冲击矿压危险预测的电磁辐射原理 - 图文-.doc

第20卷 第2期 地 球 物 理 学 进 展 Vol.20 No.22005年6月页码427431 PRO GRESS IN GEOP H YSICS J une 2005 冲击矿压危险预测的电磁辐射原理 窦林名, 何学秋 中国矿业大学,徐州221008 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 1004229032005022******* Monitoring rock burst by electrom agnetic emission DOU Lin 2ming , H E Xue 2qiu School of energy and saf et y engineering ,China Uni versit y of Mining and Technolog y ,X uz hou 221008,China Abstract The Electromagnetic Emission EM E will be ed because of the ation of cracks and the f riction between granules during rock and coal ’s burst failure.So ,EM E can be applied to forecast the rock burst in coal mine.Studies show that EM E usually becomes stronger with the increase of load and the rate of deation.EM E ampli 2tude is usually below a certain value before the burst failure ,while it suddenly increases during the burst failure of the loaded coal specimen.The analysis of elasticity ,plasticity ,and brittleness model shows that the damage speed of coal and rock is in direct proportion to the EM E impulse ,the number of acoustic emission A E ,the instant released ener 2gy ,and the deation speed.According to the study of the working face with a strong probability of rock burst ,the EM E can be used to forecast the rock burst and to check the effect of unloading blasting in coal mine.K eyw ords Electromagnetic emission ,rules ,rock burst ,forecasting 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.E 2 mail lmdou 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]. 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 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[112],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. 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 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]. 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50100mm 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 . 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 Electromagnetic 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, 824 2期窦林名,等冲击矿压危险预测的电磁辐射原理 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.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 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t 2t 1时刻 D t 2-D t 1 ∑ ΔD i C ・N 1 当Δt →0时有 D ・t ∝n t 2 式中,n t 是t 时刻的电磁辐射脉冲数. 式2说明,如果破坏过程与电磁辐射脉冲数存 在对应关系,则损伤速度D ・ t 与煤岩的破坏程度电磁辐射脉冲数成正比. 如果电磁辐射事件与增量ΔD i 不完全对应,尽管D t 2-D t 1之差仍然等于增量ΔD i 之和,但ΔD i 之和与N 电磁辐射脉冲数不成正比.这时,可用应变能量来表示.应变能量的变化ΔW 可由下式来确定 ΔW σ・Δεσε2-ε1 3式中σ为煤岩体中的应力;Δ ε为煤岩体的应变增量;ε1、ε2分别为与时间t 1、 t 2对应的煤岩体的应变.设损坏因子D 与变形ε呈线性关系,即 εC 1D -C 0.4则 ΔW σ[C 1D 2-C 0-C 1D 1-C 0]5 由此,得ΔW 与ΔD 成正比,也即 D ・t ∝W ・ t ∝ε・. 6 即如果σ为常数,而且D ∝ ε,则在弹脆性场中出现破坏时,破坏速率表现在瞬间能量W t 的释放中.因此,岩石的破坏情况即可通过瞬间能量的释放,即产生的电磁辐射表现出来. 3.2 煤岩冲击破坏的电磁辐射判据 由上述分析可知,煤岩变形破坏的应变εt 或应变能W t 与电磁辐射的次数脉冲数成正比,所以,煤岩冲击破坏的声电判据可用表示为 0≤Z n t N t -N N c -N ≤1, 当N t ≥N 0. 7 式中N t 为t 时刻煤岩体的累计电磁脉冲次数, N c 为电磁脉冲次数临界值,N 0 为电磁脉冲次数初 始值. 4 冲击危险性的监测实践 4.1 试验工作面条件 电磁辐射监测预报实践在某矿7204高冲击危险工作面进行.7204工作面位于该井田的西翼,浅部为7202工作面,已于1996年元月回采完毕,深部为实体煤.西面为西一轨道下山及未采区,东面为设计边界.地面标高35.836.0m ,工作面标高为-707.5-830.9m.7204工作面材料道标高为-771.2m ,运输道标高为-825.5m.7204工作面走 向长475m ,倾斜长135142m ,回采具有强烈冲击倾向性的煤层,厚度为1.353.18m ,平均2.25m ,煤层倾角1938,平均29.