煤岩电磁辐射监测装置研究.pdf

硕士学位论文 煤岩电磁辐．射监测装置研究 S t ．u ．d ．y ．．o n ．．E e ．c ．t r o ．m a g ．n ．e t i ．c ．．。．．R ．．a d ．．i a t i ．o n ．期旦姐S 皇．o Z C o ．．a ． - R o c k 作者姓名叶丹丹 指导教师汪玉凤教授 学科专业电力电子与电力传动 二0 一五年十二月 万方数据 分类号里 U DC6 2 1 ．3 硕士学位论文 煤岩电磁辐射监测装置的研究 S t u d yo nE l e c t r o m a g n e t i cR a d i a t i o nD e v i c eo fC o a l - R o c k 作者姓名叶丹丹 指导教师汪玉凤教授 申请学位工学硕士 学科专业电力电子与电力传动 研究方向电磁环境与科学 辽宁工程技术大学 万方数据 关于论文使用授权的说明 Y 3 4 6 9 2 21 I I H l l f I I I I I I I I I I I H I HU l 本学位论文作者及指导教师完全了解辽宝王程撞丕太堂有关保留、使 用学位论文的规定，同意适宝王程堇丕太堂保留并向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名 生盘塑导师签名主室鳖鼠 年月 日。切，夕年／ 月山日 万方数据 致谢 本文经过导师汪玉凤教授和副导师杨桢副教授认真细心的指引之下完成的。汪老师知 识渊博，对专业知识常有一些独到的见解，对我不懂的问题常常一语道破，不仅弄懂了问 题还会开阔了思考问题的思维方式。杨老师具有很强的事业心，并且有着丰富的实践经验， 还有他严谨的治学态度都令我心生崇敬，这种精神对我以后的不论是工作还是生活都将终 生受益。老师的这种思想推进着我在以后的工作中也要认真负责，努力进取。老师的丰富 的专业知识底蕴、认真负责的工作态度以及乐观向上的生活态度都潜移默化的影响着我， 这些也都是导师传授给我的最宝贵的财富。谨以此论文完成之际，对我敬爱的汪老师、杨 老师表达敬意和由衷的感谢。 感谢我的父母在我这么多年的学习期间对我的支持、关心和激励，家人是求学这些年 来不断努力前进过程中最大的动力，是他们的理解、关心以及鼓励不断给予我鼓励以及鞭 策，才使我能够专心学习、研究专业知识，并能够顺利完成学业。 感谢实验室师弟师妹们对我的帮助与关爱，以及在毕业设计时对我的大力帮助，在这 里表示诚挚的感谢。 感谢国家自然科学基金青年基金 5 1 2 0 4 0 8 7 的资助。 非常感谢引用文献作者以及能够在百忙之中空出宝贵时间对本文进行评审的各位专 家，并且由衷的希望能够得到各位专家、教授指导。 万方数据 摘要 煤岩动力灾害中受载煤岩破裂的电磁辐射信号的产生具有突发性和连续性、噪声频 带非常宽，并且是具有阵发性的脉冲信号。经大量实验证实，煤岩破裂时产生的电磁辐 射信号中低频较明显，目前主要采用宽频段接收电磁辐射信号来预测突出，常常会遭到 井下其他各种设备产生电磁信号干扰，而且在实际测量时，由于井下环境中背景噪声干 扰，这种情况往往会出现电磁辐射检测的不准确性。预测是否会发生煤矿灾害准确性和 可靠性不能很好满足现今煤矿生产的需求，因此能够对煤岩电磁辐射信号实现实时、精 确的测量的装置，并且能够准确地获取煤岩破裂的电磁辐射前兆信息，对于煤矿动力灾 害的预测预警来说是相当重要的。 本文研制基于D S P F P G A 煤岩电磁辐射实时检测系统。用F P G A 对采集的电磁辐射 信号进行F F T 算法实现，然后将数据传输给D S P 对信号脉冲数计数并应用C A N 总线与 井下各监测系统进行通信，将处理完信号通过上位机显示波形并将其存储。经过对系统 调试以及试验测试，验证了本系统能够对受载煤岩破裂产生的电磁辐射信号进行实时采 集及处理，经过处理的数据能够较准确的获取各频率的煤岩破裂前兆信息，本系统的研 制能够大大提高煤岩动力灾害预测预警的可靠性和准确性，具有良好的应用前景。 关键词电磁辐射；D S P F P G A ；监测系统；采集处理；F F T 变换 国家自然科学基金青年基金资助项目 5 1 2 0 4 0 8 7 万方数据 A b s t r a c t T h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o ns i g n a l sw h i c hi sc a u s e di nc o a l r o c kd y n a m i cd i s a s t e r sa le s u d d e na n dc o n t i n u i t y ，t h e i rn o i s ef r e q u e n c yb a n di sv e r yw i d ea n dp a r o x y s m a lp u l s es i g n a l ．T h e l a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o ns i g n a lg e n e r a t e db y c o a lr o c kf r a c t u r ei sm o r eo b v i o u s ，a n di ti sm a i n l yu s e dt op r e d i c tt h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n s i g n a l ．