煤體破壞過(guò)程感應(yīng)電荷再認(rèn)識(shí)與井下應(yīng)用實(shí)踐

呂進(jìn)國(guó)，彭意勝，唐 治,2，趙洪瑞，王學(xué)濱，王子琪，包鑫陽(yáng)，符 輝

(1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦山安全技術(shù)裝備研究院，遼寧 阜新 123000；3. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；4. 遼寧大學(xué) 物理學(xué)院 遼寧 沈陽(yáng) 110036；5. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 計(jì)算力學(xué)研究所，遼寧 阜新 123000；6. 沈陽(yáng)焦煤股份有限公司 紅陽(yáng)三礦，遼寧 遼陽(yáng) 111300；7. 中國(guó)平煤沈馬集團(tuán) 煉焦煤資源開(kāi)發(fā)及綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 平頂山 467000；8. 平煤股份煤炭開(kāi)采利用研究院，河南 平頂山 467000)

目前，我國(guó)大多數(shù)煤礦已進(jìn)入深部開(kāi)采，井下煤巖動(dòng)力破壞現(xiàn)象頻發(fā)，以往未發(fā)生煤巖動(dòng)力災(zāi)害的礦井已開(kāi)始顯現(xiàn)并逐年加劇，如沖擊地壓、煤與瓦斯突出、礦震及其復(fù)合災(zāi)害等，給我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)帶來(lái)極大威脅。目前，針對(duì)煤礦動(dòng)力災(zāi)害的研究主要集中在發(fā)生機(jī)理、監(jiān)測(cè)預(yù)警與防治防控三大方向，雖然取得了較多的研究成果，但重大礦山動(dòng)力災(zāi)害仍時(shí)有發(fā)生，監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)相對(duì)薄弱，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)困難較大。雖然微震、地音、CT波速、電磁輻射、煤體應(yīng)力等多種監(jiān)測(cè)技術(shù)已應(yīng)用于煤礦之中，但由于煤礦動(dòng)力災(zāi)害預(yù)警體系是一項(xiàng)較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，單獨(dú)使用某種技術(shù)都難以捕捉全部的危險(xiǎn)前兆信息，每種方法都有自身的局限性與提升潛力，需不斷摸索探究。

近年來(lái)，由于井下實(shí)際需求，多種地球物理監(jiān)測(cè)技術(shù)迅速發(fā)展，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，煤巖感應(yīng)電荷監(jiān)測(cè)技術(shù)即為其中一種，國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了一系列研究。如潘一山發(fā)現(xiàn)了受載煤巖損傷破壞感應(yīng)電荷現(xiàn)象，揭示了其產(chǎn)生機(jī)理，首次提出了煤巖感應(yīng)電荷監(jiān)測(cè)預(yù)警沖擊地壓的基礎(chǔ)理論與方法，解決了煤巖感應(yīng)電荷監(jiān)測(cè)預(yù)警沖擊地壓的關(guān)鍵技術(shù)難題，形成了完備的理論體系；趙揚(yáng)鋒、肖曉春與丁鑫等研制了實(shí)驗(yàn)室專用的高精度感應(yīng)電荷監(jiān)測(cè)設(shè)備，分析了煤巖破壞過(guò)程中感應(yīng)電荷信號(hào)時(shí)頻特征，應(yīng)用濾波技術(shù)對(duì)電荷信號(hào)進(jìn)行了降噪處理，提出了煤體失穩(wěn)形式的聲-電荷復(fù)合判據(jù)；唐治、羅浩、王崗等研究了不同圍壓、不同孔隙壓力、不同含水率、不同溫度、不同加載速率等條件下，煤巖破壞過(guò)程中感應(yīng)電荷信號(hào)的變化規(guī)律，為煤巖動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了良好基礎(chǔ)；呂進(jìn)國(guó)等研制了礦用本安型煤巖感應(yīng)電荷監(jiān)測(cè)設(shè)備，提出了感應(yīng)電荷實(shí)用評(píng)價(jià)指標(biāo)，驗(yàn)證了用于煤礦動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的有效性。王恩元、聶百勝等在我國(guó)通過(guò)試驗(yàn)研究證明了煤巖破壞過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，其前提基礎(chǔ)是存在電荷分離，認(rèn)為導(dǎo)致電荷分離的主要因素是壓電效應(yīng)、摩擦起電效應(yīng)、帶電缺陷的非平衡應(yīng)力擴(kuò)散、共價(jià)鍵斷裂、EDA鍵斷裂和分子間力的消長(zhǎng)等。

