煤体复电性频散响应实验研究_孟慧.pdf

第 48 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.4 2020 年 8 月 COAL GEOLOGY 2. Collabora- tive Innovation Center of Central Plains Economic Region for Coalbed/Shale Gas, Henan Province, Jiaozuo 454003, China Abstract In order to study the characteristics of frequency dispersion response of the composite electrical proper- ties of coal, the real part R and imaginary part X of the composite resistance of coal body at different direction in different measured areas were measured, the frequency dispersion characteristics were analyzed, different classical models were used to conduct data inversion and comparison . The results show that the composite electrical prop- erty parametersabsolute value of R and X of coal are inversely proportional to the measured area, the characteris- tic frequency points are not offset, the X-frequency divergence decreases with the increase of measurement area; for the same measured area, the frequency dispersion response of the composite electrical property of coal at different direction is different, the frequency dispersion of the composite electrical curve deviates, the frequency dispersion of X parallel to coal bedding is greater than that vertical to bedding ; Debye model and Cole-Cole model can be used to fit the dispersion curve of the composite electrical property of coal, but the er model has simple pa- rameters and clear physical meaning, and coincides well the composite electrical frequency dispersion curve of coal. This study provides an experimental basis for monitoring the seam crack and uating coal seam permeability by the uation of the composite electrical property. Keywords composite resistance; measurement area; measurement direction; composite resistance model 在煤炭开采过程中，瓦斯治理问题始终被密切关注[1]。煤作为一种多孔隙结构介质，其渗透能力 ChaoXing 第 4 期 孟慧等 煤体复电性频散响应实验研究 227 直接影响瓦斯抽采效果和煤层气开发，对煤层裂隙 发育及其渗透率的评价尤为重要。目前，煤体孔裂 隙的观测多采用扫描电镜方法[2-3]，该法只能观测 试样某个剖面的孔裂隙信息，较难发现其空间分 布规律。煤体渗透率的获取大多处于实验室直接 测量[4-5]，存在费时费力、成本高的不足；此外渗透 率获取方法还有核磁共振测井[6-7]，该法的局限性在 于 T2截止值的实验室测量耗时较长且获取数据点较 少，实际测井过程中 T2截止值为公认经验值，导致 计算结果误差较大。复电性评价法作为一种新兴的 地球物理勘探方法，在相当宽的频率范围内高密度 测量复电阻率，较其他物探方法具有简单便捷，可 获得煤层更多的地电信息和孔裂隙信息的特点，可 被视为评价煤层特性的有效方法。 近年来，复电性评价法受到人们越来越多的关 注。