高温煤岩体电性特征及地球物理数值模拟研究

葛 欢 ，韩 猛 ，刘 磊 ，卢君实 ，赵维俊 ，张 桉

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122；3.辽宁省地质勘查院有限责任公司，辽宁 大连 116620；4.中国地质调查局 沈阳地质调查中心，辽宁 沈阳 110034；5.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新 123000）

由于煤的自燃特性、开采工艺以及地质条件等因素，煤矿内因火灾事故时有发生[1]。煤火不仅对我国的国民经济和国家能源战略安全产生重要影响，还对环境、生态、植被、地下水资源等产生严重破坏[2-4]。对于井工矿煤自然发火来讲，火灾治理是安全生产的保障，精准探测火区位置是火灾有效治理的前提，也是重中之重。近年来，世界各国在治理地下煤火方面开展了大量的工作[5-6]，但是地下煤火的分布和发展状态十分复杂多变，有效地识别高温火区准确位置、埋深以及煤火发展的不同阶段难度大。因此相关技术在近几十年内并没有突破性的创新，煤田火区探测一直是世界性难题。地球物理勘探是以岩矿石的物性差异为基础进而解决有关地质问题的一类方法，在煤田地质、工程地质及环境地质等方面有着广泛的应用[7-9]。针对煤田火区勘探，目前的主要技术手段包括钻探法、电法、磁法、红外测温法和放射性元素勘探法等[10-13]，而在实际工程应用中效果并不理想。一方面每种方法都有其特点及适用性；另一方面，高温环境下煤岩体的基础物性研究程度薄弱，造成资料解释和异常成因的不明确性。为此，从高温煤岩体的物性特征出发，基于煤岩体温变电阻实验，系统分析岩石、矿物和煤的电学性质及其在不同条件下的变化规律，对实验数据进行正反演数值模拟，研究不同煤火发展阶段瞬变电磁信号异常响应特征。

1 煤岩石电性特征

岩石电性特征的参数一般包括电阻率R、电导率σ、介电常数ε等。而对于地球物理勘探来讲，反映介质导电特性最重要的参数就是岩石的电阻率。在外部电场的作用下，带电粒子（电子和离子）的定向运动能力决定了物质的导电性，而带电粒子的不规则（热）运动产生了电阻，电阻是由原子的电子层的结构、矿物的结晶化学结构和盐类水溶液离子化学特性共同决定的[14]。

1.1 岩矿石导电机制

岩石导电性的机理有可能是离子导电、电子导电和混合导电，这与其岩相成分的不同和造岩矿物、次要矿物及金属矿物的导电性等有关。固相（矿物骨架）的电阻率超过液相6～8 个数量级；气相则为电介质。因此，填满岩石孔隙空间的各种相的影响和空间结构是决定大多数岩石电阻率的因素。但黏土和黏土质岩和石膏则属例外。当岩石中的电子导电的副矿物或金属矿物发育时，则包裹体的结构具有重要意义。

根据岩矿石的导电性能可分为：导体（电子导体和离子导体）、半导体和电介质[15]。

天然金属的导电性为电子导电性，金属矿物如黄铜矿、磁铁矿、方铅矿等，其结晶键为离子-金属型和共价-金属型，因此二者均具有很高的导电性。电子导电的特点是电阻随温度的升高而增大。具有离子型结晶键的矿物在自然条件下充满孔隙水，当电子脱离原子时，或在其结合时，原子的中性遭到破坏，它们就相应地变成正离子或负离子，在外电场的作用下，离子的运动产生了电流，电阻率一般随温度的上升而下降。

具有共价或离子型结晶键的许多化学元素和大多数硅酸盐与氧化物具有半导体的性质，虽然在许多矿物结构中也包含着电子导电性的元素，但矿物坚固的结晶格架使电子不易移动，因此，一般都具有高电阻值，半导体的特点是电阻随温度的升高而下降。

电介质系具有共价型键的化学元素和矿物，其晶格（岛式或链式结构）上的原子排列极为紧密，矿物电阻率极高，在强电场中，电介质具有电子导电性，电阻一般随温度的升高而降低。

