我国煤层受多期构造史的影响，煤层内的断层、陷落柱、应力集中区和瓦斯等隐蔽致灾因素严重地影响了煤矿的安全高效开采，为了减少煤炭开采过程中灾害事故的发生，探明煤层的应力状态及瓦斯赋存情况则显得尤为重要。超声波探测技术具有方向性好、传播距离长、穿透性强和不易衰减的特征，十分适合用于煤层物探领域。为了得到清晰的煤层超声波物探反演规律，本文在超声波动学、岩石力学和渗流力学的相关理论基础上，从实验室分析、机理研究和现场测试验证三个方面对煤体在加载及瓦斯吸附条件下的超声响应特征规律展开研究。论文的主要研究内容如下：

（1）利用NM-4B非金属超声检测分析仪、低频岩石物理测量装置等仪器分别开展了常温常压、应力加载和瓦斯吸附条件下的煤体超声波实验，获得了在考虑煤体各向异性基础上的超声波运动学特征（纵横波速度）与煤体类型、应力加载状态、吸附解吸状态的对应关系，以及动力学特征（品质因子）与煤体结构类型、应力应变之间的对应关系。

（2）结合典型煤体在单轴加载下的应力应变曲线，对不同压力条件下的煤体超声波速度、品质因子变化机理进行了研究；同时在只考虑超声波散射衰减的前提下，进一步利用断裂力学理论对煤体在受载条件下的裂隙发展规律进行分析，推导得到了单轴作用下煤体品质因子的理论计算模型，将实验得到的品质因子之比与理论得到的品质因子之比进行对比分析，两者变化趋势具有良好的一致性。

（3）通过分析煤体在吸附解吸实验条件下的超声波速度变化情况，得到纵横波速度的变化是由瓦斯吸附膨胀的正效应与瓦斯压力压缩的负效应综合作用，1.5MPa为煤体超声波波速变化的临界瓦斯压力，当瓦斯压力小于1.5MPa时，瓦斯吸附膨胀的正效应占优，表现为纵横波速度增加，当瓦斯压力大于1.5MPa时，瓦斯压力压缩的负效应占优，表现为纵横波速度减少。从煤体孔隙率占比角度出发，推导得到了不同瓦斯压力条件下的含瓦斯煤体的超声波速度表达式。

（4）利用改进的超声波探测装置在新元煤炭有限公司310205工作面开展了超声波试验，得到煤体纵波波速与工作面前方的支承压力之间具有良好的对应关系；声波纵波波速与区域瓦斯含量具有较好的正相关性，为采用超声波探测技术来判断煤层瓦斯富集程度提供了一种新的方法。

My country’s coal seams are affected by multiple periods of structural history, the hidden hazards such as faults, collapse columns, stress concentration areas and gas in the coal seams have seriously affected the safe and efficient mining of coal mines. In order to reduce the occurrence of disasters and accidents during coal mining, exploration the stress state of the coal seam and the occurrence of gas are particularly important. Ultrasonic detection technology has the characteristics of good directionality, strong penetrability, long propagation distance and not easy attenuation, and is very suitable for the field of coal seam geophysical exploration. In order to obtain a clear coal seam ultrasonic geophysical inversion law, this article is based on the relevant theories of ultrasonic dynamics, rock mechanics and seepage mechanics, and conducts research from three aspects: laboratory analysis, mechanism research and field test verification. The main research contents of the thesis are as follows:

(1) The NM-4B non-metal ultrasonic detection analyzer, low-frequency rock physics measuring device, and other instruments were used to carry out coal ultrasonic experiments under average temperature and pressure, stress loading, and adsorption and desorption conditions. The corresponding relationship between the ultrasonic kinematic characteristics (P-wave and W-wave velocity) and coal type, stress loading state, and adsorption and desorption state based on the consideration of coal anisotropy is obtained. And the corresponding relationship between dynamic characteristics (quality factor) and coal structure type, stress, and strain.

