電磁輻射預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)沖擊礦壓

張 繼 ，肖雙雙

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

·試驗(yàn)研究·

電磁輻射預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)沖擊礦壓

張 繼 ，肖雙雙

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

沖擊礦壓的發(fā)生主要是能量積聚，然后突然釋放的結(jié)果。在沖擊發(fā)生過(guò)程中，有應(yīng)力的集中、煤巖體的變形破壞。而煤巖體變形破壞過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生電磁輻射現(xiàn)象。因此，可采用電磁輻射法來(lái)預(yù)報(bào)沖擊礦壓。研究表明，煤巖體中應(yīng)力值不同、煤巖體破壞程度的不同，電磁輻射也不會(huì)相同。電磁輻射現(xiàn)象與煤巖應(yīng)力、變形破壞以及沖擊礦壓存在電磁耦合規(guī)律。以電磁耦合規(guī)律為基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)煤巖體的電磁輻射參數(shù)，如幅值、脈沖數(shù)等，從而可以確定沖擊礦壓的危險(xiǎn)狀態(tài)，達(dá)到預(yù)報(bào)沖擊礦壓的效果。

電磁輻射；沖擊礦壓；耦合規(guī)律

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采深度的加深，以及開(kāi)采條件的越來(lái)越復(fù)雜，我國(guó)的沖擊礦壓現(xiàn)象越來(lái)越多，危害也越來(lái)越大，所以研究對(duì)沖擊礦壓的防治具有重要意義。

在預(yù)測(cè)沖擊礦壓的所有方法中，電磁輻射法以其非接觸、受環(huán)境干擾小、預(yù)測(cè)方便、準(zhǔn)確度高，受到廣泛的關(guān)注和研究。采礦電磁輻射法主要依據(jù)電磁耦合規(guī)律，通過(guò)對(duì)煤巖體的電磁輻射參數(shù)的觀測(cè)，從而確定沖擊礦壓的危險(xiǎn)狀態(tài)，預(yù)報(bào)沖擊礦壓。

1 沖擊礦壓預(yù)測(cè)電磁輻射的原理

1) 沖擊礦壓發(fā)生及電磁輻射機(jī)理。沖擊礦壓發(fā)生的機(jī)理和過(guò)程為：采掘造成應(yīng)力集中，部分煤巖體進(jìn)入極限強(qiáng)度，表現(xiàn)出應(yīng)變軟化性質(zhì)，而其周?chē)簬r體因尚未進(jìn)入極限強(qiáng)度，從而不具有應(yīng)變軟化性質(zhì)。這就導(dǎo)致原來(lái)的煤巖系統(tǒng)變成由兩種不同性質(zhì)介質(zhì)組成的新系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)處于非穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，在外界擾動(dòng)下將發(fā)生失穩(wěn)破壞。當(dāng)失穩(wěn)過(guò)程中系統(tǒng)釋放的能量大于消耗的能量時(shí)，多余的能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能而引起沖擊礦壓。

巖石在受載破壞結(jié)果中，共記錄到67個(gè)事件。某礦原煤實(shí)驗(yàn)見(jiàn)圖1，圖1中只給出部分事件的記錄結(jié)果。橫坐標(biāo)為裂紋過(guò)程中會(huì)以電磁波的形式向外輻射電磁能量，其發(fā)生的機(jī)理是由于煤體各部分非勻速變形引起的電荷遷移和裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的帶電粒子產(chǎn)生變速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的。實(shí)驗(yàn)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2 MHz。

2) 煤巖應(yīng)力和破壞程度與電磁輻射的耦合規(guī)律。通過(guò)對(duì)強(qiáng)沖擊礦壓危險(xiǎn)工作面電磁輻射的觀測(cè)以及利用統(tǒng)計(jì)損傷力學(xué)建立受載煤巖體的力電偶合模型研究發(fā)現(xiàn)，煤巖應(yīng)力和破壞程度與電磁輻射的耦合規(guī)律：

a) 煤巖體所受應(yīng)力與電磁輻射之間存在耦合關(guān)系。煤巖體所受的應(yīng)力越高，電磁輻射的強(qiáng)度就越大，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)。b) 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，不僅電磁輻射的脈沖數(shù)非常高，而且變化非常大。這也說(shuō)明了煤巖體的加速破壞。

