胡千庭宋明洋李全貴吳燕清許洋鋮張躍兵鄧羿澤

(1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室,重慶 400044;2.重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院,重慶 400044)

地球物理勘探為礦井生產(chǎn)地質(zhì)透明化提供技術(shù)支撐,能夠指導(dǎo)煤炭精準智能開采并有效避免地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生[1]。其中,電法物探著重關(guān)注以電阻率為代表的地層電物理場特征,并以此反映地層信息[2]。

煤層電阻率的影響因素研究較為豐富,尺度橫跨微觀孔隙至宏觀裂隙,監(jiān)測手段多樣化。QI 等[3]研究煤的孔隙結(jié)構(gòu)對電阻率影響得到2 者的多元函數(shù)關(guān)系。孟磊等[4]進行自然原煤試樣及型煤試樣在單軸壓縮破壞過程中電阻率研究發(fā)現(xiàn)不同變質(zhì)程度的煤受載電阻率變化趨勢不同,加載速率增加,電阻率變化幅度減小。LYU 等[5]研究認為氣體的吸附能力與電導(dǎo)率呈現(xiàn)冪函數(shù)的關(guān)系。LI 等[6]分析了煤樣孔隙-裂縫結(jié)構(gòu)特征及對電阻率各向異性的影響。SU等[7]根據(jù)電法探測煤層多套導(dǎo)水裂隙帶的研究提出地層存在電性各向異性,對裂縫的綜合參數(shù)進行表達,提出礦井張量電阻率探測方法。趙晨光等[8]基于電介質(zhì)理論提出含水煤層復(fù)電阻率正交裂隙阻容模型,可預(yù)測煤樣孔隙率。以上研究可為礦井電法物探的解釋提供有力支撐。

完整煤巖樣的電阻率及力學(xué)破壞特征的研究較為豐富,運用到電法物探手段中解釋地質(zhì)異常情況更加精準[9]。但煤層層理系統(tǒng)普遍存在[10],會對物探產(chǎn)生干擾,使用電法在煤層中探測依然存在多解性問題[11]。為此,相關(guān)研究關(guān)注到了煤體分層、各向異性等特點。目前,對煤體分層及含裂隙試樣的研究著重于組合后的力學(xué)及破壞特征。如CHENG[12]針對裂隙長度對試樣單軸壓縮破壞特征的影響進行了研究,DOU 等[13]認為裂隙傾角與煤巖動力災(zāi)害存在相關(guān)性。張朝鵬等[14]研究煤巖單軸受壓聲發(fā)射的層理效應(yīng)得出層理對試樣能量釋放與破裂過程存在較大影響。PAN 等[15]從能量演化角度對不同厚度組合煤巖試樣進行單軸壓縮實驗研究,認為組合體破壞以煤為主,破壞方式為劈裂破壞轉(zhuǎn)為剪切破壞。楊科等[16]綜合分析煤巖組合體的力學(xué)、能量轉(zhuǎn)化及破壞規(guī)律,闡述了煤巖界面對裂隙發(fā)育的影響。當下主要使用原煤進行分層界面對電阻率特征的影響研究,而型煤物性參數(shù)較原煤更為均一,使用分層型煤進行研究能夠有效反映層理界面對整體力學(xué)及電阻率的影響,因此有必要考察分層型煤試樣破壞過程電阻率如何變化,可為構(gòu)造發(fā)育煤層受載電阻率響應(yīng)提供參考。筆者采用型煤試樣,研究未分層及不同強度和厚度分層型煤在受載過程中的電阻率特征,以期得到不同結(jié)構(gòu)型煤破壞過程電阻率響應(yīng)規(guī)律,表征地層電各向異性特征。

1 實驗方案

1.1 試樣制備

為探究分層試樣單軸壓縮過程中電阻率的變化特征,選用山西陽泉煤業(yè)集團新元礦煤樣,采用自制模具壓制所需型煤樣品。對型煤進行測試分析是研究煤物性參數(shù)的重要手段[17],通過現(xiàn)有型煤及原煤的實驗結(jié)果對比認為型煤可以代替原煤開展研究并在某些場合存在優(yōu)越性[18]。

將破碎后的煤樣篩分,選取粒徑為40～60 目煤粉,加入質(zhì)量比為7%的水攪拌均勻填入圖1(a)模具壓制底面直徑為50 mm 的不同厚度圓柱試樣。選用70,100,130 kN 的成型壓力控制型煤試樣強度[19],用壓力機向模具施壓并穩(wěn)定30 min,脫模成型[20],隨后將試樣放入鼓風(fēng)干燥箱,在60 ℃溫度下烘干24 h。測試并計算試樣平均單軸抗壓強度及10 kHz 頻率下的電阻率,結(jié)果見表1。

