受载含瓦斯煤岩体低频电性参数特征研究

建立一套在低频测试条件下受载含瓦斯煤岩体破裂过程中电性参数的实验系统，测试含瓦斯和不含瓦斯煤岩体及复合煤岩体在低频段不受载荷条件下电性参数的特征差异以及在单轴压缩和劈裂拉伸条件下破裂过程中电性参数的变化规律及前兆信息特征；在此基础上，研究受载含瓦斯煤岩体破裂过程中电性参数的影响因素（瓦斯压力、加载条件、煤岩组构成分、温度、湿度、测试频率、不同破坏类型及煤质工业分析）以及电性参数变化规律与受载煤岩体变形破裂过程（应力－应变曲线）的关系；分析研究具有冲击倾向性和具有突出倾向性的煤岩体在受载破裂过程中电性参数的特征差异；基于宏微观断裂力学和断裂物理学，对受载含瓦斯煤岩体破裂过程中电性参数的变化机理进行较为系统的研究，基于统计损伤理论，分析损伤统计与受载含瓦斯煤岩体电性参数变化的耦合模型。

本项目首先以煤的物理化学性质为基础，结合电介质物理学理论，对煤的微观导电机理进行了初步研究。结果表明，煤是一种大分子结构，由含多种侧链和官能团的缩聚芳核组成，是一种长程无序、短程有序的非晶体物质；煤化作用是富碳、去氢、脱氧过程；同时，构造应力不仅增加物理煤化作用，在一定程度上导致煤有机大分子结构和化学组成的改变，可形成不同类型的超微孔隙。因此，构造煤具有自由基浓度高和芳碳率高等特征，自由基增加会使煤体电阻率下降，导电性增强。煤的导电性质主要由电子导电和离子导电构成。. 其次，对构造软煤电性参数的影响因素进行了定量分析，结果表明，灰分、水分和视密度是影响电阻率发生变化的主要因素；接着，建立了在单轴压缩条件下煤体电性参数的实验系统，以焦作矿区的无烟煤、鹤壁矿区和淮南矿区的烟煤为实验煤样，使用扫描电镜分析煤体孔隙结构，对煤体在不受载条件和在单轴压缩条件下的电阻率变化规律进行了研究，分析加载速率对煤样变形破裂过程中电性参数的影响。结果表明，在不受载条件下，型煤与原煤的电性参数显著差异，水分、温度和测试频率均对煤电性参数有重要影响；在单轴压缩条件下，煤体电性参数与所加应力有较好的一致性，且介电常数对于煤岩孔隙和裂隙的敏感程度要大于电阻率，但过快的加载速率会使电性参数变化不明显。. 最后，完善了LCR仪器的连续采集数据功能，测试和分析了受载含瓦斯煤体变形破裂过程中电性参数的变化规律，研究不同结构类型和不同变质程度煤体在不同测试频率下、不同瓦斯气体和瓦斯压力条件下，受载含瓦斯煤体电性参数的变化规律。结果表明，受载含瓦斯型煤和原煤变形破裂过程中，其电性参数与所加应力有较好的一致性，而且含瓦斯煤体电性参数的破坏前兆可归结为两种典型类型，第1种为上升型，第2种为下降型。对于受载含瓦斯煤体而言，原煤、型煤的电阻率随着应力的增加而减少，介电常数则反之；烟煤的电阻率随着应力的增加而增加，无烟煤的电阻率随着应力的增大而减小，烟煤、无烟煤的介电常数随着应力增加而增加；瓦斯压力与电阻率呈负相关关系，与介电常数成正相关关系；不同瓦斯气体对煤体的电性参数有一定的影响。对煤岩组分、孔隙结构、水分和工业分析对电性参数的影响进行了分析，结果表明，煤岩组分中高岭石、原煤与型煤的孔隙结构、水分等是影响电性参数变化的主要因素。