地球物理学报  2013, Vol. 56 Issue (3): 1043-1048   PDF    
引用本文
潘一山, 唐治, 李忠华 等. 不同加载速率下煤岩单轴压缩电荷感应规律研究. 地球物理学报, 2013, 56(3): 1043-1048, doi: 10.6038/cjg20130332.  
Pan Y S, Tang Z, Li Z H, et al. Research on the charge inducing regularity of coal rock at different loading rate in uniaxial compression tests. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 2013, 56(3): 1043-1048, doi: 10.6038/cjg20130332.  
不同加载速率下煤岩单轴压缩电荷感应规律研究
潘一山 , 唐治 , 李忠华 , 朱丽媛 , 李国臻     
辽宁工程技术大学力学与工程学院, 辽宁阜新 123000
收稿日期 2011-12-02, 2012-12-19 收修定稿
基金项目: 国家重点基础研究发展计划(973计划)(2010CB226803);国家自然科学基金面上项目(11172121);国家自然科学基金青年项目(51204090)资助
作者简介: 潘一山, 男, 1964年生, 教授, 1999年清华大学博士毕业, 主要从事矿山灾害力学的教学和研究工作.E-mail:panyish_cn@sina.com
通讯作者: 唐治, 男, 1983年生, 博士研究生, 主要从事矿山灾害力学研究.E-mail:tangzhi0127@163.com
摘要: 利用自主研制的电荷感应仪, 建立单轴压缩条件下煤岩电荷感应试验系统.研究了煤、花岗岩、砂岩在不同加载速率下的电荷感应规律.试验结果表明: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时间有减短趋势.不同性质煤岩体, 电荷感应最大值有较大区别, 花岗岩电荷最大值大于煤电荷最大值, 煤电荷最大值大于砂岩电荷最大值.当应力较小时, 煤岩只产生微量的电荷信号, 当应力达到煤岩极限应力的90%左右时产生大量的电荷信号, 说明煤岩电荷感应存在应力阈值.因此, 电荷感应方法作为预测预报动力灾害是可行的, 值得深入研究.
关键词: 煤岩      电荷感应      应力阈值      特征规律      加载速率     
Research on the charge inducing regularity of coal rock at different loading rate in uniaxial compression tests
PAN Yi-Shan, TANG Zhi, LI Zhong-Hua, ZHU Li-Yuan, LI Guo-Zhen     
School of Mechanics and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin, Liaoning 123000, China
Abstract: The coal rock charge induction test system under the condition of uniaxial compression is established by use of the self-developed charge induction instrument. And the charge induction laws under different loading rate of coal, granite, sandstone are researched. The experiment results show that the maximum value of coal rock charge induction appears before the stress reaches its peak, and with the increase of loading rate, the time of maximum charge value preceding the strength limit tends to be shorter. The maximum value of coal rock charge induction differs greatly among the coal rock of different properties. The maximum value of granite charge is greater than that of coal charge, and maximum value of coal charge is greater than that of sandstone. Weak charge signals are generated when the stress is small; when the stress reaches about 90% of the ultimate stress of coal rock a large amount of charge signals are generated, it illustrates that stress threshold exists in the coal rock charge induction. So the charge induction method is feasible for the forecast of dynamic disaster and it worth to be researched deeply..
Key words: Coal and rock      The charge induction      Stress threshold      Characteristics      Loading rate     
1 引言