煤岩复电性频散特性是频率域复电性评价法之 根本[8]。 S. Kruschwitz 等[9]通过对岩石电阻率和相位 的测量，发现运用复电阻率能定量解释分析其含水 饱和度变化规律。孙斌等[10]引入频散程度概念，得 出随含水饱和度增加，泥质砂岩复电阻实部频散特 征弱于虚部。窦春霞[11]发现在离子导电基础下，页 岩复电阻率随温度升高而降低， 随围压增大而增大。 田刚等[12]对高压下不同矿物成分的柱状标样测量复 电阻率，其中石墨成分标样随压差加大，而复电阻 率减小。池美瑶[13]得出同时升温升压下页岩复电阻 率下降规律。S. H. Hall 等[14]将岩石复电性特征应 用到地层评价领域。大多数学者认为，复电性频散 现象的发生主要是电化学效应所引起的激发极化所 致[15-17]；也有学者持有位移电流引起的介电极化引 起的观点[18-19]。S. W. Shin 等[20]指出光谱诱导极化 的测量是针对低于 1 kHz 的交流电的响应。为了描 述岩石的复电性频散特性，许多等效电路模型逐 渐被提出 Wait 模型[21]、 Debye 模型[22]、 Cole- Cole 模型[23]等。 在我国煤矿领域，电法勘探技术已广泛被采 用[24]。直流电阻率法[25-26]由于受限于煤岩直通或者 联通的孔隙结构影响，需将测量电压加至几千伏观 测煤岩体电阻率， 忽略了内部极性介质极化的影响， 探测参数少。相较而言，复电性评价法反映煤岩导 电性与极化特征，可获取更多的电性参数，所加电 压只需几伏至几十伏，对评价煤体孔裂隙结构和渗 透性有重要意义。本文对不同方向及不同测量面积 的煤体进行复电参数测量，分析其频散特征和导电 机理及模型对应情况，为复电性评价法评价煤体孔 裂隙结构和煤层透气性提供实验基础。 1 样品采集与试验方法 1.1 样品采集与处理 本实验煤样取自赵固二矿二1煤层原生结构煤， 根据煤岩层理和割理的发育情况及测试条件的要 求，分别沿平行层理垂直面割理方向x 方向、平行 层理垂直端割理方向y方向和垂直层理方向z方向 三个正交方向将煤体切割加工成边长为 60 mm的立 方体煤块，如图 1 所示。 图 1 实验样品 Fig.1 Picture of experimental sample 根据 GB/T 2122008煤的工业分析方法 ，实 验室测定煤样基础参数水分、灰分、挥发分，见表 1。 表 1 煤样煤质特征 Table 1 Quality characteristics of coal samples 工业分析 ω/ 矿区名称 煤层 Mad Aad Vad 赵固二矿 二1煤 2.18 17.97 6.56 1.2 实验系统及测试方法 1.2.1 实验测试系统 本实验采用测试装置包括 日置IM3533-01LCR 测试仪，测试支架，数据收集器，如图 2 所示。 1日置 IM3533-01LCR 测试仪；2数据收集器；3煤样； 4数据处理器；5频率发射器；6LCUR 电流检测端子； 7LPOTLOW 侧电压检测端子；8HCUR 电流发生端子； 9HPOTHIGH 侧电压检测端子；10导电极板；11测试支架 图 2 实验系统 Fig.2 Experimental system ChaoXing 228 煤田地质与勘探 第 48 卷 其中，日置 IM3533-01LCR 测试仪采用四端 对结构，一对作为供电电极，另一对作为测量电 极，两对电极之间没有接触电阻，可消除电极附 近的极化作用；扫描频率范围为 2～801 点；内部 DC 偏置-5～5 V；可进行高速复电参数测量，测 量时间 2 ms；测量电压 5 mV～5 V。自主设计的 测试支架，顶部设置螺纹式旋杆，通过旋转杆部 以达到固定不同尺寸煤体的作用，外部 4 根支柱 用以支护，测试双面导电纸与煤体表面充分接 触，避免端面效应的产生，与导电纸接触另一 部分为绝缘性能良好的 PEEK 材质，确保测量 准确性。 1.2.2 实验步骤 本实验采用煤体复电性测量系统，研究不同方 向x、y、z，不同测量面积1、4、16、36 cm2的煤 体复电性频散响应规律。具体步骤为① 将 LCR 仪器连接电源，预热 60 min；② 选择参数为复电阻 实部 R、虚部 X，测量频率范围为 1～100 kHz，对仪 器进行开路补偿、短路补偿和线路补偿，减小电缆 残留、寄生导纳的影响；③ 将已知阻值的标准电阻 串联于测量线路中进行测量矫正； ④ 将贴好导电纸 的煤样固定于测试支架上，串联于系统中，进行煤 样的 R 和 X 测试工作；测试完一个方向的各测量面 积复电性之后，按相同步骤进行其余方向的测量。 在恒定电流的变频条件下，通过测量加载于所 测煤样上的电压和电流矢量，并根据该值计算得出 其复电阻 Z，进而求出煤的复电阻率。通过电压和 电流同样可计算得出相位 φ，在频率域内，电压与 电流均为频率的函数，复电阻 Z 和相位 φ 也是频率 的函数。 并由复电阻 Z 和相位 φ 由式1和式2得出 本文的主要测量参数复电阻实部 R 和虚部 X。此过 程由 LCR 测试仪自行计算后输出。 iZRX 1 1 tan X R φ - 2 2 测试数据分析 2.1 不同测量面积的煤样复电性频散响应 煤样在不同测量面积下的复电性频散响应规律 如图 3 所示。 