《電磁輻射理論及其在煤巖動(dòng)力現(xiàn)象中的應(yīng)用》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《電磁輻射理論及其在煤巖動(dòng)力現(xiàn)象中的應(yīng)用（8頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

電磁輻射理論及其在煤巖動(dòng)力現(xiàn)象中的應(yīng)用 1. 介紹 煤巖動(dòng)力現(xiàn)象通常很難預(yù)測(cè)，當(dāng)其發(fā)生時(shí)嚴(yán)重影響煤礦生產(chǎn)和人員安全。隨著煤礦開采深度和采出率的不斷增長(zhǎng)，煤巖動(dòng)力現(xiàn)象變得更加嚴(yán)重。煤巖動(dòng)力現(xiàn)象的預(yù)測(cè)是煤礦安全的關(guān)鍵問題之一。為了預(yù)測(cè)這種現(xiàn)象并提高煤礦經(jīng)濟(jì)效益，發(fā)展健全準(zhǔn)確、對(duì)生產(chǎn)循環(huán)沒有影響或影響很小且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的預(yù)測(cè)方法至關(guān)重要。 目前煤礦中有兩種預(yù)測(cè)煤巖動(dòng)力現(xiàn)象的方法——傳統(tǒng)方法及地球物理實(shí)驗(yàn)方法。在傳統(tǒng)方法中，在煤巖中開鑿鉆孔，測(cè)量鉆出煤矸的最大體積(DCR)及速度(DCG)。這兩個(gè)參數(shù)用來(lái)評(píng)估鉆孔區(qū)域煤巖中動(dòng)力現(xiàn)象的潛在性。因此，這種傳統(tǒng)方法僅能預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)實(shí)施時(shí)鉆孔所在位置煤巖動(dòng)力風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，而不是實(shí)驗(yàn)區(qū)域附近區(qū)域的。因?yàn)橛羞@些局限，煤礦生產(chǎn)中，傳統(tǒng)方法在空間和時(shí)間上均不能提供連續(xù)不斷的煤巖動(dòng)力現(xiàn)象潛在危險(xiǎn)性信息且此方法較費(fèi)力。地球物理方法，例如地音法、微震法、電磁輻射法(EME)比傳統(tǒng)方法有效得多且有幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。地球物理方法容易設(shè)置和操作，合理準(zhǔn)確并能通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供連續(xù)不斷的測(cè)量記錄。然而這種方法也存在一些缺點(diǎn)，例如來(lái)源位置計(jì)算解的不確定性，周圍噪音對(duì)記錄數(shù)據(jù)的影響及因此產(chǎn)生的對(duì)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。這些因素在目前電磁輻射法技術(shù)的發(fā)展中得到了解決。 研究結(jié)果表明，煤巖動(dòng)力現(xiàn)象是因煤巖快速變形和斷裂以物理和化學(xué)活動(dòng)聯(lián)合作用而發(fā)生的。這種現(xiàn)象由不可逆的能量消耗過程和電磁能量輻射(EME)所決定。根據(jù)王等人的發(fā)現(xiàn)，電磁輻射與煤巖變形斷裂過程密切相關(guān)。 電磁輻射現(xiàn)象預(yù)先發(fā)生在地震前最早是被蘇聯(lián)研究人員觀察到的，而材料在壓力下斷裂發(fā)生電磁輻射的研究最早是在1933年斯捷潘諾夫在試驗(yàn)室中進(jìn)行的。此后，來(lái)自日本、希臘、美國(guó)、中國(guó)、瑞典及德國(guó)的研究人員開始研究電磁輻射現(xiàn)象。據(jù)報(bào)道，電磁輻射機(jī)制有許多解釋，如巖石錯(cuò)位的加速和減速，電應(yīng)力和電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，鍵斷裂效應(yīng)，充電和放電，壓縮原子行為，電偶極子瞬變的綜合貢獻(xiàn)以及電荷的加速與減速。