单轴压缩破坏下分层型煤电阻率响应分析.pdf

第4 6 卷第1 期 2 0 2 1 年1 月 煤炭学报 J O U R N A L0 FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．1 J a n ． 2 0 2 l 奠j 善 j ． - 薯毫蔓誊墨杀 i ；- - 毒害。囊叠曩．未薯蠹i 冀 ； 萋| | | j | 骥l 瀵；壤i 蘸| | 囊l 纂鬓鬻辫霉| | | | 囊 单轴压缩破坏下分层型煤电阻率响应分析 胡千庭1 ’2 ，宋明洋1 ’2 ，李全贵1 ’2 ，吴燕清1 ’2 ，许洋铖1 ’2 ，张跃兵1 ’2 ，邓羿泽1 ’2 1 ．重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆4 0 0 0 4 4 ；2 ．重庆大学资源与安全学院，重庆4 0 0 0 4 4 摘要地层电阻率是地球物理勘探考察的重要参数，不同结构煤体受载破坏过程中电阻率变化特 征存在差异。建立受载煤样电阻实时测试实验系统，对所压制未分层及不同厚度、不同强度的2 分 层型煤试样进行了单轴压缩实验，得出试样破坏过程的力学强度及电阻率变化规律，研究分层界面 影响下不同结构型煤的电阻率响应特征。实验结果表明型煤单轴压缩破坏下的电阻率呈现阶段 性变化，未分层试样在压密后存在“u ”型变化过程，最低点接近试样应力应变曲线屈服点；不同强 度分层试样破坏过程中电阻率曲线先增加后呈现“U ”型，破坏后电阻率为初始状态的2 ～4 倍；不 同厚度分层试样破坏过程中电阻率表现为先增后减，两分层厚度差异大的试样厚分层破坏更为剧 烈，整体表现出的宏观电阻率值更大。分层试样弹性模量及抗压强度均较未分层试样小，峰值应力 处的电阻率变化率为1 ～2 ，未分层试样则小于0 ．5 ；试样两分层厚度及强度越接近，压缩破坏产生 的剥离部分越均匀，更容易产生区域“串一并联”现象，破坏后电阻率变化率越大。煤样本身或分层 面空隙骨架的挤压破碎会导致煤层电阻率的增加。分层型煤试样破坏后表现出表面剥离，裂隙均 匀连通的破坏形式，根据型煤受载破坏过程得出试样存在“纵向裂隙”和“纵向 横向裂隙”影响下 电阻率变化数学模型。两分层及贯通界面的裂隙使试样呈“串一并联”形式连通电路，试样整体电 阻率与裂隙电阻率及裂隙体积占比呈正相关。对分层型煤单轴压缩规律的描述反映了部分煤矿区 地层物探过程中的电学各向异性特征。 关键词电阻率；单轴压缩；型煤；各向异性；电法物探 中图分类号P 6 3 1文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 卜0 2 1 卜0 9 A n a l y s i so fr e s i s t i 订t yr e s p o n s e0 fs t r a t i 6 e db r i q u e t t ed u r i n gu I l i a x i a l c o m p r e S - s l O n H UQ i a n t i n 9 1 ”，S O N GM i n g y a n g ‘一，UQ u a n g u i ‘’- ，W UY a n q i n 9 1 ”，x UY a n g c h e n g ‘”， Z H A N GY u e b i n 9 1 一，D E N GY i z e l ’2 1 ．5 f o 把K 叫如6 0 r 0 ￡o 叮∥c 0 耐肘执PD 如n 缸e r 上 ，伽m 执。删∞n ￡r o z ，‰7 聊i n gu n 池坩如，c 0 7 柳i n g4 0 0 0 4 4 ，吼i 加；2 ． 0 0 z ∥如s o “删s 口蒯5 咖沙 魄i n 卵 昭，c b ，御i n g ‰i 钾巧妙，劬0 7 啪i 凡g4 0 0 0 4 4 ，傩i 尬 A b s t r a c t R e s i s t i V i t yi sak e yp h y s i c a lp a r a m e t e ri ng e o p h y s i c a le x p l o m t i o n ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e s i s t i V i t yV a r i a - t i o nw i t hd i f 亿r e n tc o a ls t l l l c t u r e sa r ed i f k r e n td u r i n gi t sf a i l u r e ．