煤电阻率与其瓦斯含量关系的实验研究

康天慧，董 东，魏建平，薛王龙

(1.阳泉煤业(集团)天安煤矿有限公司，山西静乐 035100；2.太原理工大学采煤工艺研究所，山西太原 030024)

煤电阻率与其瓦斯含量关系的实验研究

康天慧1，董 东2，魏建平2，薛王龙2

(1.阳泉煤业(集团)天安煤矿有限公司，山西静乐 035100；2.太原理工大学采煤工艺研究所，山西太原 030024)

煤体中的瓦斯含量能显著影响煤的电阻率，本文利用高精度电阻测试实验装置，在连续吸附/解吸与等体积吸附/解吸条件下，对煤样的电阻率随瓦斯含量的变化规律进行测定。研究结果表明:煤样在连续吸附/解吸与等体积吸附/解吸条件下，电阻率随着瓦斯吸附量增大先逐渐减小，后趋于平稳；等体积吸附(静态吸附)时电阻率改变较连续吸附(动态吸附)明显，且等体积解吸结束时，煤体电阻率距离原始值较远；在瓦斯解吸过程中，煤体电阻率随煤中瓦斯含量增大呈线性减小。研究结果为利用煤体电阻率与瓦斯含量的线性关系预测矿井瓦斯含量提供了理论依据，对指导现场的瓦斯含量测量具有重要意义。

电阻率 吸附 解吸 膨胀变形 收缩变形

Kang Tian-hui，Dong Dong，Wei Jian-ping，Xue Wang-long.An experimental study on the relationship between resistivity and gas content of coal[J].Geology and Exploration，2016，52(5):0918－0923.

0 引言

在煤炭开采过程中，煤层瓦斯含量的准确测定对于煤矿安全生产具有重要意义。目前煤层瓦斯含量的测定方法主要有两种：直接测定法和间接测定法。直接测定法也称解吸法，虽然测定时间短，能及时为现场提供参数，但是从煤层到罐装密闭进行解吸这段时间的瓦斯损失量测定不准，造成测定值偏小；间接测定法是在井下实测瓦斯压力，在实验室测出瓦斯吸附系数，然后计算出瓦斯含量，也比较繁琐。此外许多学者也提出了不同方法，彭苏萍等利用AVO反演技术预测煤层含气量(彭苏萍等2014)；张许良等运用数学地质技术与方法使得瓦斯含量预测规范化和定量化(张许良等，2009)；王文才等运用广义回归网络对未开采矿井进行瓦斯含量预测(王文才等，2010)。上述方法在预测瓦斯方面各有不同，也取得了一定成果。

含瓦斯煤体是一种非均匀多相介质，吸附/解吸瓦斯会对煤体电阻率产生影响，有关学者探讨了利用煤体电阻率变化预测煤与瓦斯突出的可能性，主要是进行吸附阶段的测试(周圣华，2007；郭晓东等，2009；李文尧等，2010；汤井田等，2010；杨耸，2012)。然而限于研究手段，煤体在解吸瓦斯时电阻率与瓦斯含量的变化关系还无人测定。据此，本文采取实验研究的方法，开展原煤电阻率随吸附/解吸过程的变化测试实验，以期获得预测瓦斯含量的新方法。

1 实验系统及实验方法

1.1 煤样制备及实验方法

所用煤样取自阳煤寺家庄煤矿无烟煤，采用煤岩钻孔机在煤块钻取Ф100mm×155mm的标准柱形试样，放入烘干箱烘干。将烘干冷却的煤样装入吸附缶。首先对煤样进行工业成分测定(表1)。

表1 煤样工业成分测定Table 1 Determ ination of industrial components of coal samples

试验中，在煤体两端各钻取直径15mm的浅孔，孔底铺少量煤粉，将直径15mm的电极压入孔中并引出两根导线，上部用煤粉铺平并压实，以克服电极接触不稳的缺点以及还原煤样的完整程度，最后用胶封孔，防止电极脱落。装样时煤体与吸附缶的上下两端留有一定自由空间，以保证煤体电阻值不会因电极松动或煤体受压而受影响。

1.2 实验系统

实验设备由太原理工大学采煤工艺研究所自主研发。该系统主要由以下几部分组成(图1)：①恒温水浴装置；②瓦斯罐；③吸附缶；④精密数字压力表(量程2.5MPa)；⑤TH2515型号直流电阻测试仪，具有温度补偿和失调电压补偿功能；⑥电热恒温鼓风干燥箱。

