不同組合比例煤巖的電荷感應與微震規(guī)律試驗研究*

趙揚鋒，李 兵，張 超，程傳杰

(遼寧工程技術(shù)大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000)

0 引言

隨著煤炭資源開采深度的加深，煤層所處的環(huán)境更加復雜，由煤巖體整體失穩(wěn)破壞誘發(fā)的動力災害事件也不斷增多[1]。煤體與巖體多以互層的形式存在，在開采過程中引起煤體本身破壞的同時，也會引起煤巖結(jié)構(gòu)的損壞，從而產(chǎn)生整體失穩(wěn)破壞。因此，研究單一煤巖體破壞的規(guī)律存在局限性，對組合煤巖體破壞規(guī)律的研究將更顯重要，對不同組合比例煤巖體破壞規(guī)律研究將必不可少[2]。煤巖類材料在屈服破裂過程中試樣的應力突變與微震、電荷信號的波動變化有較好的協(xié)同性。因此，煤巖變形破裂中微震和電荷感應的變化規(guī)律可為煤巖體動力災害的預測建立實驗理論基礎(chǔ)[3-7]。

關(guān)于煤巖組合，趙毅鑫等[8]研究煤巖組合屈服破壞先兆信息，得到煤巖組合試件比煤樣失穩(wěn)破壞更復雜，失穩(wěn)預兆點更難以預測；聶鑫等[9]采用數(shù)值分析方法研究了煤巖高度比對組合體力學特性的影響，得到煤巖組合的強度介于煤體與巖體之間，其破壞形態(tài)主要受到煤體部分的影響，破壞過程更復雜。關(guān)于電荷感應，肖曉春等[10]通過研究組合煤巖試件沖擊傾向電荷判據(jù)，得出組合試件破裂過程的應力與電荷值變化具有較好一致性，煤巖組合的沖擊性越強，破壞過程中電荷信號幅值相差越顯著；王崗等[11]采用試驗方法對不同煤巖高度比試件研究，結(jié)果表明，試件的煤巖高度比增加，煤巖組合體的沖擊性變強，電荷累計量和電荷脈沖數(shù)減小。關(guān)于微震技術(shù)研究，焦波波等[12]通過試驗研究煤試樣的微震信號特性，得出在試件破裂過程中有微震信號產(chǎn)生，試件失穩(wěn)破裂時微震信號幅值最大；劉玉春等[13]通過研究含水煤巖單軸壓縮微震信號，得出加載速度增大，煤巖的峰值強度增加，微震事件數(shù)和幅值都增大；陸菜平等[14]對組合煤巖破裂過程微震信號監(jiān)測，得出了微震頻譜的演變規(guī)律；趙揚鋒等[15]通過試驗研究了含斷層帶花崗巖多參量特征規(guī)律，發(fā)現(xiàn)含斷層花崗巖在彈性變形階段有明顯的聲發(fā)射、微震和電荷感應同步前兆信號，在試樣失穩(wěn)破壞階段有同步的聲發(fā)射、微震和電荷感應大幅值前兆信號。

綜上所述，前人對于組合煤巖和微震、電荷感應技術(shù)進行了大量試驗研究，大都是對煤巖體在不同加載方式下、不同組合構(gòu)造下，從試樣破壞應力變化的角度研究組合煤巖變形破裂過程中電荷變化或微震信號變化，都是單一監(jiān)測手段，也沒有對不同比例組合煤巖體破裂過程中電荷感應和微震的變化規(guī)律進行綜合研究。因此，本文用全波形同步綜合監(jiān)測系統(tǒng)，觀測組合煤巖屈服破壞過程的微震和電荷信號變化規(guī)律，試以新方法對巖體失穩(wěn)動力災害進行初步預測。

1 試驗系統(tǒng)

1.1 煤巖試件

試驗試件煤巖取自平頂山煤礦的原煤原巖，切割、加工(將切割打磨好的煤、巖部分用云石膠粘結(jié))成φ50 mm×100 mm的標準試件，將兩端磨平，處于自然干燥狀態(tài)，將煤巖按不同比例組合(試件煤體高度與巖體高度之比不同)分為3組，煤巖比例分別為2∶3，1∶1和3∶2，試驗試件如圖1所示。

圖1 試驗試件Fig.1 Test specimen

1.2 試驗系統(tǒng)組成

試驗系統(tǒng)由加載系統(tǒng)、電磁屏蔽系統(tǒng)、微震和電荷感應信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3個部分組成，如圖2所示。

