采矿地球物理(07煤岩变形破裂的电磁辐射)课件

1、7煤岩变形破裂的电磁辐射煤岩变形破裂的电磁辐射电磁辐射技术是一种地球物理方法。电磁辐射技术是一种地球物理方法。岩石电磁辐射：指岩石受载破裂过程中向外辐岩石电磁辐射：指岩石受载破裂过程中向外辐射电磁能量的过程或现象。射电磁能量的过程或现象。岩石破裂电磁辐射的观测和研究是从地震工作岩石破裂电磁辐射的观测和研究是从地震工作者发现者发现震前电磁异常震前电磁异常后开始的。后开始的。前苏联和我国较早开展研究，日本和美国等也前苏联和我国较早开展研究，日本和美国等也开展研究工作。开展研究工作。近近2530年内岩石破裂电磁辐射效应的研究，年内岩石破裂电磁辐射效应的研究，在理论方面和应用研究方面，都取得了飞速发展

2、，在理论方面和应用研究方面，都取得了飞速发展，特别是在地震方面用于特别是在地震方面用于预报地震预报地震。研究多限于大理岩、花岗岩和石英岩等研究多限于大理岩、花岗岩和石英岩等坚硬坚硬岩石岩石，且大多数研究仅限于定性。，且大多数研究仅限于定性。从上世纪从上世纪90年代开始，中国矿业大学对载荷年代开始，中国矿业大学对载荷作用下煤体的电磁辐射特性及规律进行了较为深作用下煤体的电磁辐射特性及规律进行了较为深入的定性和定量研究，取得了很多成果。入的定性和定量研究，取得了很多成果。7.1煤岩破坏的电磁辐射现象煤岩破坏的电磁辐射现象煤岩体煤岩体电磁辐射电磁辐射：煤体等：煤体等非均质材料非均质材料在受载情在受载

3、情况下发生况下发生变形及破裂变形及破裂的结果的结果,是由是由煤体各部分的煤体各部分的非均非均匀变速变形匀变速变形引起的引起的电荷迁移电荷迁移和裂纹扩展过程中形成和裂纹扩展过程中形成的的带电粒子带电粒子产生变速运动而形成的。产生变速运动而形成的。图图7-1是某矿原煤的实验结果，共记录到是某矿原煤的实验结果，共记录到67个事个事件。图中只给出部分事件的记录结果，图中横坐标件。图中只给出部分事件的记录结果，图中横坐标为时间为时间t/s，纵坐标为振幅，纵坐标边上的纵坐标为振幅，纵坐标边上的1，216为仪器的通道号为仪器的通道号nch。采样速率为采样速率为2MHz。12567891011121316图图

4、7-1某矿原煤电磁辐射实验记录结果某矿原煤电磁辐射实验记录结果7.1.1煤样试验煤样试验图图7-2为为7#煤的典型应力煤的典型应力时间、电磁辐射时间、电磁辐射（EME）脉冲数脉冲数时间、电磁辐射幅值时间、电磁辐射幅值时间曲时间曲线图。图线图。图7-3为为9#煤的典型应力煤的典型应力时间、电磁辐射时间、电磁辐射（EME）脉冲数脉冲数时间、电磁辐射幅值时间、电磁辐射幅值时间曲时间曲线图。线图。煤岩冲击破坏的EME分布02004006008001000120014001600020406080100120140160时间/s脉冲数/次煤样变形破坏的P-t曲线010203040020406080100

5、120140160时间/s载荷/KN煤样变形破坏的EME分布02040608010012014004080120160t/s E /mV图图7-27煤的试验结果煤的试验结果煤样变形破坏的P-t曲线010203040020406080100120140160时间/s载荷/KN煤岩冲击破坏的EME分布010000200003000040000500006000070000020406080100120140160时间/s脉冲数/次煤样变形破坏的EME分布020406080100120020406080100120140160时间/sE/mV图图7-39煤的试验结果煤的试验结果7.1.2泥岩和砂岩样

6、试验泥岩和砂岩样试验051015202530020406080100120140160180t/s/MPa图图7-4为泥岩的典为泥岩的典型应力型应力时间、电磁时间、电磁辐射幅值辐射幅值时间和声时间和声发射发射时间曲线图。时间曲线图。图图7-5为砂岩的典为砂岩的典型应力型应力时间、电磁时间、电磁辐射幅值辐射幅值时间和声时间和声发射发射时间曲线图。时间曲线图。0501001502000306090120150180t/sE/mV图图7-4泥岩岩样的试验结果泥岩岩样的试验结果0102030405060020406080100120140160180t/s/MPa0204060801001201401

7、600306090120150180t/sE/mV图图7-5砂岩岩样的试验结果砂岩岩样的试验结果7.1.3混凝土试样试验混凝土试样试验01020304050020406080100120140160180t/s/MPa图图7-6为为混凝土试样混凝土试样的 典 型 应的 典 型 应力力时间、时间、电磁辐射幅电磁辐射幅值值时间曲时间曲线 和 声 发线 和 声 发射射时间关时间关系图。系图。050100150200250300350400450060120180240300360t(*0.5)/sE/mV图图7-6混凝土试样的试验结果混凝土试样的试验结果7.1.4受载煤体的受载煤体的Kaiser效应

8、效应受载煤体电磁辐射具有受载煤体电磁辐射具有Kaiser效应见图效应见图7-7所示。所示。图图7-7煤岩电磁辐射与载荷间关系煤岩电磁辐射与载荷间关系(a)01 0 02 0 03 0 04 0 0051 01 52 02 53 03 54 04 55 0t/minE/mV( b )00 . 511 . 5051 01 52 02 53 03 54 04 55 0t/min/MPa7.2试验结果试验结果从上述试验曲线分析，可得出如下结果：从上述试验曲线分析，可得出如下结果：不同类型的煤岩体在载荷作用下变形及破不同类型的煤岩体在载荷作用下变形及破裂过程中都有声发射和电磁辐射信号产生。裂过程中都有声

