深部煤层采动破坏电位响应特征与分布规律

王恩元，李忠辉，钮 月，刘盛东，沈荣喜，李德行，张 昕

深部煤层采动破坏电位响应特征与分布规律

王恩元1,2,3，李忠辉1,2,3，钮 月1,3,4,5，刘盛东4，沈荣喜1,2,3，李德行1,2,3，张 昕1,2,3

(1．中国矿业大学 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏 徐州 221116；2．中国矿业大学 煤矿瓦斯治理国家工程研究中心，江苏 徐州 221116；3．中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116；4．中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116；5．中国矿业大学 深部资源流态化开采前沿科学研究中心，江苏 徐州 221116)

为了研究采动破坏过程煤体电位信号的响应特征与规律，利用自主研发的矿用电位仪在河南薛湖煤矿25050综采工作面进行了现场测试。结果表明：煤层采动破坏过程能够产生显著的电位信号，电位响应特征能够揭示煤体应力状态的变化，随着回采工作面的推进，电位强度呈先增加后降低趋势，利用钻孔卸压后，煤体应力降低，电位信号随之下降；电位强度与钻屑量的空间分布规律基本一致，利用电位空间分布规律能够识别应力异常特征，出现“卡钻”现象时，煤体应力异常，电位强度出现峰值；当瓦斯指标超限或出现大能量煤炮事件时，电位信号呈超前增大趋势并伴随剧烈波动，利用电位信号能够识别煤岩动力灾害危险的前兆特征。研究成果表明利用电位手段可现场监测煤体采动破坏、预警煤岩动力灾害。

深部煤层；采动破坏；电位响应；特征规律；煤岩动力灾害

我国煤炭资源已逐步进入深部开采阶段，随着地应力及瓦斯压力不断升高，采场环境更加复杂[1-2]，煤与瓦斯突出、冲击地压等煤岩动力灾害的强度及危害程度呈上升趋势，严重制约着煤矿的安全生产[3-4]。实时监测深部煤层采动过程的变形破坏、精细判识煤层应力异常区域，是深部煤岩动力灾害监测预警的基础和前提[5-9]。

研究表明，煤岩体在变形破裂过程中能够产生电位信号，电位响应与煤岩应力状态及损伤破坏演化过程密切相关[10-12]。V. S. Kuksenko等[13]对大理岩加载时，用静电计测量到感应电荷。A. Cartwright- Taylor等[14]研究了大理石样品受载变形诱导的电流波动及其统计表达方法。李忠辉等[15]创建了煤岩电位实验系统，研究了不同加载方式下煤岩电位效应，并揭示了电位产生的微观机理。Niu Yue等[16]构建了应力与瓦斯耦合作用下煤体损伤演化与电位响应之间的本构模型，并利用电位数据表征了煤体有效应力。钮月[17]进一步研究了含瓦斯煤电位空间分布规律，结果表明，电位异常区域能够定位识别煤体发生动力破坏的危险区域。潘一山等[18]通过现场测试发现，采动作用能够诱发煤体产生感应电荷，且电荷幅值在冲击现象发生时明显增大。

上述研究成果表明利用电位手段监测预警煤岩体动力破坏及灾害是可行的。但是，前人对于煤岩电位的研究主要集中在理论研究与试验分析阶段，在煤矿现场应用方面研究较少，特别在深部矿井煤岩动力灾害监测预警方面尚缺乏相应的研究。深部采场环境下，煤体采动破坏过程电位信号将呈现怎样的响应规律，该规律与煤岩动力灾害的孕育发展过程之间是否存在某种内在联系？煤层中动力破坏的发生通常具有局部化特征，电位空间分布与煤体应力异常区域是否存在对应关系？电位监测方法在现场应用中具有什么优势？基于以上问题，笔者在深部矿井采动煤层进行了现场电位测试，研究电位信号随煤层采动破坏过程的时序响应特征与空间分布规律，以提示电位响应与煤体动力灾害危险性之间的内在联系。研究成果能够为进一步利用电位响应监测煤体发生动力破坏的孕育演化过程、识别预警深部煤岩动力灾害奠定应用基础。

1 煤层采动破坏电位监测实施方案

1.1 工作面概况

本文选择在河南省薛湖煤矿二2煤层25采区25050综采面进行电位测试工作，采场布置如图1所示。25050综采面距离地面高程为720~750 m，属深部开采煤层，矿压大；煤层瓦斯含量大，绝对瓦斯涌出量为1.0~3.0 m3/min，裂隙发育且顶板容易破碎，具有诱发煤岩动力灾害的危险。

