采礦地球物理（07煤巖變形破裂的電磁輻射）

采礦地球物理（07煤巖變形破裂的電磁輻射）近25～30年內(nèi)巖石破裂電磁輻射效應(yīng)的研究，在理論方面和應(yīng)用研究方面，都取得了飛速發(fā)展，特別是在地震方面用于預(yù)報(bào)地震。研究多限于大理巖、花崗巖和石英巖等堅(jiān)硬巖石，且大多數(shù)研究?jī)H限于定性。從上世紀(jì)90年代開始，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)對(duì)載荷作用下煤體的電磁輻射特性及規(guī)律進(jìn)行了較為深入的定性和定量研究，取得了很多成果。第1頁(yè)/共124頁(yè)7.1

煤巖破壞的電磁輻射現(xiàn)象煤巖體電磁輻射：煤體等非均質(zhì)材料在受載情況下發(fā)生變形及破裂的結(jié)果,是由煤體各部分的非均勻變速變形引起的電荷遷移和裂紋擴(kuò)展過(guò)程中形成的帶電粒子產(chǎn)生變速運(yùn)動(dòng)而形成的。

圖7-1是某礦原煤的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，共記錄到67個(gè)事件。圖中只給出部分事件的記錄結(jié)果，圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間t/s，縱坐標(biāo)為振幅，縱坐標(biāo)邊上的1，2…16為儀器的通道號(hào)nch。采樣速率為2MHz。第2頁(yè)/共124頁(yè)圖7-1某礦原煤電磁輻射實(shí)驗(yàn)記錄結(jié)果第3頁(yè)/共124頁(yè)7.1.1

煤樣試驗(yàn)圖7-2為7#煤的典型應(yīng)力—時(shí)間、電磁輻射（EME）脈沖數(shù)—時(shí)間、電磁輻射幅值—時(shí)間曲線圖。圖7-3為9#煤的典型應(yīng)力—時(shí)間、電磁輻射（EME）脈沖數(shù)—時(shí)間、電磁輻射幅值—時(shí)間曲線圖。第4頁(yè)/共124頁(yè)第5頁(yè)/共124頁(yè)第6頁(yè)/共124頁(yè)圖7-27煤的試驗(yàn)結(jié)果第7頁(yè)/共124頁(yè)第8頁(yè)/共124頁(yè)第9頁(yè)/共124頁(yè)第10頁(yè)/共124頁(yè)圖7-39煤的試驗(yàn)結(jié)果第11頁(yè)/共124頁(yè)7.1.2

泥巖和砂巖樣試驗(yàn)圖7-4為泥巖的典型應(yīng)力—時(shí)間、電磁輻射幅值—時(shí)間和聲發(fā)射—時(shí)間曲線圖。圖7-5為砂巖的典型應(yīng)力—時(shí)間、電磁輻射幅值—時(shí)間和聲發(fā)射—時(shí)間曲線圖。第12頁(yè)/共124頁(yè)第13頁(yè)/共124頁(yè)圖7-4泥巖巖樣的試驗(yàn)結(jié)果第14頁(yè)/共124頁(yè)第15頁(yè)/共124頁(yè)第16頁(yè)/共124頁(yè)圖7-5砂巖巖樣的試驗(yàn)結(jié)果第17頁(yè)/共124頁(yè)

7.1.3

混凝土試樣試驗(yàn)

圖7-6為混凝土試樣的典型應(yīng)力—時(shí)間、電磁輻射幅值—時(shí)間曲線和聲發(fā)射—時(shí)間關(guān)系圖。第18頁(yè)/共124頁(yè)第19頁(yè)/共124頁(yè)

圖7-6混凝土試樣的試驗(yàn)結(jié)果第20頁(yè)/共124頁(yè)7.1.4

受載煤體的Kaiser效應(yīng)受載煤體電磁輻射具有Kaiser效應(yīng)見(jiàn)圖7-7所示。圖7-7煤巖電磁輻射與載荷間關(guān)系第21頁(yè)/共124頁(yè)7.2

試驗(yàn)結(jié)果從上述試驗(yàn)曲線分析，可得出如下結(jié)果：①不同類型的煤巖體在載荷作用下變形及破裂過(guò)程中都有聲發(fā)射和電磁輻射信號(hào)產(chǎn)生。在煤體的受載變形破裂過(guò)程中，電磁輻射基本上隨著載荷的增大而增強(qiáng)，隨著加載及變形速率的增加而增強(qiáng)。聲發(fā)射的變化規(guī)律也基本上隨著載荷的增大而增強(qiáng)，隨著加載及變形速率的增加而增強(qiáng)。

第22頁(yè)/共124頁(yè)②從煤的變形破壞試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，煤試樣在發(fā)生沖擊性破壞以前，電磁輻射強(qiáng)度一般在某個(gè)值以下，而在沖擊破壞時(shí)，電磁輻射強(qiáng)度突然增加。從試驗(yàn)的煤樣看，在發(fā)生沖擊性破壞以前，電磁輻射強(qiáng)度一般在60mV左右，而在沖擊破壞時(shí)，電磁輻射強(qiáng)度最大達(dá)130mV。③煤巖體電磁輻射的脈沖數(shù)隨著載荷的增大及變形破裂過(guò)程的增強(qiáng)而增大。載荷越大，加載速率越大，煤體變形破裂越強(qiáng)烈，電磁輻射信號(hào)越強(qiáng)。④受載煤體電磁輻射具有Kaiser效應(yīng)。第23頁(yè)/共124頁(yè)電磁輻射產(chǎn)生的機(jī)制煤巖體的組成及結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，包括許多礦物雜質(zhì)，是典型的非均質(zhì)材料。可以把煤巖體看作是由一些顆粒包裹體(簡(jiǎn)稱單元)粘結(jié)在一起而組成的，不僅是顆粒包裹體與界面處膠結(jié)物的強(qiáng)度及變形特性不同，而且顆粒包裹體之間在強(qiáng)度及變形方面也有顯著的差異，因此煤巖體中的應(yīng)力及應(yīng)變分布相當(dāng)不均勻。