(2) Combined with a typical coal body's stress-strain curve under uniaxial loading, the change mechanism of coal body ultrasonic velocity and quality factor under different pressure conditions is studied. Simultaneously, under the premise of only considering the attenuation of ultrasonic scattering, the theory of fracture mechanics is further used to analyze the crack development law of coal under load, and the theoretical calculation model of coal quality factor under uniaxial action is deduced. A comparative analysis of the ratio of the quality factors obtained from the experiment and theory shows that the two's trends are in good agreement.

(3) By analyzing the change of ultrasonic velocity of coal under the gas adsorption experiment's conditions, it is obtained that the sonic velocity is affected by the combined effect of the positive effect of gas adsorption expansion and the negative effect of gas pressure compression. 1.5 MPa is the critical gas pressure for the change of ultrasonic wave velocity of coal. When the gas pressure is less than 1.5 MPa, the positive effect of gas adsorption and expansion is dominant, manifested as an increase in wave velocity. When the gas pressure is more significant than 1.5 MPa, the negative effect of gas pressure compressing the matrix is dominant, manifested as a reduction in wave velocity. From the perspective of the proportion of coal porosity, the expression of the ultrasonic velocity of gas-containing coal under different gas pressure conditions is derived.

(4) The improved ultrasonic detection device was used to carry out an ultrasonic test on the 310205 working face of Xinyuan Coal Co., Ltd. It was obtained that there is a good correspondence between the coal P-wave velocity and the supporting pressure in front of the working face. The P-wave velocity has an excellent positive correlation with the regional gas content, which provides a new method for using ultrasonic detection technology to determine the degree of coal seam gas enrichment.

[1] 中华人民共和国中央人民政府网[OL]. http://www.gov.cn/.

[2] 钱鸣高, 许家林, 王家臣. 再论煤炭的科学开采[J]. 煤炭学报, 2018, 43(01): 1-13.

[3] 袁亮, 张平松. 煤炭精准开采地质保障技术的发展现状及展望[J]. 煤炭学报, 2019, 44(08): 2277-2284.

[4] 彭苏萍. 我国煤矿安全高效开采地质保障系统研究现状及展望[J]. 煤炭学报, 2020, 45(07): 2331-2345.

[5] 刘见中, 沈春明, 雷毅, 等. 煤矿区煤层气与煤炭协调开发模式与评价方法[J]. 煤炭学报, 2017, 42(05): 1221-1229.

[6] 琚宜文, 李清光, 谭锋奇. 煤矿瓦斯防治与利用及碳排放关键问题研究[J]. 煤炭科学技术, 2014, 42(06): 8-14.

[7] 成林, 王赟, 张玉贵, 等. 煤岩声波特征研究现状及展望[J]. 地球物理学进展, 2013, 28(01): 452-461.

[8] 王云刚, 李满贵, 陈兵兵, 等. 干燥及饱和含水煤样超声波特征的实验研究[J]. 煤炭学报, 2015, 40(10): 2445-2450.

[9] Solís-Carca1o R, Moreno E. Evaluation of concrete made with crushed limestone aggregate based on ultrasonic pulse velocity[J]. Construct Build Mater, 2008, 22 (06) : 1225-1231.

[10] 韩嵩, 蔡美峰. 节理岩体物理模拟与超声波试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2007(05): 1026-1033.

[11] Sun X Y, Chen G Y, Li J H, et al. Propagation characteristics of ultrasonic P-wave velocity in artificial jointed coal briquettes[J]. Journal of Geophysics and Engineering, 2020, 17(05) : 827-837.

[12] 孙英峰. 基于煤三维孔隙结构的气体吸附扩散行为研究[D]. 北京: 中国矿业大学(北京), 2018.

[13] 余恩晓, 马立涛, 周福双, 等. 煤岩孔隙结构分形特征表征方法研究[J]. 煤炭科学技术, 2018, 46(11): 8-12.