图1 河南省薛湖煤矿二2煤层25采区25050综采面巷道布置

1.2 电位监测装备及方案

采用自主研发的矿用电位仪[17]进行数据采集。测试装备及测点布置如图2所示。图2a为电位仪主机，能够同时测试多个测点的电位信号，并实时显示；在回采工作面前方采动煤层中布置多个电位测试钻孔，钻孔深度为20 m，钻孔间距为10 m(图2b)；图2c在同一孔内可布置多个电位测点，测点间距2 m，测试不同深度煤体的电位信号(图2c)。

图2 电位测点布置

2 煤层采动破坏电位响应特征

2.1 电位时序响应影响因素及特征

2.1.1 回采工序

受篇幅限制，以钻孔D中孔深为14 m测点的电位测试结果为例，分析煤层采动破坏过程电位信号的变化。根据25050综采面的生产安排，煤层采动期间，每天约有4 h检修时间，检修期间暂停割煤工序。选取两组典型实例，分析割煤–检修期间电位信号的变化规律，如图3所示。

由图3可知，割煤期间，电位信号波动较为剧烈；检修期间，电位信号波动较小且变化趋势基本稳定。分析认为，受采动影响，割煤期间煤体的应力状态发生较大改变，煤体发生一定的变形破裂，因而电位信号较高且波动较大；检修期间，由于割煤工序停止，煤体应力状态及结构破坏较为稳定，因而电位信号处于相对稳定状态。

2.1.2 采动距离

当电位测点固定时，随着回采工作面的持续推进，测点与工作面之间距离不断减小。统计每日电位信号强度均值，记录电位强度均值随采动距离(即测点与工作面之间距离)的变化，实例分析如图4所示。

由图4可知，随着测点与工作面之间距离的减小，煤体受采动的影响逐渐加剧，电位强度总体上呈先增大后降低趋势，这与回采工作面前方煤体应力状态的经典分布规律[19]相一致。即当电位测点距离回采工作面较远时，煤体受采动的影响较小，应力水平可近似为煤岩层的原始应力状态；随着测点与工作面距离的减小，煤体受采动的影响逐渐加剧，煤体应力水平增加，逐渐趋近于“应力集中”状态；当测点与工作面的距离低于一定值时，受采空区“卸压”作用的影响，煤体已经发生了较为显著的塑性变形，应力水平处于松弛卸压状态。处于应力集中区时，煤体变形破坏较强，因而电位强度均值较高，而卸压区的煤体已经处于应力松弛状态，电位强度均值反而较低。

图3 割煤–检修期间电位测试结果

图4 电位强度均值随采动距离测试结果

2.1.3 钻孔卸压

为了进一步验证电位响应与煤体应力状态之间的关系，当电位信号出现高值时，在测点附近煤体中施工钻孔进行卸压，实例分析卸压前后电位信号的变化规律，如图5所示。

从图5可知，实例一中钻孔施工过程对煤体扰动较强，电位信号在短时间内出现了剧烈波动；卸压完成后，电位信号随之降低并趋于稳定。卸压前后，电位信号降幅高达63.8%，降幅显著。实例二与之类似，电位信号降幅达36.7%。

分析认为，当煤体应力较高时，通过施工卸压钻孔在周围煤体中形成塑性区，能够显著降低钻孔附近煤体应力水平；打钻完成后，电位信号呈下降趋势；煤体卸压一段时间后应力状态相对稳定，电位信号也保持较低水平。因此，电位信号的变化能够反映煤体的应力水平。

结合上述分析可知，电位时序响应特征能够揭示煤体应力状态的变化。当煤体应力水平较高时，电位处于相对高值水平。伴随着煤体变形破裂过程的演化，电位信号也呈一定程度的波动变化。

图5 卸压前后电位测试结果

2.2 电位空间分布规律

煤岩体的变形破裂具有显著的非均匀性，煤层的损伤破坏具有局部化特征，存在应力异常区域。利用图2中多个钻孔不同测点电位信号强度均值的差异，分析电位空间分布规律；同时在电位测试钻孔施工过程记录对应测点的钻屑量随孔深的变化，结果如图6所示。

