冲击地压、煤与瓦斯突出是当今采矿工程面临的主要动力灾害［1 － 3］，随着矿产资源开采规模及开采深度的日益增加，煤矿动力灾害发生频次和破坏程度愈加强烈，严重影响煤矿安全开采和现场人员生命安全，动力灾害的预测是当前矿业工程学科的热点、难点之一。实践表明，动力灾害发生前均蕴含有丰富而明显的前兆信息变化，监测动力灾害前兆信息变化是解决动力灾害监测预警问题的关键［4 － 6］。

研究表明，岩石材料在外载荷作用下变形破裂伴随有声、光、热、电、磁等现象的产生［7 － 15］。徐为民 等［7］用肉眼观察到花岗岩在空气中单轴压缩破裂时的闪光现象。郭自强等［8 － 9］在实验室条件下研究了花岗岩样品受单轴压缩破裂过程中的光和声发射效应，发现除在主破裂时有大的光脉冲和声发射外，在主破裂前也记录到弱的光脉冲，它们与大的声发射率具有同步现象，同时利用 G － M 计数器和塑料闪烁体探测器在花岗岩单轴压缩破裂实验中首次记录到电子发射，电子能量分别为 0. 05 和 0. 35MeV 量级。董玉芬等［10］通过对受载煤体变形破裂产生的红外辐射信息进行观测研究，发现了煤体在受力过程中红外辐射温度随应力状态的改变而发生变化。波诺马廖夫A. B. ［11］研究了单轴循环加载条件下岩样破裂时固有带电的变化。郝锦绮等［12］认为岩石破裂时的自电位变化，可以归因于微破裂导致裂隙尖端电荷分离的机理。王恩元等［13］对煤岩等材料变形破裂的电磁辐射特征进行了深入实验研究。潘一山等［14 － 15］研制了具有非接触式、高放大倍数、高效率等特点的电荷传感器，检测到了煤岩材料在不同加载方式下产生的电荷信号。

关于岩石受载破裂产生声发射信号、电荷信号( 以下简称声 － 电信号) 这一现象，国内外学者开展了大量的研究工作，但研究对象大多限于大理岩、花岗岩等硬岩，对于煤这种多孔介质、具有吸附特性的软岩材料研究较少。此外，研究成果大多为单一监测信息，未能充分利用丰富的前兆信息，达到多参量相互融合、相互验证的目的。煤体破裂产生的声 － 电信号是一种物理现象，同时监测含瓦斯煤体变形破裂声 －电前兆信息鲜见报道。笔者通过自行研制的声 － 电监测系统，进行含瓦斯煤体加载破坏声 － 电监测试验，揭示含瓦斯煤体加载破坏过程中声 － 电信号产生机理，划分声 － 电信号预警区域，为应用声 － 电监测技术预测预报矿山动力灾害提供数据基础，有助于煤矿井下冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害的监测预警工作。

1  声 － 电信号监测装置的研制

1. 1 电荷采集系统

系统由电荷传感器和数据采集器构成，电荷传感器分为接收电荷信号的敏感元件即电荷感应部分和信号调理电路两大部分。电荷敏感元件选取剩磁小、灵敏度高的软磁合金材料，加工成圆形和针形两种，圆形探头直径 D1 = 30 mm，针形探头直径 D2 = 2 mm。传感器电路所接收的信号是电荷信号，由于采集信号微弱，为了防止电荷漏掉，选取高输入阻抗多级放大并去噪。电荷传感器采用电荷感应原理，敏感元件以感应而不以传导的方式来传递电的作用，试验过程中电荷传感器前端敏感元件感应前方等量异种电荷。文献［14 － 16］应用该电荷传感器进行室内试验，试验结果表明电荷采集系统稳定，试验数据具有真实可靠性。

信号调理电路中电荷放大级是具有深度电容负反馈的高开环增益的运算放大器。它把传感器的高输出阻抗转变为低输出阻抗，把输入电荷量转变为输出电压量，把敏感元件接收到的微弱信号放大到一个适当的归一化数值，输出电压为

 

放大器输出电压与敏感元件感应电荷量及反馈电容有关，这里选用 10 pF 的高精度电容 C2，电荷传感器灵敏度 ACQ = 1011 V /C，A /D 转换时间为 1. 25μs。