第24頁(yè)/共124頁(yè)巖石電荷：任何巖石中都有自由的(電子)和束縛的(離子)電荷，煤體也不例外。電荷運(yùn)移：當(dāng)煤體發(fā)生不均勻應(yīng)變時(shí)，壓縮區(qū)域的自由電荷濃度升高，而低應(yīng)力區(qū)或拉伸區(qū)域的自由電荷濃度降低，這必然使自由電荷由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散、運(yùn)移。產(chǎn)生電磁輻射：低速擴(kuò)散過(guò)程中產(chǎn)生低頻電磁輻射，并在試件表面積累表面電荷。

第25頁(yè)/共124頁(yè)高應(yīng)變區(qū)主要位于強(qiáng)度不同的顆粒界面處強(qiáng)度較低的單元內(nèi)，煤巖體的破裂主要是沿著顆粒之間的界面而進(jìn)行的。自由電荷：煤巖體顆粒之間的作用是通過(guò)電場(chǎng)或電荷來(lái)完成的。當(dāng)相鄰顆粒之間發(fā)生非均勻形變時(shí)，其界面處的電平衡被打破，產(chǎn)生局部激發(fā)，受拉的界面處積累了自由電荷(主要是電子)，而受壓的顆粒內(nèi)部積累了相反符號(hào)的電荷。第26頁(yè)/共124頁(yè)從總體宏觀上來(lái)看，在試樣表面積累了電荷，形成了庫(kù)侖場(chǎng)(或靜電場(chǎng))。1）當(dāng)變形非常緩慢或勻速的情況下，自由電荷來(lái)得及消退以適應(yīng)電平衡的變化，因而對(duì)外并不產(chǎn)生電磁(脈沖)輻射。2）當(dāng)相鄰顆粒之間發(fā)生非均勻變速形變時(shí)，這種局部激發(fā)就會(huì)對(duì)外產(chǎn)生電磁(脈沖)輻射，這也主要是低頻電磁輻射。第27頁(yè)/共124頁(yè)激發(fā)產(chǎn)生電磁輻射：在煤巖材料的變形階段，由于顆粒之間的力學(xué)變形特性不同，必然發(fā)生顆粒之間的滑移，其結(jié)果是在滑移面發(fā)生強(qiáng)烈的激發(fā)，甚至在滑移面尖端形成了帶電粒子(主要是電子)發(fā)射，這種強(qiáng)烈的激發(fā)對(duì)外產(chǎn)生電磁輻射。第28頁(yè)/共124頁(yè)電子發(fā)射：煤巖體的裂紋擴(kuò)展時(shí)，處于裂紋尖端表面區(qū)域中的電子在裂隙尖端區(qū)域中大量電子形成的電場(chǎng)的作用下，向裂紋內(nèi)部的自由空間區(qū)域發(fā)射，形成電子發(fā)射。粒子發(fā)射：同時(shí)，也可能產(chǎn)生帶負(fù)電的碎屑粒子發(fā)射。當(dāng)發(fā)生剪切摩擦?xí)r，同樣的道理，也會(huì)形成帶正電的粒子發(fā)射。第29頁(yè)/共124頁(yè)裂紋擴(kuò)展時(shí)，在裂紋表面受拉的區(qū)域出現(xiàn)表面電荷，極性為負(fù)的，在裂紋表面受壓的區(qū)域出現(xiàn)正電荷。裂紋擴(kuò)展時(shí)，在裂紋尖端形成了運(yùn)動(dòng)的偶極子群。在裂紋尖端的煤體本相處受拉區(qū)域仍表現(xiàn)為負(fù)電荷，這就是產(chǎn)生電子加速電場(chǎng)的原因，而周圍的壓應(yīng)力區(qū)帶正電。

第30頁(yè)/共124頁(yè)發(fā)射出來(lái)的這些低速運(yùn)動(dòng)帶電粒子在電場(chǎng)的作用下加速，當(dāng)帶電粒子碰撞到周圍環(huán)境介質(zhì)的分子或原子，或碰撞到周圍的煤巖體裂隙表面時(shí)會(huì)減速，在其變速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。后者形成的電磁輻射也叫韌致輻射。由于可能形成了大量的帶電粒子，因此會(huì)產(chǎn)生從低頻電磁輻射到x光的寬頻帶電磁輻射。第31頁(yè)/共124頁(yè)

從上述分析可以得出，煤巖體產(chǎn)生電磁輻射，源于煤巖體的非均質(zhì)性，是由應(yīng)力作用下煤巖體中產(chǎn)生非均勻變速形變而引起的。受載煤巖體中發(fā)生以下電荷(或帶電粒子)運(yùn)動(dòng)過(guò)程：

（1）煤巖材料變形及破裂時(shí)能夠產(chǎn)生電磁場(chǎng)，有兩種形式：一種是由電荷，特別是試樣表面積累電荷引起的庫(kù)侖場(chǎng)(或準(zhǔn)靜電場(chǎng))；另一種是由帶電粒子作變速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電磁輻射，是一種脈沖波。

