煤巖變形破裂的電磁輻射課件

采礦地球物理學(xué)概論七、煤巖變形破裂的電磁輻射竇林名博士后課程講義采礦地球物理學(xué)概論竇林名博士后課程講義17

煤巖變形破裂的電磁輻射電磁輻射技術(shù)是一種地球物理方法。巖石電磁輻射是指巖石受載破裂過程中向外輻射電磁能量的過程或現(xiàn)象。巖石破裂電磁輻射的觀測和研究是從地震工作者發(fā)現(xiàn)震前電磁異常后開始的．前蘇聯(lián)和我國是在這方面開展研究較早的國家，還有日本和美國等國家也開展了這方面的研究工作．在近25~30年內(nèi)巖石破裂電磁輻射效應(yīng)的研究，無論是在理論研究方面，還是在應(yīng)用研究方面，都取得了飛速發(fā)展，特別是在地震方面用于預(yù)報地震。但是研究多限于大理巖、花崗巖和石英巖等堅硬巖石，而且大多數(shù)研究僅限于定性研究。從九十年代開始，中國礦業(yè)大學(xué)對7

煤巖變形破裂的電磁輻射電磁輻射技術(shù)2載荷作用下煤體的電磁輻射特性及規(guī)律進行了較為深入的定性和定量研究，取得了很多成果。7.1

煤巖破壞的電磁輻射現(xiàn)象研究表明,電磁輻射是煤體等非均質(zhì)材料在受載情況下發(fā)生變形及破裂的結(jié)果,是由煤體各部分的非均勻變速變形引起的電荷遷移和裂紋擴展過程中形成的帶電粒子產(chǎn)生變速運動而形成的。圖7-1是某礦原煤的實驗結(jié)果，共記錄到67個事件。圖中只給出部分事件的記錄結(jié)果，圖中橫坐標(biāo)為時間t/s，縱坐標(biāo)為振幅，縱坐標(biāo)邊上的1，2…16為儀器的通道號nch。采樣速率為2MHz。載荷作用下煤體的電磁輻射特性及規(guī)律進行了較為深入的定性和定量3圖7-1某礦原煤電磁輻射實驗記錄結(jié)果圖7-1某礦原煤電磁輻射實驗記錄結(jié)果47.1.1

煤樣試驗圖7-2為7#煤的典型應(yīng)力—時間、電磁輻射（EME）脈沖數(shù)—時間、電磁輻射幅值—時間曲線圖。圖7-3為9#煤的典型應(yīng)力—時間、電磁輻射（EME）脈沖數(shù)—時間、電磁輻射幅值—時間曲線圖。7.1.1

煤樣試驗5煤巖變形破裂的電磁輻射課件6圖7-27煤的試驗結(jié)果圖7-39煤的試驗結(jié)果圖7-27煤的試驗結(jié)果圖77.1.2

泥巖和砂巖樣試驗圖7-4為泥巖的典型應(yīng)力—時間、電磁輻射幅值—時間和聲發(fā)射—時間曲線圖。圖7-5為砂巖的典型應(yīng)力—時間、電磁輻射幅值—時間和聲發(fā)射—時間曲線圖。7.1.2

泥巖和砂巖樣試驗8圖7-4泥巖巖樣的試驗結(jié)果圖7-5砂巖巖樣的試驗結(jié)果圖7-4泥巖巖樣的試驗結(jié)果圖7-597.1.3

混凝土試樣試驗圖7-6為混凝土試樣的典型應(yīng)力—時間、電磁輻射幅值—時間曲線和聲發(fā)射—時間關(guān)系圖。7.1.3

混凝土試樣試驗10圖7-6混凝土試樣的試驗結(jié)果圖7-6混凝土試樣的試驗結(jié)果117.1.4

受載煤體的Kaiser效應(yīng)受載煤體電磁輻射具有Kaiser效應(yīng)，見圖7-7所示。圖7-7煤巖電磁輻射與載荷間關(guān)系7.1.4

受載煤體的Kaiser效應(yīng)圖7-7127.2

試驗結(jié)果從上述試驗曲線分析，可得出如下結(jié)果：①不同類型的煤巖體在載荷作用下變形及破裂過程中都有聲發(fā)射和電磁輻射信號產(chǎn)生。在煤體的受載變形破裂過程中，電磁輻射基本上隨著載荷的增大而增強，隨著加載及變形速率的增加而增強。聲發(fā)射的變化規(guī)律也基本上隨著載荷的增大而增強，隨著加載及變形速率的增加而增強。②從煤的變形破壞試驗結(jié)果來看，煤試樣在發(fā)生沖擊性破壞以前，電磁輻射強度一般在某個值以下，而在沖擊破壞時，電磁輻射強度突然增加。從試驗的煤樣看，在發(fā)生沖擊性破壞以前，電磁輻射強度一般在60mmV左右，而在沖擊破壞時，電磁輻射強度最大7.2