9、发射和电磁辐射信号产生。在煤在煤体的受载变形破裂过程中，电磁辐射基本上随着体的受载变形破裂过程中，电磁辐射基本上随着载荷的增大载荷的增大而增强，随着而增强，随着加载及变形速率加载及变形速率的增加的增加而增强。而增强。声发射的变化规律也基本上随着载荷的声发射的变化规律也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。增大而增强，随着加载及变形速率的增加而增强。从煤的变形破坏试验结果来看，煤试样在发从煤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。下，而在冲击破坏时，电

10、磁辐射强度突然增加。从从试验的煤样看，在发生冲击性破坏以前，试验的煤样看，在发生冲击性破坏以前，电磁辐射电磁辐射强度强度一般在一般在60mV左右，而在冲击破坏时，电磁辐左右，而在冲击破坏时，电磁辐射强度最大达射强度最大达130mV。煤岩体电磁辐射的煤岩体电磁辐射的脉冲数脉冲数随着载荷的增大及随着载荷的增大及变形破裂过程的增强而增大。变形破裂过程的增强而增大。载荷越大，加载速率载荷越大，加载速率越大，煤体变形破裂越强烈，电磁辐射信号越强。越大，煤体变形破裂越强烈，电磁辐射信号越强。受载煤体受载煤体电磁辐射具有电磁辐射具有Kaiser效应。效应。电磁辐射产生的机制电磁辐射产生的机制煤岩体的组成及结

11、构相当复杂，包括许多矿煤岩体的组成及结构相当复杂，包括许多矿物杂质，是典型的物杂质，是典型的非均质材料非均质材料。可以把煤岩体看。可以把煤岩体看作是由一些颗粒包裹体作是由一些颗粒包裹体(简称单元简称单元)粘结在一起而粘结在一起而组成的，不仅是颗粒包裹体与界面处胶结物的强组成的，不仅是颗粒包裹体与界面处胶结物的强度及变形特性不同，而且颗粒包裹体之间在强度度及变形特性不同，而且颗粒包裹体之间在强度及变形方面也有显著的差异，因此煤岩体中的及变形方面也有显著的差异，因此煤岩体中的应应力及应变分布相当不均匀力及应变分布相当不均匀。岩石电荷：岩石电荷：任何岩石中都有自由的任何岩石中都有自由的(电子电子)和

12、和束缚的束缚的(离子离子)电荷电荷，煤体也不例外。，煤体也不例外。电荷运移电荷运移：当煤体发生不均匀应变时，压缩：当煤体发生不均匀应变时，压缩区域的自由电荷浓度升高，而低应力区或拉伸区区域的自由电荷浓度升高，而低应力区或拉伸区域的自由电荷浓度降低，这必然使自由电荷由高域的自由电荷浓度降低，这必然使自由电荷由高浓度区向低浓度区扩散、运移。浓度区向低浓度区扩散、运移。产生电磁辐射产生电磁辐射：低速扩散过程中产生低频电：低速扩散过程中产生低频电磁辐射，并在试件表面积累表面电荷。磁辐射，并在试件表面积累表面电荷。高应变区高应变区主要位于强度不同的颗粒界面处主要位于强度不同的颗粒界面处强强度较低的单元内

13、度较低的单元内，煤岩体的破裂主要是沿着颗粒，煤岩体的破裂主要是沿着颗粒之间的界面而进行的。之间的界面而进行的。自由电荷自由电荷：煤岩体颗粒之间的作用是通过电：煤岩体颗粒之间的作用是通过电场或电荷来完成的。当相邻颗粒之间场或电荷来完成的。当相邻颗粒之间发生非均匀发生非均匀形变形变时，其界面处的时，其界面处的电平衡电平衡被打破，产生局部激被打破，产生局部激发，受拉的界面处积累了自由电荷发，受拉的界面处积累了自由电荷(主要是电子主要是电子)，而受压的颗粒内部积累了相反符号的电荷。而受压的颗粒内部积累了相反符号的电荷。从总体宏观上来看，在试样表面积累了电荷，从总体宏观上来看，在试样表面积累了电荷，形成

14、了形成了库仑场库仑场(或静电场或静电场)。1）当变形非常缓慢或匀速的情况下，自由电）当变形非常缓慢或匀速的情况下，自由电荷来得及消退以适应电平衡的变化，因而对外并荷来得及消退以适应电平衡的变化，因而对外并不产生电磁不产生电磁(脉冲脉冲)辐射。辐射。2）当相邻颗粒之间发生非均匀变速形变时，）当相邻颗粒之间发生非均匀变速形变时，这种局部激发就会对外产生电磁这种局部激发就会对外产生电磁(脉冲脉冲)辐射，这也辐射，这也主要是低频电磁辐射主要是低频电磁辐射。激发产生电磁辐射激发产生电磁辐射：在煤岩材料的：在煤岩材料的变形阶段变形阶段，由于颗粒之间的力学变形特性不同，必然发生颗由于颗粒之间的力学变形特性不

15、同，必然发生颗粒之间的滑移，其结果是粒之间的滑移，其结果是在滑移面发生强烈的激在滑移面发生强烈的激发，甚至在滑移面尖端形成了带电粒子发，甚至在滑移面尖端形成了带电粒子(主要是电主要是电子子)发射发射，这种强烈的激发对外产生电磁辐射，这种强烈的激发对外产生电磁辐射。电子发射电子发射：煤岩体的：煤岩体的裂纹扩展裂纹扩展时，处于裂纹时，处于裂纹尖端表面区域中的电子在裂隙尖端区域中大量电尖端表面区域中的电子在裂隙尖端区域中大量电子形成的子形成的电场电场的作用下，向裂纹内部的自由空间的作用下，向裂纹内部的自由空间区域发射，形成区域发射，形成电子发射电子发射。粒子发射粒子发射：同时，也可能产生带负电的碎屑

