《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Identification of coal-rock interface under uniaxial compression using electric potential method
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本研究针对深部复合煤岩结构失稳易诱发冲击地压等动力灾害的难题，创新性地应用电位法对细砂岩-煤和粗砂岩-煤组合样开展单轴压缩实验。研究揭示了组合样破坏过程中电位的时空响应规律，构建了二维电位云图和三维电位模型，实现了煤岩界面状态的精准识别与破坏过程可视化。数值模拟揭示了力链场演化与电位响应的内在关联，并基于电位的多重分形特征成功提取了破坏前兆信息。该研究为复合煤岩动力灾害预警和界面识别提供了新思路。
随着浅部资源的逐渐枯竭，我国的煤炭开采与地下空间开发正逐步向超过1000米的深部区域推进。然而，在深部复杂开采扰动条件下，煤岩复合结构失稳易触发冲击地压、煤与瓦斯突出等严重的动力灾害，对煤炭资源的安全高效开采及地下空间的稳定运行构成了重大威胁。从根本上讲，这些灾害源于由煤层和上覆岩层构成的煤岩复合系统的整体失稳破坏，此过程涉及不同岩性岩层之间复杂的相互作用，其破坏机制远比单一煤或岩层复杂。其中，煤岩界面被视为煤岩复合系统中最薄弱的环节，常作为应力集中区，其状态的准确识别对于划定煤层边界、优化支护设计至关重要。
为探究煤岩复合系统的失稳机理并为煤岩界面识别提供新方法，研究人员在《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》上发表了最新研究成果。该研究针对细砂岩-煤和粗砂岩-煤两种组合样品，开展了单轴压缩实验，同步监测了电位和声发射的时空响应特征。
研究采用了多项关键技术方法：首先，通过高灵敏度无线电位记录系统和声发射监测系统，实时捕获组合样在单轴压缩过程中的电位和声发射信号；其次，利用插值方法构建了样品表面的二维电位云图和三维电位空间模型，用于分析破坏过程和识别界面；再者，基于PFC2D软件建立了组合煤岩的数值模型，模拟了力链场演化、裂纹扩展和能量耗散过程；最后，应用基于盒维数法的多重分形谱分析了电位信号的非线性特征，以提取破坏前兆信息。
3.1. EP响应规律
研究结果表明，组合煤岩样品破坏过程中，煤和岩石中的电位响应与应力状态变化密切相关，且表现出显著相反的极性。在加载初期，电位变化平缓；进入塑性阶段后，电位开始加速增长并伴有大幅波动；主破坏发生时，电位出现瞬时剧烈变化。细砂岩-煤与粗砂岩-煤组合样品的渐进破坏过程存在明显差异，煤体始终承受更严重的损伤，而细砂岩表现出的线性回弹现象导致了其电位响应的波动。
3.2. 表面EP云图的演化
二维电位分布云图和三维电位空间模型能够清晰识别煤岩界面及样品的损伤状态。破坏前，电位云图中界面周围出现低强度的绿色信号带，且与界面平行。破坏发生时，样品表面电位分布失衡，界面处的低强度信号带发生扭曲，不再平行于界面，甚至穿入煤或岩石区域，指示了样品的结构失稳。
3.3. 断裂特征与三维EP模型
声发射事件定位和频谱分析表明，细砂岩-煤组合中，高能量声发射事件集中于煤体，细砂岩仅在界面附近有轻微损伤；而粗砂岩-煤组合中，粗砂岩和煤体均发生显著损伤。三维电位模型直观地展现了不同应力状态下电位分布的变化，与声发射定位结果揭示的破坏特征高度一致，有效捕捉了渐进破坏特性并辅助定位了煤岩界面。
4.1. 数值结果与EP响应的关系
数值模拟显示，裂纹扩展区域，特别是裂纹尖端，会形成稀疏的强力链场，在位错效应等因素影响下易积累大量电荷，导致电位响应发生变化。细砂岩-煤组合的稀疏力链场主要出现在煤体内，导致煤体电位水平显著升高；而粗砂岩-煤组合的稀疏力链场在煤和岩石中均有集中，导致两者电位水平均显著增加。累积电位值的演化与能量耗散过程高度一致，能够有效表征组合样品内部的能量转化。
4.2. EPs的多重分形特征
组合煤岩样品的电位在加载过程中表现出多重分形特征，满足尺度不变性。多重分形谱参数Δα（谱宽）和Δf的变化可分为三个阶段，其在样品破坏前的异常增大可作为临灾前兆信息。对于细砂岩-煤组合，煤体的Δα大于岩石，Δf小于岩石，反映了煤体损伤更严重；而对于粗砂岩-煤组合，煤与岩石的Δα和Δf差异不显著，表明两者均发生了严重破坏。
该研究系统揭示了单轴压缩下组合煤岩样品的破坏行为及电位响应特征，通过电位法探讨了煤岩界面识别和复合煤岩破坏预测的可行性。研究结果表明，电位法在监测煤岩复合结构失稳和识别界面方面具有巨大潜力，其高灵敏度和时空分辨率为深部煤炭资源开采中的动力灾害预警和工程稳定性评估提供了新的技术途径。基于电位多重分形特征的前兆识别方法，也为岩石破裂失稳的预测预报开辟了新思路。未来的研究可进一步考虑不同界面形态、粗糙度以及高地温、高孔隙水压等复杂环境因素对电位响应的影响，以推动该技术走向实际工程应用。
