構造煤受載破壞過程電阻率響應的方向性差異特征

楊允林，張樹勇，李家龍，柴 勇，毛小藝，陳德任

（1.鄂托克前旗長城五號礦業有限公司，內蒙古 鄂托克前旗016200；2.山東能源新汶礦業集團有限責任公司，山東 泰安271413；3.安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南232001）

構造煤是煤層經歷后期構造長期改造作用形成的，煤體結構發生明顯的變化，強度較低。構造煤發育區一般均為煤與瓦斯突出危險區域，煤質普遍較為松軟[1-2]。為有效預防煤與瓦斯突出，高密度直流電法技術對工作面前方進行探測，獲取煤層內構造煤整體結構或應力狀態的變化，能夠有效識別突出危險性[3]。

構造煤在受到采動應力作用后，會發生整體結構的變形，例如煤壁外移等，此時煤層電阻率會發生顯著改變[4-5]。以往研究多采用標準試樣，分析受載過程中電阻率的變化規律[6-11]。雖然相關成果較為豐富，但煤層不是柱狀形態的，且電阻率很難在豎直方向進行探測，這就導致相關規律難以在現場應用。因此，針對構造煤受載破壞時不同方向的電阻率變化進行研究，測試分析豎直方向和水平方向上煤體的電阻率變化規律，探索其差異性規律及機理，進而為工程現場應用提供理論指導。

1 試驗方案

1.1 試驗系統和試樣制備

試驗系統主要由加載部分和電阻率測試部分組成，試驗系統示意圖如圖1。

圖1 試驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

加載部分采用電子萬能試驗機，具有全數字閉環控制、多通道采集等功能。電阻率測試部分主要包括型號為TH2822C 的LCR 數字電橋測試儀、銅片電極、絕緣墊等。通過加載部分進行構造煤的單軸壓縮實驗，并運用電阻率測試部分對構造煤受載破壞過程的電阻率進行實時測試。

由于構造煤是原生結構被明顯破壞的煤，煤質疏松、強度較低，無法采用切割磨平的方式得到正方體試樣，因此采用配比軟煤開展試驗。按照河砂∶水泥∶石膏粉∶煤粉∶水=3.5∶0.3∶1.0∶1.0∶1.37 的比例配制正方體試樣，尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。試樣配制完成后，養護28 d，保證試樣能達到一定的強度。

1.2 試驗步驟

試樣養護結束后，開展單軸壓縮試驗，對試樣受載破壞過程的電阻率進行實時測試，試驗步驟如下：

1）為了消除測試裝置對試樣電阻率的影響，防止電流通過壓力機進行傳遞，在上側銅片電極的上方和下側銅片電極的下方分別放置絕緣墊[12-13]。

2）在絕緣墊片與試樣的上下表面之間，放置尺寸為100 mm×100 mm 的正方形銅片作為測試電極，進行豎直方向上的電阻率測試。銅片表面上均勻涂抹導電膏，以確保銅片與煤體表面的良好導電性能。在進行水平方向的電阻率測試時，試樣的側面分別放置50 mm×50 mm 的正方形銅片作為測試電極，尺寸比試樣測面表面小。

3）使用導線將銅片電極與LCR 測試儀相連，使用USB 數據線將LCR 測試儀與計算機相連，同步啟動壓力機和電阻率采集軟件進行單軸壓縮過程試驗數據的采集。試驗采用恒定速率的位移加載方式，加載速率為1 mm/min。

2 試驗結果

2.1 應力應變特征

試驗結果顯示，試樣的抗壓強度分布在0.4～0.5 MPa 的范圍內，豎直方向上煤體單軸壓縮過程應力-時間曲線和電阻率-時間曲線如圖2，水平方向上煤體單軸壓縮過程應力-時間曲線和電阻率-時間曲線如圖3。圖中λ 為電阻率的變化率[7]，λ=ρ/ρ0；ρ 為測試電阻率；ρ0為初始電阻率。

根據曲線變化特征，試樣從加載到破壞分為4個階段:依次為壓密階段、彈性階段、塑性階段和破壞階段。具體表現為：①壓密階段：應力值緩慢上升，試樣內部的孔隙、微裂隙在外力的作用下逐漸閉合，試樣內部顆粒間的接觸程度增加；②彈性階段：應力值急劇上升，應力－時間曲線斜率逐漸增加（即彈性模量增加），試樣內部孔隙、微裂隙完全閉合，在該階段的后期，試樣內部出現新的微小破裂；③塑性階段：應力－時間曲線斜率逐漸降低，隨著外力的不斷施加，新的裂隙不斷萌生，彈性階段產生的微小破裂不斷發展；④破壞階段：應力突然下降，試樣在塑性階段發展的裂隙相互貫通形成宏觀裂隙。

2.2 電阻率響應特征

與煤體受載過程相對應，試樣豎直方向和水平方向上電阻率呈現出顯著的變化規律，且兩者存在顯著的方向性差異。

1）豎直方向上煤體的電阻率響應特征。豎直方向上煤體的電阻率呈現先減小后增大的趨勢，壓密階段、彈性變形階段試塊的電阻率減小至最小值，電阻率的最小值為起始值的70%～80%。進入塑性階段后，電阻率開始緩慢回升。而進入破壞階段后，電阻率則快速增加。

圖2 豎直方向上煤體單軸壓縮過程應力-時間曲線和電阻率-時間曲線Fig.2 Stress time and resistivity time curves of coal in uniaxial compression process in vertical direction

圖3 水平方向上煤體單軸壓縮過程應力-時間曲線和電阻率-時間曲線Fig.3 Stress time and resistivity time curves of coal in uniaxial compression process in horizontal direction