3) 沖擊礦壓與電磁輻射耦合規(guī)律。沖擊礦壓發(fā)生的過(guò)程中始終有應(yīng)力的集中和煤巖的破壞，而煤巖體應(yīng)力與破壞程度與電磁輻射有一定的耦合規(guī)律，同樣，沖擊礦壓和電磁輻射也具有一定的耦合規(guī)律。

誘發(fā)和發(fā)生沖擊礦壓前后電磁輻射變化有這樣的規(guī)律，即沖擊礦壓發(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。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)。例如，在工作面上頭距風(fēng)巷120 m 處，在測(cè)過(guò)以后不到半分鐘，曾發(fā)生過(guò)一次煤炮(小型沖擊)，其強(qiáng)度大約為70～80 dB，見(jiàn)圖2。沖擊礦壓發(fā)生前后工作面煤壁處的電磁輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律見(jiàn)圖3。

圖1 某礦原煤的實(shí)驗(yàn)示意圖

圖2 煤炮發(fā)生前電磁輻射脈沖數(shù)的變化趨勢(shì)圖

圖3 沖擊前后工作面電磁輻射的變化圖

2 電磁輻射確定沖擊礦壓危險(xiǎn)等級(jí)

1) 沖擊礦壓危險(xiǎn)性等級(jí)的確定。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)性同樣可采用下式，其中：N(t)為t時(shí)刻煤巖體的累計(jì)電磁脈沖次數(shù)，N為電磁脈沖次數(shù)臨界值，N0為電磁脈沖次數(shù)初始值。

a) 幅值確定沖擊危險(xiǎn)程度。

采用電磁輻射的幅值確定沖擊礦壓的危險(xiǎn)程度：

式中：

E— 2 min之內(nèi)的平均幅值；

a，b—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60 mV，則系數(shù)a=0，b=120。

b) 用脈沖數(shù)確定沖擊危險(xiǎn)程度。

同樣，可采用電磁輻射的脈沖數(shù)確定的危險(xiǎn)性：

式中:

E—2 min之內(nèi)每間隔10 s中脈沖數(shù)的增量最大值；

c,d—常數(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)，c=0，d=4。

由電磁輻射法確定沖擊礦壓危險(xiǎn)狀態(tài)確定分級(jí)表見(jiàn)表1。

表1電磁輻射法確定沖擊礦壓危險(xiǎn)狀態(tài)的分級(jí)表

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7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

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析沖擊礦壓和電磁輻射發(fā)生的機(jī)理，以及電磁耦合規(guī)律論述，建立了沖擊礦壓和電磁輻射之間的聯(lián)系。電磁輻射和煤的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，應(yīng)力高時(shí)，電磁輻射信號(hào)就強(qiáng)，則沖擊危險(xiǎn)越大。煤巖體在發(fā)生沖擊礦壓破壞以前，電磁輻射強(qiáng)度一般在某個(gè)值以下，而在沖擊破壞時(shí)，電磁輻射突然增加。理論分析和生產(chǎn)實(shí)踐測(cè)量分析均表明，利用電磁輻射可以預(yù)報(bào)沖擊礦壓，且結(jié)果準(zhǔn)確，效果較好，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有重要的意義。

[1] 竇林名,謝耀社.采礦地球物理學(xué)概論[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2005：113-120.

[2] 竇林名,何學(xué)秋.沖擊礦壓危險(xiǎn)預(yù)測(cè)的電磁輻射原理[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2005(2):427-431.

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ForecastingRock-burstbyElectromagneticEmission

ZhangJi，XiaoShuang-shuang

Rock-burst is the consequence of energy accumulation and suddenly releasing .In the process of rock-burst, stress concentration and the deformation and failure of rock always exists. The electromagnetic emission (EME) will be formed during the process of coal rock deformation and failure .Therefore, the EME can be used to forecast rock-burst. Study shows that different value of stress in coal and rock and different extend of broken, will produce different electromagnetic emission. There is coupling rule between EME and coal rock stress and rock-burst .Based on the electromagnetic coupling rule, we can determine the risk of rock-burst and then forecast rock-burst through the observation of coal and rock electromagnetic emission parameters, such as amplitude, pulse etc.

Electromagnetic emission; Rock-burst; Coupling rule

張 繼 男 1989年出生 2007年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在讀本科生 徐州 221116

TD324

A

1672-0652(2010)07-0032-03

2010-05-10