聲發(fā)射與電磁輻射綜合監測預警技術(shù)研究

　　摘要：每一種技術(shù)都有一定的適用范圍和影響因素。本文運用聲發(fā)射和電磁輻射的原理，將此兩種采礦地球物理方法合二為一，進(jìn)行綜合監測預警，能實(shí)現兩種技術(shù)的優(yōu)勢互補，充分發(fā)揮兩者的作用，更加精確的監測煤巖體沖擊傾向性。對解決采礦作業(yè)的安全性和保證礦井生產(chǎn)的連續性有重要的作用。

　　關(guān)鍵詞：聲發(fā)射;電磁輻射;煤巖體;沖擊礦壓;綜合監測

　　0、引言

　　我國煤炭資源儲量豐富，是世界第一大產(chǎn)煤國，也是消費大國，2009 年產(chǎn)煤已達到30.5億噸。隨著(zhù)我國煤礦開(kāi)采深度的增加和開(kāi)采強度的增大，采場(chǎng)地應力增高，加上煤炭賦存條件復雜(如構造、瓦斯等)的影響，沖擊地壓、煤與瓦斯突出和突水等煤巖動(dòng)力災害事故發(fā)生次數和強度日趨嚴重，對礦井高產(chǎn)高效生產(chǎn)和人員安全造成了嚴重的影響。所以加強對煤巖動(dòng)力災害的預測，對保護井下礦工的生命安全和保障煤礦的正常生產(chǎn)具有十分重要的意義。

　　目前監測煤巖動(dòng)力災害的技術(shù)有有限元數值模擬、煤巖體應力現場(chǎng)測試、聲發(fā)射監測技術(shù)、微震監測及定位技術(shù)和電磁輻射監測技術(shù)等，并取得了一定的成果。本文利用聲發(fā)射和電磁輻射的各自特點(diǎn)，將電磁輻射技術(shù)和聲發(fā)射技術(shù)合二為一，進(jìn)行綜合監測，對提高煤巖動(dòng)力災害預警的適用性和準確性有重要的作用。

　　1、聲發(fā)射和電磁輻射簡(jiǎn)介

　　聲發(fā)射技術(shù)和電磁輻射技術(shù)都是采礦地球物理方法，是目前監測煤巖動(dòng)力災害的主要技術(shù)手段。

　　聲發(fā)射是指煤或巖石等材料內部迅速釋放能量而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的一種物理現象。聲發(fā)射法就是以脈沖形式記錄的，低能量地音現象。其主要特征是振動(dòng)頻率從幾十到至少2000Hz或更高，能量低于102 J，下限不定，振動(dòng)范圍從幾到大約200m。它是一種動(dòng)態(tài)無(wú)損傷檢測方法，其信號來(lái)自缺陷本身，可以判斷缺陷的活動(dòng)性和嚴重性。由于其振動(dòng)頻率從0～2000Hz 或更高，容易受到機電噪音的干擾，因而對數據的正確解釋要有更為豐富的數據庫和現場(chǎng)檢驗經(jīng)驗。

　　電磁輻射是指煤或巖石等非均質(zhì)材料在受載破裂過(guò)程中向外輻射能量的過(guò)程或現象，是非均質(zhì)體各部分非均勻變速變形引起的電荷遷移和裂紋擴展過(guò)程中形成的帶電粒子變速運動(dòng)而形成的。電磁輻射法是一種非接觸抗干擾能力強的技術(shù)，電磁輻射強度主要反映了煤巖體的受載程度及變形破裂強度，脈沖數主要反映了煤巖體變形及微破裂的頻次。電磁輻射還可用于檢測煤巖動(dòng)力災害防治措施的效果，評價(jià)邊坡穩定性，確定采掘面周?chē)�的應力應變，評價(jià)混凝土結構的穩定性等。

　　2、綜合監測理論機制

　　煤巖體是包含大量缺陷體的非均質(zhì)結構體。在煤巖體的受載變形破裂過(guò)程中，通過(guò)壓電效應、摩擦作用、斷裂輻射、極化、熱電子發(fā)射、場(chǎng)致發(fā)射及流動(dòng)電動(dòng)勢等機制均能產(chǎn)生自由電荷或分離電荷，進(jìn)而產(chǎn)生電磁輻射。同時(shí)，煤巖在變形和破斷過(guò)程中也會(huì )伴隨聲發(fā)射現象。

　　2.1 煤巖聲發(fā)射監測理論基礎

　　巖石的聲發(fā)射與巖石在載荷作用下破壞的過(guò)程密切相關(guān)。根據連續介質(zhì)損傷力學(xué)理論，損傷因子D 是煤巖材料損傷形式的微孔洞、微裂縫面積與材料損傷前總承載面積之比。當D為0 時(shí)，對應于煤巖完全無(wú)損傷狀態(tài);當D 為1 時(shí)，對應于煤巖完全損傷狀態(tài)，即煤巖完全喪失任何拉應力的能力;D 在(0,1)之間時(shí),則代表不完全斷裂。

　　2.2 煤巖應力與電磁輻射耦合理論

　　受載煤巖體電磁輻射是其在形變破裂過(guò)程中由于微裂而向外輻射電磁波的一種現象。顯然微破裂是材料內部微損傷的結果，因此可以肯定電磁輻射和煤巖的損傷之間有必然的聯(lián)系。即就是說(shuō)，電磁輻射可以代表煤巖微損傷的程度。

