不同温度下无烟煤电阻率的层理效应

工程科学学报，第39卷，第7期：988995,2017年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.7:988-995,July 2017 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.003:http://journals.ustb.edu.cn 不同温度下无烟煤电阻率的层理效应 陈立12》，张英华)四，黄志安》，高玉坤”，白智明” 1)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教有部重点实验室，北京100083 2)河北工程大学矿业与测绘工程学院，邯郸056038 ☒通信作者，E-mail:yhustb@163.com 摘要选取层理面与轴向夹角0为0°、30°、45°，60°和90°的无烟煤样，采用CHI660E型电化学工作站，在0~95℃温度下 测试煤样的一V曲线，提出串并联主导程度概念，采用最小势能原理和电荷极化原理，分析和研究不同温度下层理结构对电 阻率的影响机理及规律.结果表明：无烟煤电阻率随温度升高呈现较强的规律性，当0为0°时在55℃时出现拐点，其余均在 35℃时出现拐点：串并联主导程度解释了层理结构对电阻率的影响机理，由关键层理面的数量和开始通过时间来决定：无烟 煤电阻率受层理结构影响显著，随0增大呈现递增规律；无烟煤各向异性系数随温度升高而增大，在35~65℃范围内，增大近 2倍. 关键词煤电阻率：层理效应：温度：串并联主导程度：各向异性系数 分类号TD713:P631.3 Effects of bedding plane on anthracite coal resistivity under different temperatures CHEN Li,ZHANG Ying-hua,HUANG Zhi-an,GAO Yu-un,BAI Zhi-ming 1)Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines,University of Science and Technology Bei- jing,Beijing 100083,China 2)College of Mining and Surveying Engineering,Hebei University of Engineering,Handan 056038,China Corresponding author,E-mail:zyhustb@163.com ABSTRACT This study tested the current vs.voltage curves of coals with angles of0°，30°，45°，60°，andg0°between the bedding plane and the axial direction at temperatures from0 to 95C using a CHI660E electrochemical workstation.The concept of the series-parallel dominant degree was put forward.Moreover,the influence mechanism and the rule of the bedding structure of anthracite coal on coal resistivity under different temperatures were analyzed and investigated using the principle of minimum potential energy and polarization charge.The results show that the resistivity of the anthracite coal exhibits a strong regularity with temperature rise.A turn- ing point appears at 55C for of the 0 samples,whereas the other samples have a turning point at 35C.The series-parallel domi- nant degree reflects the impact mechanism of the bedding structure on coal resistivity and depends on the number of key bedding surface and the start time of the current going through.The resistivity increases with the increasing 0.In addition,the anisotropy coefficient of the anthracite coal increases with the temperature rise and elevates nearly twice in the scope of 35 to 65C. KEY WORDS coal resistivity:bedding effect:temperature:series-parallel dominant degree:anisotropy coefficient 煤与瓦斯突出事故危害性大且可能诱发瓦斯爆炸中，受到煤体自身和外部因素影响，煤岩体的电阻率会 等次生灾害，一直是矿井安全生产研究的重点和难 发生异常变化，其变化对电磁勘探法预测煤与瓦斯突 点习.煤与瓦斯突出为煤岩动力灾害，在其孕育过程 出具有重要意义.对此，不少专家学者对煤电阻率及 收稿日期：2016-09-09 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51474017)

工程科学学报，第 39 卷，第 7 期: 988--995，2017 年 7 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 39，No． 7: 988--995，July 2017 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2017． 07． 003; http: / /journals． ustb． edu． cn 不同温度下无烟煤电阻率的层理效应 陈 立1，2) ，张英华1) ，黄志安1) ，高玉坤1) ，白智明1) 1) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 2) 河北工程大学矿业与测绘工程学院，邯郸 056038 通信作者，E-mail: zyhustb@ 163． com 摘 要 选取层理面与轴向夹角 θ 为 0°、30°、45°、60°和 90°的无烟煤样，采用 CHI660E 型电化学工作站，在 0 ～ 95 ℃ 温度下 测试煤样的 I--V 曲线，提出串并联主导程度概念，采用最小势能原理和电荷极化原理，分析和研究不同温度下层理结构对电 阻率的影响机理及规律． 结果表明: 无烟煤电阻率随温度升高呈现较强的规律性，当 θ 为 0°时在 55 ℃ 时出现拐点，其余均在 35 ℃时出现拐点; 串并联主导程度解释了层理结构对电阻率的影响机理，由关键层理面的数量和开始通过时间来决定; 无烟 煤电阻率受层理结构影响显著，随 θ 增大呈现递增规律; 无烟煤各向异性系数随温度升高而增大，在 35 ～ 65 ℃范围内，增大近 2 倍． 关键词 煤电阻率; 层理效应; 温度; 串并联主导程度; 各向异性系数 分类号 TD713; P631. 3 Effects of bedding plane on anthracite coal resistivity under different temperatures CHEN Li1，2) ，ZHANG Ying-hua1)  ，HUANG Zhi-an1) ，GAO Yu-kun1) ，BAI Zhi-ming1) 1) Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines，University of Science and Technology Bei￾jing，Beijing 100083，China 2) College of Mining and Surveying Engineering，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China Corresponding author，E-mail: zyhustb@ 163． com ABSTＲACT This study tested the current vs． voltage curves of coals with angles of 0°，30°，45°，60°，and 90° between the bedding plane and the axial direction at temperatures from 0 to 95 ℃ using a CHI660E electrochemical workstation． The concept of the series-parallel dominant degree was put forward． Moreover，the influence mechanism and the rule of the bedding structure of anthracite coal on coal resistivity under different temperatures were analyzed and investigated using the principle of minimum potential energy and polarization charge． The results show that the resistivity of the anthracite coal exhibits a strong regularity with temperature rise． A turn￾ing point appears at 55 ℃ for θ of the 0° samples，whereas the other samples have a turning point at 35 ℃ ． The series-parallel domi￾nant degree reflects the impact mechanism of the bedding structure on coal resistivity and depends on the number of key bedding surface and the start time of the current going through． The resistivity increases with the increasing θ． In addition，the anisotropy coefficient of the anthracite coal increases with the temperature rise and elevates nearly twice in the scope of 35 to 65 ℃ ． KEY WOＲDS coal resistivity; bedding effect; temperature; series-parallel dominant degree; anisotropy coefficient 收稿日期: 2016--09--09 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51474017) 煤与瓦斯突出事故危害性大且可能诱发瓦斯爆炸 等次生灾害，一直是矿井安全生产研究的重点和难 点［1--3］． 煤与瓦斯突出为煤岩动力灾害，在其孕育过程 中，受到煤体自身和外部因素影响，煤岩体的电阻率会 发生异常变化，其变化对电磁勘探法预测煤与瓦斯突 出具有重要意义． 对此，不少专家学者对煤电阻率及