20世紀(jì)90年代，許多研究人員發(fā)現(xiàn)了變形與斷裂與電磁輻射之間的關(guān)系并應(yīng)用到實(shí)際領(lǐng)域。例如，播圖拉耶夫研究了電磁輻射和聲發(fā)射下加載之間的關(guān)系，而何等人檢驗(yàn)了含瓦斯煤巖變形斷裂的電磁輻射模式，錢等人研究了巖樣受單軸壓縮后的電磁輻射反應(yīng)。其他研究者研究了煤礦工作面中巖爆、煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)中的電磁輻射活動(dòng)以及從煤層中鉆孔記錄到的低脈沖電磁輻射的重要意義。 在前人工作的基礎(chǔ)上，本篇論文著眼于變形和斷裂過程中電磁輻射產(chǎn)生的機(jī)制。實(shí)驗(yàn)室中電磁輻射和負(fù)載引起應(yīng)力間的耦合關(guān)系以及電磁輻射預(yù)測(cè)方法理論將會(huì)在下文論述。 2. 電磁輻射產(chǎn)生機(jī)制 在微觀尺度上，電磁輻射產(chǎn)生的前提和基礎(chǔ)是電荷分離及電荷速度的變化。因?yàn)槊簬r材料裂紋表面在變形和裂紋擴(kuò)展過程中產(chǎn)生的的非均勻變形，斯捷潘諾夫效應(yīng)形成，所以沖擊也形成了。煤巖體由一些晶體組成，由于非平衡壓力，晶體表面的化學(xué)鍵被斷裂了，電荷分離形成。此外，一些存在于煤巖材料中的錯(cuò)位也能引起電荷分離。從而，煤巖材料的異質(zhì)性以及非平衡壓力引起電荷的非勻速運(yùn)動(dòng)，電磁輻射場(chǎng)據(jù)此而形成。 事實(shí)上，電磁輻射與流體力學(xué)擾動(dòng)是相關(guān)聯(lián)的。關(guān)于煤巖中的電磁輻射理論模型存在兩種假說：煤巖被看作是不含水的巖石材料，或煤巖被假設(shè)有各向同性的特點(diǎn)。基于物理原理，在外部或荷載作用壓力作用下，導(dǎo)電材料中電子移動(dòng)速度的自發(fā)變化產(chǎn)生如下電磁場(chǎng)： （1） （2） 其中，n是煤巖介質(zhì)的折射率，e是電荷量，c是真空中光速，v是電子的移動(dòng)速度，r是電子與場(chǎng)點(diǎn)間距離，是介電常數(shù)，是電子加速度，是單位法向量，是庫(kù)侖場(chǎng)和及其產(chǎn)生的磁場(chǎng)，是輻射場(chǎng)及其產(chǎn)生的磁場(chǎng)。 式（1）和（2）代表由移動(dòng)電子速度變化產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型?？梢钥闯觯簬r變形斷裂過程中產(chǎn)生的電磁輻射是與電荷和電子加速度有關(guān)的。電磁輻射包含一個(gè)庫(kù)倫場(chǎng)和輻射場(chǎng)；后者中點(diǎn)和場(chǎng)之間有與距離成反比的關(guān)系，電磁輻射與電子密度也存在一定關(guān)系。增加的負(fù)載速度導(dǎo)致更多的變形和斷裂。隨著單位時(shí)間內(nèi)電子數(shù)量的增加，電子的速度也會(huì)增加。事實(shí)上，當(dāng)傳播到煤巖中時(shí)電磁輻射減弱了，且其僅與電和磁導(dǎo)率相關(guān)。因此，可以說變形和斷裂過程中產(chǎn)生的煤巖動(dòng)力現(xiàn)象是與電磁輻射有關(guān)的。根據(jù)煤巖加載過程中電偶極子的研究，它可以證明，短暫的電偶極子是由因裂縫產(chǎn)生和傳播而引起的應(yīng)力集中所產(chǎn)生的。當(dāng)鄰近的煤巖中發(fā)生變形和斷裂，其表面的電荷平衡被打破。自由電荷被聚集在膨脹面，同樣數(shù)量的負(fù)電荷被聚集在壓縮面上且其與電偶極子數(shù)量相等。因?yàn)槊簬r中壓力的不斷變化，產(chǎn)生電偶極子和電磁輻射，后者輻射到地表。 電磁輻射被認(rèn)為是坐標(biāo)原點(diǎn)電偶極子輻射的結(jié)果。圖1顯示了單個(gè)電偶極子在極坐標(biāo)中的輻射場(chǎng)，其中電偶極子在z軸方向上，電偶極子的中心在坐標(biāo)原點(diǎn)。