研究揭示了煤体受载变形微电流效应，分析得到煤体变形破坏过程微电流响应规律，确定基于微电流响应的煤体破坏前兆信息。提出微电流法预测煤岩动力灾害的基本原理：煤体受载微电流效应及现场应力梯度的存在是矿井微电流测试的重要基础，微电流与煤体力学行为间的紧密相关性是利用微电流技术观测煤岩体应力的重要前提，微电流对煤体破坏具有明显的前兆响应是利用微电流技术预测预报煤岩动力灾害的重要保障。利用自主研制的矿用微电流监测仪，在煤矿现场开展微电流法的应用实践与探索，验证了微电流法在煤岩体应力观测及煤岩动力灾害监测预警中的可行性，总结微电流技术的优势，并对该技术在煤岩动力灾害监测预警中的发展及应用前景进行展望。
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受载煤体微电流效应及煤岩动力灾害预警应用展望
煤炭在未来很长一段时期内仍将是我国的主体能源，在能源体系中继续发挥稳定器和压舱石作用。煤炭开采过程中会发生冲击地压、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害，且随着我国煤炭资源开采进入深部，高地应力和强烈开采扰动的复杂力学环境使得动力灾害日趋严重且复杂，我国煤岩动力灾害防治形势依然严峻。
国内外学者对煤岩动力灾害的发生机理、监测预警方法和防治技术进行了大量研究，提出了微震/声发射法、电磁辐射法、表面电位法和感应电荷法等监测预警方法，在煤岩动力灾害预防方面发挥了重要作用。然而，现有的监测预警方法在时间上识别动力灾害危险状态、空间上识别动力灾害危险区域及其发展趋势方面仍存在一定不足。因此，继续研究煤岩动力灾害监测预警方法与技术，探索灾害演化过程中的物理信号，有助于通过监测的多信息融合来实现煤岩动力灾害的综合精准预警。
WARWICK等在研究岩石断裂电磁辐射现象的试验中测试到了裂纹起裂时的微电流。后来VALLIANATOS、STAVRAKAS、TRIANTIS等通过实验室研究发现，岩石在应力作用下能够产生微电流，称之为“应力激发电流”。STAVRAKAS等对受载大理岩微电流响应特征进行研究，结果表明，当试样所受应力超过0.6倍峰值应力时，微电流开始增加明显，于约0.8倍峰值应力时达到峰值，并于试样破裂时出现突降/激增，且微电流峰值与加载速率呈正比。TRIANTIS等对大理岩受载变形破坏过程中微电流响应规律做进一步研究，分析认为微电流的产生主要源于岩石弹性模量的变化而非加载速率的变化。KYRIAZOPOULOS等对混凝土梁开展的三点弯曲试验结果表明，微电流与试样的应变率成正比，且破裂出现时会伴随微电流的突增。美国NASA的FREUND等在火成岩(花岗岩、斜长岩、辉长岩等)受载变形微电流效应方面开展了较为系统的试验研究，结果表明，即使在较小的应力水平下微电流依然可以快速增加至峰值，且在相同加载条件下，硅酸盐颗粒含量较高的岩石微电流也较大。LI等研究岩石连续加载和分级加载过程微电流响应规律，得到微电流与力学行为之间的定量关系，确定了基于微电流响应的受载岩石破坏前兆特征。LI等认为顶板岩石断裂产生的微电流可能是采空区瓦斯爆炸的致灾机制，并利用微电流响应对力电效应的点火特性进行了研究。前期对微电流的研究主要集中在岩石、混凝土等脆性材料，为确定煤体受载过程能否产生微电流，LI等测试了煤样单轴压缩下的表面微电流，发现煤样破坏过程能够产生微电流信号，并对结果进行了初步分析。为进一步完善受载煤体微电流理论体系，李德行等对受载煤体微电流效应进行较为系统地研究，结果表明，微电流可以较好地反映煤体受力和变形情况，能够对煤体损伤演化过程进行表征。为探索微电流技术在煤矿等地下工程中应用的可行性，李德行等利用自主研制的矿用微电流监测仪对深部矿井中煤岩体的微电流进行了测试，验证微电流法在煤岩体应力观测和动力灾害监测预警中的可行性。目前，对微电流技术的研究仍处于起步阶段，仍需更加系统地开展煤体微电流效应的基础理论研究，为煤岩动力灾害监测预警微电流技术的发展与应用提供支撑。
