王仲?gòu)?qiáng)， 李忠輝，3， 張昕， 臧澤升， 張全聰, 王學(xué)兵

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州 221116； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116； 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯治理國(guó)家工程研究中心， 江蘇 徐州 221116； 4.國(guó)能烏海能源五虎山礦業(yè)有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 烏海 016040)

0 引言

煤巖動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象是煤巖體在應(yīng)力作用下變形破裂逐漸演化而發(fā)生的突發(fā)性失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，具有動(dòng)力效應(yīng)和破壞性災(zāi)害后果[1-3]。在煤巖破壞過(guò)程中，能量會(huì)以彈性能、聲能、熱能和電磁能的形式釋放[4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出多種用于監(jiān)測(cè)煤巖體失穩(wěn)破壞的地球物理方法，其中電磁輻射技術(shù)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、連續(xù)的監(jiān)測(cè)預(yù)警。煤巖電磁輻射機(jī)理表明在煤巖破壞過(guò)程中能夠產(chǎn)生自由電荷，而自由電荷的積累在煤巖表面上能夠產(chǎn)生電位信號(hào)[5]。眾多學(xué)者對(duì)煤巖破裂產(chǎn)生的帶電現(xiàn)象進(jìn)行了大量研究。王恩元等[6]通過(guò)建立煤體表面電位實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究不同破壞方式下煤體表面電位信號(hào)響應(yīng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)煤體表面電位可反映煤體受載破壞狀態(tài)。劉永杰等[7]測(cè)試煤體吸附瓦斯過(guò)程表面電位的響應(yīng)特征，得出對(duì)于同一個(gè)煤樣，不同瓦斯壓力下吸附過(guò)程中煤體產(chǎn)生的表面電位信號(hào)對(duì)前一次吸附瓦斯壓力下煤體產(chǎn)生的電位信號(hào)具有記憶效應(yīng)。陳廣陽(yáng)等[8]利用電荷感應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)得出不同類型煤體在壓縮破壞時(shí)的電荷感應(yīng)信號(hào)變化規(guī)律。鄭文紅等[9]通過(guò)對(duì)原煤試件在三軸情況下進(jìn)行電荷感應(yīng)實(shí)驗(yàn)，研究煤體破裂程度與其釋放電荷之間的聯(lián)系。趙揚(yáng)鋒等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析得出不同類型巖石加載破壞的微震和電荷感應(yīng)信號(hào)特征。潘一山等[11]通過(guò)建立煤巖拉伸失穩(wěn)破壞全程電荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)研究不同類型煤巖試樣拉伸破壞過(guò)程自由電荷運(yùn)移規(guī)律。

前人研究表明表面電位信號(hào)可用來(lái)表征煤巖體損傷破壞程度。在此基礎(chǔ)上，眾多學(xué)者進(jìn)一步研究了煤巖表面電位產(chǎn)生機(jī)理。He Xueqiu等[12]通過(guò)對(duì)不同變質(zhì)程度煤巖的加載實(shí)驗(yàn)，從微觀層面進(jìn)一步揭示電磁輻射機(jī)理。Qiu Liming等[13]應(yīng)用多重分形理論分析煤巖感應(yīng)出的電磁波及其頻譜的非線性特性，探討裂紋擴(kuò)展誘發(fā)電磁信號(hào)的機(jī)理。宋曉艷等[14]通過(guò)預(yù)制裂紋巖石加載實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)裂紋壁面電荷的正負(fù)交替及裂紋擴(kuò)展中兩側(cè)壁張翕運(yùn)動(dòng)引起的電場(chǎng)變化是煤巖產(chǎn)生電磁輻射的原因。楊玉龍等[15]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)煤巖摩擦引起表面電位發(fā)生變化可由摩擦起電、熱電子發(fā)射和場(chǎng)致電子發(fā)射等機(jī)制解釋。目前大多研究主要針對(duì)同一類型煤巖失穩(wěn)破壞的電位特征及規(guī)律，對(duì)不同類型煤巖失穩(wěn)破壞的電位特征對(duì)比分析缺乏系統(tǒng)研究，同時(shí)在微觀層次上不同巖性煤巖結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程及組分對(duì)表面電位信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)制影響對(duì)比研究較少，需要進(jìn)一步深入研究。因此，本文對(duì)石墨、原煤、砂巖、花崗巖4種不同巖性煤巖試樣進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，探討不同巖性煤巖電位信號(hào)響應(yīng)特性規(guī)律，基于掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)和X射線熒光(X-ray Fluorescence，XRF)光譜儀測(cè)試，從微觀層次上研究不同巖性煤巖結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程及組分對(duì)表面電位信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)制影響。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及步驟