第32頁(yè)/共124頁(yè)（2）在非均勻應(yīng)力作用下非均質(zhì)煤巖體各部分產(chǎn)生非均勻形變，由此引起電荷遷移，使原來(lái)自由的和逃逸出來(lái)的電子由高應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)或拉應(yīng)力區(qū)遷移，同時(shí)在試樣表面也積累了大量的電荷。由此形成了庫(kù)侖場(chǎng)(或準(zhǔn)靜電場(chǎng))，或低頻電磁輻射。（3）裂紋形成及擴(kuò)展前，裂紋尖端積累了大量的自由電荷(電子)。裂紋擴(kuò)展時(shí)，發(fā)射電子，由于裂紋不是勻速擴(kuò)展，這必然向外輻射電磁波，這種電磁輻射與聲發(fā)射是同步的。第33頁(yè)/共124頁(yè)（4）裂紋擴(kuò)展后，裂紋局域煤體卸載收縮，在卸載瞬間裂紋尖端兩側(cè)附近區(qū)域煤體中電子濃度較高，形成庫(kù)侖場(chǎng)。在該電場(chǎng)作用下，發(fā)射出的電子產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)，向外輻射電磁波。（5）出于摩擦等原因產(chǎn)生電磁輻射，也可能產(chǎn)生帶正(或負(fù))電粒子；裂紋表面電荷也會(huì)發(fā)生張馳。（6）運(yùn)動(dòng)的電荷碰撞周圍介質(zhì)分子或原子，使運(yùn)動(dòng)電荷減速，同時(shí)能使介質(zhì)分子或原子發(fā)生電離，發(fā)射電磁波。第34頁(yè)/共124頁(yè)7.3

煤巖變形破裂的電磁輻射機(jī)理

7.3.1

煤巖體中帶電粒子運(yùn)動(dòng)激發(fā)的電磁場(chǎng)麥克斯韋電場(chǎng)環(huán)路定理為：式中：E為電場(chǎng)矢量；B為磁感矢量；S為以閉合回路L為邊界的曲面面積。（7-1）

第35頁(yè)/共124頁(yè)麥克斯韋磁場(chǎng)環(huán)路定理為：式中：JD為位移電流；

D為電感矢量；

H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；

Jf為傳導(dǎo)電流矢量。（7-2）（7-3）第36頁(yè)/共124頁(yè)由麥克斯韋電場(chǎng)環(huán)路定理式（7-1）可知，只要磁感矢量隨時(shí)間的變化率不為零，即，那么在磁場(chǎng)變化的區(qū)域中就存在渦旋電場(chǎng)。另一方面，由麥克斯韋磁場(chǎng)環(huán)路定理（7-2）可知，只要電感矢量隨時(shí)間的變化率不為零，即，那么在電場(chǎng)發(fā)生變化的區(qū)域中，即使不存在傳導(dǎo)電流也必然存在磁場(chǎng)。第37頁(yè)/共124頁(yè)因此，若在空間某一區(qū)域中存在著變化電場(chǎng)，則在該區(qū)域的附近將建立起變化磁場(chǎng)；而這個(gè)變化磁場(chǎng)又將在它的鄰近建立起變化電場(chǎng)。這種變化電場(chǎng)和變化磁場(chǎng)交替地產(chǎn)生，并且由近及遠(yuǎn)地傳播開來(lái)，就形成了電磁波。從微觀上來(lái)說(shuō)，電磁輻射是由電荷運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的。第38頁(yè)/共124頁(yè)

假設(shè)在外力作用下，煤巖體中帶電粒子沿某一特定軌道運(yùn)動(dòng)，則煤巖體中任意運(yùn)動(dòng)帶電粒子激發(fā)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)為：（7-4）第39頁(yè)/共124頁(yè)式中：n為煤巖體介質(zhì)的折射率，c為真空中電磁波傳播速度，即光速。e為粒子的電荷，ε為介質(zhì)的絕對(duì)介電常數(shù)，v為粒子的速度，為粒子的加速度，r為粒子與觀察點(diǎn)之間的距離，n為r方向的單位矢量。

（7-5）第40頁(yè)/共124頁(yè)可見(jiàn)：1、煤巖體中任意帶電粒子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)包括兩部分：第一部分是運(yùn)動(dòng)電荷的庫(kù)侖場(chǎng)E1和與之相關(guān)的磁場(chǎng)B1；第二部分為輻射場(chǎng)，與加速度成正比。輻射場(chǎng)是橫向場(chǎng)，即E2和B2都與n垂直，并且E2和B2互相垂直。此外，輻射場(chǎng)與距離r成反比。

第41頁(yè)/共124頁(yè)2、煤巖體變形及破裂過(guò)程中產(chǎn)生的電磁輻射與帶電粒子的電量及其運(yùn)動(dòng)加速度成正比。1）帶電粒子數(shù)越多，電磁輻射的強(qiáng)度越高。2）加載速率越高，變形及破裂過(guò)程越強(qiáng)烈，（1）單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的帶電粒子數(shù)就越多，（2）運(yùn)動(dòng)加速度也越高，煤巖變形及破裂時(shí)電磁輻射的強(qiáng)度越高，頻率范圍也越寬。第42頁(yè)/共124頁(yè)7.3.2

電磁輻射在煤巖介質(zhì)中的傳播

煤巖介質(zhì)中電磁場(chǎng)是以波的形式存在的。電磁波在煤巖介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，電磁場(chǎng)幅值會(huì)發(fā)生衰減。電磁波在煤巖體中傳播時(shí)，其電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為：式中：（7-6）（7-7）第43頁(yè)/共124頁(yè)電磁波衰減：電磁波在煤巖體介質(zhì)中傳播，介質(zhì)中帶電質(zhì)點(diǎn)在電磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生往復(fù)振動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)間的相互碰撞作用使電磁場(chǎng)能量變?yōu)橄男詿崮?。?duì)電磁場(chǎng)能量的吸收，造成電磁場(chǎng)強(qiáng)度隨傳播距離的增加而減小，因此衰減系數(shù)又稱為吸收系數(shù)。

