煤体破坏过程感应电荷再认识与井下应用实践

吕进国，彭意胜，唐 治,2，赵洪瑞，王学滨，王子琪，包鑫阳，符 辉

(1. 辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000；2. 辽宁工程技术大学 矿山安全技术装备研究院，辽宁 阜新 123000；3. 辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000；4. 辽宁大学 物理学院 辽宁 沈阳 110036；5. 辽宁工程技术大学 计算力学研究所，辽宁 阜新 123000；6. 沈阳焦煤股份有限公司 红阳三矿，辽宁 辽阳 111300；7. 中国平煤沈马集团 炼焦煤资源开发及综合利用国家重点实验室，河南 平顶山 467000；8. 平煤股份煤炭开采利用研究院，河南 平顶山 467000)

目前，我国大多数煤矿已进入深部开采，井下煤岩动力破坏现象频发，以往未发生煤岩动力灾害的矿井已开始显现并逐年加剧，如冲击地压、煤与瓦斯突出、矿震及其复合灾害等，给我国煤矿安全生产带来极大威胁。目前，针对煤矿动力灾害的研究主要集中在发生机理、监测预警与防治防控三大方向，虽然取得了较多的研究成果，但重大矿山动力灾害仍时有发生，监测预警技术相对薄弱，预测预报困难较大。虽然微震、地音、CT波速、电磁辐射、煤体应力等多种监测技术已应用于煤矿之中，但由于煤矿动力灾害预警体系是一项较为复杂的系统工程，单独使用某种技术都难以捕捉全部的危险前兆信息，每种方法都有自身的局限性与提升潜力，需不断摸索探究。

近年来，由于井下实际需求，多种地球物理监测技术迅速发展，展现出良好的应用前景，煤岩感应电荷监测技术即为其中一种，国内也开展了一系列研究。如潘一山发现了受载煤岩损伤破坏感应电荷现象，揭示了其产生机理，首次提出了煤岩感应电荷监测预警冲击地压的基础理论与方法，解决了煤岩感应电荷监测预警冲击地压的关键技术难题，形成了完备的理论体系；赵扬锋、肖晓春与丁鑫等研制了实验室专用的高精度感应电荷监测设备，分析了煤岩破坏过程中感应电荷信号时频特征，应用滤波技术对电荷信号进行了降噪处理，提出了煤体失稳形式的声-电荷复合判据；唐治、罗浩、王岗等研究了不同围压、不同孔隙压力、不同含水率、不同温度、不同加载速率等条件下，煤岩破坏过程中感应电荷信号的变化规律，为煤岩动力灾害监测预警提供了良好基础；吕进国等研制了矿用本安型煤岩感应电荷监测设备，提出了感应电荷实用评价指标，验证了用于煤矿动力灾害监测预警的有效性。王恩元、聂百胜等在我国通过试验研究证明了煤岩破坏过程中会产生电磁辐射，其前提基础是存在电荷分离，认为导致电荷分离的主要因素是压电效应、摩擦起电效应、带电缺陷的非平衡应力扩散、共价键断裂、EDA键断裂和分子间力的消长等。

近年来，虽然在煤体损伤与电荷、应力与电荷、电荷频率及其信号滤噪研究较多，但诸多问题仍有待商榷，需不断探究，如：① 煤体破坏过程中，产生高幅值感应电荷信号的主控因素有哪些，是否存在新的影响因素？② 室内试验过程中的干扰信号频率及其来源有哪些，煤体破坏产生的感应电荷主频分布范围是不变的吗？③ 感应电荷强度究竟是与应力大小相关还是与应力变化程度相关？如何建立感应电荷强度与应力的定量关系？④ 以往研究认为煤岩能量与电场强度相关，究竟是与煤岩存储的弹性应变能大小相关，还是与其耗散或释放多少相关？⑤ 在复杂井下实测中，感应电荷强度与煤层支承压力、动力破坏、巷道变形显现之间的相关性如何？

为此，笔者以单轴压缩试验为基础，对煤体破坏过程产生的感应电荷规律进行总结与再认识，分析高幅值感应电荷信号的主要影响因素，建立煤体损伤与感应电荷信号间的统计关系；分析感应电荷与煤体能量的演化特征，建立煤体应力与感应电荷强度的量化关系；开展井下监测应用实践，揭示感应电荷强度与煤层支承压力、动力破坏、巷道变形显现的相关性；使理论分析、室内试验及井下监测的研究结论相互统一，发展和完善煤体感应电荷监测动力灾害理论与技术。

