王恩元，李忠輝，鈕 月，劉盛東，沈榮喜，李德行，張 昕

深部煤層采動(dòng)破壞電位響應(yīng)特征與分布規(guī)律

王恩元1,2,3，李忠輝1,2,3，鈕 月1,3,4,5，劉盛東4，沈榮喜1,2,3，李德行1,2,3，張 昕1,2,3

(1．中國礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2．中國礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯治理國家工程研究中心，江蘇 徐州 221116；3．中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；4．中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；5．中國礦業(yè)大學(xué) 深部資源流態(tài)化開采前沿科學(xué)研究中心，江蘇 徐州 221116)

為了研究采動(dòng)破壞過程煤體電位信號(hào)的響應(yīng)特征與規(guī)律，利用自主研發(fā)的礦用電位儀在河南薛湖煤礦25050綜采工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。結(jié)果表明：煤層采動(dòng)破壞過程能夠產(chǎn)生顯著的電位信號(hào)，電位響應(yīng)特征能夠揭示煤體應(yīng)力狀態(tài)的變化，隨著回采工作面的推進(jìn)，電位強(qiáng)度呈先增加后降低趨勢(shì)，利用鉆孔卸壓后，煤體應(yīng)力降低，電位信號(hào)隨之下降；電位強(qiáng)度與鉆屑量的空間分布規(guī)律基本一致，利用電位空間分布規(guī)律能夠識(shí)別應(yīng)力異常特征，出現(xiàn)“卡鉆”現(xiàn)象時(shí)，煤體應(yīng)力異常，電位強(qiáng)度出現(xiàn)峰值；當(dāng)瓦斯指標(biāo)超限或出現(xiàn)大能量煤炮事件時(shí)，電位信號(hào)呈超前增大趨勢(shì)并伴隨劇烈波動(dòng)，利用電位信號(hào)能夠識(shí)別煤巖動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)的前兆特征。研究成果表明利用電位手段可現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)煤體采動(dòng)破壞、預(yù)警煤巖動(dòng)力災(zāi)害。

深部煤層；采動(dòng)破壞；電位響應(yīng)；特征規(guī)律；煤巖動(dòng)力災(zāi)害

我國煤炭資源已逐步進(jìn)入深部開采階段，隨著地應(yīng)力及瓦斯壓力不斷升高，采場(chǎng)環(huán)境更加復(fù)雜[1-2]，煤與瓦斯突出、沖擊地壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害的強(qiáng)度及危害程度呈上升趨勢(shì)，嚴(yán)重制約著煤礦的安全生產(chǎn)[3-4]。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)深部煤層采動(dòng)過程的變形破壞、精細(xì)判識(shí)煤層應(yīng)力異常區(qū)域，是深部煤巖動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的基礎(chǔ)和前提[5-9]。

研究表明，煤巖體在變形破裂過程中能夠產(chǎn)生電位信號(hào)，電位響應(yīng)與煤巖應(yīng)力狀態(tài)及損傷破壞演化過程密切相關(guān)[10-12]。V. S. Kuksenko等[13]對(duì)大理巖加載時(shí)，用靜電計(jì)測(cè)量到感應(yīng)電荷。A. Cartwright- Taylor等[14]研究了大理石樣品受載變形誘導(dǎo)的電流波動(dòng)及其統(tǒng)計(jì)表達(dá)方法。李忠輝等[15]創(chuàng)建了煤巖電位實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了不同加載方式下煤巖電位效應(yīng)，并揭示了電位產(chǎn)生的微觀機(jī)理。Niu Yue等[16]構(gòu)建了應(yīng)力與瓦斯耦合作用下煤體損傷演化與電位響應(yīng)之間的本構(gòu)模型，并利用電位數(shù)據(jù)表征了煤體有效應(yīng)力。鈕月[17]進(jìn)一步研究了含瓦斯煤電位空間分布規(guī)律，結(jié)果表明，電位異常區(qū)域能夠定位識(shí)別煤體發(fā)生動(dòng)力破壞的危險(xiǎn)區(qū)域。潘一山等[18]通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，采動(dòng)作用能夠誘發(fā)煤體產(chǎn)生感應(yīng)電荷，且電荷幅值在沖擊現(xiàn)象發(fā)生時(shí)明顯增大。

