不同含水率对煤体损伤破坏电荷感应规律研究及应用

摘要

煤层注水是防治冲击地压发生的一种有效方法，研究水-煤耦合作用下，煤体破坏电荷信号响应规律，是一种全新煤层注水效果检测方法。为探究不同含水率煤体损伤破坏过程中的电荷感应规律，在理论上，基于损伤力学推导了煤体损伤力-电耦合理论，得到了感应电荷量与损伤变量的理论关系，提出含水率升高会加剧煤体损伤、增加感应电荷量的理论。通过单轴压缩试验，对干燥、自然、饱水3种含水率煤样的物理力学性质及电荷信号特征进行分析。结果表明：煤体抗压强度、弹性模量随含水率升高分别降低40.9%、56.5%，而峰值应变增加32.5%，破坏形式由单剪破坏向多裂隙复合破坏转变；电荷信号主要集中于弹性和塑性阶段（占比>85%），且弹性阶段电荷量占比随含水率升高从11.96%增至30.19%，塑性阶段占比则从77.63%降至56.08%，验证了水分通过弱化颗粒胶结、促进裂隙扩展影响电荷释放的机制。现场煤层注水监测试验表明：注水前电荷均值为21.22 p C，注水中因裂隙扩展增至68.44 pC，注水后因煤体弱化降至10.78 pC，与电磁辐射监测结果趋势一致，证明电荷感应法，可有效反映注水前后煤体损伤变化。研究表明，电荷感应信号特征与煤体含水率及损伤程度密切相关，可作为煤层注水防冲效果的有效监测指标，为冲击地压防治提供新的技术手段。

关键词

含水率 / 感应电荷 / 力-电耦合 / 损伤破坏 / 煤层注水防冲效果监测