第４Ｏ卷第５期 ２０１２年１０月 煤田地质与勘探 Ｃ（）ＡＬＧＥ０ＬＯＧＹ＆ＥⅪ）Ｌ０Ｒ ｎ１０Ｎ Ｖｌ０Ｉ．４０ＮＯ．５ Ｏｃｔ．２Ｏ１２ 文章编号：１００１—１９８６（２０１２）０５・００７１—０４ 岩石受荷载变形的电阻率曲线分析 吴海波，孙 强，董守华，刘树才 （中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州２２１ｌ１６） 摘要：电阻率是岩石的重要物理参数，对研究岩石的固有特性和赋存状态有着重要的作用。选取砂 岩、灰岩、泥岩和花岗岩为代表岩样，进行受荷载条件下的电阻率曲线分析，得到了电阻率的临界 点，其电阻率临界点的应力比值范围为７０％～８５％，对应于岩石应力应变中的屈服点。分析发现，电 阻率临界点具有方向性，岩石电阻率临界点可以用于判断岩石的屈服点和应变状态。 关 键 词：电阻率；裂隙；岩性；应力比；临界点 中图分类号：Ｐ６３１．０ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００１—１９８６．２０１２．０５．０１８ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｒｏｃｋ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｄｕｅ ｔｏ ｌｏａｄｉｎｇ ＷＵ Ｈａｉｂｏ，ＳＵＮ Ｑｉａｎｇ，ＤＯＮＧ Ｓｈｏｕｈｕａ，ＬＩＵ Ｓｈｕｃａｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＭｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ ２２１ １ １６０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｏ￣ａｎｔ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｒｏｃｋｓ．Ｉｔ ｐｌａｙｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｒｏｃｋｓ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｃｈｏｏｓｅｓ ｓａｎｄｓｔｏｎｅ，ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ，ｍｕｄｓｔｏｎｅ ａｎｄ ｇｒａｎｉｔｅ ａｓ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｉｎｇ ｒｏｃｋｓ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｃｕｒｖｅ ｄｕｒｉｎｇ ｌｏａｄｉｎｇ ｐｒｏｇｒｅｓｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｐｏｉｎｔ ｉｓ ７０％－８５％，ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｐｏｉｎｔ ｉｎ ｒｏｃｋｙ ｓｔｒａｉｎ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｐｏｉｎｔ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ．Ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｐｏｉｎｔ ｆｏｕｎｄ ｆｒｏｍ ｈｅｔ ｓｔｕｄｙ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｊｕｄｇｅ ｙｉｅｌｄ ｐｏｉｎｔ ａｎｄ ｈｅｔ ｓｔｒａｉｎ ｓｔａｔｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ；ｃｒａｃｋ；ｌｉｔｈｏｌｏｇｙ；ｓｔｒｅｓｓ ｒａｔｉｏ；ｃｒｉｔｉｃａｌ ｐｏｉｎｔ 岩石电阻率的研究始于２０世纪初。