矿山灾害电阻率法预测机理及试验

MECHANISM AND TESTS OF MINE DISASTER PREDICTION BY RESISTIVITY METHOD

Li Dechun　Ge Baotang　Hu Jiewu
(China University of Mining and Technology)

　　Abstact　The rock burst and coal outburst have important influences on the mining safety,technology and production dfficiency in coal mine.The application of resistivity merthod in the mine disaster prediction is discussed in this paper,and the resistivity variation during the rock sample rupture is measured by the tests.The results show that the resistivity variation of rock is obvious during its rupture,and it suggests that the resistivity method could be used to predict the mine disaster.
　　Keywords　resistivity method;mine disaster;prediction;mechanism;test

1　引言

　　众所周知，煤炭开采是一项巨大的地下工程，其主体是含有煤的岩石。由于在巷道掘进和煤炭开采过程中，地下原始应力平稳被打破和出现临空面，围岩失稳现象也随之大量产生，如岩爆、岩石及瓦斯突出、顶板冒落、地下突水等，己构成煤炭生产的最主要不安全因素，成为一项带有普遍意义的地下岩体动力灾害，严重影响煤炭工业的发展，成为煤矿技术中十分突出的难题。
　　岩体动力灾害主要是由岩体破裂、失稳所致，对其进行预测预报，并进行预防和治理，可以最大限度地减少灾害次数和减轻灾害的影响程度。
　　岩体破裂失稳过程的电阻率监测方法主要在前苏联、波兰、德国等开展研究。美国岩体力学家Brsace^{［1，2，3］}首先进行了有关岩体破裂的电阻率变化试验，并提出若干破坏模式和机理，此后许多国家^{［4，5，6］}将电阻率方法用于地震预报，并进行了大量试验。随着煤炭开采深度加大和岩体动力灾害现象的频繁发生，人们开始注意到煤矿岩体破坏问题，电阻率法也开始在煤矿进行试验。代表人物是波兰的Storinski W^［7，8］，他在鲁宾矿等进行了数年的观测，主要进行岩爆、顶板冒落的预测、预报，取得了初步成果。

2　电阻率法预测矿山动力灾害的基本原理

　　岩体的电阻率是反映其导电性能的物理量。煤矿开采中，遇到的主要是沉积岩，沉积岩主要由长石、云母等矿物组成，这些造岩矿物的电阻率高达10⁶ Ω^.m以上，应属于绝缘体。而实际上所测电阻率值要小的多，这是由于地下岩石都具有一定的孔隙或裂隙，其内充填有导电的水，因此决定岩体电阻率大小的主要因素是这些孔隙、裂隙及含水状态。这一点对于矿山岩体动力灾害监测分析来说十分重要，因为矿山岩体受力破坏恰恰是伴随着岩体裂隙的发育变化及地下水状态的变化。图1为岩体电阻率与其孔隙度关系的统计结果。

图1　岩体电阻率与其孔隙度大小的关系

3　有关试验方法

　　试验采用加压装置对岩样加压使之破坏，在此过程中观测电阻率值的变化特性，特别是破坏前的特性，对于岩体动力灾害的预测预报具有十分重要的意义。
3.1　岩样制备
　　试验所用岩样主要来自山西大同煤田及内蒙古霍林河煤田，为煤系中的砂岩、泥岩、灰岩和煤。首先要将岩样加工成圆柱状，具体有以下几点要求：
　　a.　岩样应为正圆柱形，其高度与直径比为2～3，以减小端部效应的影响；
　　b.　岩样两个端面应平行至0.02 mm，并与圆柱轴垂直，最大偏差＜0.001弧度；
c.　圆柱体侧面应光滑平整，在岩样的整个长度上，与一直线的偏差应小于0.03 mm；
　　d.　不同条件下，某一岩性岩样不得少于5个。
3.2　试验装置
　　试验所需设备为压力机和电法仪。本次试验中主要为WZ—600液压万能材料试验机和SYSCAL R2数字电法仪，其联接方式如图2所示。

图2　电阻率测量试验装置图

　　试验中电阻率值的测量采用四极装置。当电流I通过岩体时，MN之间的电位差ΔU_MN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_MN/I，

