煤岩变形破坏电荷感应规律试验研究及现场应用

赵洪瑞

（1.辽宁大学 物理学院，辽宁 沈阳 110036；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

在煤炭开采过程中由于煤与瓦斯突出问题导致的冲击地压灾害会影响矿井的日常开采，并且会引发井下开采人员的人身安全问题[1-3]。冲击地压通常会引起煤岩破坏[4-6]。而根据物理学中的力学与电学原理，当煤岩体发生破裂时，其内部电荷信号会产生变化，因此会有电荷伴随产生，可基于此推断出电荷信号可为煤岩变形破裂过程提供先验信息，电荷变化这一信息可以反映出冲击地压灾害过程中煤岩破裂的不同程度，所以可用电荷监测法来预测预防冲击地压灾害的发生[7-9]。

国内外学者针对岩体变形破裂过程与压电信号之间的关系开展大量的实验研究[10-12]。BOЛAPOBИЧ等[13]通过实验室试验的方式对3 种不同岩样的受载电荷进行了监测记录；NITSON[14]、徐为民等[15]也相继展开了岩石受载电荷检测的实验室研究工作；赵扬锋等[16-17]通过实验室试验，研究揭示了煤岩体受载破裂过程电荷产生的机理与特点；王恩元等[18]研制开发了电磁辐射监测设备，通过试验研究得到电磁辐射监测结果与目前常用的S值等指标预测结果具有较好的一致性；窦林名等[19]研究了冲击地压与电磁辐射各项参数之间的关系，初步建立了判定指标体系；Шeвцoв[20]研究了长石岩样在实验室匀速加载过程中的电荷量；王丽华等[21]利用静电感应原理监测记录了岩体模型受载破坏过程中产生的电荷量；潘一山等[22]利用自主开发的电荷监测仪对3 种不同岩样在不同加载条件下的电荷感应规律进行了探索研究。

电荷监测法作为煤岩体动力灾害连续预测的1 项重要技术措施，精准掌握不同条件下煤岩破裂过程的电荷感应规律是该项技术的关键与核心问题。为此，对电荷精准采集关键部件前置放大器进行了设计优化，在研制开发的新型电荷监测仪基础上，进行单轴压缩条件下砂岩试样受载破坏电荷监测试验室试验和现场监测试验，对不同加载速率下砂岩受载破裂电荷信号的产生与应力突变以及裂纹扩展的关系和综采工作面开采时煤岩体变形破坏电荷感应规律开展精细化观察与分析，为电荷监测仪准确预测煤岩动力灾害提供了技术支持与理论借鉴。

1 煤岩电荷监测仪

1.1 感应电荷采集原理

通常电荷信号累积到一定程度会形成放电现象，根据IEC61000-4-2 描述的电荷放电瞬间的模型，其放电时间tr通常为0.7～1 ns。如果要将这个放电过程记录下来，根据奈奎斯特采样定理，其信号采集系统的采集频率至少为2.86 GHz。但由于这种高频系统成本极其昂贵，又面临着国外的技术垄断和封锁。基于此种情况，采用物理学中电荷和电压的关系原理，对电荷进行积分和间接测量。

一般情况下煤岩破裂产生电荷量较微弱，而井下环境噪声大、电磁场等干扰因素多，采集的信号需要进行滤波处理，以将影响降到最低，故而低噪声前置放大器是煤岩电荷传感器实现微弱电荷信号精准监测的最为关键部件，亟需设计一种低功耗、体积小、抗干扰、稳定性好的前置放大器。

设计的煤岩电荷放大器等效电路如图1。煤岩电荷放大器输入信号来源于敏感元件的输出，敏感元件基于电荷感应原理，其信号输出表现为源内阻大、信号微弱的特点。

图1 电荷放大器等效电路图Fig.1 Equivalent circuit diagram of charge amplifier

煤岩电荷放大器应包含：①电荷-电压变换电路：主要功能是将高输入阻抗电荷信号转化为低阻抗输出的电压信号，且降低转化过程的干扰噪声；②可调增益的精密输出放大电路：对较弱的电压信号进行输出放大，匹配后端的模拟-数字信号转换器并增加抗干扰能力。针对这2 方面作用，前置放大器中分别设计了与之对应的3 个功能模块。