16、同时，也可能产生带负电的碎屑粒子发射。粒子发射。当发生剪切摩擦时，同样的道理，也当发生剪切摩擦时，同样的道理，也会形成带正电的粒子发射。会形成带正电的粒子发射。裂纹扩展时，在裂纹表面受拉的区域出现裂纹扩展时，在裂纹表面受拉的区域出现表表面电荷面电荷，极性为负的，在裂纹表面受压的区域出，极性为负的，在裂纹表面受压的区域出现正电荷。现正电荷。裂纹扩展时，在裂纹尖端形成了运动的裂纹扩展时，在裂纹尖端形成了运动的偶极偶极子群。子群。在裂纹尖端的煤体本相处受拉区域仍表现在裂纹尖端的煤体本相处受拉区域仍表现为负电荷，这就是产生为负电荷，这就是产生电子加速电场电子加速电场的原因，而的原因，而周围的压应力区带

17、正电。周围的压应力区带正电。发射出来的这些低速运动带电粒子在电场的发射出来的这些低速运动带电粒子在电场的作用下加速，当带电粒子碰撞到周围环境介质的作用下加速，当带电粒子碰撞到周围环境介质的分子或原子，或碰撞到周围的煤岩体裂隙表面时分子或原子，或碰撞到周围的煤岩体裂隙表面时会会减速减速，在其变速运动过程中会，在其变速运动过程中会产生电磁辐射产生电磁辐射。后者形成的电磁辐射也叫韧致辐射。由于可能形后者形成的电磁辐射也叫韧致辐射。由于可能形成了大量的带电粒子，因此成了大量的带电粒子，因此会产生从低频电磁辐会产生从低频电磁辐射到射到x光的宽频带电磁辐射。光的宽频带电磁辐射。从上述分析可以得出，从上述分

18、析可以得出，煤岩体产生电磁辐射，煤岩体产生电磁辐射，源于煤岩体的非均质性，是由应力作用下煤岩体中源于煤岩体的非均质性，是由应力作用下煤岩体中产生产生非均匀变速形变非均匀变速形变而引起的。受载煤岩体中发生而引起的。受载煤岩体中发生以下电荷以下电荷(或带电粒子或带电粒子)运动过程：运动过程：（1）煤岩材料变形及破裂时能够产生电磁场，）煤岩材料变形及破裂时能够产生电磁场，有两种形式有两种形式：一种是由电荷，特别是试样表面积累：一种是由电荷，特别是试样表面积累电荷引起的电荷引起的库仑场库仑场(或准静电场或准静电场)；另一种是由带电；另一种是由带电粒子作变速运动产生的粒子作变速运动产生的电磁辐射电磁辐射

19、，是一种，是一种脉冲波脉冲波。（2）在）在非均匀应力作用下非均质煤岩体各部非均匀应力作用下非均质煤岩体各部分产生非均匀形变，由此引起电荷迁移分产生非均匀形变，由此引起电荷迁移，使原来，使原来自由的和逃逸出来的电子由高应力区向低应力区自由的和逃逸出来的电子由高应力区向低应力区或拉应力区迁移，同时在试样表面也积累了大量或拉应力区迁移，同时在试样表面也积累了大量的电荷。由此形成了库仑场的电荷。由此形成了库仑场(或准静电场或准静电场)，或，或低低频电磁辐射频电磁辐射。（3）裂纹形成及扩展前，裂纹尖端积累了大裂纹形成及扩展前，裂纹尖端积累了大量的自由电荷量的自由电荷(电子电子)。裂纹扩展时，发射电子，裂

20、纹扩展时，发射电子，由于裂纹不是匀速扩展，这必然向外辐射电磁波，由于裂纹不是匀速扩展，这必然向外辐射电磁波，这种电磁辐射与声发射是同步的。这种电磁辐射与声发射是同步的。（4）裂纹扩展后，裂纹局域煤体卸载收缩，裂纹扩展后，裂纹局域煤体卸载收缩，在卸载瞬间裂纹尖端两侧附近区域煤体中在卸载瞬间裂纹尖端两侧附近区域煤体中电子浓电子浓度较高，形成库仑场。度较高，形成库仑场。在该电场作用下，发射出在该电场作用下，发射出的电子的电子产生加速运动，向外辐射电磁波。产生加速运动，向外辐射电磁波。（5）出于）出于摩擦等原因产生电磁辐射摩擦等原因产生电磁辐射，也可，也可能产生带正能产生带正(或负或负)电粒子；裂纹表

21、面电荷也会发电粒子；裂纹表面电荷也会发生张驰。生张驰。（6）运动的电荷碰撞周围介质分子或原子运动的电荷碰撞周围介质分子或原子，使运动电荷减速，同时能使介质分子或原子发生使运动电荷减速，同时能使介质分子或原子发生电离，发射电磁波。电离，发射电磁波。7.3煤岩变形破裂的电磁辐射机理煤岩变形破裂的电磁辐射机理7.3.1煤岩体中带电粒子运动激发的电磁场煤岩体中带电粒子运动激发的电磁场麦克斯韦麦克斯韦电场电场环路定理为：环路定理为：式中：式中：E为电场矢量；为电场矢量；B为磁感矢量；为磁感矢量；S为以闭合回为以闭合回路路L为边界的曲面面积。为边界的曲面面积。LSddt BELS麦克斯韦麦克斯韦磁场磁场环

22、路定理为：环路定理为：式中：式中：JD为位移电流；为位移电流；D为电感矢量；为电感矢量；H为磁场强度；为磁场强度；Jf为传导电流矢量。为传导电流矢量。fDLdHLJJDdtSJDS由麦克斯韦电场环路定理式（由麦克斯韦电场环路定理式（7-1）可知，只）可知，只要要磁感矢量磁感矢量随时间的变化率不为零，即随时间的变化率不为零，即，那，那么在磁场变化的区域中就存在么在磁场变化的区域中就存在涡旋电场涡旋电场。另一方面，由麦克斯韦磁场环路定理（另一方面，由麦克斯韦磁场环路定理（7-2）可知，只要可知，只要电感矢量电感矢量随时间的变化率不为零，随时间的变化率不为零，即即，那么在电场发生变化的区域中，即使不