２０世纪６０ 阻率起主要影响作用的是岩石裂隙的发育程度、裂 隙的连通性和流体等因素。裂隙在连通性不好时， 年代，Ｂｒａｃｅ在不同恒定围压和裂隙水压力作用下研 究了多数岩石的电阻率随岩石形变的特征。研究中 发现饱和度对电阻率的影响很明显。２０世纪８０年 代，研究的重点集中在了利用电阻率的各向异性预 测地震孕育的过程。陆阳泉等进行了注水条件下岩 石破裂的实验研究，将承载岩石样品的变形发展过 充填物被排出，但整体的电阻率变化不大；初始裂 隙在连通性较好时，压密使得裂隙闭合，连通性变 差，部分流体被排出，引起岩石电阻率的上升；但 在以空气充填为主时，空气的排出引起岩石的导电 通路变化，岩石电阻率发生一定的减小，该阶段ｆ Ｉ） 岩石的导电过程体现为常态导电过程。 弹性应力应变阶段（Ⅱ），一般岩石的电阻率与 应力（应变）之间存在一定的相关性，即应力（应变） 增大，电阻率相应的减小，并且软弱的泥页岩的变 化程度要大于硬质的砂岩等＿４］。 屈服阶段（Ⅲ）的电阻率变化相对明显，主要影 程分为４个阶段：Ｉ压密阶段；ＩＩ扩容初期阶段； ＩＩＩ急剧扩容阶段；ｌｖ大破裂前的“临震”阶段…。 ２０世纪９０年代，刘树才等利用巷道围岩的电阻率 特征预测煤层顶、底板的导水裂隙发育等ｆ２】。因此， 岩石在受荷载条件下的电阻率变化特征，尤其是开 挖以后的围岩电阻率特征对井下安全有着重要的意 义［３Ｊ ・ 响因素为发育裂隙与流体的相互作用。此阶段内部 裂隙开始发育，也包括初始裂隙的扩张。发育的裂 隙具有一定的方向性，岩石的电阻率同样具有方向 性，程度较初始裂隙的影响程度变大。发育的裂隙 １ 岩石受荷载过程中电阻率影响因素分析 压密阶段（Ｉ）岩石的内部裂隙闭合，对岩石电 收稿日期：２０１１－０９—２６ 基金项目：国家重点基础研究发展计￣（９７３计划）项目（２００９ＣＢ２１９６０３）；国家自然科学基金项目（４１１０２２０１）；中央高校 基本科研业务费专项资金（２０１０ＱＮＡ５４） 作者简介：吴海波（１９８８一），男，江苏盐城人，硕士研究生，研究方向为地球物理勘探． ・７２・ 煤田地质与勘探 第４０卷 在无水充填时，一般由空气充填，岩石的电阻率会 上升。发育的裂隙在连通性较差的情况下，即使有 水充填，也很难形成良好的导电通路，岩石的电阻 率仍然会增加；但在连通性较好的情况下，水补充 会使岩石形成良好的导电通路，电阻率会相应的下 降。岩石在受荷载过程中电阻率影响因素的相互作 用关系见图１。 图１ 岩石电阻率影响因素相互作用关系 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｒｏｃｋ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ２岩石受荷载变形过程中的电阻率变化曲线 ２．１实验介绍 实验以圆柱状灰岩、砂岩和部分泥岩为主，采 用ＭＴＳ公司的８１５．０２型电液伺服岩石力学试验系 统；电阻率测量采用ＳＹＳＣＡＬ—Ｒ２数字电法仪，见 图２。岩样在饱水条件下单轴加载，使其轴向变形 量为０．１ ｍｍ，变形保持１５ Ｓ，测量其电阻率；改变 电阻率的测试方法，重复上步，直到岩样破裂。实 验所得曲线，应力比是指施加应力值与破坏应力值 之比；电阻率变化比是指测得电阻率值相对于初始 电阻率值的比值。 ’ 图２岩样电阻率测量 Ｆｉｇ．２ Ｒｏｃｋｙ ｒｅｓｉｓｉｔｉｖｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ２．２ 岩样应力比一应变和电阻率变化比一应变分析 ａ．砂％ 砂岩岩样的电阻率变化比一应变曲线在应力比 值为５％之前为压密阶段。该阶段岩样内部部分裂隙 闭合，裂隙中的空气等被排出，内部以岩石的颗粒 骨架导电为主，岩样的电阻率有一定的下降。但该 阶段裂隙的变化并不十分剧烈，且岩石颗粒骨架的 电阻率较高，可达到１０ 数量级，变化幅度相对不 明显。进入弹性变形阶段，该岩样为硬质岩，电阻 率变化幅度不明显，表现为应力增大电阻率缓慢减 小。