组合煤岩冲击破坏电磁辐射规律研究.pdf

组合煤岩冲击破坏电磁辐射规律研究1窦林名，陆菜平，牟宗龙，张小涛，李志华 中国矿业大学能源与安全工程学院，教育部“矿山开采与安全”重点实验室，（221008） E-mail:lmdou@ 摘摘 要：要：大量理论研究和物理实验已经证实煤岩变形破裂过程中会产生宽频带的电磁辐射信号， 因此研究坚硬顶板—煤体—底板所构成的组合煤岩变形破裂电磁辐射规律对于预测预报煤岩动力灾害具有非常重要的意义采用 MTS 伺服加载以及 Disp-24 声电测试系统对组合煤岩变形破裂所产生的电磁辐射及声发射信号进行了测定， 试验和测试结果表明， 试样发生冲击破坏之前，电磁辐射强度呈小幅度上升波动，冲击破坏前兆会产生突变；而声发射信号计数率在试样冲击破坏时突然急剧增加并达到最大值，随后产生突降依此规律，可以对冲击矿压的危险性进行评价及预测预报 关键词：关键词：组合煤岩；冲击破坏；电磁辐射；规律 1. 引引 言言 煤岩电磁辐射是煤岩受载破裂过程中向外辐射电磁能的过程或现象 对岩石破裂电磁辐射的观测和研究是从地震工作者发现震前电磁异常后开始的 前苏联和中国在这方面开展研究较早， 日本和美国等国家也开展了这方面的研究工作。

近年来岩石破裂电磁辐射效应的研究， 无论是在理论研究方面， 还是在应用研究方面， 都取得了进展， 特别是在地震预报方面文[1-11]对载荷作用下纯煤、岩样的电磁辐射特性及规律进行了研究但各种煤岩动力灾害都是由于坚硬顶板—煤体—底板所构成的组合煤岩体能量聚集与耗散失去动态平衡而诱发的突变事件 因此， 研究组合煤岩试样变形破裂特别是发生冲击破坏前兆的电磁辐射特性及其规律对于预测预报煤岩动力灾害—冲击矿压具有非常重要的实践意义 2. 煤岩变形破坏电磁辐射信号煤岩变形破坏电磁辐射信号 试验研究表明，煤岩变形破裂时，将会产生电磁辐射现象[1]电磁辐射是煤体等非均质材料在受载情况下发生变形及破裂的结果， 是由煤体各部分的非均匀变速变形引起的电荷迁移和裂纹扩展过程中形成的带电粒子产生变速运动而形成的 某矿原煤的电磁辐射宽频带信号的波形如图 1 所示，采样速率为 2MHz，采样长度为10K 1 本课题得到教育部博士点基金项目（20030290017）；国家自然科学基金重大项目（50490273）；国家自然科学基金项目（50474068, 50074030）资助 - 1 - 图 1 某矿原煤电磁辐射宽频信号波形图 Fig.1 Waveform figure of wide frequent EME signal of coal。

3. 组合煤岩电磁辐射试验研究组合煤岩电磁辐射试验研究 把某天然状态下的煤样和岩样加工成直径 50mm，高度总和 100mm 的标准试样为了模拟某矿顶板、煤层以及底板的实际厚度之比，故其试样结构设为顶板岩样 50mm，煤样30mm，底板岩样 20mm，其中顶板岩样为坚硬中砂岩，底板岩样为粉细砂岩，煤样抗压强度 37.7MPa，冲击能指数 2.3，属于强冲击危险煤层通过组合煤岩试样的单轴循环加卸载抗压试验， 测定其变形破裂过程中的电磁辐射和声发射信号 加载装置采用高精度能控制加载速度及调节油压的 MTS815 伺服材料实验机测量系统采用 Disp-24 声电测试系统Channel：1 通道测定声发射，Channel：2 通道测定电磁辐射声发射和电磁辐射前放均为40dB，声发射探头中心频率为 7.5kHz，门槛值为 55dB；电磁辐射探头中心频率 20kHz，门槛值为 92dB采样速率均为 2000kHz，采样长度为 5K为了减少电磁干扰影响，采用了网格尺寸小于 0.5mm 的铜网作屏蔽系统实验时，将电磁辐射探头、声发射探头、伺服材料实验机压头等一起放入屏蔽系统内如图 2 所示 试验研究结果见图 3 所示。

其分别表示组合煤岩试样在载荷作用下变形破坏的载荷 P与时间 t 曲线、声发射计数率 N 以及电磁辐射强度 E 分布图试验研究结果表明： （1）组合煤岩样在载荷作用下变形及破裂过程中有电磁辐射及声发射信号产生 （2）在组合煤岩试样受载变形破裂过程的峰前阶段，电磁辐射及声发射基本上随着载荷的增大而增强第一次载荷最值点（115s 左右）电磁辐射及声发射信号均出现一次明显增加，第二次载荷最值点（230s 左右）电磁辐射及声发射信号亦如此 （3）组合煤岩试样在发生冲击性破坏以前，电磁辐射强度增幅与载荷增幅呈正相关关系，而在冲击破坏前兆，电磁辐射强度突然增加，随后发生突降（突变），声发射信号亦如此从试验的组合试样看，在发生冲击性破坏以前，电磁辐射强度一般在 265mV 左右，而在冲击破坏前兆， 电磁辐射强度最大达 350mV 冲击破坏后， 电磁辐射强度又突降为 220mV左右 （4）组合煤岩试样发生冲击破坏阶段的电磁辐射与声发射信号峰值位置出现的时间不同步，电磁辐射信号的最大值出现在试样变形破坏的峰后阶段（约为 250s），而声发射信号的最大值位置出现在组合煤岩试样的峰值强度处（约为 225s）且电磁辐射信号出现峰值时声发射信号相对较弱，而声发射信号出现峰值时电磁辐射信号相对较弱。

