,6/5/2021,#,煤岩失稳破坏电荷感应规律再认识 与井下监测实践,煤岩失稳破坏电荷感应规律再认识 与井下监测实践,1,汇报内容,一、煤岩电荷感应机理,二,、感应电荷强度与应力相关性,三、煤岩感应电荷时频规律,四、井下监测试验,汇报内容一、煤岩电荷感应机理,2,一、煤岩电荷感应机理,+,_,+,_,+,_,+,_,+,_,+,_,+,_,_,+,_,_,_,晶体,载荷,+,+,+,+,+,+,+,_,_,_,+,_,+,+,_,_,+,_,+,+,_,_,_,_,_,载荷,接触面滑动摩擦快速分离,_,_,电荷,+,+,（,1,）压,电,效,应,载荷,（,2,）裂,隙尖端效应,（,3,）摩,擦,起,电,效,应,输 出 信 号,时间,屏蔽外壳,敏 感 元 件,信号放 大调理,通常认为：在煤岩受载过程中，当发,生,压电效应、裂隙尖端效应与剪切摩擦效,应,时，将会,产生自由电,荷,，其运动变化会引,起,煤岩周围电场的变,化,，与此同时传感器敏感元 件周围电场也会相应发生变化，进而导致传感器敏感元件,上,感应电荷量发生变,化,。,感应电荷的变化反应了煤岩内部应力状态与变形破坏 程度,，因此通过监测煤岩感应电荷信号的变化情况，就可以,为,冲击地压等煤矿动力灾害提供新的预警方,法,。,E,电场强度,感,应电荷,产,生机理,与,监测原,理,示意图,一、煤岩电荷感应机理+_+_+_+_+_+_+_+_晶,3,一、煤岩感应电荷产生原理,崩 落 弹 射,感应元件,感应电荷,信号处 理器件,载荷,电缆,y,x,v,q,0,点电荷,感应元件,感应电荷产生的第四种形式,假设某煤屑或颗粒带电量,为,q,0,，以初始速度,v,靠近感应元件，且与感应元件中心的水平距 离,为,x,，竖向距离,为,y,，敏感元件面积为,S,1,，则感应电荷量,q,1,为：,q,S,q,1,=,01,4,x,v,t,2,y,2,一、煤岩感应电荷产生原理崩 落 弹 射感应元件感应电荷信号处,4,汇报内容,一、煤岩电荷感应机理,二,、,感应电荷强度与应力相关性,三、煤岩感应电荷时频规律,四、井下监测试验,汇报内容一、煤岩电荷感应机理,5,O,E,A,C,D,F,B,1,应变,应力,剩余弹性应,变能密度,震动辐射与 煤屑动能等 耗散能密度,裂纹扩展耗,散能密度,2,U,0,U,1,U,2,=0,.,5,1,+,2,二、煤岩感应电荷强度与应力相关性,1,2,U,1,=,2,=,2,E,1,E,U,2,=,2,=,应力降过程能量转化关系,面积S,EFD,表示存贮的剩余弹性应变能密度；,面积S,FAB,表示震动辐射能与煤屑动能等耗散能密,度,记作,U,1,；,面积S,FDCB,表示裂隙裂纹扩展耗散能密,度,记,作,U,2,；,总耗散能密度等于面,积,S,FAB,与面,积S,FDCB,之和，记,作,U,0,1,应力降起点时的应力,2,应力降终点时的应力,应力降幅值,应变降幅值,E,弹性模量,OEACDF1应变应力剩余弹性应 变能密度震动,6,二、煤岩感应电荷强度与应力相关性,煤岩电荷感应强度与应力量化关系,2,U,0,E,k,2,e,2,E,2,1,2,U,0,kW,k,E,煤岩耗散能与煤岩破坏程度呈正相,关,，煤岩破坏程度与电场能量呈正 相关，因此煤岩耗散能与电场能量呈正相关。,匀强电场能量密度,为,：,2,1,2,e,W,=,E,假设煤岩总耗能密度与电场能量密度呈正比关系,当煤岩快速失稳破坏时，将会产生大幅度的应力降,，可将上式简化为：,-,介电常,数,；,E,-,电场强度；,k,，,k,，,k,-,比例常数。,煤岩稳定,破,坏,阶段，,应,力降较,小,，电荷,感,应强度,主,要取决,于,煤岩应,力,状态；,煤岩非稳,定,破,坏阶段,，,应力降,较,大，电,荷,感应强,度,主要取,决,于煤岩,应,力降。