煤岩电磁辐射技术及其应用第二讲

一、煤岩动力灾害

——煤与瓦斯突出和冲击地压统一理论二者的区别二者的主要区别在于是否有瓦斯的作用，冲击地压一般没有或忽略了瓦斯的作用，而瓦斯在突出中的作用较明显和重要，不能忽略。发生介质属性：突出是软煤，以塑性体为主；冲击是较硬煤，大多是弹性体或弹塑性体，是脆性破坏。主导因素：突出除地应力外，有瓦斯参与，冲击地压属于矿压显现，主要是应力的作用，可远距离诱发。发生范围（区域性）：突出是局部性行为，冲击是较大范围的行为。发生位置：突出多发生在工作面，掘进面（含石门揭煤）占大多数，发生在回采工作面的较小；冲击主要发生在回采巷道、回采工作面和掘进巷道后方。发生持续时间：突出多是瞬间的持续行为，有过程性；冲击是瞬间性的，有冲击性和震动性。灾后介质的运动性：突出是瓦斯的喷出和煤的抛射，大多有长距离搬运性和分选性；冲击是整体性位移，无分选性。一、煤岩动力灾害

——顶板事故2011年9月24日15时19分，云南曲靖祠堂坡煤矿发生一起顶板垮落事故，造成5人死亡。《盲井》剧照现实版盲井煤体内开掘切割眼后应力重新分布a—切眼宽度；Q—切眼上部岩体重量；H—煤层距地面深度；γ—上覆岩层的容重工作面围岩应力分布a—增压区；b—减压区；c—稳压区基本顶初次垮落L1--初次垮落步距基本顶周期垮落（来压）示意图L2--周期垮落步距；h—直接顶厚度；m—煤层厚度岩层移动推测图(a)岩层内部破坏推测图1—冒落带；2—裂隙带；3—弯曲下沉带（b）沿工作面推进方向的分区(裂隙带)A-煤壁支承区；B-离层区；C-重新压实区《天工开物》(宋应星,1637)“其上支板，以防压崩耳。凡煤炭去空，而后以土填实其井

。”石材支护巷道支护

工字钢支护锚杆支护工作面支护金属支柱外注式单体液压支柱图支撑式液压支架掩护式液压支架支撑掩护式液压支架实验系统实验研究数值模拟电磁辐射非线性特征电磁辐射机理二、煤岩电磁辐射的研究二、煤岩电磁辐射的研究——研究概况

电磁辐射现象作为地震前兆为国内外学者所关注，前苏联、日本、美国、中国等国开展了这方面的研究；最早的电磁辐射研究可以追溯到20世纪30年代，前苏联学者斯捷潘诺夫在研究KCl晶体受载断裂过程中发现，有电磁脉冲产生；研究初期，实验材料仅限于花岗岩、大理岩等硬岩，Nitsan、钱书清、李均之、郭子祺、郭子强等人进行了这方面的研究；煤岩电磁辐射的研究起步较晚，V.Frid首先结合现场研究了采掘工作面的电磁辐射现象；何学秋和刘明举在我国首次通过实验研究证明，煤在变形破裂过程中有电磁辐射产生;中国矿业大学电磁辐射研究课题组王恩元、聂百胜等对煤岩破裂电磁辐射机理、效应、频谱、分形和统计特征、力电耦合、测试仪器、影响因素和煤岩灾害电磁辐射判据等进行了深入的理论和实验（试验）研究。二、煤岩电磁辐射的研究——实验系统

前置放大器1前置放大器2Disp-24声电动态监测系统1234567实验系统示意图1－压力试验机；2—绝缘垫块；3—电磁辐射接收天线；4—试样；5—声发射传感器；6—屏蔽网；7-屏蔽室电磁屏蔽室实验系统实验系统实物图实验系统电液伺服压力试验机CTA-1型声电数据采集系统课题组通过对不同煤矿、上千块煤岩试样的实验测试，主要研究了以下内容：不同类型煤岩冲击破坏的电磁辐射特性及与应力、变形之间的相关性；不同作用因素（加载方式：单轴压缩、单轴拉伸、磨擦、蠕变、冲击、三轴等）、加载速率、煤岩类型（不同矿区的煤岩、不同冲击危险性的煤、岩石、组合煤岩、不同含水量的煤岩）下的电磁辐射规律；电磁辐射与声发射的相关性。