I ti se a s yt ob ei n t e r f e r e db yt h ee l e c t r o m a g n e t i cs i g n a la n dt h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c ei s n e a r ．I ti si m p o r t a n tt oa c h i e v er e a l - t i m ea n da c c u r a t em e a s u r e m e n to fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n s i g n a l so fc o a la n dr o c k ，S Ot h a ti tC a na c c u r a t e l yo b t a i nt h ei n f o r m a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o no fc o a lr o c kb u r s t ． Ar e a lt i m em o n i t o r i n gs y s t e mo fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o ns i g n a l so fc o a lb a s e do nD S P a n dF P G Ai sd e v e l o p e di n t h i sp a p e r ．F P G Aa l g o r i t h mf o rt h ea c q u i s i t i o no fe l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o ns i g n a lF F T a l g o r i t h m ，a n dt h e nt h ed a t ai st r a n s m i t t e dt ot h eD S Ps i g n a ld a t au s i n gf a s t i n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i s I C A a l g o r i t h mf o rd e n o i s i n gp r o c e s s i n g ，t h ep r o c e s s e dd a t a w i l lb ep r o c e s s e db yL a b V I E W ．T h es y s t e mc a nc o l l e c ta n dd e a lw i t ht h ee l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o ns i g n a lg e n e r a t e db yt h ec o a lb e a r i n gr o c ki nr e a lt i m e ．T h es y s t e mc a ni m p r o v et h e r e l i a b i l i t ya n da c c u r a c yo ft h es y s t e m ． K e yw o r d s e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n ；D S P F P G A ；M o n i t o r i n gs y s t e m ；C o l l e c t i o na n d p r o c e s s i n g ；F F Tt r a n s f o r m S u p p o r t e db yY o u t hf u n dp r o j e c to f n a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef u n d N O 5 1 2 0 4 0 8 7 ． - I I - 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 研究的目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 电磁辐射机理研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2 煤岩电磁辐射监测技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 1 ．3 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．4 研究技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．基于电磁辐射法的预报煤煤矿灾害的原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．1 煤岩受力破裂后的电磁辐射规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．