煤巖變形破壞電荷感應規律試驗研究及現場應用

趙洪瑞

（1.遼寧大學 物理學院，遼寧 沈陽 110036；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

在煤炭開采過程中由于煤與瓦斯突出問題導致的沖擊地壓災害會影響礦井的日常開采，并且會引發井下開采人員的人身安全問題[1-3]。沖擊地壓通常會引起煤巖破壞[4-6]。而根據物理學中的力學與電學原理，當煤巖體發生破裂時，其內部電荷信號會產生變化，因此會有電荷伴隨產生，可基于此推斷出電荷信號可為煤巖變形破裂過程提供先驗信息，電荷變化這一信息可以反映出沖擊地壓災害過程中煤巖破裂的不同程度，所以可用電荷監測法來預測預防沖擊地壓災害的發生[7-9]。

國內外學者針對巖體變形破裂過程與壓電信號之間的關系開展大量的實驗研究[10-12]。BOЛAPOBИЧ等[13]通過實驗室試驗的方式對3 種不同巖樣的受載電荷進行了監測記錄；NITSON[14]、徐為民等[15]也相繼展開了巖石受載電荷檢測的實驗室研究工作；趙揚鋒等[16-17]通過實驗室試驗，研究揭示了煤巖體受載破裂過程電荷產生的機理與特點；王恩元等[18]研制開發了電磁輻射監測設備，通過試驗研究得到電磁輻射監測結果與目前常用的S值等指標預測結果具有較好的一致性；竇林名等[19]研究了沖擊地壓與電磁輻射各項參數之間的關系，初步建立了判定指標體系；Шeвцoв[20]研究了長石巖樣在實驗室勻速加載過程中的電荷量；王麗華等[21]利用靜電感應原理監測記錄了巖體模型受載破壞過程中產生的電荷量；潘一山等[22]利用自主開發的電荷監測儀對3 種不同巖樣在不同加載條件下的電荷感應規律進行了探索研究。

電荷監測法作為煤巖體動力災害連續預測的1 項重要技術措施，精準掌握不同條件下煤巖破裂過程的電荷感應規律是該項技術的關鍵與核心問題。為此，對電荷精準采集關鍵部件前置放大器進行了設計優化，在研制開發的新型電荷監測儀基礎上，進行單軸壓縮條件下砂巖試樣受載破壞電荷監測試驗室試驗和現場監測試驗，對不同加載速率下砂巖受載破裂電荷信號的產生與應力突變以及裂紋擴展的關系和綜采工作面開采時煤巖體變形破壞電荷感應規律開展精細化觀察與分析，為電荷監測儀準確預測煤巖動力災害提供了技術支持與理論借鑒。

1 煤巖電荷監測儀

1.1 感應電荷采集原理

通常電荷信號累積到一定程度會形成放電現象，根據IEC61000-4-2 描述的電荷放電瞬間的模型，其放電時間tr通常為0.7～1 ns。如果要將這個放電過程記錄下來，根據奈奎斯特采樣定理，其信號采集系統的采集頻率至少為2.86 GHz。但由于這種高頻系統成本極其昂貴，又面臨著國外的技術壟斷和封鎖。基于此種情況，采用物理學中電荷和電壓的關系原理，對電荷進行積分和間接測量。

一般情況下煤巖破裂產生電荷量較微弱，而井下環境噪聲大、電磁場等干擾因素多，采集的信號需要進行濾波處理，以將影響降到最低，故而低噪聲前置放大器是煤巖電荷傳感器實現微弱電荷信號精準監測的最為關鍵部件，亟需設計一種低功耗、體積小、抗干擾、穩定性好的前置放大器。

設計的煤巖電荷放大器等效電路如圖1。煤巖電荷放大器輸入信號來源于敏感元件的輸出，敏感元件基于電荷感應原理，其信號輸出表現為源內阻大、信號微弱的特點。

圖1 電荷放大器等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of charge amplifier

