含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏电荷感应规律.pdf

第4 5 卷第2 期 2 0 2 0 年2 月 煤炭学报 J O U R N A L0 FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 5N o ．2 F e b ．2 0 2 0 移动阅读 罗浩，于靖康，潘一山，等．含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏电荷感应规律[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 2 6 8 4 6 9 4 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j c c s ．2 0 1 9 ．0 0 3 5 L U OH a o ，Y UJ i n g k a n g ，P A NY i s h a n ，e ta 1 ．E l e c t r i cc h a r g ei n d u c t i o nl a wo fc o a lm c kc o n t a i n i n gg a sw i t hb u r s t i n g t e n d e n c yd u r i n g1 0 a d i n gf a i l u r ep m c e s s [ J ] ．J o u m a l0 fc h i n ac o a ls o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 2 6 8 4 6 9 4 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 “． c n k i ．j c c s ．2 0 1 9 ．0 0 3 5 含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏电荷感应规律 罗浩1 ，于靖康1 ，潘一山2 ⋯，王俊陆1 ，张寅3 1 ．辽宁大学信息学院，辽宁沈阳1 1 0 0 3 6 ；2 ．辽宁大学环境学院，辽宁沈阳1 1 0 0 3 6 ；3 ．辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁阜新 1 2 3 0 0 0 摘要为探究含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏过程电荷感应规律及机理，应用自主研制的煤岩电 荷监测系统，开展了含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏全过程电荷监测试验。试验结果表明无瓦斯 作用下随着煤的冲击倾向性降低，煤体电荷信号峰值降低，累积电荷事件数减少，单位时间电荷事 件数降低，电荷信号向煤体峰值强度后转移；瓦斯作用下，随着瓦斯压力升高，煤的冲击倾向性降 低，煤体电荷信号峰值降低，累积电荷事件数和单位时间电荷事件数与瓦斯压力无明显线性关系。 研究发现瓦斯作用下冲击倾向性煤体电荷信号呈现“矩形波”特征，信号主频在2 0 0H z 以下，随着 瓦斯压力升高，主频信号分量幅值逐渐降低。从煤体内部微裂纹滑移分离和瓦斯运移携带颗粒运 动产生自由电荷角度，提出了含瓦斯冲击倾向煤体破坏自由电荷产生机理，一方面，煤体裂纹面附 近界面势能超过煤岩界面标准接触界面势垒，导致不同属性带电粒子向不同方向移动，解释了应力 突变造成裂纹加速扩展导致电荷信号呈现脉冲簇现象；另一方面，煤岩内部孔隙贯通，瓦斯气体因 压力差而流动，S t e r n G o u y 双电层结构产生流动电荷，流动电荷对煤岩破坏电荷信号贡献附加量， 解释了含瓦斯冲击倾向性煤体电荷信号似“矩形波”特征。 关键词含瓦斯煤体；冲击倾向性；电荷感应；裂纹滑移；瓦斯运移 中图分类号T D 7 1 2文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 0 0 2 0 6 8 4 1 1 E l e c t r i cc h a r g ei n d u c t i o nl a wo fc o a lr o c kc o n t a i l l i n gg a sw i t h b u r s t i n gt e n d e n c yd u r i n gl o a d i n gf I a i l u r ep r o c e s s L U OH a 0 1 ，Y UJ i n g k a n 9 1 ，P A NY i s h a n 2 ⋯，W A N GJ u n l u l ，Z H A N GY i n 3 1 ．