王恩元,陈 鹏,李忠辉,沈荣喜,徐剑坤,朱亚飞

(1．中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221116;2．中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室,江苏徐州 221116;3．华北科技学院安全工程学院,北京 101601;4．中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221116)

受载煤体全应力-应变过程电阻率响应规律

王恩元1,2,陈 鹏3,李忠辉1,2,沈荣喜1,2,徐剑坤4,朱亚飞1,2

(1．中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221116;2．中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室,江苏徐州 221116;3．华北科技学院安全工程学院,北京 101601;4．中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221116)

为了研究煤体变形破坏过程电阻率变化特征,利用自建的受载煤体电阻率实时测试系统,对单轴压缩过程煤体应力、应变及电阻率进行了测试,分析了全应力-应变不同阶段煤体电阻率响应规律及变化机制。研究结果表明:煤体全应力-应变过程中,扩容现象发生时电阻率变化趋势出现突变,由下降转为上升,呈不规则“V”字形变化;在扩容发生前的压密阶段和弹性阶段,电阻率的变化由孔隙裂隙的闭合及应力作用决定,扩容的发生使得煤体在塑性阶段电阻率总是呈上升趋势,煤体进入破坏阶段后电阻率进一步上升。通过对煤体电阻率进行连续实时监测,可将电阻率变化规律作为前兆信息,以反映煤体失稳破坏前的扩容突变现象。

电阻率;应力-应变;扩容;前兆信息

在煤岩动力灾害的孕育和发展过程中,随着煤岩体的变形和破坏,存在多种物理力学响应[1-2],电阻率是其中的一个重要参数,电阻率的差异性是进行电法勘探的物性前提[3-4]。对受载煤体变形破坏过程电阻率的变化规律进行研究,有助于深入认识煤岩动力灾害的演化过程,对电法勘探技术在煤矿中的应用及其在煤岩动力灾害预测预报中的应用具有重要的理论和现实意义。

在采掘过程中,煤岩体始终处于受载状态,应力的作用会使煤岩体发生变形和破坏,从而会改变煤岩体的电性特征,因此一些学者对受载煤体的电阻率特征进行了研究。文光才[5]对不同煤样在不同应力水平的电阻率进行了测试;李忠辉[6]对大尺度煤体进行了单轴压缩电阻率测试实验;刘贞堂等[7]对干燥和湿润两种煤样单轴压缩过程中的电阻率进行了对比分析;王云刚等[8-9]研究了构造软煤(型煤)、原生结构煤单轴压缩条件下的电阻率特征,并对具有冲击倾向性的煤体进行了单轴压缩电阻率测试实验[10];陈鹏等[11]研究了不同导电特性煤体在不同加载方式下电阻率的变化规律。

前人的研究多集中于煤体电阻率变化的整体特征,对煤体变形破坏不同阶段电阻率变化规律及响应机制还有待于深入分析,一般认为是“破裂”引起了电阻率的变化,而实际上在主破裂发生之前,扩容现象的出现就已使得煤岩体结构发生质的变化,因此对扩容现象引起的电阻率的响应规律进行深入挖掘具有十分重要的意义。笔者通过建立受载煤体电阻率测试系统,测试分析煤体全应力-应变过程电阻率响应规律与机制,挖掘扩容现象引起的电阻率变化前兆信息,以期为电阻率法预测预报煤岩动力灾害奠定基础。

1 实 验

1.1 实验系统

实验系统由加载系统、电阻率测试系统和变形测量系统组成(图1)。加载系统采用WAW-600微机控制电液伺服万能压力试验机,由试验机主机、伺服油源、全数字测控器、计算机系统等组成;电阻率测试系统使用美国Agilent U1733C LCR测试仪,与PC连接后可利用自带软件连续采集数据。变形测量系统由Epsilon 3542RA轴向引伸计和 Epsilon 3544径向引伸计组成。

1.2 试样制备

图1 受载煤体电阻率实时测试系统示意Fig．1 Schematic diagram of loaded coal resistivity real-time testing system