煤巖電荷放大器應包含：①電荷-電壓變換電路：主要功能是將高輸入阻抗電荷信號轉化為低阻抗輸出的電壓信號，且降低轉化過程的干擾噪聲；②可調增益的精密輸出放大電路：對較弱的電壓信號進行輸出放大，匹配后端的模擬-數字信號轉換器并增加抗干擾能力。針對這2 方面作用，前置放大器中分別設計了與之對應的3 個功能模塊。

1.2 煤巖電荷監測儀設計優化

1）電荷轉換模塊。電荷轉換模塊是具有深度電容負反饋的高開環增益的運算放大器，基于負反饋放大器原理，可將敏感元件的高輸入阻抗微弱電荷信號量轉變為歸一化的低輸出阻抗電壓值。該模塊的1 個重要設計優化點是輸入信號路徑阻抗的排布和阻抗的控制，由于傳感器輸入端感應到的電荷信號能量極其微弱，將印制電路板附近任何物理實體看作是導體，包括空氣、絕緣漆等。

2）輸出放大模塊。輸出放大模塊具有信號反相放大功能，采用在模塊增益電路外增加并聯電阻的方式，對輸出放大模塊的信號放大倍數進行調整，拓寬了模塊的輸出電壓域值，也增大了模塊的輸入靈敏度，（輸入較小的電荷信號，可得到相應的更大電壓信號輸出）。另外輸出放大模塊增加低通濾波器，在放大信號之前將大部分無用的干擾信號去除。

3）電源模塊。電源電路為電荷轉換模塊和輸出放大模塊供電。

基于煤巖電荷監測儀設計優化3 個功能模塊，開發了新型煤巖電荷監測儀新型煤巖電荷監測儀。

2 電荷感應規律實驗室試驗

基于新型煤巖電荷監測儀，開展了試驗室單軸壓縮條件下砂巖試樣受載破壞電荷感應規律試驗研究。

2.1 試驗系統和試樣及試驗過程

試驗系統結構示意圖如圖2。

圖2 試驗系統結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental system structure

試驗系統由加載系統、屏蔽系統和新一代電荷監測儀組成，加載系統為電液伺服微機控制壓力試驗機。屏蔽系統采用金屬銅網，試驗過程中將其圍繞在加載機周圍，并且加載機與試樣之間用絕緣墊進行絕緣。

試驗所用巖塊取自遼寧阜新某礦頂板砂巖，利用巖石取心機將大塊砂巖制作成尺寸為 ?50 mm×100 mm 的標準圓柱形試樣。

利用巖石力學加載系統對制備巖樣進行單軸壓縮加載試驗，采用位移加載方式，設置加載速率分別為0.005、0.015、0.020 mm/s，電荷傳感器布置在巖樣兩側，距巖樣5～10 mm。試驗步驟進行為：①將制備巖樣放置于加載系統底座上，巖樣與加載系統之間通過絕緣墊進行絕緣，調整巖樣位于加載裝置中部，將電荷探頭布置于距離巖樣表面中部0.5 cm 處，在加載系統外部安裝屏蔽網；②將電荷探頭與采集裝置連接搭建試驗系統，并檢查系統中各儀器狀態；③開啟并設定數據高速采集系統采樣頻率為2 500 Hz；④開啟載荷位移記錄系統，對系統靈敏度、衰減系數和輸出模式等系統參數進行監測記錄；⑤開啟加載系統，進行監測、采集、觀察與記錄，直到試樣完全破壞時停止，關閉加載與監測系統。

2.2 試驗結果

不同加載速率下，巖樣受載破壞電荷信號-應力隨時間變化曲線以及對應的巖樣破壞實物如圖3。圖3 中，σc為巖樣的單軸抗壓強度；“空心圓圈”為巖樣受載破壞過程中發生的應力降，分別對其進行了編號，并標注了發生應力降時的應力百分比（應力降時應力與峰值應力的比值）；“空心矩形”表示超前首次應力突變（應力降）時出現的前兆電荷信號；“實心圓點”表示出現前兆電荷信號時的應力，并標注了此應力占首次應力降時應力的百分比，代表巖樣發生首次應力降時的應力。巖樣各張破壞實物圖分別對應于數據圖中發生應力降時巖樣裂紋擴展形態。