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

煤巖加載破裂過(guò)程表面電位測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由載荷控制系統(tǒng)、電位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電極及電磁屏蔽系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 煤巖加載破裂過(guò)程表面電位測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system for surface potential test during coal and rock loading failure

載荷控制系統(tǒng)采用YAW4306型微機(jī)控制電液伺服加載機(jī)。電位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用COBWEB-DAU型電位數(shù)據(jù)采集儀，包含16個(gè)表面電位信號(hào)采集通道，采用直流耦合、多通道并行采集方式，輸入阻抗為1 MΩ，采樣分辨率為16 bit，采樣頻率最高為每通道100 kHz。前置放大器包括50，100，200，500倍4個(gè)數(shù)據(jù)放大檔位，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。實(shí)驗(yàn)采用銅質(zhì)電極和特氟龍屏蔽線收集和傳輸電位信號(hào)，并選擇8個(gè)通道進(jìn)行測(cè)量。此外，試樣的動(dòng)態(tài)破壞圖像由高分辨率工業(yè)相機(jī)USB2.0MV-UB500捕獲。

1.2 實(shí)驗(yàn)試樣

實(shí)驗(yàn)采用石墨、原煤、砂巖和花崗巖4種煤巖試樣。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求將所有試樣制成50 mm×100 mm×100 mm(長(zhǎng)×寬×高)的棱柱形，并用細(xì)砂紙將試樣外表打磨使其平面度誤差小于0.02 mm。為消除水運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)電效應(yīng)，所有試樣在105 ℃的烘箱中干燥約24 h，使其達(dá)到恒定質(zhì)量，之后將試樣冷卻至室溫。試樣實(shí)物如圖2所示。

圖2 試樣實(shí)物Fig.2 Physical samples

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 為保證電極和試樣具有良好的耦合性，采用耦合劑將電極附著在試樣表面。鐵氟龍絕緣墊片放置在底座和試樣之間，以消除端面效應(yīng)的影響。

(2) 連接好儀器，調(diào)試正常后啟動(dòng)載荷控制系統(tǒng)，對(duì)每個(gè)試樣施加預(yù)載荷以確保不同試樣的初始載荷相同。

(3) 同時(shí)啟動(dòng)載荷控制系統(tǒng)、電位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同步收集試樣加載過(guò)程中的載荷和電位數(shù)據(jù)，并利用工業(yè)相機(jī)捕捉試樣破壞的全過(guò)程。

(4) 試樣動(dòng)態(tài)破壞后經(jīng)制樣進(jìn)行試樣微觀結(jié)構(gòu)及組分含量分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同加載階段煤巖電位信號(hào)變化特征

煤巖試樣加載過(guò)程可分為5個(gè)階段——壓密階段(Ⅰ)、彈性變形階段(Ⅱ)、裂紋萌生和裂紋穩(wěn)定增長(zhǎng)階段(Ⅲ)、裂紋損傷和不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段(Ⅳ)和卸載階段(Ⅴ)。不同加載階段煤巖載荷及電位信號(hào)響應(yīng)曲線如圖3所示。為分析不同加載階段煤巖電位信號(hào)變化特征，引入變異系數(shù)，如圖4所示。

