冲击地压预测的电荷感应技术及其应用

发布时间：2022-02-23

　　摘要：利用建立的煤岩电荷感应试验系统，研究煤岩变形破裂过程的电荷感应规律;利用研制的电荷感应仪对矿井进行现场测试。试验研究表明，煤岩在变形破裂过程中有电荷感应信号产生，煤岩体中应力越高，变形破裂过程越强烈，产生的电荷感应信号越强;在临近峰值应力前电荷感应信号最强，在煤岩体破坏后也有较强的电荷感应信号产生;抗压强度越高的煤样，电荷感应信号也越强，信号越丰富，持续时间越长。煤岩体变形破裂过程中产生电荷的主要原因是微破裂导致裂隙尖端电荷分离和摩擦作用。现场实践表明，测得的电荷感应值与煤体所处的应力水平是有一定关系的。在工作面平稳时期，测得的电荷感应幅值较小，而在发生冲击现象时测得的电荷感应幅值较大。利用电荷感应方法能够预测冲击危险的发生，但尚处于试验阶段，电荷感应预测技术还需要在现场不断验证和完善，以期最终为矿井冲击地压等煤岩动力灾害的非接触预测预报提供可靠的技术支持。

　　关键词：采矿工程;电荷感应;冲击地压;变形及破裂;危险预测

　　1 引 言

　　冲击地压[1-2]是采矿诱发的矿井地震，冲击地压发生时，围岩迅速释放能量，煤岩瞬间突然破坏，造成冒顶片帮、支架折断、巷道堵塞、地面震动、房屋损坏和人员伤亡。冲击地压现象的危害是巨大的，煤矿的社会效益和经济效益受到了严重的危害，今后我国矿井采掘强度和深度将逐步加大，冲击地压问题将日益严重[3-4]。因此，对煤矿冲击地压危险的评价、监测预报及防治技术的深入研究己显得极为迫切。现行常规的冲击地压预测方法[4-6]主要是钻屑法，易受人工影响，准确率较低，况且打钻使施工不连续，影响掘进速度，甚至促使冲击地压的发生。连续预测方法[4，7-12]主要有声发射、微震监测和电磁辐射法，取得了大量的研究成果，但是冲击地压动力灾害的机制、前兆信息都不一样，预报的准确率在各种因素影响下，近期还很难提高，因此影响了这些技术的进一步应用。

　　基于煤岩体变形破裂过程有电荷产生，且煤岩变形破裂过程产生的电信号与煤岩动力过程密切相关，包含着煤岩变形破裂力学过程的大量信息，电荷感应信息能综合反映冲击地压现象过程中各阶段的破坏特征，可用于监测预报冲击地压，因此可发展电荷感应技术来预测冲击地压的发生。本文利用建立的单轴压缩煤岩电荷感应试验系统[13-14]，研究分析了煤岩变形破坏的电荷感应规律，结合煤岩破坏过程电荷感应规律的研究成果，提出用电荷感应预测冲击地压灾害危险的技术原理，实现非接触、连续、综合的预测预报方法，并进行工程实践验证。

　　2 煤岩变形破坏的电荷感应规律和产生机制

　　利用建立的单轴压缩煤岩电荷感应试验系统，对顶板岩层–砂岩和原煤进行了单轴压缩试验，砂岩取自北京矿井，煤样取自北京、吉林通化、阜新矿区原煤，用切割机切割成 50 mm×50 mm×100 mm (长×宽×高)的标准试样。图 1～4 分别给出了砂岩、通化原煤、阜新原煤和北京原煤电荷感应试验结果。

　　试验结果表明：煤岩试样在变形破裂过程中都有电荷感应信号产生，抗压强度高的试样能产生更为丰富的电荷感应信号，在加载初期即有电荷感应信号产生，但信号较弱，随着加载应力水平的增加， 电荷感应信号逐渐增强，在临近峰值应力前电荷感应信号最强，在试样破坏后也有较强的电荷感应信号产生。煤岩在应力峰值前后和破坏时刻，电荷感应信号变化剧烈。在煤岩应力发生突变或破坏时都有较强的电荷感应信号，而在峰值应力或在破坏时刻电荷感应信号最大。煤岩试样破裂处的信号最强，远离破裂处信号就较小。在破坏前信号持续的时间都比较短，而在破坏时刻前后信号幅值最大且持续时间较长。在煤岩峰值强度前就可以检测到电荷感应信号，随着煤岩应力的增加，电荷感应信号的强度也随之增强。根据不同矿井煤的力学参数和图 2～4 可知：北京煤样抗压强度最低，在峰值强度前接收到的电荷感应信号很弱，在破坏时接收到的信号也不强;而通化原煤抗压强度最大，在变形破裂过程产生的电荷感应信号幅值更大，信号更为丰富，信号达到峰值持续时间更长。煤样的单轴抗压强度越高，电荷感应信号幅值越大，信号越丰富，持续时间越长。