表1 型煤試樣強度與電阻率參數(shù)Table 1 Strength and resistivity parameters of briquette samples

本實驗試樣制備選用參數(shù)見表2,分別壓制未分層、不同強度分層、不同厚度分層試樣3 組,如圖1(c)所示,每個編號制作3 個試樣進行實驗。

表2 分層型煤試樣單軸壓縮電阻率測試實驗方案Table 2 Experimental scheme for resistivity measurement of medium coal in uniaxial compression process

1.2 電阻率測試計算原理

測試過程中使用型號為UC2831 A 的LCR 數(shù)字電橋獲取單軸壓縮過程中煤樣的實時電阻R。儀器測量頻率選取10 kHz,采樣率為10 Hz,電平選擇1 V,內(nèi)阻為30 Ω,儀器精度達到0.05%。數(shù)字電橋內(nèi)部測量阻抗后輸出電阻為

根據(jù)儀器測得電阻計算試樣的電阻率為

式中,ρ為電阻率,Ω·m;S為試樣橫截面積,m2;L為試樣長度,m。

由式(3)計算得到的試樣電阻率與其橫截面積和長度相關(guān)。由于本實驗中型煤試樣橫截面沿軸向呈現(xiàn)非均勻變化且軸向變形量對結(jié)果影響較小,因此在計算過程中忽略試樣橫截面積S和長度L的變化。

1.3 實驗步驟

單軸壓縮電阻率測試實驗裝置如圖1(b)所示。將待測型煤試樣放置在島津AG-250 kN 巖石力學(xué)試驗機上,輕輕壓緊后測試頂端平整度;試樣兩端面涂抹導(dǎo)電膏,放置在試驗機下壓頭電極板(8)上,接上部電極板;打開LCR 數(shù)字電橋測試儀(3)熱機30 min,觀察LCR 數(shù)字電橋示數(shù)穩(wěn)定;降壓頭(9),待壓頭與電極板完全接觸后啟動試驗機, 使用0.5 mm/min 的位移速率對試樣進行加載,同步打開LCR 數(shù)字電橋控制終端(4)、高分辨率攝像系統(tǒng)(2);記錄應(yīng)力、應(yīng)變、電阻以及宏觀破裂圖像。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 未分層試樣單軸壓縮電阻率變化

不同成型壓力的未分層型煤試樣單軸壓縮實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 未分層型煤試樣應(yīng)力應(yīng)變-電阻率變化Fig.2 Change of stress-strain-resistivity of briquette

由圖2可以看出,未分層型煤試樣單軸壓縮過程中應(yīng)力應(yīng)變及電阻率呈現(xiàn)階段性變化。其中,單軸壓縮過程均經(jīng)歷了壓密(OA段)—彈性變形(AB段)—塑性強化(BC段)—破壞(C點之后)4 個階段。根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線特征點將電阻率變化過程劃分為電阻率快速改變(階段Ⅰ)—快速下降(階段Ⅱ)—平緩(階段Ⅲ)—快速升高(階段Ⅳ)4 個階段,且階段Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ整體呈“U”型。

分析圖2中各階段電阻率變化情況,階段Ⅰ存在較大差異,WF1 試樣內(nèi)部空隙骨架容易受力破壞,電阻率出現(xiàn)先增加(Ⅰ-1)后減小(Ⅰ-2)的過程,其初始電阻率為362 Ω·m,階段Ⅰ結(jié)束時其電阻率基本降低至初始電阻率值; WF2 試樣初始電阻率為286 Ω·m,隨后先增加到初始電阻率的1.5 倍后小幅度減小;WF3 試樣初始電阻率為112 Ω·m,電阻率在階段Ⅰ降低幅度逐漸緩慢。WF3 試樣成型壓力較高,電阻率起始即在壓密作用下減小,可能是由于顆粒間連接最為緊密,空隙骨架破碎空間較小。試樣電阻率在階段Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ均呈現(xiàn)“U”形變化,且其最低點與試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線B點位置重合。階段Ⅱ試樣進入彈性變形階段電阻率下降較為緩慢;電介質(zhì)的不連續(xù)間斷會導(dǎo)致整體電阻率的升高,階段Ⅲ試樣的微裂隙發(fā)育,電阻率上升且變化幅度逐漸增加;階段Ⅳ試樣的裂隙逐漸發(fā)展最終擴展貫通至失去承載作用,電阻率隨著型煤試樣表面部分不連續(xù)剝離、裂隙發(fā)展而快速增加。強度越高的試樣其初始電阻率值越小,電阻率曲線的峰值能夠達到最低點值的1.7倍、1.5 倍和1.3 倍,變化幅度降低。

