電阻法測定水在煤體中滲吸特征的實驗研究

宋鑫 柳曉莉

摘 要：利用四極探針法測定電阻率的原理搭建了水在煤體中滲吸特征的實驗平臺，開展了水在長焰煤、焦煤、瘦煤和無煙煤4種不同變質程度煤樣中的滲吸特征實驗，結果發現在煤樣高度方向上，隨著滲吸時間的延長，滲吸高度逐漸增加，但增加的速度逐漸減慢，滲吸高度和滲吸時間之間符合冪函數關系。

關鍵詞：電阻率;滲吸特征;四極探針法

中圖分類號：TD712? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：1003-5168（2021）24-0085-03

Experimental Study on Measurement of Water Imbibition Characteristics in Coal by Resistance Method

SONG Xin? ? LIU Xiaoli

（School of Mining Engineering， North China University of Science and Technology， Tangshan Hebei 063210）

Abstract： Based on the principle of measuring resistivity by quadrupole probe method， the experimental platform of water imbibition characteristics in coal was built， and the experiments of water imbibition characteristics in long flame coal， coking coal， lean coal and anthracite coal samples with four different metamorphic degrees were carried out. The results show that the imbibition height gradually increased with the extension of imbibition time， but the increasing speed gradually slowed down， the relationship between infiltration height and infiltration time is power function.

Keywords： resistivity; imbibition characteristics; quadrupole probe method

煤層注水是防治瓦斯災害、粉塵災害和沖擊地壓的重要手段，注水過程中煤體的潤濕分布規律是煤層注水參數設定的重要依據。基于此，很多學者采用不同的手段開展了注水過程中煤體潤濕分布規律的研究。王彬、王兆豐等通過改造醫用的輸液設備為注水實驗的加水裝置，利用NMRI成像技術記錄了注水過程中水在煤樣中的分布規律[1]，潘一山等用NMRI成像技術記錄了水驅氣過程中水和氣在煤體中的流動規律[2]。周宏偉等利用NMRI成像技術開展了煤體注水過程中孔隙結構和滲流通道變化規律的實驗研究[3]。王開德等借助COMSOL軟件進行了不同注水壓力下，滲流速度和孔隙壓力在煤體中的分布規律[4]，肖知國等利用RFPA2D數值模擬軟件分析了裂隙對煤層注水過程中水分分布的影響[5]。本文利用四極探針法測定電阻率的原理搭建了水在煤體中滲吸特征的實驗平臺，探究了水在煤體中的滲吸規律。

1 實驗準備

1.1 實驗原理

純水中含有可移動的離子比較少，一般認為是不導電的，而日常生活中的飲用水含有大量的可自由移動的離子和雜質，具有良好的導電性。本文利用四極探針法測定電阻率的原理搭建了電阻法測定水在煤體中滲吸特征的實驗平臺，如圖1所示。在干燥煤樣中當水分的增量達到一定值時，電阻率會發生比較明顯的變化，可以依據電阻率的變化來推測水在煤體中的分布規律。

將4根導電的金屬探針放置在如圖1所示的1、2、3、4處，將探針1、4和交流電源、電流表連接，將探針2、3和數字電壓表連接，按式1可以得到探針2和探針3之間煤樣的電阻率：

[p=2πV231（1r12-1r13-1r42+1r43）-1]? ? （1）

式中：[p]為探針2、探針3之間的電阻率，Ω;[V23]為探針2和探針3之間的電壓，V;[I]為通過煤樣的電流，A;[r12]為探針1、探針2之間的距離，mm;[r13]為探針1、探針3之間的距離，mm;[r42]為探針4、探針2之間的距離，mm;[r43]為探針4、探針3之間的距離，mm。

1.2 實驗平臺

采用自主搭建的電阻法測定水在煤體中滲吸特征的實驗平臺進行水在煤體中的滲吸實驗，實驗平臺主要由交流電源、電流表、電壓表、電極線、煤樣、探針、導電膏、絕緣膠帶等組成，如圖2所示。

1.3 煤樣制備

1.3.1 煤樣選擇。選擇耿村礦長焰煤、唐山礦1/3焦煤、紅嶺礦瘦煤和常村礦無煙煤4種不同變質程度的煤樣作為本次實驗的實驗煤樣。煤樣的工業分析如表1所示。

1.3.2 煤樣制備。首先將表1中4個礦的煤樣用煤樣粉碎機粉碎，用粒度篩篩選出粒徑為0～0.5 mm的煤粉，以這些煤粉為骨料，用液壓壓力機在120 kN的壓力下制備耿村礦、紅嶺礦和常村礦的標準型煤的煤樣1個，唐山礦的標準型煤的煤樣5個（在制作過程中，唐山礦5個型煤的煤樣煤粉質量、水和型煤壓制壓力均相同），在電熱鼓風恒溫干燥箱中烘干，用保鮮膜包裹后放入磨口玻璃瓶中備用。