邹庄煤矿2.4Mt-a新井设计-煤矿软岩巷道支护技术浅析

目录1矿区概述及井田地质特征 页中文译文电磁辐射理论及其在煤岩动力现象中的应用介绍煤岩动力现象通常很难预测，当其发生时严重影响煤矿生产和人员安全。随着煤矿开采深度和采出率的不断增长，煤岩动力现象变得更加严重。煤岩动力现象的预测是煤矿安全的关键问题之一。为了预测这种现象并提高煤矿经济效益，发展健全准确、对生产循环没有影响或影响很小且经济实用的预测方法至关重要。目前煤矿中有两种预测煤岩动力现象的方法——传统方法及地球物理实验方法。在传统方法中，在煤岩中开凿钻孔，测量钻出煤矸的最大体积(DCR)及速度(DCG)。这两个参数用来评估钻孔区域煤岩中动力现象的潜在性。因此，这种传统方法仅能预测实验实施时钻孔所在位置煤岩动力风险等级，而不是实验区域附近区域的。因为有这些局限，煤矿生产中，传统方法在空间和时间上均不能提供连续不断的煤岩动力现象潜在危险性信息且此方法较费力。地球物理方法，例如地音法、微震法、电磁辐射法(EME)比传统方法有效得多且有几点优势。地球物理方法容易设置和操作，合理准确并能通过数据采集系统提供连续不断的测量记录。然而这种方法也存在一些缺点，例如来源位置计算解的不确定性，周围噪音对记录数据的影响及因此产生的对结果准确性的影响。这些因素在目前电磁辐射法技术的发展中得到了解决。研究结果表明，煤岩动力现象是因煤岩快速变形和断裂以物理和化学活动联合作用而发生的。这种现象由不可逆的能量消耗过程和电磁能量辐射(EME)所决定。根据王等人的发现，电磁辐射与煤岩变形断裂过程密切相关。电磁辐射现象预先发生在地震前最早是被苏联研究人员观察到的，而材料在压力下断裂发生电磁辐射的研究最早是在1933年斯捷潘诺夫在试验室中进行的。此后，来自日本、希腊、美国、中国、瑞典及德国的研究人员开始研究电磁辐射现象。据报道，电磁辐射机制有许多解释，如岩石错位的加速和减速，电应力和电动力学效应，键断裂效应，充电和放电，压缩原子行为，电偶极子瞬变的综合贡献以及电荷的加速与减速。20世纪90年代，许多研究人员发现了变形与断裂与电磁辐射之间的关系并应用到实际领域。例如，播图拉耶夫研究了电磁辐射和声发射下加载之间的关系，而何等人检验了含瓦斯煤岩变形断裂的电磁辐射模式，钱等人研究了岩样受单轴压缩后的电磁辐射反应。其他研究者研究了煤矿工作面中岩爆、煤与瓦斯突出预测中的电磁辐射活动以及从煤层中钻孔记录到的低脉冲电磁辐射的重要意义。在前人工作的基础上，本篇论文着眼于变形和断裂过程中电磁辐射产生的机制。实验室中电磁辐射和负载引起应力间的耦合关系以及电磁辐射预测方法理论将会在下文论述。电磁辐射产生机制在微观尺度上，电磁辐射产生的前提和基础是电荷分离及电荷速度的变化。因为煤岩材料裂纹表面在变形和裂纹扩展过程中产生的的非均匀变形，斯捷潘诺夫效应形成，所以冲击也形成了。煤岩体由一些晶体组成，由于非平衡压力，晶体表面的化学键被断裂了，电荷分离形成。此外，一些存在于煤岩材料中的错位也能引起电荷分离。从而，煤岩材料的异质性以及非平衡压力引起电荷的非匀速运动，电磁辐射场据此而形成。事实上，电磁辐射与流体力学扰动是相关联的。关于煤岩中的电磁辐射理论模型存在两种假说：煤岩被看作是不含水的岩石材料，或煤岩被假设有各向同性的特点。