1.2 煤岩电荷监测仪设计优化

1）电荷转换模块。电荷转换模块是具有深度电容负反馈的高开环增益的运算放大器，基于负反馈放大器原理，可将敏感元件的高输入阻抗微弱电荷信号量转变为归一化的低输出阻抗电压值。该模块的1 个重要设计优化点是输入信号路径阻抗的排布和阻抗的控制，由于传感器输入端感应到的电荷信号能量极其微弱，将印制电路板附近任何物理实体看作是导体，包括空气、绝缘漆等。

2）输出放大模块。输出放大模块具有信号反相放大功能，采用在模块增益电路外增加并联电阻的方式，对输出放大模块的信号放大倍数进行调整，拓宽了模块的输出电压域值，也增大了模块的输入灵敏度，（输入较小的电荷信号，可得到相应的更大电压信号输出）。另外输出放大模块增加低通滤波器，在放大信号之前将大部分无用的干扰信号去除。

3）电源模块。电源电路为电荷转换模块和输出放大模块供电。

基于煤岩电荷监测仪设计优化3 个功能模块，开发了新型煤岩电荷监测仪新型煤岩电荷监测仪。

2 电荷感应规律实验室试验

基于新型煤岩电荷监测仪，开展了试验室单轴压缩条件下砂岩试样受载破坏电荷感应规律试验研究。

2.1 试验系统和试样及试验过程

试验系统结构示意图如图2。

图2 试验系统结构示意图Fig.2 Schematic diagram of experimental system structure

试验系统由加载系统、屏蔽系统和新一代电荷监测仪组成，加载系统为电液伺服微机控制压力试验机。屏蔽系统采用金属铜网，试验过程中将其围绕在加载机周围，并且加载机与试样之间用绝缘垫进行绝缘。

试验所用岩块取自辽宁阜新某矿顶板砂岩，利用岩石取心机将大块砂岩制作成尺寸为 ϕ50 mm×100 mm 的标准圆柱形试样。

利用岩石力学加载系统对制备岩样进行单轴压缩加载试验，采用位移加载方式，设置加载速率分别为0.005、0.015、0.020 mm/s，电荷传感器布置在岩样两侧，距岩样5～10 mm。试验步骤进行为：①将制备岩样放置于加载系统底座上，岩样与加载系统之间通过绝缘垫进行绝缘，调整岩样位于加载装置中部，将电荷探头布置于距离岩样表面中部0.5 cm 处，在加载系统外部安装屏蔽网；②将电荷探头与采集装置连接搭建试验系统，并检查系统中各仪器状态；③开启并设定数据高速采集系统采样频率为2 500 Hz；④开启载荷位移记录系统，对系统灵敏度、衰减系数和输出模式等系统参数进行监测记录；⑤开启加载系统，进行监测、采集、观察与记录，直到试样完全破坏时停止，关闭加载与监测系统。

2.2 试验结果

不同加载速率下，岩样受载破坏电荷信号-应力随时间变化曲线以及对应的岩样破坏实物如图3。图3 中，σc为岩样的单轴抗压强度；“空心圆圈”为岩样受载破坏过程中发生的应力降，分别对其进行了编号，并标注了发生应力降时的应力百分比（应力降时应力与峰值应力的比值）；“空心矩形”表示超前首次应力突变（应力降）时出现的前兆电荷信号；“实心圆点”表示出现前兆电荷信号时的应力，并标注了此应力占首次应力降时应力的百分比，代表岩样发生首次应力降时的应力。岩样各张破坏实物图分别对应于数据图中发生应力降时岩样裂纹扩展形态。