R e a l - t i m er e s i s t a n c et e s ts y s t e mf o rc o a ls a m p l e su n d e r c o m p r e s s i o nw a se s t a b l i s h e d ．U n i a x i a lc o m p r e s s i o ne x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u to nt w o l a y e r e db r i q u e t t es a m p l e sw i t h d i f k r e n tt h i c k n e s sa n ds t r e n 殍h ．A c c o r d i n gt ot h em e c h a n i c a ls t r e n g t ha n dr e s i s t i v i t yv a r i a t i o nd u r i n gt h ef a i l u r e p r o c e s s ，t h er e s i s t i v i t yr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f b r e n ts t m c t u r a lb r i q u e t t eu n d e rt h ei n f l u e n c eo fl a y e r e di n t e d ’a c e 收稿日期2 0 2 0 一l l 一3 0修回日期2 0 2 0 1 2 2 3责任编辑韩晋平D o I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c nk i j c c s ．2 0 2 0 ，1 8 7 0 基金项目国家重点研发计划资助项目 2 0 1 8 Y F c 0 8 0 7 8 0 5 ；国家自然科学基金资助项目 5 2 0 7 4 0 4 9 作者简介胡千庭 1 9 5 7 一 ，男，江西吉安人，教授，博士生导师，博士。E m a i l h u q I i n c q u ．e d u ．c n 通讯作者李全贵 1 9 8 6 一 ，男，河南民权人，副教授，博士生导师，博士。E m a i l l i q g c q u ．e d u ．c n 引用格式胡千庭，宋明洋，李全贵，等．单轴压缩破坏下分层型煤电阻率响应分析[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 l ，4 6 1 2 1 1 2 1 9 ． H uQ i a n t i “g ，s O N GM i n g y a n g ，L IQ u a n g u i ，e ta 1 ．A n a l y s i so fr e s j s t i v i t yr e s p o n s eo fs t m I i f i e db r i q u e t t ed u r i n gu n i “i a lc o m p r e s s i o n lJ1 ．J o u m a lo fC h i n ac o a ls o c i e t y ，2 0 2 1 ，4 6 1 2 1l 一2 1 9 ． 移动阅读 万方数据 2 1 2 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 w e r es t u d i e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e s i s t i v i t yo fb r i q u e t t eu n d e rl o a df a i l u r ep r e s e n t sap h a s e dc h a n g e ，a n dt h eu n s t r a t i 6 e ds a m p l eh a sau - s h a p e dc h a n g ea f t e rc o m p a c t i o n ，a n dt h el o w e s tp o i n tc o i n c i d e sw i t ht h ey i e l dp o i n to ft h e s t r e s s s t r a i nc u r v eo ft h es a m p l e ．