由圖3 中連續觀察的巖樣實時破裂圖片可以發現：巖樣發生首次應力降時，幾乎同時也是初始裂紋形成時，一般為微小裂紋，形成裂紋初始形態；之后隨著應力水平的逐漸增大，初始裂紋逐漸發育和擴展，發育和擴展一般分為連續擴展和間斷擴展2 種形式，直到巖樣發生第2 次應力降時，裂紋擴展才得以短暫停止，并形成新的裂紋形態，裂紋尺度有所增大；隨后在新的裂紋形態下，裂紋繼續發育和擴展，直到遇到下1 個應力降，又形成新的裂紋形態；以此反復，直到巖樣發生最終的失穩破壞，形成最終的破壞形態。并且每1 次形成的新裂紋都要比前1 次尺度更大，數量更多。

由圖3 可以看出：不同加載速率下巖樣受載破裂感應電荷、應力降以及裂紋擴展的形成具有較好的一致性；在應力突變時，形成新的裂紋形態，裂隙面間發生相互錯動和滑移，巖石內部巖粒相互之間發生較強摩擦作用，形成自由電荷；并且隨著應力降逐級增大，裂紋尺度越大，裂紋數量越多，電荷信號幅值有增強的趨勢；同時在2 次應力降之間，隨應力水平的增大，裂紋發生擴展時也有電荷信號產生，但這種情況出現的次數較少。分析其原因：通過觀察，發現巖樣的裂紋擴展一般是1 個比較緩慢的過程，裂隙面間發生微弱的相互錯動和滑移，巖石內部巖粒間摩擦作用較弱，不足以形成自由電荷，只有發生了較強的裂紋擴展時，才有信號幅值較大的電荷信號產生。

由圖3 可以看出：在首次應力降之前巖樣一般都有前兆電荷信號產生，有的前兆信號明顯，有的前兆信號較微弱。這些前兆電荷信號的產生是因為在發生首次應力降之前，巖樣內部結構會受到一定損傷，有的在巖樣外表顯現出微破裂而產生電荷信號，有的在巖樣內部巖粒之間發生相對錯動引起摩擦而產生電荷信號。

由圖3 總體可以看出：隨著加載速率的增大，巖樣的時間-應力曲線特征沒有呈現出特殊規律，巖樣最終的破壞形態也沒有受到較大影響，一般都發生了拉伸劈裂破壞；但巖樣破壞過程電荷信號規律隨加載速率的變化顯現出差異性，主要表現為加載速率越大，電荷信號越豐富，超前應力突變前兆電荷信號越發提前出現，分別為84.2% 、74.1% 、53.0% 。

3 電荷感應規律井下試驗

通過井下現場監測，分析煤體應力集中區與煤巖體破裂強烈區域的感應電荷變化的關鍵前兆點，判識煤巖體失穩破壞的危險電荷信號。電荷監測地點選擇在內蒙古鄂爾多斯紅慶河煤礦501綜采工作面輔運巷的開采幫部。8 501 工作面電荷監測點布置示意圖如圖4。

圖4 501 工作面電荷監測點布置示意圖Fig.4 Layout diagram of charge monitoring points in 501 working face

在超前工作面20 m 位置分別利用已有卸壓鉆孔，分別開始布置監測點，每個測點間距10 m，各布置10 個測點，標號分別為501 輔運1#～10#。每個測點的鉆孔孔深均為14 m，鉆孔直徑大于或等于42 mm，各測點每次監測時間為5～10 min?；诓杉碾姾蓴祿M行處理，從而實現對沖擊地壓危險性進行評價與預警。

3.1 超前工作面支承壓力影響區電荷感應特征

測點的連續電荷信號產生的尖峰現象反映了鄰近探頭的煤體發生了破裂，緩慢變化的階躍信號則反映了遠離探頭的煤體發生了破裂；測點的平均感應電荷量則反映了某段時間測孔內的煤體動力破壞整體水平。2022 年7 月13—21 日的感應電荷連續信號以及各測點平均感應電荷量如圖5～圖10。

