煤層電性參數(shù)測試及其與煤巖特性關(guān)系的研究

1、煤層電性參數(shù)測試及其與煤巖特性關(guān)系的研究徐宏武(煤炭科學(xué)研究總院 重慶分院 , 重慶 400037 )摘要 : 試驗利用實驗室測試 、現(xiàn)場實測手段 , 進行了大量參數(shù)測試 , 并對煤巖層電性參數(shù)進行了研究 , 研究了煤的變質(zhì)程度 、煤巖組分 、濕度、溫度 、頻率、瓦斯壓力等對電性參數(shù)的影響及各向 異性問題 , 并指出與電磁法勘探最密切的電性參數(shù)是煤巖層電阻率、相對介電常數(shù)和煤層對電磁波吸收系數(shù)。關(guān)鍵詞 : 礦井電磁法勘探 ; 電性參數(shù) ; 煤巖層電阻率 ; 相對介電常數(shù) ; 吸收系數(shù)中圖分類號 : p63115m ea surem en t an d be tween seam文獻標(biāo)識碼 :t

2、e st of seam文章編號 : 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備 , 自制了直流電法測定裝置 , 結(jié)合已有的物探設(shè)備從實驗室和現(xiàn)場測試了大量數(shù)據(jù) , 也收集了眾多 資料 , 并對煤層電性參數(shù)進行了對比分析和研究 ,研究了煤的變質(zhì)程度 、濕度、溫度 、頻率、瓦斯壓力、煤巖組分、圍巖等對電性參數(shù)的影響及各向異 性問題 , 并得出與礦井電磁法勘探最密切的電性參1 概述無線電波坑道透視 、礦井地質(zhì)雷達和礦井直流電法等礦井電磁法勘探技術(shù) , 已在我國礦井物探中 廣泛應(yīng)用并發(fā)揮了重要作用 , 但其探測解釋效果及 精度往往受煤巖層電性參數(shù)的影響 。礦井電磁法勘 探的探測方法、測量參數(shù)選擇以及資料解釋 , 有

7、賴 于事先對煤巖層電阻率 、介電常數(shù)以及煤巖層對電 磁波的吸收系數(shù)等電性參數(shù)及其差異性進行了解和 正確認識 。數(shù)是煤巖層電阻率 、相對介電常數(shù)和吸收系數(shù)等 。經(jīng)過這些研究 , 將進一步推動無線電波坑道透視 、礦井地質(zhì)雷達和礦井直流電法等在現(xiàn)場的應(yīng)用。2煤巖層電性參數(shù)測試方法研究煤巖層電性參數(shù)測試方法多種 , 本文研究了實 驗室煤巖樣測試和現(xiàn)場測試 , 現(xiàn)場測試又有無線電 波透視、地質(zhì)雷達和直流電法的電性參數(shù)測定。2 11 實驗室煤巖樣測試測試儀器選用 qb g - 1 型高頻 q 表 (測量高我國煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜 ,煤種繁多 , 變質(zhì)程度不一 , 影響煤巖層電性參數(shù)的因素眾多。全國主要開采煤層

8、電性參數(shù)無系統(tǒng)資料 , 又無統(tǒng)一測試方 法 , 現(xiàn)場往往測試設(shè)備不全 , 精度不高。本文從多 年開展礦井電磁法勘探經(jīng)驗 , 總結(jié)并研究了一套較 完善的煤巖層電性參數(shù)測試方法 , 增添了測試設(shè)頻諧振回路品質(zhì)因素 ) , 采用并聯(lián)諧振法進行測定。測試煤巖樣由煤礦現(xiàn)場采集提供 , 要求試樣新 鮮、具有一定塊度 , 一般是長 10 mm , 寬 8 mm , 高 6 mm , 塑料袋封裝。試樣經(jīng)切片并磨成直徑 30 mm , 厚分別為 215 mm 和 4 mm 的圓形薄片 , 要求 圓表面磨制光滑呈鏡面。測試具體步驟如下 : 高頻 q 表通電 、預(yù)熱 20 m in以上 ; 測出不帶負 載前諧振回路