,O,E,A,F,D,C,B,1,应变,应力,剩余弹性应 变能密度,震动辐射与 煤屑动能等,耗散能密度,裂纹扩展耗 散能密度,2,二、煤岩感应电荷强度与应力相关性煤岩电荷感应强度与应力量化关,7,汇报内容,一、煤岩电荷感应机理,二,、,感应电荷强度与应力相关性,三、煤岩感应电荷时频规律,四、井下监测试验,汇报内容一、煤岩电荷感应机理,8,煤岩电荷感应实验,三、煤岩电荷感应时频规律,0.0,0.5,1.5,2.0,0,20,18,16,14,12,10,8,6,4,2,Axial,Stress/MPa,1.0,Strain/%,20,18,16,14,12,10,8,6,4,2,0,Axial,Stress CECQ,0306090120 150 180 210,240,Time/s,Axial,Stress/MPa,-80,80,60,40,20,0,-20,-40,-60,CECQ,/,pC,(a),应,力,-,应变,(b),轴向应,力,-,时,间,-,电荷信号,9,2,3,1-,M,T,S,压,体,；,制作标准的实验试件，其尺 寸,为,50,m,m,10,0,m,m,，将,试件放入屏蔽缸体，采用位 移加载控制，利,用,MTS,岩 石力学测试系统对煤体进行 单轴压缩破坏实验。利用电 荷采集系统监测煤体压缩过 程中的电荷感应信号，该系 统主要是由电荷感应元件,（合金薄片）、屏蔽外界干 扰信号的缸体、电荷前置放 大器、信号高频采集仪及计,算机组,成,。,煤岩电荷感应实验三、煤岩电荷感应时频规律0.00.51.52,9,三、煤岩电荷感应时频规律,0,5,10,15,20,25,30,35,幅,值,/mV,0,10,20,30,40,50,60,幅,值,/mV,-50,0,50 100 150 200 250 300 350 400 450,500,频,率,/Hz,电荷噪,声,信号,-50,050 100 150 200 250 300 350 400 450,500,频,率,/Hz,噪声信,号频谱,煤岩破,坏与噪声混合电,荷,信号,破坏与,噪声混合电,荷,信号频谱,煤岩电荷感应信号频率特征,（,1,）,感,应,电,荷,采,样,频率,为,1KH,z,时,，,实,验室环,境,下,干扰信,号,频,率,为,50Hz,、,150Hz,、,250Hz,、,350Hz,与,450Hz,，,一般,为,50Hz,奇数,倍,。,我,国配,电,网,络,的谐波,频,率,为,50Hz,，,一,般,而,言,奇次谐,波,干扰,比,较严,重,，,因,此,，,干扰信,号,频域,分,析与,实,际相,符,。,（,2,）,煤岩破,裂,的信号,主,频,集中,分布在,15Hz30Hz,范围内,，,也,就说,感,应,电,荷,有,效,信,号,基,本,为,低频信,号。,三、煤岩电荷感应时频规律05101520253035幅 值/,10,三、煤岩电荷感应时频规律,滤波前,滤波后,煤岩电荷感应信号滤波,设,计,低通滤波,器,，对原始感应电荷信号进行滤波，去掉高频的干扰信,号,，,这,里,通带截止频率,取,28Hz，,降噪后的感,应,电荷信号与应,力,-,应变曲线呈现出 更高的相关,性,。,三、煤岩电荷感应时频规律滤波前滤波后煤岩电荷感应信号滤波,11,三、煤岩电荷感应时频规律,煤岩失稳破坏电,荷,感应时,域,特征,稳定破裂阶,段,，应力降不明显，存,在,低幅值,感应电荷信号，波,动,性不强，但可观测辨,识,；,非稳定破裂阶,段,，煤岩试件体积膨胀，裂纹 加速扩展，出现较大的应力降，高幅值电荷感 应信号连续显现，波动性较强；,峰后破裂阶,段,，煤岩发生了主破坏，此阶段 应力降程度与频数最高,，,高幅值电荷信号最为 密集，平均幅值最大，信号波动最为剧,烈,。