不同组合比例煤岩的电荷感应与微震规律试验研究*

赵扬锋，李 兵，张 超，程传杰

(辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000)

0 引言

随着煤炭资源开采深度的加深，煤层所处的环境更加复杂，由煤岩体整体失稳破坏诱发的动力灾害事件也不断增多[1]。煤体与岩体多以互层的形式存在，在开采过程中引起煤体本身破坏的同时，也会引起煤岩结构的损坏，从而产生整体失稳破坏。因此，研究单一煤岩体破坏的规律存在局限性，对组合煤岩体破坏规律的研究将更显重要，对不同组合比例煤岩体破坏规律研究将必不可少[2]。煤岩类材料在屈服破裂过程中试样的应力突变与微震、电荷信号的波动变化有较好的协同性。因此，煤岩变形破裂中微震和电荷感应的变化规律可为煤岩体动力灾害的预测建立实验理论基础[3-7]。

关于煤岩组合，赵毅鑫等[8]研究煤岩组合屈服破坏先兆信息，得到煤岩组合试件比煤样失稳破坏更复杂，失稳预兆点更难以预测；聂鑫等[9]采用数值分析方法研究了煤岩高度比对组合体力学特性的影响，得到煤岩组合的强度介于煤体与岩体之间，其破坏形态主要受到煤体部分的影响，破坏过程更复杂。关于电荷感应，肖晓春等[10]通过研究组合煤岩试件冲击倾向电荷判据，得出组合试件破裂过程的应力与电荷值变化具有较好一致性，煤岩组合的冲击性越强，破坏过程中电荷信号幅值相差越显著；王岗等[11]采用试验方法对不同煤岩高度比试件研究，结果表明，试件的煤岩高度比增加，煤岩组合体的冲击性变强，电荷累计量和电荷脉冲数减小。关于微震技术研究，焦波波等[12]通过试验研究煤试样的微震信号特性，得出在试件破裂过程中有微震信号产生，试件失稳破裂时微震信号幅值最大；刘玉春等[13]通过研究含水煤岩单轴压缩微震信号，得出加载速度增大，煤岩的峰值强度增加，微震事件数和幅值都增大；陆菜平等[14]对组合煤岩破裂过程微震信号监测，得出了微震频谱的演变规律；赵扬锋等[15]通过试验研究了含断层带花岗岩多参量特征规律，发现含断层花岗岩在弹性变形阶段有明显的声发射、微震和电荷感应同步前兆信号，在试样失稳破坏阶段有同步的声发射、微震和电荷感应大幅值前兆信号。

综上所述，前人对于组合煤岩和微震、电荷感应技术进行了大量试验研究，大都是对煤岩体在不同加载方式下、不同组合构造下，从试样破坏应力变化的角度研究组合煤岩变形破裂过程中电荷变化或微震信号变化，都是单一监测手段，也没有对不同比例组合煤岩体破裂过程中电荷感应和微震的变化规律进行综合研究。因此，本文用全波形同步综合监测系统，观测组合煤岩屈服破坏过程的微震和电荷信号变化规律，试以新方法对岩体失稳动力灾害进行初步预测。

1 试验系统

1.1 煤岩试件

试验试件煤岩取自平顶山煤矿的原煤原岩，切割、加工(将切割打磨好的煤、岩部分用云石胶粘结)成φ50 mm×100 mm的标准试件，将两端磨平，处于自然干燥状态，将煤岩按不同比例组合(试件煤体高度与岩体高度之比不同)分为3组，煤岩比例分别为2∶3，1∶1和3∶2，试验试件如图1所示。

图1 试验试件Fig.1 Test specimen

1.2 试验系统组成

试验系统由加载系统、电磁屏蔽系统、微震和电荷感应信号数据采集系统3个部分组成，如图2所示。

图2 试验系统装置Fig.2 Experimental system device

1)加载系统。试验用MTS岩石力学测试系统，其最大轴向荷载为6 000 kN，通过力-位移数据采集系统建立试验机与计算机的连接，自动采集力和位移数据并绘制曲线。加载方式为位移加载，速率为0.05 mm/s。