從圖3和圖4可看出：① 與其他試樣相比，石墨試樣的整體電位信號(hào)值相對(duì)較低，但在Ⅰ，Ⅱ階段顯著增大且在Ⅱ階段結(jié)束時(shí)電位信號(hào)達(dá)到了相對(duì)較高的值；進(jìn)入Ⅳ階段時(shí)電位信號(hào)有相當(dāng)大的波動(dòng)，信號(hào)波動(dòng)顯著增多，這一現(xiàn)象在變異系數(shù)中也得以體現(xiàn)，即Ⅳ階段中變異系數(shù)波動(dòng)較大。② 原煤試樣電位信號(hào)波動(dòng)與載荷波動(dòng)一致，在150，185 s時(shí)電位信號(hào)呈階梯式突變，這與載荷下降時(shí)間一致；在Ⅲ，Ⅳ階段，原煤試樣變異系數(shù)輕微波動(dòng)，與其他試樣相比，原煤試樣整體電位信號(hào)變化相對(duì)穩(wěn)定。③ 與原煤試樣和花崗巖試樣相比，砂巖試樣在加載的前2個(gè)階段電位信號(hào)增大速率較快，在加載后期電位信號(hào)緩慢增大并在載荷峰值處急劇下降；砂巖變異系數(shù)在Ⅰ，Ⅱ階段和Ⅳ，Ⅴ階段有明顯波動(dòng)。④ 花崗巖試樣在整個(gè)加載過(guò)程中，電位信號(hào)響應(yīng)曲線和載荷變化曲線基本一致，整體呈上升趨勢(shì)；花崗巖電位信號(hào)在Ⅳ，Ⅴ階段波動(dòng)迅速，與之前的加載階段相比增大速度加快，這種趨勢(shì)也反映在變異系數(shù)上。

(a) 石墨

(b) 原煤

(c) 砂巖

(d) 花崗巖

圖4 不同加載階段煤巖電位信號(hào)變異系數(shù)Fig.4 Variation coefficient of coal and rock potential signal under different loading stages

2.2 煤巖破裂斷口表面微觀特征

利用SEM對(duì)石墨、原煤、砂巖及花崗巖4種不同巖性煤巖試樣破裂斷口進(jìn)行表面微觀形貌結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果如圖5所示。從圖5(a)可看出，石墨試樣從微觀上看是由眾多小石墨片無(wú)序堆疊形成，隨處可見糜棱狀劃痕和裂紋發(fā)展，存在明顯的摩擦現(xiàn)象；從圖5(b)可看出，原煤試樣表面較為平整，摩擦產(chǎn)生的糜棱狀劃痕較少，但存在明顯的較大裂紋；從圖5(c)、圖5(d)可看出，砂巖試樣和花崗巖試樣表面可見微小棱狀結(jié)構(gòu)，表面裂紋擴(kuò)展痕跡和表面明顯擦痕共存。

(a) 石墨

(b) 原煤

(c) 砂巖

(d) 花崗巖

已破裂試樣經(jīng)制樣后，利用XRF光譜儀對(duì)不同巖性煤巖試樣元素含量進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表1。石墨試樣C元素含量占98.07%，無(wú)Si元素；原煤試樣元素含量以C元素為主，占80.91%，O，Si元素次之；砂巖試樣和花崗巖試樣中O，Si元素含量較高，總含量在60%以上。

表1 煤巖破壞后元素含量Table 1 Element content of coal and rock after destruction %

3 煤巖電位信號(hào)產(chǎn)生機(jī)制探討

3.1 不同巖性煤巖不同加載階段電位信號(hào)產(chǎn)生機(jī)制

電位信號(hào)的產(chǎn)生可視為由壓電效應(yīng)、裂紋擴(kuò)展和摩擦效應(yīng)等多重機(jī)制作用的結(jié)果。電位信號(hào)的產(chǎn)生與煤巖帶電性能、微觀結(jié)構(gòu)和成分密切相關(guān)，這些因素主導(dǎo)不同巖性煤巖試樣受載破壞的電位信號(hào)響應(yīng)特性。

在煤巖加載Ⅰ，Ⅱ階段，不會(huì)導(dǎo)致試樣中裂紋擴(kuò)展。因此，帶電原因基本上可歸因于壓電效應(yīng)和摩擦效應(yīng)。煤巖體中含有石英晶體等壓電材料，當(dāng)外力作用于煤巖體時(shí)，會(huì)導(dǎo)致壓電材料發(fā)生形變而使得正負(fù)電荷中心不重合，導(dǎo)致壓電材料表面產(chǎn)生一定量電荷[16]。石墨試樣C元素含量高達(dá)98.07%，雜質(zhì)含量低，且石墨試樣在Ⅰ，Ⅱ階段電位信號(hào)顯著增大并在Ⅱ階段結(jié)束時(shí)已達(dá)到相對(duì)較高的值；此外，觀察到的明顯糜棱狀劃痕和少量裂紋都表明摩擦效應(yīng)是石墨試樣加載前期一種重要的帶電原因。Si元素含量極低的原煤試樣在Ⅰ，Ⅱ階段中電位信號(hào)穩(wěn)步增長(zhǎng)，結(jié)合觀察到的裂紋和劃痕，判別摩擦效應(yīng)是原煤試樣變形前帶電的主要原因。對(duì)于Si，O元素含量較高的砂巖試樣和花崗巖試樣，壓電效應(yīng)是其Ⅰ，Ⅱ階段主要的帶電原因。