c o f f e g ℃∥』彬o r ，m I 0 n ，L i o o n ‘，培“凡斑圯飚i 秒，5 k ，驴，培 l1 0 0 3 6 ，肌i ，m ；2 ．∞f f e g e ∥E 删o r o n m e m 酬5 c i e 乃c 郡，L m o m 7 曙u n 巩地雎。桫，5 e ，啪n g l l U U 3 6 ， 吼i 船；3 ．＆幻o fo ， ‰玩n 妇o n dE 昭i 聊e n g ，n o o n i 昭死c 五n 池2 ‰眈瑙毋，F u 并讯1 2 3 0 0 0 ，吼i m A b s t r a c t I no r d e rt oe x p l o r et h ee l e c t r i cc h a 唱ei n d u c t i o nl a wa n di t sm e c h a n i s md u r i n gt h e1 0 a d i n gf a i l u r ep m c e s so f c o a lr o c kc o n t a i n i n gg a sw i t hb u r s t i n gt e n d e n c y ，t h ee l e c t r i cc h a r g em o n i t o r i n ge x p e r i m e n to ft h ew h o l el o a d i n ga n d f a i l u r ep m c e s so fc o a lr o c kc o n t a i n i n gg a sw i t hb u r s t i n gt e n d e n c yw a sc a 耐e do u tb yu s i n gt h es e m d e V e l o p e dc o a lm c k e l e c t r i cc h a r g em o n i t o r i n gs y s t e m ．T h er e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h ec o a lr o c kb u r s t i n gt e n d e n c yd e c r e a s eu n d e rt h ea c t i o n o fg a s - f b e ，t h ep e a kv a l u eo fc o a lr o c ke l e c t r i cc h a 昭es i g I l a ld e c r e a s e s ，t h en u m b e ro fc u m u l a t i v ee l e c t r i c c h a 唱e e v e n t sd e c r e a s e s ，t h en u m b e ro fe l e c t r i cc h a 曙ee v e n t sp e ru n i tt i m ed e c r e a s e s ，a n dt h ec h a r g es i g n a lt r a n s f e r st ot h e 收稿日期2 0 1 9 一O 卜1 6修回日期2 0 1 9 1 1 1 4责任编辑常琛 基金项目国家重点研发计划资助项目 2 0 1 7 Y F c 0 8 0 4 2 0 8 ；国家自然科学基金资助项目 5 1 7 0 4 1 3 8 ；辽宁省教育厅科学技术研究资助项目 L Q N 2 0 1 9 1 0 作者简介罗浩 1 9 8 7 一 ，男，辽宁开原人，讲师，博士。E m a i l l u o h a 0 8 7 1 1 1 6 3 ．c o m 万方数据 第2 期罗浩等含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏电荷感应规律 p o s t p e a ks t r e n g t ho fc o a l ．