近年來(lái)，雖然在煤體損傷與電荷、應(yīng)力與電荷、電荷頻率及其信號(hào)濾噪研究較多，但諸多問(wèn)題仍有待商榷，需不斷探究，如：① 煤體破壞過(guò)程中，產(chǎn)生高幅值感應(yīng)電荷信號(hào)的主控因素有哪些，是否存在新的影響因素？② 室內(nèi)試驗(yàn)過(guò)程中的干擾信號(hào)頻率及其來(lái)源有哪些，煤體破壞產(chǎn)生的感應(yīng)電荷主頻分布范圍是不變的嗎？③ 感應(yīng)電荷強(qiáng)度究竟是與應(yīng)力大小相關(guān)還是與應(yīng)力變化程度相關(guān)？如何建立感應(yīng)電荷強(qiáng)度與應(yīng)力的定量關(guān)系？④ 以往研究認(rèn)為煤巖能量與電場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)，究竟是與煤巖存儲(chǔ)的彈性應(yīng)變能大小相關(guān)，還是與其耗散或釋放多少相關(guān)？⑤ 在復(fù)雜井下實(shí)測(cè)中，感應(yīng)電荷強(qiáng)度與煤層支承壓力、動(dòng)力破壞、巷道變形顯現(xiàn)之間的相關(guān)性如何？

為此，筆者以單軸壓縮試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)煤體破壞過(guò)程產(chǎn)生的感應(yīng)電荷規(guī)律進(jìn)行總結(jié)與再認(rèn)識(shí)，分析高幅值感應(yīng)電荷信號(hào)的主要影響因素，建立煤體損傷與感應(yīng)電荷信號(hào)間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系；分析感應(yīng)電荷與煤體能量的演化特征，建立煤體應(yīng)力與感應(yīng)電荷強(qiáng)度的量化關(guān)系；開(kāi)展井下監(jiān)測(cè)應(yīng)用實(shí)踐，揭示感應(yīng)電荷強(qiáng)度與煤層支承壓力、動(dòng)力破壞、巷道變形顯現(xiàn)的相關(guān)性；使理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)及井下監(jiān)測(cè)的研究結(jié)論相互統(tǒng)一，發(fā)展和完善煤體感應(yīng)電荷監(jiān)測(cè)動(dòng)力災(zāi)害理論與技術(shù)。

1 煤體單軸壓縮過(guò)程感應(yīng)電荷再認(rèn)識(shí)

1.1 感應(yīng)電荷信號(hào)頻域分析

在煤體單軸壓縮的感應(yīng)電荷試驗(yàn)過(guò)程中，采樣頻率為1 kHz時(shí)，應(yīng)用FFT傅里葉頻域變換，得到具有代表性的干擾信號(hào)頻域與煤體加載過(guò)程的高幅值感應(yīng)電荷信號(hào)頻域，如圖1所示。

圖1 感應(yīng)電荷信號(hào)頻域特征Fig.1 Frequency characteristics of induced charge signals

(1)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下噪聲信號(hào)的主頻為50,150,250,350,450 Hz，一般為50 Hz奇數(shù)倍，這是由于我國(guó)配電網(wǎng)絡(luò)的諧波頻率為50 Hz，一般而言，奇次諧波干擾程度較高。說(shuō)明外部環(huán)境諧波頻率不同，干擾信號(hào)主頻也隨之變化，干擾信號(hào)主頻不能認(rèn)為是固有不變的，這主要取決于外部諧波頻率，因此，在濾波過(guò)程中要特別注意地面與井下供電網(wǎng)絡(luò)的諧波頻率。

(2)在峰后破壞階段提取一段高幅值感應(yīng)電荷信號(hào)，結(jié)合已辨識(shí)的噪聲信號(hào)主頻，獲得煤體破壞的感應(yīng)電荷信號(hào)主頻分布在15～30 Hz，文獻(xiàn)[14]得到主頻范圍為15 Hz以下，說(shuō)明不同物理力學(xué)性質(zhì)的煤體感應(yīng)電荷信號(hào)主頻范圍存在差異，但基本為低頻信號(hào)，通過(guò)設(shè)計(jì)一種低通濾波器或帶通濾波器，能減少噪聲信號(hào)，便于分析感應(yīng)電荷規(guī)律。

1.2 感應(yīng)電荷與應(yīng)力、應(yīng)變能及破壞之間關(guān)系

將煤體單軸壓縮條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為裂隙壓密階段、彈性變形階段、穩(wěn)定破裂階段、非穩(wěn)定破裂階段與峰后破壞階段，如圖2所示?；诿后w破壞感應(yīng)電荷信號(hào)主頻范圍，選用帶通(15～30 Hz)濾波器進(jìn)行降噪，選取具有代表性降噪后的感應(yīng)電荷時(shí)序曲線進(jìn)行分析，如圖3所示。