2.2 不同強度分層試樣電阻率變化特征

不同強度分層型煤試樣單軸壓縮實驗結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,不同強度分層型煤試樣單軸壓縮破壞電阻率變化趨勢與未分層試樣變化的階段性較為一致,可劃分為4 個階段。階段Ⅰ電阻率呈現(xiàn)為先增后減,該階段所達到的電阻率峰值分別為初始電阻率的3.35 倍、2.58 倍和2.56 倍,達到電阻率峰值后,電阻率的變化幅度減小;電阻率變化曲線在階段Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ呈現(xiàn)“U”形,階段Ⅱ煤樣處于彈性階段,向試樣屈服點B發(fā)展的過程中電阻率逐漸下降,曲線“U”型部分最低點與B點橫向位置接近。階段Ⅲ試樣受載逐漸到達峰值應(yīng)力,電阻率較為平穩(wěn)且緩慢增長。不同強度分層型煤試樣單軸壓縮產(chǎn)生的破壞主要集中在較軟的分層,破壞部分傾向于直接剝離試樣表面導(dǎo)致電阻率升高,煤樣的抗壓強度可達到0.30,0.32,0.33 MPa。圖3(c)階段Ⅰ可明顯看到電阻率在(Ⅰ-1)增加隨后轉(zhuǎn)為(Ⅰ-2)減小的變化過程。對比未分層試樣電阻率變化情況可得,QF3 試樣整體強度較小,內(nèi)部空隙更大,在應(yīng)力作用下分層界面空隙骨架破碎促使電阻率上升,隨后較大空隙被壓實導(dǎo)致電阻率下降,電阻率轉(zhuǎn)為壓密作用控制,所達到的強度與電阻率值均受較軟分層及層面的影響。

圖3 不同強度分層型煤試樣應(yīng)力應(yīng)變-電阻率變化Fig.3 Change of resistivity of stratified briquette with different strength

2.3 不同厚度分層試樣電阻率變化特征

使用130 kN 壓力成型不同厚度分層的型煤試樣進行單軸壓縮實驗?？紤]試樣厚薄分層的上、下位置關(guān)系進行多組實驗,數(shù)據(jù)表明分層位置并不影響電阻率的變化規(guī)律,實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同厚度分層型煤試樣應(yīng)力應(yīng)變-電阻率變化Fig.4 Change of resistivity of stratified briquette with different thickness

不同厚度分層型煤試樣受載過程中電阻率變化呈先增后減趨勢,斜率逐漸減小。由圖4可得,電阻率可分為迅速上升(階段Ⅰ)—緩慢上升(階段Ⅱ)—平穩(wěn)(階段Ⅲ)—緩慢下降(階段Ⅳ)4 個階段;在階段Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ中試樣電阻率呈現(xiàn)增加的趨勢;階段Ⅰ電阻率上升較快,未分層試樣前期呈現(xiàn)同樣的變化,階段Ⅱ電阻率上升幅度減小;階段Ⅲ中電阻率基本保持不變,裂隙發(fā)育導(dǎo)致的電阻升高與壓密作用逐漸抵消,此時試樣電阻率達到初始電阻率的3.50 倍、2.35倍、2.33 倍,變化幅度降低。對比分析WF3 試樣電阻率變化可證實空隙骨架擠壓破碎會導(dǎo)致電阻率迅速升高。相較于QF1 試樣,HF3 試樣內(nèi)部空隙較少,試樣在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的壓密作用有限,因此未在階段Ⅱ產(chǎn)生下降趨勢。階段Ⅳ隨著試樣的破壞,破裂區(qū)域兩層聯(lián)通,破裂剝離部分仍然與原試樣產(chǎn)生電路連接,并與未破裂區(qū)域試樣產(chǎn)生“并聯(lián)”,整體電阻率下降。煤樣的電阻率除HF1 試樣有部分突變升高后下降,其他試樣呈現(xiàn)出緩慢下降的趨勢。受載破壞過程中厚分層較薄分層先破裂,隨著厚度逐漸接近,拉伸破壞區(qū)域更容易整體剝離試樣表面,裂隙傾向于相互聯(lián)通,兩分層破壞程度逐漸相似。試樣能夠達到的峰值應(yīng)力為0.39,0.37,0.34 MPa。

