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1、煤层电性参数测试及其与煤岩特性关系的研究徐宏武(煤炭科学研究总院 重庆分院 , 重庆 400037 )摘要 : 试验利用实验室测试 、现场实测手段 , 进行了大量参数测试 , 并对煤岩层电性参数进行了研究 , 研究了煤的变质程度 、煤岩组分 、湿度、温度 、频率、瓦斯压力等对电性参数的影响及各向 异性问题 , 并指出与电磁法勘探最密切的电性参数是煤岩层电阻率、相对介电常数和煤层对电磁波吸收系数。关键词 : 矿井电磁法勘探 ; 电性参数 ; 煤岩层电阻率 ; 相对介电常数 ; 吸收系数中图分类号 : P63115M ea surem en t an d be tween seam文献标识码 :t
2、e st of seam文章编号 : 0253 - 2336 ( 2005 ) 03 - 0042 - 05Ae lec tr ic pa ram e ter an d study on re la t ion sh ipe lec tr ic pa ram e ter an d coa l pe tro logy cha ra c ter ist ic sXU Hong2wu( Chongqing B ranch, C h ina Coa l R esea rch Institu te, C hongqing 400037, C h ina )A b stra c t: The te st
3、had conduc ted m any p a ram e te r m ea su rem en ts w ith the lab and fie ld m ea su ring m ean s. The p ap e r stud ied the e lec tric p a ram e te rs of coa l and rock stra ta and stud ied the m e tamo rp h ic grade, coa l p e tro logy con ten ts, mo istu re, temp e ra tu re, frequency and ga s
4、p re ssu re of coa l influenced to the e lec tric p a ram e te rs and each d irec tion d iffe rence issue s. The p ap e r po in ted ou t tha t the e lec tric p a ram e2 te rs c lo se re la ted w ith the m ine e lec tric m agne tic exp lo ra tion a re the e lec tric re sistance ra te of coa l and roc
5、k stra ta, re la ted m ed ium and e2 lec tric con stan ts and e lec tric m agne tic wave so rp tion coeffic ien t.Key word s: m ine e lec tric m agne tic exp lo ra tion m e thod; e lec tric p a ram e te r; e lec tric re sistance ra te of coa l p e tro logy; comp a ra tive m ed iume lec tric con stan
