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摘 要：利用四极探针法测定电阻率的原理搭建了水在煤体中渗吸特征的实验平台，开展了水在长焰煤、焦煤、瘦煤和无烟煤4种不同变质程度煤样中的渗吸特征实验，结果发现在煤样高度方向上，随着渗吸时间的延长，渗吸高度逐渐增加，但增加的速度逐渐减慢，渗吸高度和渗吸时间之间符合幂函数关系。
关键词：电阻率;渗吸特征;四极探针法
中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：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灾害、粉尘灾害和冲击地压的重要手段，注水过程中煤体的润湿分布规律是煤层注水参数设定的重要依据。基于此，很多学者采用不同的手段开展了注水过程中煤体润湿分布规律的研究。王彬、王兆丰等通过改造医用的输液设备为注水实验的加水装置，利用NMRI成像技术记录了注水过程中水在煤样中的分布规律[1]，潘一山等用NMRI成像技术记录了水驱气过程中水和气在煤体中的流动规律[2]。周宏伟等利用NMRI成像技术开展了煤体注水过程中孔隙结构和渗流通道变化规律的实验研究[3]。王开德等借助COMSOL软件进行了不同注水压力下，渗流速度和孔隙压力在煤体中的分布规律[4]，肖知国等利用RFPA2D数值模拟软件分析了裂隙对煤层注水过程中水分分布的影响[5]。本文利用四极探针法测定电阻率的原理搭建了水在煤体中渗吸特征的实验平台，探究了水在煤体中的渗吸规律。
1 实验准备
1.1 实验原理
纯水中含有可移动的离子比较少，一般认为是不导电的，而日常生活中的饮用水含有大量的可自由移动的离子和杂质，具有良好的导电性。本文利用四极探针法测定电阻率的原理搭建了电阻法测定水在煤体中渗吸特征的实验平台，如图1所示。在干燥煤样中当水分的增量达到一定值时，电阻率会发生比较明显的变化，可以依据电阻率的变化来推测水在煤体中的分布规律。
将4根导电的金属探针放置在如图1所示的1、2、3、4处，将探针1、4和交流电源、电流表连接，将探针2、3和数字电压表连接，按式1可以得到探针2和探针3之间煤样的电阻率：
[p=2πV231（1r12-1r13-1r42+1r43）-1] （1）
式中：[p]为探针2、探针3之间的电阻率，Ω;[V23]为探针2和探针3之间的电压，V;[I]为通过煤样的电流，A;[r12]为探针1、探针2之间的距离，mm;[r13]为探针1、探针3之间的距离，mm;[r42]为探针4、探针2之间的距离，mm;[r43]为探针4、探针3之间的距离，mm。
1.2 实验平台
采用自主搭建的电阻法测定水在煤体中渗吸特征的实验平台进行水在煤体中的渗吸实验，实验平台主要由交流电源、电流表、电压表、电极线、煤样、探针、导电膏、绝缘胶带等组成，如图2所示。
1.3 煤样制备
1.3.1 煤样选择。选择耿村矿长焰煤、唐山矿1/3焦煤、红岭矿瘦煤和常村矿无烟煤4种不同变质程度的煤样作为本次实验的实验煤样。煤样的工业分析如表1所示。
1.3.2 煤样制备。首先将表1中4个矿的煤样用煤样粉碎机粉碎，用粒度筛筛选出粒径为0～0.5 mm的煤粉，以这些煤粉为骨料，用液压压力机在120 kN的压力下制备耿村矿、红岭矿和常村矿的标准型煤的煤样1个，唐山矿的标准型煤的煤样5个（在制作过程中，唐山矿5个型煤的煤样煤粉质量、水和型煤压制压力均相同），在电热鼓风恒温干燥箱中烘干，用保鲜膜包裹后放入磨口玻璃瓶中备用。 2 实验步骤与结果分析