a z 方向 b y 方向 c x 方向 R1表示测量面积为 1 cm2的煤体的实部，X1为其虚部，其他同 图 3 不同测量面积煤体复电性频散响应曲线 Fig.3 Composite electric frequency dispersion response curves of coal in different measured areas 由图 3 可知 ① 所测任意方向和测量面积的煤 样，实部 R 数值为正，随频率增大，呈先缓慢减小， 再加快减小至最后平缓的趋势；虚部 X 数值为负， 随频率增大，呈先减后增的规律。② 所测任意方向 的煤样，随测量面积增大，实部 R 数值和虚部 X 的 绝对值均变小，且二者曲线均不发生偏移，尤以虚 部 X 峰值对应的频率特征频率点保持不变最为明 显。 首先，造成煤体复电性频散响应特征是其在外 加电场的作用下产生的极化现象所致。按照电介质 极化理论，煤体作为一种复杂的有机沉积岩，属于 非均质，可极化的电介质，其特征主要是以正负电 荷重心不重合的电极化方式来传递和记录电的作用 效果，电荷以束缚电荷为主导，通过电极化响应来 对应煤体结构和物性特征。极化类型包括电子位移 极化d、离子位移极化L、分子转向极化f；在外 加电场作用下，煤体也会存在电荷在不均匀的界面 上堆积的界面极化。4 种极化过程弛豫时间分别约 为 τd≤10-16 s、10-16 s≤τL≤10-12 s、10-12 s≤τf ≤10-8 s[19]，界面极化过程所需要的时间最长，弛豫 时间 τJ≥10-8 s，如图 4 所示为煤体 4 种极化类型 在不同频率下发生的优势比重。在 0～100 kHz 的频 段内，主要是以电化学反应引起的界面极化为主。 煤中所含矿物成分包括黏土成分高岭石、碳酸盐 类矿物等，且含碳量高的煤体具有石墨化结构，可 将其视作电子导体，在外电场的激励下，之前形成 的电子导体-溶液界面双电层发生电荷的分化和运 移，最终达到动态平衡的新双电层；此外，在外电 ChaoXing 第 4 期 孟慧等 煤体复电性频散响应实验研究 229 场的作用下， 通过溶液中本身带电离子的分化转移， 最终形成化学浓度梯度和电的势垒，称之为“薄膜 极化” 。 图 4 煤体极化类型频率 Fig.4 Frequency of polarization type of coal 分析实部 R、虚部 X 的曲线走势问题。首先， 实部 R 的物理意义是煤体的电阻，在频率趋于无 穷大时，相应的单向持续供电时间几乎为零，煤 体不被极化，不会产生“过电位” ，R 最小；随频 率逐渐减小，极化所获取的时间更多，极化效应 随之也就增强， “过电位”直至趋于饱和，R 最大； 虚部 X 作为复数，如式3所示，由感抗和容抗组 成，实测煤体符号为负，显示容性，故电容占据 主导作用，并且虚部 X 随着频率的变化而变化， 因此，X 受到频率和电容的综合影响。所测煤体 电容如图 5 所示，在频率较小阶段，煤体极化完 成充分，颗粒表面与溶液的双电层不断增大增厚， 电容随着频率的增大而减小，加之，容性作用可 将感性影响忽略，煤体虚部 X 的绝对值与频率和 电容的乘积成反比。总之，在低频段，煤体虚部 X 的绝对值的影响因素受电容容量主导，随电容减 小而增大，在高频段，煤体电容变化幅度较小， 虚部 X 的绝对值受频率变化影响明显，随频率增 大而减小。 1 22- π-πXfLfC 3 式中f 为测量频率；C 为电容容量；L 为电感容量。 对于同一方向，不同测量面积的煤体而言， 随测量面积增大，煤体的实部 R、虚部 X 的绝对 值均逐渐变小，且特征频率点不发生改变。究其 原因，煤体的电阻率表示导电性优劣，如式4所 示，当外加电流垂直流经单位长度、单位横截面 积的煤体时，该体积的煤体所呈现的电阻值称作 电阻率。一定条件下的电介质的电阻率在某个数 值范围内微小波动，则煤体的电阻和煤体测量面 图 5 煤体电容频率 Fig.5 Frequency of coal capacitance 积呈负相关性，故煤体的实部 R 随测量面积的增 大而逐渐减小；同理，虚部 X 同样表示对于交变 电流的阻碍能力，其绝对值亦随测量面积增大而 减小；由于不论测量面积大小，均表示所测煤体 的导电能力，煤体的孔隙结构及矿物组成部分不 发生变化，故而其特征频点不随测量面积的增大 而变化。 RA ρ L 4 式中ρ 为电阻率；R 为电阻值；A 为煤体测量横截 面积；L 为煤体测量长度。 由图 3 可知，相对于煤体复电阻实部 R 频散曲 线而言，虚部 X 存在明显的特征频率点，复电性频 散响应效果更为显著。因此，假设煤体虚部 X 频散 度 α 为表征煤体虚部 X 随测量频率 f 改变而变化的 频散程度，如式5所示 dj j - - XX α X 5 式中Xd为低频段复电阻虚部；Xj为特征频率点处 复电阻虚部。 图 6 为 3 个方向煤体复电阻虚部 X 的频散度 α 和测量面积 A 关系曲线。 随着测量面积的不断增大， 3 个方向煤样虚部 X 的频散度 α 除个别点外，整体 趋势均不断减小，虚部 X 的频散特征随测量面积的 增大而不断较弱，即虚部 X 的频散度 α 与测量面积 之间呈负关联。 