煤岩电磁辐射技术研究及其应用_陈亚运

图2煤层试样单轴压裂破坏过程中电磁辐射试验结果煤岩电磁辐射技术研究及其应用摘要:电磁辐射是煤岩体受到采动影响后应力重新分布或变形破裂趋向新的平衡的结果。综述煤岩的电磁辐射技术的研究及其应用，包括煤岩受载产生的电磁辐射与应力和变形破裂程度的关系、电磁辐射的原理等研究，以及电磁辐射技术在煤岩冲击地压灾害预测方面的研究和应用。关键词:煤岩；电磁辐射技术；冲击地压；应用中图分类号:TD324文献标识码:A文章编号:1008-8725（2011）09-0203-02

ResearchandApplianceofTechniqueofCoalRockElectromagneticRadiationCHENYa-yun,ZHOUZhen-jun（CollegeofSunyueqi,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China）Abstract:Electromagneticradiationhappenswhenstressisre-distributed,deformedorbrokenandthencomestoanewbalanceafterthecoalrocksareextracted.Thisarticlemainlydealswiththeresearchandapplianceofthetechniqueofcoalrockelectromagneticradiation.Itincludesthereasearchoftheelectromagneticradiationreducedbythestressedcoalrocksandithassome－thingtodowiththerelationshipbetweenthestressandtheextentofthedeformingandbreak－ing.Itdealswiththetheoryofelectromagneticradiation.Alsoitdealswiththeresearchandap－plianceofthetechniqueofelectromagneticradiationinthedisasterpredictionofrockburst.Keywords:coalrocks;techniqueofcoalrockelectromagneticradiation;rockburst;appliance

收稿日期:2010-12-29;修订日期:2011-05-13作者简介:陈亚运（1990-），男，江苏盐城人，中国矿业大学学生。

陈亚运，周桢钧0引言随着采掘深度的加大和采掘速度的不断提高，煤岩灾害动力现象呈现增加的趋势，由此预测预报的重要性凸显。电磁辐射是在20世纪90年代末发展起来的预测、预报冲击地压危险的技术，目前只有俄罗斯和中国（中国矿业大学）在进行这方面的研究工作[1-4]。电磁辐射法预测冲击地压等灾害动力现象

的优点是综合反映了煤与瓦斯突出等煤岩灾害动力现象，可真正实现非接触预测。

1煤岩电磁辐射机理煤岩电磁辐射实验系统包括加载及载荷-位移记录系统、声电信号数据采集系统和电磁屏蔽系统3个部分，实验系统示意图见图1。煤岩材料的破裂一般呈拉伸或剪切形式。煤岩体在裂纹扩展时，处于裂隙尖端表面区域在应力诱导极化作用下积聚大量正负电荷，裂隙尖端表面区域的扩展运动、电荷的迁移过程以及破坏停止后正负电荷的快速综合过程均会伴随电磁辐射效应。煤岩剪切摩擦过程同样也会伴随电磁辐射效应。因此，承载煤岩在非均匀应力作用下的变形及破裂过程必然伴随着电磁辐射效应[1-4]。

图2为某矿煤层试样单轴压裂破坏过程中电磁辐射的试验结果，其中图(a)为载荷-时间曲线，图(b)为EME脉冲数-时间曲线。在110s~140s之间，煤试样发生破坏如图2（a），电磁辐射脉冲突然增加，明显变化如图2（b）。

2电磁辐射技术的应用2.1预测煤岩动力灾害大量的实验观测证明煤岩体变形破裂过程中能

（中国矿业大学孙越崎学院，江苏徐州221116）技术交流!!!!"!"

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第30卷第9期2011年9期煤炭技术CoalTechnologyVol.30,No.09September,2011