試驗結(jié)果13達130mmV。③煤巖體電磁輻射的脈沖數(shù)隨著載荷的增大及變形破裂過程的增強而增大。載荷越大，加載速率越大，煤體的變形破裂越強烈，電磁輻射信號也越強。④受載煤體電磁輻射具有Kaiser效應(yīng)。煤巖體的組成及結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，包括許多礦物雜質(zhì)，是典型的非均質(zhì)材料。我們完全可以把煤巖體看作是由一些顆粒包裹體(簡稱單元)粘結(jié)在一起而組成的，不僅是顆粒包裹體與界面處膠結(jié)物的強度及變形特性不同，而且顆粒包裹體之間在強度及變形方面也有顯著的差異，因此煤巖體中的應(yīng)力及應(yīng)變分布相當(dāng)不均勻。任何巖石中都有自由的(電子)和束縛的(離子)電荷，煤體也不例外。當(dāng)煤體發(fā)生不均勻應(yīng)變時，壓縮區(qū)域達130mmV。14的自由電荷濃度升高，而低應(yīng)力區(qū)或拉伸區(qū)域的自由電荷濃度降低，這必然使自由電荷由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴散、運移。低速擴散過程中產(chǎn)生低頻電磁輻射，并在試件表面積累表面電荷。高應(yīng)變區(qū)主要位于強度不同的顆粒界面處強度較低的單元內(nèi)，煤巖體的破裂主要是沿著顆粒之間的界面而進行的。煤巖體顆粒之間的作用是通過電場或電荷來完成的。當(dāng)相鄰顆粒之間發(fā)生非均勻形變時，其界面處的電平衡被打破，產(chǎn)生局部激發(fā)，結(jié)果是受拉的界面處積累了自由電荷(主要是電子)，而受壓的顆粒內(nèi)部積累了相反符號的電荷。從總體宏觀上來看，在試樣表面積累了電荷，形成了庫侖場(或靜電場)。當(dāng)變形非常緩慢或勻速的情況下，自由電荷來得及消退以適應(yīng)電平衡的變化，因而對外的自由電荷濃度升高，而低應(yīng)力區(qū)或拉伸區(qū)域的自由電荷濃度降低，15并不產(chǎn)生電磁(脈沖)輻射。當(dāng)相鄰顆粒之間發(fā)生非均勻變速形變時，這種局部激發(fā)就會對外產(chǎn)生電磁(脈沖)輻射，這也主要是低頻電磁輻射。在煤巖材料的變形階段，由于顆粒之間的力學(xué)變形特性不同，必然發(fā)生顆粒之間的滑移，其結(jié)果是在滑移面發(fā)生強烈的激發(fā)，甚至在滑移面尖端形成了帶電粒子(主要是電子)發(fā)射，這種強烈的激發(fā)對外產(chǎn)生電磁輻射。煤巖材料的破裂呈張拉或“剪切型”張拉形式。煤巖體的裂紋擴展時，處于裂紋尖端表面區(qū)域中的電子在裂隙尖端區(qū)域中大量電子形成的電場的作用下，向裂紋內(nèi)部的自由空間區(qū)域發(fā)射，形成電子發(fā)射。同時，也可能產(chǎn)生帶負電的碎屑粒子發(fā)射。當(dāng)發(fā)生剪切摩擦?xí)r，同樣的道理，也會形成帶正電的粒子并不產(chǎn)生電磁(脈沖)輻射。當(dāng)相鄰顆粒之間發(fā)生非均勻變速形變時16發(fā)射。裂紋擴展時，在裂紋表面受拉的區(qū)域出現(xiàn)表面電荷，極性為負的，在裂紋表面受壓的區(qū)域出現(xiàn)正電荷。裂紋擴展時，在裂紋尖端形成了運動的偶極子群。在裂紋尖端的煤體本相處受拉區(qū)域仍表現(xiàn)為負電荷，這就是產(chǎn)生電子加速電場的原因，而周圍的壓應(yīng)力區(qū)帶正電。發(fā)射出來的這些低速運動帶電粒子在電場的作用下加速，當(dāng)帶電粒子碰撞到周圍環(huán)境介質(zhì)的分了或原子，或碰撞到周圍的煤巖體裂隙表面時會減速，在其變速運動過程中會產(chǎn)生電磁輻射。后者形成的電磁輻射也叫韌致輻射。由于可能形成了大量的帶電粒子，因此會產(chǎn)生從低頻電磁輻射到x光的寬頻帶電磁輻射。發(fā)射。17從上述分析可以得出，煤巖體產(chǎn)生電磁輻射，源于煤巖體的非均質(zhì)性，是由應(yīng)力作用下煤巖體中產(chǎn)生非均勻變速形變而引起的。受載煤巖體中發(fā)生以下電荷(或帶電粒子)運動過程：（1）煤巖材料變形及破裂時能夠產(chǎn)生電磁場，有兩種形式：一種是由電荷，特別是試樣表面積累電荷引起的庫侖場(或準(zhǔn)靜電場)，另一種是由帶電粒子作變速運動而產(chǎn)生的電磁輻射，是一種脈沖波。（2）在非均勻應(yīng)力作用下非均質(zhì)煤巖體各部分產(chǎn)生非均勻形變，由此引起電荷遷移，使原來自由的和逃逸出來的電子由高應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)或拉應(yīng)力區(qū)遷移，同時在試樣表面也積累了大量的電荷。由此形成了庫侖場(或準(zhǔn)靜電場)，或低頻電磁輻射。（3）裂紋形成及擴展前，裂紋尖端積累了大量的從上述分析可以得出，煤巖體產(chǎn)生電磁輻射，源于煤18自由電荷(電子)。裂紋擴展時，發(fā)射電子，由于裂紋不是勻速擴展，這必然向外輻射電磁波，這種電磁輻射與聲發(fā)射是同步的。（4）裂紋擴展后，裂紋局域煤體卸載收縮，在卸載的瞬時，裂紋尖端兩側(cè)附近區(qū)域煤體中電子濃度較高，形成了庫侖場。在該電場的作用下，發(fā)射出的電子產(chǎn)生加速運動，向外輻射電磁波；（5）出于摩擦等原因產(chǎn)生電磁輻射，也可能產(chǎn)生帶正(或負)電粒子；裂紋表面電荷也會發(fā)生張馳（6）運動的電荷碰撞周圍介質(zhì)分子或原子，使運動電荷減速，同時能使介質(zhì)分子或原子發(fā)生電離，發(fā)射電磁波。自由電荷(電子)。裂紋擴展時，發(fā)射電子，由于裂紋不是勻速擴展197.3

