唐治，潘一山，李忠華，閻海鵬，李國臻，趙揚(yáng)鋒

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新 123000)

煤巖體電荷檢測(cè)在動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

唐治，潘一山，李忠華，閻海鵬，李國臻，趙揚(yáng)鋒

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧阜新 123000)

文章為煤巖動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)測(cè)提供新的方法，針對(duì)大安上煤礦用巖體電荷輻射測(cè)試儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得出: (1)大安山礦電荷感應(yīng)幅值在300Pc以下，煤巖體比較穩(wěn)定;(2)電荷感應(yīng)幅值呈現(xiàn)出與周期來壓一致的周期性變化; (3)電荷感應(yīng)幅值最大處一般均在工作面前方10～16m，這與采掘工作面前方煤巖層的集中應(yīng)力向煤體深部傳播一致;(4)在測(cè)期間一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，而測(cè)得的電荷感應(yīng)幅值也較小，說明和實(shí)際比較符合。還簡要介紹安裝工藝。得出巖體電荷檢測(cè)能對(duì)動(dòng)力現(xiàn)象作出預(yù)測(cè)。

煤巖體電荷檢測(cè);動(dòng)力災(zāi)害;巖爆;預(yù)測(cè)

0 引言

沖擊地壓是采礦誘發(fā)的礦井地震，是礦井的一大自然災(zāi)害。沖擊地壓發(fā)生時(shí)，圍巖迅速釋放能量，煤巖突然被破壞，造成暴風(fēng)、冒頂片幫、支架折斷、巷道堵塞、地面震動(dòng)、房屋損壞和人員傷亡。嚴(yán)重地影響了我國礦井的安全生產(chǎn)和煤礦經(jīng)濟(jì)效益。所以防治沖擊地壓的發(fā)生有著重要的意義［1－7］。

煤巖動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)是預(yù)防煤礦動(dòng)力災(zāi)害的重要措施之一，國內(nèi)外很多學(xué)者做了大量的工作，他們發(fā)現(xiàn)受載巖體破裂時(shí)能夠產(chǎn)生電磁輻射［8－11］、聲發(fā)射［12－14］、電荷輻射［15－20］。基于以上理論研究，采取了不同的方法來預(yù)測(cè)和防治煤巖動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生。聲發(fā)射法預(yù)測(cè)較準(zhǔn)確但受影響較大;目前應(yīng)用比較廣泛的是鉆屑法，但用該方法作業(yè)時(shí)間長、工程量大、影響生產(chǎn)，預(yù)測(cè)作業(yè)時(shí)間也較長。本文則通過新的預(yù)測(cè)方法即對(duì)巖體變形時(shí)所輻射的電荷信號(hào)的監(jiān)測(cè)來預(yù)測(cè)巖體變形破壞的程度從而達(dá)到煤巖動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)測(cè)效果，其優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間、空間上的連續(xù)預(yù)測(cè)，并且不占用工作面作業(yè)時(shí)間。

1 煤巖體電荷

1.1 煤巖體電荷的產(chǎn)生機(jī)理

某些晶體，如石英、電氣石、酒石酸鉀鈉、糖、方鋅礦和其它幾種晶體，在應(yīng)力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形的時(shí)候，晶體會(huì)由于發(fā)生形變而導(dǎo)致正負(fù)中心不重合，晶體總電矩不再為零，從而使晶體的一些相應(yīng)的表面出現(xiàn)電荷。結(jié)晶格子中質(zhì)點(diǎn)的空間規(guī)律分布產(chǎn)生的這種種特殊的效應(yīng)，叫做壓電效應(yīng)，壓電體產(chǎn)生的電量正比于應(yīng)力。

1.2 煤巖體電荷輻射測(cè)試儀

實(shí)驗(yàn)所用儀器為巖體電荷輻射測(cè)試儀［21］。該儀器主要由電荷放大器部分和數(shù)據(jù)處理部分構(gòu)成。

2 傳感器安裝工藝

2.1 安裝方式

安裝方式分孔底安裝方式和煤層表面安裝方式。

孔底安裝方式:檢測(cè)點(diǎn)一般要選擇在沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域，如構(gòu)造附近、巷道交叉點(diǎn)等危險(xiǎn)性較大的地點(diǎn)。再用Ansys或其它軟件模擬檢測(cè)點(diǎn)的巷道塑性圈，以便確定測(cè)點(diǎn)的打孔深度(巷道塑性圈厚度即為測(cè)點(diǎn)的打孔深度)，再在煤壁上打孔(孔的直徑比探頭直徑大1～2cm)，把儀器探頭安裝在孔里，探頭離孔底1～2cm。采用孔底安裝傳感器方式具有如下特點(diǎn):①接收信號(hào)有效距離半徑較大，敏感性高;②安裝費(fèi)時(shí)費(fèi)力;③傳感器不利于拆卸，成本較高(儀器可能被煤巖體壓壞)。

