电荷感应监测技术在矿山动力灾害中的应用
发布时间：2022-02-24
摘 要:针对矿山动力灾害前兆信息难以识别、提取及预测准确率较低的现状，提出采用非接触式电荷感应监测技术来预测矿山动力灾害，应用自主研制的电荷感应系统对煤岩体在单轴压缩、单轴拉伸、三轴含瓦斯压缩等加载方式下进行了电荷感应测试，同时根据试验数据探究了煤岩体变形、破坏宏观以及微观机制。现场在线式电荷感应监测揭示了工作面开挖过程中煤体应力与煤壁表面感应电荷在时间和空间上的变化规律，对应用电荷感应监测技术预测煤岩动力灾害前景进行了展望，并将电荷量的变化作为煤岩破裂的前兆信息，研制适用于各种类型矿山动力灾害的监测仪器设备，进而形成矿山动力灾害电荷感应监测技术。
关键词:电荷感应监测技术;矿山动力灾害;在线监测;煤岩变形破裂;加载方式
0 引 言
冲击地压、煤与瓦斯突出等矿山动力灾害孕育发生过程是煤岩体变形破裂、能量积聚与释放的过程，其中蕴含许多相关的科学问题。随着煤矿开采深度的增加，矿井动力灾害发生的频率和强度大幅提高，煤岩材料变形破坏过程产生许多物理信息，如声信号、磁信号、热信号、电信号、光信号等，这些物理信息的捕捉正是动力灾害预测技术的基础。基于不同的物理信息，国内外专家学者提出了声发射法[1]、微震法[2]、电磁辐射法[3] 等许多预测方法。这些方法在一定条件下对动力灾害的预测发挥了积极作用，但准确率不是很高，噪声信号较难排除，未能达到现场实际的要求。因此深入研究矿山动力灾害的前兆信息，探索一种易于捕捉、准确率高、适用性强的预测技术成为保障矿山安全生产的急需。国内外大量研究成果表明，岩石变形破裂过程中有电荷信号产生。Воларович[4 - 5]记录和研究了花岗岩、片麻岩和脉石英的压电现象。基利凯耶夫等[6]对单轴压缩下柱状样品的电场进行了测量，测得电荷感应信号与所加应力呈线性关系，结果证明当煤岩体受载变形破裂时在其表面会产生自由电荷。王丽华等[7]应用静电感应的方法直接记录到含石英的花岗岩、闪长岩和不含石英的大理岩及石灰岩在压缩破裂时的电荷量为 10 - 8 ～ 10 - 6 C。孙正江等[8]在对闪长岩、大理岩、石灰岩等加载时得出破裂面的带电量为 5. 2 × 10 - 4 C，电荷面密度为 1. 4 × 10 - 2 C / m2 。朱元清等[9]求得岩石变形破裂时裂纹尖端电量的范围为 1. 0 × 10 - 5 ～ 1. 3 × 10 - 5 C，电荷总量取决于 裂 纹 的 数 量 和 岩 石 样 品 的 大小及成分。 V. S. Kuksenko 等[10 - 11]用静电计测量到对大理岩加载时有感应电荷产生，并且发现岩石在突然加卸载时感 应 电 荷 急 剧 增 加，然 后 逐 渐 衰 减。钱 书 清等[12 - 13]对混凝土、花岗岩、大理岩、闪长岩的研究中，发现在加载时有自电位产生，电信号和磁信号不同步出现，电信号先出现，磁信号后出现，电信号出现的频率次数多且幅度大，认为电信号是由于岩石晶体的压电效应和破裂的新生表面的静电荷产生的。李忠辉[14]对受载煤体表面电位效应、规律、影响因素及其产生机理等方面进行了系统的研究。揭示了煤体在不同加载方式下的表面电位特征及规律，发现煤体在不同受载破坏条件下能够产生表面电位，并且表面电位与载荷及载荷变化率有较好的相关性。