2017, Vol. 32
2. 煤与煤系地质勘查山西省重点实验室, 太原 030024
2. Shanxi Key Laboratory of Coal and Coal Measures Gas Geology Exploration, Taiyuan 030024, China
构造煤是煤层在构造应力作用下，发生成分、结构和构造的变化，引起煤层破坏、粉化、增厚、减薄等变形作用和煤的降解、缩聚等变质作用的产物(张子敏等, 2009)，大量煤与瓦斯突出事故统计结果表明：大部分的突出地点和突出煤层普遍存在由于构造作用形成的具有一定厚度的构造煤，而一定厚度分层构造煤的存在，将导致煤层透气性差，形成低渗富集区，这也成为煤层气地面开发的“拦路虎”.随着我国能源结构的逐渐转化和大规模煤层气压裂开采的需要(侯泉林等, 2012; 孟召平和侯泉林, 2013)，利用地球物理手段预测工作面前方突出危险性和地面圈定构造软煤的赋存空间，是实现连续非接触预测的重要手段，更是减少煤矿瓦斯突出灾害和提高煤层气井网布置效率的关键手段.
岩石物理学不仅研究岩石本身的物理性质.而且还通过研究不同温压条件下岩性、渗透率、孔隙度和气水饱和流体等对岩石性质的影响，分析地震波传播规律及电导率特征，建立各煤岩属性参数、弹性参数及电性参数之间的关系(陈颙等, 2009)，从而为利用地球物理勘探技术圈定构造煤及煤与瓦斯富集区提供实验依据.20世纪90年代末何继善、吕绍林等首次对大量煤样进行的超声测试和无线电波探测证实了瓦斯突出煤与非突出煤在声波速度、弹性参数、强度参数和电性参数(视电阻率)等方面有明显差异(何继善和吕绍林, 1999)，后来中国矿业大学的彭苏萍院士以瓦斯突出煤与非突出煤的物性差异产生AVO响应异常为出发点，借助于淮南某煤矿钻井岩芯实验室测定的数据初步探讨了利用AVO技术预测煤层瓦斯富集部位的可行性(彭苏萍等, 2005, 2008).河南理工大学“瓦斯地质与瓦斯治理实验室”对构造煤的研究主要从不同煤体结构的煤样的采集、制样和煤岩超声波速、电阻率与煤岩组分、煤质、物理力学特性、和煤体结构的关系进行系统分析.中国地质大学的王赟等主要分析了不同变质程度煤的弹性参数与密度、孔裂隙结构和最大镜质组反射率之间的关系，从地震属性参数与煤岩属性参数之间的建立联系得到适合煤的岩石物理经验公式(王赟等, 2012, 2014).随着地球物理方法在突出危险性探测的应用方面的推广，对于煤弹性模量和电阻率特征的研究需求越来越多.但是已有的实验室测试无论从试验样品的制样、测试条件和结果都较零散.在调研大量文献基础上，结合已有的构造煤岩样的制样、物性参数测试研究现状，系统分析了煤岩物理性质、储层条件和测试条件对构造煤物性参数的影响及物性参数在实际地球物理勘探中的应用.
1 构造煤制样手段的研究现状由于煤层与一般岩石相比具有强度低，结构疏松，易于破碎的特点，所以在进行煤的物性参数(弹性、电性)测试时，不同煤体结构的煤制样成为后续研究测试的关键环节.
煤岩试验样品的制备不像一般岩石那么容易，特别是对构造软煤，目前还没有很好的制备试验样品的方法.目前主要用以下4种方法采样制样：
(1) 筛选出两种不同粒径(粗粒和细粒)的构造煤煤粒，细粒组由粒径小于1 mm的煤粒组成，粗粒组由1/3的粒径1~2 mm的煤粒和2/3的粒径小于1 mm的煤粒组成，然后均匀搅拌放入成型模具中，用压力机压制成型煤(郭德勇等, 1998, 2014).
