电磁辐射预测预报冲击矿压

张 继 ，肖双双

(中国矿业大学矿业工程学院)

·试验研究·

电磁辐射预测预报冲击矿压

张 继 ，肖双双

(中国矿业大学矿业工程学院)

冲击矿压的发生主要是能量积聚，然后突然释放的结果。在冲击发生过程中，有应力的集中、煤岩体的变形破坏。而煤岩体变形破坏过程中，会产生电磁辐射现象。因此，可采用电磁辐射法来预报冲击矿压。研究表明，煤岩体中应力值不同、煤岩体破坏程度的不同，电磁辐射也不会相同。电磁辐射现象与煤岩应力、变形破坏以及冲击矿压存在电磁耦合规律。以电磁耦合规律为基础，通过观测煤岩体的电磁辐射参数，如幅值、脉冲数等，从而可以确定冲击矿压的危险状态，达到预报冲击矿压的效果。

电磁辐射；冲击矿压；耦合规律

随着我国煤矿开采深度的加深，以及开采条件的越来越复杂，我国的冲击矿压现象越来越多，危害也越来越大，所以研究对冲击矿压的防治具有重要意义。

在预测冲击矿压的所有方法中，电磁辐射法以其非接触、受环境干扰小、预测方便、准确度高，受到广泛的关注和研究。采矿电磁辐射法主要依据电磁耦合规律，通过对煤岩体的电磁辐射参数的观测，从而确定冲击矿压的危险状态，预报冲击矿压。

1 冲击矿压预测电磁辐射的原理

1) 冲击矿压发生及电磁辐射机理。冲击矿压发生的机理和过程为：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，从而不具有应变软化性质。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。

岩石在受载破坏结果中，共记录到67个事件。某矿原煤实验见图1，图1中只给出部分事件的记录结果。横坐标为裂纹过程中会以电磁波的形式向外辐射电磁能量，其发生的机理是由于煤体各部分非匀速变形引起的电荷迁移和裂纹扩展过程中的带电粒子产生变速运动而产生的。实验时间t/s，纵坐标为振幅，纵坐标边上的1，2，…16为仪器的通道号nch。采样速率为2 MHz。

2) 煤岩应力和破坏程度与电磁辐射的耦合规律。通过对强冲击矿压危险工作面电磁辐射的观测以及利用统计损伤力学建立受载煤岩体的力电偶合模型研究发现，煤岩应力和破坏程度与电磁辐射的耦合规律：

a) 煤岩体所受应力与电磁辐射之间存在耦合关系。煤岩体所受的应力越高，电磁辐射的强度就越大，特别是在工作面及巷道的支承压力影响区，电磁辐射的幅值明显高于非支承压力影响区。b) 电磁辐射可反映煤岩体的破坏程度。在煤岩体破坏剧烈的区域，即微裂隙形成和发展速率大的地方，不仅电磁辐射的脉冲数非常高，而且变化非常大。这也说明了煤岩体的加速破坏。

3) 冲击矿压与电磁辐射耦合规律。冲击矿压发生的过程中始终有应力的集中和煤岩的破坏，而煤岩体应力与破坏程度与电磁辐射有一定的耦合规律，同样，冲击矿压和电磁辐射也具有一定的耦合规律。

诱发和发生冲击矿压前后电磁辐射变化有这样的规律，即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，其电磁辐射值均达到、接近或超过临界值，之后发生冲击矿压。在冲击矿压发生前，电磁辐射的幅值有较大幅度的增长。例如，在工作面上头距风巷120 m 处，在测过以后不到半分钟，曾发生过一次煤炮(小型冲击)，其强度大约为70～80 dB，见图2。冲击矿压发生前后工作面煤壁处的电磁辐射强度的变化规律见图3。

图1 某矿原煤的实验示意图

图2 煤炮发生前电磁辐射脉冲数的变化趋势图

图3 冲击前后工作面电磁辐射的变化图

2 电磁辐射确定冲击矿压危险等级

1) 冲击矿压危险性等级的确定。煤岩变形破坏的ε(t)、w(t)与电磁辐射的幅值、脉冲数或声发射的事件数成正比，则采用电磁辐射方法确定煤岩破坏的危险性同样可采用下式，其中：N(t)为t时刻煤岩体的累计电磁脉冲次数，N为电磁脉冲次数临界值，N0为电磁脉冲次数初始值。

a) 幅值确定冲击危险程度。

采用电磁辐射的幅值确定冲击矿压的危险程度：

式中：

E— 2 min之内的平均幅值；

a，b—系数。对于徐州矿务集团三河尖矿的7204工作面来说，其电磁辐射幅值的临界值为60 mV，则系数a=0，b=120。

b) 用脉冲数确定冲击危险程度。

同样，可采用电磁辐射的脉冲数确定的危险性：

式中:

E—2 min之内每间隔10 s中脉冲数的增量最大值；

c,d—常数。对于徐州矿务集团三河尖矿的7204工作面来说，c=0，d=4。

由电磁辐射法确定冲击矿压危险状态确定分级表见表1。

表1电磁辐射法确定冲击矿压危险状态的分级表

冲击矿压危险等级井巷中冲击矿压危险状态冲击矿压7危险指数A无冲击危险0.3B弱冲击危险0.3～0.5C中等冲击危险0.5～0.75D强冲击危险0.75～0.95E不安全0.95

3 结 语

通过分析冲击矿压和电磁辐射发生的机理，以及电磁耦合规律论述，建立了冲击矿压和电磁辐射之间的联系。电磁辐射和煤的应力状态有关，应力高时，电磁辐射信号就强，则冲击危险越大。煤岩体在发生冲击矿压破坏以前，电磁辐射强度一般在某个值以下，而在冲击破坏时，电磁辐射突然增加。理论分析和生产实践测量分析均表明，利用电磁辐射可以预报冲击矿压，且结果准确，效果较好，对煤矿安全生产具有重要的意义。

[1] 窦林名,谢耀社.采矿地球物理学概论[M].徐州：中国矿业大学出版社，2005：113-120.

[2] 窦林名,何学秋.冲击矿压危险预测的电磁辐射原理[J].地球物理学进展，2005(2):427-431.

[3] 钱鸣高.石平五矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社,2003:294.

ForecastingRock-burstbyElectromagneticEmission

ZhangJi，XiaoShuang-shuang

Rock-burst is the consequence of energy accumulation and suddenly releasing .In the process of rock-burst, stress concentration and the deformation and failure of rock always exists. The electromagnetic emission (EME) will be formed during the process of coal rock deformation and failure .Therefore, the EME can be used to forecast rock-burst. Study shows that different value of stress in coal and rock and different extend of broken, will produce different electromagnetic emission. There is coupling rule between EME and coal rock stress and rock-burst .Based on the electromagnetic coupling rule, we can determine the risk of rock-burst and then forecast rock-burst through the observation of coal and rock electromagnetic emission parameters, such as amplitude, pulse etc.

Electromagnetic emission; Rock-burst; Coupling rule

张 继 男 1989年出生 2007年中国矿业大学在读本科生 徐州 221116

TD324

A

1672-0652(2010)07-0032-03

2010-05-10