基于物理原理，在外部或荷载作用压力作用下，导电材料中电子移动速度的自发变化产生如下电磁场：（1）（2）其中，n是煤岩介质的折射率，e是电荷量，c是真空中光速，v是电子的移动速度，r是电子与场点间距离，是介电常数，是电子加速度，是单位法向量，是库仑场和及其产生的磁场，是辐射场及其产生的磁场。式（1）和（2）代表由移动电子速度变化产生的电磁场的数学模型。可以看出，煤岩变形断裂过程中产生的电磁辐射是与电荷和电子加速度有关的。电磁辐射包含一个库伦场和辐射场；后者中点和场之间有与距离成反比的关系，电磁辐射与电子密度也存在一定关系。增加的负载速度导致更多的变形和断裂。随着单位时间内电子数量的增加，电子的速度也会增加。事实上，当传播到煤岩中时电磁辐射减弱了，且其仅与电和磁导率相关。因此，可以说变形和断裂过程中产生的煤岩动力现象是与电磁辐射有关的。根据煤岩加载过程中电偶极子的研究，它可以证明，短暂的电偶极子是由因裂缝产生和传播而引起的应力集中所产生的。当邻近的煤岩中发生变形和断裂，其表面的电荷平衡被打破。自由电荷被聚集在膨胀面，同样数量的负电荷被聚集在压缩面上且其与电偶极子数量相等。因为煤岩中压力的不断变化，产生电偶极子和电磁辐射，后者辐射到地表。电磁辐射被认为是坐标原点电偶极子辐射的结果。图1显示了单个电偶极子在极坐标中的辐射场，其中电偶极子在z轴方向上，电偶极子的中心在坐标原点。同一幅图中，l是电偶极子的长度，r是场中一点和坐标原点间的距离，I是电偶极子产生的电流。根据达朗伯公式，和A分别是电磁场和它滞后的位置，其计算如下：图1：分布在微小裂纹上一点的电荷（左图）和电偶极子的辐射场（右图）（3）其中k是波数，。体电流元按下式被转化为线电流元：（4）在极坐标中，利用向量和标量电位，电场和磁场的三个部分计算如下：0（5）（6）如上式所示，是包含电偶极子的子午面中电场的长度，H在方向上仅有一个垂直于子午面的分量。从而，电偶极子的电磁辐射波是横波（TM波）。电磁辐射场产生于煤岩的变形和断裂可看作煤岩中所有微元磁场的叠加，而每一个微元磁场可被看作是电偶极子的辐射。为了获得电磁辐射强度在固定方向上的三个分量，笛卡尔坐标系可用来代替极坐标系。X轴被固定在垂直方向上，y轴平行于隧道，z轴垂直于包含x轴与y轴的水平面。坐标系中的坐标原点位于微元的中心（参见图1）。磁场中r和的分量等于0，所以分量需要考虑，被转化为笛卡尔坐标系中的单位矢量。笛卡尔坐标系与极坐标系之间的变化如下：（7）通过将式（7）带入式（4）和式（5）可以看出，笛卡尔坐标系中的H和E如下：=0（9）式（8）和（9）中的实数部分被消去。在固定电性下，电磁辐射值与“Il”（电偶极子的电矩）有关。煤岩变形断裂而产生的电磁辐射源被测量为点辐射源辐射出的不同强度或振幅和频率的综合。因此，由预测仪器决定的电磁辐射信号是各点电磁辐射源信号的叠加。电磁辐射场的三个矢量计算如下：，，（10），，（11）其中，{，，}和{，，}分别是电场和磁场第i个分量，N是电磁辐射场源数。于是，每个煤岩可作为电磁辐射源。在某些点天线接收到的电磁辐射值为符合统计规律的电磁辐射的叠加。基于破坏理论的相关联的机电模型根据电磁辐射的产生机制，煤岩变形断裂过程中的压力变化与电磁辐射有关，显示这种现象应有某种关系或法则。电磁辐射产生机制与煤岩变形断裂产生的声波类似。