聲發射與電磁輻射綜合監測預警技術研究

聲發射與電磁輻射綜合監測預警技術研究

　　摘要：每一種技術都有一定的適用范圍和影響因素。本文運用聲發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，進行綜合監測預警，能實現兩種技術的優勢互補，充分發揮兩者的作用，更加精確的監測煤巖體沖擊傾向性。對解決采礦作業的安全性和保證礦井生產的連續性有重要的作用。

　　關鍵詞：聲發射;電磁輻射;煤巖體;沖擊礦壓;綜合監測

　　0、引言

　　我國煤炭資源儲量豐富，是世界第一大產煤國，也是消費大國，2009 年產煤已達到30.5億噸。隨著我國煤礦開采深度的增加和開采強度的增大，采場地應力增高，加上煤炭賦存條件復雜(如構造、瓦斯等)的影響，沖擊地壓、煤與瓦斯突出和突水等煤巖動力災害事故發生次數和強度日趨嚴重，對礦井高產高效生產和人員安全造成了嚴重的影響。所以加強對煤巖動力災害的預測，對保護井下礦工的生命安全和保障煤礦的正常生產具有十分重要的意義。

　　目前監測煤巖動力災害的技術有有限元數值模擬、煤巖體應力現場測試、聲發射監測技術、微震監測及定位技術和電磁輻射監測技術等，并取得了一定的成果。本文利用聲發射和電磁輻射的各自特點，將電磁輻射技術和聲發射技術合二為一，進行綜合監測，對提高煤巖動力災害預警的適用性和準確性有重要的作用。

　　1、聲發射和電磁輻射簡介

　　聲發射技術和電磁輻射技術都是采礦地球物理方法，是目前監測煤巖動力災害的主要技術手段。

　　聲發射是指煤或巖石等材料內部迅速釋放能量而產生瞬態彈性波的一種物理現象。聲發射法就是以脈沖形式記錄的，低能量地音現象。其主要特征是振動頻率從幾十到至少2000Hz或更高，能量低于102 J，下限不定，振動范圍從幾到大約200m。它是一種動態無損傷檢測方法，其信號來自缺陷本身，可以判斷缺陷的活動性和嚴重性。由于其振動頻率從0～2000Hz 或更高，容易受到機電噪音的干擾，因而對數據的正確解釋要有更為豐富的數據庫和現場檢驗經驗。

　　電磁輻射是指煤或巖石等非均質材料在受載破裂過程中向外輻射能量的過程或現象，是非均質體各部分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變速運動而形成的。電磁輻射法是一種非接觸抗干擾能力強的技術，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煤巖動力災害防治措施的效果，評價邊坡穩定性，確定采掘面周圍的應力應變，評價混凝土結構的穩定性等。

　　2、綜合監測理論機制

　　煤巖體是包含大量缺陷體的非均質結構體。在煤巖體的受載變形破裂過程中，通過壓電效應、摩擦作用、斷裂輻射、極化、熱電子發射、場致發射及流動電動勢等機制均能產生自由電荷或分離電荷，進而產生電磁輻射。同時，煤巖在變形和破斷過程中也會伴隨聲發射現象。

　　2.1 煤巖聲發射監測理論基礎

　　巖石的聲發射與巖石在載荷作用下破壞的過程密切相關。根據連續介質損傷力學理論，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D為0 時，對應于煤巖完全無損傷狀態;當D 為1 時，對應于煤巖完全損傷狀態，即煤巖完全喪失任何拉應力的能力;D 在(0,1)之間時,則代表不完全斷裂。

　　2.2 煤巖應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程中由于微裂而向外輻射電磁波的一種現象。顯然微破裂是材料內部微損傷的結果，因此可以肯定電磁輻射和煤巖的損傷之間有必然的聯系。即就是說，電磁輻射可以代表煤巖微損傷的程度。

　　3、聲發射和電磁輻射與巖石應力的擬合規律

　　3.1 煤巖聲發射規律

　　聲發射的形成是力學現象，對于最低能量信號，聲發射源是斷裂，就像金屬研究中的結果一樣。根據塑性變形的斷裂理論，彈性波的發射僅在斷裂速度變化時發生，即在斷裂的加速或延緩時發生。對于較高能量的聲發射信號，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域發生。而再大一些的能量信號則是巖石的宏觀破斷或不同部分的巖石位移產生的。

　　巖石的宏觀破壞滯后于聲發射活動的高峰期，聲發射活動高峰后的下降和平衡，并不表明巖體趨于穩定，而是巖體已經發生了結構破壞。從而可以通過測定煤巖體的聲發射強弱，來監測煤巖體沖擊性。

　　3.2 沖擊煤巖電磁輻射規律

　　在單軸壓縮、拉伸、剪切、摩擦和三軸壓縮應力狀態下，煤巖變形破裂過程中伴隨有電磁輻射信號產生，且應力越大，電磁輻射越強;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[7]。煤巖試樣在發生沖擊性破壞前，電磁輻射強度一般在某個值以下，在沖擊破壞時，電磁輻射強度突然增加。如果將煤巖體在載荷作用下，沖擊破壞時最大應力的80%作為煤巖體沖擊破壞的應力預警區。由于電磁輻射與煤巖應力具有一定的對應關系，因此可得出煤巖體沖擊破壞應力預警區的電磁輻射預警值。根據確定的預警值進行煤巖體沖擊破壞的預報。

　　結果表明煤巖體電磁輻射的脈沖數隨著載荷的增大及變形破裂的增強而增大，即煤巖體應力越大，變形破裂越強，電磁輻射信號也越強。

　　4、井下綜合監測系統布置

　　運用聲發射和電磁輻射理論，可對采掘工作面或巷道進行區域和動態性的綜合監測和預警。先用聲發射監測儀測試并確定危險性較大的區域，然后用在線式電磁輻射儀實時監測。其綜合測量系統布置。

　　該系統以KJ 系列礦井環境與安全監測系統作為通訊平臺，以聲發射監測儀和電磁輻射監測儀作為傳感器掛接到KJ 系列分站，將聲發射和電磁輻射監測到的信號經KJ 系列監測系統傳送至計算機監測中心，通過終端機的監測與相關分析軟件的數據處理，對煤巖動力災害的聲發射和電磁輻射信號采集和分析預報，實現較大范圍內的整體監測和針對某一具體危險區域連續監測。從而可以結合現場情況及礦壓顯現規律進行預警提示，當危險程度提高時，提示采取防治措施，達到保證采礦作業人員的安全和保障礦井連續生產的目的。

　　5、結論

　　本文介紹了聲發射和電磁輻射綜合監測的原理。實驗研究表明，隨著煤巖體所受載荷的增加及變形破裂的增大，即煤巖體應力越來越大時，聲發射和電磁輻射信號也越來越強，但煤巖體的宏觀破壞滯后于生發射活動的高峰期。從而可以通過聲發射和電磁輻射的強弱來監測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，所以本文運用聲發射和電磁輻射綜合監測理論，采用一種新的監測方法，即將聲發射和電磁輻射兩種采礦地球物理方法合二為一，實現兩種技術的強強聯合、優勢互補，能更加精確的監測煤巖體沖擊傾向性。對解決采礦作業的安全性和保證礦井生產的連續性有重要的作用。

　　隨著采礦地球物理方法研究和應用領域的不斷擴大，聲發射和電磁輻射綜合監測技術有著非常廣泛的應用前景，除可以應用于監測預報礦山煤巖動力災害等事故外，在露天礦邊坡穩定性評價、混凝土結構的穩定性監測方面也有非常廣闊的應用前景。

　　參考文獻

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