23、，那么在电场发生变化的区域中，即使不存在传导电流也必然存在存在传导电流也必然存在磁场磁场。0Bt0Dt因此，若在空间某一区域中存在着因此，若在空间某一区域中存在着变化电场变化电场，则在该区域的附近将建立起则在该区域的附近将建立起变化磁场变化磁场；而这个变；而这个变化磁场又将在它的邻近建立起化磁场又将在它的邻近建立起变化电场变化电场。这种变化电场和变化磁场交替地产生，并且这种变化电场和变化磁场交替地产生，并且由近及远地传播开来，就形成了由近及远地传播开来，就形成了电磁波电磁波。从微观上来说，电磁辐射是由从微观上来说，电磁辐射是由电荷运动电荷运动而产而产生的。生的。假设在外力作用下，煤岩体中假设在

24、外力作用下，煤岩体中带电粒子带电粒子沿某一沿某一特定轨道特定轨道运动，则煤岩体中任意运动带电粒子运动，则煤岩体中任意运动带电粒子激发激发的电场和磁场为：的电场和磁场为：222123/222223222()(1)4(1)(1)()nnen ecncc rnnrccvnnvrEEEv nv r4c式中：式中：n为煤岩体介质的折射率，为煤岩体介质的折射率，c为真空中电磁为真空中电磁波传播速度，即光速。波传播速度，即光速。e为粒子的电荷，为粒子的电荷，为介质为介质的绝对介电常数，的绝对介电常数，v为粒子的速度，为粒子的速度，为粒子的加为粒子的加速度，速度，r为粒子与观察点之间的距离，为粒子与观察点之间

25、的距离，n为为r方向的方向的单位矢量。单位矢量。212222233/2232232222()(1)4(1)(1)()nnccnnenencncc rnncrcc12vBBBEnEvvnv rv nv r4cv 可见：可见：1、煤岩体中任意带电粒子运动产生的、煤岩体中任意带电粒子运动产生的电磁场电磁场包括两部分：包括两部分：第一部分是运动电荷的第一部分是运动电荷的库仑场库仑场E1和与之相关的和与之相关的磁场磁场B1；第二部分为第二部分为辐射场辐射场，与加速度成正比。，与加速度成正比。辐射场是辐射场是横向场横向场，即，即E2和和B2都与都与n垂直，并且垂直，并且E2和和B2互相垂直。此外，辐射场与

26、距离互相垂直。此外，辐射场与距离r成反比。成反比。2、煤岩体变形及破裂过程中产生的电磁辐射煤岩体变形及破裂过程中产生的电磁辐射与带电粒子的与带电粒子的电量电量及其运动及其运动加速度加速度成正比。成正比。1）带电粒子数）带电粒子数越多，电磁辐射的强度越高。越多，电磁辐射的强度越高。2）加载速率）加载速率越高，变形及破裂过程越强烈，越高，变形及破裂过程越强烈，（1）单位时间内产生的）单位时间内产生的带电粒子数带电粒子数就越多，就越多，（2）运动）运动加速度加速度也越高，也越高，煤岩变形及破裂时电磁辐射的强度越高，煤岩变形及破裂时电磁辐射的强度越高，频率范围也越宽。频率范围也越宽。7.3.2电磁辐射

27、在煤岩介质中的传播电磁辐射在煤岩介质中的传播煤岩介质中电磁场是以煤岩介质中电磁场是以波波的形式存在的。电磁的形式存在的。电磁波在煤岩介质中传播时，随着传播距离的增加，电波在煤岩介质中传播时，随着传播距离的增加，电磁场幅值会发生磁场幅值会发生衰减衰减。电磁波在煤岩体中传播时，电磁波在煤岩体中传播时，其电场强度和磁场强度分别为：其电场强度和磁场强度分别为：式中：式中：()0()0bRit aRbRit aReeeeEEHH2222()2()2ab电磁波衰减电磁波衰减：电磁波在煤岩体介质中传播，介：电磁波在煤岩体介质中传播，介质中带电质中带电质点质点在电磁场作用下产生在电磁场作用下产生往复振动往复振

28、动，质点，质点间的间的相互碰撞相互碰撞作用使电磁场能量变为作用使电磁场能量变为消耗性热能消耗性热能。对电磁场能量的吸收，造成电磁场强度随传播距离对电磁场能量的吸收，造成电磁场强度随传播距离的增加而减小，因此的增加而减小，因此衰减系数又称为吸收系数。衰减系数又称为吸收系数。式中：式中：E为电场强度，为电场强度，H为磁场强度，为磁场强度，b为电磁波衰为电磁波衰减系数，减系数，a为相位常数，为相位常数，为介质的磁导率，为介质的磁导率，为介为介质的电导率，质的电导率，为电磁波的频率。为电磁波的频率。电磁辐射在煤岩介质中的传播速度即相速为：电磁辐射在煤岩介质中的传播速度即相速为：式中：式中：为光速；为光

29、速；r为煤岩介质的相对介电常数。为煤岩介质的相对介电常数。22221011/()/()22rrvca0001/1/c 可见：可见：电磁辐射在煤岩体介质中的传播速度与电磁辐射在煤岩体介质中的传播速度与介质的介电常数、电导率介质的介电常数、电导率(或电阻率或电阻率)和电磁辐射频率和电磁辐射频率有关。有关。介质的介电常数越大，电磁辐射传播速度越慢；介质的介电常数越大，电磁辐射传播速度越慢；介质的导电率越低介质的导电率越低(或电阻率越高或电阻率越高)，传播速度越快；，传播速度越快；电磁辐射信号的频率越高，电磁辐射传播的速度越电磁辐射信号的频率越高，电磁辐射传播的速度越大。大。在在导电介质导电介质中电磁