　　煤岩体变形破坏过程产生电荷的主要机制[4，12] 有：压电效应、摩擦作用、微破裂导致裂隙尖端电荷分离、位错理论和流动电势。在煤岩变形破裂过程中电荷的产生与上述几种产生机制都有关，是上述几种机制共同作用产生的电荷综合叠加的结果。根据试验结果、煤岩体物理和力学性质以及所含主要成分分析，煤岩体受载变形破坏过程产生电荷的主要原因[4，14-16]是微破裂导致裂隙尖端电荷分离和摩擦作用。

　　3 电荷感应技术预测冲击地压的原理

　　冲击地压已被普遍认为是在多因素综合作用下的一种复杂动力现象。原始的煤岩层经过漫长的地质年代，其流变运动已进行的相当缓慢，变形速率趋于 0，这时煤岩层处于准平衡状态。采矿作业破坏了这种准平衡状态，使采掘空间附近一定区域内的煤岩从流变准平衡阶段转变为变形速度较大的流变状态。在采掘活动影响的区域内，煤岩的受力状态、煤结构性能都随时间发生变化。当煤岩层的应力受采掘活动的影响超过煤岩的屈服极限时，煤岩就存在初期蠕变、稳态蠕变和加速蠕变阶段。当煤岩体内局部应力超过了屈服极限但尚未进入峰值强度后的变形阶段时，由于煤岩的蠕变性质，即使载荷不再增加，其变形也将继续增加。裂纹裂缝的继续发展，形成具有应变软化的应变集中区，这时就进入加速蠕变阶段，最终在外界扰动下动力失稳而发生冲击地压。在其他条件不变的情况下，其经历时间的长短取决于与峰值强度的接近程度，越接近，所需时间越短。这就是冲击地压的发生具有时间滞后现象的物理基础。煤岩变性破坏过程中产生的电荷感应信号是煤体等非均质材料在受载情况下发生变形及破裂的结果，是由于煤岩微破裂导致裂隙尖端的电荷分离和摩擦作用产生的。根据前文试验研究表明，煤岩体在受载变形破坏过程中有不同程度的电荷感应信号产生，电荷感应强度与煤岩体所受的载荷有一定的相关性。随着载荷增加，电荷感应信号逐渐增加，在煤岩体破坏失稳时刻前后，电荷感应信号强度达到最大值，随后电荷感应信号强度减小。在采掘行为的影响下，工作面前方煤岩体处于高应力状态，裂隙裂缝快速发展，煤体电荷感应信号较强，应力越高，煤体变形破坏量越大，电荷感应信号越强，在煤岩体失稳破坏前电荷感应信号已达到最大值。因此利用煤岩变性破坏过程中产生的电荷感应信号规律对冲击地压等煤岩动力灾害现象进行预测预报，正是在冲击地压“失稳机制”的理论基础上进行的，测试的电荷感应信号越强，表明越有可能发生冲击地压，电荷感应技术为预测冲击地压提供了新的手段和方法。

　　4 冲击危险的实例检测

　　4.1 试验工作面条件

　　电荷感应技术预测矿山冲击危险实践在某矿北一北 4 槽壁式面进行。该工作面位于-140 m 水平，煤层厚度为 0.2～3.9 m，平均厚度为 1.6 m;煤层倾角为 20°～45°，平均倾角为 35°。工作面上部为 +20 m 水平 4 槽采空区，+20 m 水平采空边界以下及工作面南、北两侧均未掘进和回采。本区煤层结构为单层结构，大部分为半亮～半暗型，受构造揉皱影响，煤质均为粒状构造煤，硬度较小，受构造影响，煤层厚度变化较大，不稳定。2009 年 4 月 23 日对该工作面进行检测时工作面下顺槽巷道的长度为 344 m，向下回采了 11 m;上顺槽巷道的长度为 302 m，向下回采了 8 m;工作面的总长度为 84 m，采空区悬顶距离为 11 m，采空区中间部位至上顺槽断层之间有部分伪顶脱落，直接顶至今尚未来压垮落。