基于煤岩破坏过程中有自由电荷产生，为克服传统监测技术的缺点，文献[15 - 23]借鉴岩石力学、地球物理学、电学等最新研究成果，采用仪器研制与试验研究相互验证的方法，提出了煤岩电荷监测技术，先后自行研制了高速电荷监测系统、便携式煤岩破裂电荷监测系统和在线式电荷监测系统。应用该监测系统，分别在实验室以及现场对煤岩介质在应力作用下产生的电荷信号进行了研究，形成了煤岩电荷感应监测新技术，该技术能够克服矿山动力灾害前兆信息难以识别、提取以及干扰强烈难以排除的障碍，因而成为发现和提取可靠信息的有效途径和方法。基于此，笔者针对已取得的研究成果以及电荷感应监测技术研究动态进行概述。
1 电荷感应系统研制
电荷感应系统[15]主要由数据采集器、电荷传感器、屏蔽系统等组成。数据采集器模数转换分辨率为 16 bit，系统测量精度为 0. 01% ，A/D 转换时间为 1. 25 μs，最高采样频率可达 250 kHz，试验中信号采样频率设为 2 500 Hz。研制的电荷传感器具有低功耗、非接触式、高放大倍数、高效率、便携带等特点，其主要分为接收电荷信号的敏感材料即电荷感应部分和信号调理电路 2 部分，能够检测到煤岩变形破裂过程中产生的自由电荷。电荷感应材料为薄膜合金。信号调理电路为模拟电路，它所接收的信号是电荷信号，由于信号微弱，为了防止电荷漏掉，所以需要高输入阻抗的多级放大并去除噪声，选 取 AD8066 为放大器。
为了减少噪声，在选择元器件方面反馈电容为低温漂系数的高压陶瓷电容，反馈电阻为高阻值的低噪声电阻，电路板采用聚四氟乙烯，绝缘性能好，防止电荷漏掉;在布线方面将电源线、高压线、信号线尽可能地拉开距离，经过反复的试验测试布线效果。信号调理电路原理如图 2 所示。
2 煤岩破坏电荷感应规律研究
2. 1 室内试验研究
利用自主研制的高速电荷数据采集器，建立了煤体单轴压缩、煤体单轴拉伸、含瓦斯煤体三轴加载下的电荷感应监测系统，在 3 种加载方式下对平顶山原煤试样进行了电荷感应试验。图 3 煤体单轴压缩电荷感应试验
1) 煤体单轴压缩电荷感应试验。利用自主研制的电荷传感器，建立了单轴压缩条件下煤岩变形破裂过程电荷感应测试系统[16 - 19](图 3)。通过室内试验发现煤体在变形破裂过程中有电荷感应信号产生，电荷感应信号是瞬时脉冲信号;煤体在临近峰值应力时电荷感应信号最强，在煤体破坏时电荷感应信号也较强;煤体变形破裂过程中不同表面的电荷感应信号强度不同，且不完全同步，较大破裂面的电荷感应信号更强;加载速度越大，所产生的电荷感应信号越强、越丰富;煤体在突然加卸载时，有电荷感应信号产生;煤体变形破裂过程产生电荷的主要原因是微破裂和摩擦作用导致裂隙尖端电荷分离。电荷感应信号与煤体的破裂有一定关系，可以用电荷感应信号反映煤体的变形破裂状态。电荷感应方法是冲击地压预测的一种有效方法，目前尚处于研究的初始阶段，其发生规律和机理尚不明确，需要对其进行深入研究，而煤体变形破裂过程的电荷感应规律是冲击地压预测的基础，因此该研究意义重大。
