煤岩体电荷检测在动力灾害预测中的应用

唐治，潘一山，李忠华，阎海鹏，李国臻，赵扬锋

(辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁阜新 123000)

煤岩体电荷检测在动力灾害预测中的应用

唐治，潘一山，李忠华，阎海鹏，李国臻，赵扬锋

(辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁阜新 123000)

文章为煤岩动力灾害的预测提供新的方法，针对大安上煤矿用岩体电荷辐射测试仪进行现场实验测试，得出: (1)大安山矿电荷感应幅值在300Pc以下，煤岩体比较稳定;(2)电荷感应幅值呈现出与周期来压一致的周期性变化; (3)电荷感应幅值最大处一般均在工作面前方10～16m，这与采掘工作面前方煤岩层的集中应力向煤体深部传播一致;(4)在测期间一直处于稳定状态，而测得的电荷感应幅值也较小，说明和实际比较符合。还简要介绍安装工艺。得出岩体电荷检测能对动力现象作出预测。

煤岩体电荷检测;动力灾害;岩爆;预测

0 引言

冲击地压是采矿诱发的矿井地震，是矿井的一大自然灾害。冲击地压发生时，围岩迅速释放能量，煤岩突然被破坏，造成暴风、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。严重地影响了我国矿井的安全生产和煤矿经济效益。所以防治冲击地压的发生有着重要的意义［1－7］。

煤岩动力灾害预测是预防煤矿动力灾害的重要措施之一，国内外很多学者做了大量的工作，他们发现受载岩体破裂时能够产生电磁辐射［8－11］、声发射［12－14］、电荷辐射［15－20］。基于以上理论研究，采取了不同的方法来预测和防治煤岩动力灾害的发生。声发射法预测较准确但受影响较大;目前应用比较广泛的是钻屑法，但用该方法作业时间长、工程量大、影响生产，预测作业时间也较长。本文则通过新的预测方法即对岩体变形时所辐射的电荷信号的监测来预测岩体变形破坏的程度从而达到煤岩动力灾害的预测效果，其优点是可以实现时间、空间上的连续预测，并且不占用工作面作业时间。

1 煤岩体电荷

1.1 煤岩体电荷的产生机理

某些晶体，如石英、电气石、酒石酸钾钠、糖、方锌矿和其它几种晶体，在应力的作用下产生机械变形的时候，晶体会由于发生形变而导致正负中心不重合，晶体总电矩不再为零，从而使晶体的一些相应的表面出现电荷。结晶格子中质点的空间规律分布产生的这种种特殊的效应，叫做压电效应，压电体产生的电量正比于应力。

1.2 煤岩体电荷辐射测试仪

实验所用仪器为岩体电荷辐射测试仪［21］。该仪器主要由电荷放大器部分和数据处理部分构成。

2 传感器安装工艺

2.1 安装方式

安装方式分孔底安装方式和煤层表面安装方式。

孔底安装方式:检测点一般要选择在冲击地压危险区域，如构造附近、巷道交叉点等危险性较大的地点。再用Ansys或其它软件模拟检测点的巷道塑性圈，以便确定测点的打孔深度(巷道塑性圈厚度即为测点的打孔深度)，再在煤壁上打孔(孔的直径比探头直径大1～2cm)，把仪器探头安装在孔里，探头离孔底1～2cm。采用孔底安装传感器方式具有如下特点:①接收信号有效距离半径较大，敏感性高;②安装费时费力;③传感器不利于拆卸，成本较高(仪器可能被煤岩体压坏)。

煤岩体表面安装方式:检测点一般要选择在冲击地压危险区域，如构造附近、巷道交叉点等危险性较大的地点。再打孔(孔的直径比探头直径大1～2cm，孔的深度能放稳仪器探头即可，一般15cm左右)，再把仪器探头安装在孔里，探头离孔底1～2cm。采用煤层表面安装传感器方式具有如下特点:①接收信号有效距离半径较小，敏感低;②安装简便;③传感器利于拆卸，成本较低。

2.2 测点布置

孔底安装方式和煤岩体表面安装方式的测点布置一样。确定冲击地压危险区域后，在危险区域每隔10m布置一个检测断面，每个检测断面布置2～3个测点，巷道两侧或巷道两侧和顶部。每天在固定测点检测一次，每个测点检测时间为1分钟，每个危险区域检测测点一般为12～18个。

2.3 传感器个数

虽然井下煤岩体的不连续性、不均匀性和断层、裂隙等的影响，电荷的传播速度存在一定的变化，但仪器是测电荷的相对变化量。而且传感器的间距不大。所以，不需要多个仪器同时测不同点，只需用一个仪器测不同点即可。

