岩体破坏过程中的电阻率变化试验.pdf

中国矿业大学学报990 52 0 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG T ECH NO LO G Y 1999年 第28卷 第5期 Vol.28 No.5 1999 岩体破坏过程中的电阻率变化试验* 李德春 葛宝堂 舒继森 摘要 针对典型煤矿岩样，研究了岩体在受压破坏时其电阻率的变化特征，详细介绍 了有关试验过程，并设计了一种新的测量电路，从而大大提高了其观测精度. 通过对几 十块岩样的测试分析，得出了几种不同类型的电阻率和压力变化关系曲线. 通过试验说 明了岩体电阻率是岩体破坏过程中变化十分敏感的参数，岩体电阻率法可以用来进行 岩体动力破坏的预测、预报. 关键词 电阻率，岩体破坏，试验 中图分类号 T D 315 Experiment of Resistivity Variation of Rocks in Failure Process Li Dechun Ge Baotang College of Mineral Resource and Environment Sciences, CUMT, Xuzhou, Jiangsu 221008 Shu Jisen Department of Mining Engineering, CUMT, Xuzhou, Jiangsu 221008 Abstract Experiments of resistivity of rock in failure process are carried out. To improve the precision of the measurements, a modified circuit is designed in laboratory. Different types of resistivity variations are detected during the failure process of rocks. This experiment has shown that the resistivity of rocks is sensitive to the fracture of rocks. The resistivity can be used in forecasting the dynamic destruction of rocks. Key words resistivity, rock fracture, laboratory experiment 岩体破坏过程中的电阻率变化早在7 0 年代就进行过研究［1］. 其主要目的是用于探 索地震预报的电阻率前兆规律，8 0 年代波兰学者［2 ］曾在矿井下观测到由于岩层受压 或发生动力破坏的电阻率变化，并进行了有关现象的总结，预示着通过长期测量电阻 率的变化可能进行矿山岩体动力灾害的预测预报. 岩体电阻率是反映其内部结构与成份的一个物理量，在地球物理勘探中有着广泛 的用途，在岩体结构受压破坏过程中，其电阻率有着十分明显的变化，通过观测岩体 电阻率的变化可以判断岩体内部结构的状态，在矿山应用方面，利用岩体电阻率法来 预报诸如矿山岩爆、顶板跨落及煤岩突出等具有以下特点 1 其方法具有非接触性，可以实现自动遥测，避免人工在危险条件下可能产生的 安全问题. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 0 . h t m （第 1／5 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 7 中国矿业大学学报990 52 0 2 可以较大规模地监测岩体内部结构的变化. 3 观测实时，连续性好等. 1 试验方法设计 1. 1 试验原理 在试验条件下，岩样的电阻率测量通常采用四极法［3］，即A ，B为供电电极， M ，N为测量电极，其原理如图1所示. 图1 测量岩样电阻率的原理图 Fi g . 1 Sk e t c h o f m e a s u r i n g r e s i s t i v i t y 当电流I通过岩体时，M ，N之间的电位差ΔU M N与其电阻率ρ及供电回路中的电 流强度I成正比，即 ρ K ΔU M N/ I ， 1 式中ρ为电阻率，Ω.m ；K 为装置系数，m ；ΔU M N为电位差，m V；I 为供电电流强 度，m A . 对于如图1所示的四极装置一般采用圆柱状岩样，要求A B间的距离大于其横截面 的直径，其装置系数K 则为 K S/ L ， 2 式中S为岩体横截面面积，m 2；L为测量电极M ，N之间的距离，m ； 1. 2 测量线路的改进 本次试验利用数字电法仪SYSCA L R2 来测量岩样电阻率，为了提高探测精度，对 测量电路进行了修改. 常规的测量电路如图2 所示，对于SYSCA L R2 数字电法仪而言，所 示电流值以m A 为单位，只保留1位小数. 实验发现，在保证电位差ΔU M N不超过仪器最 大额定值的情况下，供电电流一般不超过10 m A ，有时甚至小于0 . 1 m A ，这样，在四舍 五入后电流测量读数误差太大. 为此，对电路进行了如下修改 如图3所示 ，主要是在供 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 0 . h t m （第 2 ／5 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 7 中国矿业大学学报990 52 0 电线路里串联了一个电阻值为10 0 Ω的标准电阻R标，通过转换开关K ，利用SYSCA L R2 数字电法仪测量供电回路中标准电阻两端的电压，间接获得供电回路中电流强I ，即 I ΔU M N/ R标. 因为标准电阻的两端的电压值ΔUR标数值比较大，这样可以通过计算得 出较高精度的电流值，例如，供电回路中的电流强度I 0 . 8 46 m A ，用常规方法仪器只 保留一位数，故实测值 0 . 8 m A ，若采用改进后的线路测量，则有ΔU R标 8 4. 6 m V，通 过计算得I ΔU R标/ 10 0 0 . 8 46 m A . 实验结果表明，改进后的测量线路的确具有较高的精 度. 图2 常规电阻率测量线路图 Fi g . 