本文是一篇工程论文，本文以煤的电阻率为研究对象，通过搭建的实验测试系统，对煤电阻率的影响因素：①不同变质程度②不同煤岩组分③不同湿度④不同温度⑤不同测试频率进行了测定；以实验室实验与理论研究为主，结合测试结果与数据统计分析。
1绪论
1.1研究背景及意义
我国富煤缺油，天然气产量低，是世界上少数几个以煤炭为主要能源的国家。自从1989年我国煤炭年产量超过10亿t后，一直稳居世界第一。近年来，因为风能、太阳能等新能源发展迅速，天然气爆发式增长，加上政府限制煤炭能源的使用，这些客观因素使煤炭能源占比不断下降，从过去多年的65%左右下降到目前的56%[1]，使我国能源结构悄然发生变化（如图1-1）。
但可以预见，煤炭能源仍将是我国能源供应主体，短期内不会逆转。据国家统计局数据，2021年全国原煤产量41.3亿t，同比增长5.7%。2021年全国煤炭消费量同比增长4.6%，煤炭消费量占能源消费总量比重达到56%。而且根据经济发展的需要，2025年的煤炭需求仍将达到28亿t，占我国一次能源消费结构的50%左右[2]，今后煤炭资源开采仍然是我国能源的核心。
在煤炭开采过程中伴随着很多次生灾害[3]，如瓦斯、顶板、火灾、水灾、煤与瓦斯突出事故等。随着采掘深度不断增加，煤岩动力灾害日趋严重，煤与瓦斯突出事故发生频率也更高，造成的危害也更大[4,5]。对于煤矿企业而言，保障生产过程的安全性是其工作的首要任务，生产安全事关国家能源供应的稳定和工人的人身安全，所以对矿井各种灾害预防方法的研究具有重大的意义。
1.2国内外研究现状
1.2.1煤体电阻率预测矿井灾害方法研究现状
电阻率法可以利用地壳中不同岩石间导电性的差异，通过观测与研究在地下人工建立的稳定电流场的分布规律，来探测断层破碎带、调查岩溶发育带、探测含水层，探查地质构造以及预测煤岩动力灾害等，人们对此展开了深入的研究。
在煤矿五大地质灾害（瓦斯、粉尘、水、火、顶板灾害）中，水害威胁非常严重，是煤矿的主要灾害之一[19]。安徽理工大学的马衍坤、刘泽功[20]等人全面分析了压裂过程煤体的损伤破坏过程，提出水力压裂过程孔壁应变与电阻率同步监测的试验方法；并利用自制的水力压裂试验系统，开展原煤水力压裂试验，得到煤体水力压裂过程的孔壁压缩应变–电阻率–水压曲线，分析得到了孔壁应变与电阻率的响应机制。马志超、廉玉广[21]等人通过瞬变电磁法探测不含水断层试验，发现不含水断层导致视电阻率明显升高，表明裂隙为影响断层视电阻率单一变化的主要因素。梁建刚[22]、刘黎东[23]依据提供的物性参数的不同，将电阻率法和激发极化法相关结合，广泛应用于找水工作和解决与赋水有关的构造问题（如赋水层位或断裂构造）。
煤火的准确探测是有效治理的前提，中国矿业大学的邵振鲁、王德明[24-26]等人对某火区进行了高密度电法探测，通过建立煤田火区地电、地磁模型并进行计算分析，准确的分辨出了该火区的燃烧中心、烧空区和冒落带。研究成果为煤田火灾的准确探测提供了相应的理论基础和参考。贺小元、王峰[27]以陕西省神木市活鸡兔煤矿为例，采用高密度电法尝试探测地下采空区及火烧区，对采集的数据进行处理获得电阻率断面图，识别出高-中-低阻异常段，与矿区各个煤层底板一一对应分析解释，解译出大量的采空区及少量火烧区。最后经少量钻孔验证,证实高密度电法探测采空区非常有效，为后期灭火工程提供一定技术保障。
2煤的电特性理论
2.1煤的物理化学性质
由于煤炭的组成比较复杂、种类丰富并且具备非晶质性以及不均匀性，因此想要将煤炭拆分成结构简易的化合物并对其展开研究并非一项简单的工作。即便科学家长期以来都在对煤的结构进行深入的研究，并且也获得了不少阶段性的成果，不过到目前为止煤的整体结构还没有被彻底揭露出来，学术界也只是通过实验测量的结果构筑了许多煤体结构的大致模型。
煤的结构涵盖了煤的物理空间结构以及其内部有机质的化学结构即为大分子结构。煤的化学结构就是其内部有机质分子、中子以及原子的排列顺序，是煤的芳香层大小、芳香性、杂原子，侧链官能团特征以及不同结构单元之间键合类型和作用方式的综合表现。传统的物理结构为煤的孔隙结构，也就是其相界面间空隙与芳香层之间的间隙。最近这些年以来，对煤物理结构的描述和解析拓展到煤分子间堆垛的方式，煤中既不相同但又互相联系的各组分间的连接方式，并有把煤的化学结构模型与物理结构模型结合起来对煤进行描述的趋势。
煤是一种大分子结构物质，其内部构成大分子的主要结构单元为缩聚芳香核，在其周围还存在着例如：脂肪基，含氧基以及杂原子团等原子基团，次甲基键、醚键和硫醚键、次甲基醚键以及芳香碳－碳键将这些结构单元连接起来形成了煤大分子（如图2-1所示）。此类分子量大小各不相同的高分子化合物共同构成了煤大分子的结构单元。高分子化合物的数量越多那么煤的分子也就越大，因此其与煤的工艺性质联系较为紧密。由于此类键在煤的分子内属于较弱的部分，所以极易受到外部温度以及化学试剂的影响而发生破裂。截至目前还缺乏一套对此类桥键进行定量测量的完备方案。
