受载煤体变形破裂表面电位效应及其机理的研究

矿井煤岩动力灾害如煤与瓦斯突出、冲击地压等是井下煤岩体在地应力作用下快速断裂破坏而引起的,在这些过程中会伴随有多种地球物理信号产生,对煤岩灾变伴生地球物理信号特征规律的研究,对于预测矿山灾害危险,保障矿山安全,具有重要的理论意义和实际应用价值.本文对受载煤体表面电位效应、规律、影响因素及其产生机理等方面进行了系统的研究.全文的主要成果及创新点如下:1)揭示了煤体在单轴压缩、拉伸、三点弯曲等不同加载方式下的表面电位特征及规律,发现煤体在不同受载破坏条件下都能够产生表面电位,并且表面电位与载荷及载荷变化率有较好的相关性,二者之间的相关系数在0.6～0.9以上;研究表明受载破坏煤体的内部电位与表面电位变化趋势基本一致,煤体内部电位在试件无宏观破裂时对载荷变化的反映比表面电位更显著和敏感.2)深入研究了不同因素(煤体电性参数、加载速率、水分等)对煤体表面电位的影响.结果表明:a.煤体受载时电阻率减小,电场在煤体中的损耗增加,对表面电位有削弱作用;b.煤体表面电位的产生与加载速率(即煤体结构损伤速率)有着直接的关系,加载速率越大,表面电位信号则越强;c.煤体中水分对表面电位有较大的影响,在较低应力水平(7%～21%σmax)下就会出现表面电位的峰值.3)对表面电位信号进行了R/S统计分析,其Hurst指数均大于0.5,煤体破坏过程中产生的表面电位信号与时间(载荷)之间呈现正相关性,即随煤体破坏电位信号在时间上呈增强趋势.4)受载煤体表面的应变场分布具有非均匀性和各向异性特征,煤体表面的电位场分布随加载过程而不断变化;表面电位集中点的连线与试样破裂面位置吻合较好,破坏时刻高电位点与低电位点以破裂面基本对称.5)煤体破裂是其中缺陷、裂隙在应力作用下分叉扩展、汇合、贯通的结果,煤体受载过程中裂隙面的摩擦起电作用、新生裂隙扩展壁面电荷分离等产生的自由电子为表面电位提供电荷源;基于损伤力学、电磁动力学等理论建立了有限边界煤体表面电位的统计损伤计算模型U(P)σ,并且建立了煤体破坏自由电荷累积与煤体本构关系之间的联系.6)现场测试结果表明:表面电位在时间上与周期来压同步,在空间上与工作面前方煤体应力场分布基本一致并随工作面推进同步前移;煤体表面电位对采掘空间电磁噪音的抗干扰能力较强,而煤层注水对其影响较大,现场测试中应避开.对表面电位的深入研究可望为评定矿山煤体应力状态及其稳定性、监测预报煤岩动力灾害提供一种新的方法和手段.

Study on Surface Potential Effect and Its Mechanism of Coal During Deformatoin and Fracture Under Load

Coal and rock dynamic disasters in coal mine such as coal and gas outburst,rock burst are induced by the rapid fracture of coal and rock under ground stresses,during which there are many geophysical signals generated.The study of characteristics and laws of these geophysical signals associated with coal catastrophes is of crucial theoretical and practical significance for the monitoring and forecasting of mining disasters and ensuring the safety of coal mines.In this paper,the surface potential effect,regul...