笔者利用建立的受载煤体微电流测试系统，开展煤体受载变形破坏微电流测试试验，系统分析煤体受载变形过程微电流响应特征，研究微电流与煤体力学行为间的定量关系，确定基于微电流响应的煤体破坏前兆特征，提出微电流法预测煤岩动力灾害的原理，结合现场实践结果，对微电流技术在煤岩动力灾害监测预警中的应用前景进行展望。
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图 1 受载煤体微电流测试系统示意
图 2 局部加载方式及电极布置
图 3 试验加载路径示意
图 4 煤样 CPS03、CFS03 分级加载过程应力和微电流随时间变化
图 5 煤样 CPS03 分级加载过程应力–应变曲线
图 6 煤样 CPS03 压密阶段应力、应变和微电流随时间变化
图7 煤样 CPS03 压密阶段应变参数随时间变化
图 8 压密阶段微电流与应变率变化关系
图 9 煤样 CPS03 弹性变形过程微电流随应力变化
图 10 煤样 CPS06 破坏过程应力、应变和微电流时域变化
图 11 煤样 CPS06 塑性变形阶段微电流随应变率变化
图 12 脉动直流电及扰动应力随时间变化
图 13 煤样 CFS03 蠕变破坏过程应力与微电流随时间变化
图 14 工作面前方煤体应力分布
图 15 矿用微电流监测仪
图 16 工作面前方煤体某测点微电流连续测试结果
图 17 回采、停采期间微电流变化曲线
图 18 微电流异常及矿震信息
王恩元，男，1968年生，内蒙古卓资人，中国矿业大学二级教授、杰出学者、博士生导师。现任中国矿业大学安全工程学院党委书记、煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室主任、中国矿业大学安全生产检测检验中心（甲级）主任，国家百千万人才、国务院政府特贴获得者、庆祝中华人民共和国成立70周年纪念章获得者、全国优秀博士学位论文指导教师。主持国家“十四五”重点研发计划项目及国家自然科学基金重大科研仪器专项（部门推荐）课题、重点项目、基础研究仪器专项、面上项目等国家级项目20余项。出版专著5部，发表SCI、EI学术论文200余篇，入选2020~2022年Elsevier“中国高被引学者”，2022年全球前2%顶尖科学家终身成就奖和年度榜单（2022）。获国家科技进步二等奖（R2）、教育部技术发明一等奖（R1）、国家安全科技成果二等奖（R1）、中国专利优秀奖等。授权国家发明专利30余项，国际PCT专利5项。
研究方向
煤岩动力灾害演化机理及防治、工程岩体动力学与地球物理学
主要成果
研究揭示了煤岩体多相多场耦合演化特性，联合创立了煤岩电磁辐射理论，提出了冲击地压应力波耦合演化作用机理，发明了煤岩动力灾害声电、定向应力和多波微震监测预警技术及系列装备，开发了瓦斯灾害及风险隐患监测预警平台、煤岩动力灾害远程区域防控技术等，成果进行大量应用。主持制定国家标准1项，成果被列入国家科技成果重点推广计划、国家安全生产先进适用技术与产品目录、安全科技“四个一批”项目、国家《煤矿安全规程》《防治冲击地压细则》和《防治煤与瓦斯突出细则》等。
来源：
王恩元，李德行，刘晓斐，等. 受载煤体微电流效应及煤岩动力灾害预警应用展望[J]. 煤炭学报，2024，49(2):695−706.