煤巖變形破裂的電磁輻射機理

7.3.1

煤巖體中帶電粒子運動激發(fā)的電磁場麥克斯韋電場環(huán)路定理為：式中，E為電場矢量；B為磁感矢量；S為以閉合回路L為邊界的曲面面積。麥克斯韋磁場環(huán)路定理為：式中，JD為位移電流，D為電感矢量，Jf為傳導(dǎo)電流矢量。（7-1）（7-2）（7-3）7.3

煤巖變形破裂的電磁輻射機理式中，20由麥克斯韋電場環(huán)路定理式（7-1）可知，只要磁感矢量隨時間的變化率不為零，即，那么在磁場變化的區(qū)域中就存在渦旋電場。另一方面，由麥克斯韋磁場環(huán)路定理（7-2）可知，只要電感矢量隨時間的變化率不為零，即，那么在電場發(fā)生變化的區(qū)域中，即使不存在傳導(dǎo)電流也必然存在磁場。因此，若在空間某一區(qū)域中存在著變化電場，則在該區(qū)域的附近將建立起變化磁場；而這個變化磁場又將在它的鄰近建立起變化電場。這種變化電場和變化磁場交替地產(chǎn)生，并且由近及遠地傳播開來，就形成了電磁波。從物理學(xué)的角度看，產(chǎn)生電磁波的機制是多種多樣的。但是，從微觀上來說，電磁輻射是出電荷運動而產(chǎn)生的。由麥克斯韋電場環(huán)路定理式（7-1）可知，只要21假設(shè)在外力作用下，煤巖體中帶電粒子沿某一特定軌道運動，則煤巖體中任意運動帶電粒子激發(fā)的電場和磁場為：式中，n為煤巖體介質(zhì)的折射率，c為真空中電磁波傳播速度，即光速。e為粒子的電荷，ε為介質(zhì)的絕對介電常數(shù)，v為粒子的速度，為粒子的加速度，r為粒子與觀察點之間的距離，n為r方向的單位矢量。（7-4）（7-5）假設(shè)在外力作用下，煤巖體中帶電粒子沿某一特定22可見，煤巖體中任意帶電粒子運動產(chǎn)生的電磁場包括兩部分：第一部分是運動電荷的庫侖場E1和與之相關(guān)的磁場B1；第二部分為輻射場，與加速度成正比。輻射場是橫向場，即E2和B2都與n垂直，并且E2和B2互相垂直。此外，輻射場與距離r成反比。從中可以看出，煤巖體變形及破裂過程中產(chǎn)生的電磁輻射與帶電粒子的電量及其運動加速度成正比。當(dāng)然與帶電粒子的密度有關(guān)，帶電粒子數(shù)越多，電磁輻射的強度也越高。加載速率越高，變形及破裂過程越強烈，單位時間內(nèi)形成的帶電粒子數(shù)就越多，其運動速度也越高，因而煤巖變形及破裂時電磁輻射的強度越高，頻率范圍也越寬。可見，煤巖體中任意帶電粒子運動產(chǎn)生的電磁場包括237.3.2

電磁輻射在煤巖介質(zhì)中的傳播煤巖介質(zhì)中電磁場是以波的形式存在的。電磁波在煤巖介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，電磁場幅值會發(fā)生衰減。電磁波在煤巖體中傳播時，其電場強度和磁場強度分別為：式中：式中，E為電場強度，H為磁場強度，b為電磁波衰減系數(shù)，a為相位常數(shù)，μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，σ為介質(zhì)的電導(dǎo)率，ω為電磁波的頻率。（7-6）（7-7）7.3.2