3 实例检测

为对上述理论和方法的可行性进行检验，在大安山矿+550m水平西二石门轴10下槽工作面上巷用煤岩体表面安装方式进行检测，所得数据用matlab进行处理。

检测点布置在工作面上巷，每隔10m布置一个检测断面，每个检测断面布置2个测点。巷道上帮为奇数测点，即1、3、5、7、9、11;巷道下帮为偶数测点，即2、4、6、8、10、12。每天在固定测点检测一次，每个测点检测时间为1分钟，得到60个数据。一天检测12个测点。测点的布置图如图1所示。随着工作面的推进，检测点也随着改变。

图1 测点布置图Fig.1 Layout diagram of the test points

所用的数据是2009年7月9日～2009年7月21日检测数据，论文只列出部分检测数据(图2～6)。每个图分上帮测点和下帮测点。图2中横坐标上帮测点1和3之间对应的纵坐标值代表测点3的电荷感应值(一个测点测一次的60个数值)，3和5之间对应的纵坐标值代表测点5的电荷感应值，其它图同理。

图2 7月10日测试点1～12电荷感应测试图Fig.2 Test charts of charge induction at Test Points 1 to 12 on July 10

从图2看出:离工作面约10m的上帮测点1和下帮测点2感应幅值较大，达570Pc，说明在离工作面10m的上下帮主应力较大，随离工作面长度的增加幅值降低。同一断面上，上帮幅值比下帮幅值大。

图3 7月16日测试点1～12的电荷感应测试图Fig.3 Test charts of charge induction at Test Points 1 to 12 on July 16

从图3可看出:多数测试点感应值变化稳定，范围在0～10pc，幅值均在190Pc左右。下帮测试点4感应值变化范围在0～150Pc，感应幅值达350Pc，此时试点4离工作面14m左右。

图4 7月19日测试点1～12的电荷感应测试图Fig.4 Test charts of charge induction at Test Points 1 to 12 on July 19

从图4看出:多数测试点感应值变化稳定，范围在0～10Pc，幅值均在190Pc左右。下帮测试点2感应幅值变化较大。此时试点2离工作面4m左右。

图5 7月22日测试点1～12的电荷感应测试图Fig.5 Test charts of charge induction at Test Points 1 to 12 on July 22

从图5可看出:多数测试点感应值变化范围在0 ～10Pc，幅值均在190Pc左右。上帮测试点变化较稳定，下帮测试点4感应幅值较大，此时试点4离工作面12m左右。

图6 测试点8电荷感应测试图Fig.6 Test chart of charge induction at Test Points 8

从图6可看出:7月14日电荷感应值较大，随后减小，到7月20日电荷感应值又较大。说明随着工作面的推进，测点的电荷感应值呈一定的周期性变化。和周期来压比较吻合。

根据测试结果分析可得:

(1)各测试点测得的电荷感应幅值大多较小，一般在300 Pc。在测期间现场没有发生明显动力现象，说明感应幅值在300 pPc以下，煤岩体比较稳定。

(2)随着工作面的推进，各点测得的电荷感应幅值呈一定的周期性变化，呈现出与周期来压一致的周期性变化。

(3)虽然工作面不断推进，但测得的电荷感应值最大处一般均在工作面前方10～16m，这与采掘工作面前方煤岩层的集中应力处向煤体深部传播，到一定深度应力趋向于煤体的平均应力是一致的。

(4)+550m水平西二石门轴10下槽工作面煤层顶板比较坚硬，在测期间一直处于稳定状态，而测得的电荷感应幅值也较小，说明和实际比较符合。

4 结论与展望

冲击地压的预测主要包括时间、地点和规模大小。煤岩体电荷检测法可用来预测煤岩体动力灾害现象，其主要参数是电荷感应幅值。

掘进或回采后，工作面附近煤岩体失去应力平衡，煤壁中的煤岩体必然要发生变形或破裂，向新的应力平衡状态过渡，这过程中会产生电荷。在应力集中区，煤岩体的变形破裂较强烈，电荷信号也较强。进入原始应力区，电荷信号将有所下降，且趋于平稳。

电荷信号和煤岩体的应力状态有关，应力大时电信号就强，应力越高，则冲击危险性越大。电荷感应幅值反映了煤岩体前方应力集中程度的大小，因此可用电荷检测法对冲击地压预测预报。

但对检测值的划分标准和能提前预报时间仍须大量的现场检测实验来进行验证。

［1］潘一山.冲击地压发生和破坏过程研究［D］.北京:清华大学工程力学系，1999.

