巷道围岩破坏自然电场响应特征的实验研究

刘效孔

成都理工大学  四川省成都市610000

摘要

煤矿矿山采动造成岩体破裂，破碎岩体的渗透率要远比岩体孔隙渗透率高，是煤矿瓦斯、水害事故的灾害源。因此，研究煤岩体破裂，分析矿井采动破坏引起的电性变化响应规律，对由采动破坏引起的矿井水害的预警防治具有重要的应用基础研究意义。

本文基于煤岩体电学性差异，对岩体破坏过程中自然电位异常产生的机制进行归类、阐述。以岩样破坏测试为主要研究手段，测试了岩样破坏过程中引发的自然电位异常规律；利用相似材料模拟实验手段，研究了采动岩体破坏引发的自然电场异常现象。

关键词：围岩；自然电场；响应；采动

1 绪论

煤炭作为我国重要的化石能源，其市场经济的平稳运行关系到能源供应安全和经济社会持续稳定的健康发展。国家《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》(国办发[[2014]31号)指出，中国将控制48亿吨标准煤作为一次能源消费总量，其中煤炭资源消耗总量将减少到42亿吨左右，消费比重控制在62%以内。由此可见，在新能源正式推广使用之前，煤炭资源在我国能源消费结构比例中仍将占据重要的组成部分。根据现阶段煤炭开采利用统计情况显示，我国大部分矿区的开采水平增加速度达到2-8m，尤其在华东、华北地区矿井的增加速度更是达到每年5-lOm，许多大型煤矿都己进入深部化开采。随着开采深度的增加，各种灾害发生的概率也随之增大，其中顶板事故占据煤矿五大灾害之首，且当顶板破坏带导通水体时，将会导致突水灾害。因此，对采动条件下覆岩变形破坏机理与特征的研究受到国内外专家的高度重视。

在巷道围岩（含顶底板）变形破坏探测方面发现自然电位具有超前预测预报价值，可用于辅助直流电阻率法探测数据解释与分析，提高探测效果。

煤层工作面开采过程中，顶板岩层受采动影响原始应力状态将被打破产生变形与破坏，从而引发各种矿井地质灾害，诸如：顶板事故、地表塌陷、矿井突水、冲击地压等等，它与矿井地质构造、岩石矿物成分、煤岩体力学性质等具有紧密的联系。上述矿井地质灾害给社会造成了严重人员和财产损失，严重威胁煤矿安全高效生产。

在自然条件下，不需向地下供电，地面两点间能观测到一定的电位差，这表明地下存在着天然电流场，简称自然电场。自然电场主要是因为电子导电矿体的电化学作用以及地下水中电离子的过滤或扩散作用等因素形成。自然电位测量法是一种传统的地电场勘探方法，能敏感地反映地电场中异常电荷变化。在采矿、石油开采、水文地质、考古、地热、堤坝探测、山体滑坡、天然地震预测预报等领域得到广泛应用。自然电位测量是一种传统的地电方法，能敏感地反映异常电荷的变化，并且测量方法简单、精度高，观测资料的处理也较容易，因此在条件允许的情况下，常采用此法。

上个世纪 70 年代，北京大学地球物理系等研究了岩石压力实验中自然电场的变化，研究指出凡有引起压力降的破裂发生，同时就有电极间电位差(以下简称电位)的突变；在这样的破裂发生之前，几乎所有标本至少在一个方向上出现电位变化速率加快或电位发生“抖动”(即所谓“前兆”)现象；加压初期的电位慢变化与压力有关；干岩石标本在压力作用下，电位始终无变化，故电位变化与岩石标本含水有关。

1989年，陈宝华等利用水压致裂试验研究岩石加压过程中的地电效应，随着压力增加，电阻率明显上升。当压力超过岩石临界应力的一半以后，电阻率即很快地下降，卸压后又逐步回升，其变化椭圆的长轴方向与岩石破裂面的延伸方向是一致的；以压力孔为中心的自然电位及钻孔的井下电位都伴随着加压过程而变化，强烈反映了过滤电场与孔隙水压力的相关性。

