冲击矿压危险预测的电磁辐射原理
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摘 要 由于煤岩冲击破裂过程中 ,裂缝的形成和颗粒的摩擦会产生电磁辐射 ,因此 ,可采用电磁辐射技术来预测煤 矿的冲击矿压危险. 研究表明 ,电磁辐射基本上随着加载及变形速率的增加而增强 ;在发生冲击性破坏以前 ,电磁辐 射强度一般在某个值以下 ,而在冲击破坏时 ,电磁辐射强度突然增加 ;煤体应力越大 ,变形破裂越强烈 ,电磁辐射信号 也越强. 煤岩变形破坏的弹塑脆性模型分析表明 ,煤岩体的损伤速度与电磁辐射脉冲数 、声发射事件数成正比 ,与瞬 间释放的能量 、变形速度成正比. 对具有强冲击危险工作面进行的研究表明 ,电磁辐射完全可以预测煤矿冲击矿压危 险 ,检验卸压爆破效果 ,而且准确率高 ,效果明显. 关键词 电磁辐射 ,规律 ,冲击矿压 ,预测 中图分类号 P631 文献标识码 A 文章编号 100422903 (2005) 0220427205
图 1 为某矿具有强烈冲击倾向性的煤层试样冲 击破坏过程中电磁辐射的试验结果. 其中图 a) 为荷
载2时间曲线 ,图 b) 为电磁辐射幅值2时间曲线. 试验 用的煤岩试样是从原煤岩中直接钻取 50 ×100 mm 的原煤试样. 试验系统由加载系统 、电磁辐射宽频带 接收天线和声发射传感器 、电磁辐射和声发射信号 数据采集系统 、载荷和位移记录系统及电磁屏蔽系 统等组成.
0 引 言
冲击矿压作为矿山震动的一种表现形式 ,对矿 山井下巷道和工作面 、井下工作的矿工以及对地表 及其建筑物将造成严重的影响. 在采矿巷道中发生 震动和冲击矿压 ,将会造成巷道 、工作面的破坏 ,人 员的伤亡 ,其主要原因是地震波传播过程中动载荷 脉冲的冲击 ,使煤层垮落 ,动力抛出煤岩体. 在较大 能量的震动和冲击矿压发生时 ,地表产生振动 ,使建 筑物产生裂缝甚至倒塌[1 ] .
2 冲击矿压预测的电磁辐射原理
2. 1 冲击矿压发生过程 任何动力现象都有其孕育 、发生 、发展和结束的
过程 ,冲击矿压也不例外. 失稳理论认为 ,煤岩变形 系统平衡状态的稳定性质是冲击矿压发生与否的先 决条件[7] . 采掘造成应力集中 ,部分煤岩体进入极限 强度 ,表现出应变软化性质 ,而其周围煤岩体因尚未 进入极限强度 ,从而不具有应变软件性质. 这就导致 原来的煤岩系统变成由两种不同性质介质组成的新 系统. 当系统处于非稳定状态时 ,在外界扰动下将发 生失稳破坏. 当失稳过程中系统释放的能量大于消 耗的能量时 ,多余的能量转化为动能而引起冲击矿 压. 2. 2 煤岩变形破坏的电磁辐射机理
(a) 载荷 —时间关系图
(b) EME 幅值 —时间关系图 图 1 煤样的受压电磁辐射试验结果 Fig. 1 Elect ro magnetic emissions of coal specimens
during a loading test
由上述试验结果可得出如下结论 :煤体在载荷 作用下变形及破裂过程中会产生电磁辐射信号. 电 磁辐射基本上随着加载及变形速率的增加而增强. 从煤试样的变形破坏试验结果来看 ,煤试样在发生 冲击性破坏以前 ,电磁辐射强度一般在某个值以下 , 而在冲击破坏时 ,电磁辐射强度突然增加. 2. 3 冲击矿压危险预测的电磁辐射原理
掘进或回采过程中 ,围岩原有力学平衡状态被 打破 ,应力重新分配 ,围岩体向新的平衡状态转化. 转化期间煤体必然要发生变形或破裂 ,从而引起电 磁辐射.
