受載煤體全應(yīng)力-應(yīng)變過程電阻率響應(yīng)規(guī)律

王恩元,陳 鵬,李忠輝,沈榮喜,徐劍坤,朱亞飛

(1．中國礦業(yè)大學安全工程學院,江蘇徐州 221116;2．中國礦業(yè)大學煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室,江蘇徐州 221116;3．華北科技學院安全工程學院,北京 101601;4．中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院,江蘇徐州 221116)

受載煤體全應(yīng)力-應(yīng)變過程電阻率響應(yīng)規(guī)律

王恩元1,2,陳 鵬3,李忠輝1,2,沈榮喜1,2,徐劍坤4,朱亞飛1,2

(1．中國礦業(yè)大學安全工程學院,江蘇徐州 221116;2．中國礦業(yè)大學煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室,江蘇徐州 221116;3．華北科技學院安全工程學院,北京 101601;4．中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院,江蘇徐州 221116)

為了研究煤體變形破壞過程電阻率變化特征,利用自建的受載煤體電阻率實時測試系統(tǒng),對單軸壓縮過程煤體應(yīng)力、應(yīng)變及電阻率進行了測試,分析了全應(yīng)力-應(yīng)變不同階段煤體電阻率響應(yīng)規(guī)律及變化機制。研究結(jié)果表明:煤體全應(yīng)力-應(yīng)變過程中,擴容現(xiàn)象發(fā)生時電阻率變化趨勢出現(xiàn)突變,由下降轉(zhuǎn)為上升,呈不規(guī)則“V”字形變化;在擴容發(fā)生前的壓密階段和彈性階段,電阻率的變化由孔隙裂隙的閉合及應(yīng)力作用決定,擴容的發(fā)生使得煤體在塑性階段電阻率總是呈上升趨勢,煤體進入破壞階段后電阻率進一步上升。通過對煤體電阻率進行連續(xù)實時監(jiān)測,可將電阻率變化規(guī)律作為前兆信息,以反映煤體失穩(wěn)破壞前的擴容突變現(xiàn)象。

電阻率;應(yīng)力-應(yīng)變;擴容;前兆信息

在煤巖動力災害的孕育和發(fā)展過程中,隨著煤巖體的變形和破壞,存在多種物理力學響應(yīng)[1-2],電阻率是其中的一個重要參數(shù),電阻率的差異性是進行電法勘探的物性前提[3-4]。對受載煤體變形破壞過程電阻率的變化規(guī)律進行研究,有助于深入認識煤巖動力災害的演化過程,對電法勘探技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用及其在煤巖動力災害預測預報中的應(yīng)用具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

在采掘過程中,煤巖體始終處于受載狀態(tài),應(yīng)力的作用會使煤巖體發(fā)生變形和破壞,從而會改變煤巖體的電性特征,因此一些學者對受載煤體的電阻率特征進行了研究。文光才[5]對不同煤樣在不同應(yīng)力水平的電阻率進行了測試;李忠輝[6]對大尺度煤體進行了單軸壓縮電阻率測試實驗;劉貞堂等[7]對干燥和濕潤兩種煤樣單軸壓縮過程中的電阻率進行了對比分析;王云剛等[8-9]研究了構(gòu)造軟煤(型煤)、原生結(jié)構(gòu)煤單軸壓縮條件下的電阻率特征,并對具有沖擊傾向性的煤體進行了單軸壓縮電阻率測試實驗[10];陳鵬等[11]研究了不同導電特性煤體在不同加載方式下電阻率的變化規(guī)律。

前人的研究多集中于煤體電阻率變化的整體特征,對煤體變形破壞不同階段電阻率變化規(guī)律及響應(yīng)機制還有待于深入分析,一般認為是“破裂”引起了電阻率的變化,而實際上在主破裂發(fā)生之前,擴容現(xiàn)象的出現(xiàn)就已使得煤巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生質(zhì)的變化,因此對擴容現(xiàn)象引起的電阻率的響應(yīng)規(guī)律進行深入挖掘具有十分重要的意義。筆者通過建立受載煤體電阻率測試系統(tǒng),測試分析煤體全應(yīng)力-應(yīng)變過程電阻率響應(yīng)規(guī)律與機制,挖掘擴容現(xiàn)象引起的電阻率變化前兆信息,以期為電阻率法預測預報煤巖動力災害奠定基礎(chǔ)。