上述研究成果表明利用電位手段監(jiān)測(cè)預(yù)警煤巖體動(dòng)力破壞及災(zāi)害是可行的。但是，前人對(duì)于煤巖電位的研究主要集中在理論研究與試驗(yàn)分析階段，在煤礦現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方面研究較少，特別在深部礦井煤巖動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警方面尚缺乏相應(yīng)的研究。深部采場(chǎng)環(huán)境下，煤體采動(dòng)破壞過程電位信號(hào)將呈現(xiàn)怎樣的響應(yīng)規(guī)律，該規(guī)律與煤巖動(dòng)力災(zāi)害的孕育發(fā)展過程之間是否存在某種內(nèi)在聯(lián)系？煤層中動(dòng)力破壞的發(fā)生通常具有局部化特征，電位空間分布與煤體應(yīng)力異常區(qū)域是否存在對(duì)應(yīng)關(guān)系？電位監(jiān)測(cè)方法在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中具有什么優(yōu)勢(shì)？基于以上問題，筆者在深部礦井采動(dòng)煤層進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)電位測(cè)試，研究電位信號(hào)隨煤層采動(dòng)破壞過程的時(shí)序響應(yīng)特征與空間分布規(guī)律，以提示電位響應(yīng)與煤體動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)性之間的內(nèi)在聯(lián)系。研究成果能夠?yàn)檫M(jìn)一步利用電位響應(yīng)監(jiān)測(cè)煤體發(fā)生動(dòng)力破壞的孕育演化過程、識(shí)別預(yù)警深部煤巖動(dòng)力災(zāi)害奠定應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 煤層采動(dòng)破壞電位監(jiān)測(cè)實(shí)施方案

1.1 工作面概況

本文選擇在河南省薛湖煤礦二2煤層25采區(qū)25050綜采面進(jìn)行電位測(cè)試工作，采場(chǎng)布置如圖1所示。25050綜采面距離地面高程為720~750 m，屬深部開采煤層，礦壓大；煤層瓦斯含量大，絕對(duì)瓦斯涌出量為1.0~3.0 m3/min，裂隙發(fā)育且頂板容易破碎，具有誘發(fā)煤巖動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)。

圖1 河南省薛湖煤礦二2煤層25采區(qū)25050綜采面巷道布置

1.2 電位監(jiān)測(cè)裝備及方案

采用自主研發(fā)的礦用電位儀[17]進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。測(cè)試裝備及測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。圖2a為電位儀主機(jī)，能夠同時(shí)測(cè)試多個(gè)測(cè)點(diǎn)的電位信號(hào)，并實(shí)時(shí)顯示；在回采工作面前方采動(dòng)煤層中布置多個(gè)電位測(cè)試鉆孔，鉆孔深度為20 m，鉆孔間距為10 m(圖2b)；圖2c在同一孔內(nèi)可布置多個(gè)電位測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距2 m，測(cè)試不同深度煤體的電位信號(hào)(圖2c)。

圖2 電位測(cè)點(diǎn)布置

2 煤層采動(dòng)破壞電位響應(yīng)特征

2.1 電位時(shí)序響應(yīng)影響因素及特征

2.1.1 回采工序

受篇幅限制，以鉆孔D中孔深為14 m測(cè)點(diǎn)的電位測(cè)試結(jié)果為例，分析煤層采動(dòng)破壞過程電位信號(hào)的變化。根據(jù)25050綜采面的生產(chǎn)安排，煤層采動(dòng)期間，每天約有4 h檢修時(shí)間，檢修期間暫停割煤工序。選取兩組典型實(shí)例，分析割煤–檢修期間電位信號(hào)的變化規(guī)律，如圖3所示。

