煤巖變形破壞電荷感應(yīng)規(guī)律試驗(yàn)研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

趙洪瑞

（1.遼寧大學(xué) 物理學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110036；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

在煤炭開(kāi)采過(guò)程中由于煤與瓦斯突出問(wèn)題導(dǎo)致的沖擊地壓災(zāi)害會(huì)影響礦井的日常開(kāi)采，并且會(huì)引發(fā)井下開(kāi)采人員的人身安全問(wèn)題[1-3]。沖擊地壓通常會(huì)引起煤巖破壞[4-6]。而根據(jù)物理學(xué)中的力學(xué)與電學(xué)原理，當(dāng)煤巖體發(fā)生破裂時(shí)，其內(nèi)部電荷信號(hào)會(huì)產(chǎn)生變化，因此會(huì)有電荷伴隨產(chǎn)生，可基于此推斷出電荷信號(hào)可為煤巖變形破裂過(guò)程提供先驗(yàn)信息，電荷變化這一信息可以反映出沖擊地壓災(zāi)害過(guò)程中煤巖破裂的不同程度，所以可用電荷監(jiān)測(cè)法來(lái)預(yù)測(cè)預(yù)防沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生[7-9]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)巖體變形破裂過(guò)程與壓電信號(hào)之間的關(guān)系開(kāi)展大量的實(shí)驗(yàn)研究[10-12]。BOЛAPOBИЧ等[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的方式對(duì)3 種不同巖樣的受載電荷進(jìn)行了監(jiān)測(cè)記錄；NITSON[14]、徐為民等[15]也相繼展開(kāi)了巖石受載電荷檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)室研究工作；趙揚(yáng)鋒等[16-17]通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，研究揭示了煤巖體受載破裂過(guò)程電荷產(chǎn)生的機(jī)理與特點(diǎn)；王恩元等[18]研制開(kāi)發(fā)了電磁輻射監(jiān)測(cè)設(shè)備，通過(guò)試驗(yàn)研究得到電磁輻射監(jiān)測(cè)結(jié)果與目前常用的S值等指標(biāo)預(yù)測(cè)結(jié)果具有較好的一致性；竇林名等[19]研究了沖擊地壓與電磁輻射各項(xiàng)參數(shù)之間的關(guān)系，初步建立了判定指標(biāo)體系；Шeвцoв[20]研究了長(zhǎng)石巖樣在實(shí)驗(yàn)室勻速加載過(guò)程中的電荷量；王麗華等[21]利用靜電感應(yīng)原理監(jiān)測(cè)記錄了巖體模型受載破壞過(guò)程中產(chǎn)生的電荷量；潘一山等[22]利用自主開(kāi)發(fā)的電荷監(jiān)測(cè)儀對(duì)3 種不同巖樣在不同加載條件下的電荷感應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了探索研究。

電荷監(jiān)測(cè)法作為煤巖體動(dòng)力災(zāi)害連續(xù)預(yù)測(cè)的1 項(xiàng)重要技術(shù)措施，精準(zhǔn)掌握不同條件下煤巖破裂過(guò)程的電荷感應(yīng)規(guī)律是該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵與核心問(wèn)題。為此，對(duì)電荷精準(zhǔn)采集關(guān)鍵部件前置放大器進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，在研制開(kāi)發(fā)的新型電荷監(jiān)測(cè)儀基礎(chǔ)上，進(jìn)行單軸壓縮條件下砂巖試樣受載破壞電荷監(jiān)測(cè)試驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，對(duì)不同加載速率下砂巖受載破裂電荷信號(hào)的產(chǎn)生與應(yīng)力突變以及裂紋擴(kuò)展的關(guān)系和綜采工作面開(kāi)采時(shí)煤巖體變形破壞電荷感應(yīng)規(guī)律開(kāi)展精細(xì)化觀察與分析，為電荷監(jiān)測(cè)儀準(zhǔn)確預(yù)測(cè)煤巖動(dòng)力災(zāi)害提供了技術(shù)支持與理論借鑒。