2 煤岩破裂电磁辐射的传播⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．3 煤岩力电耦合模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．4 监测装置的指标测量原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．4 ．1 脉冲测量与计数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11 2 ．4 ．2 电磁辐射强度的测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 3 系统的硬件设计方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 3 ．1 系统设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 3 ．2 信号前置部分电路设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 3 ．2 ．1 天线电路设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 3 ．2 ．2A ／D 采样电路设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 3 ．2 ．3 信号放大电路设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．2 ．4 滤波电路设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 9 3 ．3D S P F P G A 的系统电路设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．4F P G A 模块电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．4 ．1 复位电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 3 ．4 ．2 系统控制模块的I P 核设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．5D S P 模块电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．5 ．1 电源电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．5 ．2 复位电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．5 ．3 时钟电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 ．I I I ． 万方数据 3 ．5 ．4R A M 和F L A S H 电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．5 ．5 调式电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．6C A N 通信电路设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．7 电路抗干扰的措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 4 ．基于F P G A 电磁辐射信号的F F T 算法实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 4 ．1F F T 算法原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．1 ．1 离散傅里叶变换简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 7 4 ．1 ．2 基．2 F F T 算法的基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 4 ．1 ．3 倒位序地址规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．2 模块功能及接口介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．2 ．1 蝶形运算单元⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．2 ．2 第一级数据处理模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．2 ．3 第二级到第十级数据处理模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3l 4 ．3F F T 实现总流程图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 4 ．3 ．2 蝶形运算单元流程图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 4 ．