2)屏蔽系统。采用多功能圆柱形屏蔽钢筒，并用2层屏蔽钢网包裹，降低外界信号干扰，提高信号采集的准确性，通过同轴屏蔽电缆将电荷信号传输到计算机采集系统中，并对电缆的屏蔽层进行直接接地处理。

3)数据采集系统。采用自行研制的微震和电荷感应多通道数据采集器，每通道的采样频率最高为100 kHz，实验时采样频率设为每通道12.5 kHz。实验时该试验系统可同步采集位移、载荷、微震和电荷感应信号，其中，微震信号有3个通道，电荷感应有2个通道。

2 试验结果与分析

图3～5分别为在单轴压缩下不同组合比例煤岩的应力-时间、微震、电荷感应-时间曲线图，其中，微震信号监测图从上到下分别是1号，2号，3号通道，微震传感器1号垂直放置，2号和3号水平放置，电荷信号监测图从上到下分别是5号，6号通道，电荷传感器在试样中部对称放置且距试样表面5 mm。

2.1 不同组合比例煤岩屈服破坏过程中微震、电荷信号变化规律

图3为“煤-岩”比为2∶3的试件微震和电荷信号监测结果。由图3可知，“煤-岩”高度比为2∶3的试件的单轴抗压强度最高，其值为13.2 MPa。试件破坏表现出重复性，屈服阶段明显，失稳破坏历时最长约80 s；在加载初期试样处于线弹性变形阶段，微震和电荷信号弱，当加载应力接近强度时，微震、电荷信号开始出现较大幅度波动变化；在试样应力达到极限强度的89%(203.4 s)时微震传感器和电荷传感器首次同步接收到较大的微震信号和电荷信号。

图3 “煤-岩”比为2∶3的试件微震和电荷信号监测结果Fig.3 Microseismic and charge induced signals of samples with “coal rock ratio” of 2∶3

图4为“煤-岩”比为1∶1的试件微震和电荷信号监测结果。由图4可知，“煤-岩”高度比为1∶1的试件的单轴抗压强度较低，其值是12.04 MPa；其破坏失稳过程，屈服阶段较明显，失稳破坏历时较长，其历时约40 s；在加载初始阶段，微震信号稳定，电荷在80.5 s时有突变信号幅值达到30 pC。在极限应力86%(时间为113.5 s)时首次收到较大幅值的同步信号，在屈服阶段微震和电荷信号数增多，幅值增大，在破坏时同步信号次数增多幅值达到最大，在岩石破坏后微震信号逐渐衰减。

图4 “煤-岩”比为1∶1的试件微震和电荷信号监测结果Fig.4 Microseismic and charge induced signals of samples with “coal rock ratio” of 1∶1

图5 “煤-岩”比为3∶2的试件微震和电荷信号监测结果Fig.5 Microseismic and charge induced signals of samples with “coal rock ratio” of 3∶2

图5为“煤-岩”比为3∶2的试件微震和电荷信号监测结果。由图5可知，“煤-岩”高度比为3∶2试样的单轴抗压强度值低，其值为11.25 MPa；其屈服阶段相较不明显，失稳破坏历时短，其历时约30 s；在加载初始阶段，微震信号稳定，而在152.6 s有明显的电荷感应信号，其幅值为33.7 pC；在极限应力的90%(时间为193.2 s时)收到明显的微震、电荷同步信号，在失稳破坏中电荷信号明显多于微震信号，且初次较大的电荷信号也早于初次明显的微震信号。