9、 (樣品極板間 ) 電容值 c1及品質(zhì)因 素 q1值; 測量極板間加載煤巖樣后諧振回路的 電容值 c2及品質(zhì)因素 q2值 ; 由下式計算出相對 介電常數(shù) r及電阻率值 數(shù) , 由下式表示 : ( hn + 20 lgrn ) - ( hn +1 + 20 lg rn +1 ) =rn +1- rn式中hn n 號測點場強值 , db;hn + 1 n + 1 號測點場強值 , db ;rn 發(fā)射點到 n 號測點的距離 , m;rn + 1 發(fā)射點到 n + 1號測點的距離 , m。2 13 地質(zhì)雷達法測試?yán)走_波在煤巖層中傳播速度和衰減取決于煤巖 層的介電常數(shù)和電導(dǎo)率 , 在低損耗介質(zhì)中 , 在

10、 50200 mh z頻率范圍內(nèi) , 雷達波的速度 v取決于相 對介電常數(shù) , 即c1 + c2r sr; =;= 1 +c0d = c .rq1 - q2 q1 q2式中c電磁波在真空中的傳播速度 , c = 3 108 m / s。r = l+q1 q2q1 - q2式中c0 夾持器 (極板 ) 固有電容值 , f;r 插入樣品后諧振回路電阻 , ; s 試驗樣品表面積 , m2 ; 角速度 , rad / s;l 電感 , h;雷達波在介質(zhì)中的傳播速度 , 在已知相對介電常數(shù)時 , 可按上式計算 , 但一般并不能確定相對介 電常數(shù)值 , 較為可行的方法是在現(xiàn)場實測 , 然后計 算出雷達波

11、在介質(zhì)中的傳播速度 , 再計算出相對介電常數(shù) r值 。地質(zhì)雷達法現(xiàn)場測試電性參數(shù)方d 試驗樣品厚度 ,m。法如圖 2所示。通過取樣在實驗室測試的方法 ,雖可得到較準(zhǔn)確的電性參數(shù) , 但煤巖層在垂直剖面上結(jié)構(gòu) 、煤巖組分以及測試外部因素有影響 , 最好結(jié)合其它方法 來測試電磁波吸收系數(shù)、相對介電常數(shù)和電阻率 , 并進行對比分析電性參數(shù)。2 12 無線電波透視法測試無線電波透視法測試主要用來測試煤層的電磁 波吸收系數(shù) , 測試儀器選用現(xiàn)有無線電波坑道透視 儀 , 測試場地選擇地質(zhì)構(gòu)造條件簡單、干擾因素少 的兩平行煤巷 , 在一條巷道布置 1 3 個發(fā)射點 ,在另一巷道接收各測點的場強值 , 如圖

12、1所示 。圖 2 地質(zhì)雷達法測試示意將雷達發(fā)射天線固定在某一點 , 測得從發(fā)射到反射回來的雷達波沿路徑 l 和 l 的旅行時間 t 和1 21t , 依據(jù)下式求得雷達波在介質(zhì)中的傳播速度 ,2即 = (l2 - l1 ) . ( t2 - t1 )2則相對介電常數(shù) : r = ( c .)。理論與實踐表明 , 在不同導(dǎo)電率條件下 , 雷達波的衰減系數(shù) 表示為 = ( 1169 103) .圖 1 無線電波透視法測試示意r= g +k110煤層電磁波吸收系數(shù) 的確定 : 電磁波在介質(zhì)中傳播時 , 電磁能量隨距離的增加而逐漸被吸收衰 減 , 就是表示單位距離場強的衰減量稱吸收系2或 = r1 +-

13、 1r式中 介質(zhì)電導(dǎo)率 ;12g直流電導(dǎo)率 ;角頻率 ( 2f) ;0 真空介電常數(shù) ;k11 隨頻率變化的介電損耗 ;介質(zhì)磁導(dǎo)率。從式中可以看出 , 雷達波衰減系數(shù)與頻率有 關(guān) , 隨著頻率的升高衰減系數(shù)加大 , 探測深度就變 淺 , 不同介質(zhì)有不同電性特征 , 一般象煤層等沉積 巖 , 的變化不大 , 而 r和 變化很大 , 如果介質(zhì) 電導(dǎo)率低 , 即電阻率高 , 相對介電常數(shù)就低 , 衰減 系數(shù)也就低 , 雷達探測深度就加深 。2 14 直流電法測試在井下選擇地質(zhì)條件比較簡單 、干擾因素少的 穩(wěn)定煤層布置電極 , 選用直流電法對稱四極裝置來電電極距較小時 , 也可視為半空間電場。此方法測