圖2 試驗系統(tǒng)裝置Fig.2 Experimental system device

1)加載系統(tǒng)。試驗用MTS巖石力學測試系統(tǒng)，其最大軸向荷載為6 000 kN，通過力-位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)建立試驗機與計算機的連接，自動采集力和位移數(shù)據(jù)并繪制曲線。加載方式為位移加載，速率為0.05 mm/s。

2)屏蔽系統(tǒng)。采用多功能圓柱形屏蔽鋼筒，并用2層屏蔽鋼網(wǎng)包裹，降低外界信號干擾，提高信號采集的準確性，通過同軸屏蔽電纜將電荷信號傳輸?shù)接嬎銠C采集系統(tǒng)中，并對電纜的屏蔽層進行直接接地處理。

3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采用自行研制的微震和電荷感應多通道數(shù)據(jù)采集器，每通道的采樣頻率最高為100 kHz，實驗時采樣頻率設(shè)為每通道12.5 kHz。實驗時該試驗系統(tǒng)可同步采集位移、載荷、微震和電荷感應信號，其中，微震信號有3個通道，電荷感應有2個通道。

2 試驗結(jié)果與分析

圖3～5分別為在單軸壓縮下不同組合比例煤巖的應力-時間、微震、電荷感應-時間曲線圖，其中，微震信號監(jiān)測圖從上到下分別是1號，2號，3號通道，微震傳感器1號垂直放置，2號和3號水平放置，電荷信號監(jiān)測圖從上到下分別是5號，6號通道，電荷傳感器在試樣中部對稱放置且距試樣表面5 mm。

2.1 不同組合比例煤巖屈服破壞過程中微震、電荷信號變化規(guī)律

圖3為“煤-巖”比為2∶3的試件微震和電荷信號監(jiān)測結(jié)果。由圖3可知，“煤-巖”高度比為2∶3的試件的單軸抗壓強度最高，其值為13.2 MPa。試件破壞表現(xiàn)出重復性，屈服階段明顯，失穩(wěn)破壞歷時最長約80 s；在加載初期試樣處于線彈性變形階段，微震和電荷信號弱，當加載應力接近強度時，微震、電荷信號開始出現(xiàn)較大幅度波動變化；在試樣應力達到極限強度的89%(203.4 s)時微震傳感器和電荷傳感器首次同步接收到較大的微震信號和電荷信號。

圖3 “煤-巖”比為2∶3的試件微震和電荷信號監(jiān)測結(jié)果Fig.3 Microseismic and charge induced signals of samples with “coal rock ratio” of 2∶3

圖4為“煤-巖”比為1∶1的試件微震和電荷信號監(jiān)測結(jié)果。由圖4可知，“煤-巖”高度比為1∶1的試件的單軸抗壓強度較低，其值是12.04 MPa；其破壞失穩(wěn)過程，屈服階段較明顯，失穩(wěn)破壞歷時較長，其歷時約40 s；在加載初始階段，微震信號穩(wěn)定，電荷在80.5 s時有突變信號幅值達到30 pC。在極限應力86%(時間為113.5 s)時首次收到較大幅值的同步信號，在屈服階段微震和電荷信號數(shù)增多，幅值增大，在破壞時同步信號次數(shù)增多幅值達到最大，在巖石破壞后微震信號逐漸衰減。

圖4 “煤-巖”比為1∶1的試件微震和電荷信號監(jiān)測結(jié)果Fig.4 Microseismic and charge induced signals of samples with “coal rock ratio” of 1∶1

圖5 “煤-巖”比為3∶2的試件微震和電荷信號監(jiān)測結(jié)果Fig.5 Microseismic and charge induced signals of samples with “coal rock ratio” of 3∶2

圖5為“煤-巖”比為3∶2的試件微震和電荷信號監(jiān)測結(jié)果。由圖5可知，“煤-巖”高度比為3∶2試樣的單軸抗壓強度值低，其值為11.25 MPa；其屈服階段相較不明顯，失穩(wěn)破壞歷時短，其歷時約30 s；在加載初始階段，微震信號穩(wěn)定，而在152.6 s有明顯的電荷感應信號，其幅值為33.7 pC；在極限應力的90%(時間為193.2 s時)收到明顯的微震、電荷同步信號，在失穩(wěn)破壞中電荷信號明顯多于微震信號，且初次較大的電荷信號也早于初次明顯的微震信號。

