劉強(qiáng) 邱黎明 祖自銀 羅衛(wèi)東 韋善陽(yáng) 程肖禾 殷山

摘 要：為探究煤體破壞過(guò)程視電阻率變化規(guī)律，建立了煤巖視電阻率加載測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試了煤樣在分級(jí)加載破壞過(guò)程的視電阻率變化規(guī)律，分析了視電阻率與應(yīng)力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，揭示了煤體損傷破壞視電阻率響應(yīng)機(jī)理。結(jié)果表明：煤體內(nèi)部不同區(qū)域視電阻率分布不均勻，視電阻率阻值高低與煤體孔隙分布聯(lián)系緊密;煤樣加載過(guò)程中高阻值區(qū)域阻值變化與電阻儀測(cè)量結(jié)果一致，呈現(xiàn)先減后增變化趨勢(shì)，低阻值區(qū)域視電阻率變化較小;煤體內(nèi)部裂隙在載荷作用下的不規(guī)則擴(kuò)展是煤體電阻率變化的主要原因;高阻值區(qū)域?yàn)榱严遁^多區(qū)域，在應(yīng)力作用下更容易發(fā)生裂隙擴(kuò)展，視電阻率變化明顯，最終發(fā)生拉伸破壞;低阻值區(qū)域?yàn)榈妥柚祬^(qū)域?qū)?yīng)裂隙較少區(qū)域，在相同載荷作用下裂隙擴(kuò)展較少，視電阻率變化不明顯，最終發(fā)生剪切破壞。

關(guān)鍵詞：煤體破壞;視電阻率;分級(jí)加載;響應(yīng)機(jī)理中圖分類號(hào)：TD 76

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2021）04-0731-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2021.0420開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Variation characteristics of apparent resistivity of

fractured coal sample in loading process

LIU Qiang1，QIU Liming1，2，ZU Ziyin3，LUO Weidong3，WEI Shanyang4，CHENG Xiaohe1，YIN Shan1

（1.College of Civil and Resource Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China;

2.State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China;

3.Guizhou Panjiang Coal Power Group Technology Research Institute Co.，Ltd.，Guiyang 550000，China;

4.Mining College，Guizhou University，Guiyang 550003，China）

Abstract：In order to explore the change law of apparent resistivity in the process of coal failure，the loading test system of coal apparent resistivity was established.The change law of apparent resistivity in the process of coal failure under graded loading was tested.The relationship between apparent resistivity and stress was analyzed.The response mechanism of apparent resistivity in coal damaging was revealed.The results show that the distribution of apparent resistivity in different areas of coal body is not uniform，and the apparent resistivity is closely related to the pore distribution of coal body.During the loading process of coal samples，the change of resistance in high resistance area is consistent with that measured by resistance meter，showing a trend of first decreasing and then increasing，while the apparent resistivity in low resistance area fluctuates in a certain range，and there is no obvious change.The irregular expansion of internal cracks in coal is the main reason for the change of coal resistivity.The high resistance area is the area with more fractures，which is more prone to fracture expansion under the action of stress，the apparent resistivity changes significantly，and finally tensile fracture occurs.The low resistance area is the area with low resistance value corresponding to less fractures，less crack expansion under the same load，and the apparent resistivity change is not obvious，and the fracture failure will occur finally.