1 煤巖電荷監(jiān)測(cè)儀

1.1 感應(yīng)電荷采集原理

通常電荷信號(hào)累積到一定程度會(huì)形成放電現(xiàn)象，根據(jù)IEC61000-4-2 描述的電荷放電瞬間的模型，其放電時(shí)間tr通常為0.7～1 ns。如果要將這個(gè)放電過(guò)程記錄下來(lái)，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，其信號(hào)采集系統(tǒng)的采集頻率至少為2.86 GHz。但由于這種高頻系統(tǒng)成本極其昂貴，又面臨著國(guó)外的技術(shù)壟斷和封鎖?；诖朔N情況，采用物理學(xué)中電荷和電壓的關(guān)系原理，對(duì)電荷進(jìn)行積分和間接測(cè)量。

一般情況下煤巖破裂產(chǎn)生電荷量較微弱，而井下環(huán)境噪聲大、電磁場(chǎng)等干擾因素多，采集的信號(hào)需要進(jìn)行濾波處理，以將影響降到最低，故而低噪聲前置放大器是煤巖電荷傳感器實(shí)現(xiàn)微弱電荷信號(hào)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的最為關(guān)鍵部件，亟需設(shè)計(jì)一種低功耗、體積小、抗干擾、穩(wěn)定性好的前置放大器。

設(shè)計(jì)的煤巖電荷放大器等效電路如圖1。煤巖電荷放大器輸入信號(hào)來(lái)源于敏感元件的輸出，敏感元件基于電荷感應(yīng)原理，其信號(hào)輸出表現(xiàn)為源內(nèi)阻大、信號(hào)微弱的特點(diǎn)。

圖1 電荷放大器等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of charge amplifier

煤巖電荷放大器應(yīng)包含：①電荷-電壓變換電路：主要功能是將高輸入阻抗電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化為低阻抗輸出的電壓信號(hào)，且降低轉(zhuǎn)化過(guò)程的干擾噪聲；②可調(diào)增益的精密輸出放大電路：對(duì)較弱的電壓信號(hào)進(jìn)行輸出放大，匹配后端的模擬-數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器并增加抗干擾能力。針對(duì)這2 方面作用，前置放大器中分別設(shè)計(jì)了與之對(duì)應(yīng)的3 個(gè)功能模塊。

1.2 煤巖電荷監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)優(yōu)化

1）電荷轉(zhuǎn)換模塊。電荷轉(zhuǎn)換模塊是具有深度電容負(fù)反饋的高開(kāi)環(huán)增益的運(yùn)算放大器，基于負(fù)反饋放大器原理，可將敏感元件的高輸入阻抗微弱電荷信號(hào)量轉(zhuǎn)變?yōu)闅w一化的低輸出阻抗電壓值。該模塊的1 個(gè)重要設(shè)計(jì)優(yōu)化點(diǎn)是輸入信號(hào)路徑阻抗的排布和阻抗的控制，由于傳感器輸入端感應(yīng)到的電荷信號(hào)能量極其微弱，將印制電路板附近任何物理實(shí)體看作是導(dǎo)體，包括空氣、絕緣漆等。

2）輸出放大模塊。輸出放大模塊具有信號(hào)反相放大功能，采用在模塊增益電路外增加并聯(lián)電阻的方式，對(duì)輸出放大模塊的信號(hào)放大倍數(shù)進(jìn)行調(diào)整，拓寬了模塊的輸出電壓域值，也增大了模塊的輸入靈敏度，（輸入較小的電荷信號(hào)，可得到相應(yīng)的更大電壓信號(hào)輸出）。另外輸出放大模塊增加低通濾波器，在放大信號(hào)之前將大部分無(wú)用的干擾信號(hào)去除。

3）電源模塊。電源電路為電荷轉(zhuǎn)換模塊和輸出放大模塊供電。

基于煤巖電荷監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)優(yōu)化3 個(gè)功能模塊，開(kāi)發(fā)了新型煤巖電荷監(jiān)測(cè)儀新型煤巖電荷監(jiān)測(cè)儀。

2 電荷感應(yīng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

基于新型煤巖電荷監(jiān)測(cè)儀，開(kāi)展了試驗(yàn)室單軸壓縮條件下砂巖試樣受載破壞電荷感應(yīng)規(guī)律試驗(yàn)研究。

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)和試樣及試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental system structure

