随着我国浅部煤炭资源的逐年减少，煤矿开采逐渐转向深部，致使冲击地压灾害发生的频度和强度明显增加，对煤矿的安全生产以及人员的生命、财产安全构成了极大的威胁[1-3]。因此有效的动灾监测方法和手段的研究已成为保障煤炭资源安全高效开采的重要科学问题。现有研究成果[4-8]表明，煤岩体变形破坏过程有电荷产生，且煤岩变形破裂过程产生的电荷信号与煤岩动力过程密切相关，煤岩破裂面上分离电荷量的异常升高或降低与应力突变有较好的对应关系，电荷信号的分布趋势、电荷幅值的量化分析可作为煤岩破裂过程力学性质变化以及动力显现的预警信息。煤岩体破裂产生的电荷可利用高灵敏度的电荷采集系统进行提取和分析，由此可形成煤岩破裂失稳的电荷监测方法。
关于电荷感应技术，国内外学者进行了大量研究，ВОЛАРОВИЧ，ПАРXОМЕНКО[9]在1953年采用实验方法，对片麻岩、花岗岩和脉石英的压电现象进行了研究，发现岩石在受载变形破裂过程中有电荷信号产生。NITSON[10]通过实验室实验研究了岩石的压电效应，得出当内部含石英和其他硬压电材料的岩石发生破裂时，有无线电频段的电荷感应信号产生。潘一山等[11-12]对煤岩试样在拉伸和三轴破坏条件下的电荷感应信号规律进行了研究，得出了煤岩试样拉伸过程中有自由电荷产生，电荷信号异常区域与应力突变阶段相对应;孔隙压力对煤样压缩破裂产生的电荷感应信号起到弱化作用;围压对煤样压缩破裂产生的电荷感应信号起到强化作用。赵扬锋等[13-14]对单轴压缩条件下煤样电荷信号规律进行了试验研究，得出煤样在加载初期由于煤样内部原生裂纹处于压密阶段而有少量电荷信号产生，随荷载的不断增大，电荷信号数量有所增加且电荷幅值也增大。王岗等[15]对煤体剪切破坏过程中的电荷规律进行了研究，得出煤体剪切破坏过程中有显著电荷感应信号产生，电荷信号异常区域对应于剪应力突变阶段;随剪切角增大，煤体应力峰值前电荷信号逐渐减少并不断向剪应力峰值附近集中，剪应力峰值前累积的电荷量也逐渐减少。潘一山等[16-17]对不同温度以及不同加载速率条件下煤岩体电荷规律进行了研究，得出花岗岩、砂岩温度达到30°左右，开始有微弱电荷感应信号产生，随温度升高，电荷感应信号逐渐增强。在不同加载速率条件下，煤岩电荷感应最大值在应力达到极限强度前出现，且随加载速率增大，电荷最大值比应力极限强度提前出现时间有减短趋势。唐治等[18]对煤、花岗岩和砂岩在摩擦过程中电荷感应信号规律进行了研究，得到花岗岩摩擦过程中产生的电荷信号幅值最大，煤摩擦产生的电荷信号幅值次之，砂岩摩擦产生电荷信号幅值最小。
上述研究取得了丰富的成果，形成了煤岩破裂电荷感应监测新技术，但大多数试验都是对不含宏观缺陷的完整煤体试样受载破坏电荷信号规律进行研究，对于含宏观缺陷煤样破坏过程的电荷感应规律还少有研究。然而实际工程中很多煤岩含有断层、节理以及裂隙等宏观构造，这些非均匀性因素对于煤岩体中的裂纹扩展以及力学行为具有很大的影响，同时也增加了煤岩动力灾害发生的不确定性。刘杰等[19]对含预制裂纹煤样单轴压缩表面电位进行了实验研究，宋晓艳等[20]对含预制裂纹岩样单轴压缩电磁辐射规律进行了实验研究，两者都得出了重要的规律性结论，但以上实验中煤岩试样预制裂纹尺度设置较小，裂纹倾角设置较少。然而煤岩体宏观构造尺度越大，以及宏观构造产状多变，都可以使动力灾害发生的可能性增大，同时这些因素对煤岩破裂产生电荷的特征以及机制也会有所影响。因此开展含宏观大尺度、多倾角预制裂纹煤样变形破坏特征以及电荷信号规律的研究，对应用电荷感应方法现场探测宏观地质构造、监测节理裂隙煤岩体的失稳破坏过程以及动力灾害的预测预报具有重要的工程意义。
1 预制裂纹煤样电荷监测试验
为了研究不同预制裂纹倾角煤样的破坏特征以及电荷感应规律，本试验对实际工程中煤岩结构受载破坏进行简化，采用单轴压缩的方式对完整煤样和预制裂纹煤样进行加载破坏，同时对煤样破坏过程进行电荷信号监测。
1.1 试验系统