2）水平方向上煤體的電阻率響應特征。與豎直方向的電阻率變化規律顯著不同，水平方向上煤體的電阻率呈現緩慢增大、快速增大和急劇增大3 個階段。壓密階段、彈性變形階段試塊的電阻率呈現緩慢增大特征；塑性階段，試塊的電阻率開始出現快速上升的現象；進入破壞階段后，試塊的電阻率急劇增加，試塊到達破壞點時的電阻率是起始值的1.5～5 倍。

綜合分析豎直方向和水平方向電阻率的變化規律，發現豎直方向的電阻率變化遠不如水平方向電阻率的變化幅度大，而且水平方向電阻率呈現持續增大的特征。

3 討 論

3.1 試樣破壞形態

正方體試塊內呈現出多條裂紋豎向分布的特征，試樣裂縫形態如圖4。裂紋從試樣底部向上方擴展，部分裂紋貫穿試樣的上下表面。裂紋將試塊分割為多個子承載面，但試塊整體性仍較好。

圖4 試樣裂縫形態Fig.4 Crack morphology of specimen

由于試塊采用配比型煤，具有較好均質性。受載面積為S0，煤體試樣對外表現出的強度p 為：

式中：E 為試樣的彈性模量，GPa；ε 為應變。

受載過程中試樣內部產生的微裂紋不斷發育和擴展，將完整的近似均勻的試塊切割成n 個子承載面，子承載面上的裂隙長度可記作li。隨著裂隙的出現，試塊內部的受力狀態不斷改變。在裂隙的影響下，試塊的弱化效果可用式（2）描述。

式中:σei為試塊內裂隙長度為li時的應力，MPa；σ0為試驗時的最大應力，MPa；Di為試塊內裂隙長度為li時的損傷；σt為破壞極限，MPa。

若存在n 個承載結構到了破壞極限，此時試塊強度p 變為：

式中：n 為承載結構個數；Si為第n 個承載結構的受載面積。

在外部載荷作用下，試塊內部的裂紋不斷發展使承載結構更易達到破壞極限，并形成較為稠密的子結構，子結構相互貫通形成復雜的破裂面。可見，在試塊的受載過程中，試塊被裂紋分割為多個承載結構。從宏觀角度上看，多個承載結構在豎直方向呈現近似并聯形態，而水平方向則呈現出近似串聯的形態。

3.2 電阻率方向性差異的機制

豎直方向上試塊的電阻率呈現先減小后增大的趨勢，而水平方向上試塊的電阻率呈現緩慢增大、快速增大、急劇增大3 個階段。

1）壓密和彈性變形階段。外部載荷逐步增大，試塊在受壓方向（豎直）和非受壓方向（水平）呈現不同的變形特征，并決定了不同方向上電阻率的變化規律。在受壓方向，外部載荷使試塊原有的孔隙被壓實、壓密，試塊的變形線性增長，呈現彈性變形特征；孔隙的閉合使試塊的導電通道明顯改善，電流通過的有效截面增大；而且，由于試塊內部結構變的更為致密，微觀顆粒之間的距離被大幅減小，水分在中的比例相對升高，也有效改善了試塊的導電通道；因此，試塊豎直方向上呈現出電阻率減小的趨勢。在非受壓方向上，試塊呈現出微小的橫向變形，使試塊結構在水平方向呈現疏松特征，微觀顆粒之間的距離被拉大，劣化了試塊的導電通道，從而使水平方向的電阻率呈現小幅增大的趨勢。

2）塑性階段。外部載荷超過試塊的屈服強度，試塊出現了塑性變形。試塊內部微裂紋的快速發展，豎直方向上的變形迅速增大，而水平方向試塊發生明顯的膨脹變形，此時試塊出現擴容現象。豎直方向上，試塊內的微裂紋快速發展使試塊被分割為n 個子承載面，承載面的破斷使不同位置的有效導電面積減小，而且每個承載面之間均為高電阻率的空氣，因而豎直方向上的電阻率開始出現增大趨勢。水平方向上，多個子承載面呈現串聯現象，但子承載面之間的間距仍較小，電阻率出現快速增大的跡象。

3）破壞階段。試塊內部結構出現崩塌，裂紋相互貫通形成大的破裂面。豎直方向上，試塊電阻率仍在上升，試塊被整體破壞，導電通道被大幅減少。水平方向上，由于子結構之間的間距大幅增大，導電通道被大幅切斷，電阻率急劇增大，電阻率的值遠大于初始值。

4 結 語

1）試塊在單軸壓縮過程呈現明顯的方向性差異特征，豎直方向上煤體的電阻率呈現先減小后增大的趨勢，而水平方向上煤體的電阻率呈現緩慢增大、快速增大和急劇增大3 個階段。

2）試塊受載過程中，會在微裂紋的作用下被分割為多個子承載面。這些子承載面之間的間距、裂隙的長度決定了試塊在豎直方向和水平方向的導電通道狀況，進而決定了電阻率的變化趨勢。

3）通過試驗結果可以發現：試塊發生破壞后，豎直方向的電阻率變化遠不如水平方向電阻率的變化幅度大，而且水平方向電阻率呈現持續增大的特征。在井下進行電阻率測試時，應考慮測試方向上的差異。一般而言，井下進行測試會在巷道內布置探頭，此時測試的電阻率值是水平方向上的結果。如果電阻率值在不斷增長，并不意味著此時肯定會出現巷道煤巖體的瞬時破壞，而應該根據電阻率值的增大程度來評價動力災害的風險。