(1)感應(yīng)電荷與應(yīng)力關(guān)系。煤體在壓密階段也會(huì)產(chǎn)生少量的高幅值感應(yīng)電荷信號(hào)，但其幅值與峰后破壞階段相比較小，該階段應(yīng)力呈現(xiàn)非線性變化，很小的應(yīng)力作用便會(huì)發(fā)生較大的軸向變形；在彈性階段應(yīng)力呈線性增加，即使應(yīng)力較高，高幅值感應(yīng)電荷信號(hào)仍無(wú)明顯增加；在其他階段，若應(yīng)力呈現(xiàn)出顯著的非線性變化，特別是發(fā)生了應(yīng)力突降時(shí)，一般會(huì)產(chǎn)生高幅值感應(yīng)電荷信號(hào)，尤其在峰后破壞階段，應(yīng)力降程度最高且次數(shù)最多，高幅值電荷信號(hào)較為密集。上述說(shuō)明感應(yīng)電荷強(qiáng)度與煤體應(yīng)力大小非直接相關(guān)，而與應(yīng)力非線性變化程度直接相關(guān)，且呈正相關(guān)關(guān)系。

(2)感應(yīng)電荷與應(yīng)變能關(guān)系。彈性變形階段是煤體彈性應(yīng)變能積聚的主要階段，此階段高幅值感應(yīng)電荷信號(hào)數(shù)量很少；峰后破壞階段主要呈現(xiàn)煤體的能量耗散與釋放，即煤體內(nèi)部裂紋擴(kuò)展消耗的能量與破壞過(guò)程中釋放的能量，該階段的高幅值感應(yīng)電荷信號(hào)密集。說(shuō)明感應(yīng)電荷強(qiáng)度與煤體彈性應(yīng)變能存儲(chǔ)多少關(guān)系不顯著，而與彈性應(yīng)變能的耗散與釋放多少顯著相關(guān)，煤體能量耗散與釋放越多，所產(chǎn)生感應(yīng)電荷強(qiáng)度越高，對(duì)下文理論分析所涉及的前提條件起到支撐作用。

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curve

圖3 濾波前后感應(yīng)電荷信號(hào)特征Fig.3 Characteristics of induced charge signals before and after filtering

(3)感應(yīng)電荷與煤體破壞關(guān)系。應(yīng)力降(應(yīng)力突變)意味著煤體的破壞與能量的釋放，應(yīng)力降程度越高，破壞過(guò)程越劇烈，產(chǎn)生的感應(yīng)電荷信號(hào)幅值越高。高幅值感應(yīng)電荷信號(hào)的產(chǎn)生說(shuō)明煤體正在發(fā)生劇烈破壞，因此感應(yīng)電荷強(qiáng)度可直接反映煤體破壞程度，卻不能直接反映煤體應(yīng)力大小，但可依據(jù)一系列感應(yīng)電荷信號(hào)特征，結(jié)合外載環(huán)境，利用損傷統(tǒng)計(jì)方法，間接估算煤體內(nèi)部應(yīng)力，但僅能反映應(yīng)力大小趨勢(shì)，具體參考式(17)。

(4)感應(yīng)電荷主控因素分析。彈性階段的感應(yīng)電荷幅值沒(méi)有隨煤體應(yīng)力增大而升高，說(shuō)明壓電效應(yīng)不是感應(yīng)電荷產(chǎn)生的主因；高幅值感應(yīng)電荷信號(hào)多集中于峰后破壞階段，該階段是一個(gè)動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程，裂紋迅速擴(kuò)展，破裂面之間發(fā)生強(qiáng)烈的滑移摩擦，煤體表面大量煤屑快速?gòu)椛洌粩嘧矒綦姾蓚鞲衅?，并伴隨著高幅值感應(yīng)電荷信號(hào)的產(chǎn)生。由此可知，高幅值感應(yīng)電荷信號(hào)是裂紋尖端擴(kuò)展、破裂面滑移摩擦與帶電煤屑(顆粒)彈射綜合作用的結(jié)果。另外，從試驗(yàn)觀察中發(fā)現(xiàn)帶電煤屑彈射對(duì)感應(yīng)電荷強(qiáng)度影響較大。

2 煤屑彈射過(guò)程感應(yīng)電荷產(chǎn)生機(jī)制

以往認(rèn)為受載煤體壓電效應(yīng)、裂隙擴(kuò)展尖端效應(yīng)與破裂面摩擦效應(yīng)是產(chǎn)生自由電荷運(yùn)動(dòng)變化的主要方式，從而引起煤體周?chē)妶?chǎng)的變化，導(dǎo)致近鄰煤體的傳感器周?chē)妶?chǎng)也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，使得感應(yīng)元器件上的感應(yīng)電荷量發(fā)生變化。隨著認(rèn)識(shí)的深入，發(fā)現(xiàn)還存在一種新的感應(yīng)電荷方式，在單軸壓縮試驗(yàn)中煤體破壞彈射的帶電煤屑(顆粒)也是感應(yīng)電荷產(chǎn)生的重要原因，甚至是主因。