陈立等：不同温度下无烟煤电阻率的层理效应 989 其影响因素开展了大量的科学研究.Kh:ll等利用 方面的研究，但仅涉及垂直和平行层理两个角度，缺少 煤电阻率对孟加拉国西北冈瓦纳煤层进行了特征描 对其他层理角度的研究.由于煤是各向电异性介质， 述.Karaoulis等同利用自然电位和煤电阻率相结合的 层理结构对其电导率也有着显著的影响四.鉴于此， 方法，确定了煤层的着火位置.张广洋等研究了电 本文选取层理结构明显的无烟原煤，制取5种不同层 场强度和变质程度对煤电阻率的影响，结果表明煤变 理角度的试验煤样，在不同温度条件下，利用CH660E 质程度越高，电阻率越小.徐龙君等从煤的组分、 型电化学工作站测试煤样的I一V曲线，并计算出电阻 灰分、挥发分、外加电压、焦耳热效应、矿物质等角度研 率，采用最小势能原理和电荷极化原理，分析和研究了 究了煤的导电特性.王云刚等网和吕绍林等0对构 不同温度条件下无烟煤电阻率受层理效应的影响机理 造软煤和瓦斯突出煤的电性参数进行了研究.陈鹏 和规律 等1-、朱亚飞等国和王云刚等研究了瓦斯煤体 受载时电阻率的变化规律，结果表明受载初期平行层 1试样制备及试验方案 理方向电阻率降幅较大，后期垂直层理方向电阻率增 1.1试样制备 幅较大.Rao等时、Das和Mohanty利用成像技术研 究了煤的水密性及其对电阻率的影响.衡帅等叨分 无烟煤样取自冀中能源邯矿集团陶二矿，所取煤 析和研究了层理对页岩水力裂缝扩展的影响.张朝鹏 样具有明显的水平层理结构，层理厚度约为11~21 等探究了不同层理方向煤岩体的损伤演化规律及 mm,平均约为16mm,个别煤样层理间有白色沉积物， 其厚度约为1mm. 变形破坏中的声发射现象，但只涉及了垂直和平行层 设煤样层理面与钻孔轴向夹角为6，分别按照0= 理方向.潘荣锟等网和邓博知等0研究了煤体层理 0°、0=30°、0=45°、0=60°和0=90°来进行制样，如图 裂隙对渗透性的影响.马天寿与陈平四研究了层理 面产状、井眼轨迹和层理面强度弱化对水平井井壁稳 1所示，煤样取芯采用ZS-100型自动取芯机，再经过 定的影响 切割、打磨等工艺，制成d50mm×100mm圆柱体标准 试样，并保证试样尽可能完整，且无明显缺陷.制备好 前人的研究主要集中于水分、变质程度、灰分和挥 发分、外力加载等因素对煤电阻率的影响，对垂直和平 的试样，如图2所示.将煤样按照0角分为A、B、C、D 行层理结构对煤电阻率特征的影响进行了一些研究， 和E共5个组别，并按照“组别&角度-标号”的方式 有部分关于煤的层理结构对声发射特征和渗透性影响 进行编号，试样编号及基本参数如表1所示 30 图1煤体层理面与轴向夹角示意图 Fig.I Schematic diagram of the angle between the coal bedding plane and the axial A0- 630- C5- D60 9o- 图2试验煤样 Fig.2 Experimental samples of coal

陈 立等: 不同温度下无烟煤电阻率的层理效应 其影响因素开展了大量的科学研究． Khalil 等［4］利用 煤电阻率对孟加拉国西北冈瓦纳煤层进行了特征描 述． Karaoulis 等［5］利用自然电位和煤电阻率相结合的 方法，确定了煤层的着火位置． 张广洋等［6］研究了电 场强度和变质程度对煤电阻率的影响，结果表明煤变 质程度越高，电阻率越小． 徐龙君等［7--8］从煤的组分、 灰分、挥发分、外加电压、焦耳热效应、矿物质等角度研 究了煤的导电特性． 王云刚等［9］和吕绍林等［10］对构 造软煤和瓦斯突出煤的电性参数进行了研究． 陈鹏 等［11--12］、朱亚飞等［13］和王云刚等［14］研究了瓦斯煤体 受载时电阻率的变化规律，结果表明受载初期平行层 理方向电阻率降幅较大，后期垂直层理方向电阻率增 幅较大． Ｒao 等［15］、Das 和 Mohanty［16］利用成像技术研 究了煤的水密性及其对电阻率的影响． 衡帅等［17］分 析和研究了层理对页岩水力裂缝扩展的影响． 张朝鹏 等［18］探究了不同层理方向煤岩体的损伤演化规律及 变形破坏中的声发射现象，但只涉及了垂直和平行层 理方向． 潘荣锟等［19］和邓博知等［20］研究了煤体层理 裂隙对渗透性的影响． 马天寿与陈平［21］研究了层理 面产状、井眼轨迹和层理面强度弱化对水平井井壁稳 定的影响． 前人的研究主要集中于水分、变质程度、灰分和挥 发分、外力加载等因素对煤电阻率的影响，对垂直和平 行层理结构对煤电阻率特征的影响进行了一些研究， 有部分关于煤的层理结构对声发射特征和渗透性影响 方面的研究，但仅涉及垂直和平行层理两个角度，缺少 对其他层理角度的研究． 由于煤是各向电异性介质， 层理结构对其电导率也有着显著的影响［22］． 鉴于此， 本文选取层理结构明显的无烟原煤，制取 5 种不同层 理角度的试验煤样，在不同温度条件下，利用 CHI660E 型电化学工作站测试煤样的 I--V 曲线，并计算出电阻 率，采用最小势能原理和电荷极化原理，分析和研究了 不同温度条件下无烟煤电阻率受层理效应的影响机理 和规律． 1 试样制备及试验方案 1. 1 试样制备 无烟煤样取自冀中能源邯矿集团陶二矿，所取煤 样具有明显的水平层理结构，层理厚度约为 11 ～ 21 mm，平均约为 16 mm，个别煤样层理间有白色沉积物， 其厚度约为 1 mm． 设煤样层理面与钻孔轴向夹角为 θ，分别按照 θ = 0°、θ = 30°、θ = 45°、θ = 60°和 θ = 90°来进行制样，如图 1 所示，煤样取芯采用 ZS--100 型自动取芯机，再经过 切割、打磨等工艺，制成 50 mm × 100 mm 圆柱体标准 试样，并保证试样尽可能完整，且无明显缺陷． 制备好 的试样，如图 2 所示． 将煤样按照 θ 角分为 A、B、C、D 和 E 共 5 个组别，并按照“组别 ＆ 角度--标号”的方式 进行编号，试样编号及基本参数如表 1 所示． 图 1 煤体层理面与轴向夹角示意图 Fig． 1 Schematic diagram of the angle between the coal bedding plane and the axial 图 2 试验煤样 Fig． 2 Experimental samples of coal · 989 ·