由图6a可知，不同钻孔的电位分布存在较大的差异性，整体上电位强度表现出先增后降的趋势，靠近煤壁时(孔深较浅)电位强度相对较低。与前文中走向应力的分布规律类似，采动煤层应力状态沿倾向也具有典型的应力“三区”分布特征，即随着孔深的增加，煤体应力自巷道煤壁开始逐渐由卸压区向应力集中区至原始应力区过渡[20]，这与电位强度的变化趋势基本一致。

钻屑量的大小能够反映具体位置煤体的实际受载程度，图6b显示，钻屑量沿孔深的变化规律与电位强度的变化相一致。钻孔D在孔深8 m处出现高值并伴随卡钻现象，表明该处煤体应力出现异常，煤体损伤较为严重[21]，此时电位强度高达81 mV，显著高于其他测点值。因此，电位强度与应力状态在空间分布上具有较好的一致性，能够识别局部应力异常特征。

2.3 电位响应与煤岩动力灾害危险性的关系

煤岩动力灾害是复杂且不断孕育发展的过程。学者们通过理论分析与现场经验总结，得到不同的灾害预警指标与预警现象。当指标超限或预警现象出现时，意味着煤体损伤破坏严重，在扰动作用下，煤体具有发生动力破坏乃至动力灾害的危险。本文以瓦斯浓度指标和大能量煤炮事件为例，分析电位响应与煤岩动力灾害危险性之间的关系。

2.3.1 瓦斯指标超限

在电位测点处布置瓦斯浓度传感器，记录巷道中煤体释放的瓦斯含量的变化。当回采工作面风流中瓦斯浓度超过一定值时，表明煤体具有发生突出灾害的危险。薛湖煤矿有关生产规程规定瓦斯体积分数不应超过0.85%。实例分析瓦斯指标超限前后电位测试结果，如图7所示。

图7 瓦斯指标超限前后电位测试结果

由图7可知，实例一中瓦斯体积分数达到了0.85%。电位信号在瓦斯指标超限前出现了快速增大的前兆特征，电位信号增幅为45.2%，且在瓦斯指标超限前剧烈波动。实例二中，瓦斯体积分数为0.88%，指标再次超限且更高。电位信号在指标超限前连续增加且波动剧烈，信号增幅高达132.5%，电位的异常响应特征较实例一更加显著。

分析可知，当采动煤体变形破裂较为严重时，瓦斯在煤介质中的运移通道大量打开，渗透性增加，导致工作面瓦斯浓度增加。瓦斯的扩散与运移使得塑性区的煤体进一步疏松，并导致煤体强度降低。当应力与瓦斯梯度达到一定值时，瓦斯在很短时间内大量涌出，造成风巷瓦斯浓度指标超限。此时，在采动应力与瓦斯的共同作用下，煤体具有发生瞬间突出的动力灾害危险[22]。在瓦斯超限事件孕育发展的过程中，电位信号具有快速增加且波动剧烈的前兆响应特征。

2.3.2 大能量煤炮

在采动的作用下煤体不断变形损伤，达到临界条件时，煤体发生突发性断裂，并发出巨大声响，即“煤炮”现象。大能量煤炮连续出现时，会对采掘空间的人员及设备的安全造成威胁，甚至有可能进一步诱发煤岩动力灾害。实例分析煤炮发生前后电位信号响应特征，如图8所示。

图8 煤炮发生前后电位测试结果

由图8可知，实例一中8月20日11时发生一起大能量煤炮事件，震感强烈，可视为微型版“矿震”。本次煤炮发生时，两帮出现掉煤屑现象，底板出现少量鼓起，动力显现较为显著。煤炮发生前，电位信号持续快速上升，并在8月20日1—4时出现前兆特征，电位信号持续剧烈波动。煤炮发生时电位信号接近峰值，增幅高达137.4%，煤炮发生后电位信号快速降低至较低水平。实例二中 9月20日13时至14时出现煤炮事件。首先出现小能量煤炮，紧接着出现大能量煤炮。电位信号在9月18日21时已经开始出现显著的“骤降–稳定–骤升–稳定–快速降低”异常波动特征，并在9月19日9时后迅速降低。本次前兆特征提前约2 d，持续约1 d。煤炮发生时，电位信号接近峰值，并在连续发生煤炮期间剧烈波动。煤炮发生后，电位信号再次出现快速降低趋势，随后保持相对稳定状态。