14、煤層視電阻率時一般供電電極間距小于 3 m , 則供 電有效深度小于 115 m , 巷道高度一般大于 2 m , 電流經(jīng)圍巖的部分將很少 , 則測量電極所測電位差 由下式表示 :ii 1 1 11u=- - +m n2kambm anb n煤層電阻率則表示為 = kum n / i式中k裝置系數(shù) ; i供電電流強度 , a; 煤層電阻率 , m。實際工作中應(yīng)在同一煤層一定區(qū)域多選擇幾處 測量 , 然后通過求平均值作為該層煤一定區(qū)域的視 電阻率。測定煤巖層視電阻率 , 測試裝置如圖b 為供電電極 , m 、n 為測量電極 。3 所示 ,a、3煤巖特征與電性參數(shù)關(guān)系的研究由實驗室和現(xiàn)場對全國多個

15、礦井 , 多個煤巖層 煤樣和巖樣的電性參數(shù) (電阻率 、介電常數(shù)和電 磁波吸收系數(shù) ) 進行了測試 , 以及對煤的變質(zhì)程 度、溫度 、濕度、測試頻率、極化方向、煤層瓦斯 壓力、煤層圍巖等的影響進行對比 、分析、歸納和 研究。表 1為部分 (各變質(zhì)煤種選一 ) 常溫下實 測電阻率 、介電常數(shù)與煤的變質(zhì)程度等的統(tǒng)計表。圖 3 直流電法對稱四極測量裝置示意井下大多建立起近似全空間供電電場 ,但當(dāng)供表 1電阻率 、介電常數(shù)與變質(zhì)程度等的統(tǒng)計1 mh z工作頻率160 mh z工作頻率煤的變質(zhì)程度取樣或測試地點rr原煤樣 /m濕煤樣 /m原煤樣 /m濕煤樣 /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平莊一礦六號煤阜新新邱下層煤 徐州旗山一號煤 南桐紅巖六號煤 攀枝花太平 18 煤 淮北岱河三號煤 西山杜兒坪九煤 松藻一礦一號煤褐煤長焰煤 氣煤 肥煤 焦煤 瘦煤 平煤 無煙煤41

17、131121421221121531012152182183102133112153163 11 煤的電阻率與煤的變質(zhì)程度之間的關(guān)系經(jīng)過大量實測統(tǒng)計對比研究 , 煤化程度很低的 褐煤 , 常含有較高的水分和溶于水的腐植酸離子 , 故其電阻率較低 ; 隨著煤化程度的加深 , 褐煤中水分和溶于水的腐植酸離子含量將顯著減少 , 因而褐煤的離子導(dǎo)電性減弱 , 其電阻率明顯增高。煙煤常 有較高的電阻率 , 但隨煤變質(zhì)程度的加深 , 電阻率減少 ,過渡至無煙煤 ,電阻率急劇下降。表 1部分統(tǒng)計中可看出 , 隨著煤的變質(zhì)程度的增高 , 電阻率總趨勢雖減少 , 但其中個別反而變大 , 是因為不同 地區(qū)不同煤種

18、煤巖組分和所含礦物質(zhì)不同 , 其電性差異較大 ; 不同地區(qū)同一煤種煤巖組分也不同 , 電 性差異也較大。3 12 電阻率與溫度的關(guān)系選擇近 100 個煤樣 , 在 120 范圍內(nèi) , 用 1mh z頻率進行電阻率測量 , 不同變質(zhì)程度的煤 , 電阻率隨溫度的增加而增加 , 其中褐煤 、長焰煤 、 肥煤電阻率增加得很快 。表 2為不同煤種選一個的 統(tǒng)計表 , 煤樣產(chǎn)地同表 1 , 也可看出電阻率隨溫度 的增加而增加。說明煤層在不同方向電阻率不一樣 , 具有明顯的各向異性見表 3 , 煤樣取自兗州南屯礦。 m表 3煤層電阻率的各向異性測定極化方向煤 3 上煤 3 中煤 3 下3 號煤垂直極化水平極