屈服阶段岩样出现扩容现象，在岩石的内部裂 隙迅速发育，此时的裂隙连通性并不好，水不能有 效地补给形成裂隙水导电机制；这些裂隙主要以空 气充填，空气的电租率较岩石颗粒骨架的电阻率更 高，形成以裂隙空气为主的导电机制。此时岩样的 电阻率迅速增加，这种增加随着裂隙的增多和扩张 表现得更加的明显，直到部分裂隙形成破坏面，内 部导通使水进人，电阻率才开始出现显著的下降。 砂岩岩样在所受的应力比为７４．８％前后电阻率 表现出两种不同的变化。在应力比达７４．８％之前， 岩石的电阻率变化幅度小，岩样在弹性阶段的晶格 间的错移使得裂隙的闭合和产生几乎达到了动态平 衡；但当应力比达到７４．８％之后，岩石的变形机制 发生了改变，岩石表现出明显的非弹性变形，内部 发育了一系列的裂隙，包括初始裂隙的扩张。岩样 的电阻率在应力比为７４．８％处，表现为突然变化， 是电阻率的临界点。这个点的前后分别对应上面分 析的两种电阻率变化形态，以及岩石应变状态中的 弹性和屈服应变状态（图３）。 图３ 砂岩岩样的应力比一应变和电阻率变化比一应变曲线 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ—ｓｔｒａｉｎ ｃｕｒｖｅ，ｒａｔｅ ｏｆ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｖａｒｉａ— ｔｉｏｎ—ｓｔｒａｉｎ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｎｄｓｔｏｎｅ ｓａｍｐｌｅ ｂ．泥岩 泥岩岩样电阻率变化比一应变曲线中（图４），电 阻率临界点的应力比值为６９．８％，临界点前后的变 化趋势和幅度同样十分明显。 ｃ．灰岩 在灰岩岩样的电阻率变化比一应变曲线中（图５）， 第５期 吴海波等：岩石受荷载变形的电阻率曲线分析 ・７３ ・ 丑 蔓 褂 料 盟 应变／０／ｏ 图４泥岩岩样的应力比一应变和电阻率变化比．应变曲线 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ—ｓｔｒａｉｎ ｃｕｒｖｅ，ｒａｔｅ ｏｆ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｖａｒｉａ－ ｔｉｏｎ—ｓｔｒａｉｎ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｕｄｓｔｏｎｅ ｓａｍｐｌｅ 图５ 灰岩岩样的应力比一应变和电阻率变化比．应变曲线 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎ ｃｕｒｖｅ，ｒａｔｅ ｏｆ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｖａｒｉａ— ｔｉｏｎ—ｓｔｒａｉｎ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ ｓａｍｐｌｅ 电阻率临界点的应力比值为７１．６％。确定该点为临 界点主要根据临界点后的岩石样本直到破坏之前的 电阻率变化趋势单一；而在电阻率临界点之前，岩 石样本的电阻率出现了大幅度的下降，趋势不是唯 一２．３岩石电阻率临界点的分析 ２．３．１岩石电阻率临界点的特征 据分析发现，不同岩性的岩石均具有电阻率突 变的特点。电阻率临界点的前后，岩石的电阻率变 化趋势或变化幅度会有明显的不同。岩石达到临界 点之后，电阻率变化比曲线的变化趋势则相对的单 一。这是由于补水引起了电阻率的变化，在应力比 值达到６０％后又出现了相对的平稳，随后岩石进入 屈服阶段，电阻率发生突变。电阻率突变之后会出 现一段明显的电阻率变化过程，这一过程中裂隙发 育连通，水补给使得电阻率的变化幅度较大，随后趋 于平缓。该阶段的岩石以裂隙水导电机制为主ｆ图３）。 在对相关的一些文献统计后，得到表１。岩石 电阻率临界点的应力比值基本包含在７０％～８５％的 。区间内，其中大部分集中在７０％～８０％的应力比值 区间。 表１岩石电阻率曲线统计 Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｒｏｃｋ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ 平行 ８５．