U n d e rt h ea c t i o no fg a s ，t h eb u r s t i n gt e n d e n c yo fc o a lr o c kd e c r e a s e s ，a c c o m p a n i e db yt h e i n c r e a s eo fg a sp r e s s u r e ，t h ep e a kv a l u eo fc o a lc h a r g es i g n a ld e c r e a s e s ，a n dt h en u m b e ro fc u m u l a t i V ec h a 唱ee V e n t s a n dt h en u m b e ro fc h a r g ee v e n t sp e ru n i tt i m eh a sn oo b v i o u s1 i n e a rr e l a t i o n s h i p ．I ti sf b u n dt h a tt h ec h a I g es i g n a lo f c o a lw i t hb u r s t i n gt e n d e n c yu n d e rt h ea c t i o no fg a sp r e s e n t st h ec h a r a c t e “s t i c so f “r e c t a n g u l a rw a V e ”，a n dt h em a i n f k q u e n c yo ft h es i g n a li sb e l o w2 0 0H z ．W i t ht h ei n c r e a s eo fg a sp r e s s u r e ，t h ea m p l i t u d eo ft h em a i nf 沁q u e n c ys i g n a l c o m p o n e n td e c r e a s e sg r a d u a l l y ．F r o mt h es t a n d p o i n to ff k ec h a r g eg e n e m t e db ys l i ps e p a r a t i o no fm i c m c m c k si nc o a l b o d ya n dm o V e m e n to fp a r t i c l e sc a 耐e db yg a sm i 铲a t i o n ，t h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s mo ff 南ee l e c t r i cc h a r g ei nc o a lr o c k c o n t a i n i n gg a sw i t hb u r s t i n gt e n d e n c yi sp u tf o r w a r d ．O nt h eo n eh a n d ，t h ei n t e I f a c ep o t e n t i a le n e r g yn e a rt h ec r a c k s u r f h c eo fc o a lr o c ke x c e e d st h es t a n d a r di n t e r f a c eb a r r i e ro fc o a lr o c ki n t e d ’a c e ．w h i c hr e s u l t si nt h em o v e m e n to fe l e c t r i cc h a r g ep a r t i c l e sw i t hd i f 琵r e n ta t t r i b u t e st o w a r d sd i f 如r e n td i r e c t i o n sa n de x p l a i n st h ea c c e l e m t i o np r o p a g a t i o no f c r a c kc a u s e db ys t r e s sm u t a t i o nl e a d st ot h ep h e n o m e n o n “i m p u l s ec l u s t e r si ne l e c t r i cc h a 唱es i g n a l s ．O nt } l eo t h e r h a n d ，t h ep o r ei nc o a lr o c ki si n t e r c o n n e c t e d ，a n dt h eg a sn o w su n d e rd i f k I - e n t i a lp r e s s u r e ．