三軸應(yīng)力-電荷試驗(yàn)在工作面開挖中的應(yīng)用

三軸應(yīng)力-電荷試驗(yàn)在工作面開挖中的應(yīng)用

0礦山動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)礦山動(dòng)力災(zāi)害（地壓、煤炭、磚瓦突出、井突水等）主要是由采礦活動(dòng)引起的。主要發(fā)生在地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地應(yīng)力大、破壞活動(dòng)明顯的礦區(qū)。其產(chǎn)生的機(jī)制非常復(fù)雜，嚴(yán)重影響了礦山的安全生產(chǎn)。隨著我國(guó)煤礦開采深度的增加和采掘的高強(qiáng)度機(jī)械化,礦山動(dòng)力災(zāi)害的威脅也在逐步增大。因此,采取有效的監(jiān)測(cè)技術(shù)來預(yù)測(cè)礦山動(dòng)力災(zāi)害對(duì)確保煤礦安全生產(chǎn)顯得尤為重要。目前對(duì)礦山動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)的研究尚不完善,大多數(shù)研究?jī)H是對(duì)煤礦動(dòng)力災(zāi)害后所造成的災(zāi)害情況進(jìn)行報(bào)道,或通過統(tǒng)計(jì)分析研究煤礦動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生前后煤巖體變形破壞規(guī)律。目前礦山動(dòng)力災(zāi)害的監(jiān)測(cè)主要采用儀器監(jiān)測(cè)法,包括常規(guī)鉆屑法、聲發(fā)射法、電磁輻射法和微震監(jiān)測(cè)法等,然而這些預(yù)測(cè)方法的準(zhǔn)確率都不是很高,適用性也不是很強(qiáng),難以滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際要求。國(guó)內(nèi)外大量研究成果表明,巖石變形破裂過程中有電荷信號(hào)產(chǎn)生。Nitson,徐為民等報(bào)道了實(shí)驗(yàn)室?guī)r石壓電效應(yīng)的研究結(jié)果。V.S.Kuksenko等用靜電計(jì)測(cè)量到對(duì)大理巖加載時(shí)有感應(yīng)電荷產(chǎn)生,并且發(fā)現(xiàn)巖石在突然加卸載時(shí)感應(yīng)電荷急劇增加,隨后逐漸衰減。趙揚(yáng)鋒等研制了具有低功耗、非接觸式、高放大倍數(shù)、高效率、便攜帶等特點(diǎn)的電荷傳感器,同時(shí)研究了單軸加載煤巖變形破裂過程中電荷感應(yīng)信號(hào)變化規(guī)律。以往對(duì)煤巖破裂過程中感應(yīng)電荷的研究?jī)H限于單軸加載情況,且很少將研究成果應(yīng)用于煤礦現(xiàn)場(chǎng),筆者將以自主研制的電荷傳感器,通過試驗(yàn)的方法監(jiān)測(cè)煤巖破裂前兆電荷信息,試驗(yàn)選取我國(guó)某礦采面煤體為研究對(duì)象,分別進(jìn)行室內(nèi)煤體三軸壓縮電荷感應(yīng)試驗(yàn)和隨工作面推進(jìn)煤體電荷監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證電荷監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)越性。1室內(nèi)試驗(yàn)與研究1.1標(biāo)準(zhǔn)試樣系統(tǒng)大塊煤樣取自某礦工作面,后經(jīng)實(shí)驗(yàn)室切割機(jī)加工制成50mm×50mm×100mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣。試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括加載系統(tǒng)、電荷采集系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)。加載系統(tǒng)中軸壓加載采用2000kN液壓試驗(yàn)機(jī),圍壓由高壓氬氣瓶向三軸壓力室內(nèi)充氣加載,如圖1所示,電荷采集系統(tǒng)同文獻(xiàn),采用網(wǎng)格密度為1mm2的雙層銅網(wǎng)作為屏蔽材料,試驗(yàn)過程中室內(nèi)溫度為26℃。