假設(shè)煤體在初始狀態(tài)的內(nèi)部電荷為平衡狀態(tài)(對(duì)外表現(xiàn)不帶電)，而且作為絕緣體，其表面的正負(fù)電荷總量為0。在煤體加速破壞時(shí)，裂紋快速擴(kuò)展貫通，破裂面滑移摩擦并快速分離，導(dǎo)致破裂面電荷也瞬間分離，使得破裂面局部會(huì)帶有正電荷或負(fù)電荷，一旦局部帶電表面發(fā)生煤屑彈射現(xiàn)象，那么煤屑將具有帶電性，如圖4(a)所示。

如圖4(b)所示，在煤體單軸壓縮破壞過(guò)程中，隨著彈射的帶電煤屑逐漸靠近感應(yīng)元件，若煤屑帶正電，則使得元件前端表面感應(yīng)出動(dòng)態(tài)變化的負(fù)電荷，而在后端表面則感應(yīng)出與前端表面等量的異種電荷，即正電荷，并隨帶電煤屑與感應(yīng)元件的距離越加接近，使得監(jiān)測(cè)到的感應(yīng)電荷信號(hào)越來(lái)越強(qiáng)。當(dāng)彈射的帶電煤屑接觸到感應(yīng)元件時(shí)，此刻不再是感應(yīng)模式，而變成了電荷直接傳導(dǎo)，該情況下監(jiān)測(cè)到的電荷信號(hào)最強(qiáng)。這也解釋了試驗(yàn)中煤屑撞擊到傳感器瞬間感應(yīng)電荷幅值快速增高的原因。

圖4 帶電煤屑彈射過(guò)程感應(yīng)電荷監(jiān)測(cè)示意Fig.4 Schematic diagram of monitoring inducedcharge in the process of coal dust ejection

把帶電量為的煤屑簡(jiǎn)化成點(diǎn)電荷，以其為中心，為半徑作閉合球面，其面積矢量為，球表面電場(chǎng)強(qiáng)度為，則根據(jù)高斯定理可得

(1)

式中，為電通量；為球面介電常數(shù)。

則半徑處的電場(chǎng)強(qiáng)度為

=(4π)

(2)

若感應(yīng)元件表面感應(yīng)電荷量為，感應(yīng)元件有效感應(yīng)面積為，感應(yīng)元件表面電場(chǎng)強(qiáng)度為，則其電通量為

==

(3)

若感應(yīng)元件表面電場(chǎng)強(qiáng)度近似有=，聯(lián)立式(2)，(3)，則感應(yīng)電荷量為

=(4π)

(4)

若在某時(shí)刻，某一煤屑以初始水平速度靠近感應(yīng)元件，且與感應(yīng)元件中心的水平距離為Δ，豎向距離為Δ，如圖4(c)所示，則感應(yīng)電荷量為

(5)

同理，某時(shí)刻個(gè)帶電體彈射疊加引起的感應(yīng)電荷量為

(6)

可見(jiàn)，彈射過(guò)程的感應(yīng)電荷量與煤屑帶電量、有效感應(yīng)面積成正比，與煤屑到感應(yīng)元件中心距離成反比。式(5)，(6)表達(dá)出：當(dāng)煤屑帶電量、感應(yīng)元件有效感應(yīng)面積不變時(shí)，某時(shí)刻煤屑速率越大，即帶電煤屑動(dòng)能越大，感應(yīng)電荷量越高；煤體破壞過(guò)程中能量釋放所轉(zhuǎn)化的動(dòng)能越多，煤屑彈射數(shù)量越多，感應(yīng)電荷量越大。某時(shí)刻煤體破壞的總感應(yīng)電荷量為

=++

(7)

式中，為裂紋尖端擴(kuò)展瞬間產(chǎn)生的感應(yīng)電荷量；為破裂面滑移分離瞬間產(chǎn)生的感應(yīng)電荷量。

3 煤體損傷破壞與感應(yīng)電荷量化關(guān)系

3.1 煤體損傷與感應(yīng)電荷信號(hào)統(tǒng)計(jì)關(guān)系

參考煤巖聲發(fā)射統(tǒng)計(jì)損傷關(guān)系，可進(jìn)行如下理論分析。

若整個(gè)截面面積累積感應(yīng)電荷事件數(shù)為，則單位面積上微元破壞時(shí)的感應(yīng)電荷發(fā)生率為

=

(8)

當(dāng)斷面破壞面積達(dá)到時(shí)，累積感應(yīng)電荷事件數(shù)為

==

(9)

則根據(jù)損傷變量的定義可知

=

(10)

由式(9)，(10)可知

==

(11)

由式(11)可知，累積感應(yīng)電荷事件數(shù)可以表征煤體的損傷變量。

對(duì)于單調(diào)加載，用應(yīng)變表征損傷關(guān)系為

(12)

若初始損傷=0，則當(dāng)截面應(yīng)變?cè)鲋習(xí)r，則

(13)