S t e m G o u ye l e c t r i cd o u b l e l a y e rs t l l l c t u r ep r o d u c e sn o w i n ge l e c t r i cc h a 曙e ，t h en o w i n ge l e c t r i cc h a 唱ec o n t r i b u t e sa d d i t i o n a lq u a n t i t yt ot h ec h a 增e s i g n a lo fc o a lm c k ，w h i c he x p l a i n st h eq u a s i r e c t a n g u l a rw a v ec h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i cc h a r g es i g n a lo fc o a lr o c kc o n t a i n i n gg a sw i t hb u r s t i n gt e n d e n c y ．T h er e s u l t sp I ．o v i d eb a s i ci n { b 瑚a t i o nf o rt l l ee l e c t r i cc h a r g ei n d u c t i v em e t h o dm o n i t o r i n ga n de a r l yw 锄i n go fr o c kb u r s ta n dg a so u t b u r s tc o m p o u n dd y n a m i cd i s a s t e r ． K e yw o r d s c o a lr o c kc o n t a i n i n gg a s ；b u r s t i n gt e n d e n c y ；e l e c t r i cc h a r g ei n d u c t i o n ；s l i po fc m c k s ；g a sm i 伊a t i o n 煤矿冲击地压是煤矿井下巷道、煤柱和采掘工作 面等煤岩体突然迅猛破坏而造成的一种动力灾害，冲 击地压发生时，煤岩体内所积聚的能量大部分以动能 及应力波的形式释放，造成巷道和工作面严重破坏， 掀翻生产设备，破坏支架，导致瓦斯异常涌出，造成人 员伤亡‘2 1 。随着我国煤矿开采向深部转移，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 产构成了极大的威胁。因此，有效的动力灾害监测方 法和手段研究已成为保障煤炭资源安全高效开采的 重要科学问题。 已有研究表明∞。8 j ，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，且产生的电荷信号与煤岩动力过程密 切相关，包含煤岩变形破裂力学过程的大量信息，电 荷感应信息能综合反映冲击地压发生过程中各阶段 的破坏特征，电荷信号的分布趋势、电荷参数的量化 分析可作为煤岩破裂过程力学性质变化以及动力灾 害显现的预警信息。关于电荷感应技术，国内外学者 进行了大量研究，N I T s O N 一1 通过实验室实验研究了 岩石的压电效应，得出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。B o 几A P o B M I 王，n A P X o M E H K o ”“。在1 9 5 3 年采用实验方法，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。潘一山等2o 对煤岩体拉伸破坏过程 电荷感应信号规律进行了研究，得出了煤岩体拉伸过 程中有自由电荷产生，电荷信号异常区域与应力突变 阶段相对应。赵扬锋等3 。1 4 1 对单轴压缩条件下煤样 电荷信号规律进行了研究，得出煤样在加载初期有少 量电荷信号产生，随着荷载的增加，电荷信号数量有 所增加且电荷幅值也增大。王岗等纠对煤体剪切破 坏过程中的电荷规律进行了研究，得出随剪切角增 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。罗浩等刮对单轴压缩条件下含水 煤体电荷规律进行了研究，从水通过削弱煤体强度进 而影响电荷信号，S t e m 双电层中形成流动电荷增强 了煤体电荷信号，水的存在增加了煤体破裂面自由电 荷存留时间3 个方面总结了水对煤体电荷的影响机 理。丁鑫等Ⅲ1 对煤岩破裂过程电荷信号时一频域特 性进行了研究，得到电荷时一频域信号幅值与煤岩应 力变化具有良好的一致性。 