1 煤体单轴压缩过程感应电荷再认识

1.1 感应电荷信号频域分析

在煤体单轴压缩的感应电荷试验过程中，采样频率为1 kHz时，应用FFT傅里叶频域变换，得到具有代表性的干扰信号频域与煤体加载过程的高幅值感应电荷信号频域，如图1所示。

图1 感应电荷信号频域特征Fig.1 Frequency characteristics of induced charge signals

(1)实验室环境下噪声信号的主频为50,150,250,350,450 Hz，一般为50 Hz奇数倍，这是由于我国配电网络的谐波频率为50 Hz，一般而言，奇次谐波干扰程度较高。说明外部环境谐波频率不同，干扰信号主频也随之变化，干扰信号主频不能认为是固有不变的，这主要取决于外部谐波频率，因此，在滤波过程中要特别注意地面与井下供电网络的谐波频率。

(2)在峰后破坏阶段提取一段高幅值感应电荷信号，结合已辨识的噪声信号主频，获得煤体破坏的感应电荷信号主频分布在15～30 Hz，文献[14]得到主频范围为15 Hz以下，说明不同物理力学性质的煤体感应电荷信号主频范围存在差异，但基本为低频信号，通过设计一种低通滤波器或带通滤波器，能减少噪声信号，便于分析感应电荷规律。

1.2 感应电荷与应力、应变能及破坏之间关系

将煤体单轴压缩条件下的应力-应变曲线分为裂隙压密阶段、弹性变形阶段、稳定破裂阶段、非稳定破裂阶段与峰后破坏阶段，如图2所示。基于煤体破坏感应电荷信号主频范围，选用带通(15～30 Hz)滤波器进行降噪，选取具有代表性降噪后的感应电荷时序曲线进行分析，如图3所示。

(1)感应电荷与应力关系。煤体在压密阶段也会产生少量的高幅值感应电荷信号，但其幅值与峰后破坏阶段相比较小，该阶段应力呈现非线性变化，很小的应力作用便会发生较大的轴向变形；在弹性阶段应力呈线性增加，即使应力较高，高幅值感应电荷信号仍无明显增加；在其他阶段，若应力呈现出显著的非线性变化，特别是发生了应力突降时，一般会产生高幅值感应电荷信号，尤其在峰后破坏阶段，应力降程度最高且次数最多，高幅值电荷信号较为密集。上述说明感应电荷强度与煤体应力大小非直接相关，而与应力非线性变化程度直接相关，且呈正相关关系。

(2)感应电荷与应变能关系。弹性变形阶段是煤体弹性应变能积聚的主要阶段，此阶段高幅值感应电荷信号数量很少；峰后破坏阶段主要呈现煤体的能量耗散与释放，即煤体内部裂纹扩展消耗的能量与破坏过程中释放的能量，该阶段的高幅值感应电荷信号密集。说明感应电荷强度与煤体弹性应变能存储多少关系不显著，而与弹性应变能的耗散与释放多少显著相关，煤体能量耗散与释放越多，所产生感应电荷强度越高，对下文理论分析所涉及的前提条件起到支撑作用。

图2 应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curve

图3 滤波前后感应电荷信号特征Fig.3 Characteristics of induced charge signals before and after filtering

(3)感应电荷与煤体破坏关系。应力降(应力突变)意味着煤体的破坏与能量的释放，应力降程度越高，破坏过程越剧烈，产生的感应电荷信号幅值越高。高幅值感应电荷信号的产生说明煤体正在发生剧烈破坏，因此感应电荷强度可直接反映煤体破坏程度，却不能直接反映煤体应力大小，但可依据一系列感应电荷信号特征，结合外载环境，利用损伤统计方法，间接估算煤体内部应力，但仅能反映应力大小趋势，具体参考式(17)。