19、化3189 1042116 104519 1041168 104419 1041188 1041162 1041134 104表 2 煤的電阻率與溫度的關(guān)系不同條件煤電阻率 /m3 16 介電常數(shù)與變質(zhì)程度和濕度的關(guān)系圖 5是不同變質(zhì)程度的煤及煤層圍巖石原煤巖煤種常溫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褐煤長焰煤 氣煤 肥煤 焦煤 瘦煤 平煤 無煙煤樣與濕煤巖樣 , 用 1 mh z 頻率進行測試的結(jié)果 。相對介電常數(shù)隨變質(zhì)程度的增高先減小然后又增大 , 在褐煤 、無煙煤和圍巖變化幅值較大 , 在煙煤 階段變化不明顯 ; 相對介電常數(shù)隨煤巖樣濕度增加 時也增大 , 濕度對褐煤 、長焰煤以及圍巖的相對介 電常數(shù)影響很大。對煙煤和無煙煤影響較小 。3 13 電阻率與濕度的關(guān)系煤的濕度分為內(nèi)部濕度和外部

21、濕度。煤的內(nèi)部 濕度是煤的電阻率隨其變質(zhì)程度變化的主要因素 , 煤的外部濕度取決于煤田的水文地質(zhì)條件 , 外部濕 度會使煤的電阻率降低 。在氧化帶中 , 外部濕度一 般較大 , 所以氧化帶的電阻率往往比深部煤的電阻 率低。表 1濕煤樣是原煤樣經(jīng)過水浸泡后的煤樣 ,從表中可以看出 , 濕煤樣電阻率普遍低于原煤樣。3 14 電阻率與測試頻率的關(guān)系煤巖層電阻率與測試頻率成反比 , 頻率越高電 阻率越小 。圖 4 為用不同頻率測試煤層及煤層圍巖圖 5 介電常數(shù)與變質(zhì)程度、濕度的關(guān)系a k分別為褐煤 、長焰煤 、氣煤 、肥煤 、焦煤 、瘦煤 、貧煤 、 無煙煤 、頁巖 、薄層灰?guī)r 、砂巖3 17 介電常

22、數(shù)與溫度的關(guān)系不同變質(zhì)程度的煤 、巖層 , 相對介電常數(shù)隨溫 度的升高都有不同程度的減小。表 4 為煤的相對介 電常數(shù)與溫度的關(guān)系部分測試結(jié)果 。電阻率的總結(jié)圖 , 圖中看出 , 不但煤層 ,率測試頻率越高電阻率越小。巖層電阻表 4 煤的相對介電常數(shù) r與溫度的關(guān)系不同條件煤相對介電常數(shù) r煤樣產(chǎn)地煤種常溫40 80 120 平莊一礦六號煤南桐紅巖六號煤 松藻一礦一號煤褐煤煙煤 無煙煤4109216121231422131017213211111211921110103 18 介電常數(shù)與測試頻率的關(guān)系經(jīng)測試總結(jié)研究得知 : 大部分煤和煤層圍巖的 相對介電常數(shù)隨著測試頻率的升高而減小 , 無煙煤

23、和煤層圍巖變化較大 , 煙煤變化較小 ; 各種變質(zhì)程度的煤及巖石 , 在低頻段表現(xiàn)分散 , 在高頻段趨于圖 4 電阻率與測試頻率關(guān)系3 15 煤層電阻率的各向異性同一煤層垂直極化比水平極化方向電阻率高 ,一致。圖 6為經(jīng)大量測試?yán)L制的介電常數(shù)與測試頻率的近似關(guān)系圖。圖 7 煤樣電阻率與瓦斯壓力關(guān)系各個煤巖層在煤田勘探過程中都對鉆孔進行過視電阻率測井 , 因而可收集到各煤層的大致視電阻 率 , 再與現(xiàn)場無線電波透視測試的煤層電磁波吸收 系數(shù)、透視距離對比分析 , 表 5為視電阻率測井資 料與現(xiàn)場透視資料的對比 , 由表 5可看出 , 煤層電 阻率越低 , 對電磁波的吸收系數(shù)越大 , 電磁波透視

24、距離就越小 ; 頻率越高 , 對電磁波的吸收系數(shù)越圖 6 介電常數(shù)與測試頻率的近似關(guān)系a k分別為褐煤 、長焰煤 、氣煤 、肥煤 、焦煤 、瘦煤 、貧煤 、 無煙煤 、頁巖 、薄層灰?guī)r 、砂巖3 19 煤層瓦斯壓力對導(dǎo)電性的影響煤層瓦斯壓力對煤層導(dǎo)電性的影響還處于初始 測試和研究狀態(tài) , 僅作過幾例測試研究 , 初步認為 : 煤層電阻率隨著瓦斯壓力的增加而變小 , 也有 受瓦斯壓力上升而增高 , 但當(dāng)壓力大于 015 m pa 時 , 電阻率也開始下降 。圖 7為白沙煤樣和焦作煤 樣電阻率與瓦斯壓力關(guān)系。3 110 視電阻率測井資料與現(xiàn)場透視吸收系數(shù)對比大 , 透視距離也變小 ; 由勘探視電阻

