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煤岩体电性时频特征研究

杨彩  
【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,研究煤岩体时间域和频率域电性时频特征,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。本课题立足于地球物理学,以煤岩体电性差异为基础,基于时间域和频率域电法勘探原理,通过高精度煤岩体电性参数实时采集系统的研制、煤岩体时频域电性实验及核磁共振、液氮吸附及压汞实验等,研究了煤岩体时间域和频率域电性特征,获取了时间域和频率域煤岩体电性参数(电阻率、自然电位、复电阻率、相位等)响应规律,并将其应用于现场工程试验。主要研究成果如下:(1)根据室内实验高精度及现场工程实验的要求,基于网络并行电法系统,完成了高精度实时煤岩体电性参数采集系统的研制和采集软件编写,该系统实现了在实验室小尺度、高精度采集条件下,实时获取多通道煤岩体自然电位、电阻率等四维动态变化参数。(2)通过煤岩体单轴加载实验,得到不同岩性岩样(烟煤、无烟煤、砂岩和灰岩)的自然电位参数随单轴加载压力变化的规律。随着单轴加载压力的变化,不同岩性岩样(烟煤、无烟煤、砂岩和灰岩)的自然电位参数均出现与压力一致的变化规律。在加载初期(做功硬化阶段和线弹性阶段),随着单轴压力保持逐渐增加趋势,自然电位呈现为线性增加或线性减小规律,与加载全程自然电位变化相比,该阶段加载岩样的自然电位保持相对稳定;随着加载压力的逐渐增加(进入软化阶段),在单轴加载压力第一个压力峰值点,自然电位在其相应的时间点出现变化拐点,表现为突然上升或下降,当岩石受到最大载荷时,自然电位的波动幅值达到最大;随着加载的持续,无烟煤在最大载荷点后,加载压力迅速下降,自然电位表现为急速下降或上升,而烟煤、砂岩和灰岩在最大载荷点后又出现若干个相对低压力峰值点后,自然电位才出现急速下降或上升;在加载后期,岩样的宏观破裂已经完成,此时所有岩样的自然电位趋于平稳。自然电位在最后变化拐点前后的变化幅值范围为10mv~100mv。(3)通过煤岩体频率域电性实验,首次系统得到了在高、低电导率(模拟矿井水)溶液高压饱和后不同岩性(烟煤、无烟煤、砂岩及灰岩)煤岩体的频谱激电特征和响应规律;高电导率溶液饱和后的煤岩体的频谱激电特征强于低电导率溶液饱和后的煤岩体频谱激电特征。(4)结合核磁共振、液氮吸附及压汞实验参数(横向弛豫时间、比表面积、孔隙度等),探索研究了煤岩体频谱激电参数和渗透率的相关性。由压汞实验得到的烟煤和无烟煤的渗透率与其Debye分解反演得到的弛豫时间相关性较弱,但前者优于后者;同时,与无烟煤相比,核磁共振参数-地层因子模型和核磁共振-频谱激电-地层因子模型更适用于烟煤进行岩样渗透率的预测。(5)基于阿尔奇基本公式,联合煤岩体时间域电性参数和频率域电性参数,拟合得到不同岩性煤岩体(烟煤、无烟煤、砂岩、灰岩)岩样的阿尔奇公式表达式。(6)详细分析不同岩性煤岩体在时间域和频率域采集到的多电性参量(直流电阻率、虚部电阻率、总充电率、弛豫时间等)响应特征,煤岩体岩样的时间域直流电阻率参量与其频谱激电参量(虚部电导率参量、总充电率参量和中值弛豫时间参量)呈负相关关系;推导出煤岩体时频电性特征综合响应因子计算公式。(7)基于网络并行电法动态监测技术,通过开展煤矿底板采动破坏动态监测实例,获取了矿井底板区域煤岩体电性参数响应特征及规律,验证了室内实验结论,证明煤岩体电性时频参数对矿山采动破坏具有表征能力。


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