I nt h ep r o c e s so ff a i l u r e ，t h er e s i s t i v i t yo ft h es t r a t i f i e ds a m p l e sw i t hd i f 玷r e n tt h i c k n e s sf i r s ti n c r e a s e da n dt h e nd e c r e a s e d ．S t r a t i 6 e ds a m p l e sw i t hal a r g e rd i f k r e n c ei nt h i c k n e s so ft h eh v ol a y e r sw e r e m o r es e v e r e l yd a m a g e d ，a n dt h eo v e r a l lm a c r o s c o p i cr e s i s t i v i t yv a l u ew a sl a r g e r ．A l s o ，t h er e s i s t i V i t yc u r v e so fs t m t i f i e d s a m p l e sw i t hd i f f b r e n ts t r e n g t h6 r s ti n c r e a s e da n dt h e np r e s e n t e da “U “ s h a p e ．A f t e rf a i l u r e ，t h er e s i s t i v i t yw a s2 4 t i m e so ft h a ta tt h ei n i t i a ls t a t e ．T h ee l a s t i cm o d u l u sa n dc o m p r e s s i v es t r e n 甜ho ft h es t r a t i f i e ds a m p l ea r el o w e rt h a n t h o s eo ft h en o n s t r a t i f i e ds a m p l e ，a n dt h er a t eo fr e s i s t i v i t yc h a n g ea tt h ep e a ks t r e s si s1 2 ，w h i l et h a t o ft h en o n s t m t i 6 e ds a m p l ei sl e s st h a n0 ．5 ．T h ec l o s e rt h et h i c k n e s sa n ds t r e n g t ho ft h et w ol a y e r s ，t h em o r eu n i f o I T nt h ep e e l i n g p a ng e n e r a t e db yc o m p r e s s i o n ．T h em o r ea p tt h er e g i o n a l “s e r i e s p a r a U e l ”p h e n o m e n o n ，t h eg r e a t e rt h er e s i s t i v i t y c h a n g er a t ea f 【e rf a i l u r e ．T h es q u e e z i n ga n db r e a k i n go ft h ec o a ls a m p l eb o d yo rt h ei n t e r l a y e rV o i ds k e l e t o nw i l ll e a d t oa ni n c r e a s ei nt h er e s i s t i V i t yo ft h ec o a ls e a m ．