由图3 中连续观察的岩样实时破裂图片可以发现：岩样发生首次应力降时，几乎同时也是初始裂纹形成时，一般为微小裂纹，形成裂纹初始形态；之后随着应力水平的逐渐增大，初始裂纹逐渐发育和扩展，发育和扩展一般分为连续扩展和间断扩展2 种形式，直到岩样发生第2 次应力降时，裂纹扩展才得以短暂停止，并形成新的裂纹形态，裂纹尺度有所增大；随后在新的裂纹形态下，裂纹继续发育和扩展，直到遇到下1 个应力降，又形成新的裂纹形态；以此反复，直到岩样发生最终的失稳破坏，形成最终的破坏形态。并且每1 次形成的新裂纹都要比前1 次尺度更大，数量更多。

由图3 可以看出：不同加载速率下岩样受载破裂感应电荷、应力降以及裂纹扩展的形成具有较好的一致性；在应力突变时，形成新的裂纹形态，裂隙面间发生相互错动和滑移，岩石内部岩粒相互之间发生较强摩擦作用，形成自由电荷；并且随着应力降逐级增大，裂纹尺度越大，裂纹数量越多，电荷信号幅值有增强的趋势；同时在2 次应力降之间，随应力水平的增大，裂纹发生扩展时也有电荷信号产生，但这种情况出现的次数较少。分析其原因：通过观察，发现岩样的裂纹扩展一般是1 个比较缓慢的过程，裂隙面间发生微弱的相互错动和滑移，岩石内部岩粒间摩擦作用较弱，不足以形成自由电荷，只有发生了较强的裂纹扩展时，才有信号幅值较大的电荷信号产生。

由图3 可以看出：在首次应力降之前岩样一般都有前兆电荷信号产生，有的前兆信号明显，有的前兆信号较微弱。这些前兆电荷信号的产生是因为在发生首次应力降之前，岩样内部结构会受到一定损伤，有的在岩样外表显现出微破裂而产生电荷信号，有的在岩样内部岩粒之间发生相对错动引起摩擦而产生电荷信号。

由图3 总体可以看出：随着加载速率的增大，岩样的时间-应力曲线特征没有呈现出特殊规律，岩样最终的破坏形态也没有受到较大影响，一般都发生了拉伸劈裂破坏；但岩样破坏过程电荷信号规律随加载速率的变化显现出差异性，主要表现为加载速率越大，电荷信号越丰富，超前应力突变前兆电荷信号越发提前出现，分别为84.2% 、74.1% 、53.0% 。

3 电荷感应规律井下试验

通过井下现场监测，分析煤体应力集中区与煤岩体破裂强烈区域的感应电荷变化的关键前兆点，判识煤岩体失稳破坏的危险电荷信号。电荷监测地点选择在内蒙古鄂尔多斯红庆河煤矿501综采工作面辅运巷的开采帮部。8 501 工作面电荷监测点布置示意图如图4。

图4 501 工作面电荷监测点布置示意图Fig.4 Layout diagram of charge monitoring points in 501 working face

在超前工作面20 m 位置分别利用已有卸压钻孔，分别开始布置监测点，每个测点间距10 m，各布置10 个测点，标号分别为501 辅运1#～10#。每个测点的钻孔孔深均为14 m，钻孔直径大于或等于42 mm，各测点每次监测时间为5～10 min。基于采集的电荷数据进行处理，从而实现对冲击地压危险性进行评价与预警。

3.1 超前工作面支承压力影响区电荷感应特征

测点的连续电荷信号产生的尖峰现象反映了邻近探头的煤体发生了破裂，缓慢变化的阶跃信号则反映了远离探头的煤体发生了破裂；测点的平均感应电荷量则反映了某段时间测孔内的煤体动力破坏整体水平。2022 年7 月13—21 日的感应电荷连续信号以及各测点平均感应电荷量如图5～图10。