同一幅圖中，l是電偶極子的長(zhǎng)度，r是場(chǎng)中一點(diǎn)和坐標(biāo)原點(diǎn)間的距離，I是電偶極子產(chǎn)生的電流。根據(jù)達(dá)朗伯公式，和A分別是電磁場(chǎng)和它滯后的位置，其計(jì)算如下： 圖1：分布在微小裂紋上一點(diǎn)的電荷（左圖）和電偶極子的輻射場(chǎng)（右圖） （3） 其中k是波數(shù)，。 體電流元按下式被轉(zhuǎn)化為線電流元： （4） 在極坐標(biāo)中，利用向量和標(biāo)量電位，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的三個(gè)部分計(jì)算如下： 0 （5） （6） 如上式所示，是包含電偶極子的子午面中電場(chǎng)的長(zhǎng)度，H在方向上僅有一個(gè)垂直于子午面的分量。從而，電偶極子的電磁輻射波是橫波（TM波）。電磁輻射場(chǎng)產(chǎn)生于煤巖的變形和斷裂可看作煤巖中所有微元磁場(chǎng)的疊加，而每一個(gè)微元磁場(chǎng)可被看作是電偶極子的輻射。 為了獲得電磁輻射強(qiáng)度在固定方向上的三個(gè)分量，笛卡爾坐標(biāo)系可用來(lái)代替極坐標(biāo)系。X軸被固定在垂直方向上，y軸平行于隧道，z軸垂直于包含x軸與y軸的水平面。坐標(biāo)系中的坐標(biāo)原點(diǎn)位于微元的中心（參見圖1）。 磁場(chǎng)中r和的分量等于0，所以分量需要考慮，被轉(zhuǎn)化為笛卡爾坐標(biāo)系中的單位矢量。笛卡爾坐標(biāo)系與極坐標(biāo)系之間的變化如下： （7） 通過將式（7）帶入式（4）和式（5）可以看出，笛卡爾坐標(biāo)系中的H和E如下： =0 （9） 式（8）和（9）中的實(shí)數(shù)部分被消去。在固定電性下，電磁輻射值與“Il”（電偶極子的電矩）有關(guān)。煤巖變形斷裂而產(chǎn)生的電磁輻射源被測(cè)量為點(diǎn)輻射源輻射出的不同強(qiáng)度或振幅和頻率的綜合。因此，由預(yù)測(cè)儀器決定的電磁輻射信號(hào)是各點(diǎn)電磁輻射源信號(hào)的疊加。電磁輻射場(chǎng)的三個(gè)矢量計(jì)算如下： ，， （10） ，， （11） 其中，{，，}和{，，}分別是電場(chǎng)和磁場(chǎng)第i個(gè)分量，N是電磁輻射場(chǎng)源數(shù)。于是，每個(gè)煤巖可作為電磁輻射源。在某些點(diǎn)天線接收到的電磁輻射值為符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的電磁輻射的疊加。 3. 基于破壞理論的相關(guān)聯(lián)的機(jī)電模型 根據(jù)電磁輻射的產(chǎn)生機(jī)制，煤巖變形斷裂過程中的壓力變化與電磁輻射有關(guān)，顯示這種現(xiàn)象應(yīng)有某種關(guān)系或法則。電磁輻射產(chǎn)生機(jī)制與煤巖變形斷裂產(chǎn)生的聲波類似。根據(jù)聲波和巖石穩(wěn)定性壓力關(guān)聯(lián)模型，三個(gè)根據(jù)加載引起壓力和聲波間關(guān)系而確定的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)被確立（12）。它們分別是增壓穩(wěn)定性模型、減壓穩(wěn)定性模型和減壓不穩(wěn)定模型(18)。煤巖的線性電磁輻射與壓力相關(guān)聯(lián)模型被用破壞機(jī)制和衰退分析確切闡述出來(lái)，基于電磁輻射脈沖量的煤巖材料線性構(gòu)成模型如下所示： （12） 其中是由煤巖所受拉力變化而產(chǎn)生脈沖量的和, 是當(dāng)一個(gè)完整樣本被完全破壞時(shí)的累積電磁輻射脈沖量，E是彈力的楊氏系數(shù)，是拉力。 竇與何利用彈性脆性轉(zhuǎn)化機(jī)制來(lái)研究聲與電磁輻射間的關(guān)系，提出了一個(gè)煤巖破壞的聲—電磁標(biāo)準(zhǔn)。煤巖的變形和斷裂是由圍巖壓力張量引起的，而不僅僅是由單軸壓力引起的。為了得到煤巖中發(fā)生變形斷裂時(shí)壓力狀態(tài)與電磁輻射間的關(guān)系，壓力的三維狀態(tài)因素必須被考慮到。 