电磁辐射强度与煤的应力状态有关 ,在煤体松 驰区域 ,应力较低 ,电磁辐射信号较弱 ,且变化较小 ; 在应力集中区 ,煤体的变形破裂过程较强烈 ,电磁辐 射信号较强 ,频率较高. 煤体的应力集中程度越高 ,
(脉冲数) 也产生相应的增量. 如果 N 表示这些事件
的总和 , 即在 t2 > t1 时刻
∑ D ( t2 ) - D ( t1 ) = ΔDi = C ·N
(1)
当Δt →0 时有
第 2 0 卷 第 2 期 2005 年 6 月 (页码 :427～431)
地 球 物 理 学 进 展 PRO GR ESS IN GEO P H YSICS
Vol. 20 No . 2 J une 2005
冲击矿压危险预测的电磁辐射原理
窦林名 , 何学秋
(中国矿wenku.baidu.com大学 ,徐州 221008)
Abstract The Elect romagnetic Emission ( EM E) will be formed because of t he formation of cracks and t he f riction between granules during rock and coal’s burst failure. So , EM E can be applied to forecast t he rock burst in coal mine. St udies show t hat EM E usually becomes st ronger wit h t he increase of load and t he rate of deformatio n. EM E ampli2 t ude is usually below a certain value before t he burst failure , while it suddenly increases during t he burst failure of t he loaded coal specimen. The analysis of elasticity , plasticity , and brittleness model shows t hat t he damage speed of coal and rock is in direct p roportion to t he EM E imp ulse , t he number of acoustic emissio n (A E) , t he instant released ener2 gy , and t he defo rmation speed. Acco rding to t he st udy of t he working face wit h a st ro ng p robability of rock burst , t he EM E can be used to fo recast t he rock burst and to check t he effect of unloading blasting in coal mine. Keywords Elect romagnetic emissio n , rules , rock burst , fo recasting
煤岩材料的破裂一般呈张拉或剪切形式. 煤岩 体的裂纹扩展时 ,处于裂纹尖端表面区域中在应力 诱导极化作用下积聚大量正负电荷 ,裂纹尖端表面 区域的扩展运动 、电荷的迁移过程以及破坏停止后 正负电荷的快速中和过程均会伴随电磁辐射效应. 煤岩剪切摩擦过程微观上是破坏过程 ,同样也会伴 随电磁辐射效应. 因此 ,承载煤岩在微观上非均匀应 力作用下的变形及破裂过程必然伴随着电磁辐射效 应. 煤体中应力越高 ,变形破裂过程越强烈 ,电磁辐 射信号越强 ,其主频带也越高[2 ,7 ] .
mail :lmdou @cumt . edu. cn)
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
428
地 球 物 理 学 进 展
20 卷
价 ,为采取相应的治理措施打下基础. 目前这些方法 主要以接触式方法为主 ,而且预报的准确率在各种 因素影响下 ,近期还很难提高. 例如 ,应用较广泛的 声发射预测法虽然能够连续监测采掘工作面空间的 煤岩体活动 ,但是所使用的声发射监测探头需要和 煤岩体耦合 ,容易受周围噪音的干扰 ,这些问题给预 测带来了误差. 近年来 , 中国矿业大学和俄罗斯学 者研究了煤岩体变形破坏过程中产生的电磁辐射现 象[1 —12 ] ,为冲击地压灾害动力现象的预测提供了一 种新的方法. 研究表明 ,在煤岩受压破裂过程中会产 生电磁辐射 ,这一信息能综合反映煤岩灾害动力现 象[1 , 3 , 7 , 11 , 12] . 所以 ,电磁辐射法是预测冲击矿压危 险性的一种很有发展前途的采矿地球物理方法. 本 文根据煤岩破坏过程中所伴随的电磁辐射效应规律 的研究成果 ,提出用非接触电磁辐射监测冲击矿压 灾害危险的技术原理和基本准则 ,并进行工程实践 验证.
冲击矿压是一种较为典型的矿山灾害动力现 象 ,其发生的突然性和剧烈的破坏特征对矿山安全 构成很大的威胁. 特别是随着煤矿开采深度每年以 10m 的速度增加 ,冲击矿压问题越来越突出. 我国 的徐州 、大同 、抚顺等矿务局都面临冲击矿压的威 胁.