　　3、聲發(fā)射和電磁輻射與巖石應力的擬合規律

　　3.1 煤巖聲發(fā)射規律

　　聲發(fā)射的形成是力學(xué)現象，對于最低能量信號，聲發(fā)射源是斷裂，就像金屬研究中的結果一樣。根據塑性變形的斷裂理論，彈性波的發(fā)射僅在斷裂速度變化時(shí)發(fā)生，即在斷裂的加速或延緩時(shí)發(fā)生。對于較高能量的聲發(fā)射信號，則是巖石的脆性破斷，顆粒間的滑移，以及塑性滑移和塑性變形的邊緣區域發(fā)生。而再大一些的能量信號則是巖石的宏觀(guān)破斷或不同部分的巖石位移產(chǎn)生的。

　　巖石的宏觀(guān)破壞滯后于聲發(fā)射活動(dòng)的高峰期，聲發(fā)射活動(dòng)高峰后的下降和平衡，并不表明巖體趨于穩定，而是巖體已經(jīng)發(fā)生了結構破壞。從而可以通過(guò)測定煤巖體的聲發(fā)射強弱，來(lái)監測煤巖體沖擊性。

　　3.2 沖擊煤巖電磁輻射規律

　　在單軸壓縮、拉伸、剪切、摩擦和三軸壓縮應力狀態(tài)下，煤巖變形破裂過(guò)程中伴隨有電磁輻射信號產(chǎn)生，且應力越大，電磁輻射越強;大部分試樣在主破壞前電磁輻射及其變化率有顯著(zhù)的增強[7]。煤巖試樣在發(fā)生沖擊性破壞前，電磁輻射強度一般在某個(gè)值以下，在沖擊破壞時(shí)，電磁輻射強度突然增加。如果將煤巖體在載荷作用下，沖擊破壞時(shí)最大應力的80%作為煤巖體沖擊破壞的應力預警區。由于電磁輻射與煤巖應力具有一定的對應關(guān)系，因此可得出煤巖體沖擊破壞應力預警區的電磁輻射預警值。根據確定的預警值進(jìn)行煤巖體沖擊破壞的預報。

　　結果表明煤巖體電磁輻射的脈沖數隨著(zhù)載荷的增大及變形破裂的增強而增大，即煤巖體應力越大，變形破裂越強，電磁輻射信號也越強。

　　4、井下綜合監測系統布置

　　運用聲發(fā)射和電磁輻射理論，可對采掘工作面或巷道進(jìn)行區域和動(dòng)態(tài)性的綜合監測和預警。先用聲發(fā)射監測儀測試并確定危險性較大的區域，然后用在線(xiàn)式電磁輻射儀實(shí)時(shí)監測。其綜合測量系統布置。

　　該系統以KJ 系列礦井環(huán)境與安全監測系統作為通訊平臺，以聲發(fā)射監測儀和電磁輻射監測儀作為傳感器掛接到KJ 系列分站，將聲發(fā)射和電磁輻射監測到的信號經(jīng)KJ 系列監測系統傳送至計算機監測中心，通過(guò)終端機的監測與相關(guān)分析軟件的數據處理，對煤巖動(dòng)力災害的聲發(fā)射和電磁輻射信號采集和分析預報，實(shí)現較大范圍內的整體監測和針對某一具體危險區域連續監測。從而可以結合現場(chǎng)情況及礦壓顯現規律進(jìn)行預警提示，當危險程度提高時(shí)，提示采取防治措施，達到保證采礦作業(yè)人員的安全和保障礦井連續生產(chǎn)的目的。

　　5、結論

　　本文介紹了聲發(fā)射和電磁輻射綜合監測的原理。實(shí)驗研究表明，隨著(zhù)煤巖體所受載荷的增加及變形破裂的增大，即煤巖體應力越來(lái)越大時(shí)，聲發(fā)射和電磁輻射信號也越來(lái)越強，但煤巖體的宏觀(guān)破壞滯后于生發(fā)射活動(dòng)的高峰期。從而可以通過(guò)聲發(fā)射和電磁輻射的強弱來(lái)監測煤巖體的沖擊傾向性。

　　由于每一種法都有一定的適用性和影響因素，所以本文運用聲發(fā)射和電磁輻射綜合監測理論，采用一種新的監測方法，即將聲發(fā)射和電磁輻射兩種采礦地球物理方法合二為一，實(shí)現兩種技術(shù)的強強聯(lián)合、優(yōu)勢互補，能更加精確的監測煤巖體沖擊傾向性。對解決采礦作業(yè)的安全性和保證礦井生產(chǎn)的連續性有重要的作用。

　　隨著(zhù)采礦地球物理方法研究和應用領(lǐng)域的不斷擴大，聲發(fā)射和電磁輻射綜合監測技術(shù)有著(zhù)非常廣泛的應用前景，除可以應用于監測預報礦山煤巖動(dòng)力災害等事故外，在露天礦邊坡穩定性評價(jià)、混凝土結構的穩定性監測方面也有非常廣闊的應用前景。

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