不同煤体结构类型煤分层视电阻率值的测试

摘　要: 利用DZ - ⅡA型防爆数字直流电法仪在淮南矿区井下对不同煤体结构类型的煤分层进行了30组视电阻率值的煤壁测试。根据测试结果认为, 利用视电阻率仅能将不同煤体结构区分为硬煤和构造软煤两大类, 而测试结果有助于提高对不同煤体结构类型煤的电性差异的认识和相关物探资料解释的精度, 推动构造软煤非接触性探测工作的开展。

关键词: 煤体结构; 视电阻率; 煤分层; 构造软煤

中图分类号: P574119　文献标识码: A　　文章编号: 0253 - 2336 (2005) 03 - 0070 - 03

概　　述　　

       视电阻率是地质体的主要电性参数之一, 对无线电波坑道透视和钻孔测井曲线数据解释的精度均有重要影响[ 1 ] 。一些研究者在探寻不同煤体结构类型煤分层的电性差异上作过有益的尝试[ 2 ] , 但以往对煤视电阻率的认识主要来自实验室煤样的测试, 实验室测试是在煤样的原始状态遭到较大改变的情况下进行的, 故而测试结果与真值间存在着较大的误差。为了提高对不同煤体结构类型煤分层视电阻率的测试精度和对不同煤体结构类型煤的电性差异的认识, 为非接触式探测构造软煤分层提供理论依据, “十五”期间, 在淮南矿区潘三矿和谢桥矿的3个掘进工作面, 使用煤炭科学研究总院西安分院研制的DZ - IIA型防爆数字直流电法仪, 对不同煤体结构类型煤分层的视电阻率进行了煤壁直接测定。 2 　测试原理及方法

211　测试原理　　

       选用直流电法勘探技术中的对称四极装置布置电极, 井下工作装置如图1所示。　　通过测试一次场供电电场电流( I) 和接受电压(V ) 来换算出被测物体的视电阻率值(ρs ) 。 ρs = K V I 　　(Ω·m) 式中, K为装置系数。 212　测试方法　　DZ - ⅡA型防爆数字直流电法仪是专为井下物探设计的, 抗干扰能力和智能化程度均较高, 测量精度为±015% , 为井下数据采集的可靠性提供了保障。实测中遵循了以下几点: (1) 为保证测值的准确性, 每一测点均采用不同供电电流多次复测, 测值误差不超过相关规程规定时(不大于5% ) , 取各测值的平均值作为该测点处的视电阻率值。 (2) 对于厚度较小的煤分层, 一定要把电极直线形布于煤分层中部, 且电极位置与另一煤分层的距离不得大于AB /4, 以避免旁侧影响。 (3) 测点应选在煤壁平整、密实处, 以提高不同煤体结构类型煤的视电阻率测值的可靠性。 (4) 在高阻煤中, 电极接地电阻易变大, 应采取浇盐水、填塞炮泥等办法, 保证电极接触良好。