2.2 不同测量方向的煤样复电性频散响应 在测量煤体的不同方向情况下，所测得的复电 性频散响应规律如图 7 所示。 图 7 为煤体测量面积 4、36 cm2时的各方向 的复电性频散响应规律。由图 7 得出，对于任一 大 小 的测量面积，煤体的不同方向有不同的复 ChaoXing 230 煤田地质与勘探 第 48 卷 Fig.6 煤体虚部 X 频散度α与测量面积 A 关系 Fig.6 Relation between frequency dispersion α of X of coal and measurement area A 图 7 煤体不同方向复电性频散响应曲线 Fig.7 Composite electric dispersion response curves of coal at different direction 电性频散响应特征。整体趋势为煤体的垂直层理 面z、平行层理垂直端割理方向y和平行层理垂直 面割理方向x的实部 R、虚部 X 的整体走势相同， 但是从数值大小来看，呈现出 Rz＞Ry＞Rx，|Xz|＞|Xy|＞ |Xx|的规律，并且曲线会按照相同的方向顺序依次向 右偏移。从图 6 可以看出，煤体的平行层理方向虚 部 X 频散度大于垂直层理方向。其原因在于煤体的 垂直层理、平行层理垂直端割理方向和面割理方向 的孔裂隙发育程度依次下降，以至于煤体存在的导 体-溶液系统中电子和离子数量依次减少， 产生极化 时带电粒子运移的程度会依次减弱，形成的双电层 厚度和面积会逐渐变小。运用复电性评价法可以找 到煤层的主裂隙方位，对于煤层气开发以及瓦斯防 治工作有很大的现实意义。 2.3 煤样复电性响应模型拟合 煤体作为一种复杂的有机沉积岩，由于其孔隙 介质和溶液的电化学作用产生的复电性频谱响应， 自然而然的将其与电学元件的组合所形成的电学性 质相互关联。国内外许多学者依据多孔介质极化性 质，建立了许多等效电路模型。本文主要介绍 Cole-Cole 模型以及 Debye 模型，分别对应于式6、 式7。 选取实测数据进行模型拟合比较垂直层理方 向，测量面积为 4 cm2，结果如图 8 所示。 图 8 模型拟合对比 Fig.8 Comparison of model fitting 0 1 11 1i ZZm cωτ ■■■■ ■■ -- ■■ ■■ ■■■■ ■■ 6 式中Z0为频率为 0 时的电阻；m 为极化率；c 为 频率相关系数；τ 为弛豫时间常数。 0 1 11 i ZZm ωτ ■■■■ -- ■■■■ ■■■■ 7 图 8 为 Cole-Cole 模型和 Debye 模型拟合曲线。 从图 8 可知，2 种模型对于复电阻实部 R 和虚部 X 均有较好的拟合程度，相比而言，Cole-Cole 模型拟 合精度达到了 99.86，Debye 模型拟合精度也达到 了 99.58，两者的精确程度均很高，对于煤体极化 的描述效果都很好。但是，Cole-Cole 模型所含 4 个 ChaoXing 第 4 期 孟慧等 煤体复电性频散响应实验研究 231 模型参数之中的频率相关系数没有实际的物理意 义，不能够与岩石的物性参数良好的联系起来；而 Debye 模型中所含的模型参数 m 为煤体的极化率， τ 为弛豫时间，代表极化单元的平均尺度，R0为直流 电阻，代表极化完成的最大阻值；并且 Debye 模型 的表达形式简单，不像 Cole-Cole 模型的形式繁冗， 不易解释。因此，优选 Debye 模型作为解释煤体复 电阻率性频散特征规律的等效电路模型，通过准确 求取模型中参数，就可能充分利用煤体复电参数频 谱信息求取煤体物性参数。 3 结 论 a. 煤体复电阻实部 R和虚部 X数值大小均与测 量面积成反比。随着煤体测量面积的增大，其实部 R 和虚部 X 的数值逐渐减小，且其特征频点不发生 偏移，X 频散度随测量面积增大而减小；由于煤体 在外电场作用下的极化机制，复电阻实部随频率增 大而减小，虚部呈现先减后增的趋势。 b. 不同方向煤体的复电性频谱响应特征有所 差别，随着煤体裂隙发育程度的减小，复电阻实部 R 和虚部 X 数值会逐渐减小且曲线向右逐渐偏移， 平行层理方向煤体 X 的频散度大于垂直层理方向。 煤体垂直层理方向的实部 R 和虚部 X 数值最大，平 行层理方向垂直端割理相应次之，平行层理方向垂 直面割理数值最小，并且依次向右偏移。 c. 煤体复电性频散响应特征需要理论模型的 支撑，Debye 模型相比于 Cole-Cole 模型，具有很好 的适用性。2 个等效电路模型对频谱曲线均有良好 的拟合效果，加之考虑模型参数对于煤体的实际物 理意义， 选取 3 个具有实际物理意义的 Debye 模型。 这就为之后运用复电性等效模型参数关联煤体实际 物性参数做了很好的铺垫。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 张文涛，吕品，孙晓梅，等. 张集矿综采工作面瓦斯治理 措施及效果分析[J]. 中国安全生产科学技术， 2014， 101 103-108. 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