二、煤岩电磁辐射的研究——实验研究

二、煤岩电磁辐射的研究——实验研究1、试样单轴压缩过程电磁辐射特征规律

木城涧煤矿原煤样实验典型测试结果二、煤岩电磁辐射的研究——实验研究1、试样单轴压缩过程电磁辐射特征规律

木城涧煤矿岩样实验典型测试结果二、煤岩电磁辐射的研究——实验研究1、试样单轴压缩过程电磁辐射特征规律

木城涧煤矿顶板-原煤-底板复合试样实验典型测试结果二、煤岩电磁辐射的研究——实验研究1、试样单轴压缩过程电磁辐射特征规律

从以上试样单轴加载破坏过程测试结果看，试样加载过程中电磁辐射变化与加载压力存在一定的相关关系。从表中可以看出，电磁辐射信号和加载压力的统计关系呈现正相关，且相关性较好。因此，从整体上来看，电磁辐射信号与加载压力呈正相关关系，加载压力越大，电磁辐射信号越强。电磁辐射信号基本能反映煤岩体的应力(或载荷)状态或煤岩体的变形破裂强度。二、煤岩电磁辐射的研究——实验研究

2、煤岩剪切过程电磁辐射特征规律

平煤八矿原煤剪切实验在加载初期出现较高的强度，在加载的中间阶段，有相对较为平静的区域，在主破坏发生前又逐渐增强，破坏时出现较高的强度，破坏后逐渐减弱。现场煤岩体动力灾害的发生很多是由于压剪破坏造成的，对这些灾害的预测预报应有针对性地进行监测，尤其要在电磁辐射和声发射信号先增大又减小之后，又开始增大，这往往预示着是较大灾害的来临。

3、煤岩摩擦过程电磁辐射特征规律

电磁辐射与载荷有较好的对应关系，电磁辐射随着摩擦力的增大而增大。脉冲数能量原煤摩擦实验电磁辐射图静摩擦阶段：主要为煤岩内部裂隙之间相互摩擦产生电磁信号，产生的电磁辐射脉冲数较少，能量较小。动摩擦阶段：除了内部产生电磁辐射外，煤岩之间摩擦也产生较强的电磁信号，电磁辐射脉冲数有所增加，能量也增强。二、煤岩电磁辐射的研究——实验研究

4、煤岩分级加载及蠕变过程电磁辐射特征规律

宽带50KHzб=3.5MPaб=4.8MPaб=5.9MPak3煤样在分级加载蠕变过程中测试结果煤样在发生蠕变的不同阶段所产生的电磁辐射脉冲数有所区别，煤样在蠕变的衰减阶段和等速蠕变过程中产生的电磁辐射脉冲数较小；而在加速蠕变阶段直至发生主破裂的过程中，所产生的电磁辐射脉冲数较大。这点对于预测煤与瓦斯突出特别是延期突出很重要。

二、煤岩电磁辐射的研究——实验研究5、煤岩三轴压缩过程电磁辐射特征规律

煤岩在三轴应力下变形破裂时有电磁辐射产生，基本上随着轴向应力的增大而增强，在应力峰值附近达到最大值。围压的存在，对电磁辐射的产生有很大的影响，围压较小时煤岩易破裂，电磁辐射信号初期较强；围压的逐渐增大阻碍了煤岩的破裂，初始条件下电磁辐射信号较小，但在破裂点处信号比较集中，强度较大。二、煤岩电磁辐射的研究——数值模拟

岩样破坏过程电磁辐射及压力曲线图

煤样破坏过程电磁辐射及压力曲线图

利用RFPA软件模拟分析煤岩破坏过程中应力变化、能量释放过程，结合煤岩电磁辐射物理数学模型，得出煤岩单轴压缩电磁辐射与载荷呈正相关性。二、煤岩电磁辐射的研究——R/S分析

孔庄原煤AE和EMR信号的R/S统计规律淮南型煤AE和EMR信号的R/S统计规律赫斯特指数H均大于0.5，而回归系数R均在0.94以上。可见，煤体破裂产生的EMR和AE呈现很好的赫斯特统计规律。煤样受载破裂产生的EMR信号与时间（载荷、变形）呈现正相关性，即EMR信号在时间上呈不断增强的趋势。现场工作面前方煤体在采动应力的作用下其EMR信号也是呈逐渐增强的趋势。二、煤岩电磁辐射的研究——分形分析

