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青年博士学术专栏
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随着我国浅部煤炭资源的逐年减少，煤矿开采逐渐转向深部，致使冲击地压灾害发生的频度和强度明显增加，对煤矿的安全生产以及人员的生命安全构成了极大的威胁[1-2]。因此，有效的动力灾害监测方法和手段的研究已成为保障煤炭资源安全高效开采的重要科学问题。研究表明[3-8]，煤岩体变形破坏过程由于压电效应、摩擦作用、微破裂导致尖端电荷分离等因素而有电荷产生，且煤岩变形破裂过程产生的电荷信号与煤岩动力过程密切相关，煤岩破裂面上分离电荷量的异常升高或降低与应力突变具有较好的对应关系，电荷信号的分布趋势、电荷幅值的量化分析可作为煤岩破裂过程力学性质变化以及动力显现的预警信息。煤岩体变形破裂过程分离的电荷可利用高精度的电荷接收装置通过感应带电的方式进行提取和分析，由此可形成煤岩破裂失稳的电荷监测方法[9]。
关于电荷感应技术，国内外学者进行了大量研究，文献[10-11]在1953年采用试验方法，对片麻岩、花岗岩和脉石英的压电现象进行了研究，发现岩石在受载变形破裂过程中有电荷信号产生。NITSON [12]通过实验室试验研究了岩石的压电效应，得到当内部含石英和其他硬压电材料的岩石发生破裂时，有无线电频段的电荷感应信号产生。潘一山等[13]对不同加载速率条件下煤岩体电荷规律进行了研究，得到煤岩电荷感应最大值在应力达到极限强度前出现，且随加载速率增加，电荷最大值比应力极限强度提前出现的时间有缩短趋势。赵扬锋等[14]对单轴压缩条件下煤岩样电荷信号规律进行了试验研究，得出随着荷载的不断增大，电荷信号数量有所增加且电荷幅值也增大。王岗等[15]对煤体剪切破坏过程中的电荷规律进行了研究，得出电荷信号异常区域对应于剪应力突变阶段，随剪切角增大，煤体应力峰值前电荷信号逐渐减少并不断向剪应力峰值附近集中。唐治等[16]对煤岩破裂电荷感应机理进行了研究，提出了煤岩变形破裂过程中产生的电荷信号是因煤岩能量释放而产生的观点，认为煤岩产生电荷量可作为煤岩释放能量的量度。肖晓春等[17]对组合煤岩冲击倾向进行了试验研究，发现冲击倾向性强的组合试样，其应力强化直至破坏阶段的电荷信号幅值相差显著。丁鑫等[18]对煤岩破裂过程电荷信号时-频域特性进行了研究，得到电荷时-频域信号幅值与煤岩受载变化具有良好的一致性。综上所述，前人对煤岩介质在外部载荷作用下产生的电荷信号规律进行了大量研究，形成了煤岩破裂电荷感应监测新技术。但以往的大部分研究都局限在不同加载方式下或不同环境条件下对煤体破裂电荷信号规律进行研究，缺少关于煤体自身属性对煤体破裂产生电荷规律影响的研究。然而煤体的冲击倾向性是煤体的固有属性，是冲击地压发生的内在因素，在外部环境相同的情况下，冲击倾向性越强的煤体越容易发生冲击地压[19-21]。
不同冲击倾向性煤体受载破坏时会表现出不同的力学特征，那么不同冲击倾向性煤体受载破裂产生的电荷信号规律如何？煤体冲击倾向性指标与电荷信号相关参量是否具有一定量化关系？以及能否通过电荷感应方法对煤体的冲击倾向程度进行一定的判断？这些问题还没有被明确，还需要不断的深入研究。因此，笔者利用自主研发的电荷信号监测系统，开展不同冲击倾向煤体试样单轴压缩失稳破坏全程电荷信号规律的试验研究，重点分析冲击倾向性对煤样破坏全程电荷信号分布规律的影响，以及冲击倾向性指标与电荷相关参量的量化关系，旨在为电荷感应方法对冲击地压灾害的预测预报提供相关指导。