電磁輻射在煤巖介質(zhì)中的傳播式中：式中，E24上式表示電磁波沿R方向按負指數(shù)規(guī)律衰減。從能量的觀點看，電磁波衰減是由于電磁波在煤巖體介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)中帶電質(zhì)點在電磁場作用下產(chǎn)生柱復(fù)振動，質(zhì)點間的相互碰撞作用使電磁場能量變?yōu)橄男詿崮艿慕Y(jié)果，這樣對電磁場能量的吸收，便造成電磁場強度隨傳播距離的增加而減小，因此衰減系數(shù)又稱為吸收系數(shù)。從式（3-9）可以看出，衰減系數(shù)b與介質(zhì)常數(shù)ε、μ、σ和ω有關(guān)。隨著介質(zhì)電阻率的減小，或隨著介質(zhì)導(dǎo)電率的增大，衰減系數(shù)增大。這是由于隨著介質(zhì)電阻率的減小，二次感應(yīng)電流增加的緣故；隨著電磁場頻率的增高，衰減系數(shù)將增大。從式中可以看知，吸收系數(shù)或衰減系數(shù)與場頻率的關(guān)系可近似地取直線關(guān)系。上式表示電磁波沿R方向按負指數(shù)規(guī)律衰減。25電磁輻射在煤巖介質(zhì)中的傳播速度即相速為：式中，，為光速；εr為煤巖介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

從上式中可以看出，電磁輻射在煤巖體介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的介電常數(shù)、導(dǎo)電率(或電阻率)和電磁輻射頻率有關(guān)。介質(zhì)的介電常數(shù)越大，電磁輻射傳播速度越慢；介質(zhì)的導(dǎo)電率越低(或電阻率越高)，傳播速度越越快；電磁輻射信號的頻率越高，電磁輻射傳播的速度越大。在真空(或空氣)介質(zhì)中，σ＝0，εr=1，v1=c。在理想的絕緣介質(zhì)中，σ＝0，。在導(dǎo)電介質(zhì)中，σ≠0，，所以在導(dǎo)電介質(zhì)中電磁波傳播速度要壁（7-8）電磁輻射在煤巖介質(zhì)中的傳播速度即相速為：式中，26在理想均勻絕緣介質(zhì)中的要小。如果定義煤巖體中電磁波的振幅減小e（自然對數(shù)的底）倍的距離為有效傳播距離L，則有：L也稱為趨膚深度（或穿透深度）。從式（7-9）可以看出。煤巖介質(zhì)的電阻率越高（或電導(dǎo)率越低），則電磁輻射傳播的距離越大；電磁輻射的頻率越高，傳播的距離越短。（7-9）在理想均勻絕緣介質(zhì)中的要小。L也稱為趨膚深度（或穿透深度）。27介質(zhì)的絕對介電常數(shù)ε=εr·ε0，真空中的介電常數(shù)ε0＝8.85x10-12F/m。大多數(shù)造巖礦物的相對介電常數(shù)εr

很小，且變化范圍不大，幾乎全部非金屬礦物的εr

值皆在4~13之間變化。關(guān)于巖石、礦石的相對導(dǎo)磁率，除極少數(shù)鐵磁性礦物外，基本上等于1。認為是不隨頻率而變化的定值，即μ=μ0=4π×10-7H/m。介質(zhì)的絕對介電常數(shù)ε=εr·ε0，真空28可見，根據(jù)煤巖體材料的電磁常數(shù)ε、σ(或電阻率ρ)就可確定有效距離L與電磁波頻率間的關(guān)系。對于現(xiàn)場煤巖體來說，當(dāng)電磁場頻率低于lMHz時，σ/ωε>>1。如果用頻率f和電阻率ρ來表示，則通過簡化可得f和ρ的關(guān)系為：煤體的電阻率ρ一般在102~103Ω·m之間變化。當(dāng)選擇接收頻率上限為500KHz時，則預(yù)測范圍(或趨膚深度)為7.12~22.5m。(7-10)可見，根據(jù)煤巖體材料的電磁常數(shù)ε、σ(或電阻率29因為實際監(jiān)測距離遠小于電磁輻射的波長，因此屬于近區(qū)監(jiān)測。需要特別指出的是，不論近區(qū)或遠區(qū)，都同時有感應(yīng)場和輻射場存在，不過兩者比較起來，在近區(qū)感應(yīng)場很強，輻射場可忽略；在遠區(qū)輻射場較強，感應(yīng)場可忽略，因而近區(qū)主要表現(xiàn)出感應(yīng)場的性質(zhì)，遠區(qū)主要表現(xiàn)出輻射場的性質(zhì)。盡管在近區(qū)內(nèi)輻射場比感應(yīng)場弱，但仍比遠區(qū)的輻射場大得多，否則就要得出離波源越遠，輻射場越強的錯誤結(jié)論。實際上，輻射場由近及遠隨著距離的增加而逐漸衰減。7.4