·990· 工程科学学报，第39卷，第7期 表1试样编号及基本参数 煤在不同温度T下的电流()一电压(U)曲线呈扇形分 Table 1 Serial number and basic parameters of the samples 布，这是由于在不同温度时无烟煤的电阻率发生变化 组别角度，61(）试样编号试样尺寸/mm2密度1(gcm3) 所形成的 A 0 A0-1 d49.7x99.9 1.265 依据欧姆定律和电阻率定律，可得到电阻率的计 B 吃 B30-1 d49.6×99.6 1.256 算公式： C 45 C45-1 d49.6×99.8 1.257 U-S (1) D 60 D60-1 49.8x99.7 1.271 P=T-L E 90 E90-1 d49.6×99.8 1.259 式中p为电阻率，2m;I为电流，A:U为电压，V:L为 导线长度，此处为试样长度，m;S为导线断面积，此处 1.2试验设备 为试样断面积，m2. 本研究实验系统主要包括程序升温系统和电阻率 将试验数据和试样基本参数代入式(1)中，计算 测试系统两部分，如图3所示.程序升温系统采用上 得到每个试样0~95℃温度下的电阻率. 海浦东荣丰XCTO型高温鼓风干燥箱，温控范围：室 2.1不同温度下的无烟煤电阻率变化规律 温~500℃，灵敏度：±1℃.煤电参数测试系统采用上 根据电阻率的计算结果，得到0~95℃温度范围 海辰华CHI660E型电化学工作站，测试试样的电压电 内无烟煤样的电阻率变化曲线，如图5所示 流，并绘制一V曲线.由于煤体电阻率较大，产生的电 由图5可知，在0~95℃范围内，无烟煤电阻率随 流很微小，为避免出现较大误差，测试仪器需要很高的 温度升高呈现先减小后增大的变化规律。由于煤体层 精度，CHI660E电化学工作站的电流测量范围为±10 理结构的存在，在6=0°时，电阻率在T=55℃时出现 pA~±0.25A,电流灵敏度大于等于106AV-时为 拐点，在0=30°、45°、60°和90°时，煤电阻率均在T= 0.2%,其他量程时为1% 35℃时出现拐点. 程序升温系统 电阻率测试系统 此现象可以从煤化过程角度来解释.煤导电性分 为离子导电和电子导电四.由于是干燥煤样，因此主 导线 温控 要为电子导电.煤化过程是煤大分子结构从无序到有 系统 绝缘板 序的过程.随着温度的升高，煤中的芳香环等大分子 试样 电化学 工作站 结构的缩聚程度加大，各种基团中所俘获的电子，获得 锡箔层 较小能量便成为自由态电子，在0~35℃范围内，自由 干燥箱 计算机 电子动能有所增加，电子的跃迁度提高，能够按照其有 序的方向运动，煤的导电性增强，电阻率降低：在35~ 95℃范围内，煤中大分子结构缩聚程度进一步增大， 分子间距缩小，由于温度不断升高使得分子内能增大， 图3试验设备装置 Fig.3 Experimental equipment 自由电子动能增加，与煤分子壁发生碰撞的几率加大， 自由电子的定向有序运动受到抑制，降低了自由电子 1.3试验方案 的跃迁度，煤的导电性减弱，电阻率增大 在真空状态下，将煤样放置在干燥箱恒温烘干24 出现35℃和55℃两个拐点温度主要是由于煤体 h,以排除水分对电阻率的影响.然后在试样两端覆盖 层理结构的存在，在6=30°、45°、60°和90°时，自由电 锡箔纸层，以便于均匀接受电流：在锡箔层上敷设铜芯 子除了与煤分子壁发生碰撞外，还要跃迁穿过层理面， 导线，然后外加绝缘板，并采用绝缘夹固定，置入升温 与层理面发生碰撞，自由电子有序运动时间较短，在 仪中.最大测试电压为2V,调节温度从0℃开始，待升 35℃时导电性就开始减弱，电阻率开始增大，出现拐 至室温15℃后，调节升温仪温控装置，设置升温间隔 点：而当8=0°时，自由电子不需要穿过层理面，只是 为10℃，最高升温温度95℃，每次升温用时约20min, 与煤分子壁发生碰撞，在层理方向能够有序运动的时 待温度示数稳定后，再对每个试样依次进行测试. 间较长，导电性较好，电阻率小，直到55℃时，自由电 2 结果及讨论 子与煤分子壁发生碰撞几率才开始加大，导电性减弱， 电阻率开始增大，出现拐点. 根据试验的测试结果，依次绘制了0=0°、0=30°、 由于煤的电阻率变化受沉积变质等条件影响，不 0=45°、6=60°和0=90°试样在0~95℃时的1V曲线 同区域的无烟煤电阻率随温度的变化规律有时也会有 散点图，分别如图4(a)~(e)所示.从图中可知，无烟 所不同

工程科学学报，第 39 卷，第 7 期 表 1 试样编号及基本参数 Table 1 Serial number and basic parameters of the samples 组别 角度，θ /( °) 试样编号 试样尺寸/mm2 密度/( g·cm － 3 ) A 0 A0--1 49. 7 × 99. 9 1. 265 B 30 B30--1 49. 6 × 99. 6 1. 256 C 45 C45--1 49. 6 × 99. 8 1. 257 D 60 D60--1 49. 8 × 99. 7 1. 271 E 90 E90--1 49. 6 × 99. 8 1. 259 1. 2 试验设备 本研究实验系统主要包括程序升温系统和电阻率 测试系统两部分，如图 3 所示． 程序升温系统采用上 海浦东荣丰 XCT--0 型高温鼓风干燥箱，温控范围: 室 温 ～ 500 ℃，灵敏度: ± 1 ℃ ． 煤电参数测试系统采用上 海辰华 CHI660E 型电化学工作站，测试试样的电压电 流，并绘制 I--V 曲线． 由于煤体电阻率较大，产生的电 流很微小，为避免出现较大误差，测试仪器需要很高的 精度，CHI660E 电化学工作站的电流测量范围为 ± 10 pA ～ ± 0. 25 A，电流灵敏度大于等于 10 － 6 A·V － 1时为 0. 2% ，其他量程时为 1% ． 图 3 试验设备装置 Fig． 3 Experimental equipment 1. 3 试验方案 在真空状态下，将煤样放置在干燥箱恒温烘干 24 h，以排除水分对电阻率的影响． 然后在试样两端覆盖 锡箔纸层，以便于均匀接受电流; 在锡箔层上敷设铜芯 导线，然后外加绝缘板，并采用绝缘夹固定，置入升温 仪中． 最大测试电压为2 V，调节温度从0 ℃开始，待升 至室温 15 ℃后，调节升温仪温控装置，设置升温间隔 为 10 ℃，最高升温温度 95 ℃，每次升温用时约 20 min， 待温度示数稳定后，再对每个试样依次进行测试． 2 结果及讨论 根据试验的测试结果，依次绘制了 θ = 0°、θ = 30°、 θ = 45°、θ = 60°和 θ = 90°试样在0 ～ 95 ℃时的 I--V 曲线 散点图，分别如图 4( a) ～ ( e) 所示． 从图中可知，无烟 煤在不同温度 T 下的电流( I) --电压( U) 曲线呈扇形分 布，这是由于在不同温度时无烟煤的电阻率发生变化 所形成的． 依据欧姆定律和电阻率定律，可得到电阻率的计 算公式: ρ = U·S I·L ． ( 1) 式中: ρ 为电阻率，Ω·m; I 为电流，A; U 为电压，V; L 为 导线长度，此处为试样长度，m; S 为导线断面积，此处 为试样断面积，m2 ． 将试验数据和试样基本参数代入式( 1) 中，计算 得到每个试样 0 ～ 95 ℃温度下的电阻率． 2. 1 不同温度下的无烟煤电阻率变化规律 根据电阻率的计算结果，得到 0 ～ 95 ℃ 温度范围 内无烟煤样的电阻率变化曲线，如图 5 所示． 由图 5 可知，在 0 ～ 95 ℃范围内，无烟煤电阻率随 温度升高呈现先减小后增大的变化规律． 由于煤体层 理结构的存在，在 θ = 0°时，电阻率在 T = 55 ℃ 时出现 拐点，在 θ = 30°、45°、60°和 90°时，煤电阻率均在 T = 35 ℃时出现拐点． 此现象可以从煤化过程角度来解释． 煤导电性分 为离子导电和电子导电［23］． 由于是干燥煤样，因此主 要为电子导电． 煤化过程是煤大分子结构从无序到有 序的过程． 随着温度的升高，煤中的芳香环等大分子 结构的缩聚程度加大，各种基团中所俘获的电子，获得 较小能量便成为自由态电子，在 0 ～ 35 ℃ 范围内，自由 电子动能有所增加，电子的跃迁度提高，能够按照其有 序的方向运动，煤的导电性增强，电阻率降低; 在 35 ～ 95 ℃范围内，煤中大分子结构缩聚程度进一步增大， 分子间距缩小，由于温度不断升高使得分子内能增大， 自由电子动能增加，与煤分子壁发生碰撞的几率加大， 自由电子的定向有序运动受到抑制，降低了自由电子 的跃迁度，煤的导电性减弱，电阻率增大． 出现 35 ℃和 55 ℃两个拐点温度主要是由于煤体 层理结构的存在，在 θ = 30°、45°、60°和 90°时，自由电 子除了与煤分子壁发生碰撞外，还要跃迁穿过层理面， 与层理面发生碰撞，自由电子有序运动时间较短，在 35 ℃时导电性就开始减弱，电阻率开始增大，出现拐 点; 而当 θ = 0°时，自由电子不需要穿过层理面，只是 与煤分子壁发生碰撞，在层理方向能够有序运动的时 间较长，导电性较好，电阻率小，直到 55 ℃ 时，自由电 子与煤分子壁发生碰撞几率才开始加大，导电性减弱， 电阻率开始增大，出现拐点． 由于煤的电阻率变化受沉积变质等条件影响，不 同区域的无烟煤电阻率随温度的变化规律有时也会有 所不同． · 099 ·