2) 煤体单轴拉伸电荷感应监测试验。随着矿山向深部开采的进行，巷道开挖经常出现煤岩低载荷破坏情况，一部分原因是破坏区域煤岩处于拉伸状态，而煤岩材料抗拉强度远小于其抗压强度，因此研究获取煤岩体在拉伸破坏情况下的前兆信息对预测预报井下巷道围岩稳定性具有十分重要的意义。以巴西圆盘劈裂试验为基础、以电荷监测为手段，研究了煤体在拉应力作用下失稳破坏过程中电荷感应规律，如图 4 所示。同时对比压缩破坏分析了煤岩在拉应力作用下的电荷感应规律，拉应力作用下煤岩有电荷信号产生，煤岩体拉伸与压缩电荷感应性能不同，与试样所受应力状态和晶粒间摩擦程度关系较大。试样拉伸破坏过程中产生的自由电荷与应力具有较好的对应关系，通过建立煤岩拉伸失稳破坏全程电荷监测系统，发现了煤岩样在拉伸破坏过程中，电荷信号的变化主要集中在试样内部裂纹的一次稳定扩展和二次失稳扩展，一次稳定扩展预示着峰值破坏的来临，二次失稳扩展产生的自由电荷最为丰富。煤岩体在拉伸失稳破坏过程中拉应力造成裂纹扩展进而导致损伤局部化是电荷信号异常的重要原因之一。
3) 三轴含瓦斯煤体压缩电荷感应监测试验。 2011 年我国国有重点煤矿 1 404 处，其中煤与瓦斯突出矿井 274 处。我国煤矿以平均约 20 m /a 的速度向下延伸，2011 年开采深度超过 600 m 的煤与瓦斯突出矿井己达 93 处，最深的煤与瓦斯突出矿井己超过1 300 m。造成煤与瓦斯突出事故的主要原因为煤体处于高地应力和瓦斯压力作用之下，为进一步使煤体符合现场条件，对试验装置进行了改进，设计了能封存瓦斯实现对煤样三轴加载的电荷测试试验装置[20]。通过装置得出了围压和孔隙瓦斯压力对煤体破坏过程中自由电荷的产生有不可忽视的影响:煤体在围压作用下，提高了煤体的收缩幅度，阻碍煤体内部裂纹发生、发展，增强了宏观裂缝面间的摩擦因数，在轴向应力作用下，煤样不断积累能量，当轴向应力超过极限强度后，煤体内部大量裂纹迅速扩展、聚集、汇合形成新的裂纹，煤体晶粒间局部被束缚电荷迅速逃逸成为自由电荷，因此电荷感应信号主要集中在极限强度之后，相同孔隙瓦斯压力情况下，围压越大，电荷感应信号曲线波动越强烈，围压对电荷信号起到放大、强化作用;煤体吸附瓦斯后，使煤体的物理力学性质、应力状态及变形均发生改变。孔隙瓦斯压力以体积力形式作用于煤体，使煤样易于发生膨胀变形，瓦斯压力增加，阻碍了煤体的收缩，促进煤体内部裂纹发生、发展，减弱了宏观裂缝面间的摩擦因数，使煤岩晶粒间局部被束缚电荷逃逸成为自由电荷的数量减少，因此相同围压情况下，孔隙瓦斯压力越大，电荷感应信号曲线波动越小，孔隙瓦斯压力对电荷信号起到了缩小、弱化作用，如图 5 所示。同时煤样在瓦斯的力学和非力学吸附解吸作用下，在煤样达到极限强度前一部分自由电荷会迅速逸出，被电荷感应系统接收，以此可以判断含瓦斯煤样的破坏程度。煤体变形破坏过程中产生的自由电荷，是煤体破坏过程中释放能量的一种形式。
2. 2 平顶山矿区在线式煤体电荷感应监测
平顶山八矿戊9、10 - 12160 工作面位于戊二下延采区西部，东与戊二下延运输巷相邻，西至戊四采区，北为己回采的戊9、10 - 12180 工作面，南邻己回采的戊9、10 - 12140 工作面，工作面底板标高 - 470. 5— - 526. 2 m，地面标高 + 150— + 210 m，煤层埋藏深度 620. 5 ～ 736. 2 m，工作面可采走向长 1 051 m(运输巷 1 047. 79 m，回风巷 1 055. 37 m)，南北倾斜平均宽 197 m，斜面积为 207 047 m2 ，煤层平均厚度 4. 3 m。基本顶为细砂岩，直接顶为砂质泥岩，距煤层顶板 2. 2 ～ 8. 8 m 为戊8煤(平均厚 0. 6 ～ 0. 9 m)，直接底为泥岩及砂质泥岩，基本底为砂质泥岩及粉砂岩。将电荷传感器置于孔深 0. 5 m 的孔底，对煤体电荷进行在线监测，监测分机每 5 min 上传 1 次数据。距工作面 15 和 45 m 测点电荷、煤体应力监测结果[21]如图 6 所示。