電磁輻射能量計算煤巖體受載，破裂時向外釋放電磁波，這也反映因為實際監(jiān)測距離遠小于電磁輻射的波長，因此30了煤巖受載破壞釋放的能量。通過電磁輻射儀，可以測到煤巖體釋放電磁輻射的強弱，并以電壓的形成反映出來。對電磁輻射儀來說，其能量分析是針對其輸出信號進行的，瞬態(tài)信號的能量可定義為式中，V（t）為隨時向變化的電壓，R為電壓測量電信的輸入阻抗，采用數(shù)學(xué)處理方法，則取離散形式式中，Vi為取樣點的電壓，△t為取樣點的時間間隔，m為樣點數(shù)。（7-11）（7-12）了煤巖受載破壞釋放的能量。通過電磁輻射儀，可以測到煤巖體釋放317.5

現(xiàn)場測試結(jié)果研究主要以某礦沖擊礦壓動力災(zāi)害危險最大的7204工作面為基礎(chǔ)，兼顧9112工作面，并對另一煤礦2408沖擊礦壓工作面的電磁輻射進行了測定。1）

正常開采在沒有沖擊危險、工作面和巷道處于正常情況下的觀測結(jié)果見圖7-8、7-9所示。從圖中，可以看出，正常情況下，電磁輻射的幅值都比較小，脈沖數(shù)也較少，變化小。7.5

現(xiàn)場測試結(jié)果32圖7-89112工作面風(fēng)巷觀測結(jié)果之一圖7-99112工作面風(fēng)巷觀測結(jié)果之二圖7-89112工作面風(fēng)巷觀測結(jié)果之一圖7332）

煤體內(nèi)的電磁輻射工作面前方煤體內(nèi)不同位置處,測定的電磁輻射是不同的，由鉆孔口向煤體深部，首先是電磁輻射越來越大，出現(xiàn)最大值后，又逐漸降低，整體上呈現(xiàn)一個與應(yīng)力變化相類似的曲線（見圖7-10所示）。圖7-10煤體內(nèi)的電磁輻射變化規(guī)律2）

煤體內(nèi)的電磁輻射圖7-10煤體343）

工作面及周圍巷道區(qū)域電磁輻射分布在工作面不同區(qū)域，觀測到電磁輻射值是不同的。壓力大的區(qū)域，電磁輻射值就高；沖擊礦壓危險性高的區(qū)域，電磁輻射值高。圖7-11是華豐煤礦2408工作面觀測的電磁輻射值（圖中，上面一條曲線為最大值，下面一條曲線為平均值）。下平巷的沖擊礦壓危險性比上平巷的高。觀測的電磁輻射值也是如此。3）

工作面及周圍巷道區(qū)域電磁輻射分布35圖7-11a華豐煤礦2408工作面及電磁輻射測點布置圖圖7-11b華豐煤礦2408工作面及其周圍巷道內(nèi)的電磁輻射值圖7-11a華豐煤礦2408工作面及電磁輻射測點布置圖圖364）

壓力高峰區(qū)的電磁輻射在工作面前方煤壁內(nèi)的壓力高峰區(qū)，測定的電磁輻射值強度高，脈沖數(shù)變化大。說明煤層內(nèi)的應(yīng)力高，而且煤層處于不斷變形和破壞之中。圖7-12為9112工作面在距材料道15m處工作面煤壁內(nèi)測定的電磁輻射強度和脈沖數(shù)在2min內(nèi)的變化規(guī)律。從圖中，可以看出，煤層中的應(yīng)力處于不斷變化之中。a)幅值b)脈沖數(shù)圖7-12距材料道15m處工作面煤壁內(nèi)的電磁輻射值4）

壓力高峰區(qū)的電磁輻射a)幅值375）

支承壓力區(qū)的電磁輻射在工作面前方支承壓力高峰區(qū)，測定的電磁輻射值強度高，脈沖數(shù)變化大。同樣說明了煤層內(nèi)的應(yīng)力高，而且煤層處于不斷變形和破壞之中。圖7-13為9112工作面前方30m處材料道內(nèi)測定電磁輻射的結(jié)果。a)幅值b)脈沖數(shù)圖7-13工作面前方30m處材料道內(nèi)測定的電磁輻射值5）

支承壓力區(qū)的電磁輻射a)幅值386）

頂板運動規(guī)律與電磁輻射電磁輻射的變化規(guī)律與頂板的運動規(guī)律相吻合。如在采面推進42m、52m和62m時，工作面周期來壓。在來壓期間，電磁輻射值同樣增大，而且呈現(xiàn)與周期來壓一致的周期性變化。圖7-14為工作面在推進過程中，距采面50~60m風(fēng)巷范圍內(nèi)，電磁輻射幅值的變化規(guī)律。這與工作面周期來壓規(guī)律是一致的。另外，順槽中在老頂斷裂的位置，觀測到的電磁輻射值也較強，如圖7-15所示。圖7-14距采面50~60m風(fēng)巷內(nèi)電磁輻射圖7-15順槽中老頂斷裂處電磁輻射6）