我国矿山资源已进入深部开采，地质环境更加复杂多变，大面积采动，地层结构地应力场和渗流场发生变化，失稳破坏形式由原来物理失稳向几何物理复合失稳转化，矿震灾害、瓦斯突出、冲击地压、矿井突水等[1-2]矿井动力灾害由局部失稳转向链式失稳，新的失稳理论、预测技术和防治技术亟待研究.现行常规的煤岩动力灾害预测方法主要是钻屑法.但其工作量大，对生产有一定影响.不能用于在空间和时间上进行矿山动力现象危险变化的连续监测.近年来国内外比较推崇的监测方法是地球物理方法[3]，电磁辐射法是常用地球物理方法之一.从20世纪90年代开始，何学秋、王恩元等对煤岩等材料变形破裂的电磁辐射特征及机理进行了深入研究[4-6]，提出电磁辐射预测煤与瓦斯突出及冲击地压的原理及预报方法，并应用于煤与瓦斯突出、冲击地压危险的监测预报[7-9].Frid等[10-12]研究了煤的物理力学状态、受力状态以及瓦斯等对工作面电磁辐射强度的影响.而电磁辐射的前提和基础是电荷的分离，但电荷的分离并不一定有电磁辐射，说明电荷信号与煤岩变形破裂的关系更为直接. R.S. Kilkeev [13]对单轴压缩下柱状样品的电场进行了测量，测得电场值与所加应力呈线性关系. V.S. Kukenko等[14-15]用静电计测量到对大理岩加载时有感应电荷产生，发现大理岩在突然加卸载时感应电荷急剧增加，然后逐渐衰减.郝锦绮等[16]对双轴压力下岩石弹性变形阶段和破坏过程中的应变及自电位进行了试验研究.孙正江等[17]根据主破裂时的磁场强度计算出破裂面的电荷量为5.2×10-4C.郭自强等[18]在石灰岩矿山爆破过程中利用垂直埋地的铝板电极测试到较强的电位信号.波诺马廖夫[19]在单轴循环加载条件下记录到岩石样品破裂时固有带电的变化，发现了与岩石内部破裂有关的局部电状态异常，认为这是非弹性电效应引起的.王丽华等[20]应用静电感应的方法记录到岩样在压缩破裂时的电荷量为10-8~10-6C. Nishizawa等[21]测试了水饱和花岗岩单轴压缩时的电位变化. Enomoto等[22]研究了花岗岩、大理岩在单轴压缩条件下变形破裂过程中的电位变化规律. Takeuchi A等[23]对花岗岩板和辉长岩板进行瞬间加载，在加载的瞬间测试到40 mV左右的瞬间电位和约35 pA的电流信号. Eccles等[24]实验室研究了富含石英和不含石英的岩石在干燥及饱水条件下受载破坏过程中的电位信号，在试样破坏前观测到干燥和饱水的富石英砂岩，以及饱水石灰岩均有电位信号产生.潘一山、赵扬锋等对煤岩变形破裂的电荷感应特征及机理进行了研究[25-26].因此，可发展电荷感应技术来预测矿井动力灾害，为矿井动力灾害的预测预报提供一种新手段和新方法.虽然国内外许多学者对煤岩破裂的电现象进行了大量的试验室研究，但不同性质的煤岩体电荷感应规律区别及联系未见报道，所以选用煤、花岗岩、砂岩进行简单试验分析.

2 电荷感应试验 2.1 试验系统与试样

电荷感应信号试验系统主要由数据采集器、电荷传感器、屏蔽系统、压力机等组成.如图 1所示.数据采集器共4个信号采集与处理通道，其模数转换分辨率为16 bit，系统测量精度为0.01%；A/D转换时间为1.25 μs，最高采样频率达250 kHz，试验中信号采样频率设为2500 Hz；电荷传感器采用辽宁工程技术大学研制仪器，由敏感元件与转换元件组成，其中敏感元件为由软磁合金制成的电荷感应探头，转换元件为电荷放大器.电荷放大器选用电荷灵敏前置放大器，其原理图如图 2所示.它的特点是A0Cf≥Ci，当输入端信号频率f大于1 / 2πRfCf，输出脉冲的幅度

图 1 试验装置图 (a)试验装置示意图; (b)试验装置实物图. Fig. 1 Diagram of test equipment (a)Sketch map of experimental device; (b)Physical map of experimental device
图 2 基本的电荷灵敏前置放大器原理图 (C表示电容，Vcc为三极管电路中的工作电源) Fig. 2 The schematic of the basic charge-sensitive preamplifier

式中A0为前放的开环增益，Ci为输入电容，Cf为反馈电容，Rf为反馈电阻，Q为探测器上产生的总电荷量.因此，它的输出基本不受输入电容的影响，电荷前放的输出电压有很好的稳定性.

研究所用试样为煤、花岗岩、砂岩，试样尺寸为5 cm×5 cm×10 cm.使用100 kN液压万能试验机加载.试样两受力面磨成平面，其受压端面不平行度小于0.1 mm.煤岩样柱体在压力机上竖直安放，即长轴为加载方向，受力面积为25 cm2.试样加工后没有经过处理，属于天然煤岩块.

2.2 试验过程

试验时，按如下步骤进行：

（1）将试样放置在压机底座上，试样与压机底座和压头间用绝缘纸绝缘，调整试件和压头接触，电荷传感器布置在距试件表面中部0.5 cm处，罩上屏蔽网.

（2）按图 1所示方式连接各仪器，检查系统中各仪器状态.

（3）启动高速数据采集系统，设定采样频率2500 Hz.

（4）启动载荷位移记录系统，选择载荷位移记录系统参数：灵敏度、衰减系数和输出模式等.

（5）启动压机，开始采样，直到试样破坏再停止信号采集，然后关闭压机.

3 试验结果与分析

对煤、花岗岩、砂岩在加载速率为4×10-6 m / s、6×10-6 m / s、8×10-6 m/s三种情况下的电荷感应信号进行了对比分析.

图 3中（a1、b1、c1）分别为煤、花岗岩、砂岩的时间-应力曲线，（a2、b2、c2）为对应煤、花岗岩、砂岩的时间-电荷感应信号曲线（加载速率v为4×10-6 m/s时）.

图 3 煤岩试验结果(v=4×10-6 m/s) (a1、a2)煤试件试验结果; (b1、b2)花岗岩试件试验结果; (c1、c2)砂岩试件试验结果. Fig. 3 The chart of charge induction signal(v=4×10-6 m/s) (a1、a2)Test results of coal specimen; (b1、b2)Test results of granite specimen; (c1、c2)Test results of sandstone specimen.