Key words：coal failure;apparent resistivity;graded loading;response mechanism

0 引 言煤炭是我國(guó)的主要能源，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展，煤礦開(kāi)采深度和開(kāi)采強(qiáng)度也逐漸增加，地應(yīng)力、瓦斯壓力呈逐年增大趨勢(shì)，沖擊地壓、煤與瓦斯突出等事故愈發(fā)嚴(yán)重[1]。動(dòng)力災(zāi)害的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)與防治尤為重要[2]。目前常用的煤礦井下動(dòng)力區(qū)域監(jiān)測(cè)手段有電磁輻射法、微震法、CT法、電阻率法等[3]。其中電阻率法主要根據(jù)煤巖體的電阻率差異進(jìn)行探測(cè)，具有良好的噪聲壓制，測(cè)量精確度高[4]，在煤巖災(zāi)害區(qū)域探測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)取得了廣泛應(yīng)用。電阻率是煤巖重要電性參數(shù)，主要受到煤巖本身物理性質(zhì)的影響。前人對(duì)煤巖電阻率的影響展開(kāi)了深入的研究，并得到了電阻率在瓦斯吸附[5]、含水量[6-7]、煤質(zhì)[8-9]等條件下的變化規(guī)律。湯小燕等分析了低變質(zhì)煤體電阻率的影響因素，根據(jù)灰色分析法指出應(yīng)力變化是影響煤體電阻率的最主要原因[10]。王恩元等研究受載煤體全應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程的電阻率規(guī)律，發(fā)現(xiàn)煤體電阻率隨應(yīng)力呈不規(guī)則“V”型變化，且電阻率突變點(diǎn)可作為煤體失穩(wěn)的前兆信息[11]。LI等研究了煤體分級(jí)加載下聲發(fā)射與電阻率的變化規(guī)律，得到了煤體損傷和電阻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系[12]。李術(shù)才等研究了砂巖單軸壓縮全過(guò)程中的電阻率和聲發(fā)射響應(yīng)特征，指出損傷變量可以作為破壞指標(biāo)[13]。目前學(xué)者普遍認(rèn)為，煤體電阻率變化是煤體離子導(dǎo)電、電子導(dǎo)電及導(dǎo)電通道隨應(yīng)力變化共同作用的結(jié)果，其中導(dǎo)電通道的變化取決于煤體的孔隙率和裂隙隨應(yīng)力的發(fā)展情況;對(duì)于以電子導(dǎo)電[14]為主的煤體，普遍認(rèn)為：在初始加載階段，煤體原始裂隙閉合，孔隙率降低，導(dǎo)致電阻率降低;在彈性變形階段，煤體內(nèi)部孔隙生成與閉合較少，主要為彈性變形，電阻率基本保持不變;在塑性變形階段，煤體內(nèi)部新的孔隙及微小裂隙開(kāi)始出現(xiàn)，電阻率逐漸變大;當(dāng)煤體發(fā)生破壞，煤體裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展貫通，電阻率將發(fā)生突變，之后逐漸減小。以上研究主要通過(guò)LCR電表對(duì)煤體破壞過(guò)程的電阻率進(jìn)行研究，得到了煤體電阻率的時(shí)序變化規(guī)律。而煤體的破壞是煤體內(nèi)部變形和微小裂隙擴(kuò)展貫通的結(jié)果，在加載過(guò)程中煤體各部分應(yīng)力分布和裂隙擴(kuò)展情況并不相同[15]。研究煤體內(nèi)部不同區(qū)域電阻率的變化，有助于進(jìn)一步精細(xì)分析煤體的變形破壞過(guò)程。直流電法可以對(duì)煤體內(nèi)部進(jìn)行無(wú)損探測(cè)[16]，已廣泛應(yīng)用于煤礦孔洞、斷層含水層的探測(cè)，但是對(duì)于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境煤巖試樣電法探測(cè)的研究相對(duì)較少。因此文中開(kāi)展了煤體在受載過(guò)程中內(nèi)部各區(qū)域視電阻率的變化規(guī)律的研究，采用網(wǎng)絡(luò)并行直流電法儀監(jiān)測(cè)了煤體在加載破壞下的視電阻率變化，分析了視電阻率與應(yīng)力之間的耦合關(guān)系，揭示了煤體損傷破壞視電阻率響應(yīng)機(jī)理。研究結(jié)果為直流電法監(jiān)測(cè)煤巖動(dòng)力現(xiàn)象提供了理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括載荷控制系統(tǒng)和電法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。載荷控制系統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)采用YAW-600微機(jī)控制電液伺服煤巖試驗(yàn)機(jī)。電法儀采用YBD11型礦用網(wǎng)絡(luò)并行電法儀，儀器主要由YBD11-Z礦用本安型網(wǎng)絡(luò)并行電法儀主機(jī)（以下簡(jiǎn)稱主機(jī)）、YBD-11C礦用本安型網(wǎng)絡(luò)并行電法儀采集站（以下簡(jiǎn)稱基站）以及2段連接線組成。其中每一段連接有8個(gè)通道，可以實(shí)現(xiàn)8個(gè)電極的電法數(shù)據(jù)同步采集，主機(jī)和基站可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到電腦中。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品制備本實(shí)驗(yàn)選擇 12 cm×12? cm×12 cm的大尺寸正方體煤樣，煤樣實(shí)物圖如圖2所示。