由圖3可知，割煤期間，電位信號(hào)波動(dòng)較為劇烈；檢修期間，電位信號(hào)波動(dòng)較小且變化趨勢(shì)基本穩(wěn)定。分析認(rèn)為，受采動(dòng)影響，割煤期間煤體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生較大改變，煤體發(fā)生一定的變形破裂，因而電位信號(hào)較高且波動(dòng)較大；檢修期間，由于割煤工序停止，煤體應(yīng)力狀態(tài)及結(jié)構(gòu)破壞較為穩(wěn)定，因而電位信號(hào)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

2.1.2 采動(dòng)距離

當(dāng)電位測(cè)點(diǎn)固定時(shí)，隨著回采工作面的持續(xù)推進(jìn)，測(cè)點(diǎn)與工作面之間距離不斷減小。統(tǒng)計(jì)每日電位信號(hào)強(qiáng)度均值，記錄電位強(qiáng)度均值隨采動(dòng)距離(即測(cè)點(diǎn)與工作面之間距離)的變化，實(shí)例分析如圖4所示。

由圖4可知，隨著測(cè)點(diǎn)與工作面之間距離的減小，煤體受采動(dòng)的影響逐漸加劇，電位強(qiáng)度總體上呈先增大后降低趨勢(shì)，這與回采工作面前方煤體應(yīng)力狀態(tài)的經(jīng)典分布規(guī)律[19]相一致。即當(dāng)電位測(cè)點(diǎn)距離回采工作面較遠(yuǎn)時(shí)，煤體受采動(dòng)的影響較小，應(yīng)力水平可近似為煤巖層的原始應(yīng)力狀態(tài)；隨著測(cè)點(diǎn)與工作面距離的減小，煤體受采動(dòng)的影響逐漸加劇，煤體應(yīng)力水平增加，逐漸趨近于“應(yīng)力集中”狀態(tài)；當(dāng)測(cè)點(diǎn)與工作面的距離低于一定值時(shí)，受采空區(qū)“卸壓”作用的影響，煤體已經(jīng)發(fā)生了較為顯著的塑性變形，應(yīng)力水平處于松弛卸壓狀態(tài)。處于應(yīng)力集中區(qū)時(shí)，煤體變形破壞較強(qiáng)，因而電位強(qiáng)度均值較高，而卸壓區(qū)的煤體已經(jīng)處于應(yīng)力松弛狀態(tài)，電位強(qiáng)度均值反而較低。

圖3 割煤–檢修期間電位測(cè)試結(jié)果

圖4 電位強(qiáng)度均值隨采動(dòng)距離測(cè)試結(jié)果

2.1.3 鉆孔卸壓

為了進(jìn)一步驗(yàn)證電位響應(yīng)與煤體應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系，當(dāng)電位信號(hào)出現(xiàn)高值時(shí)，在測(cè)點(diǎn)附近煤體中施工鉆孔進(jìn)行卸壓，實(shí)例分析卸壓前后電位信號(hào)的變化規(guī)律，如圖5所示。

從圖5可知，實(shí)例一中鉆孔施工過程對(duì)煤體擾動(dòng)較強(qiáng)，電位信號(hào)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了劇烈波動(dòng)；卸壓完成后，電位信號(hào)隨之降低并趨于穩(wěn)定。卸壓前后，電位信號(hào)降幅高達(dá)63.8%，降幅顯著。實(shí)例二與之類似，電位信號(hào)降幅達(dá)36.7%。

分析認(rèn)為，當(dāng)煤體應(yīng)力較高時(shí)，通過施工卸壓鉆孔在周圍煤體中形成塑性區(qū)，能夠顯著降低鉆孔附近煤體應(yīng)力水平；打鉆完成后，電位信號(hào)呈下降趨勢(shì)；煤體卸壓一段時(shí)間后應(yīng)力狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，電位信號(hào)也保持較低水平。因此，電位信號(hào)的變化能夠反映煤體的應(yīng)力水平。

結(jié)合上述分析可知，電位時(shí)序響應(yīng)特征能夠揭示煤體應(yīng)力狀態(tài)的變化。當(dāng)煤體應(yīng)力水平較高時(shí)，電位處于相對(duì)高值水平。伴隨著煤體變形破裂過程的演化，電位信號(hào)也呈一定程度的波動(dòng)變化。

