楊 楨，蘇小平,李 鑫,3

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105; 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000; 3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)巖石破裂產(chǎn)生的電磁、電荷感應(yīng)、紅外等信號(hào)變化進(jìn)行了大量的理論及實(shí)驗(yàn)研究[1-3]。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)何學(xué)秋、王恩元團(tuán)隊(duì)深入研究了煤巖電磁輻射機(jī)理，并建立了力-電耦合模型[4-5]。劉紀(jì)坤[6]通過(guò)對(duì)原、型煤的加載破裂實(shí)驗(yàn)，研究了電磁輻射在不同破裂階段的前兆變化特征。潘一山等[7]研究了電荷感應(yīng)信號(hào)在工作面巷道處于不同類(lèi)型動(dòng)力災(zāi)害孕育過(guò)程中的變化規(guī)律。王崗等[8]通過(guò)煤樣在不同剪切角破壞方式下力學(xué)變化過(guò)程的實(shí)驗(yàn)，研究電荷感應(yīng)在剪應(yīng)力不同階段的變化規(guī)律。鄭文紅等[9]針對(duì)原煤試樣進(jìn)行三軸加載破裂試驗(yàn)，研究試樣相鄰側(cè)面電荷感應(yīng)信號(hào)變化特征，進(jìn)行傅里葉變換，研究電荷感應(yīng)信號(hào)頻域變化特征。李鑫等[10]研究了復(fù)合煤巖受載變形直至破裂過(guò)程中表面紅外輻射溫度的演化變化特征。馬立強(qiáng)等[11]通過(guò)對(duì)煤巖加載應(yīng)力與表面紅外輻射之間的關(guān)系進(jìn)行量化，提出了方差突變系數(shù)新指標(biāo)。楊楨等[12]研究了復(fù)合煤巖受載破裂產(chǎn)生的電磁、紅外輻射及溫度變化規(guī)律，建立了受載復(fù)合煤巖破裂應(yīng)力、電磁輻射、溫度的耦合模型(stress-electricity-thermal，SET)。

前人較深入的分別研究了煤巖體受載變形破裂產(chǎn)生電磁、電荷感應(yīng)、紅外輻射的特征及規(guī)律。電荷分離是電磁輻射產(chǎn)生的前提與基礎(chǔ)。煤礦開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于電磁輻射的測(cè)量會(huì)受到大功率機(jī)電設(shè)備的強(qiáng)電磁干擾，準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步提高[13]，而對(duì)于巖體表面電荷感應(yīng)信號(hào)的檢測(cè)受外界干擾要小很多。在煤礦開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)，煤巖體多為由煤體、頂板、底板組成的復(fù)合煤巖層，應(yīng)力狀態(tài)較單一煤巷復(fù)雜。筆者團(tuán)隊(duì)前期研究成果初步建立了復(fù)合煤巖破裂SET耦合模型。目前對(duì)于復(fù)合煤巖受載破裂過(guò)程中電磁輻射、電荷感應(yīng)二者內(nèi)在聯(lián)系的研究鮮有報(bào)道。因此筆者針對(duì)受載復(fù)合煤巖體在破裂失穩(wěn)過(guò)程中電磁輻射、電荷感應(yīng)兩種信號(hào)的前兆變化規(guī)律進(jìn)行研究，深入研究煤巖應(yīng)力、電荷、溫度3者的耦合關(guān)系。

1 受載復(fù)合煤巖變形破裂試驗(yàn)

1.1 試樣制備

試樣取自大同忻州窯礦具有典型煤巖動(dòng)力災(zāi)害特征煤層，提取頂?shù)装鍘r、煤樣，進(jìn)行加工，把頂板砂巖、煤樣、底板砂巖按高度1∶1∶1的比例黏結(jié)成直徑為50 mm、高為100 mm的圓柱體復(fù)合煤巖試樣，如圖1所示。共制作12個(gè)試樣，分為3組，采用3種不同加載速率進(jìn)行試驗(yàn)。加載速率及對(duì)應(yīng)試樣分組為:0.1 mm/min(f1～f4)，0.3 mm/min(f5～f8)，1 mm/min(f9～f12)。

