聲發(fā)射與電磁輻射綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)研究
摘要：每一種技術(shù)都有一定的適用范圍和影響因素。本文運(yùn)用聲發(fā)射和電磁輻射的原理，將此兩種采礦地球物理方法合二為一，進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警，能實(shí)現(xiàn)兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，充分發(fā)揮兩者的作用，更加精確的監(jiān)測(cè)煤巖體沖擊傾向性。對(duì)解決采礦作業(yè)的安全性和保證礦井生產(chǎn)的連續(xù)性有重要的作用。
關(guān)鍵詞：聲發(fā)射;電磁輻射;煤巖體;沖擊礦壓;綜合監(jiān)測(cè)
0、引言
我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量豐富，是世界第一大產(chǎn)煤國(guó)，也是消費(fèi)大國(guó)，2009 年產(chǎn)煤已達(dá)到30.5億噸。隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采深度的增加和開(kāi)采強(qiáng)度的增大，采場(chǎng)地應(yīng)力增高，加上煤炭賦存條件復(fù)雜(如構(gòu)造、瓦斯等)的影響，沖擊地壓、煤與瓦斯突出和突水等煤巖動(dòng)力災(zāi)害事故發(fā)生次數(shù)和強(qiáng)度日趨嚴(yán)重，對(duì)礦井高產(chǎn)高效生產(chǎn)和人員安全造成了嚴(yán)重的影響。所以加強(qiáng)對(duì)煤巖動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)測(cè)，對(duì)保護(hù)井下礦工的生命安全和保障煤礦的正常生產(chǎn)具有十分重要的意義。
目前監(jiān)測(cè)煤巖動(dòng)力災(zāi)害的技術(shù)有有限元數(shù)值模擬、煤巖體應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)、微震監(jiān)測(cè)及定位技術(shù)和電磁輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)等，并取得了一定的成果。本文利用聲發(fā)射和電磁輻射的各自特點(diǎn)，將電磁輻射技術(shù)和聲發(fā)射技術(shù)合二為一，進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)，對(duì)提高煤巖動(dòng)力災(zāi)害預(yù)警的適用性和準(zhǔn)確性有重要的作用。
1、聲發(fā)射和電磁輻射簡(jiǎn)介
聲發(fā)射技術(shù)和電磁輻射技術(shù)都是采礦地球物理方法，是目前監(jiān)測(cè)煤巖動(dòng)力災(zāi)害的主要技術(shù)手段。
聲發(fā)射是指煤或巖石等材料內(nèi)部迅速釋放能量而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的一種物理現(xiàn)象。聲發(fā)射法就是以脈沖形式記錄的，低能量地音現(xiàn)象。其主要特征是振動(dòng)頻率從幾十到至少2000Hz或更高，能量低于102 J，下限不定，振動(dòng)范圍從幾到大約200m。它是一種動(dòng)態(tài)無(wú)損傷檢測(cè)方法，其信號(hào)來(lái)自缺陷本身，可以判斷缺陷的活動(dòng)性和嚴(yán)重性。由于其振動(dòng)頻率從0～2000Hz 或更高，容易受到機(jī)電噪音的干擾，因而對(duì)數(shù)據(jù)的正確解釋要有更為豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)和現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。