试验系统是由加载系统、屏蔽系统、电荷信号监测系统组成的综合监测采集系统，试验系统如图1所示。
图1 试验系统
Fig.1 Experiment system
加载系统为多功能电液伺服压力机，最大轴向荷载为6 000 kN。屏蔽系统为自行研制的多功能圆柱屏蔽钢筒(图1中的三轴压力室)，经多次试验测试，屏蔽效果和严密性符合试验要求，并且与压力机连接的压头与试样之间用绝缘纸进行绝缘。电荷信号监测系统为多通道电荷感应信号采集监测系统，主要由电荷感应探头、电荷放大器和数据采集器3部分组成。其中电荷放大器是电荷监测系统的核心部件，其工作原理为电荷放大器内置电荷采集电路板，利用反馈标准电容接收分离电荷，反馈标准电容为10 pF，通过前置放大电路放大100倍后以微电势信号输出，在数据处理软件中利用电容容量和放大倍数反算电荷量后进行量化分析。放大器装置以及放大器等效电路图如图2所示。
图2 放大器以及放大器等效电路
Fig.2 Amplifier and amplifier equivalent circuit diagram
1.2 试样制备及试验方案
制备试样的原煤来自河南耿村煤矿，其为强冲击倾向性矿井。将选取的煤块密封装箱后运到实验室，用煤岩取芯机制取成直径50 mm，高100 mm的标准试样，在磨平机上将加工好的煤样按平整度不超过0.2 mm的标准磨平，共制取12块煤样，分作4组，编号为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ。分别对每组煤样进行以下加工:Ⅰ组煤样不做任何改变，保持原煤状态;Ⅱ组煤样预制30°裂纹;Ⅲ组煤样预制45°裂纹;Ⅳ组煤样预制60°裂纹(预制裂纹与加载方向的夹角为预制裂纹的倾角)。预制裂纹加工方法:采用机械切割法，对煤样预制宏观裂纹，切割工具为高速电动切割机，切割机轮片采用金刚石锯片，制成长度为60 mm，宽度为3 mm，深度为20 mm的大尺度单裂纹，部分试样如图3所示。
图3 试样实物
Fig.3 A photo of the test specimen
试验在单轴压缩条件下，采用位移方式施加荷载，加载速率0.02 mm/s，加载方向与试样层理方向垂直。电荷监测系统采样频率设为2 500 Hz，试验中将探头布置于试样的两侧，距离试样表面5～10 mm。并且试验所有试件都是在室温条件下，并在一定时间内同时完成的，同时屏蔽系统也可以起到一定的恒温作用，因此可以认为本试验温度基本一致。
2 试验结果与分析
2.1 煤样变形破坏特征分析
各组煤样受载破坏全程应力-应变曲线以及宏观破坏特征如图4所示。
图4(a)为完整煤样变形破坏全程应力-应变曲线以及破坏实物，可知完整煤样破坏抗压强度较大，均值为9.33 MPa，峰后应力-应变曲线比较平缓，有明显的应变软化阶段且持续时间较长，轴向应变较大，峰后应力跌落次数较多，煤样经历了多次小幅度渐进破坏过程。由于煤样的完整性较好，煤样在受载破坏过程中经历了常规的裂纹萌生、扩展、聚合贯通到最后的宏观破裂过程。从煤样破坏特征可知，煤样发生了拉剪劈裂破坏。
图4(b)为60°预制裂纹煤样变形破坏全程应力-应变曲线以及破坏实物，可知煤样抗压强度较完整煤样有所降低，均值为8.98 MPa，这是由于含预制裂纹煤样容易在裂纹尖端产生应力集中，导致煤样在相同载荷下更容易发生破坏。煤样峰后应力-应变曲线软化阶段不再明显，应变脆性特征有所增强，且持续时间较短，轴向应变有所减小。从宏观破坏特征可知，煤样发生了沿预制裂纹与新生垂直翼裂纹(指近似垂直预制裂纹面的新生裂纹)两条裂纹相互贯通而形成的倒三角形拉伸劈裂破裂，但以新生垂直翼裂纹破坏为主。煤样的破坏特征表现为原生裂隙和裂纹尖端萌生的伴生裂纹组成的复合破裂面的贯通。图5为单轴压缩破坏裂纹面受力分析示意，可知，当预制裂纹倾角较大时，即α较小时，垂直预制裂纹面的应力σcos α较大，平行预制裂纹面的应力σsin α较小。所以预制裂纹两端煤体单元在较高应力水平下易发生破裂，表现为以新生垂直翼裂纹破坏为主。