2.2 微震和电荷感应信号频谱图分析

图6 微震和电荷信号频谱图Fig.6 Spectrum of microseism and charge induction signals

图6为微震和电荷信号频谱图。图6(a)和(b)中，从上到下分别为微震1号通道与电荷5号通道信号频谱图。由图6可知，组合煤岩在变形破坏过程中微震和电荷信号频谱幅值都较小，试件的电荷信号主要集中在0～80 Hz，电荷信号的频谱幅值随着信号频率的增大而减小，而微震有主频，分布在5，40和80 Hz。

2.3 微震和电荷感应信号均方值与方差分析

图7为微震和电荷感应信号均方值与方差分析图。图7(a)和(c)中，从上到下分别为微震1号通道与电荷5号通道能量分析图，图7(b)和(d)中，从上到下分别为微震1号通道与电荷5号通道方差分析图。由图7(a)，(c)与图3(a)，图5(a)对比可得，微震信号和电荷感应信号在试样破裂弹性阶段能量变化微弱，在试样屈服破坏阶段有明显的离散强度信号。这是由于试件在屈服破坏阶段有应力突变，产生较多的裂缝释放出能量，微震信号和电荷信号方差分析与能量分析有相似的规律，均在应力突变时有较大的信号值产生，这也表明微震信号与电荷信号与应力突变有较好的一致性。由图7(a)，(b)对比可得，“煤-岩”高度比增大时，能量信号值增多，且幅值增大，微震信号与电荷信号方差分析也有相似规律。

2.4 综合分析不同比例组合试样试验结果

组合煤岩体在单轴压缩下有微震和电荷信号产生，都是低频信号，微震信号有明显的优势频率，由能量与方差分析得出，“煤-岩”高度比增大时，能量信号值增多，且幅值增大，信号幅值变化多在应力突变处，微震与电荷信号与应力突变有较好的协同性。通过时域分析微震和电荷信号监测得出，随着试件中“煤-岩”高度比的增加，试件的单轴抗压强度逐步减少，这是因为随着组合体中煤体部分高度的增加，煤岩接触面效应产生的约束力对煤体中远离接触面的部分约束效果减小，致使煤体发生横向应变，导致峰值强度降低。随着试件中“煤-岩”高度比的增大，试件破环时产生的微震信号增强，微震总事件数减少，试件屈服破坏阶段的时间缩短，这是由于随着试件中“煤-岩”高度比的增加，煤的特性成为主要因素，试样中煤体的比例越大，试样破坏越容易，能量释放越快，突发性越强。随着试件中“煤-岩”高度比的增加，试件在加载全过程中，电荷信号数增加，幅值增大，这是由于煤岩组合体在单轴压缩过程中，其破坏集中分布在煤体，从分离电荷产生的机理分析，煤占组合体的比例越大，加载破裂过程中，裂纹的扩展和尖端裂隙的错位、滑移较多，产生大量的分离电荷在裂隙尖端聚集，导致电荷信号数增多，幅值增大。

图7 微震和电荷感应信号均方值与方差分析Fig.7 Analysis of mean square and variance for microseism and charge induction signals

3 结论

1)组合煤岩在单轴压缩下产生微震和电荷信号，微震和电荷信号是低频信号，信号频谱集中分布在0～80 Hz，电荷感应信号频谱幅值随着信号频率的增大而减小，微震信号主频分别为5，40和80 Hz，此时能量释放值较大，在试样屈服破坏阶段可以通过电荷信号与微震信号的变化来判断试件的内部损伤过程。

2)随着组合煤岩中“煤-岩”高度比的增大，试件的抗压强度逐步减小，试件破坏时微震信号幅值增加，总微震信号事件数减少，而电荷信号事件数增多，信号幅值增大，试样破坏越容易，突发性越强。

3)微震信号与电荷信号有较好的协同性，随着试件中“煤-岩”高度比的增加，试件破坏过程中电荷比微震信号数更多，初次明显的电荷信号也早于初次明显的微震信号，试件在破坏阶段微震信号与电荷信号更密集且幅值增大，而2种信号的同步性增强。