2.1 煤样含水率和电阻率关系实验
由于唐山矿型煤的煤样制作过程中煤粉质量、水和型煤压制压力均相同，可以认为这5个型煤的煤样对水的渗吸能力相同。在开始水在煤体中的渗吸特征实验前，首先利用唐山矿的型煤的煤样开展含水率和电阻率之间关系的测定实验。
①以煤样底部为基准，用钻头直径为2 mm的电钻在煤样高度方向上4 cm、5 cm、6 cm、7 cm处分别打钻孔，孔深25 mm，将直径小于2 mm的探针的长度切割为35 mm左右，用绝缘胶带包裹探针的中间位置，将未包裹绝缘胶带的探针的一端涂抹导电膏后插入煤样的钻孔中。
②依据四极探针法测定电阻率的原理，将煤样高度4 cm和7 cm处的探针与交流电源、电流表相连接，将煤样高度5 cm和6 cm处的电源与电压表连接。
③在煤样罐的底部依次放置已经吸水饱和的海绵和按照步骤①②已经准备好的煤样，打开交流电源，记录渗吸过程中电压表和电流表的数值。依据式1得到煤样高度为5～6 cm的电阻率。
按照实验步骤①～③，当渗吸时间为85 min、98 min、106 min和112 min时停止实验，取出实验煤样，利用烘干法测定煤样高度5～6 cm处煤样的含水率。得到渗吸时间为85 min、98 min、106 min和112 min时，煤样高度5～6 cm之间的电阻率和含水率，如表2所示。
依据文献[6]，当水分增量达到1 %时，则认为煤层被润湿，本文也将煤样中水分增量为1 %作为煤样润湿的标准。从表2的数据可以看出，煤样高度5～6 cm的电阻率为6.82 Ω时，煤样的含水率为1.03 %。所以，认为电阻率为6.82 Ω时煤样被润湿。
2.2 水在煤体中渗吸特征实验
依据上述电阻率为6.82 Ω时煤样被润湿的结论，采用唐山矿、耿村矿、红岭矿和常村矿的型煤煤样开展水在煤体中渗吸特征的实验，得到水在煤体中的渗吸规律如图2所示。
从图2可以看出，在毛细管力的作用下，在高度方向上，水在煤体中有以下的分布规律。
①随着渗吸时间的延长，渗吸高度逐渐增加。
②水在煤体中的渗吸速度从大到小依次为：V常村矿>V红岭矿>V耿村矿>V唐山矿，渗吸速度与煤样的孔隙结构有关，与煤样的变质程度并不一致。
③在渗吸的初始时刻，水在煤体中的渗吸速度较快，随着渗吸时间的延长，水在煤样中的渗吸速度逐渐减慢，渗吸高度和渗吸时间之间符合如表3所示的幂函数关系。
3 结论
本文利用四极探针法测定电阻率的原理搭建了水在煤体中渗吸特征的实验平台，得到了水在煤体中的渗吸规律。①当煤样的电阻率为6.82 Ω时，可以认为煤样被润湿。②水在煤体中的渗吸速度从大到小依次为：V常村矿>V红岭矿>V耿村矿>V唐山矿，渗吸速度与煤样的孔隙结构相关，与煤样的变质程度并不一致。③在渗吸的初始时刻，水在煤体中的渗吸速度较快，随着渗吸时间的延长，渗吸高度逐渐增加但渗吸速度逐渐减慢，渗吸高度和渗吸时间之间符合幂函数关系。
参考文献：
[1] 王彬，王兆丰，岳基伟，等.NMR成像技术测试煤样渗吸过程中水分变化规律研究[J].中国安全生产科学技术，2018（10）：32-38.
[2] 潘一山，唐巨鹏，李成全.煤层中气水两相运移的NMRI试验研究[J].地球物理学报，2008（5）：1620-1626.
[3] 周宏伟，刘澤霖，孙晓彤，等.深部煤体注水过程中渗流通道演化特征[J].煤炭学报，2021（3）：867-875.
[4] 王开德，宁洪进，万纯新，等.煤层注水压力及渗透率分布规律数值模拟[J].煤矿安全，2016（5）：181-184.