1.2 高温煤岩体导电特征

文中所指高温煤岩体电性特征是狭义的，只针对煤田沉积环境下的相应类型岩石以及由煤自燃产生的高温环境。其过程及电性变化主要分为以下3 个状态：

1）自然状态。自然状态下煤及沉积岩中含有孔隙水、层间水、裂隙水、喀斯特水等。煤岩体在水的矿化作用下，以离子导电为主，其电阻率取决于地层的赋水性以及水的矿化程度。

2）煤自燃初期。当采空区内煤自然氧化引起温度升高，煤及围岩会逐渐脱水，导电方式由离子导电向电子导电过渡，电阻率迅速上升，经达一定时间及温度，岩石的电阻率不再取决于含水性及其矿化程度。

3）煤自燃高温期高温作用使煤中的有机质发生氧化分解，含碳量升高，电阻率减小；岩石中的微观粒子由于温度的升高打破能量势垒并变成自由移动的载流子，导致岩石电阻率降低[16]。当温度到达一定阶段，岩石会根据的化学和矿物成文不同，按照电阻率进行分异，直到融化为止。

2 高温煤岩体实验

2.1 研究现状

高温煤岩体电性测试主要存在实验条件复杂、成本高、煤岩样本身的微观结构及相变变化复杂等问题，因此国内外开展此项研究工作的不多。万琼芝[17]测定了原煤岩样常温至120 ℃范围内电阻率随温度的变化关系，总结出了在此温度范围内煤岩体电阻率整体上随温度增加而增大，不同样品变化速率不同的特点；刘文忠等[18]测定了5～140 ℃范围内干燥岩石电阻率随温度及压力的变化关系，证明了砂岩、灰岩、灰质角砾岩的电阻率随温度的增高而减小，其中砂岩电阻率从20 000 Ω·m（25 ℃）下降到12 000 Ω·m（140 ℃），并认为温度的升高改变了岩石中离子的迁移率，致使电阻率急剧下降；熊盛青[19]测定了乌达煤田煤层围岩20～900 ℃的电阻率变化，总结出常温加热致500 ℃过程中，不同岩样电阻率存在先降后升、先升后降及逐渐降低的复杂变化规律，岩石样品加温至500 ℃后，随着温度增加电阻率呈逐渐降低趋势，900 ℃左右电阻率趋近于0；邵振鲁[20]测试了安家岭矿区4 种砂岩岩样，常温至800 ℃过程中整体岩样电阻率随温度的增加而降低1～3个数量级，部分岩样电阻率在升温过程中出现了先增大后降低的趋势；多尔特曼[14]进行了氧化物矿物、硅酸盐类矿物以及火成岩在20～1 000 ℃温度条件下的高压电阻率测定实验，认为矿物电性是由其化学成分和结晶的结构类型决定的。随着温度的升高，结构和构造特点对岩石电阻率影响逐渐减小，不同岩性的岩石电阻差异也随之减小，在所有测定岩石类型中，变质岩随温度的变化幅度最大；PARKHOMENKO[21]进行了不同矿物成分的变质岩在200～600 ℃时电阻率测定实验，分析了高温高压条件下不同岩石组的电阻率与其矿物和化学成分以及结构的关系，除此之外，分析了饱水沉积岩电阻率随温度、压力的变化规律以及影响因素。从目前国内外已开展的高温煤岩体电性测试研究来看，试验结果并没有达到统一，甚至存在分歧；另外，对于高温煤样的电性实验研究甚少，现有高温煤岩体电性规律认识无法有效指导煤火探测方法。

2.2 实验装置

实验装置示意如图1。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental device

具体实验步骤如下：

1）将岩样加工成ϕ60 mm×3.5 mm 规格圆柱体，煤样加工成ϕ60 mm×6 mm 圆柱体，上部扣槽2 处，规格15 mm×10 mm×1 mm，槽内涂约1 mm 厚导电银浆，180 ℃烘干24 h 以待用。

2）将煤岩样固定于绝缘耐高温陶瓷管底部，凹槽内导电银浆分别连通测试仪器正负极钨棒，陶瓷管上部安装红外测温仪，陶瓷管下部安装可升降加热装置，底部靠近煤岩样处安装热电偶测温装置。

3）升温实验采用高压乙炔氧直喷岩样方式进行，实验前期控制加热装置喷火口与煤岩样的距离，后期通过改变喷火口出气量以控制温度，煤样升温速率约为120 ℃/min，岩石样品升温速率约为45 ℃/min。