1 實 驗

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)由加載系統(tǒng)、電阻率測試系統(tǒng)和變形測量系統(tǒng)組成(圖1)。加載系統(tǒng)采用WAW-600微機控制電液伺服萬能壓力試驗機,由試驗機主機、伺服油源、全數(shù)字測控器、計算機系統(tǒng)等組成;電阻率測試系統(tǒng)使用美國Agilent U1733C LCR測試儀,與PC連接后可利用自帶軟件連續(xù)采集數(shù)據(jù)。變形測量系統(tǒng)由Epsilon 3542RA軸向引伸計和 Epsilon 3544徑向引伸計組成。

1.2 試樣制備

圖1 受載煤體電阻率實時測試系統(tǒng)示意Fig．1 Schematic diagram of loaded coal resistivity real-time testing system

實驗中所需煤樣分別來自興安煤礦、城郊煤礦和寺家莊煤礦,將井下取得的大塊煤樣直接加工成?50 mm×100 mm的標準試樣,保持煤樣兩端表面平整、光滑,端面平整度誤差小于0．02 mm,以利于和壓機接頭接觸。對加工成的試件進行嚴格的篩選:①剔除表面有明顯破損及可見裂紋的試件;② 剔除尺寸及平整度不符合要求的試件。為保證試驗結(jié)果的可比性,巖樣在同一塊頂板巖石的同一面上密集套鉆取得。將銅片電極與端面之間用導電膠進行耦合。單軸壓縮加載速率為0．1 mm/min。

根據(jù)LCR測試儀的工作原理,將測定的電阻值通過以下公式換算成實驗樣品的電阻率,有

式中,Z為阻抗值,Ω;θ為相位角,(°);ρ為電阻率, Ω·m;R為電阻,Ω;S為試樣的橫截面積,m2;L為試樣長度,m。

為了便于實驗結(jié)果分析,對煤樣基本參數(shù)進行了測定,測定結(jié)果見表1。

表1 實驗煤樣基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of coal samples

2 結(jié)果與討論

2.1 煤體全應(yīng)力-應(yīng)變曲線測試

在煤巖力學性質(zhì)的研究中,應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以很好地描述煤巖體的變形破壞過程。典型煤巖全應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示,圖中εd,εl和εV分別代表試件徑向應(yīng)變、軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化特征,將煤巖從加載到破壞分為幾個具有不同特征的階段[12],Ⅰ～Ⅳ分別為壓密階段(OA段)、彈性階段(AB段)、塑性階段(BC段)和破壞階段(CD段),各階段均伴隨著煤體孔隙裂隙結(jié)構(gòu)的演化。在體積應(yīng)變曲線中,擴容點處切線斜率為無窮大(dσ/dε=∞),是εV曲線的拐點,在εl-σ曲線中,B點處切線斜率偏離曲線方向并逐漸減小,說明煤體由彈性變形向塑性變形轉(zhuǎn)化,此時試件由體積壓縮轉(zhuǎn)為擴容。

圖2 典型煤巖體全應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig．2 Complete stress-strain curves of typical coal and rock mass

利用變形測量系統(tǒng)對實驗煤樣的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線進行了測試(圖3),可以看出,不同煤樣所表現(xiàn)出的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系各不相同。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的特征,確定了各實驗煤樣擴容點對應(yīng)的應(yīng)力水平值(表2),均分布在66%σmax～87%σmax,此時煤體達到屈服極限,開始由彈性階段向塑性階段轉(zhuǎn)變,直至達到應(yīng)力峰值σmax發(fā)生宏觀破裂。

圖3 實驗煤樣的典型全應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig．3 Typical complete stress-strain curves of experimental coal samples

2.2 煤體全應(yīng)力-應(yīng)變過程電阻率變化規(guī)律

為了便于研究電阻率的變化規(guī)律,引入?yún)?shù)λ來表示電阻率的變化幅度:

式中,ρ0為初始電阻率,Ω·m。

表2 實驗煤樣擴容點應(yīng)力水平匯總Table 2 The stress level of diliation point of experimental coal samples

當λ＞1時,λ越大,電阻率上升幅度越大;當λ＜1時,λ越小,電阻率減小幅度越大。選取具有代表性的煤樣進行繪制全應(yīng)力應(yīng)變過程λ變化圖(圖4)。

