情况下,岩体中存在各种不连续结构面,导致较低的纵,横声波速度和岩体质量.因此应用声波速度能很好地反映岩石物理力学特性.5.1岩石密度与声波速度之间的关系由于煤系沉积岩石在成分,结构和构造以及成岩作用的不同,导致岩石密度的差异,不同密度的岩石具有不同的声波速度.实验结果统计表明,煤系岩石密度10与其声波速度之间为非线性正相关关系(图4),它们之间的关系可表示如下:p=k2V2+kV+k0,(6)式中为煤系岩石纵波或横波速度(m/s);k.,k,和k:为取决于煤系岩石纵波或横波速度的参数(如表2所示).由于沉积岩石本身的成分,结构和构造的影响,煤系岩石密度与其声波速度之间存在一定变化范围,这反映出相同声波速度的岩石,其密度存在一定图4煤系沉积岩石的密度与纵波速度(a)或横波速度(b)关系图Fig.4Relationshipsbetweenrockdensityandlongitudinalwave(a)ortransversewave(b)velocity表2在方程(6)中参数k.k.和k的取值Table2Theparametersofk0-klandk2inEq.(6)5期孟召平等:煤系岩石物理力学参数与声波速度之间的关系的差异.但是,整体上从图中我们能够看出,煤系岩石的密度由泥岩到中,细砂岩逐渐增大(图4),且纵波速度和横波速度随着密度的增大而增大,整体表现为细砂岩,中砂岩和石灰岩的密度相对较大,且纵波速度和横波速度也较高;而砂质泥岩和泥岩的密度相对较小,且纵波速度和横波速度也较低.5.2岩石单轴抗压和抗拉强度与声波速度之间的关系试验研究表明,煤系岩石单轴抗压强度和抗拉强度与其纵波或横波速度具有相关性,随着纵波或横波速度的增加煤系岩石的单轴抗压强度和抗拉强度也增大,如图5和图6所示.同样,沉积岩石的静弹性模量也应具有类似的正相关关系.回归分析结果表明,煤系岩石单轴抗压强度与其纵波或横波速度之间具有如下指数关系:R=aew,(7)式中R为煤系岩石单轴抗压强度(MPa);o和b为取决于煤系岩石纵波或横波速度的参数(如表3所示).表3在方程(7)中参数口和b的取值Table3Theparametersof口andbinEq.(7)回归分析结果表明,煤系岩石单轴抗拉与其纵波或横波速度之间具有如下线性相关关系:R=b+aV,(8)式中为煤系岩石单轴抗拉强度(MPa);o和b为取决于煤系岩石纵波或横波速度的参数(值见表4).表4在方程(8)中参数.和b的取值Table4Theparametersof口andbinEq.(8)图5沉积岩石的抗压与纵波(a)和横渡(b)速度关系图Fig.5Relationshipsbetweencompressivestrengthandlongitudinal(a)ortransversal(b)wavevelocityofsedimentaryrocks图6沉积岩石的抗拉强度与纵波(a)和横波(b)速度关系图Fig.6Relationshipsbetweentensilestrengthandlongitudinal(a)ortransversal(b)wavevelocityofsedimentaryrocks151O地球物理(ChineseJ.Geophys.)49卷6结论通过对煤系岩石超声一时间动态和静态力学参数的测试分析,建立了煤系沉积岩石力学参数与其声波速度之间的相关关系.取得如下结论和认识:(1)煤系岩石的动弹性模量与岩石的纵波或横波速度具有很好的正相关关系,而动泊松比不具有这种正相关关系.同时,煤系沉积岩石的动弹性模量要大于其静弹性模量而动泊比要小于其静泊松比,它们之间呈线性相关关系,这样我们可以根据动弹性力学参数来估算静弹性力学参数,进行工程设计.(2)煤系岩石密度,单轴抗压和抗拉强度与其纵波或横波速度之间也呈正相关关系,它们分别服从二次函数,指数函数和线性函数分布.由于受煤系沉积岩石本身的成分,结构和构造的影响,煤系岩石密度,抗压和抗拉强度与其声波速度之间存在一定变化范围.同时也反映出煤系岩石的物理力学参数由泥岩到中,细砂岩逐渐增大,整体表现为细砂岩,中砂岩和石灰岩的物理力学参数相对较大,且声波速度也较高;而砂质泥岩和泥岩的物理力学参数相对较小,且声波速度也较低.(3)建立声波速度与动弹性力学参数和密度,抗压和抗拉强度等物理力学参数之间的相关关系具有理论和实际应用价值,我们可以通过动态方法来确定煤系岩石的静态力学特性.因此,随着煤田三维地震勘探的发展,通过地震速度参数反演地下岩体力学参数是完全可行的.参考文献(References)234RamachandranC.P-wavevelocityingranulitiesfromsouthIndia:implicationforthecontinentalcrust.Tectonophysics,1982,201:181188RybakSA,MakhoaykhSA,KostarevSA.Methodsofestimatingtheacousticparametersofground.AcousticalPics,2004,50(3):265272HampsonDP.SchuelkeJS.QuireinJA.Useofmultiattributetransformstopredictlogpropertiesfromseismicdata.Geophysics,2001,66(1):220236张美根,王妙月,李小凡等.时间域全波场各向异性弹性参数反演.地球物理,2003,46(1):94100ZhangMG,WangMY,LiXF,eta1.Fullwavefieldinversionofanisotropicelasticparametersinthetimedomain.ChineseJ.Geophys.(inChinese),2003,46(1):941005HorstD.DieErmittlungderelastischenKennwerteyonGesteinenmittelsUltraschaU-LaufzeitmessungenundeinaxialerDruckversucheunterbesondererBertlcksichtigungeinerdurchdasKorngefUgebedingtenmechanischenAnisotropie.RWTHAachen,19766Krautkramer.WerkstoffprllfungmitUltraschsl1.Springer-Verlag,BerlinHeidelberg-NewYork,19757GebrandeH,Kern,RunnelF.Elasticityandinelasticity,inlandoh-Bomsteinnumericaldataandfunctionalrelationshipsinscienceandtechnology.In:HellwegeHKed.PhysicalPropertinsofRocks.Springer-Verlag,Berlin-Heidelberg-NewYork,19828CiccottiM,AlmagroR,MulargiaF.StaticanddynamicmoduliofthesoismogeniclayerinItaly.RockMechanicsandRockEngineering,2004,37(3):2292389王让甲编着.声波岩石分级和岩石动弹性力学参数的分析研究.北京:地质出版社,1997WangRJ.TheAnalyticalStudyofAcousticRockClassificationandRockDynamicElasticParameters(inChinese).Beijing:GeologicalPublishingHouse,199710LiaoJJ,HuTB,ChangCW.Determinationofdynamicelasticconstantsoftransverselyisotropicrocksusingasinglecylindricalspecimen.InternationalJournalofRockMechanicsandMiningScience&GeomechanicusAbstracts,