实验中所需煤样分别来自兴安煤矿、城郊煤矿和寺家庄煤矿,将井下取得的大块煤样直接加工成ϕ50 mm×100 mm的标准试样,保持煤样两端表面平整、光滑,端面平整度误差小于0．02 mm,以利于和压机接头接触。对加工成的试件进行严格的筛选:①剔除表面有明显破损及可见裂纹的试件;② 剔除尺寸及平整度不符合要求的试件。为保证试验结果的可比性,岩样在同一块顶板岩石的同一面上密集套钻取得。将铜片电极与端面之间用导电胶进行耦合。单轴压缩加载速率为0．1 mm/min。

根据LCR测试仪的工作原理,将测定的电阻值通过以下公式换算成实验样品的电阻率,有

式中,Z为阻抗值,Ω;θ为相位角,(°);ρ为电阻率, Ω·m;R为电阻,Ω;S为试样的横截面积,m2;L为试样长度,m。

为了便于实验结果分析,对煤样基本参数进行了测定,测定结果见表1。

表1 实验煤样基本参数Table 1 Basic parameters of coal samples

2 结果与讨论

2.1 煤体全应力-应变曲线测试

在煤岩力学性质的研究中,应力-应变曲线可以很好地描述煤岩体的变形破坏过程。典型煤岩全应力-应变曲线如图2所示,图中εd,εl和εV分别代表试件径向应变、轴向应变和体积应变。根据应力-应变曲线的变化特征,将煤岩从加载到破坏分为几个具有不同特征的阶段[12],Ⅰ～Ⅳ分别为压密阶段(OA段)、弹性阶段(AB段)、塑性阶段(BC段)和破坏阶段(CD段),各阶段均伴随着煤体孔隙裂隙结构的演化。在体积应变曲线中,扩容点处切线斜率为无穷大(dσ/dε=∞),是εV曲线的拐点,在εl-σ曲线中,B点处切线斜率偏离曲线方向并逐渐减小,说明煤体由弹性变形向塑性变形转化,此时试件由体积压缩转为扩容。

图2 典型煤岩体全应力-应变曲线Fig．2 Complete stress-strain curves of typical coal and rock mass

利用变形测量系统对实验煤样的全应力-应变曲线进行了测试(图3),可以看出,不同煤样所表现出的应力-应变关系各不相同。根据应力-应变曲线的特征,确定了各实验煤样扩容点对应的应力水平值(表2),均分布在66%σmax～87%σmax,此时煤体达到屈服极限,开始由弹性阶段向塑性阶段转变,直至达到应力峰值σmax发生宏观破裂。

图3 实验煤样的典型全应力-应变曲线Fig．3 Typical complete stress-strain curves of experimental coal samples

2.2 煤体全应力-应变过程电阻率变化规律

为了便于研究电阻率的变化规律,引入参数λ来表示电阻率的变化幅度:

式中,ρ0为初始电阻率,Ω·m。

表2 实验煤样扩容点应力水平汇总Table 2 The stress level of diliation point of experimental coal samples

当λ＞1时,λ越大,电阻率上升幅度越大;当λ＜1时,λ越小,电阻率减小幅度越大。选取具有代表性的煤样进行绘制全应力应变过程λ变化图(图4)。

兴安煤矿煤样电阻率变化整体上呈现“波动下降—突变上升—波动上升—加速上升”的特点,2号样和5号样λ分别在86%σmax和79%σmax处由下降趋势转为上升趋势,之后λ呈波动上升状态,应力峰值σmax过后载荷出现突降,说明煤体发生了主破裂,此时λ最大上升至4。

城郊煤矿煤样电阻率变化整体上呈现“缓慢下降—突降—突变上升—加速上升”的特点,在加载初期电阻率波动较强烈,经缓慢下降后发生突降,在突降之后经历短时间的波动,1号和2号煤样分别在78%σmax和71%σmax处λ突然上升,加载后期随着煤体的破裂,λ持续上升至1．81。

寺家庄煤矿煤样电阻率变化整体上呈现“平缓下降—突变上升—加速上升”的特点,在加载初期λ曲线比较平缓,1号和3号煤样分别在71%σmax和75%σmax处电阻率由下降转为上升,且上升速度明显加快,应力峰值σmax过后λ迅速上升,最大值为1．6。