煤巖體表面安裝方式:檢測(cè)點(diǎn)一般要選擇在沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域，如構(gòu)造附近、巷道交叉點(diǎn)等危險(xiǎn)性較大的地點(diǎn)。再打孔(孔的直徑比探頭直徑大1～2cm，孔的深度能放穩(wěn)儀器探頭即可，一般15cm左右)，再把儀器探頭安裝在孔里，探頭離孔底1～2cm。采用煤層表面安裝傳感器方式具有如下特點(diǎn):①接收信號(hào)有效距離半徑較小，敏感低;②安裝簡便;③傳感器利于拆卸，成本較低。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

孔底安裝方式和煤巖體表面安裝方式的測(cè)點(diǎn)布置一樣。確定沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域后，在危險(xiǎn)區(qū)域每隔10m布置一個(gè)檢測(cè)斷面，每個(gè)檢測(cè)斷面布置2～3個(gè)測(cè)點(diǎn)，巷道兩側(cè)或巷道兩側(cè)和頂部。每天在固定測(cè)點(diǎn)檢測(cè)一次，每個(gè)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)時(shí)間為1分鐘，每個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域檢測(cè)測(cè)點(diǎn)一般為12～18個(gè)。

2.3 傳感器個(gè)數(shù)

雖然井下煤巖體的不連續(xù)性、不均勻性和斷層、裂隙等的影響，電荷的傳播速度存在一定的變化，但儀器是測(cè)電荷的相對(duì)變化量。而且傳感器的間距不大。所以，不需要多個(gè)儀器同時(shí)測(cè)不同點(diǎn)，只需用一個(gè)儀器測(cè)不同點(diǎn)即可。

3 實(shí)例檢測(cè)

為對(duì)上述理論和方法的可行性進(jìn)行檢驗(yàn)，在大安山礦+550m水平西二石門軸10下槽工作面上巷用煤巖體表面安裝方式進(jìn)行檢測(cè)，所得數(shù)據(jù)用matlab進(jìn)行處理。

檢測(cè)點(diǎn)布置在工作面上巷，每隔10m布置一個(gè)檢測(cè)斷面，每個(gè)檢測(cè)斷面布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)。巷道上幫為奇數(shù)測(cè)點(diǎn)，即1、3、5、7、9、11;巷道下幫為偶數(shù)測(cè)點(diǎn)，即2、4、6、8、10、12。每天在固定測(cè)點(diǎn)檢測(cè)一次，每個(gè)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)時(shí)間為1分鐘，得到60個(gè)數(shù)據(jù)。一天檢測(cè)12個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)的布置圖如圖1所示。隨著工作面的推進(jìn)，檢測(cè)點(diǎn)也隨著改變。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Layout diagram of the test points

所用的數(shù)據(jù)是2009年7月9日～2009年7月21日檢測(cè)數(shù)據(jù)，論文只列出部分檢測(cè)數(shù)據(jù)(圖2～6)。每個(gè)圖分上幫測(cè)點(diǎn)和下幫測(cè)點(diǎn)。圖2中橫坐標(biāo)上幫測(cè)點(diǎn)1和3之間對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)值代表測(cè)點(diǎn)3的電荷感應(yīng)值(一個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)一次的60個(gè)數(shù)值)，3和5之間對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)值代表測(cè)點(diǎn)5的電荷感應(yīng)值，其它圖同理。

圖2 7月10日測(cè)試點(diǎn)1～12電荷感應(yīng)測(cè)試圖Fig.2 Test charts of charge induction at Test Points 1 to 12 on July 10

從圖2看出:離工作面約10m的上幫測(cè)點(diǎn)1和下幫測(cè)點(diǎn)2感應(yīng)幅值較大，達(dá)570Pc，說明在離工作面10m的上下幫主應(yīng)力較大，隨離工作面長度的增加幅值降低。同一斷面上，上幫幅值比下幫幅值大。

圖3 7月16日測(cè)試點(diǎn)1～12的電荷感應(yīng)測(cè)試圖Fig.3 Test charts of charge induction at Test Points 1 to 12 on July 16