電磁輻射是指煤或巖石等非均質(zhì)材料在受載破裂過(guò)程中向外輻射能量的過(guò)程或現(xiàn)象，是非均質(zhì)體各部分非均勻變速變形引起的電荷遷移和裂紋擴(kuò)展過(guò)程中形成的帶電粒子變速運(yùn)動(dòng)而形成的。電磁輻射法是一種非接觸抗干擾能力強(qiáng)的`技術(shù)，電磁輻射強(qiáng)度主要反映了煤巖體的受載程度及變形破裂強(qiáng)度，脈沖數(shù)主要反映了煤巖體變形及微破裂的頻次。電磁輻射還可用于檢測(cè)煤巖動(dòng)力災(zāi)害防治措施的效果，評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性，確定采掘面周?chē)膽?yīng)力應(yīng)變，評(píng)價(jià)混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等。
2、綜合監(jiān)測(cè)理論機(jī)制
煤巖體是包含大量缺陷體的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)體。在煤巖體的受載變形破裂過(guò)程中，通過(guò)壓電效應(yīng)、摩擦作用、斷裂輻射、極化、熱電子發(fā)射、場(chǎng)致發(fā)射及流動(dòng)電動(dòng)勢(shì)等機(jī)制均能產(chǎn)生自由電荷或分離電荷，進(jìn)而產(chǎn)生電磁輻射。同時(shí)，煤巖在變形和破斷過(guò)程中也會(huì)伴隨聲發(fā)射現(xiàn)象。
2.1 煤巖聲發(fā)射監(jiān)測(cè)理論基礎(chǔ)
巖石的聲發(fā)射與巖石在載荷作用下破壞的過(guò)程密切相關(guān)。根據(jù)連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)理論，損傷因子D 是煤巖材料損傷形式的微孔洞、微裂縫面積與材料損傷前總承載面積之比。當(dāng)D為0 時(shí)，對(duì)應(yīng)于煤巖完全無(wú)損傷狀態(tài);當(dāng)D 為1 時(shí)，對(duì)應(yīng)于煤巖完全損傷狀態(tài)，即煤巖完全喪失任何拉應(yīng)力的能力;D 在(0,1)之間時(shí),則代表不完全斷裂。
2.2 煤巖應(yīng)力與電磁輻射耦合理論
受載煤巖體電磁輻射是其在形變破裂過(guò)程中由于微裂而向外輻射電磁波的一種現(xiàn)象。顯然微破裂是材料內(nèi)部微損傷的結(jié)果，因此可以肯定電磁輻射和煤巖的損傷之間有必然的聯(lián)系。即就是說(shuō)，電磁輻射可以代表煤巖微損傷的程度。
3、聲發(fā)射和電磁輻射與巖石應(yīng)力的擬合規(guī)律
3.1 煤巖聲發(fā)射規(guī)律
聲發(fā)射的形成是力學(xué)現(xiàn)象，對(duì)于最低能量信號(hào)，聲發(fā)射源是斷裂，就像金屬研究中的結(jié)果一樣。根據(jù)塑性變形的斷裂理論，彈性波的發(fā)射僅在斷裂速度變化時(shí)發(fā)生，即在斷裂的加速或延緩時(shí)發(fā)生。對(duì)于較高能量的聲發(fā)射信號(hào)，則是巖石的脆性破斷，顆粒間的滑移，以及塑性滑移和塑性變形的邊緣區(qū)域發(fā)生。而再大一些的能量信號(hào)則是巖石的宏觀破斷或不同部分的巖石位移產(chǎn)生的。
巖石的宏觀破壞滯后于聲發(fā)射活動(dòng)的高峰期，聲發(fā)射活動(dòng)高峰后的下降和平衡，并不表明巖體趨于穩(wěn)定，而是巖體已經(jīng)發(fā)生了結(jié)構(gòu)破壞。從而可以通過(guò)測(cè)定煤巖體的聲發(fā)射強(qiáng)弱，來(lái)監(jiān)測(cè)煤巖體沖擊性。
3.2 沖擊煤巖電磁輻射規(guī)律
在單軸壓縮、拉伸、剪切、摩擦和三軸壓縮應(yīng)力狀態(tài)下，煤巖變形破裂過(guò)程中伴隨有電磁輻射信號(hào)產(chǎn)生，且應(yīng)力越大，電磁輻射越強(qiáng);大部分試樣在主破壞前電磁輻射及其變化率有顯著的增強(qiáng)[7]。煤巖試樣在發(fā)生沖擊性破壞前，電磁輻射強(qiáng)度一般在某個(gè)值以下，在沖擊破壞時(shí)，電磁輻射強(qiáng)度突然增加。如果將煤巖體在載荷作用下，沖擊破壞時(shí)最大應(yīng)力的80%作為煤巖體沖擊破壞的應(yīng)力預(yù)警區(qū)。由于電磁輻射與煤巖應(yīng)力具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此可得出煤巖體沖擊破壞應(yīng)力預(yù)警區(qū)的電磁輻射預(yù)警值。根據(jù)確定的預(yù)警值進(jìn)行煤巖體沖擊破壞的預(yù)報(bào)。