(2) 先把构造煤粉碎成煤粉，之后筛选出特定大小粒径的煤粉，放入成型模具中用压力机加压后脱模、干燥成型煤(魏建平等, 2012; 高魁等, 2013)或将一定质量的构造煤直接放进成型模具中，加压制成型煤(黄华州, 2010; 吕闰生等, 2012).
(3) 将井下取好的构造煤样品密封好，进行冰冻(姜波和琚宜文, 2004; 储小送等, 2015)或煮胶(董守华, 2008)，然后制取试验所需要的规则煤样.
(4) 采用加工的圆柱形模具或用微型电钻在井下煤壁上直接打进构造煤发育层，加入胶合物，取出煤样并打磨成实验室所需的煤样规格(申振华, 2011; 成林, 2012; 许小凯, 2013).
对比上述4种制样方法，都不同程度存在一些问题(见表 1)，具体有：
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表 1 构造煤制样方法表 Table 1 Methods of tectonic coal samples |
(1) 煮胶制样和不同粒径配比或选取一定粒度的煤粉压缩成型煤的制样方法，均对构造煤的原生结构破坏较大，无法真实反映煤体内部孔隙、裂隙的分布特征，对煤层的物理力学性质产生较大的影响.
(2) 冰冻钻取和煤层模具取样能最大限度的反映构造煤原始结构，但加入的胶合物的量较大时会对煤岩的物性产生影响，冷冻时间和结冰程度对测试的影响有待进一步研究.
2 构造煤物性参数测试方法研究现状 2.1 构造煤岩超声波速的研究现状任何有成效的地球物理勘探方法都是以目的层与围岩地质体之间的物性差异为基础的，如果我们希望有效地使测井技术、电法技术和地震属性圈定构造煤的赋存空间及预测区域突出危险性，那么应当首先解决原生结构煤和与之共生的构造煤之间的物性差异及储层因素对煤层物性参数的影响.与煤体物理力学性质关系密切相关的煤岩弹性参数主要包括纵横波速、弹性模量和品质因子等，而纵横波速度是应用地球物理方法勘探不可或缺的基础参数之一.多数情况下需要通过经验公式将密度转换为纵横波速度，从先期国外的经典理论Gardner与Castagner公式(Gardner et al., 1974; Castagna and Smith, 1994)到国内的彭苏萍院士通过实验室测试及实际测井资料回归分析提出的经验公式(彭苏萍等, 2004).由于沉积岩石本身的成分、结构和构造都会影响煤岩物性参数的关系，不同经验公式在不同地区之间存在较大的差异，探讨不同因素对煤体超声波速度的响应机制并加以改进使之适合国内瓦斯预测的实际情况，可为资料反演解释提供更精准的岩石物理模型.下面从煤岩物理性质、储层条件和测试条件等三个方面分析煤岩超声波速在不同因素条件下的变化.
2.1.1 煤岩物理性质对波速的影响关于不同类型的煤岩超声波波速，国内学者们进行了实验室测试与理论方面的探索研究，申振华(2011)第一次将6种不同变质程度的煤在常温常压下进行了超声波测量实验，讨论了煤岩的纵、横波速度特征、衰减特征、方位各向异性特征、弹性模量及煤变质程度对弹性参数的影响等，但由于在脉冲透射法实验测试时其纵波测试主频采用100 kHz，横波测试主频采用250 kHz导致QP及QS不具对比性，另外，初至拾取时采用经验法在示波器直接读取造成数据误差较大.
王赟等(2012)对不同变质程度煤的纵横波速度进行常温常压下的超声测试发现煤的纵横波速度与密度均成良好的线性关系且存在有一定的各项异性.同时发现煤样利用Gardner公式和Castagna公式理论换算值与实测值之间存在明显的误差.对基于岩石物理测试得到的数据进行回归分析，提出了适应于国内煤田地震与测井联合反演中的经验公式.对于缺少岩样测试时利用测井曲线和选择合适的经验公式进行纵横波速转换是关键.成林(2012)在上述研究者研究的基础上基于常温常压下对4种不同变质程度的构造煤进行了超声波测量实验，采用偏振特性拾取透射横波初至(张建利等, 2013)；利用宽带滤波拾取P波、S波形并计算Q值，利用新的数据处理方法提高了弹性参数的测试及计算的精确度，但缺乏不同煤体结构弹性参数的对比分析研究.