煤岩介质受载变形破裂时，首先新生裂纹和原生裂纹不断发生扩展、交叉且相互汇合形成宏观断裂面，在裂纹表面和尖端产生了位错和滑移，导致裂纹面间的摩擦作用不断增强，此过程不断有正负电荷产生、转移、聚集和突变，由此在裂纹面上表现为不均匀的电荷分离现象。同时，原子的不断运动和转移会形成空位，原子也会不断反复的向空位处跳跃，导致了在不同的电荷积聚界面处形成微电势垒。其次，煤岩介质受载时，煤岩体表面静电场在应力场作用下会发生变化，煤岩体会出现极化效应和压电效应，其综合作用促使煤岩破裂面上产生不均匀的分离电荷。因此，煤岩受载破裂产生电荷的机制可由受载介质裂纹滑移摩擦生电、微裂纹界面势垒变化和受载介质极化效应进行解释，电荷产生机制[17]如图1所示。
图1 极化、裂纹滑移和摩擦界面位错势垒生电机制
Fig.1 Mechanism of charge generation with polarization, crack sliding and friction interface dislocation potential barrier
为了探究冲击倾向性对煤样受载破裂电荷信号规律的影响，试验对实际工程中煤岩结构受载破坏形式进行简化，采用单轴压缩的方式对煤样进行加载破坏。
试验系统是由加载系统、屏蔽系统、电荷信号监测系统组成的综合监测采集系统。加载系统为多功能电液伺服压力机，最大轴向荷载为6 000 kN。屏蔽系统为自行研制的多功能圆柱形屏蔽钢筒，经多次测试屏蔽效果较好，符合试验要求，并且与压力机连接的压头与试样之间用绝缘纸进行绝缘。电荷信号监测系统主要由一个非接触式电荷感应探头、电荷放大器和数据采集系统组成，如图2所示。电荷感应探头可感应到煤岩破裂产生的微弱电荷信号，对于煤岩破坏产生的电荷，可看作为敏感元件有效空间内煤岩裂纹面附近带电微粒通过电场效应在敏感元件上的感应电荷的叠加。电荷放大器的功能是将感应到的微弱电荷信号按一定比例关系放大和转变为电压信号，通过数据采集器采集电荷数据，其输出的信号中包含了煤岩变形破坏信息。
图2 煤岩电荷感应模型
Fig.2 Coal and rock charge induction model
为了区分试样的冲击倾向程度，试验所用的原煤来自同一矿区的不同冲击矿井，采样时将井下大块原煤试样(尺寸不小于200 mm×200 mm×200 mm)采用塑料薄膜密封后运至井上装木箱，木箱周围由泡沫材料填充，运至实验室后将大块的煤体通过岩石取心机制备成高度为100 mm、直径为50 mm的圆柱形标准试样，试验共分为3组，第1组煤样编号为M-1—M-3，第2组煤样编号为M-4—M-6，第3组煤样编号为M-7—M-9，每组备用1个试样。
试验方案为：在单轴压缩条件下对所有煤样进行加载破坏，加载方向与试样层理方向垂直。电荷监测系统采样频率设为2 500 Hz，试验中将探头布置于试样的两侧，距离试样表面5～10 mm。
试验过程严格按照《煤层冲击倾向性分类及指数的测定方法》国家标准进行[22]，各组煤样冲击倾向性指标测定结果见表1。
表1 各组煤样冲击倾向性测定结果
Table 1 Each group of coal samples burst tendency determination results
分组试样编号动态破坏时间DT/ms冲击能量指数KE弹性能量指数WET单轴抗压强度σc/MPa1M-21070212.215.3215.17M-3516019.996.9214.762M-5108905 1.514.947.22M-6460054.114.7310.983M-71335921.043.934.56M-82046300.663.676.17