(4)感应电荷主控因素分析。弹性阶段的感应电荷幅值没有随煤体应力增大而升高，说明压电效应不是感应电荷产生的主因；高幅值感应电荷信号多集中于峰后破坏阶段，该阶段是一个动态破坏过程，裂纹迅速扩展，破裂面之间发生强烈的滑移摩擦，煤体表面大量煤屑快速弹射，不断撞击电荷传感器，并伴随着高幅值感应电荷信号的产生。由此可知，高幅值感应电荷信号是裂纹尖端扩展、破裂面滑移摩擦与带电煤屑(颗粒)弹射综合作用的结果。另外，从试验观察中发现带电煤屑弹射对感应电荷强度影响较大。

2 煤屑弹射过程感应电荷产生机制

以往认为受载煤体压电效应、裂隙扩展尖端效应与破裂面摩擦效应是产生自由电荷运动变化的主要方式，从而引起煤体周围电场的变化，导致近邻煤体的传感器周围电场也会相应发生变化，使得感应元器件上的感应电荷量发生变化。随着认识的深入，发现还存在一种新的感应电荷方式，在单轴压缩试验中煤体破坏弹射的带电煤屑(颗粒)也是感应电荷产生的重要原因，甚至是主因。

假设煤体在初始状态的内部电荷为平衡状态(对外表现不带电)，而且作为绝缘体，其表面的正负电荷总量为0。在煤体加速破坏时，裂纹快速扩展贯通，破裂面滑移摩擦并快速分离，导致破裂面电荷也瞬间分离，使得破裂面局部会带有正电荷或负电荷，一旦局部带电表面发生煤屑弹射现象，那么煤屑将具有带电性，如图4(a)所示。

如图4(b)所示，在煤体单轴压缩破坏过程中，随着弹射的带电煤屑逐渐靠近感应元件，若煤屑带正电，则使得元件前端表面感应出动态变化的负电荷，而在后端表面则感应出与前端表面等量的异种电荷，即正电荷，并随带电煤屑与感应元件的距离越加接近，使得监测到的感应电荷信号越来越强。当弹射的带电煤屑接触到感应元件时，此刻不再是感应模式，而变成了电荷直接传导，该情况下监测到的电荷信号最强。这也解释了试验中煤屑撞击到传感器瞬间感应电荷幅值快速增高的原因。

图4 带电煤屑弹射过程感应电荷监测示意Fig.4 Schematic diagram of monitoring inducedcharge in the process of coal dust ejection

把带电量为的煤屑简化成点电荷，以其为中心，为半径作闭合球面，其面积矢量为，球表面电场强度为，则根据高斯定理可得

(1)

式中，为电通量；为球面介电常数。

则半径处的电场强度为

=(4π)

(2)

若感应元件表面感应电荷量为，感应元件有效感应面积为，感应元件表面电场强度为，则其电通量为

==

(3)

若感应元件表面电场强度近似有=，联立式(2)，(3)，则感应电荷量为

=(4π)

(4)

若在某时刻，某一煤屑以初始水平速度靠近感应元件，且与感应元件中心的水平距离为Δ，竖向距离为Δ，如图4(c)所示，则感应电荷量为

(5)

同理，某时刻个带电体弹射叠加引起的感应电荷量为

(6)

可见，弹射过程的感应电荷量与煤屑带电量、有效感应面积成正比，与煤屑到感应元件中心距离成反比。式(5)，(6)表达出：当煤屑带电量、感应元件有效感应面积不变时，某时刻煤屑速率越大，即带电煤屑动能越大，感应电荷量越高；煤体破坏过程中能量释放所转化的动能越多，煤屑弹射数量越多，感应电荷量越大。某时刻煤体破坏的总感应电荷量为

=++

(7)

式中，为裂纹尖端扩展瞬间产生的感应电荷量；为破裂面滑移分离瞬间产生的感应电荷量。

3 煤体损伤破坏与感应电荷量化关系

3.1 煤体损伤与感应电荷信号统计关系

参考煤岩声发射统计损伤关系，可进行如下理论分析。

若整个截面面积累积感应电荷事件数为，则单位面积上微元破坏时的感应电荷发生率为

=

(8)

当断面破坏面积达到时，累积感应电荷事件数为

==

(9)

则根据损伤变量的定义可知

=

(10)

由式(9)，(10)可知

==

(11)