以往研究通常局限于不同加载方式或不同环境 条件下对煤体破裂电荷感应规律进行研究，缺少关于 煤岩属性与含瓦斯情况下加载破坏感应电荷关系研 究，同时较少进行机理探讨。煤的冲击倾向性是煤的 固有属性，是冲击地压发生的内在因素，在外部环境 条件相同的情况下，冲击倾向性越强煤层发生冲击地 压的可能性越大，同时煤的冲击倾向性受其内部矿物 质组成、微观结构、含水率等影响显著，煤层赋存环境 中的瓦斯因素也会对煤的冲击倾向性产生较大影响。 瓦斯是煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出复合动力灾害 发生的主控因素之一，对煤的冲击倾向性影响不可忽 视。因此，笔者开展含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏 电荷感应监测试验，探究冲击倾向性煤体加载破坏电 万方数据 6 8 6 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 荷感应规律并进行机理分析，为深入研究煤矿动力灾 害电荷监测预警技术奠定基础。 1 试验系统及方法 1 ．1 试验系统 试验系统由加载系统、屏蔽系统、电荷信号监测 系统组成综合监测采集系统，如图1 所示。加载系统 主要由轴压和围压加载系统组成，其中轴压加载采用 金力试验技术有限公司生产的Y A w 一2 0 0 0 型电液伺 服压力试验机，可选择位移控制或力控制加载方式， 围压加载系统采用高压氩气瓶，由于氩气吸附解吸性 质与瓦斯气体相似，同时氩气为惰性气体对煤岩破裂 电荷信号影响较小，因而试验过程以氩气代替瓦斯气 体。 图l 试验系统 F i g ．1E x p e “m e n ts y s t e m 煤岩三轴加载夹持装置采用不锈钢材料制作，主 要由缸体、传力柱、导向筒、上端盖、压紧螺母和上、下 方锥形压头组装，如图2 所示。电荷信号监测系统主 要由非接触式电荷感应探头、电荷放大器和数据采集 器组成。屏蔽系统为煤岩三轴加载夹持装置，并且与 压力机连接的压头与试样之间用绝缘纸进行绝缘，屏 蔽前后电荷信号对比如图3 所示，通过与噪声信号对 比，煤岩电荷屏蔽系统屏蔽效果较好。 1 ．2 试样制备 试验所用的原煤来自阜新五龙矿、平顶山六矿、 通化八宝矿某煤层，采样时将井下大块原煤采用塑料 薄膜密封后运至井上装木箱 尺寸不小于2 0 0m m 2 0 0m m 2 0 0m m ，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切割机制备成长 宽高为5 0m m 5 0m m 1 0 0m m 的长方体标准煤体 试样，并在磨平机上将切割好的煤岩试样按平整度不 超过0 ．2m m 的标准磨平。 1 ．3 试验方案 试验首先对各矿煤样进行单轴加载试验，测试3 个矿井煤的冲击倾向性。其次对不同冲击倾向性煤 1 一传力柱；卜1 一瓦斯入口1 _ 2 一传力柱中心扎；2 一上端盖 2 1 一上端盖把手插孔；3 一压紧螺母3 1 一压紧螺母把手插孔； 4 一缸体；4 一l 一围压出入口4 2 一缸体把手插孔；4 3 一瓦斯出口； 5 一煤岩电荷传感器；仁橡胶密封圈；7 一下部方锥形压头； 8 一煤岩试样；9 一绝缘压垫；l 旺上部方锥形压头；1 1 一导向筒 图2 煤岩三轴加载夹持装置示意 F i g ．2 S c h e m a t i cd i a g r a mo fc o a lm c kc l a l l l p i n g d e v i c eu n 1 e rt r i a x i a ll o a d i n g 样进行加载破坏电荷监测试验，试验中电荷监测系统 采样频率设为25 0 0H z ，探究不同冲击倾向性煤体单 轴压缩破坏电荷感应规律；最后选择强冲击倾向煤 样，在1 ，2 ，3M P a 瓦斯压力下进行电荷信号监测，探 究不同瓦斯压力作用下煤体冲击倾向性及电荷感应 规律。 2 煤的冲击倾向性测试 遵照中华人民共和国国家标准冲击地压测定、 监测与防治方法第2 部分煤的冲击倾向性分类及 指数的测定方法 G B ／T2 5 2 1 7 ．2 2 0 l O 8 。对阜新 五龙矿、平顶山六矿、通化八宝矿某煤层取样进行冲 击倾向性测试，试验中测定煤体单轴抗压强度、弹性 能指数、冲击能指数、动态破坏时间见表l ，对照标准 中冲击倾向性综合评判结果表2 ，综合评价五龙矿所 采煤体属于Ⅲ类，具有强冲击倾向性；平顶山六矿所 采煤体属于Ⅱ类，具有弱冲击倾向性；通化八宝煤矿 所采煤体属于I 类，无冲击倾向性。 