2.2煤的导电机理
2.2.1煤的电学性质
矿石的电学性能可以用电阻率、导电率、介电常数以及导磁率等指标来表示。由于煤层中磁性物质不多见，故导磁率不会发生太多的变动，其数值通常定为1。所以，对煤的电学性能的研究集中在导电率、电阻率与介电常数等指标上。
（1）煤可以看作是导体或半导体。对于煤的导电性，通常用电阻率与导电率（分别用ρ、σ表示）等参数表示。导电率是指电流通过煤的能力，其随着煤化程度的加深而增长。当处于褐煤以及烟煤阶段时，导电率增长较缓，但到了无烟煤阶段，导电率就发生了极大的提升。导电率还与测定时的各项条件有密切关联。如水分、矿物质以及温度、压力等都会对最终数值产生影响。
煤的导电率与煤化度的关系如图2-3所示。对于干燥的煤样，即图中显示的实线，其导电性能与煤化程度呈现正向变化。在Cdaf数值超过87％后，导电率出现了快速的提升。背后原因在于，煤内部含有的芳香层会在Cdaf值超过87％后形成快速增加，产生大量的π轨道连接，从而让电子活动的区域有了较大的扩展，导电率因此发生较大的提高。尤其是无烟煤，其自由电子数量较多，导电能力增加，而电阻率随之下降。电阻率在无烟煤阶段中不仅有宽广的变化范围，而且各向异性较明显，垂直方向的芳香层电阻率要高于平行方向的。图中虚线显示的是没有经过干燥处理的煤样。这一样品即使是煤化程度较低的，也具有较高的导电率，原因可能是煤中可溶化在水中的羧基等官能团，能够让煤的离子导电性增强，从而提高了导电率。
（2）介电常数是一个比值，即将物体放置于金属板电容器之间具有的蓄电量，与将其置于两板间为真空状态条件下具有的蓄电量进行对比获得的数值。这一常数体现了由于电磁影响下，物体如何对其内部的电荷进行束缚，从而产生电极化现象的能力。介电常数通常用ε表示，它与折射率n2有着稳定的关联，用公式表示即为：ε=n2。高频率条件下对煤进行测试，得到了介电常数与煤化阶段之间的联系，参见图2-4。经过空气干燥的煤样品的介电常数通常超过了干煤样，其原因在于前者的水分含量较多，水的介电常数可达81，比煤的介电常数要大很多。煤化程度较低的煤样中，由于官能团数量较多，产生了较强的极性，因此介电常数较大。由于煤化程度的提升，这些官能团出现了下降，从而导致介电常数也会生下降。在Caf数值大于87％后，因为高煤化阶段中的样品中导电能力的提高，介电常数也发生了快速地提升。
3实验样品的制备与实验流程...............................21
3.1实验样品基础参数测试....................................21
3.2实验煤样的制备......................................24
4不同煤岩物性条件下煤电阻率测定结果及分析........................31
4.1变质程度对试验煤样电阻率的影响..........................31
4.2测试频率对试验煤样电阻率的影响.......................33
5现场测试...............................53
5.1试验地点概况................................53
5.2选用仪器及探测点布置................................53
5现场测试
5.1试验地点概况
5.1.1矿井位置及地质情况
本次试验矿井位于贵州省盘县红果开发区南180°方位，直距约18km，矿井地理坐标为：东经104°27′23″～104°29′07″，北纬25°36′11″～25°38′19″。
井田内有低角度逆断层F71将井田分为上下两盘，上盘含3、7、9、10、17号可采煤层5层，下盘1、3、7、9、10、17、18、26、29号可采煤层9层。可采煤层煤质属于低挥发份、中灰-高灰分、特低硫-高硫煤，煤类为无烟煤三号及贫煤。整个矿井划分有两个水平，一水平标高1700m，二水平标高1400m。
5.1.2水文地质情况
本次测试地点为110309运输联络巷。110309运输联络巷掘进工作面开口标高+1699m，矿井+1750m水平以上属主平硐自流排水，本循环按方位127°，-12°坡度掘进，巷道掘进上方为110101综采工作面采空区。根据110309顶抽巷及110101综采工作面水文地质情况预测，巷道顶板局部会有裂隙淋水，因此需要准备临时排水系统，若巷道出现零星涌水时便于排水，以免影响巷道正常掘进。通过临时排水系统将水排至水仓，再由水仓经过排水管排至轨道石门水沟，流至主平硐，通过主平硐水沟排至