分析表1可知，第1组煤样从动态破坏时间来看，属于无冲击倾向；从冲击能量指数、弹性能量指数、单轴抗压强度来看，属于强冲击倾向，因此，第1组煤样综合判定结果为强冲击倾向。同理，第2组煤样从DT来看，属于无冲击倾向；从KE、WET、σc来看，属于弱冲击倾向，综合判定结果为弱冲击倾向；第3组煤样从KE、DT、σc来看，属于无冲击倾向；从WET来看，属于弱冲击倾向，综合判定结果为无冲击倾向。
图3为不同冲击倾向煤样单轴压缩破坏应力-应变曲线及破坏实物图(去除每组离散试样)。
图3 煤样应力-应变全程曲线及破坏实物
Fig.3 Whole stress-strain curves of coal samples and its failure diagram
由图3a可得，强冲击倾向煤样单轴抗压强度较高，破坏失稳具有明显的突发性，由峰值应力至失稳破坏历时极其短暂，无明显的软化阶段。从煤样破坏实物图可以看出，强冲击倾向煤样受载破坏只局限于煤样表面一个条带上，破裂具有单一性，破裂尺度较大，煤样的其余部分是完好的，即破坏是非均匀的，煤样发生了单剪型破坏。煤样在应力峰前集聚了大量能量，几乎没有消耗，当载荷刚超过煤样抗压强度后，承载结构面瞬间发生失稳破坏，将集聚的能量迅速释放，破坏具有突发性，冲击危害性较大。
由图3b可得，弱冲击倾向煤样的单轴抗压强度相对较低，由峰值应力至失稳破坏历时较长，软化阶段较明显，应力曲线呈“阶梯式”下降状。由煤样破坏实物图可以看出，煤样受载破坏不只局限于煤样表面一个条带，而是在多个条带上，多个破裂共轭，破裂尺度略有减小，裂纹数量略有增多，但煤样表面大部分是完好的，即破坏也是非均匀的，煤样发生了共轭剪切型破坏。
由图3c可得，无冲击倾向煤样的单轴抗压强度最低，由峰值应力至失稳破坏历时最长，软化阶段十分明显，煤样将应力峰前积聚的能量缓慢释放。由煤样破坏实物图可以看出，煤样受载破坏具有均匀性，基本平行破裂，破裂尺度较小，裂纹数量较多，煤样可近似看成发生了均匀性破碎。
强、弱和无冲击倾向煤样单轴压缩破坏电荷感应信号-应力随时间变化曲线如图4—图6所示。煤样应力峰后破坏过程电荷信号相关参量统计结果见表2。
图4 强冲击煤样单轴加载电荷信号-时间-应力曲线
Fig.4 Signal-time-stress curves of coal samples with strong bump proneness under uniaxial loading
根据煤样破坏全程应力-应变曲线，可将煤样变形破坏过程分为3个阶段，分别为压密线性(0～70%σc)、强化损伤(70%σc～100%σc)及峰后破坏阶段(100%σc～0)。如图4所示，强冲击倾向煤样在压密线性阶段，由于煤样内部裂隙发育程度较低，累积损伤较小，形成的裂隙面面积较小，破裂面间摩擦错动程度较弱，定向移动自由电荷数量较少，还未形成电势就已经衰减，因此在此阶段电荷信号比较平稳；当煤样进入强化损伤阶段，煤样内部裂纹开始不断产生及扩展，颗粒间相互摩擦的程度明显增强，使煤岩晶粒局部被束缚的电荷逃逸成自由电荷的数量增多，当应力达到91%σc左右时，煤样开始有首次高值电荷信号产生，随后M-2煤样又立即产生大幅值电荷信号，这是由于强冲击倾向煤样强度较高，在发生破坏前累积了大量应变能，当煤样即使发生微破裂时，也会释放较大的能量而产生高值电荷信号，这也是强冲击倾向煤样失稳破坏前兆信息明显的原因。随着荷载的不断增大，应力达到煤样抗压强度时，煤样发生了短暂的应力调整，有低值电荷信号产生，随后煤样立即进入峰后破坏阶段，其内部微裂纹相互贯通形成宏观裂纹而发生失稳破坏，电荷信号也达到峰值。总体来看，强冲击倾向煤样电荷信号主要集中在应力峰前的强化损伤阶段，煤样发生失稳破坏电荷前兆信息比较明显。