試驗(yàn)系統(tǒng)由加載系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)和新一代電荷監(jiān)測(cè)儀組成，加載系統(tǒng)為電液伺服微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)。屏蔽系統(tǒng)采用金屬銅網(wǎng)，試驗(yàn)過(guò)程中將其圍繞在加載機(jī)周圍，并且加載機(jī)與試樣之間用絕緣墊進(jìn)行絕緣。

試驗(yàn)所用巖塊取自遼寧阜新某礦頂板砂巖，利用巖石取心機(jī)將大塊砂巖制作成尺寸為 ?50 mm×100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣。

利用巖石力學(xué)加載系統(tǒng)對(duì)制備巖樣進(jìn)行單軸壓縮加載試驗(yàn)，采用位移加載方式，設(shè)置加載速率分別為0.005、0.015、0.020 mm/s，電荷傳感器布置在巖樣兩側(cè)，距巖樣5～10 mm。試驗(yàn)步驟進(jìn)行為：①將制備巖樣放置于加載系統(tǒng)底座上，巖樣與加載系統(tǒng)之間通過(guò)絕緣墊進(jìn)行絕緣，調(diào)整巖樣位于加載裝置中部，將電荷探頭布置于距離巖樣表面中部0.5 cm 處，在加載系統(tǒng)外部安裝屏蔽網(wǎng)；②將電荷探頭與采集裝置連接搭建試驗(yàn)系統(tǒng)，并檢查系統(tǒng)中各儀器狀態(tài)；③開(kāi)啟并設(shè)定數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)采樣頻率為2 500 Hz；④開(kāi)啟載荷位移記錄系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)靈敏度、衰減系數(shù)和輸出模式等系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄；⑤開(kāi)啟加載系統(tǒng)，進(jìn)行監(jiān)測(cè)、采集、觀察與記錄，直到試樣完全破壞時(shí)停止，關(guān)閉加載與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

不同加載速率下，巖樣受載破壞電荷信號(hào)-應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線以及對(duì)應(yīng)的巖樣破壞實(shí)物如圖3。圖3 中，σc為巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度；“空心圓圈”為巖樣受載破壞過(guò)程中發(fā)生的應(yīng)力降，分別對(duì)其進(jìn)行了編號(hào)，并標(biāo)注了發(fā)生應(yīng)力降時(shí)的應(yīng)力百分比（應(yīng)力降時(shí)應(yīng)力與峰值應(yīng)力的比值）；“空心矩形”表示超前首次應(yīng)力突變（應(yīng)力降）時(shí)出現(xiàn)的前兆電荷信號(hào)；“實(shí)心圓點(diǎn)”表示出現(xiàn)前兆電荷信號(hào)時(shí)的應(yīng)力，并標(biāo)注了此應(yīng)力占首次應(yīng)力降時(shí)應(yīng)力的百分比，代表巖樣發(fā)生首次應(yīng)力降時(shí)的應(yīng)力。巖樣各張破壞實(shí)物圖分別對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)圖中發(fā)生應(yīng)力降時(shí)巖樣裂紋擴(kuò)展形態(tài)。

由圖3 中連續(xù)觀察的巖樣實(shí)時(shí)破裂圖片可以發(fā)現(xiàn)：巖樣發(fā)生首次應(yīng)力降時(shí)，幾乎同時(shí)也是初始裂紋形成時(shí)，一般為微小裂紋，形成裂紋初始形態(tài)；之后隨著應(yīng)力水平的逐漸增大，初始裂紋逐漸發(fā)育和擴(kuò)展，發(fā)育和擴(kuò)展一般分為連續(xù)擴(kuò)展和間斷擴(kuò)展2 種形式，直到巖樣發(fā)生第2 次應(yīng)力降時(shí)，裂紋擴(kuò)展才得以短暫停止，并形成新的裂紋形態(tài)，裂紋尺度有所增大；隨后在新的裂紋形態(tài)下，裂紋繼續(xù)發(fā)育和擴(kuò)展，直到遇到下1 個(gè)應(yīng)力降，又形成新的裂紋形態(tài)；以此反復(fù)，直到巖樣發(fā)生最終的失穩(wěn)破壞，形成最終的破壞形態(tài)。并且每1 次形成的新裂紋都要比前1 次尺度更大，數(shù)量更多。

