高溫煤巖體電性特征及地球物理數(shù)值模擬研究

葛 歡 ，韓 猛 ，劉 磊 ，盧君實 ，趙維俊 ，張 桉

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；3.遼寧省地質勘查院有限責任公司，遼寧 大連 116620；4.中國地質調查局 沈陽地質調查中心，遼寧 沈陽 110034；5.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000）

由于煤的自燃特性、開采工藝以及地質條件等因素，煤礦內因火災事故時有發(fā)生[1]。煤火不僅對我國的國民經濟和國家能源戰(zhàn)略安全產生重要影響，還對環(huán)境、生態(tài)、植被、地下水資源等產生嚴重破壞[2-4]。對于井工礦煤自然發(fā)火來講，火災治理是安全生產的保障，精準探測火區(qū)位置是火災有效治理的前提，也是重中之重。近年來，世界各國在治理地下煤火方面開展了大量的工作[5-6]，但是地下煤火的分布和發(fā)展狀態(tài)十分復雜多變，有效地識別高溫火區(qū)準確位置、埋深以及煤火發(fā)展的不同階段難度大。因此相關技術在近幾十年內并沒有突破性的創(chuàng)新，煤田火區(qū)探測一直是世界性難題。地球物理勘探是以巖礦石的物性差異為基礎進而解決有關地質問題的一類方法，在煤田地質、工程地質及環(huán)境地質等方面有著廣泛的應用[7-9]。針對煤田火區(qū)勘探，目前的主要技術手段包括鉆探法、電法、磁法、紅外測溫法和放射性元素勘探法等[10-13]，而在實際工程應用中效果并不理想。一方面每種方法都有其特點及適用性；另一方面，高溫環(huán)境下煤巖體的基礎物性研究程度薄弱，造成資料解釋和異常成因的不明確性。為此，從高溫煤巖體的物性特征出發(fā)，基于煤巖體溫變電阻實驗，系統(tǒng)分析巖石、礦物和煤的電學性質及其在不同條件下的變化規(guī)律，對實驗數(shù)據(jù)進行正反演數(shù)值模擬，研究不同煤火發(fā)展階段瞬變電磁信號異常響應特征。

1 煤巖石電性特征

巖石電性特征的參數(shù)一般包括電阻率R、電導率σ、介電常數(shù)ε等。而對于地球物理勘探來講，反映介質導電特性最重要的參數(shù)就是巖石的電阻率。在外部電場的作用下，帶電粒子（電子和離子）的定向運動能力決定了物質的導電性，而帶電粒子的不規(guī)則（熱）運動產生了電阻，電阻是由原子的電子層的結構、礦物的結晶化學結構和鹽類水溶液離子化學特性共同決定的[14]。

1.1 巖礦石導電機制

巖石導電性的機理有可能是離子導電、電子導電和混合導電，這與其巖相成分的不同和造巖礦物、次要礦物及金屬礦物的導電性等有關。固相（礦物骨架）的電阻率超過液相6～8 個數(shù)量級；氣相則為電介質。因此，填滿巖石孔隙空間的各種相的影響和空間結構是決定大多數(shù)巖石電阻率的因素。但黏土和黏土質巖和石膏則屬例外。當巖石中的電子導電的副礦物或金屬礦物發(fā)育時，則包裹體的結構具有重要意義。

根據(jù)巖礦石的導電性能可分為：導體（電子導體和離子導體）、半導體和電介質[15]。

天然金屬的導電性為電子導電性，金屬礦物如黃銅礦、磁鐵礦、方鉛礦等，其結晶鍵為離子-金屬型和共價-金屬型，因此二者均具有很高的導電性。電子導電的特點是電阻隨溫度的升高而增大。具有離子型結晶鍵的礦物在自然條件下充滿孔隙水，當電子脫離原子時，或在其結合時，原子的中性遭到破壞，它們就相應地變成正離子或負離子，在外電場的作用下，離子的運動產生了電流，電阻率一般隨溫度的上升而下降。