数据采集器选用东华测试技术有限公司生产的DH5923 数据采集分析系统，数据采集器将电荷传感器输出的信号放大、编码等转换成数字信号，以便于进行数字传输和后处理。该系统采用先进的隔离型技术，使输入、输出、通道间高度隔离，多层屏蔽，有效抑制了辐射和传导干扰。实验过程中，采集系统采样频率设为 2 500 Hz。

1. 2 声发射采集系统

采用北 京 声 华 兴 业 科 技 有 限 公 司 的 2 通 道SAEU2S 声发射监测仪，用以获取声发射信号。选用SＲ150A 型声发射传感器，该传感器具有 500 kHz 的采样频率和 150kHz 的谐振频率。为排除外界噪音影响，声发射采集仪门槛值设定为 45 db，同时该套系统时域波形、FFT 波形均可实时采集、显示、存储。

1. 3 含瓦斯煤体加载破坏声 － 电采集装置

含瓦斯煤体加载破坏声 － 电监测系统如图 1 所 示

 

该装置利用缸体、传力柱、导向筒、上端盖、压紧螺母和上下方锥形压头组装成夹持密闭容器，容器侧向连接有瓦斯进孔，能够完成向煤体中注入瓦斯气体以及排放，利用传力柱传递上部轴向载荷，该夹持容器可以实现单轴、三轴等不同加载方式。该装置将电荷放大器、声发射传感器内置于不锈钢缸体内，利用不锈钢缸体屏蔽外界电磁信号的干扰，实现含瓦斯煤体加载过程中声发射、电荷、煤体应力、变形参数的采集，以获取煤体加载破坏过程中变形特征以及破裂所产生的声 － 电前兆信息，为实验室研究冲击地压、煤与瓦斯突出等矿山动力灾害育、发生过程中声 － 电前兆信息提供数据基础。

2 试验系统及方案

2. 1 试样制备

试验中使用的煤样取自某矿采煤工作面，通过岩石切割机将大块煤体加工成尺寸为 50 mm × 50 mm× 100 mm 的长方体试样，试样端面的平整度用打磨机控制在 0. 2 mm 以内。

2. 2 试验方案

为使试验所用煤体与井下环境相符合，对煤体施加 2 MPa 的瓦斯压力。试验加载系统采用 YAW －2000 型电液伺服压力试验机，选用位移控制方式进行加载，加载速率保持在 0. 2 mm /min。选取多块煤样进行试验，以捕捉煤体加载破坏过程中声 － 电前兆信息，试验全景如图 2 所示。

 

2. 3 试验步骤

 （1）试件装配。安装声发射探头，令其置于下部方锥形压头内部，将煤样置于含瓦斯煤体加载破坏声－ 电采集装置下部方锥形压头上，使用粘合剂令探头表面紧贴煤样表面，放置上部方锥形压头。安装电荷传感器，放下传力柱及上端盖，拧紧压紧螺母。安装连接高压瓦斯气瓶的瓦斯气管，试件装配完毕。

（2）准备试验。先施加一较小的轴向压力，使煤样轴向方向完全接触，缓慢地向煤样内注入 2 MPa 的瓦斯气体，并保持 24 h，使煤样内部瓦斯吸附平衡。同时开启电荷采集系统和声发射采集系统，选择数据采集器采样频率、触发模式等基本参数，通过调整各通道门槛值，测试背景信号的影响，当调试参数在 1 ～ 2 min无明显背景事件发生时，停止观察，开始实验。

（3）开始试验。为了避免压机启动时对数据采集系统的触发，先启动压机，选择位移加载，调节加载速率，然后同时启动载荷、电荷、声发射记录系统，开始加载，实验结束后，先停止信号采集，再停止压机。

（4）试验结束后，观察并详细记录煤样破坏形式以及实验过程中的信息; 绘制时间 － 轴向应力 － 通道1 电荷曲线和时间 － 轴向应力 － 通道 2 电荷曲线，时 间 -轴向应力 － 振铃计数曲线，时间 － 轴向应力 － 声发射能量变化曲线。

3试验结果与分析

加工 6 组煤样进行试验，每组试样均以垂直层理方向加载，试验过程中室内环境温度为 24 ℃，湿度为38%。

3. 1 含瓦斯煤体加载破坏试验结果

鉴于 6 组煤样试验结果的相似性，选取其中典型监测数据进行分析。图 3，4 为煤体在 2 MPa 瓦斯压力作用下试验数据，由图可以看出加载过程中检测到的声 － 电信号呈瞬时脉冲状。

 

 

