電磁輻射理論及其在煤巖動力現(xiàn)象中的應(yīng)用

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

電磁輻射理論及其在煤巖動力現(xiàn)象中的應(yīng)用 1. 介紹 煤巖動力現(xiàn)象通常很難預(yù)測，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，煤巖動力現(xiàn)象變得更加嚴(yán)重。煤巖動力現(xiàn)象的預(yù)測是煤礦安全的關(guān)鍵問題之一。為了預(yù)測這種現(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)測方法至關(guān)重要。 目前煤礦中有兩種預(yù)測煤巖動力現(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，測量鉆出煤矸的最大體積(DCR)及速度(DCG)。這兩個(gè)參數(shù)用來評估鉆孔區(qū)域煤巖中動力現(xiàn)象的潛在性。因此，這種傳統(tǒng)方法僅能預(yù)測實(shí)驗(yàn)實(shí)施時(shí)鉆孔所在位置煤巖動力風(fēng)險(xiǎn)等級，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。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)不斷的測量記錄。然而這種方法也存在一些缺點(diǎn)，例如來源位置計(jì)算解的不確定性，周圍噪音對記錄數(shù)據(jù)的影響及因此產(chǎn)生的對結(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，煤巖動力現(xiàn)象是因煤巖快速變形和斷裂以物理和化學(xué)活動聯(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，來自日本、希臘、美國、中國、瑞典及德國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)測中的電磁輻射活動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)測方法理論將會在下文論述。 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，電磁輻射場據(jù)此而形成。 事實(shí)上，電磁輻射與流體力學(xué)擾動是相關(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)?；谖锢碓恚谕獠炕蚝奢d作用壓力作用下，導(dǎo)電材料中電子移動速度的自發(fā)變化產(chǎn)生如下電磁場： （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是電子的移動速度，r是電子與場點(diǎn)間距離，是介電常數(shù)，是電子加速度，是單位法向量，是庫侖場和及其產(chǎn)生的磁場，是輻射場及其產(chǎn)生的磁場。 式（1）和（2）代表由移動電子速度變化產(chǎn)生的電磁場的數(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)庫倫場和輻射場；后者中點(diǎn)和場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，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是電偶極子的長度，r是場中一點(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（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，電場和磁場的三個(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的長度，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）。電磁輻射場產(chǎn)生于煤巖的變形和斷裂可看作煤巖中所有微元磁場的疊加，而每一個(gè)微元磁場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)測儀器決定的電磁輻射信號是各點(diǎn)電磁輻射源信號的疊加。電磁輻射場的三個(gè)矢量計(jì)算如下： ，， （10） ，， （11） 其中，{，，}和{，，}分別是電場和磁場第i個(gè)分量，N是電磁輻射場源數(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，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）簡化過的，簡化如下： （20） 利用泰勒級數(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▽τ趩蝹€(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。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） 其中是電場平均振幅，D是電位移，是真空中介電常數(shù)，是相對介電常數(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級多項(xiàng)式表示，可由式（23）—（26）導(dǎo)出： （27）