[5] 肖知国，孟雷庭.煤层注水对裂隙扩展及水分分布影响的数值分析[J].煤矿安全，2016（1）：159-162，166.
[6] 张永吉，李占德，秦伟翰，等.煤层注水技术[M].北京：煤炭工业出版社，2000.
关键词：电阻率;渗吸特征;四极探针法
中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：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灾害、粉尘灾害和冲击地压的重要手段，注水过程中煤体的润湿分布规律是煤层注水参数设定的重要依据。基于此，很多学者采用不同的手段开展了注水过程中煤体润湿分布规律的研究。王彬、王兆丰等通过改造医用的输液设备为注水实验的加水装置，利用NMRI成像技术记录了注水过程中水在煤样中的分布规律[1]，潘一山等用NMRI成像技术记录了水驱气过程中水和气在煤体中的流动规律[2]。周宏伟等利用NMRI成像技术开展了煤体注水过程中孔隙结构和渗流通道变化规律的实验研究[3]。王开德等借助COMSOL软件进行了不同注水压力下，渗流速度和孔隙压力在煤体中的分布规律[4]，肖知国等利用RFPA2D数值模拟软件分析了裂隙对煤层注水过程中水分分布的影响[5]。本文利用四极探针法测定电阻率的原理搭建了水在煤体中渗吸特征的实验平台，探究了水在煤体中的渗吸规律。
1 实验准备
1.1 实验原理
纯水中含有可移动的离子比较少，一般认为是不导电的，而日常生活中的饮用水含有大量的可自由移动的离子和杂质，具有良好的导电性。本文利用四极探针法测定电阻率的原理搭建了电阻法测定水在煤体中渗吸特征的实验平台，如图1所示。在干燥煤样中当水分的增量达到一定值时，电阻率会发生比较明显的变化，可以依据电阻率的变化来推测水在煤体中的分布规律。
将4根导电的金属探针放置在如图1所示的1、2、3、4处，将探针1、4和交流电源、电流表连接，将探针2、3和数字电压表连接，按式1可以得到探针2和探针3之间煤样的电阻率：
[p=2πV231（1r12-1r13-1r42+1r43）-1] （1）
式中：[p]为探针2、探针3之间的电阻率，Ω;[V23]为探针2和探针3之间的电压，V;[I]为通过煤样的电流，A;[r12]为探针1、探针2之间的距离，mm;[r13]为探针1、探针3之间的距离，mm;[r42]为探针4、探针2之间的距离，mm;[r43]为探针4、探针3之间的距离，mm。
1.2 实验平台
采用自主搭建的电阻法测定水在煤体中渗吸特征的实验平台进行水在煤体中的渗吸实验，实验平台主要由交流电源、电流表、电压表、电极线、煤样、探针、导电膏、绝缘胶带等组成，如图2所示。
1.3 煤样制备
1.3.1 煤样选择。选择耿村矿长焰煤、唐山矿1/3焦煤、红岭矿瘦煤和常村矿无烟煤4种不同变质程度的煤样作为本次实验的实验煤样。煤样的工业分析如表1所示。
1.3.2 煤样制备。首先将表1中4个矿的煤样用煤样粉碎机粉碎，用粒度筛筛选出粒径为0～0.5 mm的煤粉，以这些煤粉为骨料，用液压压力机在120 kN的压力下制备耿村矿、红岭矿和常村矿的标准型煤的煤样1个，唐山矿的标准型煤的煤样5个（在制作过程中，唐山矿5个型煤的煤样煤粉质量、水和型煤压制压力均相同），在电热鼓风恒温干燥箱中烘干，用保鲜膜包裹后放入磨口玻璃瓶中备用。 2 实验步骤与结果分析
2.1 煤样含水率和电阻率关系实验
由于唐山矿型煤的煤样制作过程中煤粉质量、水和型煤压制压力均相同，可以认为这5个型煤的煤样对水的渗吸能力相同。在开始水在煤体中的渗吸特征实验前，首先利用唐山矿的型煤的煤样开展含水率和电阻率之间关系的测定实验。