由圖3 可以看出：不同加載速率下巖樣受載破裂感應(yīng)電荷、應(yīng)力降以及裂紋擴(kuò)展的形成具有較好的一致性；在應(yīng)力突變時(shí)，形成新的裂紋形態(tài)，裂隙面間發(fā)生相互錯(cuò)動(dòng)和滑移，巖石內(nèi)部巖粒相互之間發(fā)生較強(qiáng)摩擦作用，形成自由電荷；并且隨著應(yīng)力降逐級(jí)增大，裂紋尺度越大，裂紋數(shù)量越多，電荷信號(hào)幅值有增強(qiáng)的趨勢(shì)；同時(shí)在2 次應(yīng)力降之間，隨應(yīng)力水平的增大，裂紋發(fā)生擴(kuò)展時(shí)也有電荷信號(hào)產(chǎn)生，但這種情況出現(xiàn)的次數(shù)較少。分析其原因：通過(guò)觀察，發(fā)現(xiàn)巖樣的裂紋擴(kuò)展一般是1 個(gè)比較緩慢的過(guò)程，裂隙面間發(fā)生微弱的相互錯(cuò)動(dòng)和滑移，巖石內(nèi)部巖粒間摩擦作用較弱，不足以形成自由電荷，只有發(fā)生了較強(qiáng)的裂紋擴(kuò)展時(shí)，才有信號(hào)幅值較大的電荷信號(hào)產(chǎn)生。

由圖3 可以看出：在首次應(yīng)力降之前巖樣一般都有前兆電荷信號(hào)產(chǎn)生，有的前兆信號(hào)明顯，有的前兆信號(hào)較微弱。這些前兆電荷信號(hào)的產(chǎn)生是因?yàn)樵诎l(fā)生首次應(yīng)力降之前，巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)受到一定損傷，有的在巖樣外表顯現(xiàn)出微破裂而產(chǎn)生電荷信號(hào)，有的在巖樣內(nèi)部巖粒之間發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)引起摩擦而產(chǎn)生電荷信號(hào)。

由圖3 總體可以看出：隨著加載速率的增大，巖樣的時(shí)間-應(yīng)力曲線特征沒(méi)有呈現(xiàn)出特殊規(guī)律，巖樣最終的破壞形態(tài)也沒(méi)有受到較大影響，一般都發(fā)生了拉伸劈裂破壞；但巖樣破壞過(guò)程電荷信號(hào)規(guī)律隨加載速率的變化顯現(xiàn)出差異性，主要表現(xiàn)為加載速率越大，電荷信號(hào)越豐富，超前應(yīng)力突變前兆電荷信號(hào)越發(fā)提前出現(xiàn)，分別為84.2% 、74.1% 、53.0% 。

3 電荷感應(yīng)規(guī)律井下試驗(yàn)

通過(guò)井下現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析煤體應(yīng)力集中區(qū)與煤巖體破裂強(qiáng)烈區(qū)域的感應(yīng)電荷變化的關(guān)鍵前兆點(diǎn)，判識(shí)煤巖體失穩(wěn)破壞的危險(xiǎn)電荷信號(hào)。電荷監(jiān)測(cè)地點(diǎn)選擇在內(nèi)蒙古鄂爾多斯紅慶河煤礦501綜采工作面輔運(yùn)巷的開(kāi)采幫部。8 501 工作面電荷監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖4。

圖4 501 工作面電荷監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.4 Layout diagram of charge monitoring points in 501 working face

在超前工作面20 m 位置分別利用已有卸壓鉆孔，分別開(kāi)始布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)間距10 m，各布置10 個(gè)測(cè)點(diǎn)，標(biāo)號(hào)分別為501 輔運(yùn)1#～10#。每個(gè)測(cè)點(diǎn)的鉆孔孔深均為14 m，鉆孔直徑大于或等于42 mm，各測(cè)點(diǎn)每次監(jiān)測(cè)時(shí)間為5～10 min?；诓杉碾姾蓴?shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊地壓危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)與預(yù)警。