2009年，李艳娜等建立了煤岩变形破裂过程表面电位测试实验系统,研究了不同试样单轴压力下变形破裂过程中的表面电位特征规律。结果表明,原煤、型煤和混凝土在受单轴压力变形破裂过程中都有表面电位产生,并且表面电位在整个变形破裂过程中始终存在。从总体上看,表面电位和载荷的变化趋势一致;载荷突变时,表面电位信号也出现突变,表面电位的突变幅度和载荷的突变幅度成正相关。

近几年，国内学者对煤体表面电位也进行了大量研究，王恩元、李忠辉、刘贞堂等利用建立的煤体表面电位实验系统，研究了煤体在单轴压缩、拉伸、三点弯曲等不同破坏方式下的表面电位效应特征和规律，探讨了煤岩破坏表面电位机理．研究结果表明，煤体在受载破坏时能够产生表面电位，并且表面电位与载荷呈较好的一致性，它们之间的相关系数可达到0.6～0.9；同时，载荷的变化会引起表面电位相应的变化，表面电位信号一般随载荷的增加而增强，随载荷的降低而减弱；并且表面电位在煤样表面上的分布是随载荷增加及煤样的破坏而变化的。何淼等通过试验研究了在单轴压缩条件下煤体受压产生电流的性质及变化规律，载荷发生突变或卸压时有较强电流信号出现。

Revil等采用自然电位来检测矿物体研究地热系统，尤其是火山地热系统，和勘查大坝附近的渗漏或泄漏。Aubert，Atangana，Thony，Doussan 等认为自然电位响应于地下水的抽采，地下水位深度表面和矿物表面以及地下水的流动除了强氧化还原反应和校正大地影响后，最突出的信号往往是地下水运动的结果。地下水流动引起的电压，称为流动电位，电滤，或电动效应，通常表现为几十到几百米的表面小于100 毫伏的电位差。在硅酸盐矿物的情况下，水的流量通常会导致增加的正电位呈下降梯度。

2 岩体破坏过程中自然电位响应机理

在地球的天然电场中，除了区域性变化的大地电场以外，还存在一种局部稳定的电场，即自然电场。一般地，认为它是由岩石的自然极化作用产生的，多发生在岩土体中液固耦合界面之上。然而，人们也已发现，在固相的岩土体内部，岩土体的力学行为也会导致自然电场的形成，包括岩体变形时应力突变导致的自然电场异常和岩体破裂时伴随裂隙产生而出现的自然电场异常。所以，在研究岩土体的电性特征时，必须同时考虑到这两大类自然电场的成因。

3 岩样破裂过程中自然电位测试实验

使用设备：基于网络并行电法仪研制的高精度实时煤岩体电性参数采集系统，包括：主机和采集器。

岩样制作：包括粗粒砂岩和细粒砂岩。共两种尺寸，其一是直径62mm、高100mm，其二是直径62mm、高50mm。

电极选用及安装：岩样（岩芯）的尺寸较小，且打孔过程中极易破损，故选用贴片式电极，同时可增大电极和岩样直接的接触面积，降低接触电阻。使用的贴片式电极为铜质，尺寸5mm×5mm，选用导电胶作为贴片式电极和岩样之间的耦合剂。

电极排列：三维电极排列形式，以提高岩样失稳突变过程中的信号捕捉概率。

图3-1 实验主机（左）、基站（右）

4 主要结论与建议

结论：（1）基于文献分析，梳理、总结了自然电场产生的机制，主要包括岩土体液固耦合系统中电场的自然极化效应、固相岩土体特定力学行为过程中的力-电效应两大类，其中后者是本文研究的对象，并重点总结了它的发生机制；总结、陈述了岩样破坏、相似材料模拟、现场实验三种研究工作中发现的自然电场异常现象。

（2）开展了岩样破坏实验和相似材料模拟采动破坏实验，表明，当岩体发生局部的破裂过程中，会引发自然电位的波动。在模型发生开裂破坏前，自然电位波动幅度较低；而在发生开裂破坏过程中，自然电位的幅值则增大且发生波动；在开裂破坏过程发生后，自然电位波动幅度出现回落到之前的水平。由此可见，采动引发的岩体破坏过程会引发自然电场突变，且突变幅度相当可观，可达到几百毫伏水平。故而认为，掩体的破裂状态可以通过观察自然电位的变化来判断。该现象值得引起关注，并进一步投入研究。

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