焦作型煤电磁辐射时间序列相空间重构分析焦作原煤电磁辐射时间序列相空间重构分析

电磁辐射脉冲数时序在相空间维数m=10以后关联维数不再随着m的增大而增大，此时的关联维数D2为2.5821，焦作型煤煤样的电磁辐射脉冲数时序是混沌时间序列，而非随机序列。

原煤煤样电磁辐射的关联维数D2为1.1362，焦作原煤煤样的电磁辐射脉冲数时间序列具有混沌特征。

二、煤岩电磁辐射的研究——电磁辐射规律总结

当煤岩体受载应力越大时，电磁辐射强度就越大。加载速率越大，变形破裂过程越强烈，电磁辐射信号越强，电磁辐射的脉冲数就越大。电磁辐射幅值能够反映煤岩体所处的应力状态和所积聚的弹性应变能。

电磁辐射预测煤岩动力灾害的基础二、煤岩电磁辐射的研究——电磁辐射机理

研究发现，煤岩体在载荷作用下变形破裂时，会产生电磁辐射。电磁辐射是煤岩体等非均质材料在受载情况下发生变形破裂时,煤体中电荷由于应力诱导极化和裂纹扩展过程中形成的带电粒子产生变速运动的结果。煤岩体中变形破裂单元界面间的电荷及电场重新分布，形成电偶极子群，向外发射电磁波。煤岩体的载荷越大，变形破裂过程越强烈，电荷密度及电偶极矩越大，电磁辐射信号越强。煤岩体的声发射是受载煤岩体以弹性波的形式向外释放应变能的过程。二、煤岩电磁辐射的研究

——电磁辐射预测煤岩动力灾害原理

煤岩材料的电磁辐射反映了材料的损伤程度，与材料内部缺陷的演化与繁衍直接相关。掘进或回采空间形成后，工作面煤体失去应力平衡，处于不稳定状态，煤壁中的煤体必然要发生变形或破裂，以向新的应力平衡状态过渡；煤体中的瓦斯也失去动态平衡，在瓦斯压力梯度的作用下，沿煤体中的裂隙向工作面空间涌出，这两种过程均会引起电磁辐射。二、煤岩电磁辐射的研究

——电磁辐射预测煤岩动力灾害原理

电磁辐射主要有两种形式：一种是当岩体受载时，在岩体中产生静电场，测试的电磁辐射强度与应力大小相关，应力越大，电磁辐射强度越大；另一种形式是，当岩体产生动态变形或破裂时，产生脉冲辐射场。岩体的变形破裂过程越强烈，电磁辐射信号越强，电磁辐射的脉冲数越大。电磁辐射的强度和脉冲数两项指标综合反映了岩体等材料的应力状态及变形破裂过程和强度。应力状态主要通过电磁辐射（感应场）强度来反映，动态变形及破裂频次主要通过电磁辐射脉冲数来反映。

电磁辐射监测预警装备电磁辐射技术及装备监测方法综合预警软件危险性预警准则三、电磁辐射技术方法及装备课题组研发了具有非接触、定向、远程监测及自动预警功能的煤岩动力灾害电磁辐射监测仪。三、电磁辐射技术方法及装备

——电磁辐射监测预警装备KBD5电磁辐射监测仪

接收天线监测主机远程通讯接口智能充电器三、电磁辐射技术方法及装备

——电磁辐射监测预警装备KBD5电磁辐射监测仪特点：适用条件：便携式、抽检、多点（230点）监测预报煤与瓦斯突出、冲击地压、顶板灾害等测试松动圈、应力集中区等结构：结构化设计，牢固，稳定性好区域性分析：当班测试结果，按空间连接时间趋势分析：对某一区域或某一测点，不同时间的测试数据，按时间进行连接电源：本安电池单元，可连续工作8小时非接触、高灵敏度、定向天线：实现预测预报准确性KBD5电磁辐射监测仪EMR信号分析软件KBD5电磁辐射监测及数据分析软件文件通信显示预测选项帮助新建库通信参数数据列表空间预测网络选项关于KBD5打开库移动监测曲线时间预测图表选项帮助分存库远程监测查找数据报警选项打印图表打开串口刷新人工连接监测仪复位数据信息智能连接数据转换报表┅退出KBD5电磁辐射监测及数据处理软件功能图三、电磁辐射技术方法及装备