1.2試驗(yàn)方法和過程試驗(yàn)按如下步驟進(jìn)行:1)將標(biāo)準(zhǔn)煤樣置于上下壓頭之間,煤樣與上下壓頭之間放置絕緣紙絕緣,將長(zhǎng)度約180mm熱縮管包裹煤樣表面,采用電吹風(fēng)加熱熱縮管使其與煤樣表面接觸緊密,將包裹好的煤樣置于三軸壓力室后,安裝電荷傳感器,使其探頭距離煤樣表面8~10mm。2)試驗(yàn)中的各儀器參照?qǐng)D1進(jìn)行連接,并檢查儀器工作狀態(tài),待儀器正常工作后,通入惰性氣體對(duì)煤樣施加圍壓。3)先啟動(dòng)壓力機(jī),然后啟動(dòng)載荷位移記錄系統(tǒng),選擇位移加載方式,加載速度控制為0.5mm/min,啟動(dòng)電荷采集系統(tǒng),選擇采樣頻率、觸發(fā)模式,開始試驗(yàn),直至試樣破壞。4)試驗(yàn)結(jié)束后,先停止信號(hào)采集,再停止壓機(jī)。1.3煤體荷載-時(shí)間雙y曲線為防止圍壓氣體對(duì)電荷信號(hào)的影響,試驗(yàn)過程中,采用惰性氣體氬氣對(duì)煤體施加圍壓。在不同條件下對(duì)大量煤樣進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),選取圍壓為0,1,3MPa等3塊典型煤樣進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,并繪制了軸向應(yīng)力-感應(yīng)電荷-時(shí)間雙Y曲線,如圖2—圖4所示。由圖2—圖4中3組數(shù)據(jù)可以看出:煤樣壓實(shí)階段,煤樣中孔隙裂隙閉合,電荷信號(hào)幅值平穩(wěn);線彈性變形階段煤體內(nèi)部積累變形能,發(fā)生小范圍破裂,該過程有少量感應(yīng)電荷,其信號(hào)呈現(xiàn)出陣發(fā)性、脈沖狀且持續(xù)時(shí)間較短等特點(diǎn);非彈性變形階段,煤體積累了足夠能量,產(chǎn)生大量微裂紋,該階段電荷信號(hào)幅值波動(dòng)較大,煤體中大量微孔裂隙不斷匯集、貫通,最終煤體失穩(wěn),電荷信號(hào)波動(dòng)劇烈。3組試驗(yàn)中,隨著圍壓不斷升高,煤體極限強(qiáng)度增大,圍壓作用延緩了煤體的變形破壞速度,同時(shí)電荷信號(hào)整體向后延遲;圍壓越大,電荷信號(hào)越豐富。圍壓對(duì)電荷信號(hào)起到了延緩、強(qiáng)化的作用。2現(xiàn)場(chǎng)考試和研究2.1測(cè)量點(diǎn)的配置選擇某礦工作面回風(fēng)巷進(jìn)行測(cè)試,自工作面煤壁開始,每15m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn),如圖5所示。2.2清幫清底、電荷電荷信號(hào)異常3個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)間為2010年5月27日—6月19日,每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量時(shí)間間隔為5min,對(duì)每小時(shí)測(cè)得的12組數(shù)據(jù)取平均值繪制曲線。工作面平均開采速度約1m/d,圖6為隨著工作面的推進(jìn),各個(gè)測(cè)點(diǎn)距工作面距離。圖7為5月27日—6月11日1號(hào)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的電荷信號(hào)和煤體應(yīng)力數(shù)據(jù)。從圖7中可以看出監(jiān)測(cè)過程中電荷、煤體應(yīng)力的變化:5月28日—30日電荷、煤體應(yīng)力數(shù)據(jù)均發(fā)生變化,其中電荷信號(hào)在此期間幅值波動(dòng)較大,其后緩慢平穩(wěn)下來,煤體應(yīng)力有微小增加,之后降低趨于平穩(wěn),其原因是打鉆影響孔壁處煤體碎裂,受煤體中游離瓦斯釋放和和吸附瓦斯解吸影響,該過程監(jiān)測(cè)到大量電荷信號(hào),隨著瓦斯的抽放,電荷信號(hào)逐漸平穩(wěn)。