6、 t; ab so rp tion coeffic ien t备 , 自制了直流电法测定装置 , 结合已有的物探设备从实验室和现场测试了大量数据 , 也收集了众多 资料 , 并对煤层电性参数进行了对比分析和研究 ,研究了煤的变质程度 、湿度、温度 、频率、瓦斯压力、煤岩组分、围岩等对电性参数的影响及各向异 性问题 , 并得出与矿井电磁法勘探最密切的电性参1 概述无线电波坑道透视 、矿井地质雷达和矿井直流电法等矿井电磁法勘探技术 , 已在我国矿井物探中 广泛应用并发挥了重要作用 , 但其探测解释效果及 精度往往受煤岩层电性参数的影响 。矿井电磁法勘 探的探测方法、测量参数选择以及资料解释 , 有
7、赖 于事先对煤岩层电阻率 、介电常数以及煤岩层对电 磁波的吸收系数等电性参数及其差异性进行了解和 正确认识 。数是煤岩层电阻率 、相对介电常数和吸收系数等 。经过这些研究 , 将进一步推动无线电波坑道透视 、矿井地质雷达和矿井直流电法等在现场的应用。2煤岩层电性参数测试方法研究煤岩层电性参数测试方法多种 , 本文研究了实 验室煤岩样测试和现场测试 , 现场测试又有无线电 波透视、地质雷达和直流电法的电性参数测定。2 11 实验室煤岩样测试测试仪器选用 QB G - 1 型高频 Q 表 (测量高我国煤矿地质条件复杂 ,煤种繁多 , 变质程度不一 , 影响煤岩层电性参数的因素众多。全国主要开采煤层
8、电性参数无系统资料 , 又无统一测试方 法 , 现场往往测试设备不全 , 精度不高。本文从多 年开展矿井电磁法勘探经验 , 总结并研究了一套较 完善的煤岩层电性参数测试方法 , 增添了测试设频谐振回路品质因素 ) , 采用并联谐振法进行测定。测试煤岩样由煤矿现场采集提供 , 要求试样新 鲜、具有一定块度 , 一般是长 10 mm , 宽 8 mm , 高 6 mm , 塑料袋封装。试样经切片并磨成直径 30 mm , 厚分别为 215 mm 和 4 mm 的圆形薄片 , 要求 圆表面磨制光滑呈镜面。测试具体步骤如下 : 高频 Q 表通电 、预热 20 m in以上 ; 测出不带负 载前谐振回路
9、 (样品极板间 ) 电容值 C1及品质因 素 Q1值; 测量极板间加载煤岩样后谐振回路的 电容值 C2及品质因素 Q2值 ; 由下式计算出相对 介电常数 r及电阻率值 数 , 由下式表示 : ( Hn + 20 lgrn ) - ( Hn +1 + 20 lg rn +1 ) =rn +1- rn式中Hn n 号测点场强值 , dB;Hn + 1 n + 1 号测点场强值 , dB ;rn 发射点到 n 号测点的距离 , m;rn + 1 发射点到 n + 1号测点的距离 , m。2 13 地质雷达法测试雷达波在煤岩层中传播速度和衰减取决于煤岩 层的介电常数和电导率 , 在低损耗介质中 , 在
10、 50200 MH z频率范围内 , 雷达波的速度 v取决于相 对介电常数 , 即C1 + C2R Sr; =;= 1 +C0d = c .rQ1 - Q2 Q1 Q2式中c电磁波在真空中的传播速度 , c = 3 108 m / s。R = L+Q1 Q2Q1 - Q2式中C0 夹持器 (极板 ) 固有电容值 , F;R 插入样品后谐振回路电阻 , ; S 试验样品表面积 , m2 ; 角速度 , rad / s;L 电感 , H;雷达波在介质中的传播速度 , 在已知相对介电常数时 , 可按上式计算 , 但一般并不能确定相对介 电常数值 , 较为可行的方法是在现场实测 , 然后计 算出雷达波
11、在介质中的传播速度 , 再计算出相对介电常数 r值 。地质雷达法现场测试电性参数方D 试验样品厚度 ,m。法如图 2所示。通过取样在实验室测试的方法 ,虽可得到较准确的电性参数 , 但煤岩层在垂直剖面上结构 、煤岩组分以及测试外部因素有影响 , 最好结合其它方法 来测试电磁波吸收系数、相对介电常数和电阻率 , 并进行对比分析电性参数。2 12 无线电波透视法测试无线电波透视法测试主要用来测试煤层的电磁 波吸收系数 , 测试仪器选用现有无线电波坑道透视 仪 , 测试场地选择地质构造条件简单、干扰因素少 的两平行煤巷 , 在一条巷道布置 1 3 个发射点 ,在另一巷道接收各测点的场强值 , 如图