图5 弱冲击煤样单轴加载电荷信号-时间-应力曲线
Fig.5 Signal-time-stress curves of coal samples with weak bump proneness under uniaxial loading
图6 无冲击煤样单轴加载电荷信号-时间-应力曲线
Fig.6 Signal-time-stress curves of coal samples without bump proneness under uniaxial loading
表2 煤样应力峰后破坏过程电荷参量统计结果
Table 2 Statistical results of charge parameters in failure process of coal sample after stress peak
煤样冲击倾向性应力峰后累积电荷量/(104pC)应力峰后破坏时间t/ms应力峰后电荷变化率w/(pC·ms-1)冲击能量指数KE弹性能量指数WETM-2M-3强冲击0.91107020.8512.215.320.5051600.9719.996.92M-5M-6弱冲击4.871089050.451.514.942.48460050.544.114.73M-7M-8无冲击5.011335920.381.043.936.552046300.320.663.67
如图5所示，弱冲击倾向煤样在压密线性阶段，电荷信号比较平稳；在强化损伤阶段中期，应力达到93%σc左右时，煤样开始有首次高值电荷信号产生。随着荷载的不断增大，煤样累积了足够的能量，变形开始加速，煤样内部产生了大量的微破裂并汇合、贯通，累积损伤也不断增加，导致电荷信号频度和幅度都有所增强，当加载到应力峰值时，电荷信号出现了大幅度波动变化，煤体内部发生主破裂；随后煤样进入峰后破坏阶段，承载结构面局部破裂比较频繁，在破裂过程中由于内外部裂纹的导通，使得内外部破裂尖端发射的大量电子直接飞入空间，大量电子的逃逸使得裂纹尖端积聚了一定数量的电荷，所以此阶段有明显的电荷信号产生，且电荷幅值较大。因此，弱冲击倾向煤样电荷信号在应力峰前和峰后都有产生，集中在强化损伤和峰后破坏阶段。
如图6所示，无冲击倾向煤样在压密线性和强化损伤阶段电荷信号都比较平稳，只有荷载达到煤样峰值应力，煤样发生主破裂时，才开始有首次电荷信号产生，信号幅值较低，其原因可能为无冲击倾向煤样由于其较低的承载能力，在发生主破裂时，裂纹扩展所致的滑移摩擦程度较弱，能量释放较低，导致产生的电荷信号幅值较低，这也是无冲击倾向煤样失稳破坏前兆信息不明显的原因；在峰后破坏阶段，煤样的破裂由应力峰前的裂纹扩展逐渐转变为承载结构面的局部破裂，每次承载结构面的局部破裂都对应有电荷信号产生。因此，无冲击倾向煤样电荷信号主要集中在应力峰后的破坏阶段，煤样发生失稳破坏电荷前兆信息不再明显。
由4.2节分析可知，强冲击倾向煤样电荷信号主要集中在应力峰前的强化损伤阶段；弱冲击倾向煤样电荷信号在应力峰前和峰后都有产生；无冲击倾向煤样电荷信号主要集中在应力峰后的破坏阶段。因此，对不同冲击倾向煤样应力峰后失稳破坏阶段电荷参量的量化分析，可为应用电荷感应方法判别煤体冲击倾向性提供有效指导。