许小凯(2013)在成林、申振华的研究基础上系统分析了原生结构煤与其共生构造煤的超声波响应特征，得出了煤质、孔隙度及弹性参数之间的对比关系(见表 2)，认为煤中灰分(Ad)是影响煤超声波弹性参数中波速、波阻抗、Q值、λ、μ、K和E的主要因素；平均孔径决定了煤泊松比.
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表 2 无烟煤相对于烟煤的弹性、物性、结构参数对比表(据许小凯, 2013) Table 2 The elasticity、physical parameters and structure comparison of anthracite coal relative to bituminous |
2014年王赟等在常温压条件下五种变质程度构造煤的超声弹性特征一文中详细阐述了4个矿区五种变质程度的构造煤(碎裂~糜棱煤)在走向方向上的超声波弹性特征(见图 1~图 2)，结果表明：构造煤的品质因子、弹性模量相比于原生结构煤都大幅度降低，总结了不同构造煤样的弹性模量、孔隙结构与变质程度、密度之间的相关关系，为从地震属性反演角度预测构造煤提供了实验基础.
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图 1 构造煤纵波与横波的速度关系(据王赟等, 2014) Figure 1 P-versus S-wave velocity of tectonic coal |
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图 2 构造煤各煤种ρ与VP及VS均值之间相关性(据王赟等, 2014) Figure 2 Velocity versus apparent density of different rank coal |
早先对煤岩的超声波测试是在常温常压下进行的，而煤层是在一定的沉积环境中形成，随着多相介质模型及高温高压波速实验的长足发展，前人(贺振华等, 2003; 曹均等, 2004; 孟召平等, 2006; 李琼等, 2013)证实了煤岩物性参数随储层条件的变化而变化，在实验室中尽可能模拟储层条件测定煤岩物性参数并研究其规律是精确了解储层特征的直接方法.
郭德勇等(1998)在实验室证明了在围压下的构造煤波速随着围压增加而增加，不同粒度煤样即不同类型构造煤的速度增长程度不同，粗粒煤煤样中波速增长快(图 3)，因为波在构造煤中传播是通过每个颗粒即每个质点的振动实现，压力增加使煤得到压实，颗粒之间接触更紧密.
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图 3 不同类型构造煤围压下波速的变化(a、b表示不同类型的构造煤)(据郭德勇, 1998) Figure 3 Velocities under different pressure of the tectonic coal (a、b indicates that different types of tectonic coal) |
煤储层中的气体(煤层气)主要以吸附态赋存于孔裂隙表面.瓦斯在煤体的赋存状态(游离态、吸附态)不同其物性特征也存在一定的差异(周枫, 2014).徐刚等(2009)以Biot的饱和流体多孔隙介质弹性波传播理论为基础，对无吸附相模型和吸附相模型的瓦斯煤体的弹性波进行了研究.研究结果表明:无吸附相模型的弹性波速度随着瓦斯压力的增加略有下降，这也与刘盛东等(2005)、张平松等(2006)研究结果相对应，与单相介质的煤相比相差不大；吸附相模型的弹性波速度随着瓦斯压力的增加而下降趋势明显，表现出明显的双相介质特征，如图 4所示.这一发现也与现存煤岩物理理论(Gassmann, 1951; Biot, 1956)以及实验室测定其他种类煤岩样品的成果一致.