A f t e rt h ef a i l u r eo ft h es t r a t i f i e db r i q u e t t e ，t h es u d ’a c ei se x f 0 1 i a t e da n d t h ec r a c k sa r eu n i f b 咖l yc o n n e c t e d ．A c c o r d i n gt ot h ef a i l u r ep r o c e s so ft h eb r i q u e t t eu n d e rl o a d ，t h em a t h e m a t i c a lm o d - e lo fr e s i s t i v i t yc h a n g eu n d e rt h ei n n u e n c eo f “l o n g i t u d i n a lc r a c k s “ a n d “1 0 n g i t u d i n a l l a t e r a lc r a c k s ”i nt h es a m p l e w a so b t a i n e d ．T h ec r a c k si nt h et w ol a y e r sa n dt h r o u g ht h ei n t e r f a c eo ft h et w ol a y e r sm a k et h es a m p l ei n t oa “s e r i e s p a r a l l e l ”c o n n e c t e dc i r c u i t ，a n dt h eo v e r a Ur e s i s t i v i t yo ft h es a m p l ei sp o s i t i v e l yc o r r e l a t e dw i t ht h ec r a c kV o l u m ep m p o r t i o n ．T h ed e s c d p t i o no fu n i a 【i a lc o m p r e s s i o nl a wo fs t r a t i f i e db r i q u e t t er e n e c t st h ee l e c t r i c a la n i s o t r o p yc h a r a c t e r i s - t i c si ns t m t ag e o p h y s i c a le x p l o r a t i o ni ns o m ec o a lm i n e s ． K e yw o r d s r e s i s t i v i t y ；u n i a x i a lc o m p r e s s i o n ；b r i q u e t t ec o a l ；a n i s o t r o p y ；g e o p h y s i c a le x p l o r a t i o n 地球物理勘探为矿井生产地质透明化提供技术 支撑，能够指导煤炭精准智能开采并有效避免地质灾 害发生⋯。其中，电法物探着重关注以电阻率为代 表的地层电物理场特征，并以此反映地层信息心J 。 煤层电阻率的影响因素研究较为丰富，尺度横跨 微观孔隙至宏观裂隙，监测手段多样化。Q I 等∞1 研 究煤的孔隙结构对电阻率影响得到2 者的多元函数 关系。孟磊等H 1 进行自然原煤试样及型煤试样在单 轴压缩破坏过程中电阻率研究发现不同变质程度的 煤受载电阻率变化趋势不同，加载速率增加，电阻率 变化幅度减小。L Y u 等一1 研究认为气体的吸附能力 与电导率呈现幂函数的关系。L I 等∞o 分析了煤样孑L 隙一裂缝结构特征及对电阻率各向异性的影响。s u 等“ o 根据电法探测煤层多套导水裂隙带的研究提出 地层存在电性各向异性，对裂缝的综合参数进行表 达，提出矿井张量电阻率探测方法。赵晨光等∽1 基 于电介质理论提出含水煤层复电阻率正交裂隙阻容 模型，可预测煤样孔隙率。以上研究可为矿井电法物 探的解释提供有力支撑。 完整煤岩样的电阻率及力学破坏特征的研究较为 丰富，运用到电法物探手段中解释地质异常情况更加 精准旧J 。但煤层层理系统普遍存在。1 ⋯，会对物探产生 干扰，使用电法在煤层中探测依然存在多解性问 题。为此，相关研究关注到了煤体分层、各向异性 等特点。目前，对煤体分层及含裂隙试样的研究着重 于组合后的力学及破坏特征。