3 　测试结果及分析 311　测试结果

　　分别在潘三矿1452 ( 3 ) 运输巷、1781 ( 3 ) 回风巷和谢桥矿1151 (3) 回风巷按一定间距选择测点, 尽可能在同一巷道位置分别测定不同煤体结构类型煤的视电阻率, 以便对比。　　在潘三矿1452 (3) 运输巷布测9个点, 1781 (3) 回风巷布测8个点; 谢桥矿1151 (3) 回风巷布测13个点。测得数据30组, 共120个。　　若将这些测值按煤体结构的四类划分法进行整理分析, 则各类煤的视电阻率值重叠交叉较多, 规律性不明显。　　若按硬煤和构造软煤的两类分法进行测值的整理分析, 两类煤之间的差异比较明显, 这也印证了依据普氏系数f值将煤体结构划分为硬煤与构造软煤的两类划分法的客观性[ 3 ] 。　　不同煤体结构类型煤的视电阻率值测定结果见表1和表2。 312　测试结果分析　　井下测定过程中, 仪器工作状态良好, 环境干扰小, 测得的30组数据绝大多数重复性较好, 因而可靠性较高; 尽管因井下工作条件所限, 由电极接地不良和接地电阻过大等原因, 造成6组数据可信度较差, 但它们不具有代表性, 故在资料分析时予以剔除。在剩余的24组数据中, 构造软煤共测得视电阻率数值9组, 硬煤共测得15组。表1　潘三矿C13 - 1煤层煤的视电阻率测定数据Ω·m 项目煤体结构类型各测点视电阻率ρs平均值常见值域平均值硬煤较构造软煤ρs倍数 1452 工作面运输巷构造软煤 850 400 3 700 3 400～850 620 硬煤 1 225 2 180 1 950 2 600 610 25 3 1 200～2 500 1 712 2176 1781 工作面回风巷构造软煤 1050 965 53 3 375 375～1 050 800 硬煤 4 450 700 3 5 550 3 250 3 250～5 550 4 416 5152 　　注: 加“3 ”的数值为电极接地不良等原因而导致的失真数值, 表2与此同。由24组有效测定数据可见: (1) 依据视电阻率值仅能将不同煤体结构类型区分为构造软煤和硬煤, 进一步细分时, 数值重叠交叉较多, 因而较为困难, 基本上没有实际操作的可能性。 (2) 构造软煤与硬煤分层煤的视电阻率值存在明显的差异, 同一煤体结构类型煤分层的视电阻率值具有一定的规律性。对于淮南矿区中低变质程度的烟煤而言, 构造软煤的视电阻率值为48 ～ 1 050Ω·m, 常见值为680Ω·m左右, 一般值在 750Ω·m以下; 硬煤的视电阻率值为445～5 550 Ω·m, 常见值为2 530Ω·m左右。个别测点因煤中灰分、水分的影响和煤体本身的不均一性而使视电阻率值有较大的变化, 但总体上还是有规律可循的(图2) , 即硬煤的视电阻率值一般约为构造软煤的3170倍。不同煤体结构类型煤分层视电阻率的明显差异, 为以电磁波为主的构造软煤非接触式探测奠定了物性基础。表2 　谢桥矿1151 (3 ) 工作面回风巷C13 - 1 煤层煤的视电阻率测定数据Ω·m 煤体结构类型各测点视电阻率ρs平均值常见值域平均值硬煤较构造软煤ρs倍数构造软煤 48 722 1 000 160 160～1 000 627 硬煤 436 3 400 3 1 227 硬煤 2 664 1 621 2 720 445 620 3 141 400～3 141 1 475 2135 图2　视电阻率测定结果示意 313　构造软煤电阻率降低原因的分析 (1) 煤层受到构造应力破坏后, 致使构造软煤分层的裂隙增多, 孔隙度和水分含量增大, 离子导电性增强, 导致构造软煤的电阻率降低。 (2) 众所周知, 煤大分子的主体结构单元是缩聚芳香核和氢化芳香核, 结构单元周边还含有各种原子基团(包括脂肪烃、含氧基和杂原子团等) 。这些结构单元通过甲基、醚键、次甲基醚键和芳香碳- 碳链连接起来, 形成煤大分子[ 4 ] 。构造软煤分层形成时, 其所受应力和温度应高于硬煤分层, 使其中的腐植复合物更易于发生聚合反应, 稠环芳香系统趋于增大, 丧失部分官能团, 侧链减少、变短, 芳构化程度有所提高, 分子排列局部规则化。　　在此过程中, 煤大分子结构从无序趋于有序, 电子的定向运动与热振动的质点碰撞概率有所降低, 从而使构造软煤的导电性有所增强[ 5 ] 。

4 　结　　论

        (1) 在井下煤壁直接测试不同煤体结构煤分层的视电阻率值, 尽可能保持了被测煤体的原始状态, 使测试结果更加接近于真实的视电阻率。 (2) 硬煤与构造软煤分层的视电阻率值具有明显差异, 对于淮南中低变质程度的烟煤而言, 硬煤的视电阻率值一般约为构造软煤的3170倍。同一煤体结构类型煤, 分层的视电阻率值具有一定规律。视电阻率的较准确测定, 为坑透资料解释和视电阻率测井曲线判识构造软煤分层, 奠定了物性基础。 (3) 依据视电阻率值仅能将煤体结构划分为两大类, 即硬煤和构造软煤, 分别与生产单位惯用的硬煤和软煤相当; 与四类划分法中的原生结构煤 ( Ⅰ) 、碎裂煤( Ⅱ) 和碎粒煤( Ⅲ) 、糜棱煤 ( Ⅳ) 的煤体结构和物性特征相对应[ 6 ] 。如此, 对于煤体结构观测和探测资料的积累、对比和使用将是有益的。

参考文献:

[ 1 ] 　汤友谊, 陈江峰, 彭立世1无线电波坑道透视构造煤的研究[ J ]. 煤炭学报, 2002 (3) .

[ 2 ] 　吕绍林1 瓦斯突出煤体的导电性质研究[ J ]. 中南工业大学学报, 1998 (6) .

 [ 3 ] 　汤友谊, 张国成, 孙四清1不同煤体结构煤的f值分布特征 [ J ]. 焦作工学院学报(自然科学版) , 2004 (2) .

[ 4 ] 　朱之培, 高晋生1煤化学[M ]. 上海: 上海科学技术出版社, 19841

 [ 5 ] 　张广洋, 谭学术, 鲜学福, 等1 煤的导电性与煤大分子结构关系的实验研究[ J ]. 煤炭转化, 1994 (2) .

[ 6 ] 　汤友谊, 田高龄, 孙四清1 煤体结构成因分类的改进和完善[ J ]. 焦作工学院学报(自然科学版) , 2004 (3) 1 　　

作者简介: 汤友谊(1952 - ) , 男, 上海人, 教授, 从事基础地质学和矿山地质学的教学与研究工作。联系人: 孙四清, Tel: 0391 - 3983842, E - mail: x5135@sohu1com