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煤岩破坏的电磁辐射现象研究 摘要采煤工作面顶板的超前冒落一直以来都是生产中的难题.通过研究发现,在顶板冒落之前一般会发生地震现象来作为预兆.对这些地震预兆现象很多学者都做了深入的研究,但都不能成功的阐述其机理.到目前为止,还没有建立有效的检测这种低频地震预兆的系统.在本论文中,介绍一个新的在煤矿生产中还没有得到完全接受和广泛应用但有发展前景的检测技术。此新技术可以检测顶板冒落孕育阶段煤岩破裂时发射的高频电磁波。经两个在moonee煤矿的现场实践综合观测提出在顶板冒落之前有电磁辐射波和低频声波产生。通过在顶板冒落之前能够检测到持续时间超过一小时的电磁辐射波，以此提出控制顶板的有益时间，其准确度超过检测到低频声波时确定的最短控制时间。通过分析正在发育的中等尺寸煤岩裂隙产生的电磁波的benioff应变释放图，可以使我们预先了解实验室微震和地震产生的电磁波之间的差距，接着得出结论 关键词采矿；危害；冒落；电磁辐射；风险 1． 概述 在澳大利长壁采煤工艺中普遍采用微震检测仪对工作面中将要发生的顶板冒落、风暴、瓦斯突出等事故提供警报信息。微震检测仪可以探测到高应力区域产生微裂隙时发射的声波。此方法有以下三个要求 I． 传感器必须与煤层相耦合 II． 电缆和记录信息的设备必须为本质安全型 III． 数据过滤器能够阻隔周围声波信号的干扰 现在使用的普通检测系统移动不太方便，也不能提供充足的预警时间来对事故进行预防和处理。 电磁检测仪是一个可供选择的检测系统来预测瓦斯突出和瓦斯超限。（与声波一样）电磁波可以产生于岩体正在发育的裂隙中，尽管检测到的电磁波不要求与岩层性质有物理相关性。此技术多应用于俄罗斯的煤矿（非主要煤矿）生产实践中，在巷道中通常把手提式探测仪用导线连接放在距离煤壁大约0.5m处对煤体的岩性进行勘探。此过程中电磁信号的衰减可以忽略不计。信号的衰减呈几何曲线，取决于离发射源的距离，所以在距发射源10m以内（有代表性）的范围内均可以检测到信号。本文将介绍在某矿在工程实践中测量的结果，在俄罗斯的煤矿生产中他们进一步验证和拓宽了弗尔德（1997a,b）的结论，也被许多城市的实验测量所支持（下面将会讲到）。在俄罗斯比特波戈实验室新问世的商用电磁波探测仪器进一步发展了此项技术。 电磁辐射的行为可以在不同的材料中检测出来，并且检测到的信号时常夹杂着声发射现象产生的声波，这充分证明材料产生裂隙时会诱发电磁辐射现象。这些材料包括金属和合金Misra, 1975; Jagasivamani and Iyer, 1988，单一晶体Gol’d et al.,1975; Khatiashvili, 1984，各种岩样Nitsan,1977; Warwick et al., 1982; Ogawa et al., 1985;O’Keefe and Thiel, 1995; Rabinovitch et al., 1995,1996, 1998, 2000; Goncharov et al., 1980; Sobolev etal., 1982; Cress et al., 1987; Yamada et al., 1989; Frid, 1990，冰Fifolt et al., 1993; Petrenko, 1993;O’Keefe and Thiel, 1996。通过分析所有有关岩石破裂过程的现有资料数据，弗尔德（2003年）得出结论大量的电磁波由材料内部的弹性力诱发产生，龟裂致使（离子间）粘合力强度屈服，于是产生裂隙区。材料的侧限应力会影响其弹性力（弗尔德，1999）。 