式中：E為電場(chǎng)強(qiáng)度，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，b為電磁波衰減系數(shù)，a為相位常數(shù)，μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，σ為介質(zhì)的電導(dǎo)率，ω為電磁波的頻率。第44頁(yè)/共124頁(yè)電磁輻射在煤巖介質(zhì)中的傳播速度即相速為：式中：式中：c為光速；εr為煤巖介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

（7-8）第45頁(yè)/共124頁(yè)可見(jiàn)：電磁輻射在煤巖體介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的介電常數(shù)、電導(dǎo)率(或電阻率)和電磁輻射頻率有關(guān)。介質(zhì)的介電常數(shù)越大，電磁輻射傳播速度越慢；介質(zhì)的導(dǎo)電率越低(或電阻率越高)，傳播速度越快；電磁輻射信號(hào)的頻率越高，電磁輻射傳播的速度越大。在導(dǎo)電介質(zhì)中電磁波傳播速度比在理想均勻絕緣介質(zhì)中的要小。第46頁(yè)/共124頁(yè)如果定義煤巖體中電磁波的振幅減小e（自然對(duì)數(shù)的底）倍的距離為有效傳播距離L，則有：L也稱為趨膚深度（或穿透深度）。煤巖介質(zhì)電阻率越高，電磁輻射傳播的距離越大；電磁輻射的頻率越高，傳播的距離越短。（7-9）第47頁(yè)/共124頁(yè)介質(zhì)的絕對(duì)介電常數(shù)ε=εr·ε0，真空中的介電常數(shù)ε0＝8.85×10-12F/m。大多數(shù)造巖礦物的相對(duì)介電常數(shù)εr

很小，且變化范圍不大，幾乎全部非金屬礦物的εr

值均在4~13之間變化。關(guān)于巖石、礦石的相對(duì)導(dǎo)磁率，除極少數(shù)鐵磁性礦物外，基本上等于1。認(rèn)為是不隨頻率而變化的定值，即μ=μ0=4π×10-7H/m。第48頁(yè)/共124頁(yè)根據(jù)煤巖體材料的電磁常數(shù)ε、σ(或電阻率ρ)就可確定有效距離L與電磁波頻率間的關(guān)系。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)煤巖體來(lái)說(shuō)，當(dāng)電磁場(chǎng)頻率低于lMHz時(shí)，σ/ωε>>1。如果用頻率f和電阻率ρ來(lái)表示，則通過(guò)簡(jiǎn)化可得f和ρ的關(guān)系為：煤體的電阻率ρ一般在102~103Ω·m之間變化。當(dāng)選擇接收頻率上限為500KHz時(shí)，則預(yù)測(cè)范圍(或趨膚深度)為7.12~22.5m。(7-10)第49頁(yè)/共124頁(yè)實(shí)際監(jiān)測(cè)距離遠(yuǎn)小于電磁輻射的波長(zhǎng)，因此屬于近區(qū)監(jiān)測(cè)。不論近區(qū)或遠(yuǎn)區(qū)，都同時(shí)有感應(yīng)場(chǎng)和輻射場(chǎng)存在；兩者比較，近區(qū)感應(yīng)場(chǎng)很強(qiáng)，輻射場(chǎng)可忽略；遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)較強(qiáng)，感應(yīng)場(chǎng)可忽略，因而近區(qū)主要表現(xiàn)出感應(yīng)場(chǎng)的性質(zhì)，遠(yuǎn)區(qū)主要表現(xiàn)出輻射場(chǎng)的性質(zhì)。第50頁(yè)/共124頁(yè)7.4

電磁輻射能量計(jì)算煤巖體受載，破裂時(shí)向外釋放電磁波，這也反映了煤巖受載破壞釋放的能量。電磁輻射儀可以測(cè)到煤巖體釋放電磁輻射的強(qiáng)弱，以電壓形式反映。對(duì)電磁輻射儀來(lái)說(shuō)，其能量分析是針對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行的，瞬態(tài)信號(hào)的能量可定義為：第51頁(yè)/共124頁(yè)式中：V（t）為隨時(shí)間變化的電壓，R為電壓測(cè)量電信的輸入阻抗，取離散形式式中：Vi為取樣點(diǎn)的電壓，△t為取樣點(diǎn)的時(shí)間間隔，m為樣點(diǎn)數(shù)。（7-11）（7-12）第52頁(yè)/共124頁(yè)7.5

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

以某礦沖擊礦壓動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)最大的7204工作面為基礎(chǔ)，兼顧9112工作面；對(duì)另一煤礦2408沖擊礦壓工作面的電磁輻射進(jìn)行了測(cè)定。

1）正常開采在沒(méi)有沖擊危險(xiǎn)、工作面和巷道處于正常情況下的觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖7-8、7-9所示。從圖中可以看出，正常情況下，電磁輻射的幅值都比較小，脈沖數(shù)也較少，變化小。第53頁(yè)/共124頁(yè)圖7-89112工作面風(fēng)巷觀測(cè)結(jié)果之一第54頁(yè)/共124頁(yè)圖7-99112工作面風(fēng)巷觀測(cè)結(jié)果之二第55頁(yè)/共124頁(yè)