3 ．3 第一级数据处理模块流程图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．3 ．4 第二级至第八级数据处理模块流程图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 4 ．3 ．4 第二级至第八级数据处理模块流程图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 4 ．4 蝶形运算单元的仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 5 系统软件程序设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 5 ．1 程序总体流程图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 5 ．2F P G A 对外围电路控制的软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 5 ．3C A N 总线通信的软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 5 ．4 基于L a b V I E W 的上位机软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 5 ．4 ．1 在线监测界面的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 5 ．4 ．2 上位机L a b V I E W 的软件流程设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 5 ．4 ．3 系统测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 6 受载煤岩电磁辐射试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 3 6 ．1 试验设备及试样制作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 6 ．1 ．1 试验设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 6 ．1 ．2 试验试样及制备方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 4 6 ．2 试验方法及步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 6 ．3 试验结果及性能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 ．I 、，． 万方数据 6 ．4 电磁辐射相关性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．_ ．．．．．．o D 4 7 6 ．4 ．1 电磁辐射强度与脉冲数相关性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 7 6 ．4 ．2 电磁辐射信号强度与应力的相关性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 6 ．4 ．3 力电耦合模型的验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 ．1 研究的目的及意义 我国是采煤大国，煤炭在我们国家是必不可少的主要能源之一，有着不可或缺的地 位。与世界主要产煤国相比较，我国煤体与地质条件复杂多样，经常会发生瓦斯、项板、 煤与瓦斯突出、冲击地压等煤矿事故的严重危害。我国的煤矿开采事故的发生率与其他 国家相比高出了整整3 倍以上，造成大量的煤矿人员的伤亡。煤矿事故一直困扰着我们国 家，并且跟着开采深度的不停延深和采掘规模的不断扩大，煤矿的安全问题的形势愈加 的严峻。因此预报预警煤岩动力灾害的发生成为煤矿安全必不可少一个重要课题，根据 不同学科理论，从学科基础理论、技术和设备研制等方面研究煤矿事故的预测预警技术 具有相当重要的理论和应用意义。 煤岩动力灾害是一种相当复杂的动力现象之一，可以在非常短的时间之内，由煤岩 向外突然迸发出非常多瓦斯和碎煤岩，并且能够造成相应一些动力效应。对于动力灾害 主要有几种冲击地压和煤与瓦斯的突出。研究普遍观点是两者均为在煤岩体破裂造成 矿体本身和围岩构成变形力学系统平衡性被破坏后，产生出的能量高于耗散的能量，而 余下的能量就变换成能让煤岩体迸发、围岩发生振动的动能【3 】。许多学者经过煤岩压缩破 坏产生电磁辐射实验以及理论结合应用研究都表示，煤岩在受压缩直至破坏的过程中能 够产生出电磁辐射信号。现在，人们已经应用电磁辐射法来预测预警地震，并且很多学 者经过试验与理论结合研究也都表明电磁辐射法是一种非常卓越的预测预警方法【4 西】，具 有有效快捷，在很大程度上提高工作效率，而且一般不易受到人工或其他外部干扰以及 不影响生产情况的优点。采用电磁辐射这种方法预报预警发生煤岩灾害是一种非常卓越 方法，需要对煤岩在受力直至破坏过程中产生的电磁辐射进行检测，根据其特征从而获 取可能发生灾害的一些前兆信息，实现非接触预测预警煤矿灾害事故的发生。