該煤樣由某礦實(shí)際工作面煤體加工而成，并在常溫環(huán)境下排除了水分。其基本物理參數(shù)見(jiàn)表1。

如圖3所示，電極選用半徑1.5 mm的鐵釘作為電極，使用砂紙打磨掉表面的鍍膜，測(cè)得其電阻大約為1.0×10-7 Ω·m ，相對(duì)于煤體電阻可忽略，因此可作為導(dǎo)電電極。在煤樣表面鉆出1 cm深度的孔洞，將導(dǎo)電膏灌入孔洞，然后將電極插入其中，使電極

-煤樣充分耦合，使用熱熔膠固定，防止加載中脫落。

為保證各應(yīng)力階段的空隙完全發(fā)育，采集數(shù)據(jù)時(shí)保持穩(wěn)定，煤樣實(shí)驗(yàn)采用分級(jí)加載，加載過(guò)程采用400 N/s，每加載至30 kN（2.08 MPa），保持恒載300 s，恒載時(shí)采集并行電法數(shù)據(jù)，直至破壞為止。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 含裂隙煤樣視電阻率特征煤本身具有一定的導(dǎo)電性，其內(nèi)部存在著電子導(dǎo)電和離子導(dǎo)電2種導(dǎo)電方式。同時(shí)，煤體也是一種多孔介質(zhì)，其內(nèi)部存在著大量的孔裂隙，這些裂隙將煤體分隔，形成錯(cuò)綜復(fù)雜的導(dǎo)電通道[17]。這些導(dǎo)電通道和導(dǎo)電方式的存在是煤體電阻率變化的原因。觀察原始煤樣（圖2），可以看出其表面存在著明顯的裂隙。觀察煤樣的表面裂隙，發(fā)現(xiàn)裂隙主要沿層理方向，與加載方向一致，如圖4所示。外表明顯裂隙貫穿前后上下四面，存在著力學(xué)性質(zhì)相對(duì)薄弱的預(yù)擴(kuò)面[18]。

根據(jù)阿爾奇公式

ρ=a-mS-nρw

（1）

在含水飽和度和介質(zhì)電阻率一定的情況下，煤樣電阻率主要由孔隙率決定。因此對(duì)于煤樣，孔隙率大的地方電阻率相對(duì)較大，表面裂隙對(duì)應(yīng)區(qū)域視電阻率相對(duì)較大。圖5為預(yù)載階段煤體視電阻分布情況。在預(yù)載荷0.5 kN時(shí)，1～8電極的視電阻率云圖呈現(xiàn)兩邊大而中間小的趨勢(shì)，且右邊相對(duì)更大一些;9～16電極的視電阻率云圖則表現(xiàn)為左大右小，呈遞減分布。電阻率云圖的不均勻分布表明煤體內(nèi)部孔隙率分布是不均勻的。

2.2 煤樣加載過(guò)程視電阻率變化規(guī)律文中選擇正方體煤樣作為加載樣品，采用每30 kN恒載一次的分級(jí)加載方法，加載曲線如圖6所示。根據(jù)該煤種預(yù)先估計(jì)的單軸抗壓強(qiáng)度，設(shè)置的最大恒載載荷為270 kN，之后加載方案改為持續(xù)加載直至破壞。由于分級(jí)加載時(shí)，恒載時(shí)間較久，裂隙能夠充分發(fā)育，因此壓裂破壞點(diǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)置的最大載荷點(diǎn)。

加載過(guò)程視電阻率云圖如圖7所示，選擇了30，50和270 kN載荷時(shí)的視電阻率斷面圖。可以明顯看出，隨著載荷的增加，低阻值區(qū)域基本保持不變，高阻值區(qū)域明顯增加，且向低阻值區(qū)域發(fā)展。整體來(lái)看，在加載過(guò)程中，煤樣的視電阻率分布特征與背景值一致，均為1～8電極的視電阻率云圖呈現(xiàn)兩邊大而中間小的趨勢(shì)，且右邊相對(duì)更大一些;9～16電極的視電阻率云圖則表現(xiàn)為左大右小，呈遞減分布。這說(shuō)明在整個(gè)加載過(guò)程中，煤體內(nèi)部孔隙分布不均勻，各區(qū)域視電阻率變化情況也并不一致。

為分析視電阻變化和其大小的關(guān)系，如圖8所示，選取所測(cè)區(qū)域的最小值、最大值以及3點(diǎn)的視電阻值，其中A點(diǎn)位于低阻值區(qū)域，B點(diǎn)位于低阻值區(qū)域的變化區(qū)域，C點(diǎn)位于較高阻值區(qū)域。并繪制過(guò)程視電阻率-應(yīng)力圖。