在煤巖加載Ⅲ—Ⅴ階段，石英晶體等具有壓電效應(yīng)物質(zhì)受力結(jié)構(gòu)破壞產(chǎn)生自由電荷的能力開始減弱，各煤巖試樣內(nèi)部開始產(chǎn)生新的裂紋且各裂紋壁面發(fā)生摩擦滑移，逐漸演變成較大裂紋，最終貫通形成與主應(yīng)力方向相同的破壞帶，導(dǎo)致各煤巖試樣破壞。石墨試樣在Ⅳ階段的壓電效應(yīng)逐漸減弱但其電位信號(hào)產(chǎn)生較大波動(dòng)，信號(hào)波動(dòng)明顯增多，摩擦效應(yīng)和裂紋擴(kuò)展成為石墨試樣主要的帶電原因。原煤從化學(xué)成分的角度來(lái)看是由大分子組成的，在外載荷作用下產(chǎn)生微裂紋的過(guò)程中，大分子之間或大分子之間的物理化學(xué)交聯(lián)鍵會(huì)斷裂，從而形成懸空鍵導(dǎo)致電荷分離，電位信號(hào)值明顯增大。砂巖試樣在加載前2個(gè)階段由于壓電效應(yīng)產(chǎn)生較高的電位信號(hào)值，在加載中后期，電位信號(hào)值因裂紋擴(kuò)展機(jī)制適度增大，并在加載結(jié)束時(shí)急劇下降。在Ⅲ—Ⅴ階段，花崗巖試樣內(nèi)部裂紋擴(kuò)展和損傷演化加速，電位信號(hào)在該階段顯著增大且波動(dòng)較大，電位信號(hào)受裂紋擴(kuò)展影響強(qiáng)烈。

3.2 煤巖裂紋擴(kuò)展的電荷分離機(jī)制

以原煤試樣單軸壓縮實(shí)驗(yàn)為例，原煤試樣電位測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。原煤試樣裂紋兩側(cè)電位響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖6 原煤試樣電位測(cè)點(diǎn)布置Fig.6 Layout of potential measuring points of raw coal sample

圖7 原煤試樣裂紋兩側(cè)電位響應(yīng)曲線Fig.7 Potential response curves of both sides of crack on raw coal sample

在原煤試樣破壞過(guò)程中出現(xiàn)2個(gè)載荷突變，第1個(gè)突變(150 s)為試樣發(fā)生彈塑性破壞所引起的，第2個(gè)突變(185 s)為試樣完全破壞前載荷突降引起的，同時(shí)在加載過(guò)程中位于裂紋兩側(cè)對(duì)稱位置的2，4號(hào)測(cè)點(diǎn)電位信號(hào)也出現(xiàn)了2次對(duì)應(yīng)的波動(dòng)。在整個(gè)加載過(guò)程中，2，4號(hào)測(cè)點(diǎn)電位分別以相反趨勢(shì)變化，2號(hào)測(cè)點(diǎn)電位向正電位方向變化，4號(hào)測(cè)點(diǎn)電位向負(fù)電位方向變化。原煤試樣在150 s發(fā)生破裂時(shí)，2，4號(hào)測(cè)點(diǎn)電位分別以相反方向產(chǎn)生電位變化且發(fā)生正負(fù)交錯(cuò)的變化；在185 s時(shí)載荷達(dá)到峰值，試樣瞬間破壞，2號(hào)測(cè)點(diǎn)電位達(dá)到負(fù)電位最大值(0.025 mV)，4號(hào)測(cè)點(diǎn)電位達(dá)到正電位最大值(0.03 mV)。