2 T h e c o n v e n t i o n a l c i r c u i t f o r r e s i s t i v i t y m e a s u r e m e n t 图3 改进的电阻率测量线路图 Fi g . 3 T h e m o d i f i e d c i r c u i t f o r r e s i s t i v i t y m e a s u r e m e n t 2 试验步骤 1 用砂纸打磨电极内侧，去除污物，确保其岩体端面与电极板的良好接触. 2 用铜条作M ，N电极，并在其内侧涂上含食盐的耦合剂，然后再将其固定在岩 样上，并保证使M ，N极与岩样标面中心点上、下对称. 3 用卡尺测量岩样直径，取岩样上、中、下处分别测量相互垂直的两个直径数 据，将6 个数据的平均值作为岩样的直径，并测量M 与N极间的距离L. 4 将A ，B极铜片分别置于岩体上、下两端，用含食盐的耦合剂涂在岩体与铜块之 间. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 0 . h t m （第 3／5 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 7 中国矿业大学学报990 52 0 5 在压力机上、下压板上分别放上绝缘板，使A ，B供电电极与压力机绝缘. 6 按改进后的测量电路将供电和测量电路与待测岩样标本相应电极正确联接，如 图3示. 7 加压前测量岩样电阻率基值. 8 给岩样进行分压力段加压，先将双联双刀开关K 合至测量ΔU M N位置，按下电 法仪供电开关. 当连续几个供电方波对应M ，N之间的电位差稳定时，读取ΔU M N，该 ΔU M N值便为岩样上M ，N极之内的电位差，然后把开关K 合至测量ΔU R标的位置， 再按下供电开关，读取ΔU R标，将ΔUR标除以10 0 Ω，便为供电回路中的电流强度， 每个压力下，改变3次供电电流I ，同时观测相应3组电位差ΔU M N数据，按式 1 计算 其电阻率ρ值，并将3个电阻率的平均值作为该压力值下的电阻率值，逐渐增大压力， 重复上述观测直至岩样破坏为止. 3 岩样观测结果及分析 本次试验共采集岩样共2 3块，主要来自于内蒙霍林河和山西大同煤田，岩性为泥 岩、砂岩、灰岩及煤. 岩样破坏过程中的电阻率变化由ρ0/ ρ与压力 f 曲线来表达 ρ0 为自然状态下的电阻率，ρ为受压状态下的电阻率 . 通过试验结果分析，对煤矿常见沉 积岩的电阻率ρ0/ ρ与压力f 变化曲线特征和规律如下 单边下降型如图4a 所示为一砂质泥岩电阻率与压力关系，从该曲线可以看出， 随着压力的增加，岩样电阻率逐渐减小，破坏前电阻率变化达50 以上. 单边上升型如图4b 为高饱和度石英砂岩的电阻率与压力关系的试验曲线，从中 可以明显看出，电阻率随其压力增大而逐渐增加，破坏前电阻率升幅达15以上. 先升后降型如图4c 为石灰岩的试验曲线，从曲线可以看出，在加压初期电阻率 可能上升达50 ，而后迅速下降，至破坏临界点时电阻率则又可能下降6 0 以上. a 砂质泥岩电阻率与压力关系曲线 b 石英砂岩电阻率与压力关系曲线 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 0 . h t m （第 4／5 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 7 中国矿业大学学报990 52 0 c 石灰岩电阻率与压力关系曲线 d 煤岩电阻率与压力关系曲线 图4 电阻率与压力关系曲线 Fi g . 4 T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n r e s i s t i v i t y a n d p r e s s u r e 先降后升型如图4d 为某矿煤样的实验曲线，由图中可以看出，煤样电阻率首先 为下降，下降幅度约为2 5，而后又在破坏前有所反弹，但仍然比未加压时低约15. 4 结 论 1 由本次研究所设计的测量电路和试验方法成功地观测了岩样破坏过程的电阻率 变化规律. 2 岩石在破坏过程中，不同岩性的岩石其电阻率压力曲线表现形式有所不 同，但都表明有明显的电阻率变化. 3 通过观测岩石电阻率变化可以对岩体破坏程度进行预测，通过推断解释可以利 用该方法对矿山发生的动力灾害进行监测. 4 本试验仅是初步的结果，有关结果分析等诸多问题尚待进一步的研究. *煤炭科学基金资助项目（93采10 10 2 ） 第一作者简介 李德春，男，196 4年生，工学硕士，讲师 作者单位李德春 葛宝堂 中国矿业大学资源与环境科学学院 江苏徐州 2 2 10 0 8 舒继森 中国矿业大学采矿工程系 江苏徐州 2 2 10 0 8 参 考 文 献 1 Br a c e W F. El e c t r i c a l r e s i s t i v i t y c h a n g e s i n s a t u r a t e d r o c k s d u r i n g f r a c t u r e a n d f r i c t i o n a l s l i d i n g . J G e o p h y s i c a l Re s e a r c h , 196 8 , 7 3 4 117 0 ～117 8 2 St o p i n s k i W . Pr e c u r s o r y r o c k r e s i s t i v i t y v a r i a t i o n s r e l a t e d t o m i n i n g t r e m o r s . A c t a G e o p h y s , 198 2 , 30 4 2 93～32 0 3 赵玉林. 原地电阻率变化的实验. 地震学报，198 3, 5 2 2 17 ～2 2 5 收稿日期1999-0 1-0 5 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 0 . h t m （第 5／5 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 7