由式(11)可知，累积感应电荷事件数可以表征煤体的损伤变量。

对于单调加载，用应变表征损伤关系为

(12)

若初始损伤=0，则当截面应变增至时，则

(13)

式中，()为反映体积单元损伤的连续函数，假设煤体微元强度服从韦伯分布函数，则

(14)

其中，与分别为煤体微元应变与参考平均应变；为分布的形状参数，其值越大，材料均质性越高。将式(14)代入式(13)可得

(15)

根据损伤力学可得

(16)

(17)

式中，为弹性模量；为应力。

当某时刻的应变增量为d时，感应电荷信号增量为

(18)

当截面应变增至时，感应电荷累积信号数为

(19)

通过式(19)可知，损伤破坏程度越高，累积感应电荷信号越多，与试验吻合。但对于力学性质差异较大的煤体，在相同试验条件下产生的有效感应电荷信号数存在较大差异。因此，有效感应电荷信号数并不是反映煤体损伤破坏的惟一指标。

3.2 感应电荷强度与应力量化关系

大量煤体单轴压缩试验表明，高幅值感应电荷信号主要产生在煤体能量的耗散与释放过程。如图5所示，若加载至点时，发生了应力降，表示煤体局部裂纹的快速扩展，当扩展所需驱动力与其阻力达到平衡时，应力降至点，裂纹停止扩展。由上述可知，面积表示存储的剩余弹性应变能密度，面积表示煤体震动辐射能与煤屑动能等释放的能量密度，面积表示弹性变塑性及裂隙裂纹扩展等耗散能密度。感应电荷信号强弱主要是由煤体能量耗散与释放共同作用所产生的。

(20)

(21)

(22)

式中，为煤体释放能密度；为煤体耗散能密度；为煤体耗散能密度与释放能密度之和；为应力降起点应力；为应力降终点应力；Δ为应力降幅。

图5 煤体应力降能量转化示意Fig.5 Schematic diagram of energy conversion of stress drop

煤体的破坏会产生自由电荷，其运动过程将会导致煤体周围电场强度的变化，电场强度的变化会导致电场能量的变化，而加载过程的能量耗散、释放与煤体破坏程度呈正相关关系，因此，煤体能量耗散及释放总和与电场能量呈正相关关系。

一般情况下，匀强电场能量密度为

(23)

式中，为匀强电场的能量密度；′为介电常数；′为某时刻静电场强度。

若煤体耗散和释放能量密度总和与电场能量密度呈正比关系，则

(24)

由式(24)可知，感应电荷强度主要取决于煤体应力降幅度及其起降点应力大小的影响。若应力降非常大时，可认为煤体发生了失稳破坏，失去承载能力，即=Δ，此时认为煤体弹性应变能近似全部耗放，式(24)近似简化为式(25)，式(25)表明，当强烈动力现象发生时，所监测的感应电荷强度(感应电荷强度与电场强度成正比)与煤体应力降成正比。

(25)

′=″Δ

(26)

理论分析表明，在非稳定破坏阶段之前，应力降较小，此时感应电荷强度主要取决于煤体应力降的起始应力大小；进入非稳定破坏阶段，应力降程度增加，感应电荷强度主要取决于应力降幅度与其起降点应力的综合作用；在峰后破坏阶段，应力降频繁发生且突降程度最大，感应电荷强度主要取决于煤体应力降幅度。这与单轴压缩试验结论相吻合。

4 井下监测实践

针对煤矿井下复杂条件，研发了YCD5本安型便携式煤岩电荷监测仪(图6)，该装备主要由监测主机、探头与矿用防爆屏蔽电缆组成，实现1～4通道电荷信号采集，采样精度16位，连续运行8 h左右。

图6 便携式煤岩电荷监测仪Fig.6 Portable monitoring equipment of induced charge

4.1 红阳三矿监测实践与分析

4.1.1 工作面概况与监测方案

红阳三矿1208工作面采深已超千米，开采的12号复合煤层主要由12-1与12-2号煤层组成，此两层煤层均厚1.8 m，2者之间夹矸为泥岩，其均厚为0.9 m。12-1煤层直接顶板为泥岩，均厚8.7 m，其上为中砂岩，均厚4 m；12-2煤层底板为细砂岩，均厚1.25 m。该工作面位于西二采区轨道斜巷以北，东距1206采空区约10 m，西接实体煤，且临近上部西三采区702采空区，下部为13号煤层未采动区。1208工作面上部为北二704，706，708，710，713采空区，且与采空区间距约60 m。该工作面整体为背斜构造，运输巷、回风巷及开切眼巷道实见断层23条，其中落差大于1 m的断层有3条；回采巷道掘进过程中见火成岩墙4条，火成岩床1处，岩性均为辉绿岩。1208工作面具有强冲击危险性，平均每天回采约2 m。