4）实验时，电阻测量、温度测量记录自动同步进行，电阻率量程范围0.1～220.0 MΩ，最终温度为2 种测温方法的平均值。

试验流程中接触电极由传统电极片更换为涂抹导电银浆，增加了岩样与接触电极的耦合性，考虑到Ag 温度超过961.93 ℃时会融化，因此对岩样进行精加工制作银浆凹槽。另外，为提高煤岩样测试温度，加热方式由传统的电恒温加热装置更改为高压火焰直喷方式。

2.3 实验分析

高温煤岩体电性实验共测试4 个煤样，16 个岩样。由于部分煤样、泥岩、泥质砂岩等在烘干脱水或升温实验前期发生爆裂而无法进行，最终成功1 个煤样、6 个岩样。

2.3.1 褐 煤

褐煤升温电阻实验结果如图2。

图2 升温褐煤电阻实验结果Fig.2 Resistance test results of heating lignite

由于煤为可燃物的特殊性，因此要尽量缩短实验时间，设置电阻及温度采样间隔均为1 s，升温共持续7 min，而后自然冷却至常温，整个过程大致经历3 个阶段：

1）升温氧化分解阶段。煤样在常温下电阻144.4 MΩ，在升温过程中，一方面微观粒子热运动增加，自由移动的载流子增多；另一方面煤中有机质发生氧化分解，含碳量逐渐增加；温度每升高200 ℃，电阻会降低1～1.5 个数量级，达到最高温度859.38 ℃时电阻已降低至10.9 Ω。

2）降温氧化分解阶段。降温过程中，残余有机物继续发生氧化分解，当温度降低至508.2 ℃时，有机物氧化分解完全，含碳量最高，电阻达最低点1.1 Ω，煤样导电方式以碳元素的电子导电方式为主。

3）降温至常温阶段。实验降温至常温阶段，煤样中几乎不存在有机物或残余有机物不再发生分解，由于温度的降低微观粒子能量变弱，自由移动的载流子变少，因此煤样电阻会随着温度的降低而略有升高，最终稳定在3.7 Ω，可见煤样升温实验前后电阻差异巨大。

常温升高至300 ℃时，温度升高是引起煤样电阻变化的主导因素，而当温度高于300 ℃时煤样进入自身的激烈氧化分解阶段，影响其电阻的主导因素为煤样中的含碳量，温度到达859.38 ℃时，煤样的电阻下降7 个数量级，成为导体。

2.3.2 岩 石

高温岩石电阻实验曲线如图3。

图3 高温岩石电阻实验结果Fig.3 Resistance test results of heated rock

升温岩石实验岩样有粉砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩、粗砂岩及泥质砂岩。实验采样间隔为4 s，升温过程一般持续时间20～25 min，不同岩样的最高测试温度941～1 107 ℃，由于电阻测试量程最大为220.0 MΩ，因此某些岩样加热到一定温度才显示电阻值。实验过程同样可分为3 个阶段：

1）升温电阻率急降阶段。粉砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩、粗砂岩及泥质砂岩分别由常温升高至430、795、760、810、720 ℃过程，电阻迅速降低，温度每升高200 ℃，电阻会降低1～2 个数量级。造岩矿物的成分和粒度影响着电阻率变化速率。

2）升温电阻率缓降阶段。温度持续升高使岩石电阻继续减小，但变化速率变慢，在温度达1 000 ℃附近时，几乎所有岩样的电阻都在同一个数量级，整体电阻差异不大。说明此阶段岩石微观粒子热动力能有限，打破能量势垒变为自由载流子的数量急剧减少。

3）降温阶段。温度由最高点降低至常温，岩样电阻率同样经历缓慢变化和急速变化2 个过程，与升温过程基本一致。岩石微观粒子热动力能量变弱，岩石的电阻率逐渐升高接近于初始状态。

2.4 高温煤岩体实验结果

高温煤岩体温变实验测试结果见表1。

表1 高温煤岩体温变实验测试结果Table 1 Temperature change test results of high temperature coal and rock

表1 中，常温含水电阻岩样为室温26 ℃、空气湿度为51%时自然岩样电阻测量值；常温脱水岩样为180 ℃烘干24 h 电阻测量值，受仪器量程原因仅得到褐煤电阻数据，不同岩样由于条件限制所达最高温度有差异。整体来看，无论是煤还是岩石，在升温过程中电阻都会大幅降低，岩石在降温过程某个温度的电阻值一般要略高于该点升温过程电阻值，说明升温实验前后岩石物性是不可逆的。