12、1所示 。图 2 地质雷达法测试示意将雷达发射天线固定在某一点 , 测得从发射到反射回来的雷达波沿路径 L 和 L 的旅行时间 t 和1 21t , 依据下式求得雷达波在介质中的传播速度 ,2即 = (L2 - L1 ) . ( t2 - t1 )2则相对介电常数 : r = ( c .)。理论与实践表明 , 在不同导电率条件下 , 雷达波的衰减系数 表示为 = ( 1169 103) .图 1 无线电波透视法测试示意r= G +k110煤层电磁波吸收系数 的确定 : 电磁波在介质中传播时 , 电磁能量随距离的增加而逐渐被吸收衰 减 , 就是表示单位距离场强的衰减量称吸收系2或 = r1 +-
13、 1r式中 介质电导率 ;12G直流电导率 ;角频率 ( 2f) ;0 真空介电常数 ;k11 随频率变化的介电损耗 ;介质磁导率。从式中可以看出 , 雷达波衰减系数与频率有 关 , 随着频率的升高衰减系数加大 , 探测深度就变 浅 , 不同介质有不同电性特征 , 一般象煤层等沉积 岩 , 的变化不大 , 而 r和 变化很大 , 如果介质 电导率低 , 即电阻率高 , 相对介电常数就低 , 衰减 系数也就低 , 雷达探测深度就加深 。2 14 直流电法测试在井下选择地质条件比较简单 、干扰因素少的 稳定煤层布置电极 , 选用直流电法对称四极装置来电电极距较小时 , 也可视为半空间电场。此方法测
14、煤层视电阻率时一般供电电极间距小于 3 m , 则供 电有效深度小于 115 m , 巷道高度一般大于 2 m , 电流经围岩的部分将很少 , 则测量电极所测电位差 由下式表示 :II 1 1 11U=- - +M N2KAMBM ANB N煤层电阻率则表示为 = KUM N / I式中K装置系数 ; I供电电流强度 , A; 煤层电阻率 , m。实际工作中应在同一煤层一定区域多选择几处 测量 , 然后通过求平均值作为该层煤一定区域的视 电阻率。测定煤岩层视电阻率 , 测试装置如图B 为供电电极 , M 、N 为测量电极 。3 所示 ,A、3煤岩特征与电性参数关系的研究由实验室和现场对全国多个
15、矿井 , 多个煤岩层 煤样和岩样的电性参数 (电阻率 、介电常数和电 磁波吸收系数 ) 进行了测试 , 以及对煤的变质程 度、温度 、湿度、测试频率、极化方向、煤层瓦斯 压力、煤层围岩等的影响进行对比 、分析、归纳和 研究。表 1为部分 (各变质煤种选一 ) 常温下实 测电阻率 、介电常数与煤的变质程度等的统计表。图 3 直流电法对称四极测量装置示意井下大多建立起近似全空间供电电场 ,但当供表 1电阻率 、介电常数与变质程度等的统计1 MH z工作频率160 MH z工作频率煤的变质程度取样或测试地点rr原煤样 /m湿煤样 /m原煤样 /m湿煤样 /m1114 1048187 1034195
16、1042111 1043171 1044153 1041195 1045196 1036112 103515 1033151 1041169 1042149 1042105 1041174 1045121 103816 102519 102111 103419 102111 103316 102618 105133 1025185 1029176 1023152 1027117 1022112 102517 102平庄一矿六号煤阜新新邱下层煤 徐州旗山一号煤 南桐红岩六号煤 攀枝花太平 18 煤 淮北岱河三号煤 西山杜儿坪九煤 松藻一矿一号煤褐煤长焰煤 气煤 肥煤 焦煤 瘦煤 平煤 无烟煤41