我国在煤 岩动力灾害的预测和防治理论与技术方面已经初步形成体系，但是仍然还有大量的基础 理论问题有待进一步研究。 现在根据电磁辐射的特征来预测动力灾害这种技术发展迅猛，经过试验证实，它的 强度及脉冲数这两种参数同煤岩受力破坏应力变化曲线大致上呈现正相关关系，同时这 两种参数还都会跟着载荷和形变破坏程度变大而增强。 在动力灾害发生之前，这时煤岩是在较高应力之下或者瓦斯压力是在较高压里的情 况下，这个阶段煤岩所产生电磁辐射比较大，或者说在其形变破坏期间载荷开始不断增 大，所产生电磁辐射也跟着慢慢变大，也就是说两者之间密切相关，当应力升高，煤岩 体的形变破坏愈加剧烈，电磁强度以及脉冲数跟着增强和变大，在这种情况下的冲击危 ．1 ． 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 险系数增加。强度和脉冲数完整的表示出煤体应力的变化幅度以及其动力灾害危险系数， 故而可以用电磁辐射监测技术进行煤岩体动力灾害的危险预测，所以能够准确实时检测 到电磁辐射信号成为煤矿安全一个非常重要研究课题。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 电磁辐射机理研究现状 研究者和很多的文献表明，在煤岩体发生错动摩擦直至达到其主应力破断的时候， 会产生大量的能量，而电磁辐射就是其中主要的能量之一，且电磁辐射的信号强度与煤 体破裂程度息息相关。学者们对陶瓷、玻璃、多种岩石裂隙扩大速率进行研究。S a v a g e 和姚孝新【卜5 】玻璃材料的破裂速度进行测量探究，获得结果是破裂速度的量级为1 0 3 m ／s 。 徐昭永和彭万里【7 】把大理石板作为研究对象在其受到压力破坏速度变化情况的试验，结果 表现为大理石破坏过程可以分成三个阶段，分别为开始发展段、缓慢发展段和极速破裂 段，在每个时期的速度都不相同，与裂纹的长度和所受的应力有关。在煤体破坏过程中， 电子在贴近原子核后同原子核库仑场互相影响，造成电子运动方向发生偏离状况，然后 速度突然迅速下降，此时其能量转变为辐射的形式。带电粒子的速度非常之快当要临近 光速C 时，由于轫致辐射造成其能量损失的大部分原因，破裂高速颗粒碰撞煤岩体裂隙壁 面产生韧致辐射。 何学秋和刘明举【6 培】详尽论述了煤岩体在受压力之下的加载过程中电偶极子的形成还 有其瞬变过程。他们认为，之所以会产生瞬变偶极子，是由于在煤岩体中产生的裂纹并 且它在不断的扩展过程中使得应力发生了突变。煤岩各向异性其材质非常的复杂，并且 其内部包含许多微宏观缺陷，由于它们的存在，让煤体主体部分实际接触面积很小，大 量应力在局部区域集中起来，各部分区的应力一应变分布非常不均匀。应变较高的区域 主要处于强度不相同颗粒之间边缘地带，裂隙的发展和破断大部分是沿着颗粒之间的边 缘地方发生。对于煤岩体颗粒之间是经由分子之间作用力也就是范德华力互为影响，它 含有极性分子之间取向作用力、极性和非极性分子之间的诱导力以及色散力。因为极性 分子偶极产生的电场能够对非极性分子造成一定影响，让非极性分子电子云发生形变， 结果让非极性分子的电子云和原子核造成位移偏移，然而最初的非极性分子中的正、负 电荷重心是重合的，发生偏移后将不能再重合，这种情况下让非极性分子产生了偶极。 在互相挨着的颗粒之间如果产生不匀称分布应力形变后，边界区域失去电平衡，导 致造成受拉伸区域蓄存自由电子，在这种状况下的颗粒内部蓄存一部分正电荷，这样形 成了一电偶极子，又因为煤体受到压力不平衡以及集中应变不停改变，颗粒之间远近程 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 度持续改变，导致电偶极子也一直改变，特别在裂隙受到拉伸情况下顺着它们之间边缘 面破裂的这一时刻，此时内部应力瞬间消失且应变忽然增大以及电偶极子出现瞬变情况， 向周围环境发射出电磁波。若是破坏过程相对来讲比较迟缓，由于摩擦一起电荷比较容 易退散，那么就仅仅能够生成感应场，并不需要向周围辐射出来，但在某个部分由于应 力集中而造成煤岩颗粒忽然发生错动、摩擦，那么偶电层将可能发生很大改变，就会生 成比较强的电磁辐射。从事实角度看偶电层辐射就是很多不同偶极子辐射累计叠加在一 起而形成。 煤岩在受载之下其形变破坏过程中偶电层就是跟着应力和应变进而产生改变，从而 交变偶电层能够向外部周围辐射出电磁波。上面所阐述破裂摩擦，电磁辐射大部分为相 对于变化的偶电层辐射而生成。对煤岩受压力下破坏的整个阶段因其裂隙发展扩大很迅 速且曲折，且其某种情况之下还能够产生分岔，这种状态造就了极子辐射。在裂隙扩大 一定程度导致煤体主体失去稳态后，裂隙边界面很快分开，因为旁边介质形成惯性能够 让系统得到动能。当荷载值不变前提之下煤岩体发生流变发生这样概率更高，并且它完 全破裂断之前，应力值会发生不能增大也是属于这个状况。 在煤岩受到压力比较高情况下，且它的值大于裂隙发展应力边界值，裂隙不间断发 展其尖部束缚电子能量增大，跨过势垒变成自由电子，或者是束缚电子根据隧道效应形 成电子，或是在它裂隙内有着很强电场，达到气体电离或者能够将场强击穿的情况会产 生电子，裂隙在比较高静电场影响之下，向周围环境辐射；除此之外，在材料为脆性试 样快要完全破裂的阶段，裂隙融合、扩展，同时在应力影响之下带有电荷煤岩碎渣将朝 周围蹦溅，这样的不匀速运动同样能够生成电磁波。 