构造煤受载破坏过程电阻率响应的方向性差异特征

杨允林，张树勇，李家龙，柴 勇，毛小艺，陈德任

（1.鄂托克前旗长城五号矿业有限公司，内蒙古 鄂托克前旗016200；2.山东能源新汶矿业集团有限责任公司，山东 泰安271413；3.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南232001）

构造煤是煤层经历后期构造长期改造作用形成的，煤体结构发生明显的变化，强度较低。构造煤发育区一般均为煤与瓦斯突出危险区域，煤质普遍较为松软[1-2]。为有效预防煤与瓦斯突出，高密度直流电法技术对工作面前方进行探测，获取煤层内构造煤整体结构或应力状态的变化，能够有效识别突出危险性[3]。

构造煤在受到采动应力作用后，会发生整体结构的变形，例如煤壁外移等，此时煤层电阻率会发生显著改变[4-5]。以往研究多采用标准试样，分析受载过程中电阻率的变化规律[6-11]。虽然相关成果较为丰富，但煤层不是柱状形态的，且电阻率很难在竖直方向进行探测，这就导致相关规律难以在现场应用。因此，针对构造煤受载破坏时不同方向的电阻率变化进行研究，测试分析竖直方向和水平方向上煤体的电阻率变化规律，探索其差异性规律及机理，进而为工程现场应用提供理论指导。

1 试验方案

1.1 试验系统和试样制备

试验系统主要由加载部分和电阻率测试部分组成，试验系统示意图如图1。

图1 试验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system

加载部分采用电子万能试验机，具有全数字闭环控制、多通道采集等功能。电阻率测试部分主要包括型号为TH2822C 的LCR 数字电桥测试仪、铜片电极、绝缘垫等。通过加载部分进行构造煤的单轴压缩实验，并运用电阻率测试部分对构造煤受载破坏过程的电阻率进行实时测试。

由于构造煤是原生结构被明显破坏的煤，煤质疏松、强度较低，无法采用切割磨平的方式得到正方体试样，因此采用配比软煤开展试验。按照河砂∶水泥∶石膏粉∶煤粉∶水=3.5∶0.3∶1.0∶1.0∶1.37 的比例配制正方体试样，尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。试样配制完成后，养护28 d，保证试样能达到一定的强度。

1.2 试验步骤

试样养护结束后，开展单轴压缩试验，对试样受载破坏过程的电阻率进行实时测试，试验步骤如下：

1）为了消除测试装置对试样电阻率的影响，防止电流通过压力机进行传递，在上侧铜片电极的上方和下侧铜片电极的下方分别放置绝缘垫[12-13]。

2）在绝缘垫片与试样的上下表面之间，放置尺寸为100 mm×100 mm 的正方形铜片作为测试电极，进行竖直方向上的电阻率测试。铜片表面上均匀涂抹导电膏，以确保铜片与煤体表面的良好导电性能。在进行水平方向的电阻率测试时，试样的侧面分别放置50 mm×50 mm 的正方形铜片作为测试电极，尺寸比试样测面表面小。

3）使用导线将铜片电极与LCR 测试仪相连，使用USB 数据线将LCR 测试仪与计算机相连，同步启动压力机和电阻率采集软件进行单轴压缩过程试验数据的采集。试验采用恒定速率的位移加载方式，加载速率为1 mm/min。

2 试验结果

2.1 应力应变特征

试验结果显示，试样的抗压强度分布在0.4～0.5 MPa 的范围内，竖直方向上煤体单轴压缩过程应力-时间曲线和电阻率-时间曲线如图2，水平方向上煤体单轴压缩过程应力-时间曲线和电阻率-时间曲线如图3。图中λ 为电阻率的变化率[7]，λ=ρ/ρ0；ρ 为测试电阻率；ρ0为初始电阻率。

根据曲线变化特征，试样从加载到破坏分为4个阶段:依次为压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。具体表现为：①压密阶段：应力值缓慢上升，试样内部的孔隙、微裂隙在外力的作用下逐渐闭合，试样内部颗粒间的接触程度增加；②弹性阶段：应力值急剧上升，应力－时间曲线斜率逐渐增加（即弹性模量增加），试样内部孔隙、微裂隙完全闭合，在该阶段的后期，试样内部出现新的微小破裂；③塑性阶段：应力－时间曲线斜率逐渐降低，随着外力的不断施加，新的裂隙不断萌生，弹性阶段产生的微小破裂不断发展；④破坏阶段：应力突然下降，试样在塑性阶段发展的裂隙相互贯通形成宏观裂隙。

2.2 电阻率响应特征

与煤体受载过程相对应，试样竖直方向和水平方向上电阻率呈现出显著的变化规律，且两者存在显著的方向性差异。

1）竖直方向上煤体的电阻率响应特征。竖直方向上煤体的电阻率呈现先减小后增大的趋势，压密阶段、弹性变形阶段试块的电阻率减小至最小值，电阻率的最小值为起始值的70%～80%。进入塑性阶段后，电阻率开始缓慢回升。而进入破坏阶段后，电阻率则快速增加。

图2 竖直方向上煤体单轴压缩过程应力-时间曲线和电阻率-时间曲线Fig.2 Stress time and resistivity time curves of coal in uniaxial compression process in vertical direction

图3 水平方向上煤体单轴压缩过程应力-时间曲线和电阻率-时间曲线Fig.3 Stress time and resistivity time curves of coal in uniaxial compression process in horizontal direction