2）煤體內(nèi)的電磁輻射

工作面前方煤體內(nèi)的電磁輻射，整體上呈現(xiàn)一個(gè)與應(yīng)力變化相類似的曲線（見(jiàn)圖7-10所示）。圖7-10煤體內(nèi)的電磁輻射變化規(guī)律第56頁(yè)/共124頁(yè)3）

工作面及周圍巷道區(qū)域電磁輻射分布

在工作面不同區(qū)域，觀測(cè)到電磁輻射值不同。（1）壓力大的區(qū)域，電磁輻射值就高；（2）沖擊礦壓危險(xiǎn)性高的區(qū)域，電磁輻射值高。圖7-11是華豐煤礦2408工作面觀測(cè)的電磁輻射值。下平巷的沖擊礦壓危險(xiǎn)性比上平巷的高。觀測(cè)的電磁輻射值也是如此。第57頁(yè)/共124頁(yè)圖7-11a華豐煤礦2408工作面及電磁輻射測(cè)點(diǎn)布置圖第58頁(yè)/共124頁(yè)圖7-11b華豐煤礦2408工作面及其周圍巷道內(nèi)的電磁輻射值（圖中，上面一條曲線為最大值，下面一條曲線為平均值）第59頁(yè)/共124頁(yè)4）壓力高峰區(qū)的電磁輻射

在工作面前方煤壁內(nèi)的壓力高峰區(qū)，測(cè)定的電磁輻射值強(qiáng)度高，脈沖數(shù)變化大。說(shuō)明煤層內(nèi)的應(yīng)力高，而且煤層處于不斷變形和破壞之中。圖7-12為9112工作面在距材料道15m處工作面煤壁內(nèi)測(cè)定的電磁輻射強(qiáng)度和脈沖數(shù)在2min內(nèi)的變化規(guī)律?？梢?jiàn)，煤層中的應(yīng)力處于不斷變化之中。第60頁(yè)/共124頁(yè)幅值

b)脈沖數(shù)圖7-12距材料道15m處工作面煤壁內(nèi)的電磁輻射值第61頁(yè)/共124頁(yè)5）支承壓力區(qū)的電磁輻射

在工作面前方支承壓力高峰區(qū)，測(cè)定的電磁輻射值強(qiáng)度高，脈沖數(shù)變化大。同樣說(shuō)明了煤層內(nèi)的應(yīng)力高，且煤層處于不斷變形和破壞之中。圖7-13為9112工作面前方30m處材料道內(nèi)測(cè)定電磁輻射的結(jié)果。第62頁(yè)/共124頁(yè)b)脈沖數(shù)圖7-13工作面前方30m處材料道內(nèi)測(cè)定的電磁輻射值a)幅值第63頁(yè)/共124頁(yè)6）頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律與電磁輻射

電磁輻射變化規(guī)律與頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律吻合。在采面推進(jìn)42m、52m和62m，工作面周期來(lái)壓期間，電磁輻射值呈現(xiàn)與周期來(lái)壓一致的周期性變化。圖7-14為工作面推進(jìn)過(guò)程中，距采面50~60m風(fēng)巷范圍內(nèi)電磁輻射幅值的變化規(guī)律。與工作面周期來(lái)壓規(guī)律一致。另外，順槽中在老頂斷裂的位置，觀測(cè)到的電磁輻射值也較強(qiáng)，如圖7-15。第64頁(yè)/共124頁(yè)

圖7-14距采面50~60m風(fēng)巷內(nèi)電磁輻射第65頁(yè)/共124頁(yè)圖7-15順槽中老頂斷裂處電磁輻射第66頁(yè)/共124頁(yè)7）頂板斷裂破壞的電磁輻射

工作面煤層頂板的斷裂破壞，觀測(cè)到電磁輻射幅值的劇烈變化，反映了頂板內(nèi)聚集的彈性能的釋放過(guò)程。圖7-16為7204工作面在推進(jìn)57m，頂板斷裂破壞至中部時(shí)觀測(cè)的電磁輻射變化。第67頁(yè)/共124頁(yè)圖7-16工作面中部頂板斷裂破壞第68頁(yè)/共124頁(yè)圖7-17頂板斷裂到中上部圖7-17為7204工作面頂板斷裂破壞至中上部時(shí)觀測(cè)的電磁輻射變化。第69頁(yè)/共124頁(yè)圖7-18工作面中下部頂板垮落后2小時(shí)的電磁輻射下圖為工作面中下部頂板垮落后2小時(shí)的電磁輻射變化規(guī)律。電磁輻射值非常低，反映了工作面中下部頂板已經(jīng)斷裂，頂板內(nèi)的彈性能已完全釋放。第70頁(yè)/共124頁(yè)在工作面沒(méi)有進(jìn)行采煤放炮的區(qū)段、頂板沒(méi)有垮落的區(qū)段，電磁輻射值非常高，而且其幅值變化較大。進(jìn)行了采煤放炮，頂板也已垮落的區(qū)域，則電磁輻射幅值很低，兩者相差近4倍。第71頁(yè)/共124頁(yè)圖7-197204工作面11月25日夜班各觀測(cè)點(diǎn)的電磁輻射值下圖為7204工作面各觀測(cè)點(diǎn)的電磁輻射值，高峰處為工作面未進(jìn)行落煤放炮的區(qū)域。第72頁(yè)/共124頁(yè)