综合以上所阐述内容，煤岩受压力直至破裂，应力诱导电偶极子发生瞬变现象、裂 纹发展以及摩擦而形成分离电荷发生不匀速运动、粒子以非常快的速度碰到裂隙边界形 成韧致辐射这些现象累加在一起作用生成电磁辐射。多样辐射机理基于应力变化程度不 同情况对于总的电磁辐射作用也不尽相同，但是应力诱导发生瞬变为生成电磁辐射最主 要缘由。 1 ．2 ．2 煤岩电磁辐射监测技术研究现状 地震以及岩石在受压力到破坏整个阶段中发现了电磁辐射信号，开启了对煤岩体产 生电磁辐射对其监测这个技术的发展，随后学者们对破裂机理的研究还有将煤岩电磁辐 射监测技术对于实际现场应用的研究，使这种技术也在日渐成熟。从上个世纪5 0 年代开 始各国专家学者陆续发现岩石破裂过程中有电磁辐射能量异常现象。5 0 年代前苏联科学 家监测到了发生地震电磁能量异常现象；7 0 年代乌兹别克的研究人员发现震前电磁辐射 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 脉冲异常上升现象，萨多夫斯基测量到了天然电磁辐射的异常，俄罗斯的B o p 0 6 五e s [ 9 1 、 日本的M ．H a y a k a w a 通过实验室岩石压缩实验发现岩石微破裂过程中有甚低频电磁辐射产 生。V ．I ．F r i d 【lo 】等采用电磁辐射的脉冲数这个参数可以判定煤岩突出危险系数；我国学者 钱书【l o 】清等发现了岩石在其破断过程中能够发射电磁波，并采用试验验证了岩体在受压 导致完全破断时会辐射电磁波并且伴随有发光的现象，另外还有很多学者们发现了煤体 破断前后会有电磁辐射能量现象。各个国家专家学者主要通过实验室测量等工作意在得 出岩石破断产生电磁辐射机理。起初是N i t s o n 指出压电效应是其会有电磁辐射的原因， 但是山e B R O B 、徐为民、孙正江等的试验结果确得出了不同的结论，他们发现没有压电材 料的岩石在受到应力破坏时也会产生电磁辐射能量。 前苏联学者M ．B ．F o x 6 e p r 、H ．J I ．r y q b e a b z [ 1 1 】等认为在其破断过程中之所以会产生这种 现象，由于压电效应、摩擦起电还有一些其他力电与动电效应所致使结果，这些微小辐 射源累计叠加一起形成了电磁辐射，岩石在破裂时能够产生电磁辐射的原因是由于破裂 时产生的带电碎石片的运动而产生的M ．H ．M H p o m n n q e n K o 【l2 J 认为裂纹边缘自由电荷进 行不匀速运动导致生成电磁辐射，对认为材料破坏过程中产生了瞬态电信号。美国的 B ．T ．B r a d y 、G l e nA ．R o w e l l [ 1 3 】认为岩石断裂过程中外围电子高速运动产生了电磁辐射。 V ．V ．I v a n o v [ 1 4 】等提出了电磁辐射理论模型。王炽仑等表明岩石在压力下破坏成碎块的破 断面形成了电荷分开、聚合，引起了电荷不匀速运动，从而生成了电磁场。朱元清等构 造出了能够分析电磁辐射的模型；吴小平等测到了花岗岩在受压力作用下的微电流；熊 皓认为地震在孕育过程中机电转换机制可能由力电效应及动电效应等引起。王恩元对煤 岩在受压后破断过程能够生成电磁辐射静电场和脉冲波进行了探究。聂百胜等利用试验 方法对含有瓦斯的煤岩体的力电效应的规律进行了研究。电磁辐射这种技术用于地震、 岩体稳定性预报预警的应用领域已经获得了一些研究成果。H ．F ．X a M t t a m B r m H [ b J 对不同岩 石及煤岩复合岩层破坏时的电磁辐射进行了实验室测定。煤科总院重庆分院已经研制出 了M T T ．9 2 型煤与瓦斯的突出危险性探测仪；何学秋和王恩元通过研究含有瓦斯煤岩破断 产生电磁辐射信号特点信息，提出两个采用电磁辐射法预报突出监测指标。何学秋、刘 明举和刘贞堂等对通过模型巷道反复加卸载实验发现了煤岩在受压力形变破断产生电磁 辐射记忆效应。K u l a k o v ，G ．1 ．等研制出了电磁辐射探测仪来监测岩石受压力发生破坏的电 磁辐射。 电磁辐射频段是设计其天线的基础。对于它的频段范围，N i t s o n 、W a r w i c k 认为花岗 岩破断时产生1 “ 一7 M H z 的信号。Y a m a d a 等认为花岗岩破断中的电磁辐射的频段是0 ．5 ～ 1 ．0 M H z ，对于岩样在动态加载下的电磁辐射频率主要集中在4 - 5 K H z ，最高能达到2 0 K H z 。 O h t s u k i 等在解释地震中心产生的电磁辐射时估算的电磁波频率范围在1 0 K H z 一- , 1 0 0M H z 之间。朱元清等认为煤岩破坏的电磁辐射频率范围大概在1 ～1 ．5 M H z 之间。L i uY u Z h o u ．4 ． 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 等认为压电效应产生低频电磁信号，天然半导体效应产生中频信号，晶体破裂效应产生 高频电磁信号。钱书清等【16 】认为岩石破裂过程中会有V L F 2 0 H z - - “ 1 0 k H z 以及M F 、 H F 和以及V H F 不同波段的电磁辐射。聂百胜认为煤体破裂时产生的电磁信号的频带主 要集中在小于5 0 0 K H z 的低频段。 从上述目前研究成果可以得出，煤岩在破断这个阶段中产生的频带比较宽，而且有 着跳跃脉冲信号。但是对于井下实际环境电磁辐射，常常遭到其他多种设备电磁辐射干 扰，那么预报突出危险程度准确性并不能够满足现在煤矿正常生产的需求。