Question

地下煤层自燃电性特征分析

Answer 1

（一）以往研究成果分析

开展煤火区岩矿石电性的室内测试和研究，特别是在高温条件下进行室内测量是一件较为困难的事。国外已有这方面的报道，国内在这方面的工作开展得不多。

国外研究一般认为，煤在常温至200℃加热过程中，由于煤样脱水干燥，电阻率上升。500℃以上，因煤的热变质，含炭率增加，电阻率急剧减少，至800℃以上时，电阻率低于0.1Ω·m（万琼之，1984）。

万琼之广泛搜集了国内各个矿区煤炭及煤层顶底板岩石样品，通过试验确定从常温至120℃范围内电阻率随温度的增加而增大。其中褐煤、长焰煤、肥煤电阻率增加速度很快，增长了1到2个数量级，其他煤种增加较缓慢。在此温度范围内，砂岩和页岩的电阻率随温度的增加而增大，而薄层灰岩的电阻率则减少（见表2⁃3⁃5）。

表2⁃3⁃5 电阻率与温度关系　（Ω·m）

注：综合全国各地煤矿样品实测结果（万琼之，1982）。

刘金忠（1996）测量了岩心电阻率在5～140℃间随温度和压力的变化情况，证明砂岩、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20000 Ω·m（25℃）下降到12000 Ω·m（140℃）。他所测量的岩心标本具有孔隙结构，且电阻率不高，其电阻主要是由于水的离子导电性能产生的。他认为其电阻率的下降是由于温度升高以后，孔隙中的离子活动加剧，其导电性能提高，从而导致电阻率下降。

地下煤层自燃的着火点及附近温度要高于1000℃，煤及岩石电阻率与其在100℃左右低温时的值会有较大差别。张秀山（2001）通过模拟试验证明，在汝箕沟火区上出现的自然电场异常值比在煤层正常区的自然电位异常背景上出现的要高，他认为煤处于高温或燃烧时本身就在高温作用下使有机质发生化学分解作用，热分解的结果出现炭青质，炭青质是一种电的良导体。因此煤自燃时，电阻率将会降低，从而增高了电子的导电性。在高温条件下汝箕沟、乌达地区的煤层顶底板岩石（石英砂岩为主）电阻率特征研究未见报道，有必要进行研究。

（二）石英砂岩电阻率高温测定试验

为了研究乌达煤田围岩在高温条件下电阻率的变化，项目组从乌达各煤层顶底板岩石中采取十个样品，样品编号为W1⁃1（中细粒石英砂岩）、W2⁃2（细粒杂砂岩）、W4⁃3（中粗粒石英砂岩）、W5⁃1（中细粒石英砂岩）、W7⁃2（细粒杂砂岩）、W8⁃2（细粒杂砂岩）、W9⁃1（细粒杂砂岩）、W9⁃2（细粒杂砂岩）、W9⁃3（细粒杂砂岩）、W12⁃1（粉砂岩）。试验条件如下：选择新鲜的岩石面，将样品磨成直径6.0mm，高度30mm的圆柱，用BUEHLER⁃LTD低速锯将其切割，做成ϕ6.0mm×6.0mm规格样品柱。每个样品磨了2根柱子。电极是用白金电极，规格是ϕ5.0mm×1.0mm规格的白金片。

借助于YJ⁃3000t大腔体固体高压设备，预设0.05～0.1GPa的压力，以确保白金电极与样品接触良好。然后缓慢自动升高温度，升温速率为100K/h。将温度升高到待测值时，恒定温度。见HP⁃millimeter多功能万用表在0.04mV以下变动（换算成温度1℃）时，再将其恒定足够长的时间，以减少实验温度梯度给试验带来影响。阻抗测量是借助于1260阻抗⁃增益/相位分析仪完成的，设定频率为10³～10⁶Hz。热电偶采用Pt/PtRh₁₀（其误差为5K）。样品测试是在中国科学院地球化学研究所地球深部物质与流体作用实验室完成的。测试结果见图2⁃3⁃8。显现的特征如下。

图2-3-8 乌达岩石样品在20～900℃下lgρ与t的关系图

（1）不同岩石样品在常温下的电阻率值变化很大。

（2）岩石样品加温到500℃后，随温度增加电阻率呈降低趋势，900℃左右电阻率趋近于零。

（3）岩石样品从常温加温到500℃之间，电阻率值变化规律较复杂。部分样品（W4⁃3、W7⁃2、W9⁃1、W9⁃2）电阻率值随温度增加降低，并在250℃左右出现低峰值，而后升高，在400℃左右出现高峰值（但低于常温电阻率）。部分样品（W1⁃1、W2⁃2、W5⁃1）电阻率随温度增加而升高，在220℃左右出现峰值，并大于常温下2个数量级。部分样品（W8⁃2、W12⁃1）的电阻率随着温度升高平缓降低，在900℃左右接近零值。

（4）岩石样品从高温降到常温后其电阻率值多数比常温低（表2⁃3⁃7）。

表2-3-6 乌达煤田岩石样品不同温度下电阻率值变化表

表2-3-7 岩石电阻率加温前与加温后对比

综上所述，在500℃以上高温区，煤火区围岩呈现低电阻率值。此时煤层也是低电阻率值，火区上方应是电阻率低值。对于温度低于500℃地区，受着火区温度影响煤层顶底板岩石电阻率可能会降低，也可能会增高1～2个数量级，应结合实际火情资料仔细分析。