圖5 卸壓前后電位測(cè)試結(jié)果

2.2 電位空間分布規(guī)律

煤巖體的變形破裂具有顯著的非均勻性，煤層的損傷破壞具有局部化特征，存在應(yīng)力異常區(qū)域。利用圖2中多個(gè)鉆孔不同測(cè)點(diǎn)電位信號(hào)強(qiáng)度均值的差異，分析電位空間分布規(guī)律；同時(shí)在電位測(cè)試鉆孔施工過程記錄對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的鉆屑量隨孔深的變化，結(jié)果如圖6所示。

由圖6a可知，不同鉆孔的電位分布存在較大的差異性，整體上電位強(qiáng)度表現(xiàn)出先增后降的趨勢(shì)，靠近煤壁時(shí)(孔深較淺)電位強(qiáng)度相對(duì)較低。與前文中走向應(yīng)力的分布規(guī)律類似，采動(dòng)煤層應(yīng)力狀態(tài)沿傾向也具有典型的應(yīng)力“三區(qū)”分布特征，即隨著孔深的增加，煤體應(yīng)力自巷道煤壁開始逐漸由卸壓區(qū)向應(yīng)力集中區(qū)至原始應(yīng)力區(qū)過渡[20]，這與電位強(qiáng)度的變化趨勢(shì)基本一致。

鉆屑量的大小能夠反映具體位置煤體的實(shí)際受載程度，圖6b顯示，鉆屑量沿孔深的變化規(guī)律與電位強(qiáng)度的變化相一致。鉆孔D在孔深8 m處出現(xiàn)高值并伴隨卡鉆現(xiàn)象，表明該處煤體應(yīng)力出現(xiàn)異常，煤體損傷較為嚴(yán)重[21]，此時(shí)電位強(qiáng)度高達(dá)81 mV，顯著高于其他測(cè)點(diǎn)值。因此，電位強(qiáng)度與應(yīng)力狀態(tài)在空間分布上具有較好的一致性，能夠識(shí)別局部應(yīng)力異常特征。

2.3 電位響應(yīng)與煤巖動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)性的關(guān)系

煤巖動(dòng)力災(zāi)害是復(fù)雜且不斷孕育發(fā)展的過程。學(xué)者們通過理論分析與現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，得到不同的災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)與預(yù)警現(xiàn)象。當(dāng)指標(biāo)超限或預(yù)警現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，意味著煤體損傷破壞嚴(yán)重，在擾動(dòng)作用下，煤體具有發(fā)生動(dòng)力破壞乃至動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)。本文以瓦斯?jié)舛戎笜?biāo)和大能量煤炮事件為例，分析電位響應(yīng)與煤巖動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)性之間的關(guān)系。

2.3.1 瓦斯指標(biāo)超限

在電位測(cè)點(diǎn)處布置瓦斯?jié)舛葌鞲衅?，記錄巷道中煤體釋放的瓦斯含量的變化。當(dāng)回采工作面風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瘸^一定值時(shí)，表明煤體具有發(fā)生突出災(zāi)害的危險(xiǎn)。薛湖煤礦有關(guān)生產(chǎn)規(guī)程規(guī)定瓦斯體積分?jǐn)?shù)不應(yīng)超過0.85%。實(shí)例分析瓦斯指標(biāo)超限前后電位測(cè)試結(jié)果，如圖7所示。

圖7 瓦斯指標(biāo)超限前后電位測(cè)試結(jié)果

由圖7可知，實(shí)例一中瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了0.85%。電位信號(hào)在瓦斯指標(biāo)超限前出現(xiàn)了快速增大的前兆特征，電位信號(hào)增幅為45.2%，且在瓦斯指標(biāo)超限前劇烈波動(dòng)。實(shí)例二中，瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.88%，指標(biāo)再次超限且更高。電位信號(hào)在指標(biāo)超限前連續(xù)增加且波動(dòng)劇烈，信號(hào)增幅高達(dá)132.5%，電位的異常響應(yīng)特征較實(shí)例一更加顯著。