圖1 復(fù)合煤巖試樣Fig.1 Composite coal-rock sample

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)加載系統(tǒng)由SANS萬(wàn)能試驗(yàn)壓力機(jī)(最大載荷為300 kN)、計(jì)算機(jī)、控制柜及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成。自主研制的電磁輻射采集系統(tǒng)測(cè)試電磁輻射信號(hào)采集范圍為1～105Hz。自主研制的電荷儀電荷-電壓轉(zhuǎn)換比率為80～100 mV/pC。采用ThermoView TM Pi20紅外熱成像儀檢測(cè)煤巖表面溫度，靈敏度為0.03 ℃。試驗(yàn)在自制的電磁屏蔽倉(cāng)里進(jìn)行。試驗(yàn)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備示意Fig.2 Schematic diagram of the test equipment

1.3 試驗(yàn)步驟

(1)將復(fù)合煤巖試樣放置在屏蔽罩內(nèi)，屏蔽罩放在壓力機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上，電荷儀探頭放置屏蔽罩內(nèi)，在中間煤體部分，距離試樣表面5 mm。

(2)環(huán)形電磁輻射傳感器內(nèi)徑6 cm，采用絕緣線懸空放置在試樣中部位置，試樣放置在傳感器中心位置，如圖2(a)所示。屏蔽罩外為進(jìn)一步減小外界電磁干擾，表面采用200目紫銅網(wǎng)包裹。

(3)開(kāi)始試驗(yàn)前，與實(shí)驗(yàn)無(wú)關(guān)的電氣設(shè)備及電燈等需要關(guān)閉電源，并關(guān)閉實(shí)驗(yàn)室門(mén)、窗。

(4)設(shè)置加載速率為0.1，0.3，1.0 mm/min，啟動(dòng)壓力機(jī)，同步啟動(dòng)載荷、電磁輻射、電荷感應(yīng)、溫度采集系統(tǒng)，開(kāi)始加載，試驗(yàn)過(guò)程中人員不得隨意走動(dòng)。

(5)試樣破裂后關(guān)閉試驗(yàn)系統(tǒng)，保存數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)曲線

鑒于試樣組分基本相同及變形破裂過(guò)程中產(chǎn)生的電磁、電荷感應(yīng)、溫度信號(hào)結(jié)果變化趨勢(shì)的一致性，選取3組不同加載速率下的復(fù)合煤巖試樣f1，f5，f9的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖3～5分別為試樣f1，f5，f9的電磁輻射脈沖數(shù)、電荷感應(yīng)、溫度變化曲線，分別對(duì)應(yīng)加載速率0.1，0.3，1.0 mm/min。復(fù)合煤樣頂?shù)装迳皫r硬度比煤樣大很多，絕大部分試樣在試驗(yàn)結(jié)束后均是中間煤樣發(fā)生明顯破裂，而上下砂巖只出現(xiàn)微破裂[14-15]。

圖3 f1試樣的測(cè)試結(jié)果Fig.3 Test results of f1 sample

圖4 f5試樣的測(cè)試結(jié)果Fig.4 Test results of f5 sample

圖5 f9試樣的測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test results of f9 sample