2.4 分層影響下型煤強度與電阻率特征

考慮界面影響下的試樣強度及受載達到峰值抗壓強度處的電阻率值,峰值應(yīng)力處試樣相較于初始狀態(tài)的電阻率變化率能夠反應(yīng)試樣的結(jié)構(gòu)變化[21]。圖5給出了相應(yīng)試樣的強度及電阻率特征。

圖5 型煤試樣強度及電阻率特征Fig.5 Characteristics of strength and resistivity of briquette samples

型煤試樣的強度特征如圖5(a)所示,分層后試樣抗壓強度及彈性模量較未分層試樣低,抗壓強度僅能達到完整試樣的70%～80%,厚度越接近其抗壓強度越小;不同強度分層試樣整體受強度較低分層的影響導(dǎo)致其抗壓強度變化不明顯。

型煤試樣的電阻率特征如圖5(b)所示,由于分層煤樣相同條件下受載后破壞程度相較于完整煤樣劇烈,試樣的整體塑性增強,對試樣的電阻率改變幅度大。未分層煤樣電阻率隨試樣的強度增加而降低,普遍小于分層試樣。分層試樣峰值應(yīng)力處電阻率相較于初始電阻率變化幅度較大,電阻率變化率在1～2,未分層試樣電阻率變化率則在0.5 以下。兩分層厚度或強度越接近,電阻率變化率越大。

3 分層試樣受載破壞電阻率演化規(guī)律

結(jié)果表明,試樣受載破壞過程與分層界面及本身空隙相關(guān),未分層試樣與不同結(jié)構(gòu)分層試樣表現(xiàn)出的電阻率變化呈現(xiàn)較大差異。若分層試樣層與層之間或試樣本身存在較大空隙,由煤顆粒組成空隙骨架在應(yīng)力作用下將呈現(xiàn)擠壓滑動,隨后破碎重連,顯現(xiàn)出骨架破碎產(chǎn)生的“擴容”以及空隙壓實產(chǎn)生的“壓密”兩方面作用。“擴容”會導(dǎo)致試樣電阻率升高,“壓密”則導(dǎo)致試樣電阻率降低,這一現(xiàn)象也在LI 等[22]針對原煤多級加載的電阻率監(jiān)測實驗中證實。隨著空隙的增加或分層界面的存在,試樣強度降低,受載初始階段骨架破碎產(chǎn)生“擴容”現(xiàn)象占據(jù)主導(dǎo)。隨著破壞程度的加深,層面附近將產(chǎn)生破碎帶影響電路連通程度,電阻率上升。此時,試樣兩分層電阻呈現(xiàn)“串聯(lián)”狀態(tài)。實驗過程中分層型煤試樣表現(xiàn)出受載破壞表面剝離,分層裂隙均勻連通的破壞形式,當單軸壓縮過程中兩層破裂裂隙相連通,則產(chǎn)生電路“并聯(lián)”。

單軸壓縮產(chǎn)生與電極方向相同的縱向方向裂隙的破壞特征[23-24],造成煤-裂隙-煤3 者“串-并聯(lián)”的效果,改變試樣電阻率。根據(jù)型煤試樣破壞形式將試樣分為外側(cè)剝離煤樣、裂隙及內(nèi)側(cè)煤樣3 部分,各部分之間“并聯(lián)”,橫向分層裂隙導(dǎo)致電阻的“串聯(lián)”疊加形成通路。假設(shè)煤基質(zhì)電阻率為常數(shù),如圖6(a)所示,其中R表示電阻,破壞后外側(cè)煤樣均勻剝離并與內(nèi)側(cè)煤樣以裂隙空間隔離,將其建立為縱向裂隙模型,模型中內(nèi)外側(cè)煤樣與裂隙組成并聯(lián)電路;將縱向裂隙模型沿軸向居中斷開d2距離,如圖6(b)所示,可得上分層煤、橫向裂隙、下分層煤3 部分組合下的串-并聯(lián)電路,即縱向+橫向裂隙模型。

根據(jù)歐姆定律及克拉耶夫公式推導(dǎo)縱向裂隙及橫向裂隙存在時電阻率變化模型。則縱向裂隙模型電阻Rs及縱向+橫向裂隙模型電阻Rh計算公式分別為

式中,Rs為縱向裂隙模型電阻,Ω;Rh為縱向+橫向裂隙模型電阻,Ω;l為試樣總長,m;ρ為測試環(huán)境狀態(tài)下煤基質(zhì)電阻率,Ω·m;ρf為測試環(huán)境狀態(tài)下裂隙電阻率,Ω·m;r為試樣半徑,m;d1為縱向裂隙寬度,m;d2為橫向裂隙寬度,m。