　　4.2 电荷感应测试方案

　　采用辽宁工程技术大学研制的电荷感应仪[4]对工作面进行监测，检测方式为非接触式测试，巷道自工作面煤壁开始，每隔 10 m 布置一个检测点，图 5 为矿井电荷测试测点布置图。每次监测 13 个测点，上顺槽 6 个，下顺槽 7 个，上顺槽和下顺槽测点之间的距离都为 10 m，每个监测点测量时间 1 min。监测点 7，8 距初采工作面的距离都为 15 m，随着工作面的推进，监测点也随着改变。检测时间从 2009 年 4 月 23 日～5 月 20 日。2009 年 5 月 10 日，上下顺槽回采距离达到了 20～22 m，基本顶发生初次来压，基本顶发生垮落破坏。

　　4.3 测试结果及分析

　　图 6 给出了电荷感应幅值与回采距离关系曲线。图 7 给出了电荷感应平均值与监测点距工作面距离的关系曲线。

　　从图 6，7 观测结果可以看出：各测试点测得的电荷感应幅值较小，幅值的变化也比较小，电荷幅值大都为 300～450 mV。根据测试煤层的地质条件和开采情况，该工作面一直处于稳定状态，因此测得的电荷感应值变化也较小，电荷感应幅值也在一个较低的水平，工作面处于安全状态。在大多数情况下，在同一时间下顺槽测得的电荷感应值相对上顺槽测得的电荷感应值要大。由于上顺槽采空区发生失稳破坏后趋于稳定，而下顺槽各点正处于不稳定状态，下顺槽的矿山动力现象的危险性比上顺槽的高，这与测得的数据变化是一致的，也说明测得的电荷感应值与煤体所处的应力水平是有一定关系的。随着工作面的推进，各点测得的电荷感应值呈一定的周期性变化，呈现出与直接顶周期性垮落一致的变化，这时的开采距离为 4～6 m。在基本顶发生初次来压前，也即 2009 年 5 月 10 日，仪器测得的电荷感应幅值较大，幅值的变化范围也较大，电荷感应幅值达到 1 500～3 000 mV，幅值变化范围达 1 500 mV，煤层处于不稳定状态，这时的开采距离为 20～22 m，基本顶发生初次来压后，基本顶达到稳定状态，电荷感应幅值较小，幅值变化范围也较小。通过电荷感应方法能够预测冲击危险的发生，在工作面平稳时期，测得的电荷感应幅值较小，而在发生冲击现象时测得的电荷感应幅值较大。

　　5 结 论

　　(1) 煤岩试样在变形破裂过程中都是有电荷感应信号产生的，抗压强度高的试样能产生更为丰富的电荷感应信号。

　　(2) 煤岩体受载变形破裂过程中有电荷感应信号产生，随着加载应力水平的增加，电荷感应信号逐渐增强，在临近峰值应力前电荷感应信号最强，在煤样破坏后也有较强的电荷感应信号产生。在试样应力发生突变或试样破坏时有较强的电荷感应信号，而在试样应力平稳增加时电荷感应信号较弱。煤体中应力越高，变形破裂过程越强烈，产生的电荷感应信号越强烈。

　　(3) 煤样的单轴抗压强度越高，电荷感应信号幅值越大，信号越丰富，持续时间越长。

　　(4) 煤岩体变形破裂过程中产生电荷的主要原因是微破裂导致裂隙尖端电荷分离和摩擦作用。

　　(5) 现场实践表明，在大多数情况下，在同一时间下顺槽测得的电荷感应值相对上顺槽测得的电荷感应值要大，测得的电荷感应值与煤体所处的应力水平是有一定关系的。在工作面平稳时期，测得的电荷感应幅值较小，而在发生冲击现象时测得的电荷感应幅值较大。

　　(6) 通过电荷感应方法能够预测冲击危险的发生，但尚处于试验阶段，电荷感应预测技术还需要在现场不断验证和完善，以期最终为矿井冲击地压等煤岩动力灾害的非接触预测预报提供可靠的技术支持。——论文作者：潘一山，赵扬锋，李国臻

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