众多领域的研究表明，电磁波的数量在地震发生之前的数小时甚至数天将呈现明显的增加，当地震正要爆发或爆发前的那一刻电磁波的数量将迅速的削减Sadovskiiet al., 1979; Gokhberg et al., 1979, 1982, 1985,1986; Morgunov, 1985; Gershenzon et al., 1987;Yoshino and Tomizawa, 1989; Yoshino et al., 1993.。检测到电磁波的数量将超过平常噪声电平级10-15分贝。（里奇泰克，1997）通过分析60多个地震事件得出结论电磁波是地震发生的“短期的”先行者，多在地震爆发前6h激发产生。伴随着龟裂的产生将激发电磁辐射现象，这是一个新的发现。（艾弗泰克斯等，2004）用新的证据表明这种电磁辐射现象可以用分形电动力学加以描述。 电磁辐射现象在煤炭科技领域的研究是很少的。内斯比特和奥斯汀（1988年）在2.5km深的金矿中勘测到电磁波，在微震事件（震级为0.4）发生之前的数秒钟内将有振幅为1.2 mA/m的电磁波产生。乌拉尔铝土矿记录的电磁辐射现象数据表明，随着电磁波的明显增加发生岩爆的几率就大大提高（斯克图维奇和拉兹阿维奇，1985）。在克拉斯诺雅茨克地区的金属矿的研究显示，在有岩爆倾向的区域能够检测到振幅高达150-200mV/m的强电磁波（瑞德肯等，1985）。马可夫和塔多夫（1986年）在一个地采磷矿（科拉半岛）研究电磁波的行为变化时发现，在有岩爆危险的区域电磁波的振幅将在8-25mV/m之间，电磁波的活动数量也较大的高于平常的噪声电平。弗尔德（1997a,b，2000，2001）发现在煤矿发生岩爆或瓦斯突出之前电磁波出现反常的现象为我们提供了利用电磁辐射的系统标准。 本文的主要目的在于，能够就检测到的潜在电磁波为岩体正在发育的裂隙建立有效的预警系统，对勘测到的分析参数进行半标准化，能够用事实量化数据对此物理现象进行描述和分析。 2． 试验设备和现场 此实验在距离澳大利亚悉尼市北部约100km的moonee煤矿进行，此煤矿有发生风暴的危险性，用一套声发射系统进行预警。 仪器的环行磁感应天线面积约400mm2，厚度为20mm（图1）。仪器包括一个坚硬塑料结构的“包络”，连接它的是几个尼龙绳，长为1m，在绳子的尾端都系有金属环，这样可以在有风暴的危险情况下安全的脱离仪器本体。环行天线的内部参数（感应系数，抵抗力，电容）均已通过IS国际标准认证。此接收系统由一5m长的电缆连接L-R 图1.磁性环行天线（右）和EMR信号记录仪 信号过滤器，再与信号记录仪相联。滤波器可以过滤杂波信号，也可以阻隔井下机械发出的低频波。通过IS认证的数据记录仪有很强的人脑系统，可以接受地震和其它井下数据。装有硬盘驱动器（10GB）和前级扩大器（*1，*5，*30级放大）对天线接收到的信号进行放大。输入每个A/D信号转换器通道的频率速度为100KHz,此系统在一个防火的盒子里进行操作，符合煤矿安全生产要求。 3． 数据记录方法 在井下环境中，考虑到有机械产生的低频波的存在，在煤岩的水力压裂活动中我们希望可以勘测到绝大多数的电磁波，当采矿活动停止的时候杂波量为最少。在每一实例中，把灵敏的天线安置在离煤岩软化击穿最近的角落，一般的放在离工作面中心50m处。 天线安装好以后，系统开始接受并记录数据直到电池用尽，持续8-10小时。系统软件对二进制序列的数据进行记录，中止大约10s后重新初始化，进入下一轮的数据记录。实验记录的数据被转移到CD刻录机上储存，把二进制数据转换为ASCII数据信息，以便对数据进行检查，处理，绘图和分析。每一个二进制文件大小正好为1MB, ASCII数据文件大小大约为4MB，每一个文件包含540，600个数据点，一个单独的记录过程大约会建立7000个这样的文件。 4． 描述数据 从2002年7月5日和15日我们的记录结果表明，在工作面顶板冒落之前会出现电磁辐射和声发射现象产生。在15号的勘测中我们记录了水力压裂顶板以及随后顶板冒落全过程的数据，而在5号的勘测活动中我们记录的是在整个常规采煤过程中的数据，即使一个小的顶板冒 图2.