[14] 柳鸿博, 周凤玺, 张瑞玲, 等. 饱和多孔介质中热弹耦合对体波传播特性的影响分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2020, 39(S1): 2693-2702.

[15] 陈涛涛, 王强, 刘甜. 低频波动条件下单相流体多孔介质渗流规律[J]. 石油化工应用, 2020, 39(12): 66-69.

[16] Gassmann F. Uber die elastizitat poroser medien[J]. Vier Der Natur Gesellschaft, 1951, 96: 1-23.

[17] Biot M A. Theory of propagation elastic waves in a fluid-saturated porous solid:Ⅰ Low frequency range[J]. J. Acoust. Soc. Am., 1956, 28(2): 168-178.

[18] Biot M A. Theory of propagation elastic waves in a fluid-saturated porous solid:Ⅱ High frequency range[J]. J. Acoust. Soc. Am., 1956, 28(2): 179-191.

[19] Biot M A, Willis D G. The elastic coefficients of the theory of consolidation[A]. Applied Mechanics Division Summer Conference, 1957, 24: 594-601.

[20] 巴晶. 复杂多孔介质中的地震波传播机理研究[D]. 北京: 清华大学, 2008.

[21] 文光才, 杨慧明, 邹银辉. 含瓦斯煤体声发射应力波传播规律理论研究[J]. 煤炭学报, 2008, 33(03): 295-298.

[22] 唐晓明. 含孔隙、裂隙介质弹性波动的统一理论—Biot理论的推广[J]. 中国科学:地球科学, 2011, 41(06): 784-795.

[23] 袁崇孚. 构造煤和煤与瓦斯突出[J]. 煤炭科学技术, 1986(01): 32-33.

[24] 张慧杰, 张浪, 汪东, 等. 构造煤的瓦斯放散特征及孔隙结构微观解释[J]. 煤炭学报, 2018, 43(12): 3404-3410.

[25] 吕绍林. 超声波探测瓦斯突出煤体[J]. 煤炭工程师, 1997(03): 18-21+53.

[26] 吕绍林. 孔测超声波仪预测煤体结构的理论基础[J]. 焦作矿业学院学报, 1995(01): 54-59.

[27] 郭德勇, 韩德馨, 冯志亮. 围压下构造煤的波速特征实验研究[J]. 煤炭科学技术, 1998(04): 22-24.

[28] 王云刚, 李满贵, 李盟, 等. 构造煤超声波参数影响因素的分析[J]. 中国安全生产科学技术, 2014, 10(07): 82-86.

[29] Tian Z J, Wang F Z, LI T, et al. Improved ultrasonic differentiation model for structural coal types based on neural network[J]. Mining Science and Technology (China), 2009, 19(02): 199-204.

[30] 王赟, 许小凯, 杨德义. 常温压条件下五种变质程度构造煤的超声弹性特征[J]. 中国科学:地球科学, 2014, 44(11): 2431-2439.

[31] He Z Y, Ames N. Stress-Induced ultrasoric uelocity and Attenuation Anisotropy of Rocks[A]. 62th Ann. Internat Mtg. Soc. Expl. Geophys. Expondcl Abstracts[C]. 1992, 1073-1076.

[32] Gray D. Seismic anisotropy in coal beds[J]. Seg Technical Program Expanded Abstracts, 1949, 24(01): 142.

[33] Crampin S. Evaluation of anisotropy by shear-wave spilitting[J]. Geophysics, 1985, 50(01): 142-152.

[34] 李东会, 董守华, 赵小翠, 等. 煤储层各向异性地震波场模拟[J]. 物探与化探, 2010, 34(05): 604-609.

[35] 周枫. 裂隙对煤岩超声波速度影响的实验——以沁水盆地石炭系煤层为例[J]. 煤田地质与勘探, 2012, 40(02): 71-74.

[36] 张平松, 刘盛东, 赵秋芳, 等. 淮南矿区煤层衰减特征及品质因子分析[J]. 煤炭科学技术, 2006(05): 83-85.