具有共價或離子型結晶鍵的許多化學元素和大多數(shù)硅酸鹽與氧化物具有半導體的性質，雖然在許多礦物結構中也包含著電子導電性的元素，但礦物堅固的結晶格架使電子不易移動，因此，一般都具有高電阻值，半導體的特點是電阻隨溫度的升高而下降。

電介質系具有共價型鍵的化學元素和礦物，其晶格（島式或鏈式結構）上的原子排列極為緊密，礦物電阻率極高，在強電場中，電介質具有電子導電性，電阻一般隨溫度的升高而降低。

1.2 高溫煤巖體導電特征

文中所指高溫煤巖體電性特征是狹義的，只針對煤田沉積環(huán)境下的相應類型巖石以及由煤自燃產生的高溫環(huán)境。其過程及電性變化主要分為以下3 個狀態(tài)：

1）自然狀態(tài)。自然狀態(tài)下煤及沉積巖中含有孔隙水、層間水、裂隙水、喀斯特水等。煤巖體在水的礦化作用下，以離子導電為主，其電阻率取決于地層的賦水性以及水的礦化程度。

2）煤自燃初期。當采空區(qū)內煤自然氧化引起溫度升高，煤及圍巖會逐漸脫水，導電方式由離子導電向電子導電過渡，電阻率迅速上升，經達一定時間及溫度，巖石的電阻率不再取決于含水性及其礦化程度。

3）煤自燃高溫期高溫作用使煤中的有機質發(fā)生氧化分解，含碳量升高，電阻率減?。粠r石中的微觀粒子由于溫度的升高打破能量勢壘并變成自由移動的載流子，導致巖石電阻率降低[16]。當溫度到達一定階段，巖石會根據(jù)的化學和礦物成文不同，按照電阻率進行分異，直到融化為止。

2 高溫煤巖體實驗

2.1 研究現(xiàn)狀

高溫煤巖體電性測試主要存在實驗條件復雜、成本高、煤巖樣本身的微觀結構及相變變化復雜等問題，因此國內外開展此項研究工作的不多。萬瓊芝[17]測定了原煤巖樣常溫至120 ℃范圍內電阻率隨溫度的變化關系，總結出了在此溫度范圍內煤巖體電阻率整體上隨溫度增加而增大，不同樣品變化速率不同的特點；劉文忠等[18]測定了5～140 ℃范圍內干燥巖石電阻率隨溫度及壓力的變化關系，證明了砂巖、灰?guī)r、灰質角礫巖的電阻率隨溫度的增高而減小，其中砂巖電阻率從20 000 Ω·m（25 ℃）下降到12 000 Ω·m（140 ℃），并認為溫度的升高改變了巖石中離子的遷移率，致使電阻率急劇下降；熊盛青[19]測定了烏達煤田煤層圍巖20～900 ℃的電阻率變化，總結出常溫加熱致500 ℃過程中，不同巖樣電阻率存在先降后升、先升后降及逐漸降低的復雜變化規(guī)律，巖石樣品加溫至500 ℃后，隨著溫度增加電阻率呈逐漸降低趨勢，900 ℃左右電阻率趨近于0；邵振魯[20]測試了安家?guī)X礦區(qū)4 種砂巖巖樣，常溫至800 ℃過程中整體巖樣電阻率隨溫度的增加而降低1～3個數(shù)量級，部分巖樣電阻率在升溫過程中出現(xiàn)了先增大后降低的趨勢；多爾特曼[14]進行了氧化物礦物、硅酸鹽類礦物以及火成巖在20～1 000 ℃溫度條件下的高壓電阻率測定實驗，認為礦物電性是由其化學成分和結晶的結構類型決定的。隨著溫度的升高，結構和構造特點對巖石電阻率影響逐漸減小，不同巖性的巖石電阻差異也隨之減小，在所有測定巖石類型中，變質巖隨溫度的變化幅度最大；PARKHOMENKO[21]進行了不同礦物成分的變質巖在200～600 ℃時電阻率測定實驗，分析了高溫高壓條件下不同巖石組的電阻率與其礦物和化學成分以及結構的關系，除此之外，分析了飽水沉積巖電阻率隨溫度、壓力的變化規(guī)律以及影響因素。從目前國內外已開展的高溫煤巖體電性測試研究來看，試驗結果并沒有達到統(tǒng)一，甚至存在分歧；另外，對于高溫煤樣的電性實驗研究甚少，現(xiàn)有高溫煤巖體電性規(guī)律認識無法有效指導煤火探測方法。