如c H E N G 驯针对裂隙 长度对试样单轴压缩破坏特征的影响进行了研究， D O u 等列认为裂隙倾角与煤岩动力灾害存在相关性。 张朝鹏等4 1 研究煤岩单轴受压声发射的层理效应得 出层理对试样能量释放与破裂过程存在较大影响。 P A N 等纠从能量演化角度对不同厚度组合煤岩试样 进行单轴压缩实验研究，认为组合体破坏以煤为主，破 坏方式为劈裂破坏转为剪切破坏。杨科等钊综合分 析煤岩组合体的力学、能量转化及破坏规律，阐述了煤 岩界面对裂隙发育的影响。当下主要使用原煤进行分 层界面对电阻率特征的影响研究，而型煤物性参数较 原煤更为均一，使用分层型煤进行研究能够有效反映 层理界面对整体力学及电阻率的影响，因此有必要考 察分层型煤试样破坏过程电阻率如何变化，可为构造 发育煤层受载电阻率响应提供参考。笔者采用型煤试 样，研究未分层及不同强度和厚度分层型煤在受载过 程中的电阻率特征，以期得到不同结构型煤破坏过程 电阻率响应规律，表征地层电各向异性特征。 1 实验方案 1 ．1 试样制备 为探究分层试样单轴压缩过程中电阻率的变化 特征，选用山西阳泉煤业集团新元矿煤样，采用自制 模具压制所需型煤样品。对型煤进行测试分析是研 究煤物性参数的重要手段‘1 7 ] ，通过现有型煤及原煤 万方数据 第1 期胡千庭等单轴压缩破坏下分层型煤电阻率响应分析 2 1 3 的实验结果对比认为型煤可以代替原煤开展研究并 在某些场合存在优越性Ⅲ3 。 将破碎后的煤样筛分，选取粒径为4 0 6 0 目煤 粉，加入质量比为7 ％的水搅拌均匀填入图1 a 模 具压制底面直径为5 0m m 的不同厚度圆柱试样。选 用7 0 ，1 0 0 ，1 3 0k N 的成型压力控制型煤试样强 度m 1 ，用压力机向模具施压并稳定3 0m i n ，脱模成 型‘20 。，随后将试样放人鼓风干燥箱，在6 0 ℃温度下 烘干2 4h 。测试并计算试样平均单轴抗压强度及 1 0k H z 频率下的电阻率，结果见表1 。 信号线r ’ ．商J匿 哆 回 l P c l 匠； ，／钐∥∥优形穆形∥∥乡殄多勿 L C R 吕 li 耸 、6＼l d 甲- 芒刍i i 二七珊二 4 一淼．，一一≥ ． J 9 笊ll ；U。_ J I ． 5 ／ 1 1 、 乡么矽么杉夕杉么杉夕杉夕矽蟛陟勿 W F W F W F a 试样制备模具 b 单轴压缩电阻率测试实验装置 c 试样及编号 l 一试验机控制台；2 一高分辨率摄像系统；3 一L C R 数字电桥；4 一数字电桥控制终端；5 一电磁屏蔽网6 一试验机框架 7 一绝缘板；8 一电极板；9 一压头；l O 一试样；1 1 接地线 图l单轴压缩电阻率测试实验系统 F i g ．1E x p e d m e n t a ls y s t e mf o rr e s i s t i v i t yt e s td u r i n gu n i a x i a lc o m p r e s s i o n 表1 型煤试样强度与电阻率参数 1 ．2 电阻率测试计算原理 T a b l e1 S t r e n g t ha n d 嘲i s 廿、，i t yp a 隐m e t e 聃o fb r i q u e t t e s a m p l 鹤 本实验试样制备选用参数见表2 ，分别压制未分 层、不同强度分层、不同厚度分层试样3 组，如图 1 c 所示，每个编号制作3 个试样进行实验。 表2 分层型煤试样单轴压缩电阻率测试实验方案 T a b l e2 E x p e r i m e n t a ls c h e m ef o rr 嚣i s t i v i t ym e 硒u r e m e n to f m e d i 啪∞a l i nu l l i a x i a lc o m p r e s s i o np m c e s s 分层试样 不同强度 Q F Q F lP 。 P d 7 0 Q F 2日。 Ⅳd 5 0P 。 7 0 ，J p d 1 0 0 Q F 3P 。 7 0 ，P d 1 3 0 H F l 日。 1 0 ，乩 9 0 H F 2 日。 3 0 ，日d 7 0 P 1 3 0 H F 3Ⅳ。 矾 5 0 不同厚度 H F 注下标“u ”代表两分层试样上分层参数；下标“d ”代表两分层试 样下分层参数。 Q F l O F 2 Q F 3 测试过程中使用型号为u c 2 8 3 1A 的L c R 数字 电桥获取单轴压缩过程中煤样的实时电阻R 。