式中，()為反映體積單元損傷的連續(xù)函數(shù)，假設(shè)煤體微元強(qiáng)度服從韋伯分布函數(shù)，則

(14)

其中，與分別為煤體微元應(yīng)變與參考平均應(yīng)變；為分布的形狀參數(shù)，其值越大，材料均質(zhì)性越高。將式(14)代入式(13)可得

(15)

根據(jù)損傷力學(xué)可得

(16)

(17)

式中，為彈性模量；為應(yīng)力。

當(dāng)某時(shí)刻的應(yīng)變?cè)隽繛閐時(shí)，感應(yīng)電荷信號(hào)增量為

(18)

當(dāng)截面應(yīng)變?cè)鲋習(xí)r，感應(yīng)電荷累積信號(hào)數(shù)為

(19)

通過(guò)式(19)可知，損傷破壞程度越高，累積感應(yīng)電荷信號(hào)越多，與試驗(yàn)吻合。但對(duì)于力學(xué)性質(zhì)差異較大的煤體，在相同試驗(yàn)條件下產(chǎn)生的有效感應(yīng)電荷信號(hào)數(shù)存在較大差異。因此，有效感應(yīng)電荷信號(hào)數(shù)并不是反映煤體損傷破壞的惟一指標(biāo)。

3.2 感應(yīng)電荷強(qiáng)度與應(yīng)力量化關(guān)系

大量煤體單軸壓縮試驗(yàn)表明，高幅值感應(yīng)電荷信號(hào)主要產(chǎn)生在煤體能量的耗散與釋放過(guò)程。如圖5所示，若加載至點(diǎn)時(shí)，發(fā)生了應(yīng)力降，表示煤體局部裂紋的快速擴(kuò)展，當(dāng)擴(kuò)展所需驅(qū)動(dòng)力與其阻力達(dá)到平衡時(shí)，應(yīng)力降至點(diǎn)，裂紋停止擴(kuò)展。由上述可知，面積表示存儲(chǔ)的剩余彈性應(yīng)變能密度，面積表示煤體震動(dòng)輻射能與煤屑動(dòng)能等釋放的能量密度，面積表示彈性變塑性及裂隙裂紋擴(kuò)展等耗散能密度。感應(yīng)電荷信號(hào)強(qiáng)弱主要是由煤體能量耗散與釋放共同作用所產(chǎn)生的。

(20)

(21)

(22)

式中，為煤體釋放能密度；為煤體耗散能密度；為煤體耗散能密度與釋放能密度之和；為應(yīng)力降起點(diǎn)應(yīng)力；為應(yīng)力降終點(diǎn)應(yīng)力；Δ為應(yīng)力降幅。

圖5 煤體應(yīng)力降能量轉(zhuǎn)化示意Fig.5 Schematic diagram of energy conversion of stress drop

煤體的破壞會(huì)產(chǎn)生自由電荷，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程將會(huì)導(dǎo)致煤體周?chē)妶?chǎng)強(qiáng)度的變化，電場(chǎng)強(qiáng)度的變化會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)能量的變化，而加載過(guò)程的能量耗散、釋放與煤體破壞程度呈正相關(guān)關(guān)系，因此，煤體能量耗散及釋放總和與電場(chǎng)能量呈正相關(guān)關(guān)系。

一般情況下，勻強(qiáng)電場(chǎng)能量密度為

(23)

式中，為勻強(qiáng)電場(chǎng)的能量密度；′為介電常數(shù)；′為某時(shí)刻靜電場(chǎng)強(qiáng)度。

若煤體耗散和釋放能量密度總和與電場(chǎng)能量密度呈正比關(guān)系，則

(24)

由式(24)可知，感應(yīng)電荷強(qiáng)度主要取決于煤體應(yīng)力降幅度及其起降點(diǎn)應(yīng)力大小的影響。若應(yīng)力降非常大時(shí)，可認(rèn)為煤體發(fā)生了失穩(wěn)破壞，失去承載能力，即=Δ，此時(shí)認(rèn)為煤體彈性應(yīng)變能近似全部耗放，式(24)近似簡(jiǎn)化為式(25)，式(25)表明，當(dāng)強(qiáng)烈動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，所監(jiān)測(cè)的感應(yīng)電荷強(qiáng)度(感應(yīng)電荷強(qiáng)度與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比)與煤體應(yīng)力降成正比。

(25)

′=″Δ

(26)

理論分析表明，在非穩(wěn)定破壞階段之前，應(yīng)力降較小，此時(shí)感應(yīng)電荷強(qiáng)度主要取決于煤體應(yīng)力降的起始應(yīng)力大?。贿M(jìn)入非穩(wěn)定破壞階段，應(yīng)力降程度增加，感應(yīng)電荷強(qiáng)度主要取決于應(yīng)力降幅度與其起降點(diǎn)應(yīng)力的綜合作用；在峰后破壞階段，應(yīng)力降頻繁發(fā)生且突降程度最大，感應(yīng)電荷強(qiáng)度主要取決于煤體應(yīng)力降幅度。這與單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)論相吻合。