陈立等：不同温度下无烟煤电阻率的层理效应 991· 1.6 1.0 a)。T-0℃ (b) 。T=0℃ 1.4 ■T-15℃ ■T-15℃ ·T-25℃ 0.8 T=25℃ 12 7-35℃ m2222 T-35℃ 。T-459℃ 4T-45℃ 1.0 v7-559℃ 0.6 #T-559T 7=65℃ T-65℃ 0.8 +T-75℃ +T-75℃ ×7-85℃ 0.4 xT-85℃ 0.6 ,T=95℃ T=95℃ 0.4 02 0.2 0 0 0 0.5 15 2.0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 UN 0.8 (c)T-0℃ d)T-0℃ ■T=15℃ ■T=15℃ 品 T=25 22 04 ◆T=25℃ 0.6 ●T-359℃ T-35℃ ▲7=45℃ 4T=45℃ ”T-559P 0.3 #T-55C 0.4 T-659 T-6P 7=75℃ +T=75℃ ×T-85℃ 0.2 ×T-85℃ T=959℃ T=95℃ 0.2 0.1 0 0.5 .0 1.5 2.0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 UN 0.14 e)。T=0℃ 0.12 ■T=159℃ ●44 。7-)59 ●T-35℃ 0.10 47-45℃ 7T=55℃ 0.08 7=65℃ *T=75℃ ×T-85℃ T-95℃ 0.04 0.02 年ge年t7gt 0 0.5 1.0 1.5 2.0 UN 图4不同8角度下煤的-V曲线.(a)8=0°：(b)8=30°：(c)8=45°(d)0=60°：(e)8=90° Fig.4 Current vs.voltage curves of coal under different angles:(a)=0;(b)=30:(c)8=45(d)6=60:(e)6=90 2.2不同层理结构对无烟煤电阻率的影响机理及规律 推测这是由于煤岩中矿物、晶体等组分的定向排 根据电阻率的计算结果，得到6=0°、30°、45°、60° 列引起的煤体层理结构的存在，煤岩体电阻率有横向 和90°电阻率变化曲线，如图6所示. 电阻率p,和纵向电阻率P。:横向电阻率P,相当于并 由图5和图6可知，在0~95℃范围内，无烟煤电 联，电阻率最小，对应于0=0°；而纵向电阻率P.相当 阻率均随日增大呈现递增的规律，当0=0°时，无烟煤 于串联，电阻率也最大，对应于0=90°.而当0=30°、 电阻率最小；当0=90°时，电阻率最大.在0~35℃范 45°和60时，既有串联又有并联，电阻率介于0°和90° 围内，当0≤45°时，无烟煤电阻率曲线变化幅度较小， 两者之间 上升平缓：当0>45°时，无烟煤电阻率曲线变陡，上升 下面确定当0=30°、45°和60°时并联与串联的主 速率加快.这表明在温度较低时，0越大对无烟煤电阻 导作用大小，用主导程度，表示，其主要是指串联和并 率的影响越显著.在55~95℃范围内，无烟煤电阻率 联两者对煤电阻率影响程度.越大，并联主导作用越 上升速率快，且以6=45°呈对称分布.在T=45℃时， 大，电阻率越小：越小，串联主导作用越大，电阻率 无烟煤电阻率曲线呈近似线性趋势，其变化趋势介于 越大 0~35℃和55~95℃两者之间，处于分界线位置. 为此，沿着煤样的轴向方向，垂直于层理，作一个

陈 立等: 不同温度下无烟煤电阻率的层理效应 图 4 不同 θ 角度下煤的 I--V 曲线 . ( a) θ = 0°; ( b) θ = 30°; ( c) θ = 45°( d) θ = 60°; ( e) θ = 90° Fig． 4 Current vs． voltage curves of coal under different angles: ( a) θ = 0°; ( b) θ = 30°; ( c) θ = 45°( d) θ = 60°; ( e) θ = 90° 2. 2 不同层理结构对无烟煤电阻率的影响机理及规律 根据电阻率的计算结果，得到 θ = 0°、30°、45°、60° 和 90°电阻率变化曲线，如图 6 所示． 由图 5 和图 6 可知，在 0 ～ 95 ℃ 范围内，无烟煤电 阻率均随 θ 增大呈现递增的规律，当 θ = 0°时，无烟煤 电阻率最小; 当 θ = 90°时，电阻率最大． 在 0 ～ 35 ℃ 范 围内，当 θ≤45°时，无烟煤电阻率曲线变化幅度较小， 上升平缓; 当 θ ＞ 45°时，无烟煤电阻率曲线变陡，上升 速率加快． 这表明在温度较低时，θ 越大对无烟煤电阻 率的影响越显著． 在 55 ～ 95 ℃ 范围内，无烟煤电阻率 上升速率快，且以 θ = 45°呈对称分布． 在 T = 45 ℃ 时， 无烟煤电阻率曲线呈近似线性趋势，其变化趋势介于 0 ～ 35 ℃和 55 ～ 95 ℃两者之间，处于分界线位置． 推测这是由于煤岩中矿物、晶体等组分的定向排 列引起的煤体层理结构的存在，煤岩体电阻率有横向 电阻率 ρt 和纵向电阻率 ρn ． 横向电阻率 ρt 相当于并 联，电阻率最小，对应于 θ = 0°; 而纵向电阻率 ρn 相当 于串联，电阻率也最大，对应于 θ = 90°． 而当 θ = 30°、 45°和 60°时，既有串联又有并联，电阻率介于 0°和 90° 两者之间． 下面确定当 θ = 30°、45°和 60°时并联与串联的主 导作用大小，用主导程度 r 表示，其主要是指串联和并 联两者对煤电阻率影响程度． r 越大，并联主导作用越 大，电阻率越小; r 越小，串联主导作用越大，电阻率 越大． 为此，沿着煤样的轴向方向，垂直于层理，作一个 · 199 ·

·992 工程科学学报，第39卷，第7期 10 。0=0° 10 -0-30° ◆0=-450 +0=60° 103 年0-90° 9 102 10 100 152535455565758595 图7电流线分布示意图 T℃ Fig.7 Distribution schematic diagram of the current line 图5不同温度下无烟煤电阻率 Fig.5 Coal resistivity under different temperatures 层理面影响较大 层理面对导电性的影响可以从电荷极化原理网 104 ◆T-0℃ 来分析，如图8所示.自由电荷在通过层理面时，由于 -T=15℃ T-25℃ 不同层理柱的电流密度是不同的，将有电荷积聚在层 10 7-35元 ◆-7-45℃ 理面上，积聚在层理面上的电荷会形成新的电场E, 7-55℃ T-65℃ 削弱了原电场E的作用，而且日角越大，新的电场E 9 10 7T-75℃ ◆-T=85℃ 在原电场方向的分量越大，削弱作用越强，阻碍了电荷 T-95℃ 向低电势方向的移动，电流发生变化，开始减小，直到 10 试样中的传导电流相等，层理面上电荷积聚才会停止， 1010 系统达到稳态.正是由于层理结构的存在，当电流通 过层理面时，试样导电性将减弱，电阻率增大 30 45 60 0M) 图6不同8角度下无烟煤电阻率 Fig.6 Coal resistivity under different angles 剖面，如图7所示.需要特别指出的是，煤样层理间有 两种存在形式，一种是空隙或裂隙，另一种是糜棱质填 充物：实验所用煤样层理间存在极少量的糜棱质填充 物，主要为空隙或裂隙，因此，本文所建分析模型适合 于层理间为孔隙或裂隙的煤样.图7中，红色箭头代 LLLN 表电流线方向，黑白相间部分代表层理结构，其相邻面 图8积聚电荷电场示意图 代表层理面，黑色带箭头的虚线代表电场线及其方向 Fig.8 Electrie field schematic diagram of the accumulation charge 把所有电荷（总电流）都需要通过的层理面，称之为关 键层理面，如图7中洋红色直线所示 由以上分析可知，层理面对电阻率的影响机理可 在试样I-V曲线测试时，试样两端加电压后，形成 以通过串并联主导程度，来反映，且，取决于总电流 一个平行平板电场E,如图7所示.自由电荷在电场作 是否通过关键层理面及其数量n和开始通过时间t,而 用下，正电荷向负极移动，负电荷向正极移动，在试样 这些因素均与0有关.n越小，t越大，r越小，电阻率 内形成电流.由于电流具有懒惰性，自由电荷沿着层 越小；反之，电阻率越大 理柱运动“懒惰”电流线主要分布层理柱内，此时相 假设电流在每个层理柱内的移动速度相同，层 当于并联，导电性受层理面影响较小；当自由电荷运动 理厚度H也相同.按照标准试件比例，构建一个关键 一定时间1后，到达试样壁，此时电荷将无法继续沿层 层理面数量n和开始通过时间t与0关系的计算模型 理柱运动，依据最小势能原理4，物质总是在位能 图，如图9所示.轴向长为2L,垂直轴向断面直径长为L 最小时趋于平衡状态，因此，自由电荷为趋于平衡，需 由图9可知，总电流开始通过关键层理面的时间为： 要继续向低电势的一端运动，这时“懒惰”电流线就不 (2) 可避免的需要穿过层理面，此时相当于串联，导电性受 vsin