如圖9所示，預(yù)載階段阻值大小分布依次為

ρmax1-8，ρc，ρB，ρmax9-16，ρA，ρmin1-8，

ρmin9-16

。其中

ρmax1-8，ρc，

ρmax9-16，ρB

為視電阻較大的點(diǎn)，其加載過(guò)程的時(shí)域變化呈現(xiàn)明顯的先減小后增加趨勢(shì)，這與標(biāo)準(zhǔn)煤樣LCR法電阻率實(shí)驗(yàn)的結(jié)論一致。其他點(diǎn)阻值相對(duì)較小，視電阻率時(shí)域基本保持不變，總在某一范圍上下波動(dòng)。對(duì)比各點(diǎn)，

ρmax1-8為阻值最大點(diǎn)，其極差R達(dá)24 Ω·m;而

ρmax1-8，ρmax9-16

為阻值最小的2點(diǎn)，極差R分別為1.9，0.3 Ω·m。阻值高的區(qū)域加載過(guò)程中變化遠(yuǎn)大于低阻值區(qū)域，表明孔隙率大的區(qū)域在加載力作用下更容易發(fā)生孔隙閉合與擴(kuò)展，宏觀上引起視電阻率的變化較大。而低阻值區(qū)域孔隙率小的，應(yīng)力作用下孔隙變化不明顯，對(duì)應(yīng)視電阻率基本沒(méi)有變化。

2.3 煤體破壞視電阻率響應(yīng)機(jī)制巖石單軸壓縮的破壞形式主要有共軛剪切破壞、單斜面剪切破壞、流變塑性破壞以及拉伸破壞幾種。而大尺寸煤樣破壞情況復(fù)雜，加載過(guò)程中往往存在多種破壞力共存的現(xiàn)象[19]。圖10（a）為破壞以后的煤樣實(shí)況，忽略微小碎煤、煤粉的丟失，觀察破壞之后的碎煤形態(tài)，對(duì)煤體主要斷裂面進(jìn)行空間位置重構(gòu)如圖10（b）所示，可以看出煤樣的斷裂破壞主要發(fā)生在2個(gè)區(qū)域。第1個(gè)破壞區(qū)域?yàn)檠刂辑h(huán)狀裂紋和預(yù)擴(kuò)面發(fā)生的豎直拉伸破壞;第2個(gè)區(qū)域沿截面發(fā)生單斜面剪切破壞。從破壞范圍上看，拉伸破壞使得煤樣右側(cè)完全脫落，而單斜面剪切破壞使得煤體變?yōu)樽笊?、右下?大部分，剪切破壞的破壞程度要大于拉伸破壞。

如圖10所示，煤體在相對(duì)阻值較高的右側(cè)發(fā)生了拉伸破壞，而在阻值較低的中間區(qū)域發(fā)生了破壞相對(duì)較嚴(yán)重的剪切破壞。根據(jù)煤樣破壞結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)煤樣中最主要的破壞分為斜斷裂和原生裂隙劈裂2種，斜斷裂集中在低阻值的應(yīng)力集中區(qū)域之間，高阻值區(qū)域的為原生裂隙的劈裂，而不是沿著原生裂隙簡(jiǎn)單的劈裂。對(duì)照?qǐng)D7，隨著載荷的增加，高阻值區(qū)域視電阻上升明顯，對(duì)應(yīng)破壞后發(fā)生了拉伸破壞，而低阻值區(qū)域電阻率并沒(méi)有明顯的變化，對(duì)應(yīng)發(fā)生剪切變化。文獻(xiàn)[20]使用豎直布置測(cè)點(diǎn)的方法研究了標(biāo)準(zhǔn)試件在載荷作用下的電阻率變化情況。如圖11所示，煤樣加載過(guò)程中總體電阻率呈增加趨勢(shì)，且隨著載荷的增加中高阻值區(qū)域電阻率變化較大，且主要集中在邊緣區(qū)域，而剪切破壞則發(fā)生在低阻值區(qū)域范圍內(nèi)。與本實(shí)驗(yàn)觀察到的電阻率變化特征一致。這表明剪切破壞區(qū)域發(fā)生在低阻值區(qū)域是一種普遍現(xiàn)象。