仪器 测量频率选取1 0k H z ，采样率为1 0H z ，电平选 择1V ，内阻为3 0Q ，仪器精度达到o ．0 5 ％。数字电 桥内部测量阻抗后输出电阻为 zI ∥， 1 R Izl c o sp 2 式中，l z I 为电路阻抗；u 为电压，V ；，为电流，A ；R 为试样电阻，n ；p 为相位角。 根据仪器测得电阻计算试样的电阻率为 p R 詈 3 式中，p 为电阻率，Q m ；5 为试样横截面积，m 2 ；￡为 试样长度，m 。 由式 3 计算得到的试样电阻率与其横截面积 和长度相关。由于本实验中型煤试样横截面沿轴向 呈现非均匀变化且轴向变形量对结果影响较小，因此 在计算过程中忽略试样横截面积S 和长度￡的变化。 1 ．3 实验步骤 单轴压缩电阻率测试实验装置如图1 b 所示。 将待测型煤试样放置在岛津A G 一2 5 0k N 岩石力学试 验机上，轻轻压紧后测试顶端平整度；试样两端面涂 抹导电膏，放置在试验机下压头电极板 8 上，接上 部电极板；打开L c R 数字电桥测试仪 3 热机 3 0m i n ，观察L c R 数字电桥示数稳定；降压头 9 ，待 压头与电极板完全接触后启动试验机，使用 臣『o-耀臣囵臣 万方数据 2 1 4 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 0 ．5t u r n ／m i n 的位移速率对试样进行加载，同步打 开L C R 数字电桥控制终端 4 、高分辨率摄像系 统 2 ；记录应力、应变、电阻以及宏观破裂图像。 2 实验结果及分析 2 ．1未分层试样单轴压缩电阻率变化 不同成型压力的未分层型煤试样单轴』正缩实验 结果如图2 所示。 0 3 0 O2 5 矗0 ．2 0 山 委o s 邂Ol O O0 5 O ￡ 善 R 型 ’ ＼ 一{ ／ j 易／印 应变 a W F l 爿 1 0 0m m ，P 7 0k N I 避力 占趴 一 电阻二钲 ／7 i {、 I 一1I2 ／稠 j j r 圈 ’ 爿 ．／ 一．。／。 应变 b W F 2 片 1 0 0m m ，P 1 0 0k N 一 应力 ＼ 电阻率 匝／ ／瞄 一 爿。 一o ／ O0 1O ．0 2O ．0 3 O ．0 4 应变 c W F 3 爿 l O Om m ，尸 l3 0k N I 訇2 未分层型煤试样J 、证力应变一电I j Ⅱ率变化 F i g ．2C 1 1 a n 舻t l fs t r e s s s t r a i f l 一m s i s t i v i t yo f 嘶 I u e t m 由图2 可以看出，未分层型煤试样单轴压缩过程 中应力应变及电阻率呈现阶段性变化。其中，单轴压 缩过程均经历了压密 伽段 一弹性变形 A B 段 一 塑性强化 B C 段 一破坏 C 点之后 4 个阶段。根据 应力应变曲线特征点将电阻率变化过程划分为电阻 率快速改变 阶段I 一快速下降 阶段Ⅱ 一平 缓 阶段Ⅲ 一快速升高 阶段Ⅳ 4 个阶段，且阶段 Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ整体呈“u ”型。 分析图2 中各阶段电阻率变化情况，阶段I 存在 较大差异，w F l 试样内部空隙骨架容易受力破坏，电 阻率出现先增加 I 1 后减小 I 一2 的过程，其初 始电阻率为3 6 2Q t 1 1 ’阶段I 结束时其电阻率基本 降低至初始电阻率值；w - F 2 试样初始电阻率 为2 8 6n ．n ，，随后先增加到初始电阻率的1 ．5 倍后 小幅度减小；w F 3 试样初始电阻率为1 1 2n ．n ，，电 阻率在阶段I 降低幅度逐渐缓慢。w F 3 试样成型压 力较高，电阻率起始即在压密作用下减小，可能是由 于颗粒间连接最为紧密，空隙骨架破碎空问较小。试 样电阻率在阶段Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ均呈现“U ”形变化，且其最 低点与试样应力应变曲线B 点位置重合。阶段Ⅱ试 样进入弹性变形阶段电阻率下降较为缓慢；电介质的 不连续问断会导致整体电阻率的升高，阶段Ⅲ试样的 微裂隙发育，电阻率上升且变化幅度逐渐增加；阶段 Ⅳ试样的裂隙逐渐发展最终扩展贯通至失去承载作 用，电阻率随着型煤试样表面部分不连续剥离、裂隙 发展而快速增加。