2.2 實驗裝置

實驗裝置示意如圖1。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

具體實驗步驟如下：

1）將巖樣加工成?60 mm×3.5 mm 規(guī)格圓柱體，煤樣加工成?60 mm×6 mm 圓柱體，上部扣槽2 處，規(guī)格15 mm×10 mm×1 mm，槽內涂約1 mm 厚導電銀漿，180 ℃烘干24 h 以待用。

2）將煤巖樣固定于絕緣耐高溫陶瓷管底部，凹槽內導電銀漿分別連通測試儀器正負極鎢棒，陶瓷管上部安裝紅外測溫儀，陶瓷管下部安裝可升降加熱裝置，底部靠近煤巖樣處安裝熱電偶測溫裝置。

3）升溫實驗采用高壓乙炔氧直噴巖樣方式進行，實驗前期控制加熱裝置噴火口與煤巖樣的距離，后期通過改變噴火口出氣量以控制溫度，煤樣升溫速率約為120 ℃/min，巖石樣品升溫速率約為45 ℃/min。

4）實驗時，電阻測量、溫度測量記錄自動同步進行，電阻率量程范圍0.1～220.0 MΩ，最終溫度為2 種測溫方法的平均值。

試驗流程中接觸電極由傳統(tǒng)電極片更換為涂抹導電銀漿，增加了巖樣與接觸電極的耦合性，考慮到Ag 溫度超過961.93 ℃時會融化，因此對巖樣進行精加工制作銀漿凹槽。另外，為提高煤巖樣測試溫度，加熱方式由傳統(tǒng)的電恒溫加熱裝置更改為高壓火焰直噴方式。

2.3 實驗分析

高溫煤巖體電性實驗共測試4 個煤樣，16 個巖樣。由于部分煤樣、泥巖、泥質砂巖等在烘干脫水或升溫實驗前期發(fā)生爆裂而無法進行，最終成功1 個煤樣、6 個巖樣。

2.3.1 褐 煤

褐煤升溫電阻實驗結果如圖2。

圖2 升溫褐煤電阻實驗結果Fig.2 Resistance test results of heating lignite

由于煤為可燃物的特殊性，因此要盡量縮短實驗時間，設置電阻及溫度采樣間隔均為1 s，升溫共持續(xù)7 min，而后自然冷卻至常溫，整個過程大致經歷3 個階段：

1）升溫氧化分解階段。煤樣在常溫下電阻144.4 MΩ，在升溫過程中，一方面微觀粒子熱運動增加，自由移動的載流子增多；另一方面煤中有機質發(fā)生氧化分解，含碳量逐漸增加；溫度每升高200 ℃，電阻會降低1～1.5 個數(shù)量級，達到最高溫度859.38 ℃時電阻已降低至10.9 Ω。

2）降溫氧化分解階段。降溫過程中，殘余有機物繼續(xù)發(fā)生氧化分解，當溫度降低至508.2 ℃時，有機物氧化分解完全，含碳量最高，電阻達最低點1.1 Ω，煤樣導電方式以碳元素的電子導電方式為主。

3）降溫至常溫階段。實驗降溫至常溫階段，煤樣中幾乎不存在有機物或殘余有機物不再發(fā)生分解，由于溫度的降低微觀粒子能量變弱，自由移動的載流子變少，因此煤樣電阻會隨著溫度的降低而略有升高，最終穩(wěn)定在3.7 Ω，可見煤樣升溫實驗前后電阻差異巨大。