17、131121421221121531012152182183102133112153163 11 煤的电阻率与煤的变质程度之间的关系经过大量实测统计对比研究 , 煤化程度很低的 褐煤 , 常含有较高的水分和溶于水的腐植酸离子 , 故其电阻率较低 ; 随着煤化程度的加深 , 褐煤中水分和溶于水的腐植酸离子含量将显著减少 , 因而褐煤的离子导电性减弱 , 其电阻率明显增高。烟煤常 有较高的电阻率 , 但随煤变质程度的加深 , 电阻率减少 ,过渡至无烟煤 ,电阻率急剧下降。表 1部分统计中可看出 , 随着煤的变质程度的增高 , 电阻率总趋势虽减少 , 但其中个别反而变大 , 是因为不同 地区不同煤种
18、煤岩组分和所含矿物质不同 , 其电性差异较大 ; 不同地区同一煤种煤岩组分也不同 , 电 性差异也较大。3 12 电阻率与温度的关系选择近 100 个煤样 , 在 120 范围内 , 用 1MH z频率进行电阻率测量 , 不同变质程度的煤 , 电阻率随温度的增加而增加 , 其中褐煤 、长焰煤 、 肥煤电阻率增加得很快 。表 2为不同煤种选一个的 统计表 , 煤样产地同表 1 , 也可看出电阻率随温度 的增加而增加。说明煤层在不同方向电阻率不一样 , 具有明显的各向异性见表 3 , 煤样取自兖州南屯矿。 m表 3煤层电阻率的各向异性测定极化方向煤 3 上煤 3 中煤 3 下3 号煤垂直极化水平极
19、化3189 1042116 104519 1041168 104419 1041188 1041162 1041134 104表 2 煤的电阻率与温度的关系不同条件煤电阻率 /m3 16 介电常数与变质程度和湿度的关系图 5是不同变质程度的煤及煤层围岩石原煤岩煤种常温40 80 120 1114 1048187 1034195 1042111 1043171 1044153 1041195 1045196 1032127 1041186 1045115 1047123 1045165 1047146 1042181 1048193 1039154 1047105 104519 1042129
20、1051134 1059167 1044194 1041102 1043187 1053103 1051143 1055176 1051163 1052118 1056159 1041132 104褐煤长焰煤 气煤 肥煤 焦煤 瘦煤 平煤 无烟煤样与湿煤岩样 , 用 1 MH z 频率进行测试的结果 。相对介电常数随变质程度的增高先减小然后又增大 , 在褐煤 、无烟煤和围岩变化幅值较大 , 在烟煤 阶段变化不明显 ; 相对介电常数随煤岩样湿度增加 时也增大 , 湿度对褐煤 、长焰煤以及围岩的相对介 电常数影响很大。对烟煤和无烟煤影响较小 。3 13 电阻率与湿度的关系煤的湿度分为内部湿度和外部
21、湿度。煤的内部 湿度是煤的电阻率随其变质程度变化的主要因素 , 煤的外部湿度取决于煤田的水文地质条件 , 外部湿 度会使煤的电阻率降低 。在氧化带中 , 外部湿度一 般较大 , 所以氧化带的电阻率往往比深部煤的电阻 率低。表 1湿煤样是原煤样经过水浸泡后的煤样 ,从表中可以看出 , 湿煤样电阻率普遍低于原煤样。3 14 电阻率与测试频率的关系煤岩层电阻率与测试频率成反比 , 频率越高电 阻率越小 。图 4 为用不同频率测试煤层及煤层围岩图 5 介电常数与变质程度、湿度的关系A K分别为褐煤 、长焰煤 、气煤 、肥煤 、焦煤 、瘦煤 、贫煤 、 无烟煤 、页岩 、薄层灰岩 、砂岩3 17 介电常
22、数与温度的关系不同变质程度的煤 、岩层 , 相对介电常数随温 度的升高都有不同程度的减小。表 4 为煤的相对介 电常数与温度的关系部分测试结果 。电阻率的总结图 , 图中看出 , 不但煤层 ,率测试频率越高电阻率越小。岩层电阻表 4 煤的相对介电常数 r与温度的关系不同条件煤相对介电常数 r煤样产地煤种常温40 80 120 平庄一矿六号煤南桐红岩六号煤 松藻一矿一号煤褐煤烟煤 无烟煤4109216121231422131017213211111211921110103 18 介电常数与测试频率的关系经测试总结研究得知 : 大部分煤和煤层围岩的 相对介电常数随着测试频率的升高而减小 , 无烟煤