興安煤礦煤樣電阻率變化整體上呈現(xiàn)“波動下降—突變上升—波動上升—加速上升”的特點,2號樣和5號樣λ分別在86%σmax和79%σmax處由下降趨勢轉(zhuǎn)為上升趨勢,之后λ呈波動上升狀態(tài),應(yīng)力峰值σmax過后載荷出現(xiàn)突降,說明煤體發(fā)生了主破裂,此時λ最大上升至4。

城郊煤礦煤樣電阻率變化整體上呈現(xiàn)“緩慢下降—突降—突變上升—加速上升”的特點,在加載初期電阻率波動較強烈,經(jīng)緩慢下降后發(fā)生突降,在突降之后經(jīng)歷短時間的波動,1號和2號煤樣分別在78%σmax和71%σmax處λ突然上升,加載后期隨著煤體的破裂,λ持續(xù)上升至1．81。

寺家莊煤礦煤樣電阻率變化整體上呈現(xiàn)“平緩下降—突變上升—加速上升”的特點,在加載初期λ曲線比較平緩,1號和3號煤樣分別在71%σmax和75%σmax處電阻率由下降轉(zhuǎn)為上升,且上升速度明顯加快,應(yīng)力峰值σmax過后λ迅速上升,最大值為1．6。

整體來看,實驗煤樣電阻率變化規(guī)律均為先降后升型,雖然存在一定的差異性,但總體上都呈不規(guī)則“V”字形變化。通過實驗發(fā)現(xiàn),所有實驗煤樣λ拐點處對應(yīng)的應(yīng)力水平都不是應(yīng)力峰值σmax處,而是在σmax之前,結(jié)合2．1節(jié)中的全應(yīng)力-應(yīng)變實驗可知,該應(yīng)力水平處即為煤體變形破壞過程中的擴容點。

需要說明的是,全應(yīng)力-應(yīng)變實驗過程中,試樣徑向應(yīng)變和軸向應(yīng)變的發(fā)展導致橫截面積S和試樣長度L都處于動態(tài)變化中,但是從圖3可知,試樣的徑向應(yīng)變和軸向應(yīng)變均較小,因此煤體電阻率按照式(2)進行計算時,仍按照標準試樣?50 mm×100 mm進行取值。取各試樣應(yīng)力峰值時刻的應(yīng)變值進行誤差計算,發(fā)現(xiàn)式(2)中S/L實際值比計算值分別大6．6%(興安煤礦煤樣),2．0%(城郊煤礦煤樣), 4．5%(寺家莊煤礦煤樣),該誤差較小,不影響本文問題的分析。在國內(nèi)對煤體電阻率的研究中[5,7-11],也多對該誤差進行了忽略。

圖4 實驗煤樣全應(yīng)力應(yīng)變過程λ變化曲線Fig．4 λ variation curves of experimental coal samples during complete stress-strain process

2.3 全應(yīng)力-應(yīng)變不同階段電阻率響應(yīng)機制

對受載煤體全應(yīng)力-應(yīng)變過程可分為4個階段進行分析:

(1)壓密階段(Ⅰ):煤體試件中含有大量的孔隙和裂隙,試件受載壓縮后,原有的張開性微裂隙在受壓方向逐漸閉合,孔隙也出現(xiàn)一定程度的壓縮閉合,試件體積減小。

該階段內(nèi)由于孔隙裂隙的閉合作用,煤體導電通道接觸更加良好,原有的張開性裂隙受閉合作用還可能會形成新的導電通道,這種作用就相當于多個導電通道并聯(lián),電流流經(jīng)的截面積增大,因此電流的導通變得容易,使得煤體整體的電阻減小。

(2)彈性階段(Ⅱ):孔隙和微裂隙已完全閉合,隨著載荷增加,其變形基本上按比例增長,試件呈彈性性質(zhì)。試件體積壓縮速率減慢,整體上仍屬于壓縮變形階段。

該階段內(nèi)孔隙裂隙已完全閉合,主要為應(yīng)力作用于煤體,根據(jù)電介質(zhì)物理學理論[13],固體介質(zhì)的導電按照載流子的不同類型,可分為離子導電和電子導電,煤作為一種高阻體,所有的煤均存在電子導電,且大部分煤體都以電子導電為主。煤體在應(yīng)力的作用下,分子間的電子云發(fā)生重疊,電子在分子間的遷移率增加,使得電子導電率上升,電阻率下降[14]?？梢?本文中實驗所用試樣均為電子導電型煤體,對于離子導電型煤體本文不予討論。