形成突出所 产生电磁辐射机理的复杂多样性，以及低频段电磁波传播优点，可以尝试通过接收煤岩 电磁辐射较低的频率的电磁信号来提高预测的准确率，这就要求针对井下的实际环境从 提高煤岩电磁信号接收天线的性能入手，进一步结合生产工序对现场工作面电磁信号接 收天线的选择性和频点的尖锐性的研究有进一步的突破。 1 ．3 研究内容 由于煤矿井下现场存在大量的干扰源，且在煤岩动力灾害中受载煤岩破裂的电磁辐 射信号的产生具有突发性和连续性，研究基于D S P F P G A 构建电磁辐射的监测系统，并 且对其进行外围电路的设计，应用C A N 总线与井下组网的通信，实现煤岩电磁辐射采集、 处理、显示和储存，最后做试验测试。 具体的主要研究内容包括 1 对适合工作面的电磁辐射信号接收的点频磁棒天线和宽频环形线圈进行设计。 矿用电缆渗透至电缆周围空间，井下工作面采煤机和综掘机等一些其他设备开启会 产生突变磁场，电网电压波动均能够产生变化的电磁场对它周围电磁造成干扰，根据煤 岩动力灾害产生的电磁辐射理论研究可知，发生动力灾害煤岩所产生的电磁辐射频率主 要在在l k H z ．1 M H z 因而，设计采用高敏感度的较低频率磁棒天线作为电磁辐射接收天线， 接收效果比较理想。 2 设计基于D S P F P G A 的煤岩电磁辐射信号的数据采集及处理电路。 煤岩电磁辐射信号监测系统的核心由D S P F P G A 组成。另外还有一些辅助电路包括 宽频以及点频接收天线、A ／D 采样电路、放大电路、滤波电路、电源、F L A S H 存储、通 信等电路。 3 对基于L A B V I E W 平台电磁辐射监测系统的上位机的设计，并采用C A N 总线和 井下组网进行通信。 基于L A B V I E W 进行监测系统的上位机软件设计，使之能够与D S P 进行通信，然后将 接收的数据进行显示波形以及存储等功能。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ．4 研究技术路线 本系统是基于D S P F P G A 的多通道实时采集处理系统，完成对井下煤岩电磁辐射信 号的实时采集、处理和存储显示。用F P G A 对采集到的电磁辐射信号进行F F T 变换对其 分频，再将数据传送给D S P ，并采用C A N 总线通信与井下监测系统无缝连接。根据论文 的研究内容，对基于D S P 和F P G A 煤岩电磁辐射监测系统的硬件电路设计、硬件底层驱 动的设计和应用程序软件的设计及调试。然后对本系统进行系统测试，并做煤岩压缩直 至破裂的试验，用本系统监测实验过程中的电磁辐射信号的强度的变化特征。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 ．基于电磁辐射法的预报煤煤矿灾害的原理 2 ．1 煤岩受力破裂后的电磁辐射规律 很多专家学者研究成果表明，煤岩动力灾害是其对内外的物理化学和应力一起作用 状况下迅速破坏的结果导致，且为一种能量不停消散过程。这种状况下，煤体从周围环 境得到能量与地层两者的形成所储备到能量能够被用多种方式被消散，诸如弹性能、热 能、声能以及电磁能等，而且它本身实际就是一种能量消散形式，国内外大多数研究学 者对于突出原本就为一个耗散能量、破裂煤体的这种力学观点都是认同的。 经研究我们发现，煤质和类别不相同的煤体，比如来自不同地区的煤体，其中包括 原煤和型煤，在各种煤体破坏的过程中都会产生电磁辐射信号，只是其强度有所不同而 已。电磁辐射会在其破断的过程中，会跟着受载方式、载荷强度和压缩速度的增大而显 著增强，其脉冲数也会随载荷的增大而明显增大。电磁辐射在其应力影响下会发生不匀 速变形，这就使煤体形变破断中所形成带电粒子进行了非匀速运动，研究表明载荷强度 和加速度越大，煤体形变破断的程度会更加剧烈，从而使得电磁辐射就更强大。电磁辐 射脉冲数反映含瓦斯煤体形变及其破坏频次，而它的强度反映出了其在受压力发生形变 到破裂程度以及受载力度。 学者们对煤岩体受压力破坏做了大量的试验研究，得出了一些在其受力破断过程中 产生的电磁辐射的规律。普遍认为，在其压密阶段，在应力作用下煤体空隙减小质地变 密实，因此电磁辐射表现为存在但整体还较弱；在其弹性阶段，煤岩体内部的原生微裂 隙逐渐相互贯通并加宽，与此同时新生的裂隙也不断产生，表现为整体电磁辐射强度相 对于压密阶段明显提升；在其弹塑性阶段，初期电磁辐射强度较小，是因为弹性阶段部 分微观裂隙融合生成宏观裂纹，剩余的微观裂隙尚未扩展，新的微观裂隙还未生成；应 力极速大幅上升，电磁辐射强度震荡上升至最大值，此过程中煤体不断出现宏观裂隙， 项、底板微观裂隙明显增多；在其破坏阶段，煤体主体完全破断后，应力与电磁辐射信 号会发生极速下降的情况。 2 ．2 煤岩破裂电磁辐射的传播 利用对煤岩破断的电磁辐射信号的检测来得到它破断发生的前兆信息，用以预报井 下灾害发生，势必要懂得煤岩样体内电磁波辐射规律。从理想电介质中传播电磁波是等 幅波，而且这个过程并没有能量消散；当电磁波从均匀导电介质当中传播，由于其中的 自由电荷在电场影响之下做宏观非匀速动动，产生传导电流，导致一部分的电磁能量耗 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 散，转换成为焦耳热，故而在这种情况下的电磁波必定是衰减波。麦克斯韦方程组能够 很好地反映出电磁场一般情况运动规律，利用这个公式可以方便对煤岩体电磁辐射的传 播规律探究，研