23、和煤层围岩变化较大 , 烟煤变化较小 ; 各种变质程度的煤及岩石 , 在低频段表现分散 , 在高频段趋于图 4 电阻率与测试频率关系3 15 煤层电阻率的各向异性同一煤层垂直极化比水平极化方向电阻率高 ,一致。图 6为经大量测试绘制的介电常数与测试频率的近似关系图。图 7 煤样电阻率与瓦斯压力关系各个煤岩层在煤田勘探过程中都对钻孔进行过视电阻率测井 , 因而可收集到各煤层的大致视电阻 率 , 再与现场无线电波透视测试的煤层电磁波吸收 系数、透视距离对比分析 , 表 5为视电阻率测井资 料与现场透视资料的对比 , 由表 5可看出 , 煤层电 阻率越低 , 对电磁波的吸收系数越大 , 电磁波透视
24、距离就越小 ; 频率越高 , 对电磁波的吸收系数越图 6 介电常数与测试频率的近似关系A K分别为褐煤 、长焰煤 、气煤 、肥煤 、焦煤 、瘦煤 、贫煤 、 无烟煤 、页岩 、薄层灰岩 、砂岩3 19 煤层瓦斯压力对导电性的影响煤层瓦斯压力对煤层导电性的影响还处于初始 测试和研究状态 , 仅作过几例测试研究 , 初步认为 : 煤层电阻率随着瓦斯压力的增加而变小 , 也有 受瓦斯压力上升而增高 , 但当压力大于 015 M Pa 时 , 电阻率也开始下降 。图 7为白沙煤样和焦作煤 样电阻率与瓦斯压力关系。3 110 视电阻率测井资料与现场透视吸收系数对比大 , 透视距离也变小 ; 由勘探视电阻
25、率测井资料 、煤的变质程度和透视工作频率 , 可大致估计煤层的吸收系数和透视距离 , 为开展矿井无线电波透视提 供较好的参考资料。表 5 视电阻率测井资料与现场透视资料对比无线电波透视参数视电阻率 /m地点及煤层煤种使用仪器吸收系数 / dB m - 1频率 f /MH z透距 /m1150151150151150150150130150130129012101370132015101410135013201450138200 250250 300160 210210 270130 150150 200170 220220 280150 190200 250西山官地矿 15 号煤贫煤1 700
26、 1 800W KT - F3西山西铭矿 9 号煤瘦煤1 300 1 500W KT - D阳泉一矿 7 号煤层无烟煤700 800W KT - D皖北任楼矿 8 号煤肥煤1 350 1 500W KT - E淮南潘一矿 C13号煤无烟煤650 800W KT - E3 111 其他因素除以上煤岩特征影响电性参数外 , 煤岩组分 、 煤中矿物质的影响也比较大。各种煤岩组分中 , 丝炭的电阻率比镜煤低 ; 煤中矿物质的电阻率通常低于褐煤或烟煤中有机质的电阻率 , 而高于无烟煤中 有机质 的电 阻 率。因 此 , 褐 煤 或 烟 煤 的 电 组 率 (介电常数 ) 随矿物杂质含量增高而降低 (增大
27、 ) , 而无烟煤的电阻率 (介电常数 ) 则随矿物杂质含量增高而增大(降低 ) , 但当无烟煤层中含大量黄铁矿时 , 会使无烟煤的电阻率降低 。煤层围岩虽然不直接决定煤层电性参数大小 , 但它影响矿井电磁法勘探 , 当围岩电性参数与煤层 电性参数相差较大时 , 用电磁法来探测煤层中的地 质异常体效果比较明显 ; 当围岩电性参数与煤层电 性参数接近时 , 用电磁法来探测就不好区分煤层中 (下转第 41 页 )表 1 潞安矿区地应力测量结果巷道名称埋深 /m垂直应力 /M Pa最大水平主应力 /M Pa最小水平主应力 /M Pa最大水平主应力方向五阳 7516 放水巷五阳五一运输巷 漳村西运输下