①以煤样底部为基准，用钻头直径为2 mm的电钻在煤样高度方向上4 cm、5 cm、6 cm、7 cm处分别打钻孔，孔深25 mm，将直径小于2 mm的探针的长度切割为35 mm左右，用绝缘胶带包裹探针的中间位置，将未包裹绝缘胶带的探针的一端涂抹导电膏后插入煤样的钻孔中。
②依据四极探针法测定电阻率的原理，将煤样高度4 cm和7 cm处的探针与交流电源、电流表相连接，将煤样高度5 cm和6 cm处的电源与电压表连接。
③在煤样罐的底部依次放置已经吸水饱和的海绵和按照步骤①②已经准备好的煤样，打开交流电源，记录渗吸过程中电压表和电流表的数值。依据式1得到煤样高度为5～6 cm的电阻率。
按照实验步骤①～③，当渗吸时间为85 min、98 min、106 min和112 min时停止实验，取出实验煤样，利用烘干法测定煤样高度5～6 cm处煤样的含水率。得到渗吸时间为85 min、98 min、106 min和112 min时，煤样高度5～6 cm之间的电阻率和含水率，如表2所示。
依据文献[6]，当水分增量达到1 %时，则认为煤层被润湿，本文也将煤样中水分增量为1 %作为煤样润湿的标准。从表2的数据可以看出，煤样高度5～6 cm的电阻率为6.82 Ω时，煤样的含水率为1.03 %。所以，认为电阻率为6.82 Ω时煤样被润湿。
2.2 水在煤体中渗吸特征实验
依据上述电阻率为6.82 Ω时煤样被润湿的结论，采用唐山矿、耿村矿、红岭矿和常村矿的型煤煤样开展水在煤体中渗吸特征的实验，得到水在煤体中的渗吸规律如图2所示。
从图2可以看出，在毛细管力的作用下，在高度方向上，水在煤体中有以下的分布规律。
①随着渗吸时间的延长，渗吸高度逐渐增加。
②水在煤体中的渗吸速度从大到小依次为：V常村矿>V红岭矿>V耿村矿>V唐山矿，渗吸速度与煤样的孔隙结构有关，与煤样的变质程度并不一致。
③在渗吸的初始时刻，水在煤体中的渗吸速度较快，随着渗吸时间的延长，水在煤样中的渗吸速度逐渐减慢，渗吸高度和渗吸时间之间符合如表3所示的幂函数关系。
3 结论
本文利用四极探针法测定电阻率的原理搭建了水在煤体中渗吸特征的实验平台，得到了水在煤体中的渗吸规律。①当煤样的电阻率为6.82 Ω时，可以认为煤样被润湿。②水在煤体中的渗吸速度从大到小依次为：V常村矿>V红岭矿>V耿村矿>V唐山矿，渗吸速度与煤样的孔隙结构相关，与煤样的变质程度并不一致。③在渗吸的初始时刻，水在煤体中的渗吸速度较快，随着渗吸时间的延长，渗吸高度逐渐增加但渗吸速度逐渐减慢，渗吸高度和渗吸时间之间符合幂函数关系。
参考文献：
[1] 王彬，王兆丰，岳基伟，等.NMR成像技术测试煤样渗吸过程中水分变化规律研究[J].中国安全生产科学技术，2018（10）：32-38.
[2] 潘一山，唐巨鹏，李成全.煤层中气水两相运移的NMRI试验研究[J].地球物理学报，2008（5）：1620-1626.
[3] 周宏伟，刘澤霖，孙晓彤，等.深部煤体注水过程中渗流通道演化特征[J].煤炭学报，2021（3）：867-875.
[4] 王开德，宁洪进，万纯新，等.煤层注水压力及渗透率分布规律数值模拟[J].煤矿安全，2016（5）：181-184.
[5] 肖知国，孟雷庭.煤层注水对裂隙扩展及水分分布影响的数值分析[J].煤矿安全，2016（1）：159-162，166.
[6] 张永吉，李占德，秦伟翰，等.煤层注水技术[M].北京：煤炭工业出版社，2000.