4 井下監(jiān)測(cè)實(shí)踐

針對(duì)煤礦井下復(fù)雜條件，研發(fā)了YCD5本安型便攜式煤巖電荷監(jiān)測(cè)儀(圖6)，該裝備主要由監(jiān)測(cè)主機(jī)、探頭與礦用防爆屏蔽電纜組成，實(shí)現(xiàn)1～4通道電荷信號(hào)采集，采樣精度16位，連續(xù)運(yùn)行8 h左右。

圖6 便攜式煤巖電荷監(jiān)測(cè)儀Fig.6 Portable monitoring equipment of induced charge

4.1 紅陽(yáng)三礦監(jiān)測(cè)實(shí)踐與分析

4.1.1 工作面概況與監(jiān)測(cè)方案

紅陽(yáng)三礦1208工作面采深已超千米，開(kāi)采的12號(hào)復(fù)合煤層主要由12-1與12-2號(hào)煤層組成，此兩層煤層均厚1.8 m，2者之間夾矸為泥巖，其均厚為0.9 m。12-1煤層直接頂板為泥巖，均厚8.7 m，其上為中砂巖，均厚4 m；12-2煤層底板為細(xì)砂巖，均厚1.25 m。該工作面位于西二采區(qū)軌道斜巷以北，東距1206采空區(qū)約10 m，西接實(shí)體煤，且臨近上部西三采區(qū)702采空區(qū)，下部為13號(hào)煤層未采動(dòng)區(qū)。1208工作面上部為北二704，706，708，710，713采空區(qū)，且與采空區(qū)間距約60 m。該工作面整體為背斜構(gòu)造，運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷及開(kāi)切眼巷道實(shí)見(jiàn)斷層23條，其中落差大于1 m的斷層有3條；回采巷道掘進(jìn)過(guò)程中見(jiàn)火成巖墻4條，火成巖床1處，巖性均為輝綠巖。1208工作面具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性，平均每天回采約2 m。

采用YCD5便攜式煤巖電荷監(jiān)測(cè)儀對(duì)1208工作面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示，在回風(fēng)巷的強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)共布置10個(gè)測(cè)點(diǎn)，超前工作面30 m處布置1號(hào)測(cè)點(diǎn)，以此類推，沿回采方向依次布置2,3,…,10號(hào)測(cè)點(diǎn)，1～8號(hào)測(cè)點(diǎn)間距為5～10 m，9與10號(hào)測(cè)點(diǎn)在終采線附近布置。各測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)間為3～5 min，傳感器采樣頻率設(shè)置為1 kHz，設(shè)置每秒鐘存儲(chǔ)1個(gè)最大值。

圖7 工作面回風(fēng)巷測(cè)點(diǎn)布置Fig.7 Layout of measuring points in the tailgate of working face

4.1.2 結(jié)果分析

通過(guò)大量原始數(shù)據(jù)，計(jì)算該段時(shí)間內(nèi)的感應(yīng)電荷平均幅值，也可稱為感應(yīng)電荷強(qiáng)度。若在某段時(shí)間Δ內(nèi)，觀測(cè)的感應(yīng)電荷幅值為{,,…,}，則該段時(shí)間感應(yīng)電荷平均幅值為

(27)

圖8為不同時(shí)間實(shí)體煤回采工作面各個(gè)測(cè)點(diǎn)的感應(yīng)電荷平均幅值曲線，圖9為與電荷測(cè)點(diǎn)相同或相近的電磁輻射平均強(qiáng)度曲線。

圖8 回風(fēng)巷感應(yīng)電荷監(jiān)測(cè)曲線Fig.8 Monitoring curves of induced charge of return airway

圖9 回風(fēng)巷電磁輻射監(jiān)測(cè)曲線Fig.9 Monitoring curves of electromagneticradiation of return airway

由圖8可知，隨著測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離工作面，感應(yīng)電荷平均幅值逐步降低，與超前工作面支承壓力分布規(guī)律相吻合，這是由于超前支承壓力影響區(qū)內(nèi)煤巖易發(fā)生破壞，因此監(jiān)測(cè)到的感應(yīng)電荷信號(hào)強(qiáng)度較高；超前100 m范圍內(nèi)感應(yīng)電荷平均幅值無(wú)突變，可認(rèn)為回風(fēng)巷較穩(wěn)定，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況一致；9，10號(hào)測(cè)點(diǎn)電荷幅值突然增高，即回風(fēng)巷終采線附近感應(yīng)電荷平均幅值異常，電磁輻射平均強(qiáng)度也同樣出現(xiàn)異常，存在共性特征。由于該區(qū)域處于上覆采空區(qū)710的卸壓帶內(nèi)且受超前支承壓力影響較小，感應(yīng)電荷平均幅值不應(yīng)出現(xiàn)明顯升高現(xiàn)象，具體原因?yàn)?