带有接收电磁辐射天线的数据记录仪位于离工作面中心50m左右.黑色圆圈区代表水力压裂作用时的顶板冒落.纹线代表顶板自动冒落. 落也被记录内。详细资料如表1。 图3.在各个过程中记录的电磁辐射数据.a采矿,b爆破,c钻孔,d单裂隙破裂.其中bd为拉宾诺维奇（2002年）测量数据,时间刻度没有变化. 图3表示的是所记录的电磁辐射数据的一部分。通过分析其时间频率变化曲线发现，电磁波的衰减特性与拉宾诺维奇（2002年）测量的钻空和爆破曲线结果极为相似如图3.b,c。图中记录的电磁波是由一个个脉冲组成的。在图3（d）中，此电磁波的脉冲多有煤岩正在发育的单个裂隙激发产生。通过检测到的所有电磁序列表明，煤岩破裂激发的大多数电磁波谱的频率在2550khz之间变化。弗里德等（2003年）提出以下结论电磁波信号的频率与岩石的破裂宽度成反比例，即bVR/2f,式中VR瑞利波速度，f为电磁波的频率。假设瑞利波速度为1000m/s，那么就可以通过上述公式确定产生电磁波信号的煤岩破裂宽度范围为12cm。 弗里德（2001年）得出结论，用此方法所估算的受采动和高应力影响区域在各个方向的宽度是此实际宽度的2.5倍左右。这是弗里德（2001年）就地下硐室在侧限应力作用的弹性行为做出的保守估计。皮托科瓦奇和肯科瓦奇认为开凿的硐室的各个几何线上将会出现高应力集中现象，周边区域为高应力区，这些高应力区就是裂缝激发电磁波的来源。假定煤矿巷道的宽度为3m，可估算出1m长度巷道对应高应力区域的体积约为V266m3。弗里德（2001年）认为，高应力岩体裂隙的数目N，体积V可以用下式来计算NV/kc3,（式中k3为集中因子；c为裂缝的长度）。为了计算裂隙数目N，常取裂隙的长度等于裂隙的宽度，即c12cm。此假设的正确性在于，为了预测冲击矿压，假设采用的实验标准与理论标准是一致的。以此可估算出每米巷道高应力区域产生裂隙的数目N，以及产生的单个电磁脉冲的数目约为106个。此价值在于电磁记录仪可以检测到相互重叠的单个脉冲的特性。Goldbaem于2003年也做过类似的实验，他指出裂隙形成的间隔时间要比持续激发电磁波脉冲的时间短一些，出现部分的叠加或者重合。 由顶板冒落之前声发射和电磁辐射比较图例一图4中得出，顶板在120917发生冒落（Richter量为0），而电磁波的强度在110603增加到最大，此强度一直持续到120328,在顶板冒落以后电磁辐射的强度锐减。这样看来，在声发射（顶板冒落）达到最大值的1小时之前电磁辐射强度达到最大值，电磁波活动最为频繁。 图4.顶板冒落之前的电磁辐射和声发射比较图例一 图5.顶板冒落之前的电磁辐射和声发射比较图例二 由顶板冒落之前声发射和电磁辐射比较图例二图5可以得出，顶板于85909发生冒落时，检测到的声发射的强度较大，Richter量值为-0.6和-0.8。此后，声发射的强度维持在较低的水平，Richter量值在-2到-1之间。当顶板于93026再次发生冒落时，检测到的声发射强度达到最大值，其Richter量值达到-0.5。通过声发射和电磁辐射的数据资料比较表明，在71735时刻，即先于第一次微小声发射事件1.5小时左右，电磁辐射的强度由最低水平（408至717）开始增大，并于91156时刻达到最大值，先于声发射达到峰值19min。 上面分析的结果可以用尼奥夫应变释放曲线表示，此曲线是根据释放信号的能量大小绘制而成。基于大量研究结果的分析，豪梅和沙克斯（1999年）得出结论，地震事件与实验室岩石破裂实验所得到的奥夫应变释放曲线变化是一致的，并建立了一套确立岩石破裂的重要特性“临界点”的系统。布弗和韦尔纳（1993年）也表示，通过积累并分析大量的奥夫应变释放曲线，可以预测出岩体大规模破裂的精确时间。拉宾诺维奇等人（2002年）在分析受压缩岩体发射的电磁波振幅变化情况时发现，破裂岩体释放电磁波的过程与控制电四极子的过程存在相似性，电磁脉冲的振幅等于已记录的电磁能量的平方。