强度越高的试样其初始电阻率值 越小，电阻率曲线的峰值能够达到最低点值的1 ．7 倍、1 ．5 倍和1 ．3 倍，变化幅度降低。 2 ．2 不同强度分层试样电阻率变化特征 不同强度分层型煤试样单轴压缩实验结果如图 3 所示。由图3 町知，不同强度分层型煤试样单轴压 缩破坏电阻率变化趋势与未分层试样变化的阶段性 较为一致，可划分为4 个阶段。阶段I 电阻率呈现为 先增后减，该阶段所达到的电阻率峰值分别为初始电 阻率的3 ．3 5 倍、2 ．5 8 倍和2 ．5 6 倍，达到电阻率峰值 后，电阻率的变化幅度减小；电阻率变化曲线在阶段 Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ呈现“U ”形，阶段Ⅱ煤样处于弹性阶段，向 试样屈服点B 发展的过程中电阻率逐渐下降，曲线 “u ”型部分最低点与B 点横向位置接近。阶段Ⅲ试 样受载逐渐到达峰值应力，电阻率较为平稳且缓慢增 长。不同强度分层型煤试样单轴压缩产生的破坏主 要集中在较软的分层，破坏部分倾向于直接剥离试样 表面导致电阻率升高，煤样的抗压强度可达到0 ．3 0 ， 0 ．3 2 ，0 ．3 3M P a 。图3 c 阶段I 可明显看到电阻率 在 I 1 增加随后转为 I 一2 减小的变化过程。 对比未分层试样电阻率变化情况可得，Q F 3 试样整体 强度较小，内部空隙更大，在应力作用下分层界面空 隙骨架破碎促使电阻率上升，随后较大空隙被压实导 致电阻率下降，电阻率转为压密作用控制，所达到的 强度与电阻率值均受较软分层及层而的影响。 ∞”如筋如”m兮 o O O O O O 0 0 O B d l ，∈R 迓 万方数据 第l 期胡T - 庭等单轴压缩破坏下分层型煤I U l 5 f i i 率响应分析 2 1 5 0 3 5 03 0 O2 5 芝02 0 I 纠O1 5 01 0 O ．0 5 0 0 ．3 5 0 ．3 0 0 ．2 5 皇o ．2 0 裔o1 5 O ．1 0 O ．0 5 O O _ 3 5 O _ 3 0 02 5 星 萋o2 0 R 酱01 5 0 ．1 0 O0 5 O I II I II V 应力 一 电阻率 ‘ 夕， ／ ’ t 爿 ／矗圈、 ／ ＼ 一 ／ 少． 00 3O ．0 4O ．0 5 应变 a Q F l Ⅳ。 风 5 01 1 1 m ，J p 。 尸。l 7 0k N 心力 ／ 一电阻牢 ／ B ，。 一／ ／ ． ／∥翟 o ／j 00 1O ．0 2O0 30 ．0 4O ．0 5 应变 b Q F 2 H ． H I 5 0 m m ，尸。． 7 0k N ，P 。尸1 0 0k N I1 C 上 ．、 占厂 ＼ Q ／。．名 O0 100 2O ．0 30 ．0 40 ．0 5 应变 c Q F 2 风 风 5 0m m ，P ． 7 0k N ，P d _ 1 3 0k N 劁3不M 强发分层型煤试样应力腹变一电阻率变化 F 嚼3C h Ⅲ1 F { r e 如l i v i f yo fs t I ‘a m e 1 l 脯I L l e t t ew i l } 1 I i n ⋯1 I s t r e l l g t h 2 ．3 不同厚度分层试样电阻率变化特征 使用1 3 0k N 压力成型不同厚度分层的型煤试样 进行单轴压缩实验。考虑试样厚薄分层的上、下位置 关系进行多组实验，数据表明分层位置并不影响电阻 率的变化规律，实验结果如图4 所示。 不同厚度分层型煤试样受载过程中电阻率变化 呈先增后减趋势，斜率逐渐减小。由图4 可得，电阻 率可分为迅速上升 阶段I 一缓慢上升 阶段Ⅱ 一 平稳 阶段Ⅲ 一缓慢下降 阶段Ⅳ 4 个阶段；在阶 段I ，Ⅱ，Ⅲ中试样电阻率呈现增加的趋势；阶段I 电 阻率上升较快，未分层试样前期呈现同样的变化，阶 段Ⅱ电阻率上升幅度减小；阶段Ⅲ中电阻率基本保持 04 0 0 3 5 03 0 ￡02 5 要0 2 0 崔0 ．15 O1 0 O0 5 1 ． ．1 ． ．I ． ．I ．坠．I 、c 应力 I B ’ l ＼| 。 电阻率 ／ 匪F 整 。／ yjl l OO0 1O0 2O ．0 30 ．0 4O ．0 5 0 4 O ．3 蛊 委0 2 型 0 应变 a H F l ⅣL ． 1 0m m ，H 产9 0m m ，J p 1 3 0k N ／皤 1 ／ 1 ．