30、波传播速度比在中电磁波传播速度比在理想均匀绝理想均匀绝缘介质缘介质中的要小。中的要小。如果定义煤岩体中电磁波的振幅减小如果定义煤岩体中电磁波的振幅减小e（自然自然对数的底）倍的距离为对数的底）倍的距离为有效传播距离有效传播距离L，则有：则有：L也称为也称为趋肤深度趋肤深度（或穿透深度）。（或穿透深度）。煤岩介质煤岩介质电阻率电阻率越高，电磁辐射传播的距离越高，电磁辐射传播的距离越大；电磁辐射的越大；电磁辐射的频率频率越高，传播的距离越短。越高，传播的距离越短。2222211/()211/1 ()2Lb介质的绝对介电常数介质的绝对介电常数=r0，真空中的介电常真空中的介电常数数08.8510-1

31、2F/m。大多数造岩矿物的相对介电常数大多数造岩矿物的相对介电常数r很小，且变很小，且变化范围不大，几乎全部非金属矿物的化范围不大，几乎全部非金属矿物的r值均在值均在413之间变化。之间变化。关于岩石、矿石的关于岩石、矿石的相对导磁率相对导磁率，除极少数铁磁，除极少数铁磁性矿物外，基本上等于性矿物外，基本上等于1。认为是不随频率而变化的。认为是不随频率而变化的定值，即定值，即=0=410-7H/m。根据煤岩体材料的电磁常数根据煤岩体材料的电磁常数、(或电阻率或电阻率)就可确定有效距离就可确定有效距离L与电磁波频率间的关系。与电磁波频率间的关系。对于现场煤岩体来说，当电磁场频率低于对于现场煤岩体

32、来说，当电磁场频率低于lMHz时，时，/1。如果用频率如果用频率f和电阻率和电阻率来表示，来表示，则通过简化可得则通过简化可得f和和的关系为：的关系为：煤体的电阻率煤体的电阻率一般在一般在102103m之间变化。之间变化。当选择接收频率上限为当选择接收频率上限为500KHz时，则预测范围时，则预测范围(或或趋肤深度趋肤深度)为为7.1222.5m。2LffL实际监测距离远小于电磁辐射的波长，因此实际监测距离远小于电磁辐射的波长，因此属于属于近区监测近区监测。不论近区或远区，都同时有不论近区或远区，都同时有感应场和辐射场感应场和辐射场存在；存在；两者比较，近区感应场很强，辐射场可忽略；两者比较，

33、近区感应场很强，辐射场可忽略；远区辐射场较强，感应场可忽略，远区辐射场较强，感应场可忽略，因而近区主要因而近区主要表现出感应场的性质，远区主要表现出辐射场的表现出感应场的性质，远区主要表现出辐射场的性质。性质。7.4电磁辐射能量计算电磁辐射能量计算煤岩体受载，破裂时向外煤岩体受载，破裂时向外释放电磁波释放电磁波，这也，这也反映了煤岩受载破坏释放的能量。反映了煤岩受载破坏释放的能量。电磁辐射仪电磁辐射仪可以测到煤岩体释放可以测到煤岩体释放电磁辐射的电磁辐射的强强弱弱，以电压形式反映，以电压形式反映。对电磁辐射仪来说，其能量分析是针对其输对电磁辐射仪来说，其能量分析是针对其输出信号进行的，瞬态信号

34、的能量可定义为：出信号进行的，瞬态信号的能量可定义为：式中：式中：V（t）为随时间变化的电压，为随时间变化的电压，R为电压测量为电压测量电信的输入阻抗，取离散形式电信的输入阻抗，取离散形式式中：式中：Vi为取样点的电压，为取样点的电压，t为取样点的时间间为取样点的时间间隔，隔，m为样点数。为样点数。201( )WVt dtR20mittWVR7.5现场测试结果现场测试结果以某矿冲击矿压动力灾害危险最大的以某矿冲击矿压动力灾害危险最大的7204工作工作面为基础，兼顾面为基础，兼顾9112工作面；对另一煤矿工作面；对另一煤矿2408冲击冲击矿压工作面的电磁辐射进行了测定。矿压工作面的电磁辐射进行了

35、测定。1）正常开采）正常开采在没有冲击危险、工作面和巷道处于在没有冲击危险、工作面和巷道处于正常情况正常情况下的观测结果见图下的观测结果见图7-8、7-9所示。所示。从图中可以看出，正常情况下，电磁辐射的从图中可以看出，正常情况下，电磁辐射的幅幅值都比较小，脉冲数也较少，变化小值都比较小，脉冲数也较少，变化小。Fshj2a03010203040506017131925313743495561677379859197Time/秒E/mVFshj2f030500100015002000250030003500400017131925313743495561677379859197Time /秒脉冲

36、数/次图图7-89112工作面风巷观测结果之一工作面风巷观测结果之一Fshj2a0402040608010012014017131925313743495561677379859197Time/秒E/mVFshj2f0402000400060008000100001200017131925313743495561677379859197Time /秒脉冲数/次图图7-99112工作面风巷观测结果之二工作面风巷观测结果之二2）煤体内的电磁辐射）煤体内的电磁辐射工作面前方工作面前方煤体内的电磁辐射，整体上呈现一煤体内的电磁辐射，整体上呈现一个与应力变化相类似的曲线（见图个与应力变化相类似的曲线（见