(1)如圖10所示，基于微震監(jiān)測(cè)，選取5月10日—5月18日、5月10日—5月22日期間的超前工作面微震時(shí)空活動(dòng)進(jìn)行分析。在18日及其之前，停采線附近就已經(jīng)出現(xiàn)了10J與10J能級(jí)的微震事件，此時(shí)1208工作面距停采線水平距離約286 m；在22日終采線附近微震事件較之前增多，工作面位置距停采線約280 m。說(shuō)明即使1208工作面與上覆710采空區(qū)距離相對(duì)較遠(yuǎn)，在采動(dòng)影響下已損傷破壞的頂板巖層易再次發(fā)生移動(dòng)破壞，釋放的動(dòng)載可使得下方煤層測(cè)孔破壞程度加劇，同時(shí)也增加測(cè)孔內(nèi)的煤屑(顆粒)彈射幾率，進(jìn)而可監(jiān)測(cè)到高幅值感應(yīng)電荷信號(hào)。

(2)終采線附近區(qū)域存在厚度大于1 m的火成巖侵入構(gòu)造，火成巖床侵蝕層位為12-1煤及底板泥巖，煤巖層裂隙與層理發(fā)育，在1208工作面采動(dòng)影響下，火成巖侵入?yún)^(qū)域易發(fā)生高頻低能級(jí)的小破裂事件，此時(shí)難以用低頻高能級(jí)的微震設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但可用地音、電磁輻射與電荷等高頻監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行彌補(bǔ)，因此距工作面較遠(yuǎn)的火成巖侵入構(gòu)造影響區(qū)內(nèi)容易監(jiān)測(cè)到高幅值感應(yīng)電荷信號(hào)。

(3)距離終采線20 m左右，監(jiān)測(cè)過(guò)程中存在人工作業(yè)維護(hù)巷道的情況，對(duì)感應(yīng)電荷監(jiān)測(cè)產(chǎn)生一定干擾，但影響有限。

以1～6號(hào)測(cè)點(diǎn)為例，采用二次多項(xiàng)式進(jìn)行最小二乘擬合，如圖11所示，隨工作面與某一測(cè)點(diǎn)越加接近，該測(cè)點(diǎn)所受采動(dòng)影響也在不斷增加，最終監(jiān)測(cè)到的感應(yīng)電荷平均幅值呈增加趨勢(shì)，這與工作面超前支承壓力分布趨勢(shì)性一致，同時(shí)也說(shuō)明測(cè)點(diǎn)受采動(dòng)影響越大，感應(yīng)電荷強(qiáng)度越高。

圖10 超前工作面微震分布Fig.10 Microseismic distribution of advanced face

圖11 測(cè)點(diǎn)距工作面不同距離感應(yīng)電荷曲線Fig.11 Curves of induced charge at different distance between measuring point and face

由圖8，12可知，5月20日感應(yīng)電荷平均幅值最大，與此相對(duì)應(yīng)的5月20日微震釋放累積能量處于較高水平，該微震能量計(jì)算選用工作面中下部靠近回風(fēng)巷微震事件的能量累計(jì)值，約為63.966 kJ，5月24日感應(yīng)電荷平均幅值也處于較高水平，但當(dāng)日微震累計(jì)能量只有165 J，說(shuō)明高能微震頻發(fā)區(qū)域的感應(yīng)電荷強(qiáng)度較高，但高能微震非頻發(fā)區(qū)域的感應(yīng)電荷強(qiáng)度也會(huì)出現(xiàn)較高的情況，這是由于微震難以監(jiān)測(cè)低能量的高頻信號(hào)，而電荷可行，但監(jiān)測(cè)范圍有限。

圖12 每日微震累積釋放能量曲線Fig.12 Daily cumulative curve of microseismic releasing energy

4.2 平煤十一礦監(jiān)測(cè)實(shí)踐與分析

4.2.1 工作面概況與監(jiān)測(cè)方案

己-22220工作面為北東傾向的單斜構(gòu)造，采深近千米，工作面走向長(zhǎng)1 036 m，傾斜長(zhǎng)196 m。工作面南部已回采，北部為原生煤體。直接頂為4.0～7.0 m厚的砂質(zhì)泥巖、泥巖與砂質(zhì)泥巖互層，裂隙較發(fā)育；基本頂為2～3 m厚的細(xì)砂巖，裂隙不發(fā)育；直接底為5～8 m厚的泥巖，遇水易膨脹；基本底為4～6 m厚的灰?guī)r和泥巖。