1.3 实验方案

本次实验对煤样进行电阻值的测定，测定其在吸附/解吸瓦斯过程中的变化规律，实验方案见表2。实验1、2、3是连续吸附至平衡，吸附压力分别从0. 5MPa→0.323MPa、0.75MPa→0.442MPa、1.0MPa→0. 534MPa；然后解吸，测定两个过程中的动态电阻值。实验4是等体积吸附，每次注气初始压力始终保持在1MPa，分次注入等体积的瓦斯气体，电阻率不再改变后平衡压力为0.72MPa，其后三次继续吸附电阻率不再随瓦斯含量而变化。此时停止注气，然后等体积解吸，每次解吸一定量的气体(V＝1L)，测定两个过程中各次重新平衡后的静态电阻值。

实验步骤如下：①将处理好的试样放入电热恒温鼓风干燥箱中，测定在不同恒定温度条件下干燥煤样的电阻值(半小时内电阻变化率＜0.1%)，并观察其变化；②将煤样装入吸附缶(气密性良好)；③抽完真空连接电阻仪准备测试；④解吸，采用排水集气法，根据排出气体的量来实时记录电阻率的变化；⑤改变测试方法，采用等体积吸附法，每次吸附平衡后记录其电阻率；⑥等体积解吸，每次重新平衡后记录对应的电阻率。

表2 实验方案列表Table 2 Experimental schemes

在本次实验中，连续吸附的数据采集采用不间断采集数据的方法，时间间隔可以视吸附快慢而调整，同时为能保证充分记录煤体电阻值的变化情况，应将电阻仪储存功能提前开启，采集数据。

2 连续吸附/解吸电阻率随瓦斯含量变化规律

2.1 吸附过程中瓦斯含量的计算

实验中首先记录瓦斯压力随电阻率的变化规律，为便于与后续解吸曲线进行比较，将瓦斯压力统一换算为标况下的体积，将体积除以质量得到瓦斯含量。

运用修正后的波意耳定律，在等温条件下进行换算：

λ为瓦斯的压缩系数，P1为瓦斯压力，V1为吸附罐容积，P2为标况下的压强，V2即为标况下的气体体积。同理运用(1)式对吸附缶中游离气体进行计算，得出游离瓦斯体积V2'。

那么瓦斯含量q为：

其中m为干燥煤样质量。

2.2 煤体电阻率随温度变化规律分析

考虑温度对电阻率的影响(图2)。由图2可以看出在30℃～90℃之间，煤体电阻率受温度影响较明显，且其变化符合线性规律，煤体电阻率之所以会随温度升高而降低。从微观角度考虑：由于无烟煤属于不良半导体，半导体中处于能量低的价带内的电子随着温度升高，电子动能增加，被激发跃迁至能量更高的导带，因此导电性增加，电阻率减小。

从图2中可以看出煤体电阻率随温度的升高而降低，当温度在30℃～90℃范围内，电阻率与温度的关系可以很好的用以下线性函数描写：

图2 煤体电阻率随温度变化规律Fig.2 Variation of resistivity of coalw ith temperature

ρT是摄氏温度为T时的电阻率，ρ0代表符合线性条件下0℃时的电阻率，α为温度系数，是负值。2.3 连续吸附过程中电阻率变化机理分析

从连续注气吸附至平衡时煤体电阻率随瓦斯含量变化曲线可以看出(图3)，平衡压力越大，电阻率变化越明显。在吸附过程中，随吸附速率逐渐变慢，电阻率下降速率会减慢(聂百胜等，2000)。在趋于平衡的过程中，煤体产生新的孔隙裂隙，电阻率产生轻微反弹。实验中由于受到罐壁的限制，在吸附后期，煤体骨架基本已不发生变形，所以煤体电阻率不会随吸附量的增加而改变。现截取平衡压力为0.323MPa与0.534MPa同一范围内的曲线进行分析。

图3 连续吸附时电阻率随吸附量变化曲线Fig.3 Change curves of resistivity values With adsorption amount at continuous adsorption