分析可知，當(dāng)采動(dòng)煤體變形破裂較為嚴(yán)重時(shí)，瓦斯在煤介質(zhì)中的運(yùn)移通道大量打開，滲透性增加，導(dǎo)致工作面瓦斯?jié)舛仍黾印Ｍ咚沟臄U(kuò)散與運(yùn)移使得塑性區(qū)的煤體進(jìn)一步疏松，并導(dǎo)致煤體強(qiáng)度降低。當(dāng)應(yīng)力與瓦斯梯度達(dá)到一定值時(shí)，瓦斯在很短時(shí)間內(nèi)大量涌出，造成風(fēng)巷瓦斯?jié)舛戎笜?biāo)超限。此時(shí)，在采動(dòng)應(yīng)力與瓦斯的共同作用下，煤體具有發(fā)生瞬間突出的動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)[22]。在瓦斯超限事件孕育發(fā)展的過程中，電位信號(hào)具有快速增加且波動(dòng)劇烈的前兆響應(yīng)特征。

2.3.2 大能量煤炮

在采動(dòng)的作用下煤體不斷變形損傷，達(dá)到臨界條件時(shí)，煤體發(fā)生突發(fā)性斷裂，并發(fā)出巨大聲響，即“煤炮”現(xiàn)象。大能量煤炮連續(xù)出現(xiàn)時(shí)，會(huì)對(duì)采掘空間的人員及設(shè)備的安全造成威脅，甚至有可能進(jìn)一步誘發(fā)煤巖動(dòng)力災(zāi)害。實(shí)例分析煤炮發(fā)生前后電位信號(hào)響應(yīng)特征，如圖8所示。

圖8 煤炮發(fā)生前后電位測(cè)試結(jié)果

由圖8可知，實(shí)例一中8月20日11時(shí)發(fā)生一起大能量煤炮事件，震感強(qiáng)烈，可視為微型版“礦震”。本次煤炮發(fā)生時(shí)，兩幫出現(xiàn)掉煤屑現(xiàn)象，底板出現(xiàn)少量鼓起，動(dòng)力顯現(xiàn)較為顯著。煤炮發(fā)生前，電位信號(hào)持續(xù)快速上升，并在8月20日1—4時(shí)出現(xiàn)前兆特征，電位信號(hào)持續(xù)劇烈波動(dòng)。煤炮發(fā)生時(shí)電位信號(hào)接近峰值，增幅高達(dá)137.4%，煤炮發(fā)生后電位信號(hào)快速降低至較低水平。實(shí)例二中 9月20日13時(shí)至14時(shí)出現(xiàn)煤炮事件。首先出現(xiàn)小能量煤炮，緊接著出現(xiàn)大能量煤炮。電位信號(hào)在9月18日21時(shí)已經(jīng)開始出現(xiàn)顯著的“驟降–穩(wěn)定–驟升–穩(wěn)定–快速降低”異常波動(dòng)特征，并在9月19日9時(shí)后迅速降低。本次前兆特征提前約2 d，持續(xù)約1 d。煤炮發(fā)生時(shí)，電位信號(hào)接近峰值，并在連續(xù)發(fā)生煤炮期間劇烈波動(dòng)。煤炮發(fā)生后，電位信號(hào)再次出現(xiàn)快速降低趨勢(shì)，隨后保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

煤炮的發(fā)生是煤巖體在擾動(dòng)作用下積聚的應(yīng)變能突然釋放的結(jié)果，而能量的積累是動(dòng)態(tài)連續(xù)性過程。煤炮發(fā)生前能量持續(xù)積聚，煤巖體應(yīng)力水平不斷升高，煤體損傷加劇，導(dǎo)致電位信號(hào)隨之增大。煤巖體的應(yīng)力分布及增加幅度是非線性的，這導(dǎo)致煤巖體在非線性分布的應(yīng)力下發(fā)生非線性變形破裂，引起電位信號(hào)在煤炮孕育過程中出現(xiàn)異常響應(yīng)特征，表現(xiàn)出劇烈波動(dòng)的前兆信息。煤炮發(fā)生后，伴隨著能量釋放，煤巖體發(fā)生動(dòng)力性破壞，應(yīng)力水平也隨之降低，導(dǎo)致電位信號(hào)迅速降低。煤炮發(fā)生后一段時(shí)間內(nèi)，煤巖體的應(yīng)力分布趨于穩(wěn)定，電位信號(hào)隨之保持在相對(duì)穩(wěn)定的低值水平。