由于回風(fēng)巷圍巖變形嚴(yán)重，正在施工修復(fù)，因此，選擇在工作面與運(yùn)輸巷布置測(cè)點(diǎn)，如圖13所示。運(yùn)輸巷共布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)，1～10號(hào)測(cè)點(diǎn)沿工作面回采方向且每隔10 m布置1個(gè)，其中超前工作面約50 m布置第1號(hào)測(cè)點(diǎn)，在終采線附近布置11，12號(hào)2個(gè)測(cè)點(diǎn)，其間距為10 m；沿工作面傾向布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)記為13～23號(hào)，間距為10 m；各測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)間為3～5 min。

圖13 工作面測(cè)點(diǎn)布置示意Fig.13 Layout of measuring points in the working face

4.2.2 結(jié)果分析

如圖14所示，隨測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離工作面，感應(yīng)電荷平均幅值逐步減小，與超前工作面支承壓力分布趨勢(shì)一致；隨工作面的不斷回采，7月29日與7月30日的1號(hào)測(cè)點(diǎn)已塌孔，7月28日及以后的監(jiān)測(cè)曲線表明，感應(yīng)電荷平均幅值及其波動(dòng)幅度相對(duì)較高，說(shuō)明隨著工作面距測(cè)點(diǎn)越近，采動(dòng)對(duì)煤體的損傷破壞影響程度越強(qiáng)；由于終采線附近的2個(gè)測(cè)點(diǎn)距工作面較遠(yuǎn)，礦壓顯現(xiàn)不顯著，感應(yīng)電荷幅值保持較低水平。

圖14 運(yùn)輸巷感應(yīng)電荷強(qiáng)度監(jiān)測(cè)曲線Fig.14 Monitoring curves of induced charge intensity ofhaulage roadway

如圖15所示，隨著測(cè)點(diǎn)逐漸靠近回風(fēng)巷，感應(yīng)電荷幅值呈現(xiàn)逐漸升高趨勢(shì)，這是由于所監(jiān)測(cè)的運(yùn)輸巷北部為未開(kāi)采的原生實(shí)體煤，回風(fēng)巷南部近鄰采空區(qū)，因此回風(fēng)巷附近煤體承載更高的附加載荷，其發(fā)生破壞概率更高，所監(jiān)測(cè)的感應(yīng)電荷幅值就越大?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，回風(fēng)巷圍巖變形較為嚴(yán)重，與所監(jiān)測(cè)的感應(yīng)電荷規(guī)律吻合。

圖15 工作面感應(yīng)電荷強(qiáng)度監(jiān)測(cè)曲線Fig.15 Monitoring curves of induced charge intensityof working face

5 結(jié) 論

(1)壓電效應(yīng)對(duì)高幅值感應(yīng)電荷信號(hào)產(chǎn)生的作用不顯著，煤體破壞過(guò)程裂紋擴(kuò)展、破裂面滑移摩擦與帶電煤屑彈射的綜合作用是高幅值感應(yīng)電荷信號(hào)產(chǎn)生的主因，尤其帶電煤屑彈射對(duì)感應(yīng)電荷強(qiáng)度影響較大，即煤體破壞過(guò)程中能量釋放所轉(zhuǎn)化的動(dòng)能越多，則彈射帶電煤屑數(shù)量越多且彈射速率越高，則感應(yīng)電荷強(qiáng)度越大。

(2)干擾信號(hào)主要來(lái)自外部供電網(wǎng)絡(luò)諧波的影響，不同力學(xué)性質(zhì)煤體破壞產(chǎn)生的感應(yīng)電荷主頻范圍存在差異，但基本為低頻信號(hào)；高幅值感應(yīng)電荷信號(hào)與應(yīng)力大小關(guān)系非直接相關(guān)，而與應(yīng)力非線性變化程度直接相關(guān)且關(guān)系顯著，特別是與應(yīng)力降幅度呈正相關(guān)關(guān)系。

(3)感應(yīng)電荷強(qiáng)度可直接反映煤體破壞程度，利用外載環(huán)境和感應(yīng)電荷信號(hào)與煤體損傷的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，可間接估算煤體應(yīng)力；感應(yīng)電荷強(qiáng)度與煤體彈性應(yīng)變能存儲(chǔ)量關(guān)系不顯著，而與能量的耗散與釋放多少顯著相關(guān)，即煤體破壞過(guò)程中耗散與釋放的能量越多，感應(yīng)電荷強(qiáng)度越高。

(4)在工作面超前支承壓力影響區(qū)、高能微震釋放頻發(fā)區(qū)與巷道圍巖變形嚴(yán)重區(qū)，監(jiān)測(cè)到的感應(yīng)電荷強(qiáng)度較高，說(shuō)明感應(yīng)電荷與煤巖動(dòng)力破壞、支承壓力與圍巖變形具有良好的相關(guān)性，可適用于井下煤巖動(dòng)力災(zāi)害、采場(chǎng)來(lái)壓與圍巖穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)預(yù)警。