图1电磁辐射实验系统示意图1.MTS815伺服试验机2.绝缘垫块3.电磁天线4.煤岩试样5.声发射传感器6.电磁屏蔽网煤炭技术第30卷·204·够产生电磁辐射，且电磁辐射与载荷以及煤体的变形破裂呈正相关系，载荷越大，煤岩体的变形破裂过程越强烈，电磁辐射也越强，反之亦然。电磁辐射技术现已成功应用于预测煤与瓦斯突出、冲击地压等煤岩动力灾害。当电磁辐射数据超过临界值时，认为有动力灾害危险，并在此基础上分析电磁辐射变化情况。当电磁辐射强度或脉冲数明显增强且变化较快，表明有动力灾害危险，应立即采取解危措施。因此，采用临界值法的电磁辐射预警和预测煤岩动力灾害在理论上是可靠的，技术上是可行的，有望得到进一步的推广。2.2监测预报矿山采空区顶板稳定性回采工作面投产后,要经历直接顶的初次垮落、老顶的初次来压和周期来压过程。而在工作面顶板的来压期间,顶板运动剧烈，易发生顶板事故，因此对采面顶板要进行动态监测。由于煤岩电磁辐射法可以进行非接触、定向及区域性测试,且测试结果反映的是测试区域范围内的总体情况，再加上操作简便，既可进行实时监测，也可进行移动式测试，便于煤矿推广使用，再者在进行短期临时性检测时优势明显，为矿山顶板稳定性监测提供一种新的手段和方法。研究结果表明，在矿山采掘过程中，采面的老顶岩层容易出现周期性的断裂破坏和运动，导致顶板岩层应力和支承压力等局部矿山压力分布的变化，从而工作面前方煤体的应力状态也随着老顶岩层的周期性断裂而发生周期性的变化，产生变形或破裂，进而产生电磁辐射。顶板垮落前电磁辐射会异常增大或呈现增长趋势，具体表现为采空区顶板垮落前垮落区附近电磁辐射强度和脉冲数（EME）异常增大或呈逐渐增强的趋势，或工作面支撑压力带处的电磁辐射增强，这2种情况不一定同时出现，但其共同特征是异常电磁辐射信号值均超过正常值的1倍以上，顶板垮落后的电磁辐射值又会显著降低。在矿山采掘过程中，伴随顶板活动会产生明显的电磁辐射信号，会异常增大或呈现增长趋势，用电磁辐射法监测预报顶板垮落是可行的，提出的电磁辐射法监测预警顶板垮落的技术方法是可靠的。2.3电磁辐射法与顶板来压法结合预测煤岩冲击危险性鉴于煤矿的顶板来压和冲击矿压监测情况，国内有关学者还做了有关电磁辐射与顶板来压对应关系的研究，普遍认为采用电磁辐射法配合顶板来压分析法，可以更容易的掌握煤岩冲击危险性的动态变化情况，使煤岩冲击危险性监测、预测预报准确性得到进一步提高。研究表明，顶板的破坏具有这样的规律，即随着采面的推进,老顶岩层的跨距逐渐增加,其中的应力也逐渐增加。当老顶岩层内的应力超过岩层能承受的极限强度时，就会发生断裂破坏。如图3所示,在四边固支的情况下，老顶岩层首先会在长边的中心部位形成断裂，而后在短边的中央形成裂缝，继而到四周裂缝贯通呈“O”形后，板中央超过极限强度，进

而形成“X”型破坏。在老顶初次破断后，随着采面的推进,将发生周期性的断裂。实践中发现，采场前方的电磁辐射信号会随着采面的推进呈周期性起伏变化，变化的周期与初次来压和周期来压的步距相对应。顶板来压期间，尤其是初次来压，电磁辐射信号会明显升高。也就是说，在顶板来压期间，工作面前方煤体具有的冲击危险性会显著升高[5]。

3电磁辐射法技术的应用前景目前，电磁辐射技术除了广泛应用于监测煤与瓦斯突出、冲击地压等矿山煤岩动力灾害和监测顶板来压及顶板事故外，还在露天矿边坡滑移、地表沉陷、超前探测地质构造中得到了大量的使用[6]。不仅

如此，随着电磁辐射技术的进一步发展，煤岩电磁辐射技术的应用领域将进一步拓宽。如今，电磁辐射技术在岩石混凝土结构稳定性的监测方面也得到了广泛的应用，例如在无损检测、监测地质滑坡、评估大坝、隧道、建筑等方面。

4结论（1）煤岩体在载荷作用下的变形及破裂过程中有电磁辐射信号产生。电磁辐射与煤岩体的载荷及变形破裂过程密切相关，基本上随着载荷及变形破裂强度的增大而增强。（2）电磁辐射监测技术能够有效预测矿井煤岩动力灾害现象。电磁辐射技术对冲击矿压的危险性评价及预测预报方面的成效显著。如果电磁辐射监测配合其它监测方法一起使用，可以更进一步提高工作面冲击危险的预测预报准确程度。（3）电磁辐射凭借非接触，误差小，检测的可控性等优点，其应用领域将更加广泛，对生产生活的影响将更加深入。参考文献：[1]窦林名，何学秋.由煤岩变化破坏引起的电磁辐射[J].清华大学学报,2001，41(12):86-88.[2]窦林名，何学秋.冲击矿压防治理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社,2001.[3]窦林名，何学秋.采矿地球物理学[M]北京:中国科学文化出版社,2002.[4]王恩元，何学秋.煤岩变形破坏电磁辐射的实验研究[J].地球物理学报，2000,43(1):131-137.[5]牟宗龙,窦林名,王绪胜,等.巩思园冲击矿压防治实践中电磁辐射与顶板来压的对应关系[J].煤炭工程,2009（3）：81-84.[6]王恩元，何学秋，刘贞堂.煤岩电磁辐射特性及其应用研究进展[J].自然科学进展,2006,16(5):532-536.（责任编辑张欣）

图3老顶岩层的“O-X”型破断规律(a)长边中部断裂;(b)短边中部断裂;(c)OX破断;(d)周期性断裂