图4 煤样应力-应变曲线及宏观破坏特征
Fig.4 Stress-strain curves and macroscopic failure characteristics of coal samples
图5 裂纹面受力分析示意
Fig.5 Sketch map of force analysis on crack surface
图4(c)为45°预制裂纹煤样变形破坏全程应力-应变曲线以及破坏实物，可知煤样抗压强度均值为8.39 MPa，小于60°预制裂纹煤样抗压强度均值，这是由于预制裂纹倾角减小，预制裂纹更倾向于与加载方向平行，煤样更容易在裂纹尖端产生应力集中，导致煤样强度有所降低。煤样应力-应变曲线特征在峰值应力前并没有明显的调整发生，而在峰值应力后应力-应变曲线出现渐进性的跌落。从煤样的破坏特征可知，煤样发生了以垂直翼裂纹为主的贯穿型拉伸劈裂破坏。由图5可以得出，由于预制裂纹倾角的减小，垂直预制裂纹面的应力σcos α随之减小，而平行预制裂纹面的应力σsin α随之增大。因此，与60°预制裂纹煤样破坏特征相比，煤样产生了沿预制裂纹面的新生平行翼裂纹(指沿预制裂纹面且平行预制裂纹的新生裂纹)。
图4(d)为30°预制裂纹煤样变形破坏全程应力-应变曲线以及破坏实物，可知煤样抗压强度最低，均值为7.33 MPa，低于45°和60°预制裂纹煤样抗压强度均值，这主要是由于小角度预制裂纹煤样更容易发生剪切滑移破坏，预制裂纹的滑移以及主生翼裂纹扩展导致煤样内部出现不均匀应力场逐渐调整的过程，其宏观表现即为峰值应力处出现塑性流动，大大降低了其抵抗外部载荷的能力，从而降低了煤样抗压强度。煤样应力-应变曲线在应力峰值前只有一次小幅度应力调整发生，而在应力峰值后应力-应变曲线具有平稳圆滑下降的特征，这与煤样发生剪切滑移破裂有关。从煤样的破坏特征可知，煤样发生了以平行预制裂纹面破裂为主的剪切滑移破坏，沿预制裂纹尖端的新生平行翼裂纹对煤样的破坏得到主导作用。有的煤样并没有明显的垂直于预制裂纹面的新生翼裂纹产生，有的也只是产生了与预制裂纹面约成45°的小尺度翼裂纹，这是由于当预制裂纹倾角较小时，由图5可以得出，垂直预制裂纹面的应力σcos α急剧减小，致使应力不足以再使裂隙面两侧煤体单元产生裂纹，而平行预制裂纹面的应力σsin α较大，所以煤样发生以新生平行翼裂纹为主的剪切滑移破坏。
综上所述可以得出:含预制裂纹煤样受载时会在预制裂纹处形成应力集中带，特别是裂纹尖端，主要表现为新生裂纹在预制裂纹尖端生成、扩展，最终导致煤样脆性断裂。总体来看，预制裂纹煤样破坏特征表现为预制裂纹与在预制裂纹处形成的新生翼裂纹组成的复合破坏。主破坏区主要分布在包含裂纹在内的一个区域，大部分破坏的单元都集中在预制裂纹的两端部位，预制裂纹的两侧也有分布。但预制裂纹倾角不同，煤样破坏特征也有所差别，主要表现为随预制裂纹倾角的减小，煤样由拉伸劈裂破坏向剪切滑移破坏转变。同时，预制裂纹倾角不同，煤样力学性质有所差异，由图6可以得出，随预制裂纹倾角的减小，煤样的峰值应力均值逐渐降低，达到峰值应力的时间均值有所减少，破坏时的轴向应变均值也有所降低，且两两之间具有较好的线性关系。这表明预制裂纹的存在引起裂纹尖端局部应力集中，导致新生裂纹的产生和扩展，进而导致煤样较早形成宏观破裂，预制裂纹倾角越小，此现象越明显。
图6 不同预制裂纹煤样峰值应力及其时间以及轴向应变
Fig.6 Peak stress and its time and axial strain of coal samples with different prefabricated cracks
2.2 煤样电荷信号特征分析
为研究预制裂纹煤样破裂电荷信号规律，对煤样进行了单轴压缩破坏电荷监测试验，电荷信号-应力随时间变化曲线如图7所示。图8为预制裂纹煤样破坏过程累积的电荷量随时间变化曲线。表1为电荷信号特征相关参量统计结果。
