基于电偶极子的煤岩破裂电磁辐射研究

2014-12-25王小旗

科技视界 2014年26期

王小旗侯争

（1.河南理工大学计算机科学与技术学院，河南焦作454000；2.河南工业和信息化职业学院，河南焦作454000）

0 引言

作为能源大国，煤矿安全一直是全国工业安全工作的重点。而煤矿瓦斯灾害，却是造成重大伤亡事故、影响生产进度、损失经济利益的主要原因，其中煤与瓦斯突出灾害的预防，是其中一个重要环节。研究可靠的突出预测方法，可有效保障矿井安全生产，提高矿井经济效益。因此，煤岩破裂的预测研究具有重大的实际意义及社会意义。

煤岩破裂预测作为瓦斯灾害防治综合措施是最重要的环节。目前，煤岩破裂预测方法主要有以下几种：声发射监测方法，电磁辐射预测方法，以及利用环境监测系统连续监测工作面的瓦斯涌出变化特征，分析瓦斯涌出与突出关系的预测方法。其中电磁辐射预测方法目前正在广泛研究开展中，但是如何在此基础上，开发出从软件到硬件实现整合的电磁辐射预测系统，将使煤岩破裂防治技术大幅度提升，对改善当前煤矿安全状况具有极其深远的意义。

1 煤岩破裂电磁辐射分析

1.1 理论分析

煤岩体同其他固体材料一样，都是由成千上万的电子、原子等基本粒子组成，当煤岩体受载变形破裂时，电子等带电粒子变速运动就会向外辐射电磁波，这就是电磁辐射现象。当煤岩相邻颗粒之间发生非均匀变形时，界面处的电平衡遭到破坏，在受拉界面会积累许多自由电荷，而在受压处则积累了同样数量的相反电荷，这就相当于电偶极子。因此，可以将煤岩破裂时的辐射源等效为电偶极子。

依据电磁波的传播理论，煤岩破裂时辐射的电磁波在分层媒质中的传播，可等效于辐射源在由“岩石层－煤层－岩石层”组成的三层媒质模型。研究煤岩破裂时电偶极子场源电磁波的正向传播规律可转化为分析该辐射源辐射的电磁波在各媒质层中电场和磁场的场量表达式。由于垂直和水平电偶极子是电磁辐射的基本模型，任何辐射源都可以分解为垂直和水平电偶极子的加和。因此，本文将针对电偶极子场源进行研究。

1.2 电磁波辐射场强的计算

由于水平电偶极子与垂直电偶极子场源辐射场强的计算思路基本相同，文章只讨论垂直电偶极子场源辐射场强的计算。

图1 垂直电偶极子情形

为方便理解建立直角坐标系。以电偶极子所在点为原点，该电偶极子的长度为dl，其电流为I·ejwt（A）。以垂直指向大地的方向为z轴正方向，如图1所示。根据实际情况，第一、三两层为岩石层，其电磁参数分别为μ1、ε1、σ1和μ3、ε3、σ3；第二层为煤层，其电磁参数为μ2、ε2和σ2。

垂直电偶极子情形下只有z分量，则垂直电偶极子场源情形下中间媒质层中各部分的电场和磁场场强表达式如下所示：

2 系统软件开发

关于三层煤质中的场强公式已经明确，为了将理论成果更好的应用到实际工程中，可将理论推演通过计算机编程来实现。在软件的选择上，鉴于Visual c++有很好的稳定性和兼容性，我们选用Visual C++6.0开发平台作为程序开发环境。

无论是电场场强E，还是磁场场强H，都是一个很复杂的积分算式，含有诸多参数，但最终都可转化为电导率σ1、σ2、σ3，磁导率μ1、μ2、μ3，媒质的介电常数角频率ω，电偶极子内的电流I，以及相应的坐标值x、y、z等。在所建三层媒质模型中，由于大地媒质在通常情况下为非铁磁性媒质，因而此时可设定典型分层媒质模型中各层媒质的导磁率相等，并且均等于空气导磁率，即μ1=μ2=μ3=0。第一、三两层为岩石层，所以σ1=σ3，σ1=σ3。这样一、三层媒质参数设为相等，便于编程实现。当场强计算公式必需的参数都一定的情况下，调用复数基本乘、除法函数，让程序中用到的复数运算都以实部和虚部的参数形式出现，避免了复杂的复数运算，再调用贝塞尔函数等，得出被积函数，准备进行积分。此时调用“积分定限函数”，确定积分限的情况下再进行龙贝格积分，将积分结果求模值，得出运算结果。具体的程序框图如图2所示。在场源参数都已知的前提下，用户根据需要变换坐标值的输入范围，计算出对应的场强数据，并可将对应场源参数、坐标值、场强数据存入相应数据库中，作为下一步场源定位查询的依据。