2.2 微震和電荷感應信號頻譜圖分析

圖6 微震和電荷信號頻譜圖Fig.6 Spectrum of microseism and charge induction signals

圖6為微震和電荷信號頻譜圖。圖6(a)和(b)中，從上到下分別為微震1號通道與電荷5號通道信號頻譜圖。由圖6可知，組合煤巖在變形破壞過程中微震和電荷信號頻譜幅值都較小，試件的電荷信號主要集中在0～80 Hz，電荷信號的頻譜幅值隨著信號頻率的增大而減小，而微震有主頻，分布在5，40和80 Hz。

2.3 微震和電荷感應信號均方值與方差分析

圖7為微震和電荷感應信號均方值與方差分析圖。圖7(a)和(c)中，從上到下分別為微震1號通道與電荷5號通道能量分析圖，圖7(b)和(d)中，從上到下分別為微震1號通道與電荷5號通道方差分析圖。由圖7(a)，(c)與圖3(a)，圖5(a)對比可得，微震信號和電荷感應信號在試樣破裂彈性階段能量變化微弱，在試樣屈服破壞階段有明顯的離散強度信號。這是由于試件在屈服破壞階段有應力突變，產(chǎn)生較多的裂縫釋放出能量，微震信號和電荷信號方差分析與能量分析有相似的規(guī)律，均在應力突變時有較大的信號值產(chǎn)生，這也表明微震信號與電荷信號與應力突變有較好的一致性。由圖7(a)，(b)對比可得，“煤-巖”高度比增大時，能量信號值增多，且幅值增大，微震信號與電荷信號方差分析也有相似規(guī)律。

2.4 綜合分析不同比例組合試樣試驗結(jié)果

組合煤巖體在單軸壓縮下有微震和電荷信號產(chǎn)生，都是低頻信號，微震信號有明顯的優(yōu)勢頻率，由能量與方差分析得出，“煤-巖”高度比增大時，能量信號值增多，且幅值增大，信號幅值變化多在應力突變處，微震與電荷信號與應力突變有較好的協(xié)同性。通過時域分析微震和電荷信號監(jiān)測得出，隨著試件中“煤-巖”高度比的增加，試件的單軸抗壓強度逐步減少，這是因為隨著組合體中煤體部分高度的增加，煤巖接觸面效應產(chǎn)生的約束力對煤體中遠離接觸面的部分約束效果減小，致使煤體發(fā)生橫向應變，導致峰值強度降低。隨著試件中“煤-巖”高度比的增大，試件破環(huán)時產(chǎn)生的微震信號增強，微震總事件數(shù)減少，試件屈服破壞階段的時間縮短，這是由于隨著試件中“煤-巖”高度比的增加，煤的特性成為主要因素，試樣中煤體的比例越大，試樣破壞越容易，能量釋放越快，突發(fā)性越強。隨著試件中“煤-巖”高度比的增加，試件在加載全過程中，電荷信號數(shù)增加，幅值增大，這是由于煤巖組合體在單軸壓縮過程中，其破壞集中分布在煤體，從分離電荷產(chǎn)生的機理分析，煤占組合體的比例越大，加載破裂過程中，裂紋的擴展和尖端裂隙的錯位、滑移較多，產(chǎn)生大量的分離電荷在裂隙尖端聚集，導致電荷信號數(shù)增多，幅值增大。

圖7 微震和電荷感應信號均方值與方差分析Fig.7 Analysis of mean square and variance for microseism and charge induction signals

3 結(jié)論

1)組合煤巖在單軸壓縮下產(chǎn)生微震和電荷信號，微震和電荷信號是低頻信號，信號頻譜集中分布在0～80 Hz，電荷感應信號頻譜幅值隨著信號頻率的增大而減小，微震信號主頻分別為5，40和80 Hz，此時能量釋放值較大，在試樣屈服破壞階段可以通過電荷信號與微震信號的變化來判斷試件的內(nèi)部損傷過程。

2)隨著組合煤巖中“煤-巖”高度比的增大，試件的抗壓強度逐步減小，試件破壞時微震信號幅值增加，總微震信號事件數(shù)減少，而電荷信號事件數(shù)增多，信號幅值增大，試樣破壞越容易，突發(fā)性越強。

3)微震信號與電荷信號有較好的協(xié)同性，隨著試件中“煤-巖”高度比的增加，試件破壞過程中電荷比微震信號數(shù)更多，初次明顯的電荷信號也早于初次明顯的微震信號，試件在破壞階段微震信號與電荷信號更密集且幅值增大，而2種信號的同步性增強。