3 不同冲击倾向性下煤体压缩破坏电荷感应 规律 通过试验同时得到阜新五龙煤矿、平顶山六 矿、通化八宝煤矿煤样的应力一应变和轴向应力一时 间一电荷信号变化曲线，如图4 ～6 所示。图中蓝色 线表示煤体电荷量 c o a lE l e c t r i cc h a r g eQ u a n t i t y ，简 写为c E c Q ，单位p c ，黑色线表示煤体轴向应力， 下同。 万方数据 第2 期 罗 浩等含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏电荷感应规律 6 8 7 1 5 0 0 吕9 0 0 j 四3 0 0 粤 3 0 0 忠_ 9 0 0 、卜一l5 0 0舢灿山山山叫山山J 山灿I 【山』』山j 山山4 | | | | | 山| | | | OO ．51 ．O1 ．52 ．02 ．53 ．03 ．54 ．O4 ．55 ．O 时间／s 5 0 0 } 噪声信号频谱 烈l 。．1 上l l 一．．1 。 吕 趔 坚 Ⅱp 扪Ⅱ OO ．51 ．O152 ．O2 ．53 ．O3 ．54 O4 ．55 ．O 时间／s 002 04 06 08 0l O O1 2 01 4 0 频率，} I z b 屏蔽信号及其频谱 图3外界干扰信号与屏蔽信号对比 F i g ．3C o m p a r i s o nb e t w e e nt h ei n t e I k r e n c ea n ds h i e l d i n gs i g n a l 表l 煤的冲击倾向性测定试验数据 T a b l e1D a t ao fc o a ls a m p l eb u r s t i n gI i a b i l i t yd e t e r m i n a t i o n 表2 煤的冲击倾向性综合测定结果 T a b l e2B u r S t i n gl i a b i l i t yc o m p r e h e n s i V ed e t e r m i n a t i o nr e s u l t so fd i f f e r e n tc o a ls a m p I e s 3 ．1 强冲击倾向煤体加载电荷感应监测结果 分析图4 可以看出，五龙煤矿强冲击倾向性煤体 单轴抗压强度较高，达到1 8 ．1M P a ，其破坏过程具有 明显的突发性特征，由极限强度至破坏历时短暂，无 明显的软化阶段。煤样初始压密阶段，煤体电荷信号 稳定。煤体弹性变形阶段出现两次较大应力调整，初 次为应力达到极限强度3 2 ．6 ％时，该过程伴随 1 ．5M P a 应力降低，同时煤体电荷信号第1 次大幅度 震荡，煤体电荷信号最值达到4 1 ．7p c ，煤体内部发 生微破裂；随着加载进行，当应力达极限强度8 8 ．9 ％ 时，伴随1 ．oM P a 应力降低，同时电荷信号第2 次大 幅度震荡，由于临近极限强度煤体内部新生裂纹大量 扩展，煤体电荷信号最值达到5 9 ．8p c ，达到极限强 度后内部微裂纹相互贯通形成宏观裂纹导致煤样最 如“ m ∞ O O O O ∞q兰QuI 万方数据 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 终发生破坏，破坏瞬间伴随电荷信号较大波动，煤体 失去承载能力后电荷信号恢复平稳状态。 S t r a i n ／％ a 应力一应变 I l m e ／s b 轴向应力一时问一电荷信号 图4 五龙煤矿强冲击倾向煤体电荷监测试验结果 F i g ．4 T e s tr e s u l t so fe l e c t r i cc h a r g em o n i t o r j n go fc o a lm c k w i t hs t r o n gb u r s “n gt e n d e n c yi nW u l o n gc o a lm i l l e 3 ．2 弱冲击倾向煤体加载电荷感应监测结果 分析图5 可以看出，平顶山六矿弱冲击倾向性煤 体单轴抗压强度为1 1 ．8M P a 。加载过程中主要经历 了一次应力的大幅调整，当应力达到极限强度 6 1 ．9 ％时，伴随2 ．4M P a 应力降低，而后应力缓慢爬 升，该过程电荷信号大幅度震荡，形成多个脉冲簇现 象，电荷信号峰值为5 2 ．9p c 。随着加载应力的均匀 增加，电荷信号基本稳定。当煤体达到极限强度时， 煤体应力缓慢下降，该过程电荷信号变化较小，当应 力降低至1 0 ．1M P a 时，煤体内部微裂纹相互贯通形 成宏观裂纹应力瞬间跌落，煤体失去承载能力，伴随 煤体电荷信号较大波动。 