从此，这个结论可以代替尼奥夫应变释放曲线。 Kossobokov等（2000年）提出，此结论的数据可以用重对数图尺来表示。其中，x轴代表相对时间，y轴代表尼奥夫应变释放曲线。图6a（Kossobokov于2000年根据图3重作的曲线）表示的是大规模倒塌前咖玛辐射的情况，在此图中，倒塌的相对时间是0，当第一个倒塌事件发生时相对时间为1。图6b表示的是顶板冒落之前激发电磁波的应变释放双对数图表。 拉宾诺维奇等（2002年）为了研究岩石在压缩过程中电磁波的辐射情况，对这些表现图表作出了比较（图6c）。通过比较表明，大规模的地震、中等规模的顶板冒落、实验室岩石微裂隙三种不同的现象存在着本质上的共性。 这三个图表都由以下三个性质组成微裂隙的成核，中间过程和不可逆转性。在能量聚集阶段，图表的曲线几乎是垂直的，曲线斜率都为单调递减的，最后都以岩体完全破裂瓦解而结束。通过检测到的电磁波显示（图6b），在顶板发生冒落之前100 min左右，岩体进入塑性变形阶段。至此，顶板冒落和岩体破碎瓦解的过程以不可避免。 图6.（a）岩体大规模破坏前的γ辐射情况（b）顶板冒落前的电磁波辐射情况 （c）岩体压缩受载过程中的电磁波辐射情况 通过前面分析可得，判断顶板冒落的声发射信号可以在电磁辐射信号发生以后的70 min左右的时间检测到，而先于顶板冒落时间发生30 min左右。 通过分析这些结论，所有的岩石结构（从实验室岩石试样到地壳的破裂）破坏过程都存在以下的“顺序”微裂隙的成核过程，能量的聚集过程，大规模破裂过程（Rechez and Lockner, 1994;Rechez, 1999）。通过我们的实验分析表明，电磁辐射现象发生在岩体破裂的最初阶段（微裂隙破坏阶段），而声发射现象则发生在岩体本身大规模破裂阶段（弗里德等，2003年）。这样以来，通过记录众多微裂隙（宽度在12cm）破坏产生的电磁波，根据成核阶段大大早于顶板冒落阶段的特征，我们可以确定顶板冒落时间发生的大体时间，以此提出顶板冒落警报。 此外，随着岩体破坏强度的增强，预测的成核阶段至岩体完全破裂阶段的时间精确性也提高（Kuksenko et al., 1982, 1987;Mansurov, 1994）。岩体的这些力学行为是通过有效的实验室岩体破裂实验，采矿活动中的煤柱受载，岩爆，甚至地震等事件机理总结出来的。这样以来，通过检测岩体破裂发射的电磁波，可以随着岩体垮落规模的增大较为精确的确定顶板冒落的时间。以下是几个较为重要的结论应用 （1）.在60多个地震活动中，通过分析检测到的地磁辐射现象，可以提供短时间（6h）预报Rikitake,1997； （2）.在大规模的岩体破裂事件发生之前的数个小时甚至数天，电磁辐射现象将被激励产生；Gokhberg et al., 1979, 1982,1986; Yoshino and Tomizawa, 1989 （3）.通过实验室岩体破裂实验可得，在岩体声发射信号发生大约500 As之前，地磁辐射现象将被激发产生O’Keefe and Thiel, 1995.。 5.结论 （1）.采矿活动中检测到的电磁辐射现象在本质上与实验室岩体破裂实验和采石场的岩体爆破过程中检测到的电磁辐射现象是一致的。 （2）.通过分析岩体破裂规模大小，电磁波的能量主要来源于12cm微裂隙破坏过程中。 （3）.通过比较记录的煤岩破坏过程中释放的电磁波与声波数据得出，异常的电磁辐射现象大大早于声发射现象。随着破坏强度的增加，通过检测的电磁波确定的有益时间准确性高于检测到声波所确定的有益时间。 （4）.通过分析电磁波的尼奥夫应变释放图表可得，在采矿过程中勘测到的电磁波的性质与地震和岩体破裂事件中勘测到的电磁波性质是一致的，煤岩破坏激发的电磁波与这些较小规模和较大规模的的事件激发的电磁波是相似的。综合分析，我们可以得出结论电磁波是在岩体的成核过程中产生，而大大先于顶板冒落阶段。