工程科学学报，第 39 卷，第 7 期 图 5 不同温度下无烟煤电阻率 Fig． 5 Coal resistivity under different temperatures 图 6 不同 θ 角度下无烟煤电阻率 Fig． 6 Coal resistivity under different angles 剖面，如图 7 所示． 需要特别指出的是，煤样层理间有 两种存在形式，一种是空隙或裂隙，另一种是糜棱质填 充物; 实验所用煤样层理间存在极少量的糜棱质填充 物，主要为空隙或裂隙，因此，本文所建分析模型适合 于层理间为孔隙或裂隙的煤样． 图 7 中，红色箭头代 表电流线方向，黑白相间部分代表层理结构，其相邻面 代表层理面，黑色带箭头的虚线代表电场线及其方向． 把所有电荷( 总电流) 都需要通过的层理面，称之为关 键层理面，如图 7 中洋红色直线所示． 在试样 I--V 曲线测试时，试样两端加电压后，形成 一个平行平板电场 E，如图7 所示． 自由电荷在电场作 用下，正电荷向负极移动，负电荷向正极移动，在试样 内形成电流． 由于电流具有懒惰性，自由电荷沿着层 理柱运动，“懒惰”电流线主要分布层理柱内，此时相 当于并联，导电性受层理面影响较小; 当自由电荷运动 一定时间 t 后，到达试样壁，此时电荷将无法继续沿层 理柱运动，依据最小势能原理［24--25］，物质总是在位能 最小时趋于平衡状态，因此，自由电荷为趋于平衡，需 要继续向低电势的一端运动，这时“懒惰”电流线就不 可避免的需要穿过层理面，此时相当于串联，导电性受 图 7 电流线分布示意图 Fig． 7 Distribution schematic diagram of the current line 层理面影响较大． 层理面对导电性的影响可以从电荷极化原理［26］ 来分析，如图 8 所示． 自由电荷在通过层理面时，由于 不同层理柱的电流密度是不同的，将有电荷积聚在层 理面上，积聚在层理面上的电荷会形成新的电场 E'， 削弱了原电场 E 的作用，而且 θ 角越大，新的电场 E' 在原电场方向的分量越大，削弱作用越强，阻碍了电荷 向低电势方向的移动，电流发生变化，开始减小，直到 试样中的传导电流相等，层理面上电荷积聚才会停止， 系统达到稳态． 正是由于层理结构的存在，当电流通 过层理面时，试样导电性将减弱，电阻率增大． 图 8 积聚电荷电场示意图 Fig． 8 Electric field schematic diagram of the accumulation charge 由以上分析可知，层理面对电阻率的影响机理可 以通过串并联主导程度 r 来反映，且 r 取决于总电流 是否通过关键层理面及其数量 n 和开始通过时间 t，而 这些因素均与 θ 有关． n 越小，t 越大，r 越小，电阻率 越小; 反之，电阻率越大． 假设电流在每个层理柱内的移动速度 v 相同，层 理厚度 H 也相同． 按照标准试件比例，构建一个关键 层理面数量 n 和开始通过时间 t 与 θ 关系的计算模型 图，如图9 所示． 轴向长为2L，垂直轴向断面直径长为 L． 由图9 可知，总电流开始通过关键层理面的时间为: t = L0 v = L vsinθ ． ( 2) · 299 ·

陈立等：不同温度下无烟煤电阻率的层理效应 ·993 由式(5)可知，当8一定时，关键层理面数量与轴 向长度成正比，与层理厚度成反比.在轴向长度和层 理厚度一定时，关键层理面数量随日增大而增大.6越 大，n越多：0越小，n越少. 因此，当0=0°时，不存在关键层理面，开始时间 为无穷大，此时全为并联，「值最大，导电性好，电阻率 最小：当6=30°时，电流通过关键层理面数量少，且开 始时间晚，此时并联起主导作用，「值较大，导电性较 好，电阻率较小：当6=45°时，电流通过关键层理面数 量较少，且开始时间较晚，此时并联与串联作用相均 衡，r中等，导电性中等，电阻率中等：当0=60°时，电 图9计算模型图 流通过关键层理面数量较多，且开始时间较早，此时串 Fig.9 Diagram of the calculation model 联起主导作用，「较小，导电性较差，电阻率较大：当 式中，L。为关键层理面的长度. 0=90°时，电流通过关键层理面数量最多，且开始时间 在试样轴向上，能够形成关键层理面的距离 最早，此时全为串联，最小，导电性差，电阻率最大 L1为： 2.3不同温度下无烟煤电阻率各向异性程度 4-2-品。=2-k 各向异性系数入反映了煤岩体电阻率的各向异 (3) 性程度，对电磁法勘探资料解释具有重要作用.其计 层理柱在试样壁显露的距离L2为： 算式7-为： 4品6 (4) (6) 联立式(3)和(4)，可以得到关键层理面数量n, 将煤电阻率数据代入式(6)，计算得到0~95℃范 由于一个层理柱有两个面，因此，其计算式为： 围内煤电阻率各向异性系数入，计算结果如图11 =(2sine-cos0)+1. (5) 所示. 6.0 对于特定的试样，其L和均为定值，因此，令 5.5 上=1，得到1与日的变化规律，分别如图10所示 5.0 4.5 <4.0 3.5 1.6 4 2.5 2.0 08 30 40/5060708090 0152535455565758595 图11不同温度下煤的各向异性系数 Fig.11 Anisotropy coefficients of coal under different temperatures 30 45 60 90 由图11可知，无烟煤电阻率各向异性系数入随温 0e9 度的升高而增大.在0~35℃范围内，煤电阻率各向 图10t随8的变化规律 异性系数入变化幅度较小，处于2.455~2.635之间， Fig.10 Change rule of t with 这是由于煤体纵向电阻率和横向电阻率递减趋势相 由图10可知，电流开始通过关键层理面的时间随 似，大小变化幅度基本保持一致，如图11所示：在35~ 着0角增大呈现递减趋势.这表明：0越大，电流开始 65℃范围内，A近似呈直线上升，从2.635上升至 通过关键层理面的时间越早.当0=0时，不存在关键 5.136,增大了近2倍，这是由于在35℃以后纵向电阻 层理面，不会有电流通过，因此，开始时间为无穷大. 率开始增大，而横向电阻率还处于下降趋势，在55℃ 当0=90时，电流开始通过关键层理面的时间最早. 以后才逐渐开始增大，如图11所示：在65~95℃范围