3 ．3 无冲击倾向煤体加载电荷感应监测结果 分析图6 可以看出，八宝煤矿无冲击倾向性煤体 单轴抗压强度较低，为6 ．0M P a 。加载过程中应力调 整较小，极限强度前煤体电荷信号均无较大信号产 生，极限强度后期煤体内部裂纹不断扩展，伴随煤体 缓慢破坏，承载能力不断下降，煤体电荷信号峰值为 4 2 ．2p c ，小于强冲击倾向性和弱冲击倾向性煤体电 荷信号。因此无冲击倾向煤体加载全过程中电荷信 号主要集中于极限强度后期，且电荷信号较小。 3 ．4 冲击倾向性煤体加载感应电荷事件数统计分析 对3 组试验数据煤体极限强度前和极限强度附 S t r a i n ／％ a 应力一应变 A x i a ls t r e s s ．∥ 一C E C 0 ／ 。／j ／r | T i m e ／s b 轴向应力～时间电荷信号 图5 平顶山六矿弱冲击倾向煤体电荷监测试验结果 F i g ．5 T e s tr e s u l t so fe l e c t r i cc h a r g em o n i t o r i n go fc o a lr o c k w i t hw e a kb u r s “n gt e n d e n c yi nP i l l g d i n g s h a nc o a ln 】i n e S t r a i n ／％ a 应力一应变 1 1 m e ／s b 轴向应力一时间一电荷信号 图6 八宝煤矿无冲击倾向煤体电荷监测试验结果 F i g ．6 T e s tr e s u l t so fe l e c t r i cc h a r g em o n i t o r i n go fc o a l I ．o c kw i t h o u tb u r s t i n gt e n d e n c yi nB a b a oc o a lm i n e 近冲击过程煤体电荷信号峰值、累计时问、累积电 荷事件数、单位时问电荷事件数进行统计，见表3 。 统计发现，煤体极限强度前，随着煤体冲击倾向性 减弱，煤体电荷信号峰值有降低趋势，累积电荷事 件数减少，单位时间电荷事件数降低；煤体极限强 o A ＼口u ∞u O O O 如 ∞ ∞ 6 4 2 O 一 一 一O 2 O 8 6 4 2 O ∞岛兰■sa扫∞i爱 万方数据 第2 期罗浩等含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏电荷感应规律 度附近破坏过程中，破坏瞬间电荷事件数达最大 值，强冲击倾向性煤体单位时间电荷事件数为2 1 7 ， 弱冲击倾向性煤体单位时间电荷事件数为1 2 6 ，无 冲击倾向性煤体单位时间电荷事件数为1 1 ，随着煤 体冲击倾向性减弱，煤体电荷信号峰值降低，煤体 破坏累计时间增大，单位时间电荷事件数降低。因 此冲击倾向性越强的煤体试样破坏时间短，裂纹扩 展速率快，单位时间内产生的电荷量多，因而单位 时间电荷事件数的大小与煤体内部裂纹扩展速度 相关。 表3 煤体单轴压缩冲击破坏电荷信号特征 T a b l e3 E l e c t r i cc h a r g es i g n a lc h a r a c t e r i s t i c so fc o a lr o c ku n d e ru n i a x i a I 咖p r e s s i o n 4 含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏电荷感应 规律 4 ．1 瓦斯对煤体冲击倾向性影响 煤层中瓦斯以吸附与游离状态赋存，9 0 ％的瓦斯 吸附于煤体的微孔裂隙中9 | ，其中吸附状态瓦斯改 变了煤体物理力学性质，降低了煤体极限强度，高应 力作用下煤体更容易破坏；1 0 ％的瓦斯游离于煤层微 孔裂隙中，对煤体产生张拉作用，使得含瓦斯煤体内 有较大膨胀能，是发生煤与瓦斯突出的重要因素之 一。文献[ 2 0 ] 通过对平煤集团十二矿己。，煤层煤样 进行了冲击倾向性测试，试验结果如图7 所示，结果 表明，冲击能量指数和弹性能量指数随吸附瓦斯压力 图7冲击和弹性能量指数随吸附瓦斯压力的变化趋势 F i g ．7I m p a c ta n de l a s t i ce n e r g yi n d i c e sw i t hg a s a d s o r b e n tp r e s s u r e 的增加而降低，当煤体在瓦斯压力为O 时具备弱冲击 倾向，而在2M P a 时无冲击倾向性。研究发现，瓦斯 压力是煤矿复合动力灾害发生的主控因素之一，对于 高瓦斯矿井在深部开采中瓦斯对煤体冲击倾向性影 响不可忽视。