水平表面原生裂隙會(huì)使煤樣的破壞類型變得復(fù)雜化，呈現(xiàn)出拉伸、剪切的組合形式破壞[18]，垂直表面原生裂隙對(duì)煤樣本身的破壞形式影響不大，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)強(qiáng)度極限后將會(huì)發(fā)生劈裂[21]，本質(zhì)上屬于拉伸破壞。如圖12所示，其中藍(lán)色區(qū)域表示低阻值區(qū)域ρ1，紅色區(qū)域表示高阻值區(qū)域ρ2，顏色深淺表示阻值變化，顏色越深表明電阻率越高。在預(yù)加載階段，煤體受力較小其各部分應(yīng)力基本一樣。當(dāng)載荷增加時(shí)，根據(jù)莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，受拉強(qiáng)度小于剪切強(qiáng)度，軸向裂隙區(qū)域受拉力較大，因此在原始軸向裂隙附近發(fā)生拉伸破壞。伴隨著微小裂隙的產(chǎn)生，該區(qū)域?qū)щ娡ǖ涝獾狡茐?，電阻率增大，即測(cè)得的視電阻率上升。原始裂隙的微小局部破壞會(huì)使該區(qū)域發(fā)生應(yīng)力卸載，對(duì)應(yīng)應(yīng)力將會(huì)降低，導(dǎo)致應(yīng)力分布不均勻。應(yīng)力向裂隙區(qū)域較少的區(qū)域轉(zhuǎn)移，即在裂隙較少的低阻值區(qū)域發(fā)生應(yīng)力集中。這個(gè)變化過(guò)程中高阻值區(qū)域裂隙變化比低阻值區(qū)域明顯，高阻值區(qū)域電阻率變化較大，低阻值區(qū)域變化較少。隨著載荷的繼續(xù)增大，應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力大于微小破壞區(qū)域，并且應(yīng)力持續(xù)增加，達(dá)到強(qiáng)度極限后將會(huì)發(fā)生斷裂破壞。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，煤樣內(nèi)部高電阻率區(qū)域并不一定是煤樣的破壞區(qū)域。當(dāng)高阻值區(qū)域的微弱破壞沒(méi)有引起煤樣破壞時(shí)，反而會(huì)導(dǎo)致煤體整體應(yīng)力失穩(wěn)，進(jìn)而引起低阻值區(qū)域的應(yīng)力集中。隨著繼續(xù)加載過(guò)程中，高阻值區(qū)域發(fā)生劈裂，低阻值應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生剪切破壞。煤體電阻率變化與導(dǎo)電通道變化密切相關(guān)，破壞過(guò)程中生成裂隙并逐漸增大直至發(fā)生破壞，對(duì)應(yīng)導(dǎo)電通道逐漸增加。孔隙率較多的區(qū)域裂隙發(fā)展明顯，煤體發(fā)生斷裂造成導(dǎo)電通道的斷裂，電阻率增加，應(yīng)力得到及時(shí)卸載，容易發(fā)生拉伸破壞?？紫堵瘦^小的區(qū)域，裂隙發(fā)展較緩，導(dǎo)電通道變化較小，電阻率增加緩慢，但該區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)域，在大載荷下容易形成斷裂破壞。

3 結(jié) 論1）根據(jù)煤樣背景電阻值以及加載過(guò)程值，證明煤體內(nèi)部視電阻率為不均勻分布，其不均勻分布與煤體孔隙率關(guān)系緊密，裂隙較多的區(qū)域電阻率較大、裂隙較少區(qū)域電阻率較少。2）各區(qū)域不均勻的孔隙結(jié)構(gòu)在載荷作用下變化趨勢(shì)并不一致，從而導(dǎo)致各區(qū)域?qū)щ娡ǖ赖淖兓膊痪鶆?。表現(xiàn)為高阻值區(qū)域電阻率變化趨勢(shì)較大，且結(jié)論與LCR法結(jié)論相似，為先減小后增加的變化趨勢(shì);而低阻值區(qū)域則表現(xiàn)為在一定的范圍內(nèi)動(dòng)蕩波動(dòng)，并沒(méi)有明顯的升降趨勢(shì)。3）電阻率較高區(qū)域裂隙變化明顯，隨著裂隙增多應(yīng)力會(huì)發(fā)生卸載，從而使得低阻值區(qū)域發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。低阻值的應(yīng)力降低和裂隙生成沒(méi)有造成煤樣完全破壞時(shí)，煤樣會(huì)在應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重的剪切破壞。4）在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中，人們往往更注重于研究視電阻率變化范圍大的異常區(qū)域。文中實(shí)驗(yàn)證明，需要對(duì)阻值變化較小區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象加以警惕，防止生產(chǎn)過(guò)程中的破壞現(xiàn)象。

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