根據(jù)電介質(zhì)物理學中固體導電理論,固體介質(zhì)電阻率ρ′隨應(yīng)力σ的變化關(guān)系[13]一般可寫為

式中,a,b為系數(shù)。

文光才[5]、陳鵬[15]通過大量的實驗發(fā)現(xiàn),煤體電阻率隨應(yīng)力升高還會呈線性、二次式、三次式等形式變化,說明由于煤體結(jié)構(gòu)的復雜性,電阻率隨應(yīng)力的變化形式也呈現(xiàn)多樣性。

在Ⅰ和Ⅱ兩個階段中,煤樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化導致顆粒之間接觸更加緊密,孔隙體積縮小,水分所占比例相對增加,局部形成飽和狀態(tài),電阻率減小[7]。另外,水分進入到新形成的孔隙中,在孔隙中形成新的導電通路,使導電性增強,電阻率下降[7]。

(3)塑性階段(Ⅲ):試件超過屈服極限后,煤體由彈性變形向塑性變形轉(zhuǎn)化,此時微破裂發(fā)生了質(zhì)的變化,剪切破裂發(fā)生,軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變速率迅速增大,煤體發(fā)生膨脹變形,試件由體積壓縮轉(zhuǎn)為擴容。

擴容是由于試件內(nèi)微破裂的形成和擴張所致,擴容現(xiàn)象的發(fā)生使得煤體電阻率出現(xiàn)拐點,即電阻率發(fā)生了由下降到上升的轉(zhuǎn)變。在該階段內(nèi),煤體結(jié)構(gòu)的演化對導電通道起主要作用,煤體發(fā)生體積膨脹的同時,導電通道也受到破壞,從而引起電阻率上升,此時與煤體的導電特性無關(guān)。

(4)破壞階段(Ⅳ):試件通過應(yīng)力峰值后,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞,裂隙快速發(fā)展并交叉匯合成宏觀斷裂面,試件變形主要表現(xiàn)為沿宏觀斷裂面的塊體滑移。

該階段內(nèi)煤體電阻率繼續(xù)呈上升趨勢,且由于煤體在宏觀上遭到破壞,極大地切斷了煤體導電通道,因此電阻率上升速率加快,最終電阻率值一般遠大于加載前的初始值。

2.4 電阻率突變前兆信息的工程意義

從上述實驗和分析可知,擴容發(fā)生前,煤體電阻率呈持續(xù)下降趨勢,但擴容發(fā)生時電阻率均會出現(xiàn)突變現(xiàn)象而轉(zhuǎn)為上升趨勢,應(yīng)力峰值過后,電阻率進一步上升。本文測得的擴容點應(yīng)力水平在66%σmax～87%σmax,都處于煤體失穩(wěn)破壞之前。根據(jù)煤體電阻率與應(yīng)力應(yīng)變過程的關(guān)系,可建立煤體擴容-電阻率模型(圖5),模型描述了煤體全應(yīng)力-應(yīng)變過程中電阻率的響應(yīng)規(guī)律,強調(diào)了擴容現(xiàn)象引起的電阻率變化趨勢的轉(zhuǎn)變,因此可根據(jù)此模型,將電阻率變化規(guī)律作為前兆信息,對煤體失穩(wěn)破壞進行提前預警。

圖5 煤體擴容-電阻率模型Fig．5 Dilatation-resistivity model of coal mass

根據(jù)煤體應(yīng)力狀態(tài),在采掘工作面前方,依次存在著卸壓區(qū)(層裂區(qū))、應(yīng)力集中區(qū)(塑性區(qū))和原始應(yīng)力區(qū)(彈性區(qū))3個區(qū)域[16]。在卸壓區(qū)煤體已發(fā)生屈服,煤體內(nèi)部形成了大量的裂隙,由卸壓區(qū)到應(yīng)力集中區(qū),應(yīng)力越來越高。隨著工作面的推進,煤體不斷由彈性體變?yōu)樗苄泽w,并形成一個緩沖帶,當緩沖帶不足以阻止煤體內(nèi)部的能量釋放時,高應(yīng)力區(qū)的煤體由彈性階段發(fā)展到擴容突變階段[17],彈性能得到大量釋放,這種效應(yīng)會造成巷道煤巖體的瞬時破壞,形成沖擊地壓、瓦斯突出或者壓出等災害。

