《Ultrasonics》：Study on the relationship between coal structure and acoustic characteristics under wetting conditions
编辑推荐：
煤岩润湿性对超声P波速度的影响及孔隙结构关联性研究。采用CT三维建模和超声测试方法，对比分析原煤与煤块样本在湿润过程中的波速变化，揭示孔隙率、分形维度与波速增量正相关，宏观裂缝的层状结构显著影响波速。
Jinzhou Li|Gang Wang|Hong Zhang
中国石油大学管道安全国家工程实验室/石油工程教育部重点实验室/城市油气分配技术北京重点实验室，北京，中华人民共和国
摘要
注水过程中煤层的润湿情况可以通过超声波P波速度的变化有效反映出来。为了研究具有不同结构的含水煤的超声波P波速度，本研究分别对原煤和煤块进行了测试。首先利用计算机断层扫描技术重建了三维煤体模型，然后对湿润的原煤样品进行超声波测量，以分析水分对不同结构煤的波速影响。探讨了P波速度、润湿率、孔隙度以及分形维数之间的关系。此外，还在不同条件下制备的煤块样品上进行了超声波测试，以评估宏观裂纹对润湿状态下超声波特性的影响。结果表明，干燥的A类样品由于孔隙较少、孔隙度较低、分形维数较小，其P波速度较高，但润湿后速度增长缓慢，表明其润湿效果有限；而B类样品由于微孔隙度较高、分形维数较大，对水分更为敏感，初始P波速度较低，但润湿后速度显著增加。这种敏感性可归因于B类样品中微孔隙度较高且微孔壁的曲折程度更大。波速的增加与孔隙度和分形维数呈正相关。对于煤块而言，观察到明显的层理效应对P波速度有影响。裂纹厚度对波速的影响随着润湿程度的增加而增强，而裂纹大小则具有相反的效果。这些发现为利用超声波检测技术评估煤层润湿程度提供了理论指导。
引言
煤岩本质上是不均匀的，含有大量的孔隙和微裂纹[1]、[2]。作为一种充满流体的独特多孔介质，含水煤岩在地质构造中广泛分布[3]、[4]、[5]、[6]。在煤矿工程中，注水常用于抑制粉尘、控制气体以及预防动态灾害，导致煤体经常处于含水状态。在这种情况下，孔隙-裂隙结构与水之间的相互作用显著改变了煤的物理和机械性质，因此了解含水煤的超声波响应特性对于保障矿井安全及评估注水效果至关重要。
超声波检测是一种研究煤岩机械性质和结构特性的强大技术。通过分析声学参数（如波速、衰减系数和信号幅度）的变化，超声波检测能够提供关于煤岩介质内部特征的宝贵信息[7]。由于孔隙结构和含水量是影响超声波传播的两个关键因素，对具有不同结构特征和润湿状态的煤样进行系统的实验研究可以为地下煤层注水提供重要的实验基础。
过去几十年里，大量实验和理论研究探讨了超声波信号与地质材料（包括煤和其他多孔岩石）的物理-机械性质之间的关系。Shea-Albin等人[8]证明超声波速度和衰减可以有效指示载荷变化和结构完整性，其中剪切波对微裂纹演变更为敏感。Prasad和Manghnani[9]研究了砂岩中的纵波衰减各向异性，而Jeroen等人[8]揭示了孔隙度和矿物组成对声速的影响。对于煤材料，Gaviglio等人[10]建立了超声波速度与煤密度之间的相关性，Pyrak-Nolte等人[11]开发了基于位移-不连续性的模型来描述断裂介质中的波传播。Zhao等人[12]和Cai等人[13]进一步提出了等效介质模型和解析解，以解释平面裂纹引起的波衰减。Mashinskii等人[14]以及Fan等人[15]、[16]、[17]的先进数值和解析研究为复杂断裂岩体中的波传播行为提供了更深入的见解。
含水量对煤中超声波传播的影响也受到了广泛关注。先前的研究表明，水填充孔隙和微裂纹会改变煤的有效弹性性质，从而导致P波速度和衰减的变化[18]、[19]。Mahoney等人[20]研究了煤等级和岩性对润湿性的影响，而Liu等人[21]结合核磁共振技术量化了水饱和度、孔隙度和裂纹对纵波速度的影响。Wang等人[2]进一步证明P波速度对煤的结构差异和含水量变化非常敏感。
这些研究人员利用超声波技术对煤岩的孔隙和裂隙结构及其物理和机械性质进行了大量研究。然而，关于含水煤岩中孔隙和裂隙结构对超声波特性影响的研究相对较少。尽管已有许多研究探讨了超声波特性与煤岩宏观尺度孔隙和裂隙结构之间的关系，但针对微观尺度孔隙和裂隙结构的研究报告却非常少。
计算机断层扫描（CT）技术被广泛用于检测岩石的物理结构，其对孔隙和裂隙的空间分布具有很高的敏感性。该方法能够清晰地可视化微观孔隙和裂隙结构及其空间分布。例如，Lee等人[22]利用CT扫描研究了源自煤的有机地质聚合物的纳米级孔隙结构，成功地利用三维模型获得了孔径分布和孔隙度。同样，Yao等人[23]、[24]将CT技术应用于煤的研究，实现了煤的孔隙度、孔隙-裂隙结构以及矿物含量分布的二维和三维量化，从而证明了CT扫描在数字分析煤内部结构方面的有效性和可靠性。因此，CT扫描技术为研究煤孔隙和裂隙的三维结构提供了有力工具，有助于探索声波特性与煤内部结构之间的关系。这一能力为进一步理解煤的物理特性如何影响其声学性质奠定了坚实基础。
因此，本研究结合超声波检测和CT扫描技术，系统地研究了润湿过程中具有不同结构的煤的P波速度变化。利用原煤样品分析了润湿程度、孔隙度、分形维数与波速之间的关系，同时使用具有可控裂隙特性的煤块样品来探讨含水条件下宏观裂纹的影响。研究结果为注水过程中煤层润湿的超声波评估提供了实验支持。
样本制备
所有样品均取自山东省济宁市任城区南张镇的唐口煤矿。
(1) 原煤样品的制备。
原煤样品的制备过程如图1(a)所示，具体步骤如下：从地下矿井中选取一块较大、完整且均匀的原煤块，加工成直径为50±1毫米、高度各异的圆柱形样品，并对样品两端进行修整以确保
样品的结构特征和分类
由于地质过程和采矿活动，大多数煤层中都会形成内部孔隙和裂纹。这些孔隙和裂纹具有多种几何形状和复杂的空间分布，形成了高度复杂的孔隙-裂纹结构[3]、[4]、[5]、[6]。图4展示了本研究中使用的煤样重建的三维结构。
如图4所示，1号样品具有丰富的孔隙和裂纹，这些孔隙和裂纹在样品的上下两端均匀分布。
结论
- (1)
在自然润湿条件下，A类样品在干燥状态下的波速较快，且随着高度的增加波速增长较慢。相比之下，B类样品的表现相反，表明B类样品具有更好的润湿效果，水平裂纹结构的影响更大。
- (2)
利用三维CT重建的煤样模型发现，波速增加与孔隙度和分形维数之间存在定量关系
作者贡献声明
Jinzhou Li：撰写——原始稿件。Gang Wang：项目管理。Hong Zhang：监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