3.1 超前工作面支承壓力影響區(qū)電荷感應(yīng)特征

測(cè)點(diǎn)的連續(xù)電荷信號(hào)產(chǎn)生的尖峰現(xiàn)象反映了鄰近探頭的煤體發(fā)生了破裂，緩慢變化的階躍信號(hào)則反映了遠(yuǎn)離探頭的煤體發(fā)生了破裂；測(cè)點(diǎn)的平均感應(yīng)電荷量則反映了某段時(shí)間測(cè)孔內(nèi)的煤體動(dòng)力破壞整體水平。2022 年7 月13—21 日的感應(yīng)電荷連續(xù)信號(hào)以及各測(cè)點(diǎn)平均感應(yīng)電荷量如圖5～圖10。

圖5 7 月13 日各測(cè)點(diǎn)感應(yīng)電荷監(jiān)測(cè)曲線Fig.5 Monitoring curves of induced charges at each measuring point on July 13th

由圖5 可見(jiàn)，7 月13 日，超前工作面24 m 處的1#測(cè)點(diǎn)平均感應(yīng)電荷量最大，達(dá)到14.62 pC，隨后平均感應(yīng)電荷量隨測(cè)點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離工作面而降低，說(shuō)明超前工作面約20 m 以內(nèi)區(qū)域受采動(dòng)影響較大；超前工作面49 m 處的4#測(cè)點(diǎn)平均感應(yīng)電荷量升高，但升高的幅度較小，隨后平均感應(yīng)電荷量又隨著測(cè)點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離工作面而降低；超前工作面69 m 處的6#測(cè)點(diǎn)平均感應(yīng)電荷量達(dá)到最低值，即12.75 pC，7#與8#測(cè)點(diǎn)平均感應(yīng)電荷量雖有升高，但增加幅度較小，總體相差不大，曲線呈收斂趨勢(shì)；說(shuō)明超前工作面約70 m 以外區(qū)域受采動(dòng)影響較小。

由圖6 可見(jiàn)，7 月15 日，連續(xù)的感應(yīng)電荷信號(hào)曲線表明：1#與4#測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了1 次劇烈信號(hào)波動(dòng)，說(shuō)明2 個(gè)測(cè)孔煤壁周圍發(fā)生了少量的顯著破裂事件；超前工作面22.5 m 的1#測(cè)點(diǎn)平均感應(yīng)電荷量最大，達(dá)到15.29 pC；2#與3#測(cè)點(diǎn)平均感應(yīng)電荷量呈線性減小趨勢(shì)，但減小幅度較小，說(shuō)明超前工作面約40 m 以內(nèi)區(qū)域受采動(dòng)影響較大；4#測(cè)點(diǎn)平均感應(yīng)電荷量下降幅度相對(duì)較大，在6#測(cè)點(diǎn)雖有緩慢上升，但升高幅度較小，7#與8#測(cè)點(diǎn)平均感應(yīng)電荷量快速下降，降低幅度最高；7#測(cè)點(diǎn)平均感應(yīng)電荷量最小，達(dá)到13.55 pC，說(shuō)明超前工作面75 m 以外區(qū)域受采動(dòng)影響較小。

圖6 7 月15 日各測(cè)點(diǎn)感應(yīng)電荷監(jiān)測(cè)曲線Fig.6 Induced charge monitoring curves at each measuring point on July 15th

由圖7 可見(jiàn)，7 月17 日，1#～4#測(cè)點(diǎn)的平均感應(yīng)電荷量，隨測(cè)點(diǎn)與工作面距離的增加而緩慢升高，4#測(cè)點(diǎn)平均感應(yīng)電荷量最大，為16.1 pC，5#測(cè)點(diǎn)平均感應(yīng)電荷量雖有下降，但與測(cè)點(diǎn)1 相差不大，說(shuō)明超前工作面60 m 以內(nèi)受采動(dòng)影響較大；5#～8#測(cè)點(diǎn)的平均感應(yīng)電荷量，隨測(cè)點(diǎn)與工作面距離的增加而快速降低，8#測(cè)點(diǎn)平均感應(yīng)電荷量達(dá)到最低值，為13.19 pC，說(shuō)明超前工作面85 m 以外區(qū)域受采動(dòng)影響較小。

圖7 7 月17 日各測(cè)點(diǎn)感應(yīng)電荷監(jiān)測(cè)曲線Fig.7 Monitoring curves of induced charges at each measuring point on July 17th

