構(gòu)造煤受載破壞過程電阻率響應(yīng)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(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂托克前旗016200；2.山東能源新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 泰安271413；3.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南232001）

構(gòu)造煤是煤層經(jīng)歷后期構(gòu)造長期改造作用形成的，煤體結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變化，強(qiáng)度較低。構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)一般均為煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)域，煤質(zhì)普遍較為松軟[1-2]。為有效預(yù)防煤與瓦斯突出，高密度直流電法技術(shù)對工作面前方進(jìn)行探測，獲取煤層內(nèi)構(gòu)造煤整體結(jié)構(gòu)或應(yīng)力狀態(tài)的變化，能夠有效識別突出危險(xiǎn)性[3]。

構(gòu)造煤在受到采動應(yīng)力作用后，會發(fā)生整體結(jié)構(gòu)的變形，例如煤壁外移等，此時(shí)煤層電阻率會發(fā)生顯著改變[4-5]。以往研究多采用標(biāo)準(zhǔn)試樣，分析受載過程中電阻率的變化規(guī)律[6-11]。雖然相關(guān)成果較為豐富，但煤層不是柱狀形態(tài)的，且電阻率很難在豎直方向進(jìn)行探測，這就導(dǎo)致相關(guān)規(guī)律難以在現(xiàn)場應(yīng)用。因此，針對構(gòu)造煤受載破壞時(shí)不同方向的電阻率變化進(jìn)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(guī)律，探索其差異性規(guī)律及機(jī)理，進(jìn)而為工程現(xiàn)場應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)和試樣制備

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由加載部分和電阻率測試部分組成，試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

加載部分采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)，具有全數(shù)字閉環(huán)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(shù)字電橋測試儀、銅片電極、絕緣墊等。通過加載部分進(jìn)行構(gòu)造煤的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，并運(yùn)用電阻率測試部分對構(gòu)造煤受載破壞過程的電阻率進(jìn)行實(shí)時(shí)測試。

由于構(gòu)造煤是原生結(jié)構(gòu)被明顯破壞的煤，煤質(zhì)疏松、強(qiáng)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(yàn)。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(yǎng)護(hù)28 d，保證試樣能達(dá)到一定的強(qiáng)度。

1.2 試驗(yàn)步驟

試樣養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，開展單軸壓縮試驗(yàn)，對試樣受載破壞過程的電阻率進(jìn)行實(shí)時(shí)測試，試驗(yàn)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(jī)進(jìn)行傳遞，在上側(cè)銅片電極的上方和下側(cè)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(jìn)行豎直方向上的電阻率測試。銅片表面上均勻涂抹導(dǎo)電膏，以確保銅片與煤體表面的良好導(dǎo)電性能。在進(jìn)行水平方向的電阻率測試時(shí)，試樣的側(cè)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(dǎo)線將銅片電極與LCR 測試儀相連，使用USB 數(shù)據(jù)線將LCR 測試儀與計(jì)算機(jī)相連，同步啟動壓力機(jī)和電阻率采集軟件進(jìn)行單軸壓縮過程試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。試驗(yàn)采用恒定速率的位移加載方式，加載速率為1 mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 應(yīng)力應(yīng)變特征

試驗(yàn)結(jié)果顯示，試樣的抗壓強(qiáng)度分布在0.4～0.5 MPa 的范圍內(nèi)，豎直方向上煤體單軸壓縮過程應(yīng)力-時(shí)間曲線和電阻率-時(shí)間曲線如圖2，水平方向上煤體單軸壓縮過程應(yīng)力-時(shí)間曲線和電阻率-時(shí)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(jù)曲線變化特征，試樣從加載到破壞分為4個(gè)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(xiàn)為：①壓密階段：應(yīng)力值緩慢上升，試樣內(nèi)部的孔隙、微裂隙在外力的作用下逐漸閉合，試樣內(nèi)部顆粒間的接觸程度增加；②彈性階段：應(yīng)力值急劇上升，應(yīng)力－時(shí)間曲線斜率逐漸增加（即彈性模量增加），試樣內(nèi)部孔隙、微裂隙完全閉合，在該階段的后期，試樣內(nèi)部出現(xiàn)新的微小破裂；③塑性階段：應(yīng)力－時(shí)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(chǎn)生的微小破裂不斷發(fā)展；④破壞階段：應(yīng)力突然下降，試樣在塑性階段發(fā)展的裂隙相互貫通形成宏觀裂隙。

2.2 電阻率響應(yīng)特征

與煤體受載過程相對應(yīng)，試樣豎直方向和水平方向上電阻率呈現(xiàn)出顯著的變化規(guī)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(yīng)特征。豎直方向上煤體的電阻率呈現(xiàn)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(jìn)入塑性階段后，電阻率開始緩慢回升。而進(jìn)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(yīng)力-時(shí)間曲線和電阻率-時(shí)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(yīng)力-時(shí)間曲線和電阻率-時(shí)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(yīng)特征。與豎直方向的電阻率變化規(guī)律顯著不同，水平方向上煤體的電阻率呈現(xiàn)緩慢增大、快速增大和急劇增大3 個(gè)階段。壓密階段、彈性變形階段試塊的電阻率呈現(xiàn)緩慢增大特征；塑性階段，試塊的電阻率開始出現(xiàn)快速上升的現(xiàn)象；進(jìn)入破壞階段后，試塊的電阻率急劇增加，試塊到達(dá)破壞點(diǎn)時(shí)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(guī)律，發(fā)現(xiàn)豎直方向的電阻率變化遠(yuǎn)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(xiàn)持續(xù)增大的特征。