2）水平方向上煤体的电阻率响应特征。与竖直方向的电阻率变化规律显著不同，水平方向上煤体的电阻率呈现缓慢增大、快速增大和急剧增大3 个阶段。压密阶段、弹性变形阶段试块的电阻率呈现缓慢增大特征；塑性阶段，试块的电阻率开始出现快速上升的现象；进入破坏阶段后，试块的电阻率急剧增加，试块到达破坏点时的电阻率是起始值的1.5～5 倍。

综合分析竖直方向和水平方向电阻率的变化规律，发现竖直方向的电阻率变化远不如水平方向电阻率的变化幅度大，而且水平方向电阻率呈现持续增大的特征。

3 讨 论

3.1 试样破坏形态

正方体试块内呈现出多条裂纹竖向分布的特征，试样裂缝形态如图4。裂纹从试样底部向上方扩展，部分裂纹贯穿试样的上下表面。裂纹将试块分割为多个子承载面，但试块整体性仍较好。

图4 试样裂缝形态Fig.4 Crack morphology of specimen

由于试块采用配比型煤，具有较好均质性。受载面积为S0，煤体试样对外表现出的强度p 为：

式中：E 为试样的弹性模量，GPa；ε 为应变。

受载过程中试样内部产生的微裂纹不断发育和扩展，将完整的近似均匀的试块切割成n 个子承载面，子承载面上的裂隙长度可记作li。随着裂隙的出现，试块内部的受力状态不断改变。在裂隙的影响下，试块的弱化效果可用式（2）描述。

式中:σei为试块内裂隙长度为li时的应力，MPa；σ0为试验时的最大应力，MPa；Di为试块内裂隙长度为li时的损伤；σt为破坏极限，MPa。

若存在n 个承载结构到了破坏极限，此时试块强度p 变为：

式中：n 为承载结构个数；Si为第n 个承载结构的受载面积。

在外部载荷作用下，试块内部的裂纹不断发展使承载结构更易达到破坏极限，并形成较为稠密的子结构，子结构相互贯通形成复杂的破裂面。可见，在试块的受载过程中，试块被裂纹分割为多个承载结构。从宏观角度上看，多个承载结构在竖直方向呈现近似并联形态，而水平方向则呈现出近似串联的形态。

3.2 电阻率方向性差异的机制

竖直方向上试块的电阻率呈现先减小后增大的趋势，而水平方向上试块的电阻率呈现缓慢增大、快速增大、急剧增大3 个阶段。

1）压密和弹性变形阶段。外部载荷逐步增大，试块在受压方向（竖直）和非受压方向（水平）呈现不同的变形特征，并决定了不同方向上电阻率的变化规律。在受压方向，外部载荷使试块原有的孔隙被压实、压密，试块的变形线性增长，呈现弹性变形特征；孔隙的闭合使试块的导电通道明显改善，电流通过的有效截面增大；而且，由于试块内部结构变的更为致密，微观颗粒之间的距离被大幅减小，水分在中的比例相对升高，也有效改善了试块的导电通道；因此，试块竖直方向上呈现出电阻率减小的趋势。在非受压方向上，试块呈现出微小的横向变形，使试块结构在水平方向呈现疏松特征，微观颗粒之间的距离被拉大，劣化了试块的导电通道，从而使水平方向的电阻率呈现小幅增大的趋势。

2）塑性阶段。外部载荷超过试块的屈服强度，试块出现了塑性变形。试块内部微裂纹的快速发展，竖直方向上的变形迅速增大，而水平方向试块发生明显的膨胀变形，此时试块出现扩容现象。竖直方向上，试块内的微裂纹快速发展使试块被分割为n 个子承载面，承载面的破断使不同位置的有效导电面积减小，而且每个承载面之间均为高电阻率的空气，因而竖直方向上的电阻率开始出现增大趋势。水平方向上，多个子承载面呈现串联现象，但子承载面之间的间距仍较小，电阻率出现快速增大的迹象。

3）破坏阶段。试块内部结构出现崩塌，裂纹相互贯通形成大的破裂面。竖直方向上，试块电阻率仍在上升，试块被整体破坏，导电通道被大幅减少。水平方向上，由于子结构之间的间距大幅增大，导电通道被大幅切断，电阻率急剧增大，电阻率的值远大于初始值。

4 结 语

1）试块在单轴压缩过程呈现明显的方向性差异特征，竖直方向上煤体的电阻率呈现先减小后增大的趋势，而水平方向上煤体的电阻率呈现缓慢增大、快速增大和急剧增大3 个阶段。

2）试块受载过程中，会在微裂纹的作用下被分割为多个子承载面。这些子承载面之间的间距、裂隙的长度决定了试块在竖直方向和水平方向的导电通道状况，进而决定了电阻率的变化趋势。

3）通过试验结果可以发现：试块发生破坏后，竖直方向的电阻率变化远不如水平方向电阻率的变化幅度大，而且水平方向电阻率呈现持续增大的特征。在井下进行电阻率测试时，应考虑测试方向上的差异。一般而言，井下进行测试会在巷道内布置探头，此时测试的电阻率值是水平方向上的结果。如果电阻率值在不断增长，并不意味着此时肯定会出现巷道煤岩体的瞬时破坏，而应该根据电阻率值的增大程度来评价动力灾害的风险。