在冲击矿压的危险性评价及预测预报方面 ,世 界各国采用了各种综合评价方法 ,其中包括分析认 识法 ,地震法 ,声发射法 ,以及小直径钻孔法[1] . 这些 方法在可能发生冲击矿压的地点进行危险性预报评
伴随着这种现象 ,将会有电磁辐射产生. 岩体内积累
的应力越大 ,岩体变形破裂过程越强烈 ,电磁辐射强
度越大 ,电磁辐射的脉冲数也越多.
一般情况下 ,岩石的损伤因子 D ( t) 的增长过
程可以与声发射和电磁辐射的能量释放紧密相关.
损伤速度
·
D(
t)
在某些情
况下不
是
一个光滑
的函
数. 当损伤因子 D ( t) 上升 ΔD 时 , 电磁辐射的事件
Monitoring rock burst by electromagnetic emission
DOU Lin2ming , H E Xue2qiu
( S chool of ener g y an d saf et y en gi neeri ng , Chi na Uni versit y of M i ni n g and Technolog y , X uz hou 221008 , Chi na)
收稿日期 2004205225 ; 修回日期 2004209230. 基金项目 国家自然科学基金资助项目 (50074030 , 50174055 ,59925411) ,国家自然科学基金重点资助项目 (50134040) ;教育部博士点基金
项目 (20030290017) . 作者简介 窦林名 (1963 - ) ,男 ,博士后 ,中国矿业大学教授 ,博士生导师 ,从事矿山压力 、冲击矿压 、采矿地球物理等方面的研究工作. ( E2
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
2期
窦林名 ,等 :冲击矿压危险预测的电磁辐射原理
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发生冲击矿压的危险性就越大. 因此通过监测煤体 的电磁辐射信号强弱及其变化可以预测煤体的冲击 危险程度. 对煤体采用非接触方式监测的信号是松 驰区和应力集中区产生的电磁辐射信号的总体反 映. 当监测范围内出现高应力集中区时 ,接受的信号 表现出高应力集中区的特征. 因此可以通过监测煤 体的电磁辐射信号来预测监测范围内高应力集中区 的范围及大小 , 从而实现煤体冲击矿压的监测预 报 . [ 2 , 4 , 12 ]
3 煤岩冲击破坏的电磁辐射判据
3. 1 煤岩的损伤与电磁辐射的耦合规律
研究表明 :煤岩等材料在载荷作用下 ,内部将产
生塑性变形或裂纹 ,当裂纹形成和扩展时 ,将瞬态释
放应变能而产生弹性波. 伴随着这种现象 ,将会有声
发射产生[4 ] .
与声发射现象类似 ,当煤岩等材料受力发生变
形破裂时 ,也会产生以电磁能形式释放能量的现象.
图 1 为某矿具有强烈冲击倾向性的煤层试样冲 击破坏过程中电磁辐射的试验结果. 其中图 a) 为荷
载2时间曲线 ,图 b) 为电磁辐射幅值2时间曲线. 试验 用的煤岩试样是从原煤岩中直接钻取 50 ×100 mm 的原煤试样. 试验系统由加载系统 、电磁辐射宽频带 接收天线和声发射传感器 、电磁辐射和声发射信号 数据采集系统 、载荷和位移记录系统及电磁屏蔽系 统等组成.
0 引 言
冲击矿压作为矿山震动的一种表现形式 ,对矿 山井下巷道和工作面 、井下工作的矿工以及对地表 及其建筑物将造成严重的影响. 在采矿巷道中发生 震动和冲击矿压 ,将会造成巷道 、工作面的破坏 ,人 员的伤亡 ,其主要原因是地震波传播过程中动载荷 脉冲的冲击 ,使煤层垮落 ,动力抛出煤岩体. 在较大 能量的震动和冲击矿压发生时 ,地表产生振动 ,使建 筑物产生裂缝甚至倒塌[1 ] .
