煤加载破坏过程中的微观力学与电学性质及电荷感应监测：对冲击地压早期预警的启示

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Micromechanical and electrical properties of coal during loading-induced failure and charge induction monitoring: Implications for rockburst early-warning

　　

传统冲击地压监测技术，包括微震、声发射（AE）和深钻孔应力监测，在现场存在微观损伤识别精度低、早期预警灵敏度差以及监测布设复杂等不足。此外，单一监测方法无法全面捕捉煤体的完整变形与破坏过程。为克服这些局限性，本研究对红庆河煤矿3-1509工作面的煤样开展了微观、宏观和现场尺度的多尺度试验。研究人员利用原子力显微镜（AFM）表征了不同加载强度下煤的纳米尺度力电性质。随后进行了双轴加载试验，分析了感应电荷和AE信号的特征，并建立了煤颗粒抛射过程中电荷产生的理论模型。进一步利用现场电荷感应监测，获得了侧向支承压力峰值和塑性区分布。结果表明：随着载荷增加，纳米尺度煤表面的平均高度差先增大后减小，而在单轴抗压强度（UCS）的67%时，弹性模量急剧增大。煤表面电位展现出受表面形貌、应力分布和载流子迁移控制的分阶段正电荷变化。在双轴加载下，感应电荷信号比AE信号提前约6秒响应，具有更高的灵敏度，并且与抛射煤颗粒的动能、应力降和破裂强度呈正相关。现场监测证实，感应电荷信号可用于确定侧向支承压力分布和应力分区。这些发现推进了煤的力电耦合理论，并为冲击地压早期预警和钻孔卸压设计提供了新的方法论基础。

**煤加载破坏过程中的微观力学与电学性质及电荷感应监测：对冲击地压早期预警的多尺度研究解读**

**1. 研究背景与问题**

随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭，煤矿开采正向超过1000米的深度延伸，高地应力、高瓦斯含量和强冲击地压倾向性等问题日益突出。冲击地压成为深部煤矿安全生产的主要威胁，其本质是高应力下煤岩体储存的弹性应变能瞬间释放的动态失稳过程。煤岩体在变形破坏过程中的力电响应为揭示其内部损伤演化提供了关键途径。

然而，传统的微震和声发射（AE）监测方法在现场应用中存在局限性，如对纳米尺度初始损伤的识别能力低、微观机制解释不清以及早期预警灵敏度不足。因此，亟需建立煤岩体力电响应与其变形破坏过程之间的多尺度关联，为煤矿冲击地压监测提供新的理论支持和工具。

**2. 研究内容与结论**

为填补上述研究空白，本研究以内蒙古红庆河煤矿3-1509综采工作面为研究对象，从微观、宏观和现场三个尺度开展了系统研究。

**在微观尺度**，研究人员利用原子力显微镜（AFM）及其耦合模块（开尔文探针力显微镜（KPFM）和峰值力定量纳米力学映射（PF-QNM）），表征了不同加载强度下（30%σ_c、67%σ_c、100%σ_c和峰后80%σ_c）煤表面的纳米尺度二维和三维形貌、弹性模量和表面电位演化规律。结果表明，煤表面起伏高度差的平均值随载荷增加先增大后减小，在100%σ_c时达到最大（1313.9 nm），在峰后阶段降至最小（621.7 nm）。弹性模量在30%σ_c时为3.2–16.4 GPa，在67%σ_c、100%σ_c和峰后阶段均突变为17–83 GPa，表明当载荷达到单轴抗压强度（UCS）的67%时，煤表面弹性模量急剧增大。煤的纳米尺度表面电位总体呈正电性，其平均值随加载强度增加先减小（从469.5 mV降至114.2 mV），再增大（至478.8 mV），最后减小（至73.1 mV），呈现出分阶段变化特征，且高电位区域在100%σ_c时面积最大。

**在宏观尺度**，研究人员通过双轴加载条件下的电荷感应监测试验，分析了煤体破坏过程中感应电荷和AE信号的时间演化特征。结果表明，在弹塑性断裂发展阶段（SEP阶段），感应电荷信号比AE信号（振铃计数）提前约6秒出现，具有更高的灵敏度。在塑性断裂发展阶段（SP阶段），感应电荷信号的振幅、出现频率和信号密度均显著高于AE信号，且与应力降和破裂强度呈强相关性。当煤块发生快速断裂和抛射时，感应电荷信号达到最大值（-10 pC至10 pC）。此外，研究人员建立了煤颗粒抛射过程中电荷产生的理论模型，推导出感应电荷量（Q_1cuttings）与煤屑携带电荷量、感应元件面积成正比，与煤屑距感应元件的水平和垂直距离成反比，表明抛射动能越大，产生的感应电荷信号越强。

**在现场尺度**，研究人员采用PCM-22-I便携式煤岩电荷感应监测设备，在红庆河煤矿3-1509工作面辅助运输巷进行了现场监测。通过测量不同钻孔深度实煤体内的感应电荷信号，并对其时域分布曲线进行特征指标（瞬时强度、平均水平、波动特征、总累积）反演，发现距煤帮9–30.5 m范围内感应电荷响应较强，为塑性破坏区和弹性应力集中区；峰值点位于约21 m处，与深孔多点应力计实测值（23.5 m）的相对误差为10.6%，在工程允许范围内（≤15%）。1–9 m范围为应力松弛区（破碎区），30.5–34 m范围为原岩应力区。

**3. 讨论与结论**

本研究的核心价值在于建立了一个连接“微观损伤-宏观前兆-现场危害”的监测框架，解决了传统监测方法难以兼顾“早期识别-灵敏度-现场适用性”的局限。具体而言，煤纳米尺度弹性模量在67%σ_c后的急剧上升和表面电位的分阶段变化，可作为冲击地压预警的“微观判据”；感应电荷信号比AE信号提前6秒响应的特性，可优化现场预警的“时间窗口”；基于感应电荷信号反演的侧向支承压力峰值位置和塑性区范围，可直接指导卸压钻孔深度和间距的优化设计，形成“预警-卸压-验证”的闭环防控体系。

本研究的结论总结如下：
(1) 煤表面电位总体呈正电性，其平均值随加载强度增加先减小、后增大、再减小。当加载强度达到100%σ_c时，高电位区域面积最大。这种分阶段演化受控于非均匀的纳米尺度表面形貌、非均匀应力传递和载流子迁移的耦合效应，为解释煤的微观损伤演化机制提供了直接依据。
(2) 双轴加载试验表明，在弹塑性断裂发展阶段（SEP阶段），感应电荷信号比AE信号提前约6秒出现。在塑性断裂发展阶段（SP阶段），其振幅、出现频率和信号密度均显著高于AE信号，并与应力降和破裂强度密切相关。
(3) 煤屑抛射过程中电荷产生的理论模型表明，感应电荷量与煤屑携带的电荷量和感应元件的感应面积成正比，与煤屑距感应元件的水平和垂直距离成反比。抛射动能越大，产生的感应电荷信号越强，从而解释了煤屑抛射过程中的电荷产生和感应机制。
(4) 通过整合感应电荷的时域分布曲线与多个电荷感应指标（q_amax、q_ai-、C_dis、q_Σ）的直方图，可以间接确定侧向支承压力峰值位置、塑性区范围和煤体内部应力水平，为冲击地压监测预警和钻孔卸压深度设计提供了实用指导。
(5) 煤在加载和破坏过程中微观力电性质的演化是宏观尺度感应电荷信号的内在原因。因此，现场电荷感应监测可以通过反演煤体的应力状态来支持冲击地压早期预警。