此后一段時(shí)間里電荷、應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)一直處于穩(wěn)定狀態(tài),基本沒有變化。6月5日,電荷信號(hào)幅值優(yōu)先波動(dòng),應(yīng)力無明顯變化,6月6—10日,應(yīng)力在前2d開始增大,后2d急劇增大,電荷信號(hào)幅值波動(dòng)較小,該過程中對(duì)巷道進(jìn)行了清幫清底,導(dǎo)致煤體應(yīng)力、電荷數(shù)據(jù)異常,最終1號(hào)測(cè)點(diǎn)距離工作面0.2m,完全進(jìn)入破碎區(qū),整個(gè)監(jiān)測(cè)過程中該測(cè)點(diǎn)電荷信號(hào)主要發(fā)生2次異常。圖8為5月27日—6月19日2號(hào)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的電荷信號(hào)和煤體應(yīng)力數(shù)據(jù)。從圖8中可以看出監(jiān)測(cè)過程中電荷、煤體應(yīng)力的變化:在5月28—30日電荷信號(hào)波動(dòng)較小,煤體應(yīng)力略有增加,隨后恢復(fù)穩(wěn)定,該測(cè)點(diǎn)電荷信號(hào)受打鉆導(dǎo)致的孔壁處煤體破碎影響較小,煤體中游離瓦斯釋放和吸附瓦斯解吸影響較小。之后幾天里電荷、煤體應(yīng)力信號(hào)處于穩(wěn)定狀態(tài),基本沒有變化。6月4—10日電荷信號(hào)優(yōu)先波動(dòng),煤體應(yīng)力在此期間變化較小,該過程中巷道進(jìn)行了清幫清底同時(shí)煤體進(jìn)入應(yīng)力集中區(qū),導(dǎo)致監(jiān)測(cè)點(diǎn)電荷數(shù)據(jù)異常。6月11—19日,電荷信號(hào)陣發(fā)性變化,煤體應(yīng)力大幅升高且波動(dòng)較大。最終2號(hào)測(cè)點(diǎn)距工作面2m左右,煤體進(jìn)入破碎區(qū),整個(gè)監(jiān)測(cè)過程中該測(cè)點(diǎn)電荷信號(hào)主要發(fā)生3次異常。圖9為5月27日—6月19日3號(hào)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的電荷信號(hào)和煤體應(yīng)力數(shù)據(jù)。從圖9中可以看出監(jiān)測(cè)過程中電荷、煤體應(yīng)力的變化情況。5月27—28日,打鉆影響孔壁處煤體破碎,受煤體中游離瓦斯釋放和吸附瓦斯解吸電荷信號(hào)出現(xiàn)波動(dòng)。隨著瓦斯的抽放,電荷信號(hào)很快平穩(wěn),保持穩(wěn)定。6月7—10日煤體應(yīng)力與電荷信號(hào)大幅度波動(dòng),隨后煤體應(yīng)力值不斷降低,并小范圍變化,電荷信號(hào)再次保持穩(wěn)定,該過程中對(duì)巷道進(jìn)行了清幫清底,同時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于煤體應(yīng)力集中區(qū)電荷數(shù)據(jù)異常。6月19日停止數(shù)據(jù)采集,此時(shí)3號(hào)測(cè)點(diǎn)距離工作面18.5m,整個(gè)監(jiān)測(cè)過程中該測(cè)點(diǎn)電荷信號(hào)發(fā)生2次異常。根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果,可以看出1號(hào)測(cè)點(diǎn)在距工作面13,6m附近,2號(hào)測(cè)點(diǎn)距工作面20,14和5m附近,3號(hào)測(cè)點(diǎn)距工作面44,32m附近電荷監(jiān)測(cè)值出現(xiàn)異常,其初始異常大多由鉆孔過后煤體破裂、瓦斯運(yùn)移導(dǎo)致,特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間較短且幅值較小,其他時(shí)間段電荷信號(hào)異常均是由煤體處于應(yīng)力集中區(qū)域或破碎區(qū)域,或是對(duì)巷道進(jìn)行清幫清底所導(dǎo)致。電荷信號(hào)變化先于煤體應(yīng)力變化,電荷感應(yīng)幅值與煤體應(yīng)力突變存在一定聯(lián)系,因此,電荷監(jiān)測(cè)技術(shù)可以用來預(yù)測(cè)礦山動(dòng)力災(zāi)害。