結(jié)果表明煤巖體電磁輻射的脈沖數(shù)隨著載荷的增大及變形破裂的增強(qiáng)而增大，即煤巖體應(yīng)力越大，變形破裂越強(qiáng)，電磁輻射信號(hào)也越強(qiáng)。
4、井下綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置
運(yùn)用聲發(fā)射和電磁輻射理論，可對(duì)采掘工作面或巷道進(jìn)行區(qū)域和動(dòng)態(tài)性的綜合監(jiān)測(cè)和預(yù)警。先用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀測(cè)試并確定危險(xiǎn)性較大的區(qū)域，然后用在線(xiàn)式電磁輻射儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其綜合測(cè)量系統(tǒng)布置。
該系統(tǒng)以KJ 系列礦井環(huán)境與安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為通訊平臺(tái)，以聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀和電磁輻射監(jiān)測(cè)儀作為傳感器掛接到KJ 系列分站，將聲發(fā)射和電磁輻射監(jiān)測(cè)到的信號(hào)經(jīng)KJ 系列監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳送至計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)中心，通過(guò)終端機(jī)的監(jiān)測(cè)與相關(guān)分析軟件的數(shù)據(jù)處理，對(duì)煤巖動(dòng)力災(zāi)害的聲發(fā)射和電磁輻射信號(hào)采集和分析預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)較大范圍內(nèi)的整體監(jiān)測(cè)和針對(duì)某一具體危險(xiǎn)區(qū)域連續(xù)監(jiān)測(cè)。從而可以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行預(yù)警提示，當(dāng)危險(xiǎn)程度提高時(shí)，提示采取防治措施，達(dá)到保證采礦作業(yè)人員的安全和保障礦井連續(xù)生產(chǎn)的目的。
5、結(jié)論
本文介紹了聲發(fā)射和電磁輻射綜合監(jiān)測(cè)的原理。實(shí)驗(yàn)研究表明，隨著煤巖體所受載荷的增加及變形破裂的增大，即煤巖體應(yīng)力越來(lái)越大時(shí)，聲發(fā)射和電磁輻射信號(hào)也越來(lái)越強(qiáng)，但煤巖體的宏觀破壞滯后于生發(fā)射活動(dòng)的高峰期。從而可以通過(guò)聲發(fā)射和電磁輻射的強(qiáng)弱來(lái)監(jiān)測(cè)煤巖體的沖擊傾向性。
由于每一種法都有一定的適用性和影響因素，所以本文運(yùn)用聲發(fā)射和電磁輻射綜合監(jiān)測(cè)理論，采用一種新的監(jiān)測(cè)方法，即將聲發(fā)射和電磁輻射兩種采礦地球物理方法合二為一，實(shí)現(xiàn)兩種技術(shù)的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，能更加精確的監(jiān)測(cè)煤巖體沖擊傾向性。對(duì)解決采礦作業(yè)的安全性和保證礦井生產(chǎn)的連續(xù)性有重要的作用。
隨著采礦地球物理方法研究和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，聲發(fā)射和電磁輻射綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)有著非常廣泛的應(yīng)用前景，除可以應(yīng)用于監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)礦山煤巖動(dòng)力災(zāi)害等事故外，在露天礦邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)方面也有非常廣闊的應(yīng)用前景。
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