圖6 電阻率變化模型及等效電路示意Fig.6 Model of resistivity variation and equivalent circuit diagram

將式(4)代入式(3)可計算僅含有縱向裂隙模型電阻率,如圖6(a)所示,計算結(jié)果為

式中,ρs為縱向裂隙模型電阻率,Ω·m。

將式(5)代入式(3)可計算含有縱向+橫向裂隙模型電阻率,如圖6(b)所示,計算結(jié)果為

式中,ρh為縱向+橫向裂隙模型電阻率,Ω·m。

為簡化結(jié)果,定義使用x=d1/r,y=d2/l表示裂隙的相對大小,則式(6)和(7)可分別轉(zhuǎn)換為

根據(jù)上述公式可知,分層試樣受載破壞兩分層以及分層界面破碎帶呈“串-并聯(lián)”形式相互連通電路,裂隙電阻率與煤層整體電阻率正相關(guān)。煤層電阻率的各向異性與裂隙占煤體比例存在相關(guān)性,這種現(xiàn)象在程久龍等[25]對地層裂隙帶導(dǎo)致的煤層各向異性研究工作中得到驗證,裂隙的存在導(dǎo)致瞬變電磁探測的誤差,通過建立地層電阻率聯(lián)立介質(zhì)模型能夠提高電法物探的工程應(yīng)用精度;地層層間“串-并聯(lián)”反映電各向異性特征,這一觀點在CHESLEY 等[26]研究區(qū)域地層電阻率推斷地殼裂縫的工作中得到體現(xiàn),進一步證明電阻率各向異性能夠反映地層層理裂隙特征。

以上分析在一定程度上解釋了礦井采掘活動對煤層電阻率特征的影響過程,明確部分地層電阻率各向異性產(chǎn)生的原因及動態(tài)變化情況。采掘活動工作面部分煤體經(jīng)歷受載隨后卸壓的循環(huán)過程,該過程中煤體受到擾動作用產(chǎn)生微裂縫,隨著裂縫的貫通、連接、擴展,層理發(fā)育煤層將產(chǎn)生層間“串-并聯(lián)”等形式,這種電阻率的變化規(guī)律能夠供工作面電法物探技術(shù)在時間尺度上進行對比。煤基質(zhì)骨架及顆粒的不均勻排布也對煤的電阻率產(chǎn)生影響[27],界面壓縮過程中不規(guī)則空隙骨架擠壓破碎擴容會提高煤樣整體的電阻率。煤體分層界面的空隙受載壓實過程中產(chǎn)生骨架的破斷重連,達到一定程度后,電阻率的變化隨即受到壓密作用的影響更容易連通供電電路,該區(qū)域整體特性將受到壓密作用的控制,接著卸壓后區(qū)域煤體之間產(chǎn)生空隙。整個變化過程與分層試樣壓縮破壞過程類似,模型的建立能夠更為精確地描述煤層電阻率變化規(guī)律。

4 結(jié) 論

(1)未分層試樣單軸壓縮過程煤體電阻率呈階段性變化,壓密后存在“U”型過程,且其最低點與試樣的屈服點對應(yīng)性較好。不同強度分層試樣壓縮破壞電阻率隨受載破壞先快速增加隨后曲線呈現(xiàn)“U”形分布;不同厚度分層試樣壓縮破壞電阻率先增后減,表現(xiàn)出的宏觀電阻率值也最大,兩分層厚度越接近,能達到電阻率值越小;兩分層厚度比為1 ∶9 的試樣厚分層破壞最為劇烈,兩分層厚度越接近,壓縮產(chǎn)生的剝離部分越均勻,不同強度分層試樣型煤破壞主要集中在軟分層。

(2)分層試樣彈性模量及抗壓強度較未分層試樣小,達到峰值應(yīng)力處電阻率變化率為1～2,未分層試樣電阻率變化率則在0.5 以下,兩分層厚度越接近,達到峰值強度時的電阻越大,電阻率變化率越大。分層試樣受載破壞后其電阻率能夠達到試樣初始電阻率的2～4 倍。

(3)煤樣本身或?qū)用婵障豆羌艿钠扑闀?dǎo)致煤層電阻率的增加,煤層的“串-并聯(lián)”綜合作用能夠部分表征電阻率各向異性特征。