根據(jù)本文實驗結(jié)果,由于煤體發(fā)生擴容時電阻率均會產(chǎn)生突變現(xiàn)象,因此,若利用電阻率法對采掘空間煤體進行連續(xù)性監(jiān)測,當觀測到電阻率出現(xiàn)突變時,說明受載煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)也開始發(fā)生了重大變化,煤體可能出現(xiàn)擴容突變繼而釋放大量的能量,此時可對動力災害提前作出預警,避免動力災害造成的傷亡和損失。

3 結(jié) 論

(1)煤體全應(yīng)力-應(yīng)變過程中,電阻率經(jīng)歷了由下降到上升的過程,呈不規(guī)則“V”字形變化,電阻率發(fā)生突變的拐點處即為煤體的擴容點處,本文實驗煤樣擴容應(yīng)力水平在66%σmax～87%σmax。

(2)全應(yīng)力應(yīng)變過程不同階段煤體電阻率的演化機制也不同:在壓密階段,電阻率的變化取決于孔隙裂隙的閉合作用;在彈性階段,電阻率的變化取決于應(yīng)力對煤體的作用;擴容的發(fā)生使得電阻率由下降轉(zhuǎn)為上升趨勢,因此在塑性階段電阻率總是呈上升趨勢;應(yīng)力峰值過后煤體進入破壞階段,宏觀裂隙的匯合和貫通導致煤體電阻率進一步上升。

(3)煤體的擴容突變是動力災害發(fā)生前的主要顯現(xiàn),通過對采掘空間煤體電阻率進行連續(xù)實時監(jiān)測,可將電阻率的變化規(guī)律作為前兆信息,對煤巖動力災害進行監(jiān)測預警。注意到這一點,對用電阻率法分析受載煤體變形破壞過程及對煤巖動力災害的預測預報具有重要的指導作用,同時對地震前兆、隧(巷)道中的圍巖大變形等研究也具有借鑒作用。

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Resistivity response in complete stress-strain process of loaded coal

WANG En-yuan1,2,CHEN Peng3,LI Zhong-hui1,2,SHEN Rong-xi1,2,XU Jian-kun4,ZHU Ya-fei1,2
(1.School of Safety Engineering,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China;2.Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines, Ministry of Education of China,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China;3.School of Safety Engineering,North China Institute of Science and Technology,Beijing 101601,China;4.School of Mines,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China)

In order to study the coal resistivity variation characteristics in deformation and destruction process,the stress,strain and the resistivity of coal during uniaxial compression process were tested using self-built real-time testing system of loaded coal resistivity．Furthermore,the resistivity response rules and variation mechanism at different stages of complete stress-strain were analyzed．The results show that in the process of complete stress-strain of coal mass,the resistivity undergoes the process from descending to ascending,which shows an irregular“V”variation pattern when dilatancy occurs．In the densification and flexibility phases before dilatation occurrence,the variation of resistivity is determined by the closure of coal fissures and stress action．Because of dilatation,the coal resistivity always shows an increasing tendency at the plastic stage．After the peak stress,the coal body enters into a failure stage and the coal resistivity is further improved．Through a real-time monitoring on coal resisitivity,the variation rules of resistivity can be deemed as precursory information so as to reflect the dilatation and sudden change before the coal body reaches a failure,which can provide a new technological mean for forecasting the dynamic disaster of coal and rock．

resisitivity;stress-strain;dilatation;precursory information

TD712．2

A

0253-9993(2014)11-2220-06

2013-07-30 責任編輯:韓晉平

國家“十二五”科技支撐計劃資助項目(2012BAK04B07,2012BAK09B01)

王恩元(1968—),男,內(nèi)蒙古卓資人,教授,博士生導師。Tel:0516-83884695,E-mail:weytop@cumt．edu．cn。通訊作者:陳 鵬(1984—),男,河南永城人,講師,博士。E-mail:chp1986525@163．com

王恩元,陳 鵬,李忠輝,等．受載煤體全應(yīng)力-應(yīng)變過程電阻率響應(yīng)規(guī)律[J]．煤炭學報,2014,39(11):2220-2225．

10．13225/ j．cnki．jccs．2013．1070

Wang Enyuan,Chen Peng,Li Zhonghui,et al．Resistivity response in complete stress-strain process of loaded coal[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(11):2220-2225．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2013．1070