,三、煤岩电荷感应时频规律煤岩失稳破坏电荷感应时域特征,12,三、煤岩电荷感应时频规律,电荷累积量跃升特性,电荷幅,值,波动,特,性,m,i,1,累,计,量,Q,m,q,i,m,Q,m,k,t,电荷均值的高幅值特性,滑,动平均值,E,m,滑,动,变异系,数,CV,煤岩失稳破坏电荷评价指标,0,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22,应力,/,M,P,a,-1,-,0,.,8,-,0,.,6,-,0,.,4,-,0,.,2,0,0,.,2,0,.,4,0,.,6,0,.,8,1,电荷幅,值,/,p,C,应力,电荷,269s,601.2602.2s,内电荷信号,01s,内电荷信号,0,50,100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650,700,时间,/s,应力与电,荷,感,应时程,曲,线,电荷累积量,电荷滑动,平,均,值,电荷滑,动,变,异,系数,三、煤岩电荷感应时频规律电荷累积量跃升特性电荷幅值波动特性m,13,汇报内容,一、煤岩电荷感应机理,二,、,感应电荷强度与应力相关性 三、煤岩感应电荷时频规律,四、井下监测试验,汇报内容一、煤岩电荷感应机理,14,1,2,6 5 4,3,7,8,9,1,一通道,2,二通道,3,三通道,4,四通道,5,数据传输接,口,6,充电接口,7,电缆,8,显示器,9,感应电荷探头,四、井下监测实践,YCD5便携式煤岩电荷监测仪,7,寸高清彩色触摸屏，具有实时显示监测数据曲线、查询历史曲线、数据 存储、实时预警等功能；,实现,1-4,通道电荷信号采集，采样精,度,16,位，连续运,行,8小时以上；,量程,：150pC，分辨率：0.1pC，,采样频率,：30kHz,。,127891 一通道 2 二通道 3 三通道 4 四通道 5,15,四、井下监测实践,平顶山十一矿煤岩感应电荷监测,70,60,50,40,30,20,10,0,100,90,80,每日平均电荷量/pC,回风巷,工作面实体煤,（,倾,向,长,度,）,采空区,0123456789101112,测点,7月25日,7月26日,7月27日,7月28日,7月29日,7月30日,120,110,100,90,80,70,60,50,40,30,20,10,0,-10,超 前 工,作,面（,走,向）,采空区,每日电荷平均值/pC,012345678910,11 12,13,测点,7月25日,7月26日,7月27日,7月28日,7月29日,7月30日,四、井下监测实践平顶山十一矿煤岩感应电荷监测70100每日平,16,110,100,7,月,30,日,90,7,月,29日,80,70,60,50,7,月,28日,2,号测点,拟合曲线,每日平均电荷量,/pC,50,55,70,75,40,50,60,70,90,60,距 工,作,65,面 距,离,/m,每日平均电荷量/pC,7,月,30日,80,7,月,29日,7,月,28日,7,月,27日,7,月,26日,7,月,25日,6号测点,拟合曲线,四、井下监测实践,1101007月28日 2号测点每日平均电荷量/pC5055,17,四、井下监测实践,辽宁红阳三矿煤岩感应电荷监测,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,18,17,16,15,14,13,12,19,20,5,月,20,日,巷道维修干扰,5月21日,5月22日,5月23日,5月24日,平均电荷量/pC,测点,5月14日,5月15日,5月16日,5月18日,5月19日,四、井下监测实践辽宁红阳三矿煤岩感应电荷监测01234567,18,四、井下监测实践,13.0,13.5,14.0,14.5,15.0,15.5,16.0,16.5,17.0,2,22日,21日,20日,19日,18日,16日,15日,平 均 电 荷,幅,值,/pC,5,号点实测,曲线拟合,12,13,14,15,16,17,平 均 电 荷,幅,值,/pC,22日,20日,19日,18日,16日,15日,1,6号点实测 曲线拟合,13.0,13.5,14.0,14.5,15.0,15.5,16.0,16.5,24日,23日,22日,21日,20日,19日,18日,16日,15日,14日,7号点实测值,曲线拟合,平,均,电,荷,幅,值,/pC,12.5,8,