2.2 復(fù)合煤巖受載破裂電磁、電荷感應(yīng)、溫度信號(hào)演化規(guī)律

圖3為試樣f1在加載速率為0.1 mm/min的試驗(yàn)曲線，分析如下:加載初期處于壓密階段，電磁輻射脈沖數(shù)隨著應(yīng)力的增加而增加，當(dāng)t=148 s，電磁輻射脈沖數(shù)達(dá)到1 017個(gè);壓密階段電荷感應(yīng)信號(hào)較弱;試樣電荷感應(yīng)信號(hào)約為150 mV。應(yīng)力持續(xù)增加，試樣進(jìn)入線彈性及非線性階段。這一階段煤樣出現(xiàn)微裂隙，電磁輻射脈沖數(shù)逐漸增加，電荷感應(yīng)信號(hào)增強(qiáng)較為明顯。248 s時(shí)電磁脈沖數(shù)達(dá)到1 164個(gè)，到t=726 s時(shí)，增加到1 589個(gè)。t在500 s左右，電荷感應(yīng)信號(hào)增加到490 mV。t=860 s電磁輻射脈沖數(shù)達(dá)到最大值1 980個(gè)。t=878 s，應(yīng)力達(dá)到峰值28.55 MPa，煤樣電荷感應(yīng)信號(hào)在t=848 s時(shí)為1 950 mV。電磁輻射、電荷感應(yīng)均在應(yīng)力達(dá)到峰值前出現(xiàn)最大值。試樣失穩(wěn)破裂時(shí)，中間煤樣出現(xiàn)較大的破裂面，電磁輻射、電荷感應(yīng)信號(hào)在試樣破裂后也有較豐富的信號(hào)。

試樣內(nèi)存在大量的微裂紋以及孔隙。加載初期，由于試樣表面及內(nèi)部存在裂紋，試樣受載時(shí)內(nèi)部孔隙閉合，出現(xiàn)吸熱現(xiàn)象，紅外輻射溫度曲線有所下降，下降0.06 ℃，下降到20.62 ℃，進(jìn)入彈性、屈服、塑性變形破壞階段后呈階躍式、突增式上升，在應(yīng)力峰值前t=808 s時(shí)溫度上升到20.71 ℃，整個(gè)加載過(guò)程中，溫度呈階躍式、臺(tái)階式上升趨勢(shì)，最大變化范圍為0.09 ℃。

圖4中，試樣f5在加載初期，電磁輻射、電荷感應(yīng)也出現(xiàn)較弱信號(hào);壓密階段，16 s時(shí)脈沖數(shù)1 120個(gè)，呈逐步增強(qiáng)趨勢(shì)，電荷感應(yīng)信號(hào)幅值大約在156 mV。641 s達(dá)到最大應(yīng)力峰值23.34 MPa，電磁輻射脈沖數(shù)在600 s左右達(dá)到2 010個(gè)，t=363 s，電荷感應(yīng)信號(hào)258 mV，631 s達(dá)到最大值851 mV，在應(yīng)力峰值前變化較為明顯。試樣f5在加載過(guò)程中溫度在540 s出現(xiàn)最大值21.745 ℃，變化范圍為0.12 ℃。

圖5中，試樣f9加載初期，電磁輻射、電荷感應(yīng)同樣也出現(xiàn)較弱信號(hào);在試樣失穩(wěn)破裂前期166 s之前時(shí)電磁脈沖數(shù)基本在1 510個(gè)，加載初期的電荷感應(yīng)信號(hào)幅值大約在152 mV。184 s達(dá)到最大應(yīng)力峰值31.45 MPa。電磁脈沖數(shù)在167 s左右達(dá)到3 250個(gè)，大約是前2個(gè)的峰值的1.6倍，t=157 s，電荷感應(yīng)信號(hào)為420 mV，165 s達(dá)到最大值989 mV。試樣f9在應(yīng)力峰值前t為157 s，溫度出現(xiàn)最大值19.76 ℃，溫度變化范圍為0.14 ℃。

綜上，電磁輻射脈沖、電荷感應(yīng)、溫度在復(fù)合煤巖試樣失穩(wěn)破壞前均出現(xiàn)明顯的前兆變化特征。加載初期電磁輻射、電荷感應(yīng)信號(hào)較弱，隨著加載應(yīng)力水平的增加，2個(gè)信號(hào)逐漸增強(qiáng)，在臨近峰值應(yīng)力前信號(hào)達(dá)到最強(qiáng)，具有較強(qiáng)的一致性，相關(guān)性較強(qiáng)。相對(duì)于電磁輻射信號(hào)變化特征，電荷感應(yīng)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間較短，信號(hào)特征為陣發(fā)性的。而溫度隨著應(yīng)力增加初期出現(xiàn)下降，后續(xù)呈階躍式、臺(tái)階式上升趨勢(shì)，變化規(guī)律與前兩者不同。