頂板運動規(guī)律與電磁輻射圖7-14距采面397）

頂板斷裂破壞的電磁輻射工作面煤層頂板的斷裂破壞，觀測到電磁輻射幅幅值的劇烈變化，反映了頂板內(nèi)聚集的彈性能的釋放過程。圖7-16為7204工作面在推進57m，頂板斷裂破壞至中部時觀測的電磁輻射變化。圖7-16工作面中部頂板斷裂破壞7）

頂板斷裂破壞的電磁輻射圖7-16工作40圖7-17頂板斷裂到中上部圖7-18工作面中下部頂板垮落前2小時的電磁輻射圖7-17頂板斷裂到中上部圖7-18工作面中下部頂板41圖7-17為7204工作面頂板斷裂破壞至中上部時觀測的電磁輻射變化。而圖7-18則為工作面中下部頂板垮落前2小時的電磁輻射變化規(guī)律。測到的電磁輻射值非常低，反映了工作面中下部頂板已經(jīng)斷裂，頂板內(nèi)的彈性能已完全釋放。在工作面沒有進行采煤放炮的區(qū)段、頂板沒有垮落的區(qū)段，電磁輻射值非常高，而且其幅值變化較大。在進行了采煤放炮，頂板也已垮落的區(qū)域，則電磁輻射幅值很低，兩者相差近4倍。圖7-19為7204工作面各觀測點的電磁輻射值，高峰處為工作面未進行落煤放炮的區(qū)域，而老塘頂板也從下部垮落到了該處。圖7-17為7204工作面頂板斷裂破壞至中42圖7-197204工作面11月25日夜班各觀測點的電磁輻射值圖7-197204工作面11月25日夜班各觀測點的電磁438）

沖擊危險區(qū)域的電磁輻射在沖擊危險性高和壓力大的區(qū)域，觀測到的電磁輻射值也很高。而且在沖擊礦壓危險性高的區(qū)域，電磁輻射的幅值變化不大，但整體水平高。例如，11月19日中班，7204工作面自材料道向下60m范圍內(nèi)的電磁輻射幅值高，表明兩材料道間的煤柱壓力大，沖擊礦壓危險性高(見圖7-20)。在工作面沒有進行采煤放炮的區(qū)段、頂板沒有垮落、沖擊礦壓危險性高的區(qū)段，電磁輻射值非常高，而且其幅值變化較大。在進行了采煤放炮，頂板也已垮落的區(qū)域，則電磁輻射幅值很低，兩者相差近4倍。圖7-21為7204工作面各觀測點的電磁輻射值，高峰處為工作面未進行落煤放炮、沖擊礦壓危險性高的區(qū)域，而老塘頂板也從下部垮落到了該處。8）

沖擊危險區(qū)域的電磁輻射44圖7-2011月19日工作面電磁輻射值變化規(guī)律圖7-217204工作面11月25日夜班各觀測點的電磁輻射值圖7-2011月19日工作面電磁輻射值變化規(guī)律圖7-21459）

板炮與電磁輻射7204工作面為高沖擊礦壓危險工作面，在其生產(chǎn)過程中，煤層內(nèi)的板炮非常頻繁。在采用電磁輻射法觀測過程中，記錄了大量板炮形成的電磁輻射規(guī)律。如果在兩分鐘的測量記錄中，出現(xiàn)一兩個突然增高的幅值，而其余的幅值比較平緩，工作面又沒有其他影響，則說明煤層內(nèi)發(fā)生了釋放能量的板炮。圖7-22為通過電磁輻射儀觀測，記錄的工作面煤層內(nèi)板炮的發(fā)生及其規(guī)律。圖7-2211月11日中班測到的工作面上下部兩次板炮9）

板炮與電磁輻射圖7-2211月11日中班4610）

卸壓爆破前后的電磁輻射在工作面有沖擊礦壓危險區(qū)域內(nèi)進行卸壓爆破前后，電磁輻射值有明顯的變化。根據(jù)這個規(guī)律，可用電磁輻射方法檢測卸壓爆破的效果。卸壓爆破前后，煤體內(nèi)鉆屑量的變化規(guī)律，同樣證實了這一點。兩者觀測結(jié)果一致。圖7-23為卸壓爆破前后鉆孔鉆屑量的變化，圖7-24，7-25則為同一地點卸壓爆破前后電磁輻射的變化情況。a)卸壓爆破前b)卸壓爆破后圖7-23卸壓爆破前后鉆屑量的變化規(guī)律10）