常溫升高至300 ℃時，溫度升高是引起煤樣電阻變化的主導因素，而當溫度高于300 ℃時煤樣進入自身的激烈氧化分解階段，影響其電阻的主導因素為煤樣中的含碳量，溫度到達859.38 ℃時，煤樣的電阻下降7 個數(shù)量級，成為導體。

2.3.2 巖 石

高溫巖石電阻實驗曲線如圖3。

圖3 高溫巖石電阻實驗結果Fig.3 Resistance test results of heated rock

升溫巖石實驗巖樣有粉砂巖、細粒砂巖、中粒砂巖、粗砂巖及泥質砂巖。實驗采樣間隔為4 s，升溫過程一般持續(xù)時間20～25 min，不同巖樣的最高測試溫度941～1 107 ℃，由于電阻測試量程最大為220.0 MΩ，因此某些巖樣加熱到一定溫度才顯示電阻值。實驗過程同樣可分為3 個階段：

1）升溫電阻率急降階段。粉砂巖、細粒砂巖、中粒砂巖、粗砂巖及泥質砂巖分別由常溫升高至430、795、760、810、720 ℃過程，電阻迅速降低，溫度每升高200 ℃，電阻會降低1～2 個數(shù)量級。造巖礦物的成分和粒度影響著電阻率變化速率。

2）升溫電阻率緩降階段。溫度持續(xù)升高使巖石電阻繼續(xù)減小，但變化速率變慢，在溫度達1 000 ℃附近時，幾乎所有巖樣的電阻都在同一個數(shù)量級，整體電阻差異不大。說明此階段巖石微觀粒子熱動力能有限，打破能量勢壘變?yōu)樽杂奢d流子的數(shù)量急劇減少。

3）降溫階段。溫度由最高點降低至常溫，巖樣電阻率同樣經歷緩慢變化和急速變化2 個過程，與升溫過程基本一致。巖石微觀粒子熱動力能量變弱，巖石的電阻率逐漸升高接近于初始狀態(tài)。

2.4 高溫煤巖體實驗結果

高溫煤巖體溫變實驗測試結果見表1。

表1 高溫煤巖體溫變實驗測試結果Table 1 Temperature change test results of high temperature coal and rock

表1 中，常溫含水電阻巖樣為室溫26 ℃、空氣濕度為51%時自然巖樣電阻測量值；常溫脫水巖樣為180 ℃烘干24 h 電阻測量值，受儀器量程原因僅得到褐煤電阻數(shù)據(jù)，不同巖樣由于條件限制所達最高溫度有差異。整體來看，無論是煤還是巖石，在升溫過程中電阻都會大幅降低，巖石在降溫過程某個溫度的電阻值一般要略高于該點升溫過程電阻值，說明升溫實驗前后巖石物性是不可逆的。

3 地球物理數(shù)值模擬

地球物理數(shù)值模擬就是在假定地下介質結構模型和相應電性參數(shù)已知的情況下，模擬地電場的分布規(guī)律，并計算在地面或地下各觀測點所觀測到的數(shù)值記錄的一種模擬方法[22]。為研究煤田火區(qū)地球物理場規(guī)律及變化特征，以上節(jié)中常溫含水煤巖樣、常溫脫水煤巖樣和高溫煤巖體電性實驗結果作為瞬變電磁正反演基礎參數(shù)，同比例建立井工礦開采工作面地電場數(shù)值模型，通過數(shù)值模擬計算，還原觀測點原始模擬信號，最后對不同采集裝置、煤火不同燃燒階段以及不同煤火埋深情況下的數(shù)值模擬結果進行分析。

3.1 數(shù)值模型及參數(shù)

地 質 數(shù) 值 模 型 大 小 選 取 為1 000 m×1 000 m×400 m，TEM 測線長度800 m。采空區(qū)工作面平面投影尺寸100 m×1 000 m，煤層及采空區(qū)高度10 m，泥質砂巖、粉砂巖、細粒砂巖、中粒砂巖、褐煤、粗粒砂巖厚度依次為30、60、70、10、100、130 m，煤火發(fā)展選取常溫、500、1 000 ℃ 3 個階段，采集裝置選取定源回線及中心回線2 種裝置。瞬變電磁數(shù)值模型如圖4。