由圖8 可見(jiàn)，7 月19 日，連續(xù)的感應(yīng)電荷曲線表明：4#與8#測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了少量劇烈的信號(hào)波動(dòng)，說(shuō)明2 個(gè)測(cè)孔的煤壁周圍發(fā)生了少量的顯著破裂事件；而6#測(cè)孔出現(xiàn)了多次劇烈波動(dòng)的電荷信號(hào)，說(shuō)明該測(cè)孔發(fā)生了多次顯著破裂事件；1#相比于2#測(cè)點(diǎn)的平均感應(yīng)電荷量略高，3#相比于2#測(cè)點(diǎn)的平均感應(yīng)電荷量有所增加，但增加幅度不大，達(dá)到最大值，為16.11 pC，說(shuō)明超前工作面38 m 以內(nèi)受采動(dòng)影響較大；隨后，4#測(cè)點(diǎn)平均感應(yīng)電荷幅值快速下降，5#與6#測(cè)點(diǎn)平均感應(yīng)電荷幅值呈線性增加，但增加幅度較??；7#測(cè)點(diǎn)平均感應(yīng)電荷量快速下降，降至最低值，為13.37 pC，說(shuō)明超前工作面70 m 以外受采動(dòng)影響較小。

圖8 7 月19 日各測(cè)點(diǎn)感應(yīng)電荷監(jiān)測(cè)曲線Fig.8 Monitoring curves of induced charges at each measuring point on July 19th

由圖9 可見(jiàn)，7 月21 日，1#～3#測(cè)點(diǎn)的平均感應(yīng)電荷量，隨測(cè)點(diǎn)與工作面距離的增加而緩慢升高，3#測(cè)點(diǎn)升高到最大值，即16.38 pC；4#與5#測(cè)點(diǎn)平均感應(yīng)電荷量緩慢下降，但仍與1#測(cè)點(diǎn)相差不大，說(shuō)明超前工作面56 m 范圍內(nèi)受采動(dòng)影響較高；在6#測(cè)點(diǎn)快速下降，下降至最低值15.14 pC，7#與8#測(cè)點(diǎn)平均感應(yīng)電荷量開(kāi)始升高，但其值仍相對(duì)較低，說(shuō)明超前工作面60 m 以外區(qū)域受采動(dòng)影響較低。

圖9 7 月21 日各測(cè)點(diǎn)感應(yīng)電荷監(jiān)測(cè)曲線Fig.9 Monitoring curves of induced charges at each measuring point on July 21st

通過(guò)以上分析的共同特征表明，各測(cè)點(diǎn)平均感應(yīng)電荷量最大值均位于超前支承壓力影響區(qū)，平均感應(yīng)電荷量在空間上的變化趨勢(shì)與超前支承壓力分布規(guī)律具有密切相關(guān)性。工作面超前支承壓力與感應(yīng)電荷量關(guān)系如圖10。

圖10 工作面超前支承壓力與感應(yīng)電荷量關(guān)系Fig.10 Relationship between advancing abutment pressure and induced charge

由圖10 可見(jiàn)，在支承壓力升高區(qū)，電荷量較大；在原始應(yīng)力區(qū)，電荷量較小。因此，可以通過(guò)連續(xù)感應(yīng)電荷信號(hào)的波動(dòng)、平均電荷量的大小及其所在位置的變化趨勢(shì)反應(yīng)工作面前方煤體的應(yīng)力集中程度與動(dòng)力破裂程度。

3.2 電荷感應(yīng)強(qiáng)度與聲發(fā)射/電磁輻射強(qiáng)度對(duì)比

4#、8#、9#測(cè)點(diǎn)與在線電磁輻射測(cè)點(diǎn)、在線地音測(cè)點(diǎn)相重合或相近。因此，分析3 個(gè)測(cè)點(diǎn)的在線地音、在線電磁輻射與便攜式感應(yīng)電荷的共性特征。不同測(cè)點(diǎn)在線地音變化曲線圖如圖11，不同測(cè)點(diǎn)在線電磁輻射變化曲線圖如圖12，不同測(cè)點(diǎn)感應(yīng)電荷變化曲線圖如圖13。