綜上分析可知，電位信號(hào)對(duì)煤巖動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)性具有超前增大的響應(yīng)特征，且伴隨著電位信號(hào)的劇烈波動(dòng)。電位信號(hào)的異常響應(yīng)，特別是信號(hào)強(qiáng)度的增幅與峰值水平是判斷煤巖體是否具有煤巖動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)的關(guān)鍵。

2.4 深部煤層采動(dòng)電位監(jiān)測(cè)預(yù)警應(yīng)用分析

以上研究結(jié)果表明，深部煤層采動(dòng)過程能夠產(chǎn)生顯著的電位信號(hào)，電位信號(hào)的時(shí)序響應(yīng)特征與空間分布規(guī)律與煤巖體的應(yīng)力分布及損傷演化密切相關(guān)。因此，通過監(jiān)測(cè)電位信號(hào)識(shí)別其異常響應(yīng)特征，能夠監(jiān)測(cè)煤體發(fā)生動(dòng)力破壞的孕育演化過程，判識(shí)煤體應(yīng)力異常特征，并采取針對(duì)性措施進(jìn)行防治[23-24]。這有望為識(shí)別預(yù)警深部煤巖動(dòng)力災(zāi)害提供一種新的工程應(yīng)用方法。

相比于傳統(tǒng)方法，電位監(jiān)測(cè)具有自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[25]。作為一種地球物理方法，電位信號(hào)響應(yīng)能夠從深層次上揭示煤體損傷破壞的演化過程[15]。在測(cè)試技術(shù)方面，電位監(jiān)測(cè)具有響應(yīng)準(zhǔn)確、抗干擾強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，電位信號(hào)監(jiān)測(cè)可以在煤體表面及煤體內(nèi)部布置電極，監(jiān)測(cè)過程受機(jī)電設(shè)備工作的影響較小，因而，對(duì)工作環(huán)境中背景電磁信號(hào)的抗干擾能力較強(qiáng)。煤層采動(dòng)過程所產(chǎn)生的電位信號(hào)豐富且特征顯著，能夠準(zhǔn)確地采集，進(jìn)而實(shí)時(shí)、有效地監(jiān)測(cè)煤層采動(dòng)應(yīng)力變化。這為電位監(jiān)測(cè)在煤層采動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

a. 深部煤層采動(dòng)破壞過程能夠產(chǎn)生顯著的電位信號(hào)，電位信號(hào)的時(shí)序響應(yīng)特征能夠揭示煤體應(yīng)力狀態(tài)變化。電位信號(hào)在割煤期間波動(dòng)較大，在檢修期間相對(duì)穩(wěn)定；隨著回采工作面推進(jìn)，電位測(cè)點(diǎn)附近煤體應(yīng)力狀態(tài)逐漸由原始應(yīng)力區(qū)過渡到應(yīng)力集中區(qū)及卸壓區(qū)，電位強(qiáng)度均值整體上呈“逐漸增加–顯著降低”的變化趨勢(shì)；鉆孔卸壓后，煤體應(yīng)力水平降低，原本處于高值的電位信號(hào)逐漸降低并趨于穩(wěn)定。

b. 電位信號(hào)與煤體應(yīng)力狀態(tài)在空間分布上具有較好的一致性。隨著孔深增加，電位信號(hào)與鉆屑量均呈先增加后降低趨勢(shì)，符合典型的煤體應(yīng)力狀態(tài)“三區(qū)”分布特征；當(dāng)鉆屑量出現(xiàn)高值并伴隨“卡鉆”現(xiàn)象時(shí)，表明此處煤體應(yīng)力出現(xiàn)異常，此時(shí)電位信號(hào)也出現(xiàn)峰值響應(yīng)。