25、率測井資料 、煤的變質(zhì)程度和透視工作頻率 , 可大致估計煤層的吸收系數(shù)和透視距離 , 為開展礦井無線電波透視提 供較好的參考資料。表 5 視電阻率測井資料與現(xiàn)場透視資料對比無線電波透視參數(shù)視電阻率 /m地點及煤層煤種使用儀器吸收系數(shù) / db m - 1頻率 f /mh z透距 /m1150151150151150150150130150130129012101370132015101410135013201450138200 250250 300160 210210 270130 150150 200170 220220 280150 190200 250西山官地礦 15 號煤貧煤1 700

26、 1 800w kt - f3西山西銘礦 9 號煤瘦煤1 300 1 500w kt - d陽泉一礦 7 號煤層無煙煤700 800w kt - d皖北任樓礦 8 號煤肥煤1 350 1 500w kt - e淮南潘一礦 c13號煤無煙煤650 800w kt - e3 111 其他因素除以上煤巖特征影響電性參數(shù)外 , 煤巖組分 、 煤中礦物質(zhì)的影響也比較大。各種煤巖組分中 , 絲炭的電阻率比鏡煤低 ; 煤中礦物質(zhì)的電阻率通常低于褐煤或煙煤中有機質(zhì)的電阻率 , 而高于無煙煤中 有機質(zhì) 的電 阻 率。因 此 , 褐 煤 或 煙 煤 的 電 組 率 (介電常數(shù) ) 隨礦物雜質(zhì)含量增高而降低 (增大

27、 ) , 而無煙煤的電阻率 (介電常數(shù) ) 則隨礦物雜質(zhì)含量增高而增大(降低 ) , 但當(dāng)無煙煤層中含大量黃鐵礦時 , 會使無煙煤的電阻率降低 。煤層圍巖雖然不直接決定煤層電性參數(shù)大小 , 但它影響礦井電磁法勘探 , 當(dāng)圍巖電性參數(shù)與煤層 電性參數(shù)相差較大時 , 用電磁法來探測煤層中的地 質(zhì)異常體效果比較明顯 ; 當(dāng)圍巖電性參數(shù)與煤層電 性參數(shù)接近時 , 用電磁法來探測就不好區(qū)分煤層中 (下轉(zhuǎn)第 41 頁 )表 1 潞安礦區(qū)地應(yīng)力測量結(jié)果巷道名稱埋深 /m垂直應(yīng)力 /m pa最大水平主應(yīng)力 /m pa最小水平主應(yīng)力 /m pa最大水平主應(yīng)力方向五陽 7516 放水巷五陽五一運輸巷 漳村西運輸下

28、山 漳村 1310 運輸巷 常村 s3 運輸下山 常村 s2 軌道上山石圪節(jié) 2318 聯(lián)絡(luò)巷 王莊 52 北軌道巷 王莊 433 下山45035034023037333018032016511125817581505175913381254150810041131511613120615851931317813165513141587160813061503153314761967131311321854168n1118 wn1916 w n5417 w n5217 w n3517 w n2813 w n7810 e n7219 w n5510 w從礦區(qū)中各礦地應(yīng)力情況來看 ,王莊礦煤層埋參

29、考文獻 :深最淺 , 所測地應(yīng)力數(shù)值相對來說也是最小的 ; 其次是石圪節(jié)礦和漳村礦 ; 常村礦和五陽礦所測地應(yīng) 力數(shù)值最大 , 其中最大水平主應(yīng)力達 15116 m pa?？导t普 , 林健. 我國巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測試技術(shù)新進展 1 j . 煤炭科學(xué)技術(shù) , 2001 ( 7 ) .國家地震局地殼應(yīng)力研究所. 水壓致裂裂縫的形成與擴展研 究 m . 北京 : 地震出版社 , 1999.劉允芳 , 劉元坤. 水壓致裂地應(yīng)力測量若干問題的討論 j . 地震研究 , 1999 ( 3 ) .shl ya pob er sky j. o n - site in te rac tive hyd rau lic 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