裂紋擴(kuò)展是各煤巖試樣加載中后期主要的帶電原因。原煤試樣在裂紋尖端處能夠產(chǎn)生電荷分離，可以從裂紋尖端應(yīng)力集中引起的電子逃逸、裂紋擴(kuò)展引起的裂紋面電荷分離和裂紋尖端放電等方面進(jìn)行分析，如圖8所示。

(a)

(b) 裂紋面電荷分離

(c) 裂紋尖端放電

原煤試樣加載初期，裂紋尖端附近的原子由于集中應(yīng)力獲得極高的應(yīng)變，使原子外層電子脫離核引力和相鄰原子勢(shì)能約束，發(fā)生電子層躍遷，成為自由電子。自由電子逸出后，最初呈中性的粒子在裂紋尖端轉(zhuǎn)變?yōu)閹д姷牧Ｗ?，正粒子集合形成局部的正電荷中?圖8(a))。

原煤試樣加載到滿足一定力學(xué)條件時(shí)，試樣內(nèi)部裂紋萌生與擴(kuò)展，擴(kuò)展裂紋具有“真空”和“低電位”的特點(diǎn)，吸引因各種原因而被釋放出來(lái)的正負(fù)離子和自由電子[17]，形成類似于電容器的充電現(xiàn)象，并在裂紋周圍形成庫(kù)侖場(chǎng)(圖8(b))。在機(jī)械載荷作用下，裂紋發(fā)生擴(kuò)展，引起煤分子的化學(xué)鍵斷裂，導(dǎo)致電荷分離，并在裂紋兩側(cè)帶有相反電荷，原先受束縛的電中性原子團(tuán)演化成相對(duì)自由的正電荷和負(fù)電荷。

隨著試樣加載的進(jìn)行，裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致更多的自由電荷在裂紋表面積累，特別是在裂紋尖端，這導(dǎo)致自由電荷總量和密度顯著增加(圖8(c))。隨著負(fù)載增加，裂紋數(shù)量的增加和體積的擴(kuò)大促進(jìn)了電荷的收集效應(yīng)。裂紋尖端兩側(cè)可看作是一個(gè)“電容器”，在兩側(cè)積累了大量電荷。當(dāng)裂紋尖端的電場(chǎng)強(qiáng)度由于電荷積累而達(dá)到一定程度時(shí)，裂紋尖端會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象，使電位信號(hào)呈加速上升和劇烈波動(dòng)的特征。當(dāng)試樣完全破壞時(shí)，大量裂隙與空氣接觸使原來(lái)積累大量電荷的“電容器”不復(fù)存在，電荷被迅速中和，這也是試樣加載后期電位信號(hào)值突然下降的原因。

4 結(jié)論

(1) 不同巖性煤巖試樣破壞產(chǎn)生的表面電位信號(hào)在時(shí)序上具有不同的階段特征。石墨整體電位信號(hào)值相對(duì)較低，加載初期電位信號(hào)增長(zhǎng)迅速，后期呈波動(dòng)現(xiàn)象；原煤電位信號(hào)波動(dòng)與載荷波動(dòng)一致，整體電位信號(hào)變化相對(duì)穩(wěn)定；砂巖在加載前2個(gè)階段電位信號(hào)增長(zhǎng)速率較快，后期相對(duì)穩(wěn)定；花崗巖電位信號(hào)整體呈上升趨勢(shì)，加載后期波動(dòng)較大。

(2) 不同巖性煤巖試樣在不同加載階段產(chǎn)生表面電位信號(hào)的主導(dǎo)機(jī)制不同。在煤巖加載前2個(gè)階段，摩擦效應(yīng)是石墨試樣和原煤試樣的重要帶電原因；壓電效應(yīng)是砂巖試樣和花崗巖試樣的關(guān)鍵帶電原因，而砂巖試樣的電位信號(hào)響應(yīng)受壓電效應(yīng)的影響更大。在煤巖加載中后期，各試樣電位信號(hào)產(chǎn)生的主要原因是試樣內(nèi)部的裂紋擴(kuò)展和摩擦效應(yīng)。

(3) 裂紋擴(kuò)展是煤巖電位信號(hào)產(chǎn)生的重要原因，裂紋尖端的電荷分離主要包括裂紋尖端應(yīng)力集中引起的電子逃逸、裂紋擴(kuò)展引起的裂紋面電荷分離和裂紋尖端放電3個(gè)方面。