陈 立等: 不同温度下无烟煤电阻率的层理效应 图 9 计算模型图 Fig． 9 Diagram of the calculation model 式中，L0 为关键层理面的长度． 在 试 样 轴 向 上，能够形成关键层理面的距离 L1 为: L1 = 2L － L tanθ ( = 2 － 1 tan ) θ L． ( 3) 层理柱在试样壁显露的距离 L2 为: L2 = H sinθ ． ( 4) 联立式( 3) 和( 4) ，可以得到关键层理面数量 n， 由于一个层理柱有两个面，因此，其计算式为: n = L1 L2 = ( 2sinθ － cosθ) L H + 1． ( 5) 对于特定 的 试 样，其 L 和 v 均 为 定 值，因 此，令 L v = 1，得到 t 与 θ 的变化规律，分别如图 10 所示． 图 10 t 随 θ 的变化规律 Fig． 10 Change rule of t with θ 由图 10 可知，电流开始通过关键层理面的时间随 着 θ 角增大呈现递减趋势． 这表明: θ 越大，电流开始 通过关键层理面的时间越早． 当 θ = 0°时，不存在关键 层理面，不会有电流通过，因此，开始时间为无穷大． 当 θ = 90°时，电流开始通过关键层理面的时间最早． 由式( 5) 可知，当 θ 一定时，关键层理面数量与轴 向长度成正比，与层理厚度成反比． 在轴向长度和层 理厚度一定时，关键层理面数量随 θ 增大而增大． θ 越 大，n 越多; θ 越小，n 越少． 因此，当 θ = 0°时，不存在关键层理面，开始时间 为无穷大，此时全为并联，r 值最大，导电性好，电阻率 最小; 当 θ = 30°时，电流通过关键层理面数量少，且开 始时间晚，此时并联起主导作用，r 值较大，导电性较 好，电阻率较小; 当 θ = 45°时，电流通过关键层理面数 量较少，且开始时间较晚，此时并联与串联作用相均 衡，r 中等，导电性中等，电阻率中等; 当 θ = 60°时，电 流通过关键层理面数量较多，且开始时间较早，此时串 联起主导作用，r 较小，导电性较差，电阻率较大; 当 θ = 90°时，电流通过关键层理面数量最多，且开始时间 最早，此时全为串联，r 最小，导电性差，电阻率最大． 2. 3 不同温度下无烟煤电阻率各向异性程度 各向异性系数 λ 反映了煤岩体电阻率的各向异 性程度，对电磁法勘探资料解释具有重要作用． 其计 算式［27--28］为: λ = ρn 槡ρt ． ( 6) 将煤电阻率数据代入式( 6) ，计算得到 0 ～ 95 ℃范 围内煤电阻率各向异性系数 λ，计 算 结 果 如 图 11 所示． 图 11 不同温度下煤的各向异性系数 Fig． 11 Anisotropy coefficients of coal under different temperatures 由图 11 可知，无烟煤电阻率各向异性系数 λ 随温 度的升高而增大． 在 0 ～ 35 ℃ 范围内，煤电阻率各向 异性系数 λ 变化幅度较小，处于 2. 455 ～ 2. 635 之间， 这是由于煤体纵向电阻率和横向电阻率递减趋势相 似，大小变化幅度基本保持一致，如图 11 所示; 在35 ～ 65 ℃ 范 围 内，λ 近似呈直线上升，从 2. 635 上 升 至 5. 136，增大了近 2 倍，这是由于在 35 ℃ 以后纵向电阻 率开始增大，而横向电阻率还处于下降趋势，在 55 ℃ 以后才逐渐开始增大，如图 11 所示; 在 65 ～ 95 ℃ 范围 · 399 ·

·994· 工程科学学报，第39卷，第7期 内，入变化幅度也较小，处于5.136~5.607之间，这是 (1):15 由于在55℃以后，煤纵向电阻率和横向电阻率递增趋 (张广洋，谭学术，杜贵云，等.煤的导电机理研究.湘潭矿 势相似，大小变化幅度基本保持一致，如图11所示. 业学院学报，1995,10(1)：15) [7]Xu L J,Zhang D J,Xian X F.The electrical and thermal charac- 3结论 ters of coal.Coal Conrers,1996,19(3)56 (徐龙君，张代钧，鲜学福.煤的电特性和热性质.煤炭转化， (1)在0~95℃范围内，无烟煤（干煤样）电阻率 1996,19(3):56) 随温度升高呈现先减小后增大的变化规律.当日为0° 8] Xu L J.Liu C L,Xian X F.The effect of Joule heat and mineral 时，在55℃时出现拐点，在0=30°、45°、60°和90°时， matter on conductivity of coal.Chongqing Unie Nat Sci Ed, 均在35℃时出现拐点.各向异性系数入随温度升高 2000,23(3):47 而增大，在35~65℃范围内，从2.635上升至5.136， (徐龙君，刘成伦，鲜学福.焦耳热效应和矿物质对煤导电性 的影响.重庆大学学报（自然科学版），2000,23(3)：47) 增大了近2倍. [9]Wang Y G,Wei J P,Liu M J.Analysis on factors affected to e- (2)提出了串并联主导程度r概念，r较好的解释 lectromagnetic parameters of tectonic soft seam.Coal Sci Technol, 了层理面对煤电阻率的影响机理，其大小由关键层理 2010,38(8):77 面的数量n和开始通过时间t决定.n随6增大而增 (王云刚，魏建平，刘明举.构造软煤电性参数影响因素的分 大，r随n增大而小：t随日增大而减小，r随t增大而 析.煤炭科学技术，2010,38(8)：77) 增大. 0] Lii L.He J S.Electrical property measurements for the out- bust coal mass.J Central S Unin Technol,1998,29(6):511 (3)无烟煤电阻率受层理结构影响显著，随日增 (吕绍林，何继善.瓦斯突出煤体的导电性质研究.中南工 大呈现递增规律，且在温度较低时，日角越大对无烟煤 业大学学报，1998,29(6)：511) 电阻率的影响越显著.在0~35℃范围内，当0≤45° [01] Chen P,Wang E Y,Zhu Y F.Experimental study on resistivity 时，电阻率递增趋势平缓；当0>45时，电阻率递增速 variation regularities of loading coal.China Coal Soc,2013, 率加快.在55~95℃范围内，电阻率递增速率较快，且 38(4):548 以0=45°为界呈对称分布.在T=45℃时，电阻率变 (陈鹏，王恩元，朱亚飞.受载煤体电阻率变化规律的实验 研究.煤炭学报，2013,38(4)：548) 化趋势介于0~35℃和55~95℃之间，处于分界线 [12]Chen P,Wang E Y,Chen X X,et al.Regularity and mecha- 位置 nism of coal resistivity response with different conductive charac- 参考文献 teristies in complete stress-strain process.Int Min Sci Technol, 2015,25(5):779 Li B,Wang K.Wei J P,et al.On the basic characteristic fea- [13]Zhu Y F,Wang E Y.Liu Z T,et al.Experimental study on re- tures and incidental regularity of coal and gas outbursts in China sistivity variation laws of coal containing gas under uniaxial com- since from 2001 to 2012.J Saf Enriron,2013,13 (3):274 pression.Saf Coal Mines,2014,45(11)48 (李波，王凯，魏建平，等.2001一2012年我国煤与瓦斯突出 (朱亚飞，王恩元，刘贞堂，等.含瓦斯煤体单轴压缩电阻率 事故基本特征及发生规律研究.安全与环境学报，2013,13 变化规律实验研究.煤矿安全，2014,45(11)：48) (3):274) 04] Wang Y G,Zhang L,Li M,et al.Relations between electrical Sun QG.Research on status quo and prevention countermeasures parameters and permeability on being gas-filled coal.Henan of coal mine gas disaster in China.China Coal,2014,40(3): Polytech Univ Nat Sci,2013,32(4):380 116 (王云刚，张莉，李盟，等.受载含瓦斯煤体电性参数与渗透 (孙庆刚.中国煤矿瓦斯灾害现状与防治对策研究.中国煤 率关系的试验研究.河南理工大学学报（自然科学版）， 炭，2014,40(3)：116) 2013,32(4):380) Meng L,Liu M J,Wang Y G.Study on the rules of electrical re- [15]Rao C S,Majumder M,Roy J,et al.Delineating coal seams and sistivity variation of tectonic coal in uniaxial compression experi- establishing water tightness by electrical resistivity imaging.Cur ment.J China Coal Soc,2010,35 (12)2028 Sci,2015,108(3):427 (孟磊，刘明举，王云刚.构造煤单轴压缩条件下电阻率变化 06 Das P,Mohanty P R.Resistivity imaging technique to delineate 规律的实验研究.煤炭学报，2010,35(12)：2028) shallow subsurface cavities associated with old coal working:a [4]Khalil M I,Islam F,Akon E.Gamma and resistivity logs for char- numerical study.Environ Earth Sci,2016,75:661 acterization of Gondwana coal seams at the Northwestem part of [17]Heng S,Yang C H,Guo Y T,et al.Influence of bedding planes Bangladesh.Arab J Geosci,2015,8(9):6497 on hydraulic fracture propagation in shale formations.Chin 5]Karaoulis M,Revil A,Mao D.Localization of a coal seam fire u- Rock Mech Eng,2015,34(2):228 sing combined self-potential and resistivity data.Int J Coal Geol, (衡帅，杨春和，郭印同，等.层理对页岩水力裂缝扩展的影 2014,128129:109 响研究.岩石力学与工程学报，2015,34(2)：228) [6]Zhang G Y,Tan X S,Du G Y,et al.Study on the mechanism of 18] Zhang Z P,Zhang R,Zhang Z T,et al.Experimental research electricity conducting in coal.J Xiangtan Min Inst,1995,10 on effects of bedding plane on coal acoustic emission under uniax-