從圖3可看出:多數(shù)測(cè)試點(diǎn)感應(yīng)值變化穩(wěn)定，范圍在0～10pc，幅值均在190Pc左右。下幫測(cè)試點(diǎn)4感應(yīng)值變化范圍在0～150Pc，感應(yīng)幅值達(dá)350Pc，此時(shí)試點(diǎn)4離工作面14m左右。

圖4 7月19日測(cè)試點(diǎn)1～12的電荷感應(yīng)測(cè)試圖Fig.4 Test charts of charge induction at Test Points 1 to 12 on July 19

從圖4看出:多數(shù)測(cè)試點(diǎn)感應(yīng)值變化穩(wěn)定，范圍在0～10Pc，幅值均在190Pc左右。下幫測(cè)試點(diǎn)2感應(yīng)幅值變化較大。此時(shí)試點(diǎn)2離工作面4m左右。

圖5 7月22日測(cè)試點(diǎn)1～12的電荷感應(yīng)測(cè)試圖Fig.5 Test charts of charge induction at Test Points 1 to 12 on July 22

從圖5可看出:多數(shù)測(cè)試點(diǎn)感應(yīng)值變化范圍在0 ～10Pc，幅值均在190Pc左右。上幫測(cè)試點(diǎn)變化較穩(wěn)定，下幫測(cè)試點(diǎn)4感應(yīng)幅值較大，此時(shí)試點(diǎn)4離工作面12m左右。

圖6 測(cè)試點(diǎn)8電荷感應(yīng)測(cè)試圖Fig.6 Test chart of charge induction at Test Points 8

從圖6可看出:7月14日電荷感應(yīng)值較大，隨后減小，到7月20日電荷感應(yīng)值又較大。說明隨著工作面的推進(jìn)，測(cè)點(diǎn)的電荷感應(yīng)值呈一定的周期性變化。和周期來壓比較吻合。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析可得:

(1)各測(cè)試點(diǎn)測(cè)得的電荷感應(yīng)幅值大多較小，一般在300 Pc。在測(cè)期間現(xiàn)場(chǎng)沒有發(fā)生明顯動(dòng)力現(xiàn)象，說明感應(yīng)幅值在300 pPc以下，煤巖體比較穩(wěn)定。

(2)隨著工作面的推進(jìn)，各點(diǎn)測(cè)得的電荷感應(yīng)幅值呈一定的周期性變化，呈現(xiàn)出與周期來壓一致的周期性變化。

(3)雖然工作面不斷推進(jìn)，但測(cè)得的電荷感應(yīng)值最大處一般均在工作面前方10～16m，這與采掘工作面前方煤巖層的集中應(yīng)力處向煤體深部傳播，到一定深度應(yīng)力趨向于煤體的平均應(yīng)力是一致的。

(4)+550m水平西二石門軸10下槽工作面煤層頂板比較堅(jiān)硬，在測(cè)期間一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，而測(cè)得的電荷感應(yīng)幅值也較小，說明和實(shí)際比較符合。

4 結(jié)論與展望

沖擊地壓的預(yù)測(cè)主要包括時(shí)間、地點(diǎn)和規(guī)模大小。煤巖體電荷檢測(cè)法可用來預(yù)測(cè)煤巖體動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象，其主要參數(shù)是電荷感應(yīng)幅值。

掘進(jìn)或回采后，工作面附近煤巖體失去應(yīng)力平衡，煤壁中的煤巖體必然要發(fā)生變形或破裂，向新的應(yīng)力平衡狀態(tài)過渡，這過程中會(huì)產(chǎn)生電荷。在應(yīng)力集中區(qū)，煤巖體的變形破裂較強(qiáng)烈，電荷信號(hào)也較強(qiáng)。進(jìn)入原始應(yīng)力區(qū)，電荷信號(hào)將有所下降，且趨于平穩(wěn)。

電荷信號(hào)和煤巖體的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，應(yīng)力大時(shí)電信號(hào)就強(qiáng)，應(yīng)力越高，則沖擊危險(xiǎn)性越大。電荷感應(yīng)幅值反映了煤巖體前方應(yīng)力集中程度的大小，因此可用電荷檢測(cè)法對(duì)沖擊地壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

但對(duì)檢測(cè)值的劃分標(biāo)準(zhǔn)和能提前預(yù)報(bào)時(shí)間仍須大量的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證。

［1］潘一山.沖擊地壓發(fā)生和破壞過程研究［D］.北京:清華大學(xué)工程力學(xué)系，1999.

［2］潘一山，趙揚(yáng)鋒，馬瑾.中國礦震受區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)影響的探討［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(16):2847 －2852.