2 冲击矿压预测的电磁辐射原理
2. 1 冲击矿压发生过程 任何动力现象都有其孕育 、发生 、发展和结束的
过程 ,冲击矿压也不例外. 失稳理论认为 ,煤岩变形 系统平衡状态的稳定性质是冲击矿压发生与否的先 决条件[7] . 采掘造成应力集中 ,部分煤岩体进入极限 强度 ,表现出应变软化性质 ,而其周围煤岩体因尚未 进入极限强度 ,从而不具有应变软件性质. 这就导致 原来的煤岩系统变成由两种不同性质介质组成的新 系统. 当系统处于非稳定状态时 ,在外界扰动下将发 生失稳破坏. 当失稳过程中系统释放的能量大于消 耗的能量时 ,多余的能量转化为动能而引起冲击矿 压. 2. 2 煤岩变形破坏的电磁辐射机理
(a) 载荷 —时间关系图
(b) EME 幅值 —时间关系图 图 1 煤样的受压电磁辐射试验结果 Fig. 1 Elect ro magnetic emissions of coal specimens
during a loading test
由上述试验结果可得出如下结论 :煤体在载荷 作用下变形及破裂过程中会产生电磁辐射信号. 电 磁辐射基本上随着加载及变形速率的增加而增强. 从煤试样的变形破坏试验结果来看 ,煤试样在发生 冲击性破坏以前 ,电磁辐射强度一般在某个值以下 , 而在冲击破坏时 ,电磁辐射强度突然增加. 2. 3 冲击矿压危险预测的电磁辐射原理
掘进或回采过程中 ,围岩原有力学平衡状态被 打破 ,应力重新分配 ,围岩体向新的平衡状态转化. 转化期间煤体必然要发生变形或破裂 ,从而引起电 磁辐射.
电磁辐射强度与煤的应力状态有关 ,在煤体松 驰区域 ,应力较低 ,电磁辐射信号较弱 ,且变化较小 ; 在应力集中区 ,煤体的变形破裂过程较强烈 ,电磁辐 射信号较强 ,频率较高. 煤体的应力集中程度越高 ,
(脉冲数) 也产生相应的增量. 如果 N 表示这些事件
的总和 , 即在 t2 > t1 时刻
∑ D ( t2 ) - D ( t1 ) = ΔDi = C ·N
(1)
当Δt →0 时有
第 2 0 卷 第 2 期 2005 年 6 月 (页码 :427～431)
地 球 物 理 学 进 展 PRO GR ESS IN GEO P H YSICS
Vol. 20 No . 2 J une 2005
冲击矿压危险预测的电磁辐射原理
窦林名 , 何学秋
(中国矿wenku.baidu.com大学 ,徐州 221008)
Abstract The Elect romagnetic Emission ( EM E) will be formed because of t he formation of cracks and t he f riction between granules during rock and coal’s burst failure. So , EM E can be applied to forecast t he rock burst in coal mine. St udies show t hat EM E usually becomes st ronger wit h t he increase of load and t he rate of deformatio n. EM E ampli2 t ude is usually below a certain value before t he burst failure , while it suddenly increases during t he burst failure of t he loaded coal specimen. The analysis of elasticity , plasticity , and brittleness model shows t hat t he damage speed of coal and rock is in direct p roportion to t he EM E imp ulse , t he number of acoustic emissio n (A E) , t he instant released ener2 gy , and t he defo rmation speed. Acco rding to t he st udy of t he working face wit h a st ro ng p robability of rock burst , t he EM E can be used to fo recast t he rock burst and to check t he effect of unloading blasting in coal mine. Keywords Elect romagnetic emissio n , rules , rock burst , fo recasting
煤岩材料的破裂一般呈张拉或剪切形式. 煤岩 体的裂纹扩展时 ,处于裂纹尖端表面区域中在应力 诱导极化作用下积聚大量正负电荷 ,裂纹尖端表面 区域的扩展运动 、电荷的迁移过程以及破坏停止后 正负电荷的快速中和过程均会伴随电磁辐射效应. 煤岩剪切摩擦过程微观上是破坏过程 ,同样也会伴 随电磁辐射效应. 因此 ,承载煤岩在微观上非均匀应 力作用下的变形及破裂过程必然伴随着电磁辐射效 应. 煤体中应力越高 ,变形破裂过程越强烈 ,电磁辐 射信号越强 ,其主频带也越高[2 ,7 ] .