卸壓爆破前后的電磁輻射a)卸壓爆47a)電磁輻射幅值b)電磁輻射脈沖數(shù)圖7-24卸壓爆破前電磁輻射值的變化規(guī)律a)電磁輻射幅值b)電磁輻射脈沖數(shù)圖7-25卸壓爆破后電磁輻射值的變化規(guī)律a)電磁輻射幅值b)48圖7-26為7204工作面上部隨工作面推進，其電磁輻射值的變化規(guī)律。從圖上可以明顯地看出絕大部分沖擊危險區(qū)域在卸壓爆破后，電磁輻射值有了明顯的下降，如11月12～18日，有的效果還非常好，特別是11月18日電磁輻射值下降的非常多。但有的效果也不理想，例如11月13日卸壓爆破后，電磁輻射值沒有明顯變化。圖7-26為7204工作面上部隨工作面推進，49圖7-26推進過程中工作面中上部電磁輻射值變化規(guī)律圖7-26推進過程中工作面中上部電磁輻射值變化規(guī)律5011）

沖擊礦壓與電磁輻射測試表明，在沖擊礦壓發(fā)生前，電磁輻射的幅值有較大幅度的增長。例如，在9112工作面上頭距風(fēng)巷120m處，在測量過后不到半分鐘，曾發(fā)生過一次煤炮（小型沖擊），其強度大約為70~80dB。在發(fā)生煤炮以前，電磁輻射儀測到了脈沖數(shù)和幅值的連續(xù)增長，反映了煤巖破壞發(fā)展、發(fā)生的過程，如圖7-27所示。圖7-27煤炮發(fā)生前電磁輻射脈沖數(shù)的變化趨勢11）

沖擊礦壓與電磁輻射圖7-2751在7204工作面開采期間，多次誘發(fā)了沖擊礦壓，同時也發(fā)生了兩次較大規(guī)模的沖擊礦壓，其沖擊地點和范圍為材料道從工作面向外13m開始的13m長，工作面從材料道往下11m開始的22m長的煤壁。從誘發(fā)和發(fā)生的沖擊礦壓前后電磁輻射變化情況看，有這樣的規(guī)律，即沖擊礦壓發(fā)生前的一段時間，電磁輻射值較高，之后有一段時間相對較低，但這段時間內(nèi)，其電磁輻射值均達到、接近或超過臨界值，之后發(fā)生沖擊礦壓。這說明了能量的聚集與釋放的過程。圖7-28，7-29為沖擊礦壓發(fā)生前后工作面煤壁和降低材料道處的電磁輻射強度的變化規(guī)律，其中圖7-28b，7-29b表示電磁輻射能量的變化規(guī)律。在7204工作面開采期間，多次誘發(fā)了沖擊礦52圖7-28沖擊前后工作面電磁輻射的變化圖7-28沖擊前后工作面電磁輻射的變化53圖7-29沖擊前后巷道電磁輻射的變化圖7-29沖擊前后巷道電磁輻射的變化54圖7-30誘發(fā)沖擊礦壓前后電磁輻射變化規(guī)律圖7-30為7204工作面12月16日誘發(fā)沖擊礦壓前后電磁輻射的變化規(guī)律。從這一點可以看出同樣的規(guī)律，即沖擊礦壓發(fā)生前的一段時間，電磁輻射連續(xù)增長或先增長，然后下降，之后又呈增長趨勢。圖7-30誘發(fā)沖擊礦壓前后電磁輻射變化規(guī)律557.6

煤巖變形破壞與電磁輻射耦合規(guī)律從以上觀測到的規(guī)律可知，采用電磁輻射法對沖擊礦壓的危險性評價及預(yù)測預(yù)報是可行有效的，從觀測到的結(jié)果就可以確定沖擊礦壓發(fā)生的區(qū)域和地點，這就對我們采取相應(yīng)的有針對性的防治措施提供了科學(xué)依據(jù)。煤巖電磁輻射是煤巖體受載變形破裂過程中向外輻射電磁能量的一種現(xiàn)象，與煤巖體的變形破裂過程密切相關(guān)。電磁輻射信息綜合反映了沖擊礦壓、煤與瓦斯突出等煤巖災(zāi)害動力現(xiàn)象的主要影響因素，電磁輻射強度主要反映了煤巖體的受載程度及變形破裂強度，脈沖數(shù)主要反映了煤巖體變形及微破裂的頻次。從上述強沖擊礦壓危險工作面的電磁輻射觀測的結(jié)果分析，可以得出：7.6