［3］潘一山，李忠華，章夢(mèng)濤.我國沖擊地壓分布、類型、機(jī)理及防治研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22 (11):1844－1851.

［4］李忠華，潘一山.采煤工作面沖擊地壓的解析分析［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，21(1):40－42.

［5］石強(qiáng)，潘一山，李英杰.我國沖擊礦壓典型案例及分析［J］.煤礦開采，2005，10(2):13－17.

［6］李忠華，潘一山.煤柱沖擊地壓的解析分析［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2001，12(2):62－65.

［7］潘一山，杜廣林，張永利，等.煤體振動(dòng)方法防治沖擊地壓的機(jī)理研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999，18 (4):432－436.

［8］郭自強(qiáng)，劉斌.巖石破裂電磁輻射的頻率特性［J］.地球物理學(xué)報(bào)，1995，38(2):221－226.

［9］孫正江，王麗華，高宏.巖石標(biāo)本破裂時(shí)的電磁輻射和光發(fā)射［J］.地球物理學(xué)報(bào)，1986，29(5):491－495.

［10］朱元清，羅祥麟，郭自強(qiáng)，等.巖石破裂時(shí)電磁輻射的機(jī)理研究［J］.地球物理學(xué)報(bào)，1991，34(5):594－601.

［11］Nitson U.Electromagnetic emission accompanying fracture of quartz－bearingrocks［J］.GeophysicsResearch letters，1977(4):333－336.

［12］彭新明，孫友宏，李安寧.巖石聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.世界地質(zhì)，2000(3):303－306.

［13］竇林名，何學(xué)秋.煤巖沖擊破壞模型及聲電前兆判據(jù)研究閉［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，33(5):504－508.

［14］王恩元，何學(xué)秋，劉貞堂，等.煤體破裂聲發(fā)射的頻譜特征研究明［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2004，29(3):289－292.

［15］吳小平，施行覺，郭自強(qiáng).花崗巖石壓縮帶電的實(shí)驗(yàn)研究［J］.地球物理學(xué)報(bào)，1990，33(2):208－211.

［16］趙揚(yáng)鋒，潘一山，蘇維嘉.單軸壓縮下花崗巖電荷變化的實(shí)驗(yàn)研究［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，28(2):221－224.

［17］趙揚(yáng)鋒，潘一山.單軸壓縮下花崗巖電磁信號(hào)的實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2009，20(3): 132－137.

［18］郭自強(qiáng)，郭子棋，錢書清，等.巖石破裂中的電聲效應(yīng)［J］.地球物理學(xué)報(bào)，1999，42(1):74－83.

［19］郝錦綺，劉力強(qiáng).雙軸壓力下巖樣自電位變化實(shí)驗(yàn)的新結(jié)果［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2004，47(3):475－482.

［20］V.S.Kuksenko，Kh.F.Makhmudov，A.V. Ponomarev.Relaxationofelectricfieldsinducedby mechanical Loading in natural dielectrics［J］.Phys.Solid State，1997，39(7):1065－1066.

［21］付琳，潘一山，李國臻.巖體電荷檢測(cè)儀的研制［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，27(S): 110－112.

Abstract:Charge detecions were conducted on the rock mass in Daanshang Coal Mine to prvide a new idea to predict the dynamic disasters in coal-rock.The results showed that:(1)the coal-rock would be stable if the amplitude of charge induction in the mine was below 300pc;(2)the amplitude of charge induction consistently changed with the periodic roof pressure;(3)the maximum of charge induction amplitude generally appeared at 10m～16m behind the working face，consistent with the concentrated stress in coal-rock behind the working face spreading bey ond;(4)the rock mass was in stability all along the measuring thim and the measured amplitudes of charge induction were also small，which was in accordance with the practical situation.Besides，the installation process of the devices was briefly introdued in the paper，It was concluded that charge detection of rock mass was useful to predict the dynamic phenomena.

Key words:charge detection of coal and dynamic disaster;rock;rock burst;prediction

Application of charge detection of coal-tock in the dynamic disaster prediction

TANG Zhi，PAN Yi-shan，LI Zhong-hua，YAN Hai-peng，LI Guo-zhen，ZHAO Yang-feng
(School of Mechanics and Engineering，Liaoning Technical Univerity，F(xiàn)uxin123000，China)

1003-8035(2010)03-0109-04

P642.2

A

2010-02-25;

2010-04-05

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃) (2010CB226803)。

唐治(1983—)，男，碩士，主要從事礦山災(zāi)害力學(xué)的研究工作。

E-mail:tangzhi0127@163.com