[37] 赵群, 郝守玲. 煤样的超声速度和衰减各向异性测试实例[J]. 地球物理学进展, 2006, 21(02): 531-534.

[38] Li X Y, Yuan J. Converted wave imaging in inhomogeneous, anisotropic media: PartII-prestack migration[A]. In:63 rdEAGE Conference, Expanded Abstracts[C]. 2001, 114.

[39] Li X Y, Yuan J. Converted wave imaging in inhomogeneous, anisotropic media: PartII -parameter estimation[A]. In:63 rdEAGE Conference, Expanded Abstracts[C]. 2001, 109.

[40] 陈乔, 刘向君, 梁利喜, 等. 裂缝模型声波衰减系数的数值模拟[J]. 地球物理学报, 2012, 55(06): 2044-2052.

[41] 赵明阶, 吴德伦. 工程岩体的超声波分类及强度预测[J]. 岩石力学与工程学报, 2000, 19(01): 89-92.

[42] 闫立宏. 杨庄煤矿煤岩波速特征及与其强度的关系研究[J]. 煤炭科学技术, 2006, 34(06): 57-60.

[43] 吴基文, 姜振泉, 樊成, 等. 煤层抗拉强度的波速测定研究[J]. 岩土工程学报, 2005, 27(09): 999-1003.

[44] 王赟, 许小凯, 张玉贵. 常温压条件下六种变质程度煤的超声弹性特征[J]. 地球物理学报, 2016, 59(07): 2726-2738.

[45] 孟召平, 张吉昌, Joachim T. 煤系岩石物理力学参数与声波速度之间的关系[J]. 地球物理学报, 2006, 49(05): 1505-1510.

[46] 李波波, 任崇鸿, 杨康, 等. 考虑温度效应的煤岩损伤本构模型及参数分析[J]. 安全与环境学报, 2019, 19(06): 1947-1954.

[47] 孟召平, 章朋, 田永东, 等. 围压下煤储层应力-应变、渗透性与声发射试验分析[J]. 煤炭学报, 2020, 45(07): 2544-2551.

[48] Lu J, Yin G Z, Deng B Z, et al. Permeability characteristics of layered composite coal-rock under true triaxial stress conditions[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2019, 66: 60-76.

[49] 李波波, 王斌, 杨康, 等. 应力与温度综合作用的煤岩渗透机理[J]. 中国矿业大学学报, 2020, 49(05): 844-855.

[50] Kern H, Liu B, Popp T. Relationship between anisotropy of P and S wave velocities and anisotropy of attenuation in serpentinite and amphibolite[J]. J Geophys Res, 1997, 102(B2): 3051-3065.

[51] 朱国维, 王怀秀, 韩堂惠, 等. 地层条件下煤层顶、底板声波速度与反射特征[J]. 煤炭学报, 2008, 33(12): 1391-1396.

[52] 李盟. 煤体超声波速度影响因素的实验研究[D]. 河南: 河南理工大学, 2014.

[53] 李祥春, 聂百胜, 杨春丽, 等. 煤岩体声波波速随温度变化规律试验研究[J]. 煤炭科学技术, 2016, 44(05): 140-144.

[54] 童继强, 杨德义, 李志军, 等. 不同围压下煤层波速的实验分析[J]. 煤矿安全, 2017, 48(11): 49-52.

[55] 康智鹏. 超声波激励下煤体微观结构精细表征及解吸渗流特性的研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2019.

[56] 李建楼. 声波作用下煤体瓦斯解吸与放散特征研究[D]. 安徽: 安徽理工大学, 2010.

[57] 徐刚, 邓绪彪, 张凯, 等. 含瓦斯煤体弹性波传播规律研究[J]. 煤矿安全, 2009, 40(06): 1-4.

[58] 易俊, 姜永东, 鲜学福. 在交变电场声场作用下煤解吸吸附瓦斯特性分析[J]. 中国矿业, 2005, 14(05): 70-73.