28、山 漳村 1310 运输巷 常村 S3 运输下山 常村 S2 轨道上山石圪节 2318 联络巷 王庄 52 北轨道巷 王庄 433 下山45035034023037333018032016511125817581505175913381254150810041131511613120615851931317813165513141587160813061503153314761967131311321854168N1118 WN1916 W N5417 W N5217 W N3517 W N2813 W N7810 E N7219 W N5510 W从矿区中各矿地应力情况来看 ,王庄矿煤层埋参
29、考文献 :深最浅 , 所测地应力数值相对来说也是最小的 ; 其次是石圪节矿和漳村矿 ; 常村矿和五阳矿所测地应 力数值最大 , 其中最大水平主应力达 15116 M Pa。康红普 , 林健. 我国巷道围岩地质力学测试技术新进展 1 J . 煤炭科学技术 , 2001 ( 7 ) .国家地震局地壳应力研究所. 水压致裂裂缝的形成与扩展研 究 M . 北京 : 地震出版社 , 1999.刘允芳 , 刘元坤. 水压致裂地应力测量若干问题的讨论 J . 地震研究 , 1999 ( 3 ) .SHL YA POB ER SKY J. O n - site in te rac tive hyd rau l
30、ic frac tu ring p rocedu re s fo r de te rm in ing the m in im um in situ stre ss from frac2 tu re c lo su re and reop en ing p re ssu res J . In t. J. Rock M ech. 2 4结论( 1 ) 从水压致裂地应力测量方法在煤矿中的 应用情况及分析来看 , 该方法完全适合煤矿井下地 应力测量 , 而且是一种比较可靠的快速测量方法 , 比较适合煤矿井下大面积快速地应力测量的要求。 ( 2 ) 通过对水压致裂地应力测量方法各个测 量环节的改进和研究
31、 , 完全可以提高其测量精度及 准确性 , 为煤矿巷道布置及支护提供准确的参数。 ( 3 ) 通过全矿区地应力测量 , 获得了大量基 础数据 , 为潞安矿区大面积推广煤巷锚杆支护技术打下了坚实的基础。 3 4 M in. Sci. & Geom ech. A b str. , 1989 ( 6 ) . 作者简介 : 李晋平 ( 1964 - ) , 男 , 山西长治人 , 高级工程师(教授级 ) , 博士研究生 , 现任山西潞安环保能源开发股份有限公 司副总经理。收稿日期 : 2005 - 01 - 10; 责任编辑 : 曾康生(上接第 46 页 )的地质异常体。 这就是一般无烟煤矿开展矿井物
32、探效果没其它煤种的矿特别明显的原因之一。( 4 ) 影响煤层电性参数的主要因素有 : 煤的变质程度 、湿度 、各向异性 、煤岩组分 , 测试频 率、瓦斯压力和温度次之。参考文献 :4结论( 1 ) 电阻率 、介电常数以及煤层对电磁波的岳建华 , 刘树才 1矿井直流电法勘探 M . 徐州 : 中国矿业大学出版社 , 2000.储绍良 1 矿井物探应用 M 1 北京 : 煤炭工业出版社 ,1995.徐宏武 1矿井无线电波透视技术在煤矿地质中的应用 J .矿井地质 , 1997 ( 1 ) 1 1 2 吸收系数等是表征煤性质的重要物理参数 ,法勘探最密切的电性参数。是电磁 3 ( 2 ) 为了更好地开展矿井电磁法勘探 ,必须事先对所要探测的煤层及围岩的电性参数有比较正确的了解 。( 3 ) 视电阻率测井资料可初步大致了解煤岩 层电阻率 , 实验室测试是精细研究煤岩层电性的有 效方法 , 现场实测能快速真实地获得电性参数 。 作者简介 : 徐宏武 ( 1968 - ) , 男 , 重庆人 , 高级工程师 , 现从事物探仪器开发 , 矿井物探、工程物探及工程检测工作。收稿日期 : 2004 - 10 - 08; 责任编辑 : 曾康生