采用YCD5便携式煤岩电荷监测仪对1208工作面进行监测，测点布置如图7所示，在回风巷的强冲击危险区共布置10个测点，超前工作面30 m处布置1号测点，以此类推，沿回采方向依次布置2,3,…,10号测点，1～8号测点间距为5～10 m，9与10号测点在终采线附近布置。各测点监测时间为3～5 min，传感器采样频率设置为1 kHz，设置每秒钟存储1个最大值。

图7 工作面回风巷测点布置Fig.7 Layout of measuring points in the tailgate of working face

4.1.2 结果分析

通过大量原始数据，计算该段时间内的感应电荷平均幅值，也可称为感应电荷强度。若在某段时间Δ内，观测的感应电荷幅值为{,,…,}，则该段时间感应电荷平均幅值为

(27)

图8为不同时间实体煤回采工作面各个测点的感应电荷平均幅值曲线，图9为与电荷测点相同或相近的电磁辐射平均强度曲线。

图8 回风巷感应电荷监测曲线Fig.8 Monitoring curves of induced charge of return airway

图9 回风巷电磁辐射监测曲线Fig.9 Monitoring curves of electromagneticradiation of return airway

由图8可知，随着测点远离工作面，感应电荷平均幅值逐步降低，与超前工作面支承压力分布规律相吻合，这是由于超前支承压力影响区内煤岩易发生破坏，因此监测到的感应电荷信号强度较高；超前100 m范围内感应电荷平均幅值无突变，可认为回风巷较稳定，与现场实际情况一致；9，10号测点电荷幅值突然增高，即回风巷终采线附近感应电荷平均幅值异常，电磁辐射平均强度也同样出现异常，存在共性特征。由于该区域处于上覆采空区710的卸压带内且受超前支承压力影响较小，感应电荷平均幅值不应出现明显升高现象，具体原因为:

(1)如图10所示，基于微震监测，选取5月10日—5月18日、5月10日—5月22日期间的超前工作面微震时空活动进行分析。在18日及其之前，停采线附近就已经出现了10J与10J能级的微震事件，此时1208工作面距停采线水平距离约286 m；在22日终采线附近微震事件较之前增多，工作面位置距停采线约280 m。说明即使1208工作面与上覆710采空区距离相对较远，在采动影响下已损伤破坏的顶板岩层易再次发生移动破坏，释放的动载可使得下方煤层测孔破坏程度加剧，同时也增加测孔内的煤屑(颗粒)弹射几率，进而可监测到高幅值感应电荷信号。

(2)终采线附近区域存在厚度大于1 m的火成岩侵入构造，火成岩床侵蚀层位为12-1煤及底板泥岩，煤岩层裂隙与层理发育，在1208工作面采动影响下，火成岩侵入区域易发生高频低能级的小破裂事件，此时难以用低频高能级的微震设备进行监测，但可用地音、电磁辐射与电荷等高频监测设备进行弥补，因此距工作面较远的火成岩侵入构造影响区内容易监测到高幅值感应电荷信号。

(3)距离终采线20 m左右，监测过程中存在人工作业维护巷道的情况，对感应电荷监测产生一定干扰，但影响有限。

以1～6号测点为例，采用二次多项式进行最小二乘拟合，如图11所示，随工作面与某一测点越加接近，该测点所受采动影响也在不断增加，最终监测到的感应电荷平均幅值呈增加趋势，这与工作面超前支承压力分布趋势性一致，同时也说明测点受采动影响越大，感应电荷强度越高。

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

图11 测点距工作面不同距离感应电荷曲线Fig.11 Curves of induced charge at different distance between measuring point and face