3.1電磁輻射脈沖量與加載引起壓力間的關(guān)系 煤巖是一種由許多部分組成的材料，包含大量宏觀或微觀尺度的脫離，如孔洞、裂縫、錯(cuò)位等。具有代表性的煤巖微觀元素有兩個(gè)重要且典型的特征：首先，在宏觀尺度上看起來(lái)足夠小且內(nèi)部元素的力學(xué)性質(zhì)均相同、其次，元素的尺寸很大并包含了足夠多的能夠借助統(tǒng)計(jì)分布模型確定的中尺度信息。從而，微元的典型特征可以用下列假說得到：（a）微元廣義上服從胡克定律；（b）微元不符合Mises屈服準(zhǔn)則；（c）煤巖樣本中的微元振幅用威布爾分布模型確定。 根據(jù)胡克定律，使，泊松比v=0.25： (13) 當(dāng)最大主應(yīng)力及周圍的壓力服從屈服準(zhǔn)則時(shí)上式在微元上不成立[20]。一種假設(shè)是當(dāng)微元破裂時(shí)產(chǎn)生一定量電磁輻射脈沖，電磁輻射量是電磁輻射脈沖總量的一部分。根據(jù)統(tǒng)計(jì)理論，產(chǎn)生于煤巖變形斷裂過程中一個(gè)電磁輻射脈沖量的可能值計(jì)算如下： （14） 其中，是當(dāng)煤巖軸向應(yīng)變?yōu)?，圍巖壓力為時(shí)產(chǎn)生電磁輻射脈沖的可能值。如果微元的振幅被看作是隨機(jī)函數(shù)，則式（14）右邊可以乘以一個(gè)0到1之間的隨機(jī)數(shù)，下式可被利用： （15） 隨機(jī)數(shù)與軸向應(yīng)變成正比；更大的應(yīng)變值需要更大的隨機(jī)數(shù)來(lái)保證微元的變形和斷裂更大。假設(shè)在斷裂后微元不能被恢復(fù)為其原始狀態(tài)——確實(shí)如此，那么變形也是不可逆的——變形越大，微元數(shù)量越多。假設(shè)煤巖形變從增大到+d，產(chǎn)生的電磁輻射脈沖量N計(jì)算如下： （16） 其中是煤巖完全破壞產(chǎn)生的電磁輻射總量，是式(14)的概率分布方程。當(dāng)形變?yōu)闀r(shí)產(chǎn)生的累積電磁輻射脈沖量為： （17） 如果形變量從增大到+d，最大主應(yīng)力則從增大到。根據(jù)Mises屈服準(zhǔn)則[21]，式（13）及式（14）被代入到式（16）中，變形斷裂過程中電磁輻射脈沖量與主應(yīng)力的關(guān)系可以通過下式得到： （18） 等式同時(shí)代入到式（17）中，電磁輻射脈沖量累積與主應(yīng)力的關(guān)系計(jì)算如下： （19） 上式是令m=1，圍巖壓力常數(shù)（C）簡(jiǎn)化過的，簡(jiǎn)化如下： （20） 利用泰勒級(jí)數(shù)，當(dāng)煤巖最大主應(yīng)力為時(shí)累積脈沖總量（）與壓力間的關(guān)系計(jì)算如下： （21） 上式可被轉(zhuǎn)化成n級(jí)多項(xiàng)式： （22） 從而，式(22)表明電磁輻射累積脈沖量（）與最大剪應(yīng)力間存在可用n級(jí)多項(xiàng)式表示的非線性關(guān)系。在單軸載荷作用下，圍巖壓力為。此外，如果最大壓力從增大到，那么式（22）變?yōu)椋▽?duì)于單個(gè)脈沖量）： （23） 當(dāng)很小時(shí)，式（23）可以用 （24） 近似計(jì)算。 3.2電磁輻射振幅與加載引起的應(yīng)力間的關(guān)系 電磁輻射是一種能量的形式，每一個(gè)電磁輻射脈沖量都是由微元在加載下變形斷裂過程產(chǎn)生的能量。隨著單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電磁輻射脈沖量的增加，更多電磁輻射能量被釋放出來(lái)。假如每個(gè)電磁輻射脈沖量的值都等于，加載引起的應(yīng)力（或壓力變化）作用下電磁輻射脈沖總能量W可以寫成： （25） 根據(jù)電磁輻射理論，瞬時(shí)電磁輻射能量與電磁輻射振幅間的關(guān)系為 （26） 其中是電場(chǎng)平均振幅，D是電位移，是真空中介電常數(shù)，是相對(duì)介電常數(shù)，V是煤巖樣本體積。如果W等于，式（27），其中瞬時(shí)電磁輻射能量振幅用壓力變化式和n級(jí)多項(xiàng)式表示，可由式（23）—（26）導(dǎo)出： （27）