——电磁辐射监测预警装备KBD5电磁辐射监测仪EMR信号分析软件三、电磁辐射技术方法及装备

——电磁辐射监测预警装备KBD5煤岩电磁辐射预警准则三、电磁辐射技术方法及装备

——电磁辐射监测预警装备（1）临界值法：当EMR强度或脉冲数超过临界值（采用模糊模式识别方法获取）时，监测仪自动报警，应采取防治措施。（2）动态趋势法：同一班次EMR强度或脉冲数有明显的增长趋势时；相邻班次或连续两天EMR强度或脉冲数增幅较大时；EMR强度或脉冲数突然大幅度降低时。主机接收天线远程传输电缆—接分站KBD7电磁辐射监测仪三、电磁辐射技术方法及装备

——电磁辐射监测预警装备KBD7电磁辐射监测仪特点：适用条件：与KJ煤矿安全监测系统联网，定点区域性、在线监测煤与瓦斯突出、冲击地压等监测信号：宽频带（1k~500kHz）电磁辐射信号监测指标：电磁辐射强度和脉冲数监测方式：非接触、定向区域、实时连续全程监测预警方式：超限自动报警与动态趋势自动报警防爆型式：矿用本质安全型信号传输方式：4-20mA;1-5mA;200-1000Hz三、电磁辐射技术方法及装备

——电磁辐射监测预警装备KBD7电磁辐射监测仪EMR信号分析软件KBD7电磁辐射监测及数据处理软件功能图KBD7电磁辐射监测及数据分析软件系

统设

置实时监测数据管理报

表帮助新建监测设置图表显示查询显示信息输入关于KBD7打开文件路径表格显示文件分析打印输出主题帮助保存另存为打印打印预览┅退出三、电磁辐射技术方法及装备

——电磁辐射监测预警装备三、电磁辐射技术方法及装备

——电磁辐射监测预警装备KBD7电磁辐射监测仪EMR信号分析软件软件系统架构示意图三、电磁辐射技术方法及装备

——电磁辐射监测预警装备KBD7电磁辐射监测仪EMR信号分析软件三、电磁辐射技术方法及装备

——电磁辐射监测预警装备KBD7电磁辐射监测仪EMR信号分析软件KBD-7煤岩电磁辐射预警准则三、电磁辐射技术方法及装备

——电磁辐射监测预警装备1）测试的电磁辐射平均值超过临界值。2）电磁辐射时间序列呈现急剧增长趋势。3）电磁辐射平均值在相邻两天或两个班次波动超过30%。4）电磁辐射时间序列在呈现一个增长趋势后突然降低，经过一段时间的平静期后，再次增强，超过临界值的70%以上时。煤与瓦斯突出预测预报；冲击地压预测预报；顶板稳定性监测；松动圈测试；应力集中区测试；解危措施效果检验；隧道稳定性监测；金属矿山岩爆监测。三、电磁辐射技术方法及装备

——电磁辐射监测仪应用领域及范围

电磁辐射强度主要反映了煤岩体的受载程度及变形破裂强度，脉冲数主要反映了煤岩体变形及微破裂的频次。煤岩变形破裂→电磁辐射→KBD5监测仪→显示、存储→地面计算机及软件→进一步分析及预报。天线支架煤层支架天线有效监测范围天线1#支架天线天线支架煤层2#0.7m60°60°7~22m有效监测范围测点间距10~20m巷道接收天线监测仪

掘进工作面电磁辐射天线布置方式及位置回采工作面或巷道移动式监测三、电磁辐射技术方法及装备

——电磁辐射技术及装备监测方法KBD5监测方法在工作面前方布置定向接收天线，朝向监测区域。采用非接触、定向区域、实时连续监测电磁辐射。利用电磁辐射监测仪采集及处理数据，现场实时监测报警，并将结果传输到监测预警中心。煤巷掘进工作面监测方式三、电磁辐射技术方法及装备

——电磁辐射技术及装备监测方法KBD7监测方法采煤工作面连续监测方式三、电磁辐射技术方法及装备

——电磁辐射连续监测方法KBD7监测方法三、电磁辐射技术方法及装备

——综合预警软件煤与瓦斯突出综合监测分析系统软件界面图三、电磁辐射技术方法及装备

——综合预警软件测点位置管理界面电磁辐射测点设置界面区域动态连接功能界面图三、电磁辐射技术方法及装备

——综合预警软件常规指标综合分析功能界面图突出常规指标数据管理功能界面煤与瓦斯突出预测预报冲击地压预测预报顶板稳定性监测矿压监测应力集中区测试解危措施效果检验四、电磁辐射技术的应用四、电磁辐射技术的应用