工程科学学报，第 39 卷，第 7 期 内，λ 变化幅度也较小，处于 5. 136 ～ 5. 607 之间，这是 由于在 55 ℃以后，煤纵向电阻率和横向电阻率递增趋 势相似，大小变化幅度基本保持一致，如图 11 所示． 3 结论 ( 1) 在 0 ～ 95 ℃ 范围内，无烟煤( 干煤样) 电阻率 随温度升高呈现先减小后增大的变化规律． 当 θ 为 0° 时，在 55 ℃ 时出现拐点，在 θ = 30°、45°、60°和 90°时， 均在 35 ℃时出现拐点． 各向异性系数 λ 随温度升高 而增大，在 35 ～ 65 ℃ 范围内，从 2. 635 上升至 5. 136， 增大了近 2 倍． ( 2) 提出了串并联主导程度 r 概念，r 较好的解释 了层理面对煤电阻率的影响机理，其大小由关键层理 面的数量 n 和开始通过时间 t 决定． n 随 θ 增大而增 大，r 随 n 增大而小; t 随 θ 增大而减小，r 随 t 增大而 增大． ( 3) 无烟煤电阻率受层理结构影响显著，随 θ 增 大呈现递增规律，且在温度较低时，θ 角越大对无烟煤 电阻率的影响越显著． 在 0 ～ 35 ℃ 范围内，当 θ≤45° 时，电阻率递增趋势平缓; 当 θ ＞ 45°时，电阻率递增速 率加快． 在55 ～ 95 ℃范围内，电阻率递增速率较快，且 以 θ = 45°为界呈对称分布． 在 T = 45 ℃ 时，电阻率变 化趋势介于 0 ～ 35 ℃ 和 55 ～ 95 ℃ 之间，处于分界线 位置． 参 考 文 献 ［1］ Li B，Wang K，Wei J P，et al． On the basic characteristic fea￾tures and incidental regularity of coal and gas outbursts in China since from 2001 to 2012． J Saf Environ，2013，13( 3) : 274 ( 李波，王凯，魏建平，等． 2001—2012 年我国煤与瓦斯突出 事故基本特征及发生规律研究． 安全与环境学报，2013，13 ( 3) : 274) ［2］ Sun Q G． Ｒesearch on status quo and prevention countermeasures of coal mine gas disaster in China． China Coal，2014，40 ( 3) : 116 ( 孙庆刚． 中国煤矿瓦斯灾害现状与防治对策研究． 中国煤 炭，2014，40( 3) : 116) ［3］ Meng L，Liu M J，Wang Y G． Study on the rules of electrical re￾sistivity variation of tectonic coal in uniaxial compression experi￾ment． J China Coal Soc，2010，35( 12) : 2028 ( 孟磊，刘明举，王云刚． 构造煤单轴压缩条件下电阻率变化 规律的实验研究． 煤炭学报，2010，35( 12) : 2028) ［4］ Khalil M I，Islam F，Akon E． Gamma and resistivity logs for char￾acterization of Gondwana coal seams at the Northwestern part of Bangladesh． Arab J Geosci，2015，8( 9) : 6497 ［5］ Karaoulis M，Ｒevil A，Mao D． Localization of a coal seam fire u￾sing combined self-potential and resistivity data． Int J Coal Geol， 2014，128-129: 109 ［6］ Zhang G Y，Tan X S，Du G Y，et al． Study on the mechanism of electricity conducting in coal． J Xiangtan Min Inst，1995，10 ( 1) : 15 ( 张广洋，谭学术，杜贵云，等． 煤的导电机理研究． 湘潭矿 业学院学报，1995，10( 1) : 15) ［7］ Xu L J，Zhang D J，Xian X F． The electrical and thermal charac￾ters of coal． Coal Convers，1996，19( 3) : 56 ( 徐龙君，张代钧，鲜学福． 煤的电特性和热性质． 煤炭转化， 1996，19( 3) : 56) ［8］ Xu L J，Liu C L，Xian X F． The effect of Joule heat and mineral matter on conductivity of coal． J Chongqing Univ Nat Sci Ed， 2000，23( 3) : 47 ( 徐龙君，刘成伦，鲜学福． 焦耳热效应和矿物质对煤导电性 的影响． 重庆大学学报( 自然科学版) ，2000，23( 3) : 47) ［9］ Wang Y G，Wei J P，Liu M J． Analysis on factors affected to e￾lectromagnetic parameters of tectonic soft seam． Coal Sci Technol， 2010，38( 8) : 77 ( 王云刚，魏建平，刘明举． 构造软煤电性参数影响因素的分 析． 煤炭科学技术，2010，38( 8) : 77) ［10］ Lü S L，He J S． Electrical property measurements for the out￾bust coal mass． J Central S Univ Technol，1998，29( 6) : 511 ( 吕绍林，何继善． 瓦斯突出煤体的导电性质研究． 中南工 业大学学报，1998，29( 6) : 511) ［11］ Chen P，Wang E Y，Zhu Y F． Experimental study on resistivity variation regularities of loading coal． J China Coal Soc，2013， 38( 4) : 548 ( 陈鹏，王恩元，朱亚飞． 受载煤体电阻率变化规律的实验 研究． 煤炭学报，2013，38( 4) : 548) ［12］ Chen P，Wang E Y，Chen X X，et al． Ｒegularity and mecha￾nism of coal resistivity response with different conductive charac￾teristics in complete stress-strain process． Int J Min Sci Technol， 2015，25( 5) : 779 ［13］ Zhu Y F，Wang E Y，Liu Z T，et al． Experimental study on re￾sistivity variation laws of coal containing gas under uniaxial com￾pression． Saf Coal Mines，2014，45( 11) : 48 ( 朱亚飞，王恩元，刘贞堂，等． 含瓦斯煤体单轴压缩电阻率 变化规律实验研究． 煤矿安全，2014，45( 11) : 48) ［14］ Wang Y G，Zhang L，Li M，et al． Ｒelations between electrical parameters and permeability on being gas-filled coal． J Henan Polytech Univ Nat Sci，2013，32( 4) : 380 ( 王云刚，张莉，李盟，等． 受载含瓦斯煤体电性参数与渗透 率关系的 试 验 研 究． 河南理工大学学报( 自 然 科 学 版) ， 2013，32( 4) : 380) ［15］ Ｒao C S，Majumder M，Ｒoy J，et al． Delineating coal seams and establishing water tightness by electrical resistivity imaging． Curr Sci，2015，108( 3) : 427 ［16］ Das P，Mohanty P Ｒ． Ｒesistivity imaging technique to delineate shallow subsurface cavities associated with old coal working: a numerical study． Environ Earth Sci，2016，75: 661 ［17］ Heng S，Yang C H，Guo Y T，et al． Influence of bedding planes on hydraulic fracture propagation in shale formations． Chin J Ｒock Mech Eng，2015，34( 2) : 228 ( 衡帅，杨春和，郭印同，等． 层理对页岩水力裂缝扩展的影 响研究． 岩石力学与工程学报，2015，34( 2) : 228) ［18］ Zhang Z P，Zhang Ｒ，Zhang Z T，et al． Experimental research on effects of bedding plane on coal acoustic emission under uniax- · 499 ·