煤层顶板直接 顶为中砂岩,厚11.8918.06m ,平均12.97m ,底板为粉砂岩,厚0.47.09m ,平均4.30m. 7204工作面开始回采后,曾先后发生了5次冲 击矿压.特别是第5次,曾造成了500m 巷道和工作面的破坏,工作面被迫停产.工作面恢复生产后,将原停采线向外28m 处的联络巷作为切眼,进行安装并回采.工作面采用炮采,单体液压支柱支护.4.2 试验工作面电磁辐射特征 观测结果表明,在采掘过程中和围岩发生破裂时,均有电磁辐射信号产生.电磁辐射信号随着围岩 9 24 地 球 物 理 学 进 展20卷 受力的增大而增强,而且还随变形速率的增加而增强.工作面不同部位电磁辐射值不同.正常情况下, 工作面及顺槽的电磁辐射幅值及脉冲数较小,变化不明显.顶板压力大及煤体冲击危险性高的区域,电磁辐射值高.在冲击矿压发生前,电磁辐射有明显反映,其幅值或脉冲数增长幅度较大.煤岩体电磁辐射的规律是,冲击矿压发生前的一段时间电磁辐射值较高,之后有一段时间相对较低,但这段时间内,电磁辐射值均接近或超过临界值,之后发生冲击矿压.也就是说,冲击矿压发生前的一段时间,电磁辐射连续增长或先增长后下降,然后又呈增长趋势,如图2所示 . 图2 冲击矿压前后电磁辐射值的变化规律 Fig.2 Variation process of electromagnetic emissions before and after the occurrence of rock burst 在冲击危险区域采用卸压爆破后,电磁辐射也有明显的变化.在卸压爆破前,若所测电磁辐射幅值高,说明煤岩体所受到的应力大,其中聚积有大量的弹性能.卸压爆破后,电磁辐射值有了明显的下降,说明应力有了降低,能量得到了释放;如果卸压爆破后电磁辐射值没有明显的变化,甚至有所上升,则说明煤岩体中的弹性能没有得到释放,而且应力更加集中,更容易发生冲击矿压,如图3所示.因此,采用电磁辐射监测配合其它监测方法可以大大提高工作面冲击危险预测预报的准确程度,并可检验卸压爆破防治措施的效果.3.4 预测效果分析 7204工作面从恢复生产以来,采面及巷道共发 生冲击矿压现象38次,其中34次为卸压爆破诱发,另外4次虽进行了卸压爆破,但由于爆破力度不够,在落煤时仍然诱发了冲击矿压现象.对于卸压爆破诱发冲击矿压和4次落煤诱发冲击矿压,均采用电磁辐射进行了提前预测预报.从电磁辐射预测的结果看,如果以发生冲击矿压现象为标准,则预测冲击矿压发生的准确率达89. 对另一矿的强冲击危险工作面34061工作面采用电磁辐射进行预测,结果表明,如果以观测到的强冲击矿压危险作为预测标准,则电磁辐射预测冲击矿压的准确率为73 . 图3 7204工作面卸压爆破前后电磁辐射的变化规律 Fig.3 Variation process of electromagnetic emissions before and after the unloading of 7204working face 4 结 语 4.1 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.4.2 实验结果表明,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,脉冲数随着载荷的增大及变形破裂程度的增强而增大.4.3 现场实践表明,在采掘过程中和围岩发生破裂时,均有电磁辐射信号产生.电磁辐射信号随着围岩受力的增大而增强,而且还随变形速率的增加而增强;冲击矿压发生前的一段时间,电磁辐射连续增长或先增长后下降,然后又呈增长趋势;卸压爆破后,电磁辐射值有明显的下降,说明应力有了降低,能量得到了释放.4.4 电磁辐射监测配合其它监测方法可以大大提高工作面冲击危险的预测预报准确程度,并可检验卸压爆破防治措施的效果.参 考 文 献References [1] 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. [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,2001,41128688. [3] 何学秋,刘明举.含瓦斯煤岩破坏电磁动力学[M ].徐州中 国矿业大学出版社,1995. [4] 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. 34 2期窦林名,等冲击矿压危险预测的电磁辐射原理 [5] Dou Linming,Xu Fangjun,Zhang Xiufeng.EME rockburst monitoring in Coal Mine Huafeng[A].International Scientific -Technical Symposium Rockburst2002Research and Preven2 tion Systems Proceedings[C].Ustron,Poland,2002,11,12- 15261267. [6] 何学秋.含瓦斯煤岩流变动力学[M].徐州中国矿业大学出 版社,1995. [7] 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,2000,431131137. [8] 钱书清,任克新,吕智.伴随岩石破裂的VL F、MF、HF和 V HF电磁辐射特性的实验研究[J].地震学报,1996,183 346351. [9] 郭自强,周大庄,施行觉,等.岩石破裂中的电子发射[J].地 球物理学报,1988,315566571. [10] 郭自强,郭子祺,钱书清,等.岩石破裂中的声电效应[J]. 地球物理学报,1999,4217483. [11] 窦林名.煤岩突变的声电效应规律及其应用研究[R].徐州 中国矿业大学,博士后研究报告,2001. [12] 窦林名,曹其伟,何学秋,王恩元.冲击矿压危险的电磁辐射 监测技术[J].矿山压力与顶板管理,2002,1948991,98. 欢迎订阅地球物理学进展ISSN100422903 CN11229822P 季 刊 2006年每期定价35元全年140元 地球物理学进展1986年创刊,由中国地球物理学会和中国科学院地质与地球物理研究所共同主办,是地球物理及相关学科的综合性学术期刊。国内外公开发行。地球物理学进展是中国科技核心 期刊,为中文核心期刊要目总览2004版、 中国科技论文与引文数据库CSTPC、 中国科学引文数 据库核心库等收录。本刊主要报道地球物理学及相关学科领域的最新研究成果和学科发展动态,探讨 我国地球物理学科的发展战略和发展趋势,主要刊载国内外未公开发表的有创新性或意义重大的研究 论文和综述文章。为国民经济建设和学科发展服务。本刊面向国内外各种行业特别是能源、矿产、地质、工程、交通、军事从事地球物理及相关领域工作的科研、生产、管理等方面人士和高等院校广大师生。 订购办法主要有两种 1向天津全国非邮发报刊联合征订服务部订阅 地 址 天津市大寺泉集北里别墅17号; 邮 编 300385 电 话 022-********,23962479; 传 真 022-******** E2mail http//www.L HZD.com; E2mail L HZDp 户 名 天津市河西区联合征订服务部 开户行 工商行天津市尖山分理处 银行帐号 0302060509104619603 2直接向本刊编辑部订阅邮局汇款和单位电汇两种方式 邮局汇款地址 北京市9825信箱地球物理学进展编辑部 电 话 010-********; 010-********; 010-******** 联系人 刘少华,肖台琴,徐雅玲,汪海英 E2mail ;;; ;; 134