多因素條件下浸水焦煤電阻率變化規(guī)律實驗

李石林,牛會永,李軼群,陳世強,李芳

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院,北京 100083)

煤礦采空區(qū)自燃火災(zāi)是煤礦重大災(zāi)害之一,其氧化燃燒階段判斷、火源位置定位是亟待解決的難題[1].水分在煤的自燃過程中起著重要的作用.煤礦采空區(qū)遺煤(特別是急傾斜煤層)往往經(jīng)過水的浸泡,其氧化特性及電性參數(shù)會發(fā)生一定變化.利用煤巖電性參數(shù)變化是探測地下隱蔽煤火位置的方法之一[2].因此,研究煤的電性參數(shù)在不同環(huán)境因素影響條件下的變化規(guī)律有一定的應(yīng)用價值.

煤電性參數(shù)包括電阻率(導(dǎo)電率)與介電常數(shù).國內(nèi)外學(xué)者對煤電性參數(shù)變化特征的理論分析、實驗測試、現(xiàn)場應(yīng)用開展了研究.SELIVANOVA等[3]發(fā)現(xiàn)煤樣加熱過程中的電阻率取決于加熱溫度;徐宏武[4]通過研究煤巖層電性參數(shù)多個影響因素及各向異性問題,指出與電磁法勘探最密切的電性參數(shù)是煤巖層電阻率、相對介電常數(shù)和煤層對電磁波吸收系數(shù);牛會永等[2]對浸水加溫條件下褐煤電性參數(shù)特征進行了試驗研究;孟磊、任育華等[5,6]發(fā)現(xiàn)原生結(jié)構(gòu)煤的電阻率與構(gòu)造軟煤的電性參數(shù)存在差異;楊彩等[7]研究了煤巖體時間域和頻率域煤巖體電性參數(shù)響應(yīng)規(guī)律,并將其應(yīng)用于現(xiàn)場工程試驗;柳蘇等[8]采集了幾種不同變質(zhì)程度的原生結(jié)構(gòu)煤樣品,測量了在常溫常壓下不同含水煤體在不同頻率下的同相電阻率及異相電阻率;王云剛等[9,10]利用 Eview 軟件的數(shù)理統(tǒng)計功能, 采用均方差回歸分析方法對構(gòu)造軟煤電性參數(shù)的影響因素進行了定量研究,研究含瓦斯煤體在變形破裂過程中電性參數(shù)與滲透率之間的變化規(guī)律;鄭學(xué)召等[11]研究了煤的介電常數(shù)隨變質(zhì)程度與測試頻率之間的關(guān)系;宋吾軍、邵振魯?shù)萚12-14]通過建立煤火的地電模型,對高密度電法探測煤火進行了正演模擬研究.上述研究多集中在溫度、變質(zhì)程度、含瓦斯煤體等因素對電性參數(shù)的影響,對浸水煤在多因素影響下的變化規(guī)律缺乏深入研究.

本文以山西某煤礦焦煤為實驗煤樣,通過實驗測試與分析,研究溫度、浸水時間及測試頻率多因素條件下的煤電阻變化規(guī)律,為煤礦浸水焦煤的自燃防治提供一定的理論指導(dǎo).

1 實驗系統(tǒng)及準備

煤電性參數(shù)實驗系統(tǒng)主要由絕熱保溫裝置、絕緣板、導(dǎo)電電極板、LCR 表和計算機組成,如圖1所示.

1.二氧化硅氣凝膠絕熱保溫材料;2.聚四氟乙烯絕緣板;3.銅片導(dǎo)電電極板;4.型煤試樣;5.LCR表;6.PC.

1.1 主要實驗儀器及設(shè)備

選用U1733C LCR表作為煤樣電性參數(shù)測試儀器,可在頻率為100,120,103,104和105Hz下進行參數(shù)測量.LCR表可用于測量電阻、阻抗模值、電感、電容、相位角等參數(shù),也可用于測量直流電阻、等效串聯(lián)電阻和品質(zhì)因數(shù)等輔助參數(shù).LCR表通過U5481A IR-USB與計算機連接,通過 Keysight GUI Data Logger軟件對數(shù)據(jù)進行采集.選用溫度可控范圍為5～95 ℃的CS501-SP型超級數(shù)顯恒溫器(恒溫水浴),誤差能夠控制在±0.05 ℃,顯示精度為±0.10 ℃.選用DHG-9030A 型電熱鼓風(fēng)干燥箱,溫度可在10～250 ℃之間選擇,溫度分辨率為0.10 ℃,恒溫波動度為±1 ℃.選用SYE-2000型壓力試驗機制作試件,最大試驗力為2 000 kN.

1.2 煤樣制備

煤樣選取山西萬豐煤礦的焦煤.將原煤樣破碎后,篩選顆粒直徑在0.074 mm以下的煤粉.將煤粉置入Ф50 mm×50 mm的型煤模具,用壓力試驗機壓制成型,成型壓力由0逐漸調(diào)至135 MPa,并保持135 MPa壓力30 min.使用液壓脫模機將型煤模具中Ф50 mm×50 mm的圓柱體煤樣脫出.成型煤樣是在專用模具內(nèi)壓制而成的,其表面規(guī)范整齊,達到實驗外形精度要求.