對(duì)比不同加載速率，加載速率越大，電磁輻射脈沖數(shù)變化越明顯。電荷感應(yīng)信號(hào)在0.1 mm/min較為明顯，而后2個(gè)加載速率最大值減少了一半，主要是由于加載速度慢，電荷積累量較后2個(gè)大，故出現(xiàn)低速率時(shí)電荷信號(hào)反而較強(qiáng)的特征。溫度隨著加載速率增加，最大變化范圍逐漸增加。

復(fù)合煤巖變形破裂產(chǎn)生電磁輻射、電荷感應(yīng)機(jī)制較為復(fù)雜。試樣宏觀上是由頂板巖、煤層和底板巖組合而成，微觀上由不同礦物顆粒構(gòu)成。微破裂導(dǎo)致裂隙尖端電荷分離，產(chǎn)生自由的(電子)和束縛的(離子)電荷，出現(xiàn)電荷感應(yīng)現(xiàn)象;試樣內(nèi)部裂隙間出現(xiàn)摩擦生熱現(xiàn)象，礦物顆粒原子間化學(xué)鍵斷裂，產(chǎn)生新的帶電粒子，而溫度的變化也增加了帶電粒子動(dòng)能，其變速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了電磁輻射。3者宏觀上變化趨勢(shì)不同，但在微觀上又互相關(guān)聯(lián)。

2.3 電磁輻射、電荷感應(yīng)電壓信號(hào)相關(guān)性

由于復(fù)合煤巖破裂過(guò)程中溫度的變化并不是很明顯[14]，進(jìn)一步研究電磁輻射與電荷感應(yīng)相關(guān)性。不同加載速率下電磁輻射脈沖數(shù)、電荷感應(yīng)變化率分別見(jiàn)表1，2?？梢?jiàn)，加載速率越大，電磁輻射脈沖變化率越大，其變化率不僅與所獲取的電磁脈沖數(shù)目有關(guān)，還與復(fù)合煤巖受載變形破裂時(shí)間的長(zhǎng)短緊密聯(lián)系。而f1試樣電荷感應(yīng)變化率最大，雖然加載時(shí)間較長(zhǎng)，但是其電荷累積量更大，占據(jù)主導(dǎo)地位;f5，f9試樣電荷變化率隨著加載速率的增大而增大。

表1 電磁輻射脈沖數(shù)變化率
Table 1 Change rate of electromagnetic pulse number

試樣加載速率/(mm·min-1)煤巖變形階段破壞時(shí)間/s電磁脈沖總數(shù)電磁脈沖變化率/(個(gè)·s-1)f10.1變形破裂280100 892 360.3f50.3變形破裂352140 449 399.0f91.0變形破裂4358 028 1 349.5

表2 電荷感應(yīng)變化率
Table 2 Change rate of charge induction

試樣加載速率/(mm·min-1)煤巖變形階段破壞時(shí)間/s電荷總量/pC電荷變化率/(pC·s-1)f10.1變形破裂2803 689.113.175 4f50.3變形破裂3523 662.610.405 1f91.0變形破裂43512.511.918 6

對(duì)f5試樣的電磁輻射脈沖數(shù)N、電荷感應(yīng)信號(hào)V進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，加載時(shí)間為t，擬合曲線如圖6所示。推導(dǎo)二次關(guān)系如下:

N-t一次線性擬合表達(dá)式為

N=4.568t-819.6

V-t二次線性擬合表達(dá)式為

V=-0.010 2t2+10.33t-2 354

由上式得到V-N表達(dá)式為

V=-0.000 048 93N2+1.459 321N-829.256 07

圖6 f5試樣電磁輻射、感應(yīng)電壓擬合曲線Fig.6 Fitting curve of induced voltage and electromagnetic radiation of f5 sample