图5 7 月13 日各测点感应电荷监测曲线Fig.5 Monitoring curves of induced charges at each measuring point on July 13th

由图5 可见，7 月13 日，超前工作面24 m 处的1#测点平均感应电荷量最大，达到14.62 pC，随后平均感应电荷量随测点逐渐远离工作面而降低，说明超前工作面约20 m 以内区域受采动影响较大；超前工作面49 m 处的4#测点平均感应电荷量升高，但升高的幅度较小，随后平均感应电荷量又随着测点逐渐远离工作面而降低；超前工作面69 m 处的6#测点平均感应电荷量达到最低值，即12.75 pC，7#与8#测点平均感应电荷量虽有升高，但增加幅度较小，总体相差不大，曲线呈收敛趋势；说明超前工作面约70 m 以外区域受采动影响较小。

由图6 可见，7 月15 日，连续的感应电荷信号曲线表明：1#与4#测点出现了1 次剧烈信号波动，说明2 个测孔煤壁周围发生了少量的显著破裂事件；超前工作面22.5 m 的1#测点平均感应电荷量最大，达到15.29 pC；2#与3#测点平均感应电荷量呈线性减小趋势，但减小幅度较小，说明超前工作面约40 m 以内区域受采动影响较大；4#测点平均感应电荷量下降幅度相对较大，在6#测点虽有缓慢上升，但升高幅度较小，7#与8#测点平均感应电荷量快速下降，降低幅度最高；7#测点平均感应电荷量最小，达到13.55 pC，说明超前工作面75 m 以外区域受采动影响较小。

图6 7 月15 日各测点感应电荷监测曲线Fig.6 Induced charge monitoring curves at each measuring point on July 15th

由图7 可见，7 月17 日，1#～4#测点的平均感应电荷量，随测点与工作面距离的增加而缓慢升高，4#测点平均感应电荷量最大，为16.1 pC，5#测点平均感应电荷量虽有下降，但与测点1 相差不大，说明超前工作面60 m 以内受采动影响较大；5#～8#测点的平均感应电荷量，随测点与工作面距离的增加而快速降低，8#测点平均感应电荷量达到最低值，为13.19 pC，说明超前工作面85 m 以外区域受采动影响较小。

图7 7 月17 日各测点感应电荷监测曲线Fig.7 Monitoring curves of induced charges at each measuring point on July 17th

由图8 可见，7 月19 日，连续的感应电荷曲线表明：4#与8#测点出现了少量剧烈的信号波动，说明2 个测孔的煤壁周围发生了少量的显著破裂事件；而6#测孔出现了多次剧烈波动的电荷信号，说明该测孔发生了多次显著破裂事件；1#相比于2#测点的平均感应电荷量略高，3#相比于2#测点的平均感应电荷量有所增加，但增加幅度不大，达到最大值，为16.11 pC，说明超前工作面38 m 以内受采动影响较大；随后，4#测点平均感应电荷幅值快速下降，5#与6#测点平均感应电荷幅值呈线性增加，但增加幅度较小；7#测点平均感应电荷量快速下降，降至最低值，为13.37 pC，说明超前工作面70 m 以外受采动影响较小。

图8 7 月19 日各测点感应电荷监测曲线Fig.8 Monitoring curves of induced charges at each measuring point on July 19th

由图9 可见，7 月21 日，1#～3#测点的平均感应电荷量，随测点与工作面距离的增加而缓慢升高，3#测点升高到最大值，即16.38 pC；4#与5#测点平均感应电荷量缓慢下降，但仍与1#测点相差不大，说明超前工作面56 m 范围内受采动影响较高；在6#测点快速下降，下降至最低值15.14 pC，7#与8#测点平均感应电荷量开始升高，但其值仍相对较低，说明超前工作面60 m 以外区域受采动影响较低。