——预测煤与瓦斯突出淮南谢一矿突出监测有突出危险灾害发生前，电磁辐射及其变化率有显著的增加，具有突出危险性。淮南谢一矿电磁辐射实时监测数据电磁辐射指标与常规指标的关系（鹤岗南山矿）鹤岗南山238工作面电磁辐射指标与常规指标对比鹤岗南山煤矿电磁辐射指标与钻孔瓦斯涌出初速度q、钻屑量(s)和钻屑瓦斯解吸指标(△h2)相关性较好。四、电磁辐射技术的应用

——预测煤与瓦斯突出四、电磁辐射技术的应用

——预测煤与瓦斯突出焦作九里山煤矿15011工作面EMR与常规指标之间的关系徐州张集矿回采面EMR与钻屑瓦斯解吸指标的关系电磁辐射与常规指标测试结果基本一致，当现行常规预测结果较大时，电磁辐射强度或脉冲数也较大，反之亦然。四、电磁辐射技术的应用

——预测冲击地压对回采工作面上下顺槽的电磁辐射分布规律进行了测试及分析。在动压区内，电磁辐射强度较高。工作面顺槽内电磁辐射分布规律（鹤岗南山矿）回采工作面顺槽内电磁辐射分布规律四、电磁辐射技术的应用

——预测冲击地压工作面皮带道电磁辐射变化规律237工作面皮带道电磁辐射变化规律从05年12月23日到06年1月7日，电磁辐射数据一直较小，且长时间比较稳定，说明这段时间内的防冲治理措施非常有效。1月8日以来，电磁辐射逐渐增强，1月10日夜班达到当期最大值，之后基本呈下降趋势。1月12日上午11时发生微型冲击，溜子道和工作面下部发生轻微变形。1月12日微型冲击后，电磁辐射基本呈逐渐增强趋势。1月18日工作面停止工作，采取卸压措施，1月19日大班电磁辐射数值下降。四、电磁辐射技术的应用

——预测冲击地压四、电磁辐射技术的应用

——预测冲击地压灾害发生前，电磁辐射及其变化率有显著的增加。当电磁辐射信号较强，或电磁辐射信号呈现明显的增强趋势或剧烈变化时，有发生冲击地压的危险。通过电磁辐射可以实时监测煤岩破坏过程，预测煤岩动力灾害。华丰矿1409采面电磁辐射时间序列关联维趋势图华丰矿1409采面上平巷电磁辐射趋势图四、电磁辐射技术的应用

——预测冲击地压四、电磁辐射技术的应用

——预测冲击地压五龙矿电磁辐射实时监测数据四、电磁辐射技术的应用

——预测冲击地压鹤岗南山矿“12.12冲击”前后237工作面电磁辐射的变化情况四、电磁辐射技术的应用

——顶板稳定性监测2004年4月，木城涧矿开始采用电磁辐射技术监测冲击地压及顶板稳定性。顶板活动过程伴随有电磁辐射信号产生，顶板冒落前电磁辐射有异常反映。

5.26冒落120m25.27冒落1000m2木城涧煤矿3段采掘平面图四、电磁辐射技术的应用

——顶板稳定性监测顶板稳定状态和异常状态电磁辐射信号脉冲数的变化四、电磁辐射技术的应用

——矿压观测2月27日~3月2日电磁辐射记录与综采支架压力监测对比记录电磁辐射与矿压观测对比：1409工作面3月8日到3月31日电磁辐射记录与综采支架压力监测记录周期来压周期来压周期来压周期来压周期来压四、电磁辐射技术的应用

——矿压观测电磁辐射与矿压观测对比：电磁辐射对周期来压也有明显的反映，用电磁辐射法监测顶板压力情况及工作面周期来压情况是完全可行的。05年6月15日顶板来压前工作面支护阻力逐渐上升，6月15日支护阻力达到峰值，来压之后支护阻力值明显降低。（测点20）反映了工作面来压期间电磁辐射信号的变化规律，6月13日-14日电磁辐射强度逐渐上升是6月15日顶板来压的前兆，到6月15日电磁辐射强度达到峰值，来压后(6月16日)出现了电磁辐射信号的显著降低。电磁辐射的变化可反映顶板来压的情况。高柱面(6.10-6.19)测点