因此，开展瓦斯作用下冲击倾向性煤体 电荷感应试验研究至关重要。 4 ．2 瓦斯作用下强冲击倾向煤体加载电荷感应监测 结果 选择阜新五龙煤矿强冲击倾向煤体，在1 ，2 ， 3M P a 瓦斯压力下进行电荷信号监测，得到强冲击倾 向性煤体不同瓦斯压力下应力一应变曲线及电荷信 号监测结果，如图8 1 0 所示。 通过比较发现，强冲击倾向煤体在不同瓦斯压力 下加载破坏电荷感应信号频域规律基本相同，篇幅所 限，笔者仅选择了几组典型试验结果进行分析。 如图8 所示，当瓦斯压力为lM P a 时，强冲击倾 向煤体极限强度降低为1 4 ．1M P a ，瓦斯对煤体具有 软化作用。煤体极限强度前，对应于煤体应力调整阶 段电荷信号表现有3 次较大变化，对应的电荷信号仍 表现为脉冲簇特征，极限强度前电荷信号峰值 为5 7 ．8p c 。极限强度后煤体应力经过两次降低后 失去承载能力，应力的两次降低对应电荷信号的两次 大幅震荡，极限强度后电荷信号峰值为5 8 ．2p c ，略 小于无瓦斯作用煤体加载情况。 如图9 所示，当瓦斯压力为2M P a 时，煤体极限 强度降低为1 2 ．1M P a ，瓦斯压力以体积力的形式作 用于煤体，临近极限强度附近煤体应力一应变曲线表 现出明显的屈服特性。煤体弹性变形阶段，当应力达 到极限强度6 2 ．1 ％时，应力无变形变化，电荷信号表 现两次较小波动。临界峰值强度，由于瓦斯存在，煤 万方数据 6 9 0 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 1 5 矗1 2 皇 童9 皇 二6 霎 3 O O ．40 ．81 ．2 1 ．62 ．0 2 ．4 S t r a i “％ a 应力一应变 U a d U 山 U T i m e ／s b 轴向应力一时间一电荷信号 图8强冲击倾向性lM P a 瓦斯压力下煤体电荷监测结果 F 嘻8 R e s u l t so fe l e c t r i cc h a 唱em o n i t o r i n go fc o a ll o c ku n d e r s t m n gb u r s t i n gl i a b i l i t ya n d1 M P ag a sp r e s s u r e S t r a i n ／％ a 应力一应变 U △ 口 U 山 U I l m e ／s b 轴向应力一时间一电荷信号 图9强冲击倾向性2M P a 瓦斯压力下煤体电荷监测结果 F i g ．9 R e s u 】t s o fe l e c tr i cc h a r g em o n i t o r i n go fc o a lr o c ku n d e r s t r o n gb u r s t i n gl i a b i l “ya n d2M P ag a sp r e s s u r e 体屈服特性显著，该过程电荷信号表现为脉冲簇现 象，信号峰值为3 8 ．4p c 。峰值强度后，煤体应力迅 速跌落，电荷信号发生剧烈震荡，信号峰值达 到5 2 ．9p c ，小于1M P a 瓦斯压力作用的煤体电荷信 号。 如图1 0 所示，当瓦斯压力为3M P a 时，煤体极限 强度降低为9 ．1M P a ，瓦斯压力以体积力的形式作用 于煤体，临近极限强度附近煤体应力一应变曲线表现 出明显的屈服特性。煤体弹性变形不明显，当应力达 到极限强度4 8 ．7 ％时，应力缓慢上升，电荷信号表现 较小波动。临界峰值强度，由于瓦斯存在，煤体屈服 特性显著，该过程电荷信号表现为脉冲簇现象，信号 峰值为5 1 ．3p c ，大于2M P a 瓦斯压力作用的煤体电 荷信号。峰值强度后，煤体应力应变曲线缓慢下降， 表现在瓦斯压力的增大，增加了煤体的延性，同时降 低了其发生脆性破断的概率，电荷信号峰值达到 4 8 ．9p c ，小于2M P a 瓦斯压力作用的煤体电荷信号。 S t r a i n ／％ a 应力一应变 T i m e ／s b 轴向应力一时间一电荷信号 图1 0 强冲击倾向性3M P a 瓦斯压力F 煤体电荷监测结果 F i g ．10 R e s u l t so fe l e c Ⅲcc h a 。g en l o n i t o r i n go f c o a lr o c ku 1 1 1 e r s t I - 0 1 1 9b u r s t i n gl i a b i J i t ya J 1 13M P ag a sp l e s s u r e 4 ．3 含