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图 4 含瓦斯煤体弹性波速与瓦斯压力的关系(据徐刚等, 2009) Figure 4 Velocities of gas-bearing coal versus methane pressure |
李盟(2014)从耦合剂、换能器尺寸、煤样长度和发射频率等测试因素对煤体超声波速度的影响作了对比分析实验(见图 5~图 7)，研究表明：
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图 5 煤样超声波纵波速度与煤样尺寸关系图(据李盟, 2014) Figure 5 P-wave velocities and size of coal samples |
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图 6 不同煤级样纵波速度与频率关系图(据李盟, 2014) Figure 6 Different metamorphic grade coal sample P-wave velocity and frequency |
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图 7 两种规格换能器所测出的煤样纵、横波速度分布图(据李盟, 2014) Figure 7 Acoustic velocity distribution of coal samples gained by two sizes transducers |
(1)50 kHz发射频率与100 kHz发射频率所测纵波速度随长度变化的趋势大致相同.20~50 mm长度之间，VP随着煤样长度的增加而增大，在50 mm左右达到稳定，当长度达到100 mm时，波速又呈现下降趋势.
(2) 无烟煤的波速均大于焦煤、肥煤，且均随着频率的增大波速呈逐渐增大的趋势，而焦煤、肥煤则表现出相反的趋势，且转折点在100 kHz左右.当煤样结构致密时，产生的衰减较小，总体表现出波速随着频率增大而增大的现象；当变质程度降低，孔隙度增大，则散射衰减程度增强，表现出波速随频率增大而降低的趋势.
(3)ϕ50 mm的换能器所测煤样纵波速度、横波速度均大于ϕ25 mm换能器所测得速度，说明换能器尺寸越小，对内部结构复杂的煤样响应越敏感.所以在煤样超声波速测试时选择不同的测试条件对煤的弹性响应特征造成较大的差异，所以如何排除实验过程中非地质因素造成的影响，达到测试满足的最大耦合条件，实现构造煤超声波速测试的真实值，煤岩声波测试条件的合理选取对超声波速度测试起重要的作用.
由上述论述可知，国内学者基于变温变压条件不同煤阶煤岩的物性参数进行大量的测试研究，较全面的分析了煤岩波速大小与煤岩组分、煤质、物理力学特性、孔裂隙结构和煤体结构的关系，但是影响煤岩超声波速度的因素繁多，机理复杂，构造煤与瓦斯突出之间存在内在的联系，吸附瓦斯量在煤岩超声测试时也就必不可少，利用地球物理技术解决构造煤的赋存空间分布，瓦斯压力与其构造煤弹性参数之间的关系及储层条件下渗透率、孔隙率、煤质和煤阶与煤岩物性参数的相关关系，仍然是构造煤岩石物理领域研究的重中之重.由于构造软煤较松软使得超声测试时声波能量的衰减很快，如何同时在温度、压力、固气耦合等条件下的煤样超声波测试也显得至关重要，以上研究者对构造煤的研究只是将不同破碎程度的构造煤统称为一类，但对于预测煤与瓦斯富集区来说则需要对构造煤结构破坏程度进行定性或半定量描述和区别，煤体结构划分(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会，2014)为四种类型即原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤.尤其是糜棱煤，与瓦斯突出的关系非常密切，虽然与碎裂煤同为构造煤，但其与碎裂煤的物性差异非常大.所以针对不同变质程度或同一矿区与原生结构煤共生的不同破碎程度构造煤的超声波测试，还需要在满足储层条件下(温压、瓦斯含量)的进一步系统研究.
2.2 煤体电阻率研究现状煤体的电阻率特性是反映煤体固有属性的一个重要物理量，不同煤体结构的电阻率差异是利用电法勘探技术进行煤与瓦斯突出探测的电性基础，国内外学者在此方面也进行了大量的电性参数的测试(Podder and Majumder, 2001; Zubkova and Prezhdo, 2006).吕绍林和何继善(1998)在实验室通过对不同煤体的电阻率测试发现瓦斯突出煤体的电阻率是非突出煤体的10倍以上.这表明突出与非突出煤体在电阻率之间存在某种必然的区别与联系.康建宁和黄学满(2005)对煤的电阻率参数采用实验测试和理论分析相结合的方法，定量化研究了电阻率和煤与瓦斯突出因素之间的关系，表明电阻率特性在一定程度上能够作为反映煤与瓦斯突出危险性的一个指标.