表1 电荷信号特征相关参量
Table 1 Charge signal characteristic correlation parameters
图7 煤样应力-电荷-时间变化曲线
Fig.7 Stress-charge-time change curves of coal samples
图8 不同预制裂纹煤样破坏过程累积电荷量随时间变化曲线
Fig.8 Curves of cumulative charge with time of coal samples with different prefabricated cracks in failure process
2.2.1 完整煤样电荷信号特征分析
根据煤样破坏全程应力-应变曲线，可将煤样变形破坏过程分为3个阶段，分别为压密线性(0～70%σc)、强化损伤(70%～100%σc)及峰后破坏阶段(100%～0σc)，如图7(a)所示，可知，完整煤样在压密线性性阶段，由于煤样内部裂隙发育程度较低，累积损伤较小，形成的裂隙面面积较小，破裂面间摩擦错动程度较弱，定向移动自由电荷数量较少，还未形成电势就已经衰减，因此此阶段电荷信号比较平稳;当煤样进入强化损伤阶段，煤样内部裂纹开始不断产生及扩展，颗粒间相互摩擦的程度有所增强，使煤岩晶粒局部被束缚的电荷逃逸成自由电荷的数量增多，由表1统计结果可知，完整煤样1在应力水平增加到97%σc，煤样2在应力水平增加到90%σc，即应力发生首次调整时，才出现首次较高值电荷信号(这里将大于5～10倍基点电荷均值的信号定义为高值电荷信号，可通过首次高值电荷信号的出现对煤样的破裂情况进行初步判断);在峰后破坏阶段，煤样内部裂隙大量扩展及贯通，煤样的破裂由裂纹扩展逐渐转变为承载结构面的局部破裂，每次结构面局部破裂导致的应力降都对应有高值电荷信号产生，此阶段电荷信号较丰富，并且电荷信号达到最大值，电荷均值为12.74 pC。由此可知，完整煤样变形破裂过程电荷信号主要集中在应力峰后的软化阶段。
2.2.2 预制裂纹煤样电荷信号特征分析
由图7(b)～(d)可知，预制裂纹煤样在压密线性阶段初期，同样由于应力水平较低，煤样内部裂隙发育程度较低，形成的裂隙面面积较小，破裂面间摩擦错动程度较弱，定向移动自由电荷数量较少，导致电荷信号十分微弱。随应力水平的增加，到临近抗压强度过程中，原有裂纹压密的同时，煤样内部不断有新的裂纹产生、扩展，煤体颗粒摩擦程度增强，不断有自由电荷产生，导致电荷信号产生的频度和强度都有所增加。但由于预制裂纹角度不同，首次高值电荷信号产生的阶段不同，由表1统计结果可知，60°预制裂纹煤样首次高值电荷信号在压密线性末期或强化损伤初期，应力达到约68.5%σc，时间达到约65.5%T时产生(T表示煤样破坏全程时间);45°预制裂纹煤样首次高值电荷信号在压密线性末期，应力达到约60.5%σc，时间达到约47%T时产生;30°预制裂纹煤样首次高值电荷信号在压密线性中期，应力达到约37.5%σc，时间达到约30%T时产生。由此可见，随预制裂纹倾角的减小，煤样破裂出现首次高值电荷信号所需外部载荷减小，出现时间逐渐提前。这是由于预制裂纹倾角减小，煤样破裂过程更倾向于发生剪切滑移破坏(由图4煤样的宏观破坏特征可知)，破裂面间摩擦程度因此增强，摩擦导致煤基质颗粒内正负电子的定向移动产生自由电荷[21-22]。因此预制裂纹倾角越小，煤样破裂过程摩擦程度越大，当煤样受到较小的外部荷载时就会有电荷信号产生，电荷信号产生越早。同时摩擦伴随整个煤样破坏过程，因此在煤样整个破坏过程中都有电荷信号产生，如图7(d)30°预制裂纹煤样破坏过程电荷信号特征所示。在应力峰后的破坏阶段，同完整煤样破裂一样，预制裂纹煤样内部裂隙大量扩展及贯通，导致电荷信号的密集程度不断增加。但此阶段由于预制裂纹角度不同，电荷信号幅值有所不同，主要表现为随预制裂纹倾角的减小，煤样破裂应力峰后电荷幅值有减小的趋势，经数据统计由表1可知，60°预制裂纹煤样应力峰后电荷均值为18.21 pC，45°预制裂纹煤样应力峰后电荷均值为3.67 pC，30°预制裂纹煤样应力峰后电荷均值为3.31 pC。其原因为随预制裂纹倾角的减小，煤样由拉伸劈裂破坏向剪切滑移破坏过度，导致应力峰前积聚的能量在应力峰后破坏阶段耗散越缓慢，裂纹扩展所致的位错和滑移效应越弱，裂纹扩展过程释放的能量越低，由此产生的电荷信号幅值越小。
