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(何元金和马兴昆，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6 cm的立方体，选用超声的低频段，主频为100 kHz；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%.

图 2

Fig. 2

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

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.

图 3

Fig. 3

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

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，V_x、V_y、V_z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V_xy与V_xz，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V_xy表示横波沿x传播，振动方向与y平行；V_xz表示沿x传播，振动方向与z平行.

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.

通过煤岩的镜质组反射率(R_omax)分别与Q_P值、Q_S值回归分析，可以得到煤岩镜质组最大反射率与Q_P值、Q_S值线性相关，QP值、Q_S值随煤岩镜质组反射率的增加而增大，见图 4、图 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.

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.

图 4

Fig. 4

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

图 5

Fig. 5

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

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Q_P值与相同方向传播的纵波速度回归分析，可以看出三方向Q_P与V_P正相关，Q_P随着V_P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Q_P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Q_P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

Fig. 6

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

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Q_S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Q_S与V_S正相关，Q_S随着V_S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Q_S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.

图 7

Fig. 7

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

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Q_P值与沿相同方向传播横波的Q_S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Q_P与Q_S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 8

Fig. 8

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

关系式(Wang et al., 2009)是多波处理中经常使用的近似公式.通过这个公式可以利用纵波品质因子和纵横波速度比求取横波的品质因子，从而实现转换横波的吸收衰减补偿.在本次实验中，我们通过这个公式的Q_S理论估算值(见表 3)与实测的Q_S值对比，来评价Wang et al. (2009) 提出公式的精度.如表 3所示，平均误差小于10%，可见Wang et al. (2009) 中提出的公式是可以可靠使用的.

表 3(Table 3)

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 QS in the lab and the theoretical calculated 煤样编号 QS理论公式计算值 实测与理论计算QS值的误差(%) x y z x y z A 3.01 2.37 3.01 0 0 0 B 2.80 3.23 5.87 14 1 21 C 2.62 2.26 4.09 24 25 10 D 2.91 2.94 3.12 7 0 2 E 5.86 2.6 - 2 28 - F 8.13 6.69 6.49 4 0 3 平均误差 8.5 9 7.2 注：Wang et al. (2009)中提出的公式只适用于垂直层理方向的品质因子换算.

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

表 4(Table 4)

表 4煤岩的三方向品质因子各向异性 Table 4Anisotropy of quality factors in the xyz directions 煤样编号 Qp各向异性因子 QS各向异性因子 APxy APxz APyz ASxy ASxz ASyz A 16.7 30.1 13.5 23.4 0.0 23.7 B 10.1 27.2 17.3 0.0 39.2 39.2 C 40.1 0.3 40.4 10.6 10.1 20.7 D 25.8 30.7 5.2 5.9 1.6 7.5 E 48.0 105.8 96.3 46.4 - - F 11.0 38.5 27.8 15.1 15.1 0.0 平均值 25.3 38.8 33.4 16.9 13.2 18.2

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

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.