mail :lmdou @cumt . edu. cn)
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
428
地 球 物 理 学 进 展
20 卷
价 ,为采取相应的治理措施打下基础. 目前这些方法 主要以接触式方法为主 ,而且预报的准确率在各种 因素影响下 ,近期还很难提高. 例如 ,应用较广泛的 声发射预测法虽然能够连续监测采掘工作面空间的 煤岩体活动 ,但是所使用的声发射监测探头需要和 煤岩体耦合 ,容易受周围噪音的干扰 ,这些问题给预 测带来了误差. 近年来 , 中国矿业大学和俄罗斯学 者研究了煤岩体变形破坏过程中产生的电磁辐射现 象[1 —12 ] ,为冲击地压灾害动力现象的预测提供了一 种新的方法. 研究表明 ,在煤岩受压破裂过程中会产 生电磁辐射 ,这一信息能综合反映煤岩灾害动力现 象[1 , 3 , 7 , 11 , 12] . 所以 ,电磁辐射法是预测冲击矿压危 险性的一种很有发展前途的采矿地球物理方法. 本 文根据煤岩破坏过程中所伴随的电磁辐射效应规律 的研究成果 ,提出用非接触电磁辐射监测冲击矿压 灾害危险的技术原理和基本准则 ,并进行工程实践 验证.
冲击矿压是一种较为典型的矿山灾害动力现 象 ,其发生的突然性和剧烈的破坏特征对矿山安全 构成很大的威胁. 特别是随着煤矿开采深度每年以 10m 的速度增加 ,冲击矿压问题越来越突出. 我国 的徐州 、大同 、抚顺等矿务局都面临冲击矿压的威 胁.
在冲击矿压的危险性评价及预测预报方面 ,世 界各国采用了各种综合评价方法 ,其中包括分析认 识法 ,地震法 ,声发射法 ,以及小直径钻孔法[1] . 这些 方法在可能发生冲击矿压的地点进行危险性预报评
伴随着这种现象 ,将会有电磁辐射产生. 岩体内积累
的应力越大 ,岩体变形破裂过程越强烈 ,电磁辐射强
度越大 ,电磁辐射的脉冲数也越多.
一般情况下 ,岩石的损伤因子 D ( t) 的增长过
程可以与声发射和电磁辐射的能量释放紧密相关.
损伤速度
·
D(
t)
在某些情
况下不
是
一个光滑
的函
数. 当损伤因子 D ( t) 上升 ΔD 时 , 电磁辐射的事件
Monitoring rock burst by electromagnetic emission
DOU Lin2ming , H E Xue2qiu
( S chool of ener g y an d saf et y en gi neeri ng , Chi na Uni versit y of M i ni n g and Technolog y , X uz hou 221008 , Chi na)
收稿日期 2004205225 ; 修回日期 2004209230. 基金项目 国家自然科学基金资助项目 (50074030 , 50174055 ,59925411) ,国家自然科学基金重点资助项目 (50134040) ;教育部博士点基金
项目 (20030290017) . 作者简介 窦林名 (1963 - ) ,男 ,博士后 ,中国矿业大学教授 ,博士生导师 ,从事矿山压力 、冲击矿压 、采矿地球物理等方面的研究工作. ( E2
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
2期
窦林名 ,等 :冲击矿压危险预测的电磁辐射原理
429
发生冲击矿压的危险性就越大. 因此通过监测煤体 的电磁辐射信号强弱及其变化可以预测煤体的冲击 危险程度. 对煤体采用非接触方式监测的信号是松 驰区和应力集中区产生的电磁辐射信号的总体反 映. 当监测范围内出现高应力集中区时 ,接受的信号 表现出高应力集中区的特征. 因此可以通过监测煤 体的电磁辐射信号来预测监测范围内高应力集中区 的范围及大小 , 从而实现煤体冲击矿压的监测预 报 . [ 2 , 4 , 12 ]
3 煤岩冲击破坏的电磁辐射判据
3. 1 煤岩的损伤与电磁辐射的耦合规律
研究表明 :煤岩等材料在载荷作用下 ,内部将产
生塑性变形或裂纹 ,当裂纹形成和扩展时 ,将瞬态释
放应变能而产生弹性波. 伴随着这种现象 ,将会有声
发射产生[4 ] .
与声发射现象类似 ,当煤岩等材料受力发生变
形破裂时 ,也会产生以电磁能形式释放能量的现象.