3 討 論

3.1 試樣破壞形態(tài)

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

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

由于試塊采用配比型煤，具有較好均質(zhì)性。受載面積為S0，煤體試樣對外表現(xiàn)出的強(qiáng)度p 為：

式中：E 為試樣的彈性模量，GPa；ε 為應(yīng)變。

受載過程中試樣內(nèi)部產(chǎn)生的微裂紋不斷發(fā)育和擴(kuò)展，將完整的近似均勻的試塊切割成n 個(gè)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(xiàn)，試塊內(nèi)部的受力狀態(tài)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(nèi)裂隙長度為li時(shí)的應(yīng)力，MPa；σ0為試驗(yàn)時(shí)的最大應(yīng)力，MPa；Di為試塊內(nèi)裂隙長度為li時(shí)的損傷；σt為破壞極限，MPa。

若存在n 個(gè)承載結(jié)構(gòu)到了破壞極限，此時(shí)試塊強(qiáng)度p 變?yōu)椋?/p>

式中：n 為承載結(jié)構(gòu)個(gè)數(shù)；Si為第n 個(gè)承載結(jié)構(gòu)的受載面積。

在外部載荷作用下，試塊內(nèi)部的裂紋不斷發(fā)展使承載結(jié)構(gòu)更易達(dá)到破壞極限，并形成較為稠密的子結(jié)構(gòu)，子結(jié)構(gòu)相互貫通形成復(fù)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(gè)承載結(jié)構(gòu)。從宏觀角度上看，多個(gè)承載結(jié)構(gòu)在豎直方向呈現(xiàn)近似并聯(lián)形態(tài)，而水平方向則呈現(xiàn)出近似串聯(lián)的形態(tài)。

3.2 電阻率方向性差異的機(jī)制

豎直方向上試塊的電阻率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，而水平方向上試塊的電阻率呈現(xiàn)緩慢增大、快速增大、急劇增大3 個(gè)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(xiàn)不同的變形特征，并決定了不同方向上電阻率的變化規(guī)律。在受壓方向，外部載荷使試塊原有的孔隙被壓實(shí)、壓密，試塊的變形線性增長，呈現(xiàn)彈性變形特征；孔隙的閉合使試塊的導(dǎo)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(dǎo)電通道；因此，試塊豎直方向上呈現(xiàn)出電阻率減小的趨勢。在非受壓方向上，試塊呈現(xiàn)出微小的橫向變形，使試塊結(jié)構(gòu)在水平方向呈現(xiàn)疏松特征，微觀顆粒之間的距離被拉大，劣化了試塊的導(dǎo)電通道，從而使水平方向的電阻率呈現(xiàn)小幅增大的趨勢。

2）塑性階段。外部載荷超過試塊的屈服強(qiáng)度，試塊出現(xiàn)了塑性變形。試塊內(nèi)部微裂紋的快速發(fā)展，豎直方向上的變形迅速增大，而水平方向試塊發(fā)生明顯的膨脹變形，此時(shí)試塊出現(xiàn)擴(kuò)容現(xiàn)象。豎直方向上，試塊內(nèi)的微裂紋快速發(fā)展使試塊被分割為n 個(gè)子承載面，承載面的破斷使不同位置的有效導(dǎo)電面積減小，而且每個(gè)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(xiàn)增大趨勢。水平方向上，多個(gè)子承載面呈現(xiàn)串聯(lián)現(xiàn)象，但子承載面之間的間距仍較小，電阻率出現(xiàn)快速增大的跡象。

3）破壞階段。試塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)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(dǎo)電通道被大幅減少。水平方向上，由于子結(jié)構(gòu)之間的間距大幅增大，導(dǎo)電通道被大幅切斷，電阻率急劇增大，電阻率的值遠(yuǎn)大于初始值。

4 結(jié) 語

1）試塊在單軸壓縮過程呈現(xiàn)明顯的方向性差異特征，豎直方向上煤體的電阻率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，而水平方向上煤體的電阻率呈現(xiàn)緩慢增大、快速增大和急劇增大3 個(gè)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(gè)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(dǎo)電通道狀況，進(jìn)而決定了電阻率的變化趨勢。

3）通過試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：試塊發(fā)生破壞后，豎直方向的電阻率變化遠(yuǎn)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(xiàn)持續(xù)增大的特征。在井下進(jìn)行電阻率測試時(shí)，應(yīng)考慮測試方向上的差異。一般而言，井下進(jìn)行測試會在巷道內(nèi)布置探頭，此時(shí)測試的電阻率值是水平方向上的結(jié)果。如果電阻率值在不斷增長，并不意味著此時(shí)肯定會出現(xiàn)巷道煤巖體的瞬時(shí)破壞，而應(yīng)該根據(jù)電阻率值的增大程度來評價(jià)動力災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。