8）

沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的電磁輻射

沖擊危險(xiǎn)性高和壓力大的區(qū)域，觀測(cè)到的電磁輻射值很高。而且在沖擊礦壓危險(xiǎn)性高的區(qū)域，電磁輻射的幅值變化不大，但整體水平高。例如，11月19日中班，7204工作面自材料道向下60m范圍內(nèi)的電磁輻射幅值高，表明兩材料道間的煤柱壓力大，沖擊礦壓危險(xiǎn)性高(見(jiàn)圖7-20)。第73頁(yè)/共124頁(yè)圖7-2011月19日工作面電磁輻射值變化規(guī)律第74頁(yè)/共124頁(yè)9）板炮與電磁輻射

7204高沖擊礦壓危險(xiǎn)工作面，煤層內(nèi)板炮頻繁。采用電磁輻射法觀測(cè)中記錄了大量板炮形成的電磁輻射。

如果在兩分鐘的測(cè)量記錄中，出現(xiàn)一兩個(gè)突然增高的幅值，而其余的幅值比較平緩，工作面又沒(méi)有其它影響，說(shuō)明煤層內(nèi)發(fā)生了釋放能量的板炮。

圖7-22為通過(guò)電磁輻射儀觀測(cè)，記錄的工作面煤層內(nèi)板炮的發(fā)生及其規(guī)律。第75頁(yè)/共124頁(yè)圖7-2211月11日中班測(cè)到的工作面上下部?jī)纱伟迮诘?6頁(yè)/共124頁(yè)10）卸壓爆破前后的電磁輻射在工作面有沖擊礦壓危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行卸壓爆破前后，電磁輻射值有明顯的變化?？捎秒姶泡椛浞椒z測(cè)卸壓爆破的效果。卸壓爆破前后，煤體內(nèi)鉆屑量的變化規(guī)律，同樣證實(shí)了這一點(diǎn)。圖7-23為卸壓爆破前后鉆孔鉆屑量的變化，圖7-24，7-25則為同一地點(diǎn)卸壓爆破前后電磁輻射的變化情況。第77頁(yè)/共124頁(yè)

b)卸壓爆破后圖7-23卸壓爆破前后鉆屑量的變化規(guī)律a)卸壓爆破前第78頁(yè)/共124頁(yè)a)電磁輻射幅值b)電磁輻射脈沖數(shù)圖7-24卸壓爆破前電磁輻射值的變化規(guī)律第79頁(yè)/共124頁(yè)b)電磁輻射脈沖數(shù)圖7-25卸壓爆破后電磁輻射值的變化規(guī)律a)電磁輻射幅值第80頁(yè)/共124頁(yè)圖7-26為7204工作面上部隨工作面推進(jìn)，其電磁輻射值的變化規(guī)律。從圖上可以明顯地看出絕大部分沖擊危險(xiǎn)區(qū)域在卸壓爆破后，電磁輻射值有了明顯的下降，如11月12～18日，有的效果還非常好，特別是11月18日電磁輻射值下降的非常多。但有的效果也不理想，例如11月13日卸壓爆破后，電磁輻射值沒(méi)有明顯變化。第81頁(yè)/共124頁(yè)第82頁(yè)/共124頁(yè)第83頁(yè)/共124頁(yè)圖7-26推進(jìn)過(guò)程中工作面中上部電磁輻射值變化規(guī)律第84頁(yè)/共124頁(yè)11）

沖擊礦壓與電磁輻射

測(cè)試表明：在沖擊礦壓發(fā)生前，電磁輻射的幅值有較大幅度的增長(zhǎng)。在9112工作面上頭距風(fēng)巷120m處，在測(cè)量過(guò)后不到半分鐘，曾發(fā)生過(guò)一次煤炮（小型沖擊），其強(qiáng)度大約為70~80dB。

在發(fā)生煤炮以前，電磁輻射儀測(cè)到了脈沖數(shù)和幅值的連續(xù)增長(zhǎng)，反映了煤巖破壞發(fā)展、發(fā)生的過(guò)程，如圖7-27所示。第85頁(yè)/共124頁(yè)圖7-27煤炮發(fā)生前電磁輻射脈沖數(shù)的變化趨勢(shì)在9112工作面上頭距風(fēng)巷120m處，在測(cè)量過(guò)后不到半分鐘，曾發(fā)生過(guò)一次煤炮（小型沖擊），其強(qiáng)度大約為70~80dB。第86頁(yè)/共124頁(yè)7204工作面開采期間多次誘發(fā)了沖擊礦壓，同時(shí)也發(fā)生了兩次較大規(guī)模的沖擊礦壓，其沖擊地點(diǎn)和范圍為材料道從工作面向外13m開始的13m長(zhǎng)，工作面從材料道往下11m開始的22m長(zhǎng)的煤壁。誘發(fā)和發(fā)生的沖擊礦壓前后的電磁輻射：沖擊礦壓發(fā)生前的一段時(shí)間，電磁輻射值較高，之后有一段時(shí)間相對(duì)較低，但這段時(shí)間內(nèi)，其電磁輻射值均達(dá)到、接近或超過(guò)臨界值，之后發(fā)生沖擊礦壓?！f(shuō)明能量的聚集與釋放的過(guò)程。第87頁(yè)/共124頁(yè)圖7-28沖擊前后工作面電磁輻射的變化第88頁(yè)/共124頁(yè)圖7-29沖擊前后巷道電磁輻射的變化第89頁(yè)/共124頁(yè)圖7-30為7204工作面12月16日誘發(fā)沖擊礦壓前后電磁輻射的變化規(guī)律?？梢钥闯鐾瑯拥囊?guī)律，即沖擊礦壓發(fā)生前的一段時(shí)間，電磁輻射連續(xù)增長(zhǎng)或先增長(zhǎng)，然后下降，之后又呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。第90頁(yè)/共124頁(yè)圖7-30誘發(fā)沖擊礦壓前后電磁輻射變化規(guī)第91頁(yè)/共124頁(yè)7.6