3. 2 含瓦斯煤体加载破坏声 － 电前兆信息

由图 3 和 4 可以看出，2 MPa 瓦斯压力作用下煤体声 － 电监测试验数据具有一定相似性，因而选取图3 进行分析。将图 3 中含瓦斯 1 号煤体加载破坏时间 － 应力曲线划分为 4 个阶段:

第 I 孔隙裂纹压密阶段: 孔隙裂纹压密阶段煤样中原有的张开性结构面或微裂隙逐渐闭合，表现为非线性变形，该过程时间较短，声 － 电信号平稳。

第 II 弹性变形阶段: 弹性变形阶段煤体变形随应力成比例增加，表现为可恢复的弹性变形，该过程中电荷信号平稳，声发射振铃计数升高。

第 III 微破裂发展阶段。该阶段包括微破裂稳定及非稳定发展阶段。微破裂稳定发展阶段试件内开始出现新的微裂纹，并随应力的增加而稳定发展，该阶段裂隙表面大量新生自由电荷积聚，并伴随微破裂产生少量的声信号，当载荷保持不变时，微破裂停止发展; 微破裂非稳定发展阶段破裂过程造成应力集中效应显著，该阶段即使载荷保持不变，破裂仍会继续发展，该阶段大量裂隙发展贯通，裂隙表面新生自由电荷积聚达到一定程度后向外界释放，声 － 电信号活跃。

第 IV 软化阶段: 裂隙快速发展、交叉且相互汇合贯通形成宏观断裂面。此后，试件的变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移，试件的承载力随变形增大迅速下降，整体失稳但煤样仍有一定的承载能力，该阶段位于煤体峰值强度之后，声 － 电信号均较活跃。

由于研究的是前兆信息，故需要研究含瓦斯煤体峰值强度前声 － 电信息，才能有效达到监测预警的目的。考虑到煤体加载时间 － 应力曲线第 I，II 阶段时间短且声 － 电信号不明显，故本文将第 III 微破裂发展阶段作为前兆信息研究重点，含瓦斯 1 号煤体其第III 阶段声 － 电前兆信息见表 1。

 

根据表 1 统计结果发现大部分圆形探头电荷前兆点先于针形探头和声发射前兆点。

煤体在接近主破裂和整体失稳过程中，伴随有破裂响声和电子发射，该过程检测到较多的声 － 电信号。由图 3( a) ，( b) 和图 4( a) ，( b) 可以看出，加载全过程中针形探头电荷信号极值多数位于煤样峰值强度后，而圆形探头电荷信号极值多数位于煤样峰值强度前。图 3( c) ，( d) 和图 4( c) ，( d) 中，声发射振铃计数初变化时间较早，但声发射能量幅值较小，该过程可能为初始加载煤渣掉落缸体所致。图 3 中 1号煤体加载至 145 s 时声发射振铃计数与能量异常活跃，然后趋于稳定，煤体发生破坏，与文献［17］试验现象相似，即峰值强度前声发射事件明显下降，出现相对平静阶段，而后失稳破坏。通过观察实验后破坏煤体的宏观照片，发现导致煤体失稳破坏主要由几条裂纹扩展贯通所导致。由于试验煤样尺寸为 50mm × 50 mm × 100 mm 长方体试样，圆形传感器和针形传感器分别监测不同侧面，不同侧面煤体损伤程度不同，煤体损伤程度不同同样是导致监测电荷信号规律不一致的重要原因。

煤体破裂时电荷的逃逸量和声发射计数均与煤岩内部裂纹扩展相关，井下煤岩内部裂纹扩展情况难以观测，然而任意时刻煤体应力 σi 与煤体极限强度σc 的比值大小反映了煤岩内部裂纹扩展程度，因而根据声发射和电荷前兆信息变化情况选用煤体应力σi /σc 的大小进行预警。

3. 3 声 － 电信号预警区域的划分

第III 阶段，随着加载进行，轴向应力不断增加，煤体内部裂纹扩展，新生裂隙表面向外辐射电荷，同时伴随大量吸附瓦斯不断向外解吸，瓦斯解吸过程中携带裂隙表面自由电荷流动，导致传感器敏感元件感应到大量电荷信号。将第 III 微破裂发展阶段划分蓝、黄、红 3 级颜色作为危险预警区，其中:

蓝色预警区( 信号活跃) ，第 1 次信号活跃至信号稳定后，预示着微破裂的开始，煤体裂纹处于初始扩展阶段;