37、图7-10所示）。所示）。05010001234567L/mE/mV图图7-10煤体内的电磁辐射变化规律煤体内的电磁辐射变化规律3）工作面及周围巷道区域电磁辐射分布工作面及周围巷道区域电磁辐射分布在在工作面工作面不同区域，观测到电磁辐射值不同。不同区域，观测到电磁辐射值不同。（1）压力大压力大的区域，电磁辐射值就高；的区域，电磁辐射值就高；（2）冲击矿压危险性高冲击矿压危险性高的区域，电磁辐射值高。的区域，电磁辐射值高。图图7-11是华丰煤矿是华丰煤矿2408工作面观测的电磁辐射值。工作面观测的电磁辐射值。下平巷的冲击矿压危险性比上平巷的高。观测的电磁下平巷的冲击矿压危险性比上平巷的高。观测的

38、电磁辐射值也是如此辐射值也是如此。图图7-11a华丰煤矿华丰煤矿2408工作面及电磁辐射测点布置图工作面及电磁辐射测点布置图11 9 8 7 5 3 2 118 19 20 21 22 2410 6 417 16 15 14 13上平巷下平巷2408工作面华丰煤矿2408工作面采深：880 m煤厚：6-7 m采高： 2 m开采第一分层23图图7-11b华丰煤矿华丰煤矿2408工作面及其周围巷道内的电磁辐射值工作面及其周围巷道内的电磁辐射值050100150200250地点幅值/(*0.25)mV1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

39、 21 22 23 24（图中，上面一条曲线为最大值，下面一条曲线为平均值）（图中，上面一条曲线为最大值，下面一条曲线为平均值）4）压力高峰区的电磁辐射压力高峰区的电磁辐射在在工作面前方工作面前方煤壁内的煤壁内的压力高峰区压力高峰区，测定的，测定的电磁辐射值强度高电磁辐射值强度高，脉冲数变化大脉冲数变化大。说明煤层内的。说明煤层内的应力高应力高，而且煤层处于，而且煤层处于不断变形和破坏不断变形和破坏之中。之中。图图7-12为为9112工作面在距工作面在距材料道材料道15m处工作面处工作面煤壁内测定的电磁辐射强度和脉冲数在煤壁内测定的电磁辐射强度和脉冲数在2min内的内的变化规律。可见，煤层中的

40、应力处于变化规律。可见，煤层中的应力处于不断变化不断变化之中。之中。02 04 06 08 01 0 01 2 01 4 0171 31 92 53 13 74 34 95 56 16 77 37 98 59 19 71 0 31 0 91 1 5时 间 /sE/mV0500010000150002000025000300003500040000191725334149576573818997105 113时 间 /s脉冲数/次a) 幅值幅值b)脉冲数脉冲数图图7-12距材料道距材料道15m处工作面煤壁内的电磁辐射值处工作面煤壁内的电磁辐射值5）支承压力区的电磁辐射）支承压力区的电磁辐射在工作

41、面前方在工作面前方支承压力支承压力高峰区高峰区，测定的电磁，测定的电磁辐射值辐射值强度高强度高，脉冲数变化大脉冲数变化大。同样说明了煤层。同样说明了煤层内的内的应力高应力高，且煤层处于不断，且煤层处于不断变形和破坏之中变形和破坏之中。图图7-13为为9112工作面前方工作面前方30m处处材料道内材料道内测定测定电磁辐射的结果。电磁辐射的结果。020406080100120140160191 72 53 34 14 95 76 57 38 18 99 71 0 51 1 3时 间 / sE/mV05 0 0 01 0 0 0 01 5 0 0 02 0 0 0 02 5 0 0 03 0 0 0

42、 03 5 0 0 04 0 0 0 04 5 0 0 0191 72 53 34 14 95 76 57 38 18 99 71 0 51 1 3时 间 /s脉冲数b)脉冲数脉冲数图图7-13工作面前方工作面前方30m处材料道内测定的电磁辐射值处材料道内测定的电磁辐射值a)幅值幅值6）顶板运动规律与电磁辐射）顶板运动规律与电磁辐射 电磁辐射变化规律与顶板运动规律吻合。在采电磁辐射变化规律与顶板运动规律吻合。在采面推进面推进42m、52m和和62m，工作面周期来压期间，工作面周期来压期间，电磁辐射值呈现与周期来压一致的电磁辐射值呈现与周期来压一致的周期性变化周期性变化。图图7-14为工作面推进

43、过程中，距采面为工作面推进过程中，距采面5060m风风巷范围内电磁辐射幅值的变化规律。与工作面周期巷范围内电磁辐射幅值的变化规律。与工作面周期来压规律一致。来压规律一致。另外，顺槽中在另外，顺槽中在老顶断裂的位置老顶断裂的位置，观测到的电，观测到的电磁辐射值也较强，如图磁辐射值也较强，如图7-15。0102030405060708040 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70采面的推进距离(m)E/mV图图7-14距采面距采面5060m风巷内电磁辐射风巷内电磁辐射01020304050607080020406080100距采面的距离(m)E/m

44、V图图7-15顺槽中老顶断裂处电磁辐射顺槽中老顶断裂处电磁辐射7）顶板断裂破坏的电磁辐射）顶板断裂破坏的电磁辐射 工作面煤层顶板的断裂破坏，观测到电磁辐工作面煤层顶板的断裂破坏，观测到电磁辐射幅值的剧烈变化，反映了顶板内聚集的弹性能射幅值的剧烈变化，反映了顶板内聚集的弹性能的释放过程。的释放过程。图图7-16为为7204工作面工作面在推进在推进57m，顶板断裂破顶板断裂破坏至坏至中部中部时观测的电磁辐射变化。时观测的电磁辐射变化。工作面12月27日中班电磁辐射幅值020406080100120140距材料道的距离/m幅值/mV1020304050607080图图7-16工作面中部顶板断裂破坏工

