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 ·