测试过程中电荷、煤体应力数据均发生变化，整个监测过程中两测点电荷信号主要发生 2 次异常: 第 1 次异常电荷信号幅值波动较大，其后缓慢平稳下来，煤体应力有微小增加，之后降低趋于平稳，原因为打钻影响孔壁处煤体碎裂，受煤体中游离瓦斯释放和和吸附瓦斯解吸影响，该过程监测到大量电荷信号，随着瓦斯的抽放，电荷信号逐渐平稳。此后一段时间里电荷、应力测试数据一直处于稳定状态，基本没有变化;第 2 次异常电荷信号幅值优先波动，煤体应力无明显变化，应力开始增大，波动较大，电荷信号幅值波动较小，该过程中对巷道进行了清帮清底，导致煤体应力、电荷数据异常，最终煤体完全处于破碎区，监测结束。
3 结论与展望
1)煤体在拉伸和压缩过程中均有自由电荷产生，电荷感应信号为瞬时脉冲信号，电荷感应信号与煤体应力具有较好的对应关系，应力突变阶段煤样内部裂纹迅速扩展、集聚、汇合导致损伤局部化是电荷信号异常的重要原因。
2)加载方式、加载速率、围压、瓦斯压力及煤体物理力学性质对煤体电荷感应信号影响较大，不同加载方式下电荷感应规律不同，加载速率越大，所产生的电荷感应信号越强、越丰富，围压对煤体破坏过程中电荷感应信号起到放大、强化作用，瓦斯压力对煤样破坏过程中电荷感应信号起到缩小、弱化的作用，煤岩电荷感应信号能够实时反映煤岩体的变形破裂状态。
3)应用电荷感应监测技术预测冲击地压、煤与瓦斯突出等矿山动力灾害是可行的，电荷感应幅值与煤体所处的应力水平关系密切，现场试验中通过对煤体应力和电荷信号同时监测，揭示了工作面开挖过程中煤体应力与煤壁表面感应电荷的时间和空间变化规律，发现了煤岩体破坏过程中电荷信号相对于煤体应力提前突变现象，电荷信号提前突变预示着煤岩体峰值破坏的来临。
4)通过应用电荷感应监测技术解决具有动力灾害危险矿井的安全开采问题，将大幅提高灾害预警的准确率，随着电荷监测技术的日益完善，必将产生巨大的社会效益和经济效益。
5)煤岩破坏电荷感应监测技术是一项很有发展前景的地球物理方法，具有许多可以期望的优点，能够提高动力灾害预测准确率，增加适用性。目前的研究成果只是从试验角度得出煤岩体在加载过程中产生的电荷量，未能从自由电荷产生的机理角度进行深层次的解释，只是初步的定性研究，对整个煤岩破裂过程尚缺乏定量的研究。电荷监测方法亟待研究的问题主要有以下 3 方面:①煤岩变形破坏的力 - 电过程是一个弱过程，为最大限度提取煤岩破坏过程中有用电学信息，需进一步完善、优化电荷传感器结构和性能;②建立冲击地压、煤与瓦斯突出等矿山动力灾害孕育与发生过程中的电荷信号产生、运移、积聚、突变的理论模型;③在现场技术应用方面，电荷监测技术还需不断验证和完善，以期最终为冲击地压等矿山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，罗 浩，赵扬锋
参考文献:
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