由于煤体结构、成分和所处地质条件的复杂性，导致煤体电阻率测试时的影响因素较多，且视电阻率测试数值变化范围较大(孟磊, 2010; 陈健杰等, 2011)，下面从煤岩物理特性、储层条件和测试条件等角度对电阻率的影响因素进行分析总结.煤岩物理特性指其自身物理力学特性，包括变质程度(朱之培, 1984; 原永涛等, 1997)、煤岩类型(邵震杰, 1993; 徐宏武, 2005; )、工业分析(王云刚等, 2010)和不同煤体结构(孟磊等, 2010; 陈健杰等, 2011; 郭晓洁等, 2015)参数等因素；储层条件主要包括围压(康建宁, 2003, 2005; 文光才, 2003)、瓦斯压力(文光才, 2003)、温度(康建宁, 2005; 徐宏武, 2005)和湿度(徐宏武, 1996)；测试条件主要包括测试频率(徐龙君等, 2000; 陈健杰等, 2011)、测试方向(徐龙君等, 1996; 张川等, 2015)和电场强度(Dindi et al., 1989; 张广洋等, 1995)等因素.需要指出，以上单一变量因素对煤体电阻率的影响规律仅为一般规律(见表 3)，实际上在地面或井下现场以煤体作为探测对象进行电法勘探时，往往受到人为干扰及多种地质因素耦合作用的影响，规律现象显现更为多样复杂化.
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表 3 煤体电阻率影响因素的一般规律 Table 3 General rules of influencing factors of coal resistivity |
上述学者所做的实验中，主要研究了单轴应力和瓦斯压力对煤体电阻率的影响规律，为了更好的分析地质因素对煤体电阻率的影响，实验过程中尽量保持测试环境的一致性，以排除人为和非地质因素的干扰.对于同一煤矿的同一煤层而言，煤岩的基础储层参数(煤阶、渗透率和工业分析等)可认为是一致的，因此研究一个矿区同一煤层原生结构煤与其共生的不同破碎类型的构造煤的电阻率在温度、围压和瓦斯压力等综合作用耦合条件下的变化规律，对于煤层气富集区及突出矿井的预测显得更有实际意义.考虑到煤层赋存的区域性，应针对不同煤阶、不同矿区的煤层总结各因素对煤岩物性特征影响的不同机制.
2.3 物性参数在煤与瓦斯突出预测方面的应用不同煤结构其物性参数不同，物性参数的实验室测试成果为不同煤结构的实际预测提供了可能.随着三维地震勘探及井下综合物探技术的发展及广泛应用，使以地震和电性资料为基础的煤与瓦斯突出非接触式预测得到了长足发展.
吕绍林等(1997)(吕绍林, 2001)在实验室进行了大量不同煤结构类型煤样超声波速度测试，建立了利用脉冲超声波预测瓦斯突出煤体的观测系统，利用孔测数据能准确地测得煤壁深处沿钻孔方向的煤体结构分布情况，根据不同煤体结构分布达到了预测煤与瓦斯突出的目的.但方法存在一定的局限性，即只能借助于钻孔的方位判断，不能大面积的圈定预测.赵秋芳(2005)研究了震波参数与突出危险性的关系，表明突出和非突出煤层在f(固有频率)和Q(品质因子)值方面存在较大差异，以此提出了新的突出预测法—f-Q指标法，并在祁东矿得到验证.彭苏萍等(2005)在总结不同结构煤体在AVO响应上存在明显的差异的基础上，以瓦斯地质理论为基础，利用AVO梯度和伪泊松比反射系数法对淮南煤田潘三煤矿煤层瓦斯富集区进行了预测，表明应用地震参数反演预测瓦斯富集区是可行的.芦俊等(2011)提出利用多波地震(3D3C)与测井数据的联合反演得到煤岩的坚固性，并依据f值(坚固性系数)划分出了煤与瓦斯突出危险区，这一结果也与汤友谊等(2011)提出的将f值作为硬煤和构造软煤的分类指标相一致.