可以看出，二者呈二次函數(shù)關(guān)系，且擬合曲線的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.875 5。全部試樣的結(jié)果進(jìn)行擬合的復(fù)相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表3，基本在0.8以上，可見(jiàn)相關(guān)性較強(qiáng)?？梢?jiàn)，加載速率越大，復(fù)相關(guān)系數(shù)整體相關(guān)性越強(qiáng)。

3 復(fù)合煤巖stress-charge-thermal(SCT)耦合模型

上述研究結(jié)果表明:復(fù)合煤巖變形破裂產(chǎn)生電磁輻射、電荷感應(yīng)、溫度3者之間相互關(guān)聯(lián)，電磁和電荷相關(guān)性較強(qiáng)。試推導(dǎo)應(yīng)力、電荷感應(yīng)、溫度3者之間的耦合關(guān)系。參考文獻(xiàn)[12]，定義熱損傷D(T)如下:

表3 電磁輻射、電荷感應(yīng)復(fù)相關(guān)系數(shù)
Table 3 Complex correlation coefficient of induced voltageand electromagnetic radiation

加載速率/(mm·min-1)相關(guān)系數(shù)0.1f1f2f3f40.847 30.793 20.912 90.823 40.3f5f6f7f80.875 50.887 60.906 50.808 71.0f9f10f11f120.885 80.891 20.913 20.901 5

(1)

式中，ET為溫度達(dá)到T時(shí)的彈性模量;E0為室溫(20 ℃)時(shí)的彈性模量。力學(xué)損傷為

σ=[1-D(ε)]E0ε

(2)

其中，σ為材料應(yīng)力;ε為材料應(yīng)變。可推到復(fù)合損傷因子為

D=∑N/Nm

(3)

其中，D為損傷因子，可用電磁輻射探計(jì)量計(jì)算;Nm為瞬時(shí)電磁輻射脈沖數(shù)最大值;D(ε)為復(fù)合損傷因子;D(ε)和單元體破壞概率密度的關(guān)系為:

(4)

當(dāng)材料初始損傷D(ε)=0時(shí):

(5)

其中，m為復(fù)合煤巖均質(zhì)程度。

將式(3)，(5)代入式(2)中得到SET(stress-charge-thermal)耦合模型[12]的數(shù)學(xué)表達(dá)式:

(6)

其中，ε0為與所有單元參數(shù)平均值有關(guān)的常數(shù)。兩側(cè)取兩次對(duì)數(shù)運(yùn)算后得

(7)

前述研究結(jié)果表明電磁輻射脈沖數(shù)N與電荷感應(yīng)電壓V之間呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系，設(shè)其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

V=αN2+βN-γ

(8)

其中，α，β，γ為系數(shù)。結(jié)合式(6)，整個(gè)截面Sm全部破壞時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓累計(jì)量通過(guò)式(8)可計(jì)算出Vm，應(yīng)變?cè)鲋力艜r(shí)的感應(yīng)電壓累計(jì)量為∑V。由式(6)～(8)推導(dǎo)出應(yīng)力、電荷感應(yīng)電壓、溫度3者之間的耦合模型數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(9)

整理后得

(10)

其中，b′=-nlnε0。

令:

y=nx+b′

(11)

4 模型驗(yàn)證

分別采用SET和SCT耦合模型對(duì)復(fù)合煤巖試樣f1～f12模型參數(shù)m(n)，b(b′)進(jìn)行擬合，其中f5試樣采用SCT耦合模型，擬合曲線如圖7所示，復(fù)相關(guān)性較高，試樣分別采用2種模型擬合結(jié)果見(jiàn)表4。