煤巖變形破壞與電磁輻射耦合規(guī)律

從以上觀測(cè)到的規(guī)律可知：

1）采用電磁輻射法對(duì)沖擊礦壓的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是可行有效的；

2）可以確定沖擊礦壓發(fā)生的區(qū)域和地點(diǎn)；為采取相應(yīng)的有針對(duì)性的防治措施提供了科學(xué)依據(jù)。第92頁(yè)/共124頁(yè)煤巖電磁輻射是煤巖體受載變形破裂過(guò)程中向外輻射電磁能量的一種現(xiàn)象，與煤巖體的變形破裂過(guò)程密切相關(guān)。電磁輻射信息綜合反映了沖擊礦壓、煤與瓦斯突出等煤巖災(zāi)害動(dòng)力現(xiàn)象的主要影響因素。1）電磁輻射強(qiáng)度主要反映了煤巖體的受載程度及變形破裂強(qiáng)度；2）脈沖數(shù)主要反映了煤巖體變形及微破裂的頻次。第93頁(yè)/共124頁(yè)從上述強(qiáng)沖擊礦壓危險(xiǎn)工作面的電磁輻射觀測(cè)的結(jié)果分析，可以得出：

1）煤巖體所受應(yīng)力與電磁輻射之間存在耦合關(guān)系。煤巖體所受應(yīng)力越高，電磁輻射強(qiáng)度越大，特別是在工作面及巷道的支承壓力影響區(qū)，電磁輻射的幅值明顯高于非支承壓力影響區(qū)。2）電磁輻射可反映煤巖體的破壞程度。在煤巖體破壞劇烈的區(qū)域，即微裂隙形成和發(fā)展速率大的地方，電磁輻射脈沖數(shù)非常高，變化非常大。這也說(shuō)明了煤巖體的加速破壞。

第94頁(yè)/共124頁(yè)

3）煤巖體的沖擊破壞與電磁輻射有關(guān)。在煤巖體發(fā)生沖擊破壞前，電磁輻射的幅值突然增大，脈沖數(shù)也非常高，變化非常大。

4）電磁輻射可測(cè)煤炮的發(fā)生。其特征是，發(fā)生煤炮時(shí)，電磁輻射的幅值突然有一高峰，脈沖數(shù)也是。而不象支承壓力區(qū)，在電磁輻射所測(cè)時(shí)間段內(nèi)，幅值都高。第95頁(yè)/共124頁(yè)5）電磁輻射可反映工作面來(lái)壓規(guī)律。頂板斷裂，老頂來(lái)壓的信息是通過(guò)煤層反映到電磁輻射儀的。在電磁輻射所測(cè)時(shí)間段內(nèi)，若頂板處于斷裂發(fā)展?fàn)顟B(tài)，則其幅值變化很大，由低到高，呈強(qiáng)烈的振蕩狀態(tài)。在巷道中頂板來(lái)壓、斷裂的區(qū)域，電磁輻射值明顯高于其他區(qū)域。第96頁(yè)/共124頁(yè)6）電磁輻射可預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)沖擊礦壓。從誘發(fā)和發(fā)生的沖擊礦壓前后電磁輻射變化情況看，有如下規(guī)律：沖擊礦壓發(fā)生前的一段時(shí)間，電磁輻射值較高，之后有一段時(shí)間相對(duì)較低，但這段時(shí)間內(nèi)，其電磁輻射值均達(dá)到、接近或超過(guò)臨界值，之后發(fā)生沖擊礦壓。也就是說(shuō)，沖擊礦壓發(fā)生前的一段時(shí)間，電磁輻射連續(xù)增長(zhǎng)或先增長(zhǎng)，然后下降，之后又呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。第97頁(yè)/共124頁(yè)7）電磁輻射可檢驗(yàn)卸壓爆破效果。卸壓爆破前，若所測(cè)電磁輻射幅值高，說(shuō)明煤巖體所受應(yīng)力高，聚積有大量彈性能。如卸壓爆破后，電磁輻射值有明顯下降，說(shuō)明應(yīng)力有降低，能量得到釋放；如卸壓爆破后電磁輻射值沒(méi)有明顯變化，甚至有所上升，說(shuō)明煤巖體中的彈性能沒(méi)有得到釋放，而且應(yīng)力更加集中，更容易發(fā)生沖擊礦壓。第98頁(yè)/共124頁(yè)7.7

沖擊礦壓動(dòng)力危險(xiǎn)預(yù)測(cè)7.7.1

測(cè)點(diǎn)的布置

采場(chǎng)周圍應(yīng)力分布是不均勻的。有的地點(diǎn)應(yīng)力集中程度小一些，有些地點(diǎn)應(yīng)力集中程度高一些。觀測(cè)點(diǎn)的布置原則：既要監(jiān)測(cè)工作面的區(qū)域，又要監(jiān)測(cè)兩巷。而應(yīng)力集中程度高的區(qū)域，則是重點(diǎn)防治區(qū)域，對(duì)于重點(diǎn)區(qū)域，要多布置一些測(cè)點(diǎn)。測(cè)線間距可定為10m，如圖7-32所示。這樣可覆蓋全部危險(xiǎn)區(qū)域。第99頁(yè)/共124頁(yè)圖7-32電磁輻射探頭布置示意圖第100頁(yè)/共124頁(yè)7.7.2