3 地球物理数值模拟

地球物理数值模拟就是在假定地下介质结构模型和相应电性参数已知的情况下，模拟地电场的分布规律，并计算在地面或地下各观测点所观测到的数值记录的一种模拟方法[22]。为研究煤田火区地球物理场规律及变化特征，以上节中常温含水煤岩样、常温脱水煤岩样和高温煤岩体电性实验结果作为瞬变电磁正反演基础参数，同比例建立井工矿开采工作面地电场数值模型，通过数值模拟计算，还原观测点原始模拟信号，最后对不同采集装置、煤火不同燃烧阶段以及不同煤火埋深情况下的数值模拟结果进行分析。

3.1 数值模型及参数

地 质 数 值 模 型 大 小 选 取 为1 000 m×1 000 m×400 m，TEM 测线长度800 m。采空区工作面平面投影尺寸100 m×1 000 m，煤层及采空区高度10 m，泥质砂岩、粉砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩、褐煤、粗粒砂岩厚度依次为30、60、70、10、100、130 m，煤火发展选取常温、500、1 000 ℃ 3 个阶段，采集装置选取定源回线及中心回线2 种装置。瞬变电磁数值模型如图4。

图4 瞬变电磁数值模型Fig.4 Transient electromagnetic numerical model

3.2 数值模型结果

1）采集装置效果分析。在煤层埋深160 m 时，TEM 不同装置在煤未自燃及高温煤自燃采空区情况下电压测道曲线如图5。定源回线装置发射端Tx 规格为1 000 m×1 000 m，发射电流1 A，接收端Rx 探头采用等效面积为100 m2的100 匝圆形线圈；中心回线装置Tx 规格20 m×20 m，匝数25，发射电流1 A，Rx 等效面积100 m2。在采空区常温阶段2 种装置异常效果均不明显，而在煤火发展的高温阶段中心回线装置要比定源回线装置异常幅度大得多。

图5 TEM 不同装置电压测道曲线Fig.5 Voltage trace curves of different TEM devices

2）煤火不同发展阶段效果分析。瞬变电磁中心回线装置，在煤火发展的3 个阶段中心测点dt（感应电动势）衰减曲线对比图如图6。在自然状态26 ℃时煤及围岩电阻率范围为3.47×105～1.23×107Ω·m；煤火发展至500 ℃时，煤及围岩电阻率要比自然状态升高1～2 个数量级；煤火从500 ℃发展至1 000 ℃左右时几乎所有围岩电阻率均降低至105数量级，而煤电阻率则降低至10.9 Ω·m。前2 个阶段异常差异不明显，第3 阶段异常幅值变化较大，说明由高温煤引起的低阻异常对于TEM 响应十分明显。

图6 煤火不同发展阶段TEM 中心回线dt 衰减曲线Fig.6 Diagram of dt attenuation curves of TEM central loop at different development stages of coal fire

3）不同采空区埋深效果分析。瞬变电磁中心回线装置、煤火发展至1 000 ℃左右时不同煤层埋深中心测点dt 衰减曲线图如图7。设置煤层埋深分别为40、80、120、160、200、240 m。由图7可以看出，随着煤层埋深的增加，高温火区dt 变化逐渐减小，尽管如此，其仍与煤层埋深160 m时未燃烧采空区电性差异巨大。

图7 不同煤火埋深dt 衰减曲线图Fig.7 Diagram of dt attenuation curves for different coal fire burial depths

4 结 论

1）煤岩体在完全脱水的情况下，电阻率均会随着温度的升高而减小；在自然含水情况下，升温煤岩体电阻率会随着含水量的减小而增大。

2）相比自然含水情况，高温会引起煤的电阻率下降至105数量级，这种幅度的改变并不足以激发地球物理场的明显异常响应。

3）煤在升温过程电阻率主要受微观粒子热动力特征及有机物氧化分解后的含碳量2 种因素影响，在煤火发展的中后期煤变为含碳导体，含碳量为电性变化的主导因素，这种变化比高温岩石激发的瞬变电磁异常响应幅值大得多。

4）煤的快速升温氧化或缓慢氧化都会引起有机物的氧化分解，导致含碳量的增加，因此只要煤变为碳导体，其相应的地球物理场异常耦合效果均会十分明显，煤的这种特性也可以指导火灾的前期地球物理预报。

5）瞬变电磁中心回线装置对高温煤火引起的低阻异常具有较好的耦合性，且埋深越浅，异常越明显。