圖4 瞬變電磁數(shù)值模型Fig.4 Transient electromagnetic numerical model

3.2 數(shù)值模型結果

1）采集裝置效果分析。在煤層埋深160 m 時，TEM 不同裝置在煤未自燃及高溫煤自燃采空區(qū)情況下電壓測道曲線如圖5。定源回線裝置發(fā)射端Tx 規(guī)格為1 000 m×1 000 m，發(fā)射電流1 A，接收端Rx 探頭采用等效面積為100 m2的100 匝圓形線圈；中心回線裝置Tx 規(guī)格20 m×20 m，匝數(shù)25，發(fā)射電流1 A，Rx 等效面積100 m2。在采空區(qū)常溫階段2 種裝置異常效果均不明顯，而在煤火發(fā)展的高溫階段中心回線裝置要比定源回線裝置異常幅度大得多。

圖5 TEM 不同裝置電壓測道曲線Fig.5 Voltage trace curves of different TEM devices

2）煤火不同發(fā)展階段效果分析。瞬變電磁中心回線裝置，在煤火發(fā)展的3 個階段中心測點dt（感應電動勢）衰減曲線對比圖如圖6。在自然狀態(tài)26 ℃時煤及圍巖電阻率范圍為3.47×105～1.23×107Ω·m；煤火發(fā)展至500 ℃時，煤及圍巖電阻率要比自然狀態(tài)升高1～2 個數(shù)量級；煤火從500 ℃發(fā)展至1 000 ℃左右時幾乎所有圍巖電阻率均降低至105數(shù)量級，而煤電阻率則降低至10.9 Ω·m。前2 個階段異常差異不明顯，第3 階段異常幅值變化較大，說明由高溫煤引起的低阻異常對于TEM 響應十分明顯。

圖6 煤火不同發(fā)展階段TEM 中心回線dt 衰減曲線Fig.6 Diagram of dt attenuation curves of TEM central loop at different development stages of coal fire

3）不同采空區(qū)埋深效果分析。瞬變電磁中心回線裝置、煤火發(fā)展至1 000 ℃左右時不同煤層埋深中心測點dt 衰減曲線圖如圖7。設置煤層埋深分別為40、80、120、160、200、240 m。由圖7可以看出，隨著煤層埋深的增加，高溫火區(qū)dt 變化逐漸減小，盡管如此，其仍與煤層埋深160 m時未燃燒采空區(qū)電性差異巨大。

圖7 不同煤火埋深dt 衰減曲線圖Fig.7 Diagram of dt attenuation curves for different coal fire burial depths

4 結 論

1）煤巖體在完全脫水的情況下，電阻率均會隨著溫度的升高而減??；在自然含水情況下，升溫煤巖體電阻率會隨著含水量的減小而增大。

2）相比自然含水情況，高溫會引起煤的電阻率下降至105數(shù)量級，這種幅度的改變并不足以激發(fā)地球物理場的明顯異常響應。

3）煤在升溫過程電阻率主要受微觀粒子熱動力特征及有機物氧化分解后的含碳量2 種因素影響，在煤火發(fā)展的中后期煤變?yōu)楹紝w，含碳量為電性變化的主導因素，這種變化比高溫巖石激發(fā)的瞬變電磁異常響應幅值大得多。

4）煤的快速升溫氧化或緩慢氧化都會引起有機物的氧化分解，導致含碳量的增加，因此只要煤變?yōu)樘紝w，其相應的地球物理場異常耦合效果均會十分明顯，煤的這種特性也可以指導火災的前期地球物理預報。

5）瞬變電磁中心回線裝置對高溫煤火引起的低阻異常具有較好的耦合性，且埋深越淺，異常越明顯。