根据声波和岩石稳定性压力关联模型，三个根据加载引起压力和声波间关系而确定的稳定性标准被确立（12）。它们分别是增压稳定性模型、减压稳定性模型和减压不稳定模型(18)。煤岩的线性电磁辐射与压力相关联模型被用破坏机制和衰退分析确切阐述出来，基于电磁辐射脉冲量的煤岩材料线性构成模型如下所示：（12）其中是由煤岩所受拉力变化而产生脉冲量的和,是当一个完整样本被完全破坏时的累积电磁辐射脉冲量，E是弹力的杨氏系数，是拉力。窦与何利用弹性脆性转化机制来研究声与电磁辐射间的关系，提出了一个煤岩破坏的声—电磁标准。煤岩的变形和断裂是由围岩压力张量引起的，而不仅仅是由单轴压力引起的。为了得到煤岩中发生变形断裂时压力状态与电磁辐射间的关系，压力的三维状态因素必须被考虑到。3.1电磁辐射脉冲量与加载引起压力间的关系煤岩是一种由许多部分组成的材料，包含大量宏观或微观尺度的脱离，如孔洞、裂缝、错位等。具有代表性的煤岩微观元素有两个重要且典型的特征：首先，在宏观尺度上看起来足够小且内部元素的力学性质均相同、其次，元素的尺寸很大并包含了足够多的能够借助统计分布模型确定的中尺度信息。从而，微元的典型特征可以用下列假说得到：（a）微元广义上服从胡克定律；（b）微元不符合Mises屈服准则；（c）煤岩样本中的微元振幅用威布尔分布模型确定。根据胡克定律，使，泊松比v=0.25：(13)当最大主应力及周围的压力服从屈服准则时上式在微元上不成立[20]。一种假设是当微元破裂时产生一定量电磁辐射脉冲，电磁辐射量是电磁辐射脉冲总量的一部分。根据统计理论，产生于煤岩变形断裂过程中一个电磁辐射脉冲量的可能值计算如下：（14）其中，是当煤岩轴向应变为，围岩压力为时产生电磁辐射脉冲的可能值。如果微元的振幅被看作是随机函数，则式（14）右边可以乘以一个0到1之间的随机数，下式可被利用：（15）随机数与轴向应变成正比；更大的应变值需要更大的随机数来保证微元的变形和断裂更大。假设在断裂后微元不能被恢复为其原始状态——确实如此，那么变形也是不可逆的——变形越大，微元数量越多。假设煤岩形变从增大到+d，产生的电磁辐射脉冲量N计算如下：（16）其中是煤岩完全破坏产生的电磁辐射总量，是式(14)的概率分布方程。当形变为时产生的累积电磁辐射脉冲量为：（17）如果形变量从增大到+d，最大主应力则从增大到。根据Mises屈服准则[21]，式（13）及式（14）被代入到式（16）中，变形断裂过程中电磁辐射脉冲量与主应力的关系可以通过下式得到：（18）等式同时代入到式（17）中，电磁辐射脉冲量累积与主应力的关系计算如下：（19）上式是令m=1，围岩压力常数（C）简化过的，简化如下：（20）利用泰勒级数，当煤岩最大主应力为时累积脉冲总量（）与压力间的关系计算如下：（21）上式可被转化成n级多项式：（22）从而，式(22)表明电磁辐射累积脉冲量（）与最大剪应力间存在可用n级多项式表示的非线性关系。在单轴载荷作用下，围岩压力为。此外，如果最大压力从增大到，那么式（22）变为（对于单个脉冲量）：（23）当很小时，式（23）可以用（24）近似计算。3.2电磁辐射振幅与加载引起的应力间的关系电磁辐射是一种能量的形式，每一个电磁辐射脉冲量都是由微元在加载下变形断裂过程产生的能量。随着单位时间内产生的电磁辐射脉冲量的增加，更多电磁辐射能量被释放出来。假如每个电磁辐射脉冲量的值都等于