黄色预警区( 信号平稳) ，信号稳定后至信号剧烈活跃事件前，该过程信号稳定大量裂纹不断张开、闭合，裂纹发生稳定扩展;

红色预警区( 信号活跃) ，信号剧烈活跃至煤体峰值强度，期间煤体内部裂纹剧烈扩展、贯通，裂纹发生失稳扩展，该过程释放能量最强。

三级预警中，红色预警区最危险，煤体最接近破坏，含瓦斯 1 号、2 号煤体声 － 电信号异常区域划分见表 2。

 

由图 3，4 和表 2 可以看出，微破裂发展过程中伴随大量声 － 电信号的产生，随着加载的进行裂纹一次初始扩展过程中声 － 电信号活跃，二次稳定扩展过程中声 － 电信号稳定，三次失稳扩展时声 － 电信号活动剧烈。当煤体内部瓦斯压力为 2 MPa 时，对于电荷传感器，峰值强度的 57% ，77% ，87% 可作为电荷信号蓝色、黄色、红色预警的分割点; 对于声发射传感器，峰值强度的61% ，76% ，89% 可作为声发射振铃计数蓝色、黄色、红色预警的分割点，考虑到预警安全系数，采用电荷信号和声发射信号预警分割点平均值作为声 － 电蓝色、黄色、红色预警分割点，对于本文 1 号 和 2 号煤体其三级预警分别为峰值强度的 59% ，76% ，88% 。对于煤矿井下监测，当煤体处于黄色预警区时，即应对煤层采取解危措施，防止煤层发生冲击、突出等灾害。

4 含瓦斯煤体声 － 电前兆信息初探

试验发现，含瓦斯煤体加载过程中电荷信号和声发射信号并不同步出现，其中电荷信号活跃的频率次数较多，并且幅值相对较大。煤体内部自由电荷是在压电效应、摩擦作用、微破裂新生表面电荷分离以及瓦斯运移携带电荷等综合叠加作用下产生，而声发射信号的产生是煤体内部裂纹扩展以脉冲波形式释放应变能的过程，两者具有本质上的区别。

文献［18］应用静电感应的方法直接记录到含石英的花岗岩、闪长岩和不含石英的大理岩及石灰岩在压缩破裂时的电荷量为 10 － 8 ～ 10 － 6 C，并估算电荷面密度为 6 × 10 － 7 ～ 5 × 10 － 5 C /m2。由图 3 和 4 可以看出，对于尺寸为 50 mm × 50 mm × 100 mm 的煤体，在2 MPa 瓦斯压力下，压缩破坏过程中其电荷面密度约为 1 × 10 － 9 ～ 4 × 10 － 8 C /m2，相比岩石类材料煤体产生的电荷面密度小。煤是一种多孔介质材料，内部中含有大量的自由电荷( 电子) 和束缚电荷( 离子) ，通常情况下呈现电平衡状 态［19 － 20］。在外界荷载作用下，煤体裂隙表面电荷积聚贮电，随着压力增大，电荷量增加，裂隙附近区域静电场增强。当外界载荷达到一定值时，区域静电场强迅速升高，这时或者介质击穿，电荷释放，或者由于破裂摩擦产生电荷扰动，从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态［20］，通过捕捉前兆电荷变化信息，可对即将发生的动力灾害进行预警。

5 结论

( 1) 自主研制的声 － 电监测装置能够捕捉到含瓦斯煤体加载破坏过程中声 － 电前兆信息，试验发现部分电荷前兆点先于声发射前兆点。

( 2) 声 － 电信号的产生与煤体内部裂纹扩展相关，随着加载的进行，裂纹 1 次初始扩展过程中声 －电信号活跃，此区域可作为声 － 电信号蓝色预警区; 2次稳定扩展过程中声 － 电信号稳定，此区域可作为声－ 电信号黄色预警区; 3 次失稳扩展时声 － 电信号活动剧烈，此区域可作为声 － 电信号红色预警区。

( 3) 含瓦斯煤体加载破坏电荷分离的物理过程是存在的，加载过程中感应到煤体电荷面密度范围约为 1 × 10 － 9 ～ 4 × 10 － 8 C /m2，通过监测含瓦斯煤体加载破坏全过程声 － 电信息，为应用声 － 电监测技术预测预报动力灾害灾变前兆信息提供数据基础，提高了矿山动力灾害预报的准确性。

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