／ ／雹 O O ．O l0 ．0 20 ．0 3O0 4 O0 5 03 5 O ．3 0 O ．2 5 皇o ．2 0 娶o ．1 5 O1 0 O ．0 5 0 应变 b H F 2 H ． 3 0m m ，风 7 0m m ，尸 1 3 0k N 应力 ．厂’{ f一 电阻率 B ● L ／ ／ A ， ／譬 一 ／ 0 ／‘j OO lO ．0 2O ．0 3O ．0 4O ．0 5 应变 c H F 3 H ； H l 5 0m m ，P 1 3 0k N 图4 不同厚度分层型煤试样应力应变一电阻率变化 F 碡4C 1 1 a n g e fr e s 汹i v i I yo fH l r “f i e 1 l Ⅲ I u e t t e “t 1 1 d i f f b 【r n tt h i 【k n e s s 不变，裂隙发育导致的电阻爿‘高与压密作用逐渐抵 消，此时试样电阻率达到初始电阻率的3 ．5 0 倍、2 ．3 5 倍、2 ．3 3 倍，变化幅度降低。对比分析w F 3 试样电 阻率变化可证实空隙骨架挤压破碎会导致电阻率迅 速升高。相较于Q F l 试样，H F 3 试样内部空隙较少， 试样在应力作用下产生的压密作用有限，因此未在阶 段Ⅱ产生下降趋势。阶段Ⅳ随着试样的破坏，破裂区 域两层联通，破裂剥离部分仍然与原试样产生电路连 接，并与未破裂区域试样产生“并联”，整体电阻率下 降。煤样的电阻率除H F l 试样有部分突变升高后下 降，其他试样呈现出缓慢下降的趋势。受载破坏过程 万方数据 2 1 6 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 中厚分层较薄分层先破裂，随着厚度逐渐接近，拉伸 破坏区域更容易整体剥离试样表面，裂隙倾向于相互 联通，两分层破坏程度逐渐相似。，试样能够达到的峰 值应力为0 ．3 9 ，0 ．3 7 ，0 ．3 4M P a 。 2 ．4 分层影响下型煤强度与电阻率特征 考虑界面影响下的试样强度及受载达到峰值抗 压强度处的电阻率值，峰值应力处试样相较于初始状 态的电阻率变化率能够反应试样的结构变化P 。。图 5 给出了相应试样的强度及电阻率特征。 5 0 0 4 0 0 2 0 0 1 0 0 ■弹‘州 ] 抗 | 、型 几- l I ‘H F 2H。3Q FQ F 2Qj 3W F lW F 2 W‘3 不l l度 小魁J 蔓 术分』。 一_ 【㈦l } 一 厚度或强度越接近，电阻率变化率越大。 3分层试样受载破坏电阻率演化规律 O ．4 0 03 5 O3 0 O ．2 5 O ．2 0 2 0 ￡1 匕’1 1 5 瓣 - 基 1 ．o 警 四 0 5 几几- 几 W r lW f l 2 W F 3I I F l一2H I 3Q ‘ Q F 2Q F 3 求分』 小川“ 度小，d 强J 望 结果表明，试样受载破坏过程与分层界面及本 身空隙相关，未分层试样与不同结构分层试样表现 出的电阻率变化呈现较大差异。若分层试样层与 层之间或试样本身存在较大空隙，由煤颗粒组成空 隙骨架在应力作用下将呈现挤压滑动，随后破碎重 连，显现出骨架破碎产生的“扩容”以及空隙压实产 生的“压密”两方面作用。“扩容”会导致试样电阻 率升高，“压密”则导致试样电阻率降低，这一现象 也在L I 等。2 纠针对原煤多级加载的电阻率监测实验 中证实。随着空隙的增加或分层界面的存在，试样 强度降低，受载初始阶段骨架破碎产生“扩容”现象 占据主导。随着破坏程度的加深，层面附近将产生 破碎带影响电路连通程度，电阻率上升。此时，试 样两分层电阻呈现“串联”状态。实验过程中分层 型煤试样表现出受载破坏表面剥离，分层裂隙均匀 连通的破坏形式，当单轴压缩过程中两层破裂裂隙 相连通，则产生电路“并联”。 单轴压缩产生与电极方向相同的纵向方向裂隙 的破坏特征。’卜’4J ，造成煤一裂隙一煤3 者“串一并联” 的效果，改变试样电阻率。根据型煤试样破坏形式将 试样分为外侧剥离煤样、裂隙及内侧煤样3 部分，各 部分之问“并联”，横向分层裂隙导致电阻的“串联” 叠加形成通路。假没煤基质电阻率为常数，如图 6 a 所示，其中尺表示电阻，破坏后外侧煤样均匀剥 离并与内侧煤样以裂隙空间隔离，将其建立为纵向裂 隙模型，模型中内外侧煤样与裂隙组成并联电路；将 纵向裂隙模型沿轴向居中断开d ，距离