何继善和吕绍林(1999)实现了利用无线电波技术并结合瓦斯地质理论对平煤八矿戊9-1014121工作面进行突出煤体的划分；陈鹏(2013)针对煤与瓦斯突出的直流电法响应规律进行了大量的理论和实验研究，总结突出煤体的电阻率响应机理，在此基础上建立直流电法探测区域突出危险性的判识方法，利用网络并行电法技术，结合瓦斯地质特征分析，对淮北矿业集团朱仙庄矿Ⅱ1051回采工作面和义马煤业集团新义矿12011皮带顺槽进行了区域突出危险性预测和划分，并进行了验证.
3 构造煤物性参数测试研究存在的主要问题国内外学者对煤岩物性参数测试在理论及实验方面进行了广泛而深入的研究，将地球物理探测技术应用于构造煤赋存区域的空间分布尤其是区域瓦斯预测，取得了丰硕的研究成果(杨双安等, 2006; 胡朝元等, 2011)，但由于突出机理、测试技术和设备以及预测方法等方面的原因，如何更有效地圈定构造煤赋存空间和瓦斯突出区仍是一个难题.当前构造煤岩样的物性测试和应用方面主要存在如下四方面问题：
(1) 构造煤同原生煤相比易碎、疏松，不易制成规则的样品.实验室的构造煤物性测试一般是利用模具把破碎的构造煤挤压成型煤后进行测试.但在压铸或钻取制样过程中对构造煤的原生裂隙裂痕造成人为破坏影响较大，使得实验室测试的数据难以反映构造煤的真实物性；
(2) 对于变温压、气水饱和及瓦斯吸附等多相耦合介质条件下构造煤的弹性测试缺乏客观、系统的超声测试结果；对不同破碎程度的不同变质程度构造煤的物性参数对比研究进展不大，应用方面的成果也少见，基本处于构造煤与非构造煤这一大类的研究阶段.
(3) 现场实测数据与实验室岩芯测试等数据之间存在测试手段、测量频带和地质体尺度的不同，因此使用实验室测量数据得出的模型或经验公式对于实际勘探频带范围下的岩石物性是否适用，以及如何实现从超声波到地震勘探的中低频波过渡，均是将煤超声波响应特征映射到实际构造煤地震勘探中亟待解决的问题.
(4) 突出危险因素对煤体电阻率的作用机理以及响应特征的关系研究大多还只是停留在规律性判识和实验研究阶段，特别是利用常用的井下物探方法(如瞬变电磁法、直流电法、无线电坑透法、反射波法、瑞雷波法等)和仪器进行煤与瓦斯突出的预测研究还没有见到成果.
4 总结与展望通过以上分析，构造煤物性测试的研究可以总结为以下几点：
(1) 已有的研究结果证实原生结构煤和构造煤物性特征(声波速度、电阻率)存在较大差异，这对煤与瓦斯富集区在井下或地面用地球物理技术进行预测有基础支撑作用，但目前针对与原生煤共生的不同类型构造煤的物性参数在不同地质因素下的机理研究缺乏细致、全面的成果.
(2) 不同地区的区域性地质构造背景不同，使得煤层的赋存特征具有差异性，因此应开展对煤岩物性响应在不同破碎类型和不同变质程度的煤岩之间进行定量化的描述，以此归纳出不同矿区或煤矿的煤岩物性参数响应的不同特征，对开展煤层气富集区和矿井瓦斯突出区的预测提供实验支撑.
(3) 实验室现阶段的测试技术无法同时满足煤岩弹性及电性参数在温度、地应力和固气耦合等储层条件下的测试要求，另一方面由于实验室构造煤制样存在较大的困难，如何开发出一套便携式针对井下煤岩尤其是构造煤物性测试的设备和分析软件，为构造煤与煤层气富集区勘探的预测提供直接、快捷的岩石物理测试成果也应引起重视.
致谢 感谢文章中所引用参考文献的所有作者，他们卓有成效的研究成果，让我受益匪浅.| [] | Biot M A. 1956. Theory of propagation of elastic waves in a fluid-saturated porous solid.I. Low-frequency range[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 28(2): 168–178. DOI:10.1121/1.1908239 |
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