陈立等：不同温度下无烟煤电阻率的层理效应 ·995 ial compression.Chin J Rock Mech Eng,2015,34(4):770 工大学，2010) (张朝鹏，张茹，张泽天，等.单轴受压煤岩声发射特征的层 24]Wang M H,Li X Q,Bai S W.3D stability analysis of slope 理效应试验研究.岩石力学与工程学报，2015,34(4)： based on GIS and principle of minimum potential energy.Chin J 770) Rock Mech Eng,2005,24(13):2376 [19]Pan R K.Cheng Y P,Dong J,et al.Research on permeability (王明华，李小强，白世伟.基于GS和最小势能原理的斜 characteristics of layered natural coal under different loading and 坡稳定性三维分析.岩石力学与工程学报，2005,24(13)： unloading.J China Coal Soc,2014,39(3):473 2376) (潘荣辊，程远平，董骏，等.不同加卸载下层理裂隙煤体的 25]Zhang Z H,Zuo B,Huang H X.The application of the minimum 渗透特性研究.煤炭学报，2014,39(3)：473) potential energy principle in the calculation of the deflection of [20]Deng B Z,Kang X T,Li X,et al.Effect of different bedding di- the key layer.The Chin J Geological Hazard Control,2014,25 rections on coal deformation and permeability characteristics. (3):94 China Coal Soc,2015,40(4)888 (张忠厚，左彪，黄厚旭.最小势能原理在关键层挠度计算 (邓博知，康向涛，李星，等.不同层理方向对原煤变形及渗 中的应用.中国地质灾害与防治学报，2014,25(3)：94) 流特性的影响.煤炭学报，2015,40(4)：888) [26]Lan L,Wu J D,Wang Y N,et al.Space charge property at the 21]Ma T S,Chen P.Analysis of wellbore stability for horizontal interface in low density polyethylene/ethylene propylene rubber wells in stratification shale.J Central S Unie Sci Technol,2015, double-ayered insulation.Proc CSEE,2015,35(5):1266 46(4):1375 (兰莉，吴建东，王雅妮，等.低密度聚乙烯/乙丙橡胶双层 (马天寿，陈平.层理性页岩水平井井壁稳定性分析.中南 介质的界面空间电荷特性.中国电机工程学报，2015,35 大学学报（自然科学版），2015,46(4)：1375) (5):1266) 22]Du YC,Xian X F,Tan X S,et al.Research on the electrical 27]Fu LK.Electrical Prospecting Tutorial.Beijing:Geological Pub- conductivity of Nantong coal.Chongqing Unie,1993,16(3): lishing House,1990 145 (傅良魁.电法勘探教程.北京：地质出版社，1990) (杜云贵，鲜学福，谭学术，等.南桐煤的导电性质研究.重 28]Chen F,An JZ,Liao C T.Directional characteristic of resistivi- 庆大学学报，1993,16(3)：145) ty changes in rock of original resistivity anisotropy.Chin J Geo- 3]Meng L Experimental Study on the Electrical Parameters of Coal phs,2003,46(2):271 [Dissertation].Jiaozuo:Henan Polytechnic University,2010 (陈蜂，安金珍，鏖椿庭.原始电阻率各向异性岩石电阻率 (孟磊.煤电性参数的实验研究[学位论文].焦作：河南理 变化的方向性.地球物理学报，2003,46(2)：271)

陈 立等: 不同温度下无烟煤电阻率的层理效应 ial compression． Chin J Ｒock Mech Eng，2015，34( 4) : 770 ( 张朝鹏，张茹，张泽天，等． 单轴受压煤岩声发射特征的层 理效应试 验 研 究． 岩 石 力 学 与 工 程 学 报，2015，34 ( 4 ) : 770) ［19］ Pan Ｒ K，Cheng Y P，Dong J，et al． Ｒesearch on permeability characteristics of layered natural coal under different loading and unloading． J China Coal Soc，2014，39( 3) : 473 ( 潘荣锟，程远平，董骏，等． 不同加卸载下层理裂隙煤体的 渗透特性研究． 煤炭学报，2014，39( 3) : 473) ［20］ Deng B Z，Kang X T，Li X，et al． Effect of different bedding di￾rections on coal deformation and permeability characteristics． J China Coal Soc，2015，40( 4) : 888 ( 邓博知，康向涛，李星，等． 不同层理方向对原煤变形及渗 流特性的影响． 煤炭学报，2015，40( 4) : 888) ［21］ Ma T S，Chen P． Analysis of wellbore stability for horizontal wells in stratification shale． J Central S Univ Sci Technol，2015， 46( 4) : 1375 ( 马天寿，陈平． 层理性页岩水平井井壁稳定性分析． 中南 大学学报( 自然科学版) ，2015，46( 4) : 1375) ［22］ Du Y G，Xian X F，Tan X S，et al． Ｒesearch on the electrical conductivity of Nantong coal． J Chongqing Univ，1993，16( 3) : 145 ( 杜云贵，鲜学福，谭学术，等． 南桐煤的导电性质研究． 重 庆大学学报，1993，16( 3) : 145) ［23］ Meng L． Experimental Study on the Electrical Parameters of Coal ［Dissertation］． Jiaozuo: Henan Polytechnic University，2010 ( 孟磊． 煤电性参数的实验研究［学位论文］． 焦作: 河南理 工大学，2010) ［24］ Wang M H，Li X Q，Bai S W． 3D stability analysis of slope based on GIS and principle of minimum potential energy． Chin J Ｒock Mech Eng，2005，24( 13) : 2376 ( 王明华，李小强，白世伟． 基于 GIS 和最小势能原理的斜 坡稳定性三维分析． 岩石力学与工程学报，2005，24( 13) : 2376) ［25］ Zhang Z H，Zuo B，Huang H X． The application of the minimum potential energy principle in the calculation of the deflection of the key layer． The Chin J Geological Hazard Control，2014，25 ( 3) : 94 ( 张忠厚，左彪，黄厚旭． 最小势能原理在关键层挠度计算 中的应用． 中国地质灾害与防治学报，2014，25( 3) : 94) ［26］ Lan L，Wu J D，Wang Y N，et al． Space charge property at the interface in low density polyethylene /ethylene propylene rubber double-layered insulation． Proc CSEE，2015，35( 5) : 1266 ( 兰莉，吴建东，王雅妮，等． 低密度聚乙烯/乙丙橡胶双层 介质的界面空间电荷特性． 中国电机工程学报，2015，35 ( 5) : 1266) ［27］ Fu L K． Electrical Prospecting Tutorial． Beijing: Geological Pub￾lishing House，1990 ( 傅良魁． 电法勘探教程． 北京: 地质出版社，1990) ［28］ Chen F，An J Z，Liao C T． Directional characteristic of resistivi￾ty changes in rock of original resistivity anisotropy． Chin J Geo￾phys，2003，46( 2) : 271 ( 陈峰，安金珍，廖椿庭． 原始电阻率各向异性岩石电阻率 变化的方向性． 地球物理学报，2003，46( 2) : 271) · 599 ·