圖11 不同測(cè)點(diǎn)在線地音變化曲線圖Fig.11 Curves chart of online ground sound changes at different measurement points

圖12 不同測(cè)點(diǎn)在線電磁輻射變化曲線圖Fig.12 Online electromagnetic radiation variation curves at different measurement points

圖13 不同測(cè)點(diǎn)感應(yīng)電荷變化曲線圖Fig.13 Curves of induced charge change at different measurement points

靠近工作面的測(cè)點(diǎn)由于受到采動(dòng)影響更加強(qiáng)烈，煤體的變形破壞程度更高，因此隨著測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離工作面，在線地音與在線電磁輻強(qiáng)度逐漸下降，但在停采線附近發(fā)生升高；同圖13 感應(yīng)電荷曲線特征相似，但也有不同，停采線附近的感應(yīng)電荷幅值波動(dòng)較在線地音與電磁輻射更高，原因是在線地音、在線電磁輻射測(cè)點(diǎn)與電荷測(cè)點(diǎn)相距40 m左右，并不是完全重合。

通過(guò)以上分析認(rèn)為：隨著工作面逐漸回采，采空區(qū)的上覆巖層將受到更加強(qiáng)烈的擾動(dòng)，采空區(qū)上覆厚硬巖層變形移動(dòng)將會(huì)加劇，將會(huì)導(dǎo)致高能微震事件的增加，形成的動(dòng)載與超前支承壓力的疊加作用將會(huì)對(duì)其巷道圍巖造成較為嚴(yán)重的變形破壞，需要加強(qiáng)礦壓觀測(cè)與加大支護(hù)力度。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）巖樣受載破壞過(guò)程中多次裂紋的形成、發(fā)育與擴(kuò)展伴隨著電荷感應(yīng)信號(hào)，每次應(yīng)力降的出現(xiàn)均有新裂紋的形成與電荷信號(hào)的急劇變化，應(yīng)力降與新裂紋的出現(xiàn)幾乎同時(shí)，前兆電荷信號(hào)的產(chǎn)生早于巖樣受載破裂出現(xiàn)的應(yīng)力降。

2）在0.005、0.015、0.020 mm/s 3 種不同加載速率條件下，巖樣受載破裂的電荷感應(yīng)規(guī)律呈現(xiàn)出較好的一致性，隨著應(yīng)力降逐級(jí)增大，裂紋尺度越大，裂紋產(chǎn)生數(shù)量越多，電荷信號(hào)幅值表現(xiàn)出增強(qiáng)趨勢(shì)。

3）隨著加載速率增大，巖樣時(shí)間-應(yīng)力曲線特征未呈現(xiàn)出特殊規(guī)律，最終破裂形態(tài)也未受到較大影響，巖樣破壞過(guò)程電荷信號(hào)規(guī)律隨加載速率變化顯現(xiàn)出差異性，主要表現(xiàn)為加載速率越大，電荷信號(hào)越豐富，超前應(yīng)力突變前兆電荷信號(hào)越發(fā)提前出現(xiàn)，分別為84.2% 、74.1% 、53.0%。

4）從超前支承壓力角度來(lái)看，各測(cè)點(diǎn)平均感應(yīng)電荷量最大值均位于超前支承壓力影響區(qū)內(nèi)，且平均感應(yīng)電荷量大小與工作面超前支承壓力分布趨勢(shì)一致，即支承壓力升高區(qū)，感應(yīng)電荷量較大，在原始應(yīng)力區(qū)，感應(yīng)電荷量較小。感應(yīng)電荷強(qiáng)度與超前支承壓力、采動(dòng)破壞具有良好的相關(guān)性。

5）煤巖破壞電場(chǎng)是弱電場(chǎng)，只有根據(jù)弱電場(chǎng)的規(guī)律特征，采用弱電觀測(cè)儀器才有望發(fā)現(xiàn)動(dòng)力災(zāi)害前兆信息，而電荷監(jiān)測(cè)法以其非接觸、連續(xù)性、抗干擾性強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)克服了煤巖破壞電場(chǎng)難以識(shí)別和提取，及干擾強(qiáng)烈難以排除的障礙，是監(jiān)測(cè)預(yù)警沖擊地壓的一種有效手段。