１ ７１．２ 先升后降 ７７－８ 花岗岩 。Ｏ ｃ ｍｘＯ ｃｍ １ｘ Ⅲｃｍ ４５。 １３５。 升后 先升后降 先升后降 有补水 文献［６］ ７５．２ 垂直 ７９．４ ・７４・ 煤田地质与勘探 第４０卷 可见，岩石在应力作用下发生应变，电阻率随 之发生变化；岩石电阻率曲线中的临界点，在岩石 的应力应变曲线中也应能找到与之对应的一个应变 点，为岩石应变阶段中的弹性变形阶段与屈服变形 阶段的临界点。 ２．３．２ 岩石电阻率临界点在方向上的对比 花岗岩样本的应力比一电阻率变化比曲线如图 ６。曲线为垂直于加载和平行于加载两个方向上的电 阻率变化率与应力比的关系曲线。平行于加载方向 的电阻率临界点的应力比为８１．９％；垂直于加载方 向为７１．８％。垂直于加载方向的屈服点与平行于加 载方向的屈服点有所不同，这主要由于岩样的长径 比和平行于加载方向的约束。在垂直于加载方向上 的岩石可以自由变形，利于裂隙的连通，表现为垂 直于加载方向上的电阻率突变置前于平行于加载方 向。在平行于加载方向电阻率发生突变之后，该方 向的电阻率变化幅度更大，主要与岩石新发育的裂 隙的方向性有关，形象一点就是裂隙的“串、并联” 的影响。 丑 料 图６花岗岩样品在平行和垂直加载方向上应力比一 电阻率变化比曲线 】 Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｒａｔｉｏ—ｒａｔｅ ｏｆ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｉｎ ｐａｒａｌｌｅｌ ａｎｄ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｌｏａｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒａｎｉｔｅ ｓａｍｐｌｅ ３ 结论 ａ．岩石受荷载变形时，电阻率受到岩性、结构、 流体等因素的相互影响和制约共同影响着电阻率曲 线的变化幅度和趋势。不同岩性或不同条件下岩石 的应变比一电阻率变化比曲线一般不同。不同的应力 比一电阻率变化比曲线不仅反映了岩石的岩性、结构 和所含流体特征，而且反映了它们相互间的作用关 系，是这些因素的共同作用结果。如勰拍 加 ｍ ∞∞ ∞ 不同岩性或不同状态的受荷载岩石的应力比． 电阻率变化比曲线中存在电阻率的临界点，对应岩 石的弹性阶段与屈服阶段的临界点，其应力比为 ７０％－８５％。临界点受岩性、赋存状态等因素的影响。 实际中可利用电阻率Ｉ临界点近似地推断岩石的变形 阶段、岩石变形中流体的补充情况以及内部发育的 裂隙特征。 ｂ．将应力比的值对应到应变的值，电阻率临界 点与岩石的应变关系对应会更准确。引起电阻率突 变的两个重要因素为流体和裂隙：流体无法与电阻 率变化形成曲线对应关系；但裂隙的变化是可以与 电阻率形成对应关系。应力是引起电阻率变化的间 接因素；引起电阻率变化的直接因素为应变。生产 中利用围岩的应变，可以更直观反映围岩的变化程 度和趋势，较应力比更能反映围岩的内部结构的发 展程度 参考文献 ［１】毛桐恩，陈大元，刘新美，等．承载岩石地电阻率各向异性变 化实验研究与现场观测结果［Ｊ】．地震，１９９８，１８（增刊）：３３—３８． 【２】刘树才，刘鑫明，姜志海，等．煤层底板导水裂隙演化规律的 电法探测研究［Ｊ］＿岩石力学与工程学报，２００９，２８（２）：３４８—３５６． 【３】刘树才．煤矿底板突水机理及破坏裂隙带演化动态探测技术 【Ｄ］．徐州：中国矿业大学，２００８． ［４】王桦，纪洪广，程桦，等．两淮煤系地层主要岩石单轴受压条 件下的导电特性实验研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０１０， ２９（８）：１６３１—１６３８． ［５］陈大元，陈峰，贺国玉．岩石受压过程中“应力反复”对电阻率 的影响［Ｊ］．地震学报，１９８３，９（２）：３０３—３１１． 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