式中　ρ——电阻率，Ω^.m；
　　　K——装置系数，m；
　　　ΔU_MN——电位差，mV；
　　　I——供电电流强度，mA。
　　对于图2所示的四极装置，一般采用圆柱状岩样，要求AB间的距离大于其横截面的直径，装置系数K则为：

K=S/L，

式中　S——岩体横截面面积，m²；
　　　L——测量电极MN之间的距离，m。
　　在供电线路里串联一个阻值为100 Ω的标准电阻，通过测量供电回路中标准电阻的电压，间接获得回路中的电流强度，从而提高了精度。

4　试验结果

　　本次共对23个岩样进行了破坏观测试验，发现在岩石破坏过程中其电阻率变化十分明显，总体有一定的规律性，但对于不同岩样又有所不同，如图3、图4所示。图3为典型的先升后降型，图4为单边下降型。

图3　先升后降型电阻率与压力关系曲线

图4　单边下降型电阻率与压力关系曲线

5　试验结果分析

　　天然状态下的岩石总是存在着许多微裂隙，岩体的破坏实际上是裂隙变化的结果。岩体在受力后直至破坏，其裂隙发育可分为3个阶段。(图5)

图5　岩体破坏过程的裂隙变化
Ⅰ——均匀微裂阶段；Ⅱ——加速微裂阶段(由于裂缝之间
的互相作用)；Ⅲ——不稳定微裂和主断层形成阶段

　　第一阶段，压力比较小时，岩体内的原有微裂隙的数目缓慢增加，并产生新的裂隙，此时电阻率变化不大。
　　第二阶段，随着压力的增大，岩体裂隙大量发育，如果岩石为水饱和状态，此时电阻率为增大，如果岩石为半饱和则电阻率下降。
　　第三阶段，当岩体接近破坏，其内部产生主裂隙，流体的联通可导致电阻率进一步下降。
　　从上述分析可以看出，对于水饱和岩石电阻率随压力的变化规律是上升—下降型；对于部分饱含水岩石来说则是单边下降型。由此可见岩体含水的状态对于用岩体电阻率预测其破坏来说，至关重要。

6　矿山岩体灾害模型

　　对于矿山岩体来说，由于为人工开挖岩体的水力供给受到影响，可能处于饱和状态，因而可以用上升—下降型作为预测模型，如图6所示。预测预报方法是在岩体中连续观测电阻率随时间的变化，得出电阻率—时间关系曲线，根据曲线形态预测岩体动力灾害发生的可能性，并进行预报。

图6　岩体灾害电阻率预测模型

7　结论

　　a.　岩体电阻率随压力变化有着十分明显的反映，但不同的岩体及其含水状况不同，其变化规律不同。
　　b.　矿山岩体动力灾害如冲击地压、瓦斯突出、底板突水利用电阻率进行监测是可行的，它具有探测范围大，无需钻孔，可实现遥测等优点。
　　c.　有关机理、预测预报方法等尚有许多问题亟待研究。

*煤炭科学基金资助项目(93采10102)
作者简介　李德春　男　35岁　讲师　地球物理勘探
作者单位：中国矿业大学　徐州　221008

参考文献

1　Brace W F,et al.Electrical resistivity changes in saturated rocks during fracture and frictional stiding.J.G.R,1968;73(4):130～131
2　Brace W F.Futher studies of the effect of pressure electrical resistivity of rocks,J.G.R,1968;73(4):132～141
3　Brace W F.Ditatancy related electrical resistivity changes in rocks,PAGP,1975;113(1/2):406～409
4　Mazzella A.Electrical resistivity varisitions associated with earthquake on the San Andreas faull,Science,1974;185(41):1109～1118
5　Morrow C et al.Electrical resistivity changes in tuff due to stress.J.G.R,1981;86(2):1012～1019
6　钱复业等.地震前电阻率的异常变化.中国科学(B辑)，1982；(9)：212～219
7　Stopinskl W.Precursory rock resistivity variations related to mining tremors.Acta Geophys.Pol.,1982;30(4):367～379
8　Stopinskl W.Preliminary results of rock resistivity inverstigations in copper mine Lubin and their relation to the increase in stresses in the rock mass.Puble.Inst.Pol.Acad.Sc,1979;21(3):405～417