1.3 實驗方案

1.3.1 實驗內(nèi)容

測量干燥煤樣電阻率在不同溫度、不同測試頻率條件下隨水浸泡時間的變化關(guān)系.

1.3.2 實驗步驟

將型煤煤樣放入100 ℃的恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥24 h,制成干燥型煤煤樣.將干燥型煤煤樣分為5組,分別放置于25,40,55,70,85 ℃的5個恒溫水浴中浸泡60 h,每12 h將煤樣取出,在頻率為100,120,103,104,105Hz的5個測試條件下,測量阻抗模值和相位角.

2 實驗結(jié)果及分析

煤的電阻率是表征煤的抗阻特性的物理量,計算公式為

(1)

式中:ρ為電阻率;|Z|為阻抗模值;S為煤樣橫截面積,cm2;L為煤樣長度,cm;θ為相位角[2].

運用式(1)對5個不同的測試頻率、溫度及浸水時間條件下的阻抗模值和相位角進行計算,得出焦煤電阻率值變化規(guī)律,如圖2所示.

圖2 焦煤浸水電阻率變化曲線

由圖2可知,隨測試條件和參數(shù)的改變,浸水焦煤電阻率發(fā)生明顯變化,規(guī)律如下:

1)隨浸水時間增加,焦煤電阻率呈下降趨勢.焦煤在浸水12 h內(nèi),電阻率下降速度較快.12 h后電阻率的整體下降速度趨緩.這是因為煤樣在前12 h的浸水時間里,含水量大幅度增加,極性水溶液迅速增多,使得煤電阻率大幅度降低.12 h后煤樣吸水速率減慢,電阻率的整體下降速率放緩.

2)相同測試頻率和浸水時間條件下,不同煤樣電阻率隨溫度升高而降低.因為浸水焦煤的導(dǎo)電方式主要是離子導(dǎo)電和電子導(dǎo)電,在相同測試頻率和浸水時間條件下,各煤樣離子導(dǎo)電參與差異度較小,但隨著溫度增加,煤中被激發(fā)的自由電子增多,導(dǎo)致導(dǎo)電率增加,電阻率降低.

3)相同測試頻率和浸水時間條件下,煤樣電阻率隨溫度升高而更快趨于穩(wěn)定;不同測試頻率條件下,85 ℃煤樣電阻率在浸水12 h后基本達到穩(wěn)定狀態(tài).在浸水12 h內(nèi),各煤樣吸水量大,離子大量增加,各煤樣電阻率均大幅下降.浸水12 h后,煤樣吸水增加量有限,離子導(dǎo)電參與變化幅度較小.溫度越高,煤樣中自由電子越活躍,需激發(fā)的時間越短,85 ℃煤樣中自由電子在12 h內(nèi)基本已被激發(fā).因而,浸水12 h后,溫度越高,煤樣電阻率越快表現(xiàn)出穩(wěn)定狀態(tài).

4)相同浸水時間和溫度條件下,隨測試頻率增高,煤樣電阻率變小,且浸水12 h后,電阻率變化幅度趨緩.這是由于浸水12 h后,煤樣電阻率受煤中含水量的影響變小,隨測試頻率升高,能更多激發(fā)煤中被俘獲電子成為自由電子,電子導(dǎo)電占主導(dǎo),煤電阻率降低.

5)浸水焦煤的電阻率隨測試頻率增高而更快趨于穩(wěn)定.不同測試頻率條件下,浸水12 h內(nèi),各煤樣電阻率下降速度均較快.浸水12 h后,隨著測試頻率逐漸增高,各煤樣電阻率下降速度出現(xiàn)明顯分化:當測試頻率為120 Hz及以下時,各煤樣電阻率均表現(xiàn)出持續(xù)緩慢下降趨勢;當測試頻率達到103Hz及以上時,除25 ℃煤樣電阻率持續(xù)緩慢下降外,其余各煤樣電阻率基本保持穩(wěn)定;當測試頻率達到105Hz時,各煤樣電阻率均基本達到穩(wěn)定狀態(tài).這是因為測試頻率越高,煤樣中被俘獲電子轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂呻娮拥臅r間越短,煤樣電阻率越快趨于穩(wěn)定.

3 結(jié)論

1)浸水焦煤電阻率隨溫度升高呈下降趨勢,且溫度越高,電阻率更快趨于穩(wěn)定.可利用電阻率及其變化規(guī)律推算采空區(qū)遺煤溫度及自燃危險區(qū)域.

2)浸水焦煤電阻率隨測試頻率增高而降低,且降幅與煤體溫度相關(guān).可通過改變測試頻率獲得的電阻率及其變化規(guī)律,輔助確定采空區(qū)遺煤溫度分布.

3)應(yīng)用電法探測采空區(qū)或其他隱蔽區(qū)域煤溫及火源位置,操作簡便、成本低、精度高、抗干擾能力強,能為判定自燃火災(zāi)危險區(qū)域、確定煤層自燃防治方案和措施提供支持,便于礦井防滅火工作,具有廣泛的應(yīng)用前景.