1號(hào)測(cè)點(diǎn)靠近工作面應(yīng)力集中區(qū),開采過程中高強(qiáng)度煤體破裂產(chǎn)生脈沖狀電荷信號(hào),3號(hào)測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離工作面應(yīng)力集中區(qū),隨著工作面的推進(jìn),煤體應(yīng)力重新分布,3號(hào)測(cè)點(diǎn)電荷信號(hào)異常相對(duì)1號(hào)測(cè)點(diǎn)滯后發(fā)生,可見隨著工作面向前開挖,電荷信號(hào)的變化超前于煤體應(yīng)力的變化。3煤壁的荷環(huán)境分析近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為,巖石變形破裂過程中電荷的分離是壓電效應(yīng)、摩擦作用、微破裂導(dǎo)致裂隙尖端電荷分離、位錯(cuò)、流動(dòng)電勢(shì)和電場(chǎng)等共同作用、綜合疊加的結(jié)果。筆者認(rèn)為,其主要原因是應(yīng)力作用下微破裂和摩擦導(dǎo)致了煤巖材料裂隙尖端電荷分離。地層中煤體未受采掘影響時(shí),基本上處于準(zhǔn)平衡狀態(tài)。掘進(jìn)或回采空間形成后,工作面煤體失去應(yīng)力平衡,處于不穩(wěn)定狀態(tài),煤壁中的煤體必然發(fā)生變形或破裂,以向新的應(yīng)力平衡狀態(tài)過渡。煤體在此過程中會(huì)產(chǎn)生電荷分離。如圖10所示,采掘空間形成后,工作面前方依次存在著3個(gè)區(qū)域,分別是應(yīng)力松弛區(qū)(即卸壓帶)、應(yīng)力集中區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)。以2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例,圖8中,6月5日2號(hào)測(cè)點(diǎn)距離工作面約20m,煤體進(jìn)入應(yīng)力集中區(qū),電荷信號(hào)出現(xiàn)異常波動(dòng),6月5日之前煤體處于原始應(yīng)力區(qū),電荷信號(hào)波動(dòng)較小,故電荷信號(hào)異常的分界點(diǎn)處于應(yīng)力集中區(qū)與原始應(yīng)力區(qū)過渡段。煤體前方的這3個(gè)區(qū)域始終存在,并隨著工作面的推進(jìn)而前移,松弛區(qū)煤體處于破碎狀態(tài),有脈沖狀電荷信號(hào)產(chǎn)生;由松弛區(qū)到應(yīng)力集中區(qū),應(yīng)力值越來越高,在垂直于煤壁內(nèi)部方向上監(jiān)測(cè)到瞬時(shí)脈沖狀電荷信號(hào),該區(qū)域電荷信號(hào)達(dá)到極值;越過煤體應(yīng)力峰值區(qū)進(jìn)入原始應(yīng)力區(qū)后,電荷信號(hào)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。煤體釋放的電荷綜合地反映了工作面前方煤巖體的應(yīng)力集中程度和破壞程度。應(yīng)力集中程度越高時(shí)電荷信號(hào)越強(qiáng),電荷信號(hào)強(qiáng)度和位置2個(gè)參數(shù)綜合反映了工作面前方煤體應(yīng)力集中程度。因此,用電荷監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠預(yù)測(cè)礦山動(dòng)力災(zāi)害。4煤體釋放荷結(jié)果分析利用自主研制的電荷傳感器,對(duì)某礦工作面煤樣開展室內(nèi)試驗(yàn),并對(duì)該工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,分析了煤體在變形破壞過程中的電荷釋放規(guī)律,主要得出以下結(jié)論:1)煤體三軸壓縮過程中釋放電荷大多集中在極限強(qiáng)度以后,電荷信號(hào)是陣發(fā)性的;圍壓愈大,電荷信號(hào)極值愈大,滯后性愈加明顯。2)煤體釋放電荷與煤體所處的應(yīng)力水平關(guān)系密切。原巖應(yīng)力區(qū)測(cè)得的電荷感應(yīng)幅值較小,應(yīng)力集中