由图8，12可知，5月20日感应电荷平均幅值最大，与此相对应的5月20日微震释放累积能量处于较高水平，该微震能量计算选用工作面中下部靠近回风巷微震事件的能量累计值，约为63.966 kJ，5月24日感应电荷平均幅值也处于较高水平，但当日微震累计能量只有165 J，说明高能微震频发区域的感应电荷强度较高，但高能微震非频发区域的感应电荷强度也会出现较高的情况，这是由于微震难以监测低能量的高频信号，而电荷可行，但监测范围有限。

图12 每日微震累积释放能量曲线Fig.12 Daily cumulative curve of microseismic releasing energy

4.2 平煤十一矿监测实践与分析

4.2.1 工作面概况与监测方案

己-22220工作面为北东倾向的单斜构造，采深近千米，工作面走向长1 036 m，倾斜长196 m。工作面南部已回采，北部为原生煤体。直接顶为4.0～7.0 m厚的砂质泥岩、泥岩与砂质泥岩互层，裂隙较发育；基本顶为2～3 m厚的细砂岩，裂隙不发育；直接底为5～8 m厚的泥岩，遇水易膨胀；基本底为4～6 m厚的灰岩和泥岩。

由于回风巷围岩变形严重，正在施工修复，因此，选择在工作面与运输巷布置测点，如图13所示。运输巷共布置12个测点，1～10号测点沿工作面回采方向且每隔10 m布置1个，其中超前工作面约50 m布置第1号测点，在终采线附近布置11，12号2个测点，其间距为10 m；沿工作面倾向布置12个测点，编号记为13～23号，间距为10 m；各测点监测时间为3～5 min。

图13 工作面测点布置示意Fig.13 Layout of measuring points in the working face

4.2.2 结果分析

如图14所示，随测点远离工作面，感应电荷平均幅值逐步减小，与超前工作面支承压力分布趋势一致；随工作面的不断回采，7月29日与7月30日的1号测点已塌孔，7月28日及以后的监测曲线表明，感应电荷平均幅值及其波动幅度相对较高，说明随着工作面距测点越近，采动对煤体的损伤破坏影响程度越强；由于终采线附近的2个测点距工作面较远，矿压显现不显著，感应电荷幅值保持较低水平。

图14 运输巷感应电荷强度监测曲线Fig.14 Monitoring curves of induced charge intensity ofhaulage roadway

如图15所示，随着测点逐渐靠近回风巷，感应电荷幅值呈现逐渐升高趋势，这是由于所监测的运输巷北部为未开采的原生实体煤，回风巷南部近邻采空区，因此回风巷附近煤体承载更高的附加载荷，其发生破坏概率更高，所监测的感应电荷幅值就越大。现场实践表明，回风巷围岩变形较为严重，与所监测的感应电荷规律吻合。

图15 工作面感应电荷强度监测曲线Fig.15 Monitoring curves of induced charge intensityof working face

5 结 论

(1)压电效应对高幅值感应电荷信号产生的作用不显著，煤体破坏过程裂纹扩展、破裂面滑移摩擦与带电煤屑弹射的综合作用是高幅值感应电荷信号产生的主因，尤其带电煤屑弹射对感应电荷强度影响较大，即煤体破坏过程中能量释放所转化的动能越多，则弹射带电煤屑数量越多且弹射速率越高，则感应电荷强度越大。

(2)干扰信号主要来自外部供电网络谐波的影响，不同力学性质煤体破坏产生的感应电荷主频范围存在差异，但基本为低频信号；高幅值感应电荷信号与应力大小关系非直接相关，而与应力非线性变化程度直接相关且关系显著，特别是与应力降幅度呈正相关关系。

(3)感应电荷强度可直接反映煤体破坏程度，利用外载环境和感应电荷信号与煤体损伤的统计关系，可间接估算煤体应力；感应电荷强度与煤体弹性应变能存储量关系不显著，而与能量的耗散与释放多少显著相关，即煤体破坏过程中耗散与释放的能量越多，感应电荷强度越高。

(4)在工作面超前支承压力影响区、高能微震释放频发区与巷道围岩变形严重区，监测到的感应电荷强度较高，说明感应电荷与煤岩动力破坏、支承压力与围岩变形具有良好的相关性，可适用于井下煤岩动力灾害、采场来压与围岩稳定的监测预警。