45、作面中部顶板断裂破坏工 作 面 12月 28日 中 班 电 磁 辐 射 幅 值020406080100120140距 材 料 道 的 距 离 /m幅值/mV1020304050607080图图7-17顶板断裂到中上部顶板断裂到中上部图图7-17为为7204工作面工作面顶板断裂破坏至顶板断裂破坏至中上部中上部时时观测的电磁辐射变化。观测的电磁辐射变化。工 作 面 12月 29日 夜 班 电 磁 辐 射 幅 值020406080100120140距 材 料 道 的 距 离 /m幅值/mV1020304050607080图图7-18工作面中下部顶板垮落后工作面中下部顶板垮落后2小时的电磁辐射小时的电

46、磁辐射下图为工作面下图为工作面中下部中下部顶板顶板垮落后垮落后2小时的电磁辐小时的电磁辐射变化规律。射变化规律。电磁辐射值非常低电磁辐射值非常低，反映了工作面中，反映了工作面中下部顶板已经断裂，顶板内的弹性能已完全释放。下部顶板已经断裂，顶板内的弹性能已完全释放。在工作面没有进行采煤放炮的区段、顶在工作面没有进行采煤放炮的区段、顶板没有垮落的区段，电磁辐射值非常高，板没有垮落的区段，电磁辐射值非常高，而且其幅值变化较大。而且其幅值变化较大。进行了采煤放炮，顶板也已垮落的区域，进行了采煤放炮，顶板也已垮落的区域，则电磁辐射幅值很低，两者相差近则电磁辐射幅值很低，两者相差近4倍倍。工作面11月25

47、日夜班电磁辐射幅值020406080100120140距材料道的距离/m幅值/mV102030405060图图7-197204工作面工作面11月月25日夜班各观测点的电磁辐射值日夜班各观测点的电磁辐射值下图为下图为7204工作面各观测点的电磁辐射值，高峰工作面各观测点的电磁辐射值，高峰处为工作面未进行落煤放炮的区域。处为工作面未进行落煤放炮的区域。8）冲击危险区域的电磁辐射冲击危险区域的电磁辐射冲击危险性高和压力大的区域，观测到的冲击危险性高和压力大的区域，观测到的电磁辐射值很高。而且在冲击矿压危险性高的区电磁辐射值很高。而且在冲击矿压危险性高的区域，电磁辐射的域，电磁辐射的幅值变化不大幅值变

48、化不大，但，但整体水平高整体水平高。例如，例如，11月月19日中班，日中班，7204工作面自工作面自材料道材料道向下向下60m范围内的电磁辐射幅值高，表明两材料范围内的电磁辐射幅值高，表明两材料道间的道间的煤柱压力大煤柱压力大，冲击矿压危险性高冲击矿压危险性高(见图见图7-20)。工作面11月19日早班电磁辐射幅值020406080100120140距材料道的距离/m幅值/mV102030405060图图7-2011月月19日工作面电磁辐射值变化规律日工作面电磁辐射值变化规律9）板炮与电磁辐射）板炮与电磁辐射7204高冲击矿压危险工作面，煤层内高冲击矿压危险工作面，煤层内板炮频繁板炮频繁。采用

49、电磁辐射法观测中记录了大量板炮形成的电磁采用电磁辐射法观测中记录了大量板炮形成的电磁辐射。辐射。如果在如果在两分钟两分钟的测量记录中，出现的测量记录中，出现一两一两个突然个突然增高的幅值，而其余的幅值比较平缓，工作面又没增高的幅值，而其余的幅值比较平缓，工作面又没有其它影响，说明煤层内发生了释放能量的板炮。有其它影响，说明煤层内发生了释放能量的板炮。图图7-22为通过电磁辐射仪观测，记录的工作为通过电磁辐射仪观测，记录的工作面面煤层内板炮煤层内板炮的发生及其规律。的发生及其规律。降 低 材 料 道 向 下 20米0204060801001201112131415161718191101 111

50、时 间 /s幅值/mV材 料 道 20米02040608010012014011223344556677889100 111时 间 /s幅值mV图图7-2211月月11日中班测到的工作面上下部两次板炮日中班测到的工作面上下部两次板炮10）卸压爆破前后的电磁辐射）卸压爆破前后的电磁辐射在工作面有冲击矿压危险区域内进行在工作面有冲击矿压危险区域内进行卸压爆卸压爆破前后，电磁辐射值有明显的变化破前后，电磁辐射值有明显的变化。可用电磁辐射方法检测卸压爆破的效果。可用电磁辐射方法检测卸压爆破的效果。卸压爆破前后，煤体内卸压爆破前后，煤体内钻屑量钻屑量的变化规律，的变化规律，同样证实了这一点。同样证实了这

51、一点。图图7-23为卸压爆破前后为卸压爆破前后钻孔钻屑量钻孔钻屑量的变化，图的变化，图7-24，7-25则为同一地点卸压爆破前后则为同一地点卸压爆破前后电磁辐射电磁辐射的的变化情况。变化情况。012345012345678钻孔深度/m煤粉重量/kg实际值标准值临界值012345012345678钻 孔 深 度 /m煤粉重量/kg实 际 值标 准 值临 界 值b)卸压爆破后卸压爆破后图图7-23卸压爆破前后卸压爆破前后钻屑量钻屑量的变化规律的变化规律a)卸压爆破前卸压爆破前0204060801001201401815222936435057647178859299106 113 120时间/秒E

52、/mV010002000300040005000600070008000900010000110192837465564738291100 109 118时间/s脉冲数/次a)电磁辐射幅值电磁辐射幅值b)电磁辐射脉冲数电磁辐射脉冲数图图7-24卸压卸压爆破前爆破前电磁辐射值的变化规律电磁辐射值的变化规律0102030401815 22 29 36 43 50 57 64 71 78 85 92 99 106 113 120时间/秒E/mV00.20.40.60.811.2191725334149576573818997 105 113时间/s脉冲数/次b)电磁辐射脉冲数电磁辐射脉冲数图图7-2