圖5 7 月13 日各測點感應電荷監測曲線Fig.5 Monitoring curves of induced charges at each measuring point on July 13th

由圖5 可見，7 月13 日，超前工作面24 m 處的1#測點平均感應電荷量最大，達到14.62 pC，隨后平均感應電荷量隨測點逐漸遠離工作面而降低，說明超前工作面約20 m 以內區域受采動影響較大；超前工作面49 m 處的4#測點平均感應電荷量升高，但升高的幅度較小，隨后平均感應電荷量又隨著測點逐漸遠離工作面而降低；超前工作面69 m 處的6#測點平均感應電荷量達到最低值，即12.75 pC，7#與8#測點平均感應電荷量雖有升高，但增加幅度較小，總體相差不大，曲線呈收斂趨勢；說明超前工作面約70 m 以外區域受采動影響較小。

由圖6 可見，7 月15 日，連續的感應電荷信號曲線表明：1#與4#測點出現了1 次劇烈信號波動，說明2 個測孔煤壁周圍發生了少量的顯著破裂事件；超前工作面22.5 m 的1#測點平均感應電荷量最大，達到15.29 pC；2#與3#測點平均感應電荷量呈線性減小趨勢，但減小幅度較小，說明超前工作面約40 m 以內區域受采動影響較大；4#測點平均感應電荷量下降幅度相對較大，在6#測點雖有緩慢上升，但升高幅度較小，7#與8#測點平均感應電荷量快速下降，降低幅度最高；7#測點平均感應電荷量最小，達到13.55 pC，說明超前工作面75 m 以外區域受采動影響較小。

圖6 7 月15 日各測點感應電荷監測曲線Fig.6 Induced charge monitoring curves at each measuring point on July 15th

由圖7 可見，7 月17 日，1#～4#測點的平均感應電荷量，隨測點與工作面距離的增加而緩慢升高，4#測點平均感應電荷量最大，為16.1 pC，5#測點平均感應電荷量雖有下降，但與測點1 相差不大，說明超前工作面60 m 以內受采動影響較大；5#～8#測點的平均感應電荷量，隨測點與工作面距離的增加而快速降低，8#測點平均感應電荷量達到最低值，為13.19 pC，說明超前工作面85 m 以外區域受采動影響較小。

圖7 7 月17 日各測點感應電荷監測曲線Fig.7 Monitoring curves of induced charges at each measuring point on July 17th

由圖8 可見，7 月19 日，連續的感應電荷曲線表明：4#與8#測點出現了少量劇烈的信號波動，說明2 個測孔的煤壁周圍發生了少量的顯著破裂事件；而6#測孔出現了多次劇烈波動的電荷信號，說明該測孔發生了多次顯著破裂事件；1#相比于2#測點的平均感應電荷量略高，3#相比于2#測點的平均感應電荷量有所增加，但增加幅度不大，達到最大值，為16.11 pC，說明超前工作面38 m 以內受采動影響較大；隨后，4#測點平均感應電荷幅值快速下降，5#與6#測點平均感應電荷幅值呈線性增加，但增加幅度較小；7#測點平均感應電荷量快速下降，降至最低值，為13.37 pC，說明超前工作面70 m 以外受采動影響較小。

圖8 7 月19 日各測點感應電荷監測曲線Fig.8 Monitoring curves of induced charges at each measuring point on July 19th

由圖9 可見，7 月21 日，1#～3#測點的平均感應電荷量，隨測點與工作面距離的增加而緩慢升高，3#測點升高到最大值，即16.38 pC；4#與5#測點平均感應電荷量緩慢下降，但仍與1#測點相差不大，說明超前工作面56 m 范圍內受采動影響較高；在6#測點快速下降，下降至最低值15.14 pC，7#與8#測點平均感應電荷量開始升高，但其值仍相對較低，說明超前工作面60 m 以外區域受采動影響較低。