[59] 刘盛东, 赵秋芳, 张平松, 等. 煤体瓦斯特征与震波参数关系的试验研究[J]. 煤炭科学技术, 2005(11): 33-36.

[60] 赵秋芳, 侯懿, 刘顺喜. 煤层波谱特征与瓦斯含量的试验研究[J]. 河南理工大学学报(自然科学版), 2008, 27(06): 615-618.

[61] 刘雯林. 煤层气地球物理响应特征分析[J]. 岩性油气藏, 2009, 21(02): 113-115.

[62] 申永利, 孙永波. 基于超声波CT技术的混凝土内部缺陷探测[J]. 工程地球物理学报, 2013, 10(04): 560-565.

[63] 陈国胜, 王心义, 翟宇, 等. 煤层底板采动破坏深度探查技术[J]. 煤矿安全, 2014, 45(04): 96-98.

[64] 于连生, 杜军兰, 刘海坤, 等. 声光悬浮沙粒径谱测量仪[J]. 海洋技术, 2001, 20(01):104-106.

[65] Urick R J. The absorption of sound in suspensions of irregular particles[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1948, 20(03): 283.

[66] 李造鼎. 工程岩体声波衰减测量综述[A], 1990岩土混凝土声测技术新进展学术与信息交流会[C], 中国湖南湘潭, 1990.

[67] 朱林. 浅析岩石结构面抗剪强度影响因素[J]. 湖南工程学院学报(自然科学版), 2010, 20(01): 92-94.

[68] 程玖兵, 康玮, 王腾飞. 各向异性介质qP波传播描述I: 伪纯模式波动方程[J]. 地球物理学报, 2013, 56(10): 3474-3486.

[69] 李满贵. 受载煤体超声波动力学特征研究[D]. 河南: 河南理工大学, 2015.

[70] 吕绍林. 孔测超声波仪预测煤体结构的理论基础[J]. 焦作矿业学院学报, 1995(01): 54-59.

[71] 何元金, 马兴昆. 近代物理实验[M]. 北京: 清华大学出版社, 2003, 198-206.

[72] 伍向阳. 石油流体中声波速度及其相关性质研究[D]. 北京: 中国科学院地球物理研究所, 2000.

[73] Rai C S, Hanson K E. Shear-wave velocity anisotropy in sedimentary rock: A laboratory study[J]. Geophysics, 1988, 53(06): 800-806.

[74] 梁冰, 章梦涛, 潘一山, 等. 瓦斯对煤的力学性质及力学响应影响的试验研究[J]. 岩土工程学报, 1995, 17(05): 12-18.

[75] 王琪, 张阳. 单轴压缩条件下煤岩的全应力-应变过程[A]. 北京力学会. 北京力学会第二十五届学术年会会议论文集[C]. 北京, 2019:2.

[76] 陶云奇, 许江, 彭守建, 等. 含瓦斯煤孔隙率和有效应力影响因素试验研究[J]. 岩土力学, 2010, 31(11): 3417-3422.

[77] 刘东燕. 断续节理岩体的压剪断裂及其强度特性研究[D]. 重庆: 重庆建筑工程学院,1993.

[78] 赵明阶, 吴德伦. 单轴加载条件下岩石声学参数与应力的关系研究[J]. 岩石力学与工程学报, 1999, 18(01): 51-55.

[79] 李培超, 孔祥言, 卢德唐. 饱和多孔介质流固耦合渗流的数学模型[J]. 水动力学研究与进展, 2003, 18(04): 419-426.

[80] 吴世跃, 赵文. 含吸附煤层气煤的有效应力分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(10): 1674-1678.

[81] 韩学辉, 徐登辉, 郭俊鑫, 等. 定量表征压实和胶结作用的砂岩声波速度岩石物理模型[J]. 地球物理学报, 2018, 61(12): 5044-5051.

[82] 毋亚文, 潘结南. 煤层甲烷等温吸附拟合模型[J]. 煤炭学报, 2017, 42(S2): 452-458.