煤炮的发生是煤岩体在扰动作用下积聚的应变能突然释放的结果，而能量的积累是动态连续性过程。煤炮发生前能量持续积聚，煤岩体应力水平不断升高，煤体损伤加剧，导致电位信号随之增大。煤岩体的应力分布及增加幅度是非线性的，这导致煤岩体在非线性分布的应力下发生非线性变形破裂，引起电位信号在煤炮孕育过程中出现异常响应特征，表现出剧烈波动的前兆信息。煤炮发生后，伴随着能量释放，煤岩体发生动力性破坏，应力水平也随之降低，导致电位信号迅速降低。煤炮发生后一段时间内，煤岩体的应力分布趋于稳定，电位信号随之保持在相对稳定的低值水平。

综上分析可知，电位信号对煤岩动力灾害危险性具有超前增大的响应特征，且伴随着电位信号的剧烈波动。电位信号的异常响应，特别是信号强度的增幅与峰值水平是判断煤岩体是否具有煤岩动力灾害危险的关键。

2.4 深部煤层采动电位监测预警应用分析

以上研究结果表明，深部煤层采动过程能够产生显著的电位信号，电位信号的时序响应特征与空间分布规律与煤岩体的应力分布及损伤演化密切相关。因此，通过监测电位信号识别其异常响应特征，能够监测煤体发生动力破坏的孕育演化过程，判识煤体应力异常特征，并采取针对性措施进行防治[23-24]。这有望为识别预警深部煤岩动力灾害提供一种新的工程应用方法。

相比于传统方法，电位监测具有自身独特的优势[25]。作为一种地球物理方法，电位信号响应能够从深层次上揭示煤体损伤破坏的演化过程[15]。在测试技术方面，电位监测具有响应准确、抗干扰强的优势，电位信号监测可以在煤体表面及煤体内部布置电极，监测过程受机电设备工作的影响较小，因而，对工作环境中背景电磁信号的抗干扰能力较强。煤层采动过程所产生的电位信号丰富且特征显著，能够准确地采集，进而实时、有效地监测煤层采动应力变化。这为电位监测在煤层采动现场的应用奠定了坚实的基础。

3 结论

a. 深部煤层采动破坏过程能够产生显著的电位信号，电位信号的时序响应特征能够揭示煤体应力状态变化。电位信号在割煤期间波动较大，在检修期间相对稳定；随着回采工作面推进，电位测点附近煤体应力状态逐渐由原始应力区过渡到应力集中区及卸压区，电位强度均值整体上呈“逐渐增加–显著降低”的变化趋势；钻孔卸压后，煤体应力水平降低，原本处于高值的电位信号逐渐降低并趋于稳定。

b. 电位信号与煤体应力状态在空间分布上具有较好的一致性。随着孔深增加，电位信号与钻屑量均呈先增加后降低趋势，符合典型的煤体应力状态“三区”分布特征；当钻屑量出现高值并伴随“卡钻”现象时，表明此处煤体应力出现异常，此时电位信号也出现峰值响应。

c. 电位时序信号对煤岩动力灾害危险具有前兆响应特征，能够反映煤体受载及破坏状态。煤体涌出的瓦斯浓度超限前，电位信号出现强度增大的前兆特征，并波动剧烈；大能量煤炮孕育发展过程中，应力水平持续上升，电位信号随之增大，并在煤炮发生时接近峰值，随后迅速下降至较低水平。电位信号的响应特别是电位信号的增幅与峰值水平，是判断煤岩体是否具有发生动力灾害危险的关键。

d. 电位监测具有响应准确、抗干扰强的优势。通过监测采动过程煤体电位信号，识别其异常响应特征，能够监测煤体发生动力破坏的孕育演化过程，为监测预警深部煤岩动力灾害提供一种新的工程应用方法。

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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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TD712

A

1001-1986(2021)01-0241-08

2020-11-19；

2020-12-16

国家自然科学基金项目(51934007，51674254)；山东省重大科技创新工程项目(2019JZZY020505)

王恩元，1968年生，男，内蒙古卓资人，博士，教授，研究方向为煤岩动力灾害防控. E-mail：weytop@cumt.edu.cn

李忠辉，1978年生，男，河北高邑人，博士，教授，研究方向为含瓦斯煤岩动力破坏机制及地球物理响应. E-mail：leezhonghui@ 163.com

王恩元，李忠辉，钮月，等. 深部煤层采动破坏电位响应特征与分布规律[J]. 煤田地质与勘探，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

(责任编辑 范章群)