53、5卸压卸压爆破后爆破后电磁辐射值的变化规律电磁辐射值的变化规律a)电磁辐射幅值电磁辐射幅值图图7-26为为7204工作面上部随工作面推进，其工作面上部随工作面推进，其电磁辐射值的变化规律。电磁辐射值的变化规律。从图上可以明显地看出从图上可以明显地看出绝大部分冲击危险区绝大部分冲击危险区域在卸压爆破后，电磁辐射值有了明显的下降域在卸压爆破后，电磁辐射值有了明显的下降，如如11月月1218日，有的效果还非常好，特别是日，有的效果还非常好，特别是11月月18日电磁辐射值下降的非常多。日电磁辐射值下降的非常多。但有的效果也不理想，例如但有的效果也不理想，例如11月月13日卸压爆日卸压爆破后，电磁辐射值

54、没有明显变化。破后，电磁辐射值没有明显变化。工作面降低材料道往下30m电磁辐射幅值变化图(11.12-11.15)020406080100120140时间/班次幅值/mV爆破爆破爆破12夜12早12中13夜13早13中14夜14早15夜15早15中工 作 面 降 低 材 料 道 往 下 30m电 磁 辐 射 幅 值 变 化 图 (11.16-11.19)020406080100120140时 间 /班 次幅值/mV材 料 道爆 破爆 破16夜16中17夜17中17早18夜18早18中19夜工 作 面 降 低 材 料 道 往 下 30m电 磁 辐 射 幅 值 变 化 图 (11.19-11.24

55、)020406080100120140时 间 /班 次幅值/mV材 料 道爆 破爆 破19夜19早21早20夜20早21中22夜23早23夜23中24夜图图7-26推进过程中工作面中上部电磁辐射值变化规律推进过程中工作面中上部电磁辐射值变化规律11）冲击矿压与电磁辐射冲击矿压与电磁辐射测试表明：测试表明：在冲击矿压发生前，电磁辐射的在冲击矿压发生前，电磁辐射的幅值有较大幅度的增长。幅值有较大幅度的增长。在在9112工作面上头距风巷工作面上头距风巷120m处，在测量过处，在测量过后不到半分钟，曾发生过一次煤炮（后不到半分钟，曾发生过一次煤炮（小型冲击小型冲击），），其强度大约为其强度大约为708

56、0dB。在发生煤炮以前，电磁辐射仪测到了脉冲数在发生煤炮以前，电磁辐射仪测到了脉冲数和幅值的和幅值的连续增长连续增长，反映了煤岩破坏发展、发生，反映了煤岩破坏发展、发生的过程，如图的过程，如图7-27所示所示。02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 011 01 92 83 74 65 56 47 38 29 11 0 01 0 91 1 81 2 7时 间 /s脉冲数/次图7-27 煤炮发生前电磁辐射脉冲数的变化趋势在在9112工作面上头距风巷工作面上头距风巷120m处，在测量过处，在测量过后不到半分钟，曾发生过一次煤炮（后不到半分钟，曾发生过一次煤

57、炮（小型冲击小型冲击），），其强度大约为其强度大约为7080dB。7204工作面开采期间多次诱发了冲击矿压，同工作面开采期间多次诱发了冲击矿压，同时也发生了时也发生了两次较大规模的冲击矿压两次较大规模的冲击矿压，其冲击地点，其冲击地点和范围为材料道从工作面向外和范围为材料道从工作面向外13m开始的开始的13m长，长，工作面从材料道往下工作面从材料道往下11m开始的开始的22m长的煤壁长的煤壁。诱发和发生的冲击矿压前后的电磁辐射：冲击诱发和发生的冲击矿压前后的电磁辐射：冲击矿压发生前的一段时间，电磁辐射值较高，之后有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，其电

58、磁辐射值一段时间相对较低，但这段时间内，其电磁辐射值均均达到、接近或超过临界值达到、接近或超过临界值，之后发生冲击矿之后发生冲击矿压压。说明能量的聚集与释放的过程。说明能量的聚集与释放的过程。工作面降低材料道往下20m电磁辐射幅值变化图(10.20-10.27)020406080100120140时间/班次幅值/mV冲击20中21夜21早21中22早25中26夜26中27夜工 作 面 降 低 材 料 道 往 下 20m电 磁 辐 射 能 量 变 化 图 (10.20-10.27)010203040506070时 间 /班 次能量X10/J冲 击20中21夜21早21中22早25中26夜26中2

59、7夜图图7-28冲击前后工作面电磁辐射的变化冲击前后工作面电磁辐射的变化降低材料道距切眼30m电磁辐射幅值变化图(11.05-10.08)020406080100120140时间/班次幅值/mV冲击5夜5中5早6早6中7夜7中8夜8早降低材料道距切眼30m电磁辐射能量变化图(11.05-10.08)01020304050时间/班次能量X10/J冲击5夜5中5早6早6中7夜7中8夜8早图图7-29冲击前后巷道电磁辐射的变化冲击前后巷道电磁辐射的变化图图7-30为为7204工作面工作面12月月16日诱发冲击矿压前日诱发冲击矿压前后电磁辐射的变化规律。后电磁辐射的变化规律。可以看出同样的规律，即可以

60、看出同样的规律，即冲击矿压发生前的冲击矿压发生前的一段时间，电磁辐射连续增长或先增长，然后下一段时间，电磁辐射连续增长或先增长，然后下降，之后又呈增长趋势。降，之后又呈增长趋势。降低材料道距切眼70m电磁辐射幅值变化图(12.16-12.20)020406080100120140时间/班次幅值/mV爆破诱发冲击16中17中19早18夜18中18早19中20早19夜20夜20中17夜图图7-30诱发冲击矿压前后电磁辐射变化规诱发冲击矿压前后电磁辐射变化规7.6煤岩变形破坏与电磁辐射耦合规律煤岩变形破坏与电磁辐射耦合规律从以上观测到的规律可知：从以上观测到的规律可知：1）采用电磁辐射法对冲击矿压的