c. 電位時(shí)序信號(hào)對(duì)煤巖動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)具有前兆響應(yīng)特征，能夠反映煤體受載及破壞狀態(tài)。煤體涌出的瓦斯?jié)舛瘸耷?，電位信?hào)出現(xiàn)強(qiáng)度增大的前兆特征，并波動(dòng)劇烈；大能量煤炮孕育發(fā)展過程中，應(yīng)力水平持續(xù)上升，電位信號(hào)隨之增大，并在煤炮發(fā)生時(shí)接近峰值，隨后迅速下降至較低水平。電位信號(hào)的響應(yīng)特別是電位信號(hào)的增幅與峰值水平，是判斷煤巖體是否具有發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)的關(guān)鍵。

d. 電位監(jiān)測(cè)具有響應(yīng)準(zhǔn)確、抗干擾強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。通過監(jiān)測(cè)采動(dòng)過程煤體電位信號(hào)，識(shí)別其異常響應(yīng)特征，能夠監(jiān)測(cè)煤體發(fā)生動(dòng)力破壞的孕育演化過程，為監(jiān)測(cè)預(yù)警深部煤巖動(dòng)力災(zāi)害提供一種新的工程應(yīng)用方法。

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Characteristics and distribution laws of electric potential response to mining failure of deep coal seam

WANG Enyuan1,2,3, LI Zhonghui1,2,3, NIU Yue1,3,4,5, LIU Shengdong4, SHEN Rongxi1,2,3, LI Dexing1,2,3, ZHANG Xin1,2,3

(1. Key Laboratory of Coal Methane and Fire Control, Ministry of Education, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. National Engineering Research Center for Coal Gas Control, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 3. School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 4. State Key Laboratory for GeoMechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 5. Frontier Scientific Research Center of Fluidized Mining of Deep Resources, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

To study the response characteristics and laws on electric potential(EP) signal of the coal body in the mining failure process, a self-developed mine EP meter was utilized to conduct field tests in the No. 25050 fully mechanized mining face of Xuehu Coal Mine. The results show that the EP signals can be produced significantly during coal seam mining failure process, and the EP response characteristics can reveal the changes of stress state in coal body. As the working face advances, the EP intensity firstly increases and then decreases. The EP intensity decreases significantly after the construction of stress-relief drillings. Simultaneously, the spatial distribution characteristics of EP intensity can identify the zones with abnormal stress in coal seam. The distribution law of the EP intensity and the amount of drill cuttings are similar. When the “stuck” phenomenon occurs during drilling process, abnormal stress is observed in coal body, and the EP intensity reaches a peak value suddenly. The temporal EP signal has the characteristics of precursory response to the hazard of coal and rock dynamic disasters. When the gas indicator exceeds the limit or a large-energy coal cannon event occurs, the EP signal shows a leading increase trend and is accompanied by violent fluctuations. The study results are expected to provide a new idea and an application basis for the utilization of EP methods to monitor coal mining failure and early warning of coal and rock dynamic disasters.

deep coal seam; mining failure; electric potential response; characteristic law; coal and rock dynamic disaster

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語音講解

TD712

A

1001-1986(2021)01-0241-08

2020-11-19；

2020-12-16

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51934007，51674254)；山東省重大科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目(2019JZZY020505)

王恩元，1968年生，男，內(nèi)蒙古卓資人，博士，教授，研究方向?yàn)槊簬r動(dòng)力災(zāi)害防控. E-mail：weytop@cumt.edu.cn

李忠輝，1978年生，男，河北高邑人，博士，教授，研究方向?yàn)楹咚姑簬r動(dòng)力破壞機(jī)制及地球物理響應(yīng). E-mail：leezhonghui@ 163.com

王恩元，李忠輝，鈕月，等. 深部煤層采動(dòng)破壞電位響應(yīng)特征與分布規(guī)律[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(1)：241–248. doi：10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.026

WANG Enyuan，LI Zhonghui，NIU Yue，et al. Characteristics and distribution laws of electric potential response to mining failure of deep coal seam[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(1)：241–248. doi: 10.3969/j.issn.1001- 1986.2021.01.026

(責(zé)任編輯 范章群)