图8为不同预制裂纹倾角煤样破坏过程累积电荷量随时间变化曲线，由于预制裂纹倾角不同，电荷量累积曲线变化特征有所不同。60°预制裂纹煤样电荷量累积曲线首次突变点出现时间较晚，在首次出现突变点后，又出现两次较明显突变点，曲线每次突变后都成垂直上升趋势，累积电荷量快速增加，这主要由煤样应力峰后电荷信号波动幅值相对较大而导致(图7(b))，均值达到18.21 pC;30°预制裂纹煤样电荷量累积曲线首次突变点出现时间较早，在首次出现突变点后，又出现多次连续突变点，曲线呈小波动型平稳上升趋势，这主要由煤样应力峰后电荷信号波动幅值相对较小而导致(图7(d))，均值仅为3.31 pC;45°预制裂纹煤样电荷量累积曲线首次突变点出现时间总体在60°预制裂纹煤样和30°预制裂纹煤样之间，在首次出现突变点后，又出现几次突变点，但都不明显，曲线呈微小波动型平稳上升趋势(图7(c))，这也因为煤样应力峰后电荷信号波动幅值相对较小(图7(d))，均值为3.67 pC。
综上所述，可以得出，不同预制裂纹倾角煤样破坏电荷信号特征有所不同。主要表现为首次高值电荷信号产生的阶段、应力百分比以及时间百分比不同;应力峰后电荷信号幅值水平不同;煤样破坏过程电荷量累积曲线变化特征不同。因此可以根据这些电荷信号特征的差异对煤体节理或断层的产状进行合理的推断。
2.2.3 完整煤样和预制裂纹煤样电荷信号特征对比分析
完整煤样受载破坏应力峰前电荷信号十分微弱，只有少量电荷信号产生，电荷信号主要集中在应力峰后的软化阶段，且信号幅值较高。而预制裂纹煤样由于预制裂纹的存在，煤样更容易发生破裂，在应力峰前就有电荷信号出现，所以预制裂纹煤样破裂前兆信息较完整煤样有所提前。同时预制裂纹煤样破裂应力峰后电荷幅值普遍低于完整煤样。从力-电一致性角度分析可知，完整煤样和预制裂纹煤样破坏过程中发生应力跌落调整时，都有电荷信号产生。完整煤样几乎不存在有电荷信号产生的同时而没有应力降的现象，但预制裂纹煤样却存在大量有电荷信号产生的同时而没有发生应力降的现象，此现象在煤样应力峰前阶段尤为明显，其原因为含预制裂纹煤样受压过程中预制裂纹尖端产生应力集中，破裂具有一定的方向性，伴随翼裂纹和剪切裂纹的不均匀扩展，所以在加载过程中多次出现异常电荷信号。因此由于预制裂纹的存在，煤样破裂电荷信号的产生机制更加复杂。
3 结 论
(1)预制裂纹的存在影响煤样的抗压强度和变形破坏特征。主要表现为随预制裂纹倾角的减小，煤样的抗压强度逐渐降低，达到抗压强度的时间有所减少，破坏时的轴向应变也有所减小，煤样由拉伸劈裂破坏向剪切滑移破坏转变。
(2)完整煤样受载破坏电荷信号主要集中在应力峰后的软化阶段。而预制裂纹煤样由于预制裂纹的存在，煤样更容易发生破裂，在应力峰前就有电荷信号出现，所以预制裂纹煤样破裂前兆信息较完整煤样有所提前。
(3)随预制裂纹倾角的减小，煤样破裂首次高值电荷信号出现的时间逐渐提前，应力峰后破坏阶段电荷信号幅值水平逐渐减小，电荷量累积曲线首次突变点逐渐提前。
(4)可根据预制裂纹煤样受载破裂电荷信号特征，包括首次高值电荷信号出现的时间、应力峰后电荷信号幅值的大小程度以及累积电荷量突变点的变化特征对现场进行宏观地质构造探测、以及对煤岩体节理或断层的产状进行合理的推断。有望为预测预报煤岩动力灾害提供新的方法和途径。
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