［2］潘一山，赵扬锋，马瑾.中国矿震受区域应力场影响的探讨［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(16):2847 －2852.

［3］潘一山，李忠华，章梦涛.我国冲击地压分布、类型、机理及防治研究［J］.岩石力学与工程学报，2003，22 (11):1844－1851.

［4］李忠华，潘一山.采煤工作面冲击地压的解析分析［J］.辽宁工程技术大学学报，2002，21(1):40－42.

［5］石强，潘一山，李英杰.我国冲击矿压典型案例及分析［J］.煤矿开采，2005，10(2):13－17.

［6］李忠华，潘一山.煤柱冲击地压的解析分析［J］.地质灾害与环境保护，2001，12(2):62－65.

［7］潘一山，杜广林，张永利，等.煤体振动方法防治冲击地压的机理研究［J］.岩石力学与工程学报，1999，18 (4):432－436.

［8］郭自强，刘斌.岩石破裂电磁辐射的频率特性［J］.地球物理学报，1995，38(2):221－226.

［9］孙正江，王丽华，高宏.岩石标本破裂时的电磁辐射和光发射［J］.地球物理学报，1986，29(5):491－495.

［10］朱元清，罗祥麟，郭自强，等.岩石破裂时电磁辐射的机理研究［J］.地球物理学报，1991，34(5):594－601.

［11］Nitson U.Electromagnetic emission accompanying fracture of quartz－bearingrocks［J］.GeophysicsResearch letters，1977(4):333－336.

［12］彭新明，孙友宏，李安宁.岩石声发射技术的应用现状［J］.世界地质，2000(3):303－306.

［13］窦林名，何学秋.煤岩冲击破坏模型及声电前兆判据研究闭［J］.中国矿业大学学报，2004，33(5):504－508.

［14］王恩元，何学秋，刘贞堂，等.煤体破裂声发射的频谱特征研究明［J］.煤炭学报，2004，29(3):289－292.

［15］吴小平，施行觉，郭自强.花岗岩石压缩带电的实验研究［J］.地球物理学报，1990，33(2):208－211.

［16］赵扬锋，潘一山，苏维嘉.单轴压缩下花岗岩电荷变化的实验研究［J］.辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2009，28(2):221－224.

［17］赵扬锋，潘一山.单轴压缩下花岗岩电磁信号的实验研究［J］.中国地质灾害与防治学报，2009，20(3): 132－137.

［18］郭自强，郭子棋，钱书清，等.岩石破裂中的电声效应［J］.地球物理学报，1999，42(1):74－83.

［19］郝锦绮，刘力强.双轴压力下岩样自电位变化实验的新结果［J］.地球物理学报，2004，47(3):475－482.

［20］V.S.Kuksenko，Kh.F.Makhmudov，A.V. Ponomarev.Relaxationofelectricfieldsinducedby mechanical Loading in natural dielectrics［J］.Phys.Solid State，1997，39(7):1065－1066.

［21］付琳，潘一山，李国臻.岩体电荷检测仪的研制［J］.辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2008，27(S): 110－112.

Abstract:Charge detecions were conducted on the rock mass in Daanshang Coal Mine to prvide a new idea to predict the dynamic disasters in coal-rock.The results showed that:(1)the coal-rock would be stable if the amplitude of charge induction in the mine was below 300pc;(2)the amplitude of charge induction consistently changed with the periodic roof pressure;(3)the maximum of charge induction amplitude generally appeared at 10m～16m behind the working face，consistent with the concentrated stress in coal-rock behind the working face spreading bey ond;(4)the rock mass was in stability all along the measuring thim and the measured amplitudes of charge induction were also small，which was in accordance with the practical situation.Besides，the installation process of the devices was briefly introdued in the paper，It was concluded that charge detection of rock mass was useful to predict the dynamic phenomena.

Key words:charge detection of coal and dynamic disaster;rock;rock burst;prediction

Application of charge detection of coal-tock in the dynamic disaster prediction

TANG Zhi，PAN Yi-shan，LI Zhong-hua，YAN Hai-peng，LI Guo-zhen，ZHAO Yang-feng
(School of Mechanics and Engineering，Liaoning Technical Univerity，Fuxin123000，China)

1003-8035(2010)03-0109-04

P642.2

A

2010-02-25;

2010-04-05

国家重点基础研究发展计划(973计划) (2010CB226803)。

唐治(1983—)，男，硕士，主要从事矿山灾害力学的研究工作。

E-mail:tangzhi0127@163.com