由图 3可知：

（1）煤试件刚开始受压时，压应力增加缓慢，产生微弱的电荷信号；加载到8 s时压应力才突然增大，但产生的电荷信号在6 s时发生较小突变；加载到19~27 s之间，压应力值在8 MPa左右，在2 MPa范围内有忽大忽小变化，产生的电荷信号也有明显的忽大忽小变化且电荷值达到2000 pC.还发现煤试件在应力达到极限强度前3 s时，电荷信号突然增为最大值，之后又随即减小，说明煤试件在应力即将达到极限强度时，产生的电荷信号最大.

（2）花岗岩试件刚开始受压时，压应力增加缓慢，也产生微弱的电荷信号；加载到75 s，压应力为40 MPa时，电荷信号发生突变，电荷值达到1000 pC；加载到600 s，花岗岩达到极限，应力为95 MPa，电荷信号在590 s时发生突变，电荷值达到3000 pC.在花岗岩应力要达到极限强度前10 s时电荷信号突然增为最大值，之后又随即减小，说明花岗岩试件在应力即将要达到极限强度时，产生的电荷信号最大.

（3）砂岩试件刚开始受压时，压应力增加缓慢，也产生微弱的电荷信号；受压到0~100 s之间，随压应力增加，电荷信号发生微小变化；加载到124 s时，砂岩达到极限，应力为48 MPa，电荷信号在115 s时发生突变，电荷值达到1800 pC.在砂岩应力达到极限强度前9 s时电荷信号突然增为最大值，之后又随即减小，说明砂岩试件在应力即将达到极限强度时，产生的电荷信号最大.

加载速率为6×10-6 m·s-1、8×10-6 m·s-1时也有类似规律，表 1、2、3为煤、花岗岩、砂岩分别在加载速率为4×10-6 m·s-1、6×10-6 m·s-1、8×10-6 m·s-1下的数据统计表.其中，表中单位强度电荷值代表电荷最大值与极限强度的比值，最大电荷应力代表电荷最大值时对应的煤岩应力，比例代表最大电荷应力与极限强度的比值，时间差代表极限强度出现时间与电荷最大值出现时间的差值.

表 1 煤岩强度及感应电荷基本特征(v=4×10-6 m·s-1) Table 1 Coal intensity and the basic characteristics of induced charge(v=4×10-6 m·s-1)
表 2 煤岩强度及感应电荷基本特征(v=6×10-6 m/s) Table 2 Coal intensity and the basic characteristics of induced charge(v=6×10-6 m/s)

由表 1、2、3可知：

表 3 煤岩强度及感应电荷基本特征(v=8×10-6 m/s) Table 3 Coal intensity and the basic characteristics of induced charge(v=8×10-6 m/s)

（1）随加载速率增加，煤、花岗岩、砂岩三种电荷幅值比极限强度超前出现时间均有减小趋势.

（2）三种加载速率下，煤电荷幅值在2000~2400 pC，花岗岩电荷幅值在3000~4100 pC；砂岩电荷幅值在1660~1900 pC.花岗岩电荷幅值大于煤电荷幅值，煤电荷幅值大于砂岩电荷幅值.

（3）随加载速率增加，煤、花岗岩、砂岩三种单位强度电荷值均有增大趋势.煤的单位强度电荷值明显高于花岗岩和砂岩的.

由于煤岩性质的非均匀性、煤岩微粒极限强度不同，在单轴压应力作用下，导致裂纹扩展不均匀.随煤岩应力不断增加，裂纹有增大、裂纹数量有增多趋势，当应力达到煤岩极限强度时，煤岩破裂，产生新裂纹的速度达到最大.但煤岩电荷信号和应力不存在线性关系，当应力较小时只产生微量的电荷信号，当煤岩应力快达到峰值强度时出现电荷信号突变，且为电荷最大值，这说明煤岩电荷感应存在应力阈值.从表 1、2、3中的统计数据中可得出煤的电荷感应应力阈值为极限强度的9 2%左右，花岗岩的电荷感应应力阈值为极限强度的9 3%左右，砂岩的电荷感应应力阈值为极限强度的8 9%左右.

4 结论

利用自主研制的电荷感应仪，建立了单轴压缩条件下煤岩电荷感应信号测试系统，通过对煤、花岗岩、砂岩电荷感应信号分析，主要得出如下结论：

（1）煤岩电荷感应存在应力阈值，即当应力小于应力阈值时只产生微量的电荷信号，当应力大于应力阈值时开始产生大量的电荷信号.

（2）煤岩电荷感应最大值在应力极限强度前出现，且随加载速率增加，电荷感应最大值比应力极限强度提前出现时间有减短趋势.

（3）煤岩性质不同，电荷感应最大值有较大区别.花岗岩电荷最大值大于煤电荷最大值，煤电荷最大值大于砂岩电荷最大值.

（4）同性质煤岩体，随加载速率增加，单位强度电荷值有增大趋势.

煤岩电荷应力阈值均在极限应力9 0%左右，煤岩电荷感应信号在极限强度前出现，这说明电荷感应信号预测预报动力灾害的可行性.

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