由于瓦斯吸附是不断放热的过程(刘志祥等，2012)，煤体与瓦斯吸附放出热量，导致煤体温度升高，作为不良半导体的无烟煤电阻率会随温度升高而降低(如图2所示)。同时煤体吸附瓦斯会引起膨胀变形，而瓦斯吸附放热同样会促进膨胀变形(林柏泉等，1986；周动等，2015)，导致煤体孔隙率减少(吕志发等，1991)，孔隙表面能降低，煤体表面电子和离子的束缚力减弱。与此同时，孔隙内瓦斯压力的升高，对煤粒起到挤压作用(何学秋，1995；王恩元等，1996)，导致电阻率降低。因此，煤体电阻率在吸附瓦斯过程中会受到吸附热和膨胀变形的双因素影响。

2.4 连续解吸过程中电阻率变化机理分析

不同平衡压力条件下，煤体电阻率随瓦斯含量的曲线斜率相同(图4)，平衡压力越大，电阻率随解吸过程变化越明显，解吸完成时电阻率偏离原始值也较远。在解吸过程中，具体表现为电阻率随瓦斯含量呈线性关系变化。

图4 解吸时电阻率随解吸量的变化曲线Fig.4 Variation curves of resistivity With desorption amount

这是由于煤体电阻率在解吸过程中主要受解吸吸热和收缩变形影响。瓦斯解吸会吸热，导致煤体温度降低，使得煤体表面自由能下降，表面电子从导带跃迁至禁带，导电性变差，从而电阻率增大；收缩变形与膨胀变形的效果相反，收缩变形会导致孔隙率增加，且瓦斯压力降低使得煤粒受挤压程度减小(姚宇平等，1988)，同样会引起电阻率增大。由于整个装置处在恒温环境中，在解吸时，外界温度会迅速补充煤体因解吸而散失的热量，同样外界补充的热量会缓冲收缩变形，导致整个过程中电阻率随煤体中残余瓦斯含量呈线性变化。

从图4中可以看出，煤体经过解吸后，电阻率无法恢复至吸附前的状态，即煤体在解吸完成时电阻率变化小于吸附完成时电阻率变化幅度，煤体存在残余变形，且平衡压力越大，残余变形量越大。这是由于瓦斯在解吸时，原来借助于气体压力楔开的微孔隙和微裂隙在瓦斯压力突然降低后闭合，部分气体被被禁锢于内(于不凡，1985；胡千庭，2007)，导致煤体产生残余变形，电阻率无法恢复原值。

3 等体积吸附/解吸电阻率随瓦斯含量变化规律

3.1 等体积吸附条件下电阻率变化规律

连续吸附实验采用连续不间断采集数据，而等体积吸附实验为每次重新吸附平衡后记录对应的电阻值，忽略其变化过程，两者一个是动态，一个是静态，因此曲线会出现不同形态(图5)。依据图5所示，可以看出煤体电阻率在吸附前期呈现下降趋势，后期出现反弹并快速回落，最后保持不变，与连续吸附实验曲线表现出相同的规律。

图5 等体积吸附电阻率变化曲线Fig.5 Variation curve of resistivity at equal－volume adsorption

3.2 等体积解吸条件下电阻率变化规律

图6为等体积解吸曲线，可以发现曲线变化趋势与连续解吸一致，这是由于在解吸过程中，瓦斯解吸吸热，煤体温度降低(周国平等，2011)。微观上表现为原先被激发到空带上的电子重新跃迁至满带，使得导带上自由电子减少，从而导电性变差，宏观上降温反会促进煤体收缩变形，导致孔隙体积增加，电阻率变大；同时瓦斯解吸，煤体收缩变形，煤粒受挤压程度逐渐减小(苏现波等，2008)，双层因素共同导致煤体电阻率随解吸过程线性增大。

4 不同吸附/解吸方式对煤体电阻率的影响

4.1 不同吸附方式对煤体电阻率的影响

从连续吸附时煤体电阻率随瓦斯含量变化曲线与等体积吸附曲线可以看出，不同注气方式，虽然变化趋势一致，但煤体电阻率改变量不同。

图6 等体积解吸电阻率曲线变化Fig.6 Variation curve of resistivity at equal－volume desorption

连续吸附时，吸附罐与瓦斯气瓶直接连接，煤体不断吸附瓦斯时，瓦斯气瓶的压力缓慢下降。煤体中的瓦斯处于动态平衡过程中，这时根据瓦斯压力计算出的瓦斯含量是煤体中的瓦斯总体含量，瓦斯在煤体中分布并不平衡。因此，这是动态吸附过程。