沖擊礦壓危險(xiǎn)狀態(tài)確定1）危險(xiǎn)性等級(jí)的劃分根據(jù)沖擊礦壓發(fā)生的原因，沖擊礦壓的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及沖擊礦壓的治理，通過(guò)統(tǒng)計(jì)、模糊數(shù)學(xué)等的分析研究，可以對(duì)沖擊礦壓的危險(xiǎn)程度按沖擊礦壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評(píng)定的電磁輻射法定量化的分為五級(jí)，見(jiàn)表7-1。A．無(wú)沖擊危險(xiǎn)。沖擊礦壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評(píng)定綜合指數(shù)Wt<0.3。所有的采礦工作可按作業(yè)規(guī)程規(guī)定的進(jìn)行。

第101頁(yè)/共124頁(yè)B．弱沖擊危險(xiǎn)。沖擊礦壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評(píng)定綜合指數(shù)Wt=0.3~0.5。（1）所有采礦工作可按作業(yè)規(guī)程規(guī)定的進(jìn)行。（2）采礦作業(yè)中加強(qiáng)沖擊礦壓危險(xiǎn)狀態(tài)觀察。C．中等沖擊危險(xiǎn)。沖擊礦壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評(píng)定綜合指數(shù)Wt=0.5~0.75。下一步的采礦工作應(yīng)與該危險(xiǎn)狀態(tài)下的沖擊礦壓防治措施一起進(jìn)行，而且至少通過(guò)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)確定沖擊礦壓危險(xiǎn)程度不再上升。第102頁(yè)/共124頁(yè)D．強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)。沖擊礦壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評(píng)定綜合指數(shù)Wt=0.75~0.95。（1）停止采礦作業(yè)，不必要的人員撤離危險(xiǎn)地點(diǎn)。（2）礦主管領(lǐng)導(dǎo)確定限制沖擊礦壓危險(xiǎn)的方法及措施，以及沖擊礦壓防治措施的控制檢查方法，確定沖擊礦壓防治措施的人員。E．不安全。沖擊礦壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評(píng)定綜合指數(shù)Wt>0.95。第103頁(yè)/共124頁(yè)沖擊礦壓危險(xiǎn)等級(jí)井巷中沖擊礦壓危險(xiǎn)狀態(tài)沖擊礦壓危險(xiǎn)指數(shù)A無(wú)沖擊危險(xiǎn)<0.3B弱沖擊危險(xiǎn)0.3~0.5C中等沖擊危險(xiǎn)0.5~0.75D強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)0.75~0.95E不安全>0.95

表7-1電磁輻射法確定沖擊礦壓危險(xiǎn)狀態(tài)的分級(jí)表第104頁(yè)/共124頁(yè)2）危險(xiǎn)性等級(jí)的確定由第三章可知，煤巖變形破壞的ε（t）、W（t）與電磁輻射的幅值、脈沖數(shù)或聲發(fā)射的事件數(shù)成正比，則采用電磁輻射方法確定煤巖破壞的危險(xiǎn)性同樣可采用式（3-128d）的方式，其中Nl為臨界值，N0為初始值。(7-27)第105頁(yè)/共124頁(yè)3）幅值確定沖擊危險(xiǎn)程度

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室研究及現(xiàn)場(chǎng)研究測(cè)定、理論分析，可知：①煤試樣在發(fā)生沖擊性破壞以前，電磁輻射強(qiáng)度一般在某個(gè)值以下，而在沖擊破壞時(shí)，電磁輻射強(qiáng)度突然增加。第106頁(yè)/共124頁(yè)②

沖擊礦壓發(fā)生前的一段時(shí)間，電磁輻射值較高，之后有一段時(shí)間相對(duì)較低，但這段時(shí)間內(nèi)，其電磁輻射值均達(dá)到、接近或超過(guò)臨界值，之后發(fā)生沖擊礦壓。也就是說(shuō)，沖擊礦壓發(fā)生前的一段時(shí)間，電磁輻射連續(xù)增長(zhǎng)或先增長(zhǎng)，然后下降，之后又呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。煤巖體的損傷速度與電磁輻射脈沖數(shù)、聲發(fā)射事件數(shù)成正比，與瞬間釋放的能量、變形速度成正比。

第107頁(yè)/共124頁(yè)式中：E1為2min之內(nèi)的平均幅值。a,b為系數(shù)。對(duì)于徐州礦務(wù)集團(tuán)三河尖礦的7204工作面來(lái)說(shuō)，其電磁輻射幅值的臨界值為60mV，則系數(shù)a=0,b=120。(7-28)

根據(jù)上述規(guī)律，可采用電磁輻射的幅值確定沖擊礦壓的危險(xiǎn)程度：第108頁(yè)/共124頁(yè)4）脈沖數(shù)確定沖擊危險(xiǎn)程度同樣，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室研究及現(xiàn)場(chǎng)研究測(cè)定、理論分析，可知：①

煤巖體電磁輻射的脈沖數(shù)隨著載荷的增大及變形破裂過(guò)程的增強(qiáng)而增大。載荷越大，加載速率越大，煤體的變形破裂越強(qiáng)烈，電磁輻射信號(hào)也越強(qiáng)。

第109頁(yè)/共124頁(yè)

②

在沖擊礦壓發(fā)生以前，電磁輻射儀測(cè)到了脈沖數(shù)和其幅值的連續(xù)增長(zhǎng)，反映了煤巖破壞發(fā)展發(fā)生的過(guò)程。其規(guī)律是沖擊礦壓發(fā)生前的一段時(shí)間，電磁輻射連續(xù)增長(zhǎng)或先增長(zhǎng)，然后下降，之后又呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。③

煤巖體的損傷速度與電磁輻射脈沖數(shù)、聲發(fā)射事件數(shù)成正比，與瞬間釋放的能量、變形速度成正比。第110頁(yè)/共1