- 2 - P位移记录仪前 放前 放Disp-24声电系统1234561— 位移传感器；2—声发射探头；3—绝缘纸；4—电磁辐射探头；5—圆筒天线；6—屏蔽网罩 图2 实验系统 Fig.2 Experimental system 01020304050600306090120150180210240270300330360 时间，/s载荷，/kN图3 实验结果 Fig.3 Experimental results 4. 现场测试结果现场测试结果 某矿是一个典型的上覆煤柱影响下层开采煤层的强冲击危险矿井，其主采煤层为 7#和9#，顶底板特别坚硬，9 煤层经冲击倾向性鉴定属强冲击危险 现场采用 KBD5 电磁辐射监测仪进行测量图 4 为某工作面材料道进入煤柱区电磁辐射幅值监测结果 当掘进迎头进入煤柱区后， 于 10 月 20 日早班在迎头上帮出现电磁辐射幅- 3 - 值剧烈波动，最大值接近 280mV，经过卸压爆破诱发冲击后，其幅值下降到 170mV 左右；10 月 22 日早班掘进迎头下帮测点呈整体大幅度波动，此时，极有可能发生冲击矿压，当班实施了卸压爆破诱发一起冲击矿压，幅值下降到 170mV 左右，解除了冲击危险。

图 5 为掘进迎头后方 15 米右帮电磁辐射幅值监测结果 于 8 月 22 日夜班电磁辐射幅值急剧上升， 最大值接近 280mV，当班及时采取卸压爆破进行处理，解除了冲击危险试验研究和现场测试表明：采用电磁辐射方法完全可以对冲击矿压进行预测预报 150180210240270300E/mV10月19 10月20 10月21 10月22 10月23日期诱发冲击诱发冲击150180210240270300E/mV8月17 8月18 8月19 8月20 8月21 8月22日期诱发冲击图4 冲击前后电磁辐射强度变化规律 图5 冲击前后电磁辐射强度变化规律 Fig.4 The EME intensity-changing rule of rock burst Fig.5 The EME intensity-changing rule of rock burst 5. 结论结论 对组合煤岩试样变形、冲击破坏产生的电磁辐射及声发射现象的研究表明： （1） 组合煤岩体在载荷作用下， 产生变形、 冲击破坏时， 均有电磁辐射及声发射信号产生，信号强度对应其冲击倾向性，通过信号（幅值与脉冲数）的临界值评价煤体的冲击危险程度。

（2） 在组合煤岩试样受载变形破裂过程的峰前阶段， 电磁辐射及声发射信号基本上随着载荷的增大而增强，随着加载及变形速率的增加而增强 （3） 组合煤样试样在发生冲击性破坏以前，电磁辐射强度增幅与载荷增幅呈正相关关系，而在冲击破坏前兆，电磁辐射强度突然增加至最大值冲击破坏后，电磁辐射强度又突降为正常值 （4） 电磁辐射与声发射信号峰值位置出现的时间不同步， 电磁辐射信号的最大值出现在试样变形破坏的峰后阶段，而声发射信号的最大值位置出现试样的峰值强度处且电磁辐射信号出现峰值时声发射相对较弱，而声发射信号出现峰值时电磁辐射相对较弱 （5） 通过现场电磁辐射监测实例， 表明电磁辐射法是一种非常有效的预测预报冲击矿压及对其危险性进行评价的地球物理方法 参考文献参考文献 [1] B.H.G.布雷迪，E.T.布朗.地下采矿岩石力学.北京：煤炭工业出版社，1990 Brady,B.H.G., Brown,E.T(冯树仁译): Ground mining rock mechanics [M]. Beijing: Coal industry Press, 1990 [2] 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，Vol.41(12)，86-88 Dou Linming, He Xueqiu: Electromagnetic emission in rock and coal burst failures[J]: Journal of TsingHua University, Vol.41, No.12, 2001,86-88 - 4 - [3] 窦林名，何学秋.冲击矿压防治理论与技术.徐州：中国矿业大学出版社，2001 Dou Linming, He Xueqiu: Theory and Technology of Rock Burst Prevention[M]. Xu Zhou: CUMT Press, 2001.10 [4] 窦林名，何学秋.采矿地球物理学.北京：中国科学文化出版社，2002 Dou Linming, He Xueqiu: Mining geophysics[M].Bei Jing:China's science and culture publishing house,2002 [5] 窦林名，何烨，张卫东.孤岛工作面冲击矿压危险及其控制[J].岩石力学与工程学报，2003,22(11)： 1866-1869 Dou Linming, He Ye, Zhang Weidong. Hazards of rock burst in island coal face and its control[J]. Chnese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003,22(11): 1866-1869 [6] 王恩元，何学秋，刘贞堂.受载岩石电磁辐射特性及其应用研究[J].岩石力学与工程学报，2002,21(10)： 1473-1477 Wang Enyuan,He Xueqiu,Liu Zhengtang: Study on electromagnetic emission characteristics of loaded rock and its apllications[J]. Chnese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002,21(10): 1473-1477 [7] 陆菜平，窦林名.隧道围岩的损伤与声电监测[J].煤炭学报，2004，Vol.29（1），41-44 Lu Caiping ,Dou Linming: Damage and monitor。