等体积吸附势，将等量的瓦斯气体注入到吸附罐中，待吸附罐内的压力稳定后，进行电阻测量，此时，瓦斯在煤样内分布基本平衡。因此，这是静态吸附过程。

4.2 不同解吸方式对煤体电阻率的影响

对比图4与图6煤体电阻率随解吸变化曲线可以发现，不同解吸方式下，煤体电阻率随瓦斯含量皆呈线性变化关系。同时，等体积解吸曲线电阻率改变幅度大于连续解吸的改变幅度，但前者电阻率在解吸完成时距离原始值要远(表3)，说明煤体有残余变形，且等体积解吸完成时残余变形量大于连续解吸的变形量(聂百胜等，2015)。

从表3中可以看出，解吸结束时煤体电阻率与原始值有一定差距，这是由于煤体内有残余瓦斯，而瓦斯吸附/解吸对煤体造成的损伤破坏相对煤体电阻率的影响此时可以忽略不计(相对残余瓦斯含量，损伤破坏对煤体电阻率的影响很小)。此时利用煤体电阻率与瓦斯含量的线性关系，对不同平衡压力条件下的含瓦斯煤体电阻率在解吸过程中的变化曲线进行拟合(表4)。

根据上述拟合结果，最终得出干燥煤样电阻率随瓦斯含量变化曲线，结果如下：

其中q代表瓦斯含量，ρ代表电阻率，a是与初始瓦斯含量无关的常数，只与电阻率随瓦斯解吸曲线斜率相关，b是与初始瓦斯含量有关的对数函数，初始瓦斯含量不同，b值不同。

表3 解吸时平衡压力为0.534MPa与等体积解吸实验电阻率变化对照表Table 3 Contrast of resistivity changes at desorption With equilibrium pressure 0.534MPa and at equal volume desorption

表4 连续解吸过程中煤体电阻率与瓦斯含量关系曲线拟合结果Table 4 Fitting results of relationship between resistivity and gas content of coal in the process of continuous desorption

5 结 论

通过煤样在连续吸附/解吸与等体积吸附/解吸条件下的试验研究，测定了煤的电阻值随瓦斯含量的变化规律，得出以下结论：

(1)在吸附过程中，煤的电阻率随瓦斯含量的增大，呈非线性减小的变化趋势，即：缓慢减小，后趋于平衡。

(2)不同的吸附过程，瓦斯含量对电阻率的影响程度不同。与连续吸附相比，等体积解吸结束时，煤体电阻率距离原始值较远。

(3)煤体电阻率随瓦斯含量的减少而增大，呈现出线性规律，利用此线性关系，可根据煤体电阻率预测煤体中瓦斯含量。

(4)煤吸附/解吸瓦斯时，会产生残余变形。因此，煤体解吸完成后的电阻率比吸附之前的原始值要小。

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An Experimental Study on the Relationship Between Resistivity and Gas Content of Coal

KANG Tian-hui1，DONG Dong2，WEIJian-ping2，XUEWang-long2

(1.Yangquan coal industry(Group)，Tanan coalmine Co.，Ltd.，Jingle，Shanxi 035100；2.Institute ofMining Technology，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi 030024)

Gas content can significantly affect the resistivity of coal.In this work，the variation of the resistivity of coal with gas contentwas determined by using a high－precision resistance instrument under the conditions of continuous adsorption/desorption and equal－volume adsorption/desorption.The results show that in the above conditions，resistivity of coal samples drops gradually first with increasing gas adsorption amount and then tends to be stable.In the case of equal－volume adsorption(static adsorption)，resistivity changesmore obviously than continuous adsorption.As equal －volume adsorption ends，resistivity of coal is far from the original value.During the desorption process，the resistivity of coal decreases linearly with growing gas content in the coal.The research results provide a theoretical basis for the prediction of gas content in coal beds using the linear relationship of the resistivity and the gas content of coal，which is of great significance to guiding themeasurement of the gas content on site.

resistivity，adsorption，desorption，swelling deformation，shrinkage deformation

TQ531

A

0495－5331(2016)05－0918－06

2016－01－19；[修改日期]2016－08－02；[责任编辑]陈伟军。

国家自然科学基金(编号：21373146，51304142)和山西省研究生创新基金(编号：02100740)共同资助。

康天慧(1977年－)，男，工程师，主要从事煤矿技术管理工作。E-mail：1679719299＠qq.com。