圖9 7 月21 日各測點感應電荷監測曲線Fig.9 Monitoring curves of induced charges at each measuring point on July 21st

通過以上分析的共同特征表明，各測點平均感應電荷量最大值均位于超前支承壓力影響區，平均感應電荷量在空間上的變化趨勢與超前支承壓力分布規律具有密切相關性。工作面超前支承壓力與感應電荷量關系如圖10。

圖10 工作面超前支承壓力與感應電荷量關系Fig.10 Relationship between advancing abutment pressure and induced charge

由圖10 可見，在支承壓力升高區，電荷量較大；在原始應力區，電荷量較小。因此，可以通過連續感應電荷信號的波動、平均電荷量的大小及其所在位置的變化趨勢反應工作面前方煤體的應力集中程度與動力破裂程度。

3.2 電荷感應強度與聲發射/電磁輻射強度對比

4#、8#、9#測點與在線電磁輻射測點、在線地音測點相重合或相近。因此，分析3 個測點的在線地音、在線電磁輻射與便攜式感應電荷的共性特征。不同測點在線地音變化曲線圖如圖11，不同測點在線電磁輻射變化曲線圖如圖12，不同測點感應電荷變化曲線圖如圖13。

圖11 不同測點在線地音變化曲線圖Fig.11 Curves chart of online ground sound changes at different measurement points

圖12 不同測點在線電磁輻射變化曲線圖Fig.12 Online electromagnetic radiation variation curves at different measurement points

圖13 不同測點感應電荷變化曲線圖Fig.13 Curves of induced charge change at different measurement points

靠近工作面的測點由于受到采動影響更加強烈，煤體的變形破壞程度更高，因此隨著測點遠離工作面，在線地音與在線電磁輻強度逐漸下降，但在停采線附近發生升高；同圖13 感應電荷曲線特征相似，但也有不同，停采線附近的感應電荷幅值波動較在線地音與電磁輻射更高，原因是在線地音、在線電磁輻射測點與電荷測點相距40 m左右，并不是完全重合。

通過以上分析認為：隨著工作面逐漸回采，采空區的上覆巖層將受到更加強烈的擾動，采空區上覆厚硬巖層變形移動將會加劇，將會導致高能微震事件的增加，形成的動載與超前支承壓力的疊加作用將會對其巷道圍巖造成較為嚴重的變形破壞，需要加強礦壓觀測與加大支護力度。

4 結 語

1）巖樣受載破壞過程中多次裂紋的形成、發育與擴展伴隨著電荷感應信號，每次應力降的出現均有新裂紋的形成與電荷信號的急劇變化，應力降與新裂紋的出現幾乎同時，前兆電荷信號的產生早于巖樣受載破裂出現的應力降。

2）在0.005、0.015、0.020 mm/s 3 種不同加載速率條件下，巖樣受載破裂的電荷感應規律呈現出較好的一致性，隨著應力降逐級增大，裂紋尺度越大，裂紋產生數量越多，電荷信號幅值表現出增強趨勢。

3）隨著加載速率增大，巖樣時間-應力曲線特征未呈現出特殊規律，最終破裂形態也未受到較大影響，巖樣破壞過程電荷信號規律隨加載速率變化顯現出差異性，主要表現為加載速率越大，電荷信號越豐富，超前應力突變前兆電荷信號越發提前出現，分別為84.2% 、74.1% 、53.0%。

4）從超前支承壓力角度來看，各測點平均感應電荷量最大值均位于超前支承壓力影響區內，且平均感應電荷量大小與工作面超前支承壓力分布趨勢一致，即支承壓力升高區，感應電荷量較大，在原始應力區，感應電荷量較小。感應電荷強度與超前支承壓力、采動破壞具有良好的相關性。

5）煤巖破壞電場是弱電場，只有根據弱電場的規律特征，采用弱電觀測儀器才有望發現動力災害前兆信息，而電荷監測法以其非接觸、連續性、抗干擾性強、成本低等特點克服了煤巖破壞電場難以識別和提取，及干擾強烈難以排除的障礙，是監測預警沖擊地壓的一種有效手段。