由表2可以得出，强冲击倾向煤样应力峰后累积电荷量分别为0.91×104 pC和0.50×104 pC，弱冲击倾向煤样的应力峰后累积电荷量为分别4.87×104 pC和2.48×104 pC，无冲击倾向煤样应力峰后累积电荷量分别为5.01×104 pC和6.55×104 pC。可以看出，随着煤样冲击倾向性的逐渐增强，煤样应力峰后失稳破坏过程累积的电荷量呈现逐渐减少的趋势，这是由于冲击倾向性越强的煤样发生失稳破坏历经的时间越短，应变脆性特征越明显，煤样在发生主破裂后没有产生次级破裂，造成二次损伤，而是直接失稳破坏，由此导致产生的电荷信号较少，累积电荷量也随之减少。因此可以通过应力峰后累积电荷量的多少来初步判断煤体冲击倾向性的强弱。
同时由表2可以得出，强冲击倾向煤样应力峰后失稳破坏过程电荷变化率分别为0.85 pC/ms和0.97 pC/ms，弱冲击倾向煤样应力峰后失稳破坏过程电荷变化率分别为0.45 pC/ms和0.54 pC/ms，无冲击倾向煤样应力峰后失稳破坏过程电荷变化率分别为0.38 pC/ms和0.32 pC/ms。分别将以上各煤样应力峰后电荷变化率(这里将应力峰后累积电荷量与应力峰后破坏时间的比值定义为应力峰后电荷变化率)与冲击能量指数、弹性能量指数的关系进行了拟合，结果如图7和图8所示。
图7 KE与w拟合关系
Fig.7 Fitting relationship between KE and w
图8 WET与w拟合关系
Fig.8 Fitting relationship between WET and w
可以看出，冲击能量指数KE与应力峰后电荷变化率w具有幂递增函数关系，拟合系数较高；弹性能量指数WET与应力峰后电荷变化率w具有一次线性递增函数关系。可以得出，随着煤样冲击倾向性指标增大即煤样冲击倾向性逐渐增强，煤样应力峰后失稳破坏过程电荷变化率有逐渐增大的趋势。这是由于尽管冲击倾向性越强的煤样应力峰后累积电荷量越少，但其失稳破坏时间及其短暂，裂纹扩展速率快，单位时间内产生的电荷量多，因而电荷变化率的大小与煤体内部裂纹扩展速度有关。因此，可以通过应力峰后电荷变化率的大小来初步计算煤体冲击倾向性指标的大小，进而可为煤体的冲击倾向程度提供理论依据，但本试验结果是在相对较少的试样条件下得到的，因此还需要大量的试验室以及现场试验进行不断的验证和修正，方能更好的实现应用电荷感应方法准确的判断煤体的冲击倾向程度。
1)强冲击倾向煤样受载破坏一般只局限于煤样表面一个条带上，破裂具有单一性，破裂尺度较大；弱冲击倾向煤样受载破坏不只局限于煤样表面一个条带，而是多个条带，多个破裂共轭，破裂尺度略有减小，裂纹数量略有增多；无冲击倾向煤样受载破坏具有均匀性，多个破裂平行，破裂尺度较小，裂纹数量较多。
2)煤样受载破坏过程有电荷信号产生，无论是峰前应力所致的裂纹扩展还是峰后应力所致的承载结构面局部破坏，电荷信号的产生与应力突变具有较好的一致性。
3)强冲击倾向煤样电荷信号主要集中在应力峰前的强化损伤阶段，煤样发生失稳破坏电荷前兆信息比较明显；弱冲击倾向煤样电荷信号主要集中在强化损伤和应力峰后破坏阶段；无冲击倾向煤样电荷信号主要集中在应力峰后的破坏阶段，煤样发生失稳破坏电荷前兆信息不再明显。
4)煤样冲击倾向性越强，应力峰后累积电荷量越少，但应力峰后电荷变化率越大。冲击能量指数KE与应力峰后电荷变化率w具有幂递增函数关系，弹性能量指数WET与应力峰后电荷变化率w具有一次线性递增函数关系。因此，可以通过应力峰后电荷变化率的大小来初步判断煤体的冲击倾向程度。
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