整体来看,实验煤样电阻率变化规律均为先降后升型,虽然存在一定的差异性,但总体上都呈不规则“V”字形变化。通过实验发现,所有实验煤样λ拐点处对应的应力水平都不是应力峰值σmax处,而是在σmax之前,结合2．1节中的全应力-应变实验可知,该应力水平处即为煤体变形破坏过程中的扩容点。

需要说明的是,全应力-应变实验过程中,试样径向应变和轴向应变的发展导致横截面积S和试样长度L都处于动态变化中,但是从图3可知,试样的径向应变和轴向应变均较小,因此煤体电阻率按照式(2)进行计算时,仍按照标准试样ϕ50 mm×100 mm进行取值。取各试样应力峰值时刻的应变值进行误差计算,发现式(2)中S/L实际值比计算值分别大6．6%(兴安煤矿煤样),2．0%(城郊煤矿煤样), 4．5%(寺家庄煤矿煤样),该误差较小,不影响本文问题的分析。在国内对煤体电阻率的研究中[5,7-11],也多对该误差进行了忽略。

图4 实验煤样全应力应变过程λ变化曲线Fig．4 λ variation curves of experimental coal samples during complete stress-strain process

2.3 全应力-应变不同阶段电阻率响应机制

对受载煤体全应力-应变过程可分为4个阶段进行分析:

(1)压密阶段(Ⅰ):煤体试件中含有大量的孔隙和裂隙,试件受载压缩后,原有的张开性微裂隙在受压方向逐渐闭合,孔隙也出现一定程度的压缩闭合,试件体积减小。

该阶段内由于孔隙裂隙的闭合作用,煤体导电通道接触更加良好,原有的张开性裂隙受闭合作用还可能会形成新的导电通道,这种作用就相当于多个导电通道并联,电流流经的截面积增大,因此电流的导通变得容易,使得煤体整体的电阻减小。

(2)弹性阶段(Ⅱ):孔隙和微裂隙已完全闭合,随着载荷增加,其变形基本上按比例增长,试件呈弹性性质。试件体积压缩速率减慢,整体上仍属于压缩变形阶段。

该阶段内孔隙裂隙已完全闭合,主要为应力作用于煤体,根据电介质物理学理论[13],固体介质的导电按照载流子的不同类型,可分为离子导电和电子导电,煤作为一种高阻体,所有的煤均存在电子导电,且大部分煤体都以电子导电为主。煤体在应力的作用下,分子间的电子云发生重叠,电子在分子间的迁移率增加,使得电子导电率上升,电阻率下降[14]。可见,本文中实验所用试样均为电子导电型煤体,对于离子导电型煤体本文不予讨论。

根据电介质物理学中固体导电理论,固体介质电阻率ρ′随应力σ的变化关系[13]一般可写为

式中,a,b为系数。

文光才[5]、陈鹏[15]通过大量的实验发现,煤体电阻率随应力升高还会呈线性、二次式、三次式等形式变化,说明由于煤体结构的复杂性,电阻率随应力的变化形式也呈现多样性。

在Ⅰ和Ⅱ两个阶段中,煤样内部结构的变化导致颗粒之间接触更加紧密,孔隙体积缩小,水分所占比例相对增加,局部形成饱和状态,电阻率减小[7]。另外,水分进入到新形成的孔隙中,在孔隙中形成新的导电通路,使导电性增强,电阻率下降[7]。

(3)塑性阶段(Ⅲ):试件超过屈服极限后,煤体由弹性变形向塑性变形转化,此时微破裂发生了质的变化,剪切破裂发生,轴向应变和体积应变速率迅速增大,煤体发生膨胀变形,试件由体积压缩转为扩容。

扩容是由于试件内微破裂的形成和扩张所致,扩容现象的发生使得煤体电阻率出现拐点,即电阻率发生了由下降到上升的转变。在该阶段内,煤体结构的演化对导电通道起主要作用,煤体发生体积膨胀的同时,导电通道也受到破坏,从而引起电阻率上升,此时与煤体的导电特性无关。