煤巖變形破壞與電磁輻射耦合規(guī)律561）煤巖體所受應(yīng)力與電磁輻射之間存在耦合關(guān)系。煤巖體所受的應(yīng)力越高，電磁輻射的強度就越大，特別是在工作面及巷道的支承壓力影響區(qū)，電磁輻射的幅值明顯高于非支承壓力影響區(qū)。2）電磁輻射可反映煤巖體的破壞程度。在煤巖體破壞劇烈的區(qū)域，即微裂隙形成和發(fā)展速率大的地方，不僅電磁輻射的脈沖數(shù)非常高，而且變化非常大。這也說明了煤巖體的加速破壞。3）煤巖體的沖擊破壞與電磁輻射有關(guān)。在煤巖體發(fā)生沖擊破壞前，電磁輻射的幅值突然增大，脈沖數(shù)也非常高，變化非常大。4）電磁輻射可測煤炮的發(fā)生。其特征是，發(fā)生煤炮時，電磁輻射的幅值突然有一高峰，脈沖數(shù)也是。而不象支承壓力區(qū)，在電磁輻射所測時間段內(nèi)，幅值都高。1）煤巖體所受應(yīng)力與電磁輻射之間存在耦合關(guān)系575）電磁輻射可反映工作面的來壓規(guī)律。頂板斷裂，老頂來壓的信息是通過煤層反映到磁輻射儀的。工作面頂板斷裂，老頂來壓的電磁輻射值變化有其自身的規(guī)律。在電磁輻射所測時間段內(nèi)，若頂板處于斷裂發(fā)展?fàn)顟B(tài)，則其幅值變化很大，由低到高，呈強烈的振蕩狀態(tài)。在巷道中頂板來壓、斷裂的區(qū)域，電磁輻射值明顯高于其他區(qū)域。6）電磁輻射可預(yù)測預(yù)報沖擊礦壓。從誘發(fā)和發(fā)生的沖擊礦壓前后電磁輻射變化情況看，有這樣的規(guī)律，即沖擊礦壓發(fā)生前的一段時間，電磁輻射值較高，之后有一段時間相對較低，但這段時間內(nèi)，其電磁輻射值均達到、接近或超過臨界值，之后發(fā)生沖擊礦壓。也就是說，沖擊礦壓發(fā)生前的一段時間，電磁輻射連續(xù)增長或先增長，然后下降，之后又呈增長趨勢。7）電磁輻射可檢驗卸壓爆破的效果。即在卸壓5）電磁輻射可反映工作面的來壓規(guī)律。頂板斷裂58爆破前，若所測的電磁輻射幅值高，說明煤巖體所受的應(yīng)力高，其中聚積有大量的彈性能。如果卸壓爆破后，電磁輻射值有了明顯的下降，說明應(yīng)力有了降低，能量得到了釋放；如果卸壓爆破后電磁輻射值沒有明顯的變化，甚至有所上升，則說明煤巖體中的彈性能沒有得到釋放，而且應(yīng)力更加集中，更容易發(fā)生沖擊礦壓。7.7

沖擊礦壓動力危險預(yù)測7.7.1

測點的布置因為采場周圍的應(yīng)力分布是不均勻的。有的地點，應(yīng)力集中程度小一些，而有些地點，應(yīng)力集中程度就高一些。觀測點的布置原則是既要監(jiān)測工作面的區(qū)域，又要監(jiān)測兩巷。而應(yīng)力集中程度高的區(qū)域，則是重點爆破前，若所測的電磁輻射幅值高，說明煤巖體所受的應(yīng)力高，其中59圖7-31電磁輻射探頭布置示意圖防治區(qū)域，對于重點區(qū)域，要多布置一些測點。故測線間距可定為10m，如圖7-31所示。這樣可覆蓋全部危險區(qū)域。圖7-31電磁輻射探頭布置示意圖防治區(qū)域，對于重點區(qū)域607.7.2

沖擊礦壓危險狀態(tài)確定1）危險性等級的劃分根據(jù)沖擊礦壓發(fā)生的原因，沖擊礦壓的預(yù)測預(yù)報、危險性評價及沖擊礦壓的治理，通過統(tǒng)計、模糊數(shù)學(xué)等的分析研究，可以對沖擊礦壓的危險程度按沖擊礦壓危險狀態(tài)等級評定的電磁輻射法定量化的分為五級，見表7-19。下面作一具體說明并附有關(guān)對策：A．無沖擊危險。沖擊礦壓危險狀態(tài)等級評定綜合指數(shù)Wt<0.3。所有的采礦工作可按作業(yè)規(guī)程規(guī)定的進行。B．弱沖擊危險。沖擊礦壓危險狀態(tài)等級評定綜合指數(shù)Wt=0.3~0.5（1）

所有的采礦工作可按作業(yè)規(guī)程規(guī)定的進行。7.7.2

沖擊礦壓危險狀態(tài)確定61（2）

采礦作業(yè)中加強沖擊礦壓危險狀態(tài)的觀察。C．中等沖擊危險。沖擊礦壓危險狀態(tài)等級評定綜合指數(shù)Wt=0.5~0.75。下一步的采礦工作應(yīng)與該危險狀態(tài)下的沖擊礦壓防治措施一起進行，而且至少通過預(yù)測預(yù)報確定沖擊礦壓危險程度不再上升。D．強沖擊危險。沖擊礦壓危險狀態(tài)等級評定綜合指數(shù)Wt=0.75~0.95。（1）

應(yīng)當(dāng)停止采礦作業(yè)，不必要的人員撤離危險地點。（2）

礦主管領(lǐng)導(dǎo)確定限制沖擊礦壓危險的方法及措施，以及沖擊礦壓防治措施的控制檢查方法，確定沖擊礦壓防治措施的人員。E．不安全。沖擊