图9 7 月21 日各测点感应电荷监测曲线Fig.9 Monitoring curves of induced charges at each measuring point on July 21st

通过以上分析的共同特征表明，各测点平均感应电荷量最大值均位于超前支承压力影响区，平均感应电荷量在空间上的变化趋势与超前支承压力分布规律具有密切相关性。工作面超前支承压力与感应电荷量关系如图10。

图10 工作面超前支承压力与感应电荷量关系Fig.10 Relationship between advancing abutment pressure and induced charge

由图10 可见，在支承压力升高区，电荷量较大；在原始应力区，电荷量较小。因此，可以通过连续感应电荷信号的波动、平均电荷量的大小及其所在位置的变化趋势反应工作面前方煤体的应力集中程度与动力破裂程度。

3.2 电荷感应强度与声发射/电磁辐射强度对比

4#、8#、9#测点与在线电磁辐射测点、在线地音测点相重合或相近。因此，分析3 个测点的在线地音、在线电磁辐射与便携式感应电荷的共性特征。不同测点在线地音变化曲线图如图11，不同测点在线电磁辐射变化曲线图如图12，不同测点感应电荷变化曲线图如图13。

图11 不同测点在线地音变化曲线图Fig.11 Curves chart of online ground sound changes at different measurement points

图12 不同测点在线电磁辐射变化曲线图Fig.12 Online electromagnetic radiation variation curves at different measurement points

图13 不同测点感应电荷变化曲线图Fig.13 Curves of induced charge change at different measurement points

靠近工作面的测点由于受到采动影响更加强烈，煤体的变形破坏程度更高，因此随着测点远离工作面，在线地音与在线电磁辐强度逐渐下降，但在停采线附近发生升高；同图13 感应电荷曲线特征相似，但也有不同，停采线附近的感应电荷幅值波动较在线地音与电磁辐射更高，原因是在线地音、在线电磁辐射测点与电荷测点相距40 m左右，并不是完全重合。

通过以上分析认为：随着工作面逐渐回采，采空区的上覆岩层将受到更加强烈的扰动，采空区上覆厚硬岩层变形移动将会加剧，将会导致高能微震事件的增加，形成的动载与超前支承压力的叠加作用将会对其巷道围岩造成较为严重的变形破坏，需要加强矿压观测与加大支护力度。

4 结 语

1）岩样受载破坏过程中多次裂纹的形成、发育与扩展伴随着电荷感应信号，每次应力降的出现均有新裂纹的形成与电荷信号的急剧变化，应力降与新裂纹的出现几乎同时，前兆电荷信号的产生早于岩样受载破裂出现的应力降。

2）在0.005、0.015、0.020 mm/s 3 种不同加载速率条件下，岩样受载破裂的电荷感应规律呈现出较好的一致性，随着应力降逐级增大，裂纹尺度越大，裂纹产生数量越多，电荷信号幅值表现出增强趋势。

3）随着加载速率增大，岩样时间-应力曲线特征未呈现出特殊规律，最终破裂形态也未受到较大影响，岩样破坏过程电荷信号规律随加载速率变化显现出差异性，主要表现为加载速率越大，电荷信号越丰富，超前应力突变前兆电荷信号越发提前出现，分别为84.2% 、74.1% 、53.0%。

4）从超前支承压力角度来看，各测点平均感应电荷量最大值均位于超前支承压力影响区内，且平均感应电荷量大小与工作面超前支承压力分布趋势一致，即支承压力升高区，感应电荷量较大，在原始应力区，感应电荷量较小。感应电荷强度与超前支承压力、采动破坏具有良好的相关性。

5）煤岩破坏电场是弱电场，只有根据弱电场的规律特征，采用弱电观测仪器才有望发现动力灾害前兆信息，而电荷监测法以其非接触、连续性、抗干扰性强、成本低等特点克服了煤岩破坏电场难以识别和提取，及干扰强烈难以排除的障碍，是监测预警冲击地压的一种有效手段。