圖7 f5試樣SCT耦合模型擬合曲線Fig.7 Fitting curve of SCT coupling model of f5 sample

從擬合結(jié)果來(lái)看，兩個(gè)模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2基本均在0.9以上。SET、SCT耦合模型總體上均能較好的描述復(fù)合煤巖受載破裂過(guò)程中電磁輻射、電荷感應(yīng)電壓隨應(yīng)力、溫度的變化趨勢(shì)，并能較好的量化3者的數(shù)學(xué)關(guān)系，兩個(gè)模型具有較高契合度。其中f3，f10試樣的SCT耦合復(fù)相關(guān)系數(shù)R2均略低于SET耦合，其他試樣的SCT耦合模型復(fù)相關(guān)系數(shù)R2均略高于SET耦合，可知SCT耦合模型擬合精度較SET模型稍高。由于在煤礦現(xiàn)場(chǎng)存在很多大型機(jī)電設(shè)備，電磁干擾會(huì)對(duì)電磁輻射檢測(cè)產(chǎn)生較大干擾，即使采用了去噪算法，也不能完全保證能去除所有干擾信號(hào);但是同樣條件下電磁干擾對(duì)于巖壁電荷感應(yīng)影響要小很多，因此采用SCT耦合模型受到外界干擾要小。

表4 耦合模型對(duì)比
Table 4 Coupling model comparison

煤巖試樣SET耦合模型mbR2SCT耦合模型nb′R2f12.872 92.076 20.973 23.006 21.513 00.995 0f22.761 31.781 20.901 33.148 21.618 30.914 8f32.595 21.593 40.954 34.234 12.637 40.901 2f43.642 21.623 20.891 32.984 11.782 30.907 9f52.544 81.913 70.959 34.026 12.487 00.969 1f63.627 12.211 30.941 24.234 52.869 40.954 2f71.736 71.092 30.913 23.579 32.001 90.942 6f81.175 01.728 00.826 73.981 22.162 80.831 2f92.839 11.738 00.962 66.897 06.400 10.972 2f103.564 42.133 20.923 26.123 15.829 10.903 9f113.746 72.002 30.912 35.633 24.898 90.921 3f124.123 12.879 10.852 35.774 24.102 90.913 4

5 結(jié) 論

(1)復(fù)合煤巖在加載失穩(wěn)破壞前有較明顯的電磁輻射、電荷感應(yīng)前兆信號(hào)，在應(yīng)力峰值前達(dá)到最大，失穩(wěn)破壞后也有較強(qiáng)信號(hào)。電磁輻射脈沖數(shù)及變化率隨著加載速率增大而增大。電荷感應(yīng)電壓在0.1 mm/min最大;0.3，1.0 mm/min加載速率時(shí)電荷感應(yīng)信號(hào)隨加載速率增大呈增加趨勢(shì)，變化率變化類(lèi)似。溫度總體呈階躍式、臺(tái)階式上升趨勢(shì)，在峰值前達(dá)到最大值。

(2)電磁輻射、電荷感應(yīng)、溫度變化產(chǎn)生機(jī)制并不完全相同，但3者信號(hào)的形成和發(fā)展緊密聯(lián)系。只要有電磁輻射產(chǎn)生，就一定會(huì)出現(xiàn)電荷分離，但是，電荷的分離并不一定產(chǎn)生電磁輻射。摩擦生熱導(dǎo)致溫度上升的同時(shí)也加強(qiáng)了電磁、電荷信號(hào)。

(3)電磁輻射脈沖數(shù)與電荷感應(yīng)電壓呈二次相關(guān)性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.8以上。結(jié)合復(fù)合煤巖受載變形破裂的SET耦合模型，推導(dǎo)SCT耦合模型。針對(duì)12組試樣進(jìn)行試驗(yàn)，數(shù)據(jù)擬合結(jié)果表明:SCT模型參數(shù)n，b′的數(shù)據(jù)擬合精度較SET耦合模型m，b稍高，復(fù)相關(guān)系數(shù)基本均在0.9以上。

由于在煤礦現(xiàn)場(chǎng)電荷感應(yīng)檢測(cè)受干擾相對(duì)于電磁輻射要小很多，故可考慮采用SCT耦合模型進(jìn)行災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。研究成果可為煤巖動(dòng)力災(zāi)害進(jìn)行非接觸式有效預(yù)測(cè)和防治提供借鑒。