(4)破坏阶段(Ⅳ):试件通过应力峰值后,其内部结构遭到破坏,裂隙快速发展并交叉汇合成宏观断裂面,试件变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移。

该阶段内煤体电阻率继续呈上升趋势,且由于煤体在宏观上遭到破坏,极大地切断了煤体导电通道,因此电阻率上升速率加快,最终电阻率值一般远大于加载前的初始值。

2.4 电阻率突变前兆信息的工程意义

从上述实验和分析可知,扩容发生前,煤体电阻率呈持续下降趋势,但扩容发生时电阻率均会出现突变现象而转为上升趋势,应力峰值过后,电阻率进一步上升。本文测得的扩容点应力水平在66%σmax～87%σmax,都处于煤体失稳破坏之前。根据煤体电阻率与应力应变过程的关系,可建立煤体扩容-电阻率模型(图5),模型描述了煤体全应力-应变过程中电阻率的响应规律,强调了扩容现象引起的电阻率变化趋势的转变,因此可根据此模型,将电阻率变化规律作为前兆信息,对煤体失稳破坏进行提前预警。

图5 煤体扩容-电阻率模型Fig．5 Dilatation-resistivity model of coal mass

根据煤体应力状态,在采掘工作面前方,依次存在着卸压区(层裂区)、应力集中区(塑性区)和原始应力区(弹性区)3个区域[16]。在卸压区煤体已发生屈服,煤体内部形成了大量的裂隙,由卸压区到应力集中区,应力越来越高。随着工作面的推进,煤体不断由弹性体变为塑性体,并形成一个缓冲带,当缓冲带不足以阻止煤体内部的能量释放时,高应力区的煤体由弹性阶段发展到扩容突变阶段[17],弹性能得到大量释放,这种效应会造成巷道煤岩体的瞬时破坏,形成冲击地压、瓦斯突出或者压出等灾害。

根据本文实验结果,由于煤体发生扩容时电阻率均会产生突变现象,因此,若利用电阻率法对采掘空间煤体进行连续性监测,当观测到电阻率出现突变时,说明受载煤体内部结构也开始发生了重大变化,煤体可能出现扩容突变继而释放大量的能量,此时可对动力灾害提前作出预警,避免动力灾害造成的伤亡和损失。

3 结 论

(1)煤体全应力-应变过程中,电阻率经历了由下降到上升的过程,呈不规则“V”字形变化,电阻率发生突变的拐点处即为煤体的扩容点处,本文实验煤样扩容应力水平在66%σmax～87%σmax。

(2)全应力应变过程不同阶段煤体电阻率的演化机制也不同:在压密阶段,电阻率的变化取决于孔隙裂隙的闭合作用;在弹性阶段,电阻率的变化取决于应力对煤体的作用;扩容的发生使得电阻率由下降转为上升趋势,因此在塑性阶段电阻率总是呈上升趋势;应力峰值过后煤体进入破坏阶段,宏观裂隙的汇合和贯通导致煤体电阻率进一步上升。

(3)煤体的扩容突变是动力灾害发生前的主要显现,通过对采掘空间煤体电阻率进行连续实时监测,可将电阻率的变化规律作为前兆信息,对煤岩动力灾害进行监测预警。注意到这一点,对用电阻率法分析受载煤体变形破坏过程及对煤岩动力灾害的预测预报具有重要的指导作用,同时对地震前兆、隧(巷)道中的围岩大变形等研究也具有借鉴作用。

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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 责任编辑:韩晋平

国家“十二五”科技支撑计划资助项目(2012BAK04B07,2012BAK09B01)

王恩元(1968—),男,内蒙古卓资人,教授,博士生导师。Tel:0516-83884695,E-mail:weytop@cumt．edu．cn。通讯作者:陈 鹏(1984—),男,河南永城人,讲师,博士。E-mail:chp1986525@163．com

王恩元,陈 鹏,李忠辉,等．受载煤体全应力-应变过程电阻率响应规律[J]．煤炭学报,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