声发射与电磁辐射综合监测预警技术研究
摘要：每一种技术都有一定的适用范围和影响因素。本文运用声发射和电磁辐射的原理，将此两种采矿地球物理方法合二为一，进行综合监测预警，能实现两种技术的优势互补，充分发挥两者的作用，更加精确的监测煤岩体冲击倾向性。对解决采矿作业的安全性和保证矿井生产的连续性有重要的作用。
关键词：声发射;电磁辐射;煤岩体;冲击矿压;综合监测
0、引言
我国煤炭资源储量丰富，是世界第一大产煤国，也是消费大国，2009 年产煤已达到30.5亿吨。随着我国煤矿开采深度的增加和开采强度的增大，采场地应力增高，加上煤炭赋存条件复杂(如构造、瓦斯等)的影响，冲击地压、煤与瓦斯突出和突水等煤岩动力灾害事故发生次数和强度日趋严重，对矿井高产高效生产和人员安全造成了严重的影响。所以加强对煤岩动力灾害的预测，对保护井下矿工的生命安全和保障煤矿的正常生产具有十分重要的意义。
目前监测煤岩动力灾害的技术有有限元数值模拟、煤岩体应力现场测试、声发射监测技术、微震监测及定位技术和电磁辐射监测技术等，并取得了一定的成果。本文利用声发射和电磁辐射的各自特点，将电磁辐射技术和声发射技术合二为一，进行综合监测，对提高煤岩动力灾害预警的适用性和准确性有重要的作用。
1、声发射和电磁辐射简介
声发射技术和电磁辐射技术都是采矿地球物理方法，是目前监测煤岩动力灾害的主要技术手段。
声发射是指煤或岩石等材料内部迅速释放能量而产生瞬态弹性波的一种物理现象。声发射法就是以脉冲形式记录的，低能量地音现象。其主要特征是振动频率从几十到至少2000Hz或更高，能量低于102 J，下限不定，振动范围从几到大约200m。它是一种动态无损伤检测方法，其信号来自缺陷本身，可以判断缺陷的活动性和严重性。由于其振动频率从0～2000Hz 或更高，容易受到机电噪音的干扰，因而对数据的正确解释要有更为丰富的数据库和现场检验经验。
电磁辐射是指煤或岩石等非均质材料在受载破裂过程中向外辐射能量的过程或现象，是非均质体各部分非均匀变速变形引起的电荷迁移和裂纹扩展过程中形成的带电粒子变速运动而形成的。电磁辐射法是一种非接触抗干扰能力强的`技术，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。电磁辐射还可用于检测煤岩动力灾害防治措施的效果，评价边坡稳定性，确定采掘面周围的应力应变，评价混凝土结构的稳定性等。
2、综合监测理论机制
煤岩体是包含大量缺陷体的非均质结构体。在煤岩体的受载变形破裂过程中，通过压电效应、摩擦作用、断裂辐射、极化、热电子发射、场致发射及流动电动势等机制均能产生自由电荷或分离电荷，进而产生电磁辐射。同时，煤岩在变形和破断过程中也会伴随声发射现象。
2.1 煤岩声发射监测理论基础
岩石的声发射与岩石在载荷作用下破坏的过程密切相关。根据连续介质损伤力学理论，损伤因子D 是煤岩材料损伤形式的微孔洞、微裂缝面积与材料损伤前总承载面积之比。当D为0 时，对应于煤岩完全无损伤状态;当D 为1 时，对应于煤岩完全损伤状态，即煤岩完全丧失任何拉应力的能力;D 在(0,1)之间时,则代表不完全断裂。
2.2 煤岩应力与电磁辐射耦合理论
受载煤岩体电磁辐射是其在形变破裂过程中由于微裂而向外辐射电磁波的一种现象。显然微破裂是材料内部微损伤的结果，因此可以肯定电磁辐射和煤岩的损伤之间有必然的联系。即就是说，电磁辐射可以代表煤岩微损伤的程度。
3、声发射和电磁辐射与岩石应力的拟合规律
3.1 煤岩声发射规律
声发射的形成是力学现象，对于最低能量信号，声发射源是断裂，就像金属研究中的结果一样。根据塑性变形的断裂理论，弹性波的发射仅在断裂速度变化时发生，即在断裂的加速或延缓时发生。对于较高能量的声发射信号，则是岩石的脆性破断，颗粒间的滑移，以及塑性滑移和塑性变形的边缘区域发生。而再大一些的能量信号则是岩石的宏观破断或不同部分的岩石位移产生的。
岩石的宏观破坏滞后于声发射活动的高峰期，声发射活动高峰后的下降和平衡，并不表明岩体趋于稳定，而是岩体已经发生了结构破坏。从而可以通过测定煤岩体的声发射强弱，来监测煤岩体冲击性。
3.2 冲击煤岩电磁辐射规律
在单轴压缩、拉伸、剪切、摩擦和三轴压缩应力状态下，煤岩变形破裂过程中伴随有电磁辐射信号产生，且应力越大，电磁辐射越强;大部分试样在主破坏前电磁辐射及其变化率有显着的增强[7]。煤岩试样在发生冲击性破坏前，电磁辐射强度一般在某个值以下，在冲击破坏时，电磁辐射强度突然增加。如果将煤岩体在载荷作用下，冲击破坏时最大应力的80%作为煤岩体冲击破坏的应力预警区。由于电磁辐射与煤岩应力具有一定的对应关系，因此可得出煤岩体冲击破坏应力预警区的电磁辐射预警值。根据确定的预警值进行煤岩体冲击破坏的预报。
结果表明煤岩体电磁辐射的脉冲数随着载荷的增大及变形破裂的增强而增大，即煤岩体应力越大，变形破裂越强，电磁辐射信号也越强。
4、井下综合监测系统布置
运用声发射和电磁辐射理论，可对采掘工作面或巷道进行区域和动态性的综合监测和预警。先用声发射监测仪测试并确定危险性较大的区域，然后用在线式电磁辐射仪实时监测。其综合测量系统布置。
该系统以KJ 系列矿井环境与安全监测系统作为通讯平台，以声发射监测仪和电磁辐射监测仪作为传感器挂接到KJ 系列分站，将声发射和电磁辐射监测到的信号经KJ 系列监测系统传送至计算机监测中心，通过终端机的监测与相关分析软件的数据处理，对煤岩动力灾害的声发射和电磁辐射信号采集和分析预报，实现较大范围内的整体监测和针对某一具体危险区域连续监测。从而可以结合现场情况及矿压显现规律进行预警提示，当危险程度提高时，提示采取防治措施，达到保证采矿作业人员的安全和保障矿井连续生产的目的。
5、结论
本文介绍了声发射和电磁辐射综合监测的原理。实验研究表明，随着煤岩体所受载荷的增加及变形破裂的增大，即煤岩体应力越来越大时，声发射和电磁辐射信号也越来越强，但煤岩体的宏观破坏滞后于生发射活动的高峰期。从而可以通过声发射和电磁辐射的强弱来监测煤岩体的冲击倾向性。
由于每一种法都有一定的适用性和影响因素，所以本文运用声发射和电磁辐射综合监测理论，采用一种新的监测方法，即将声发射和电磁辐射两种采矿地球物理方法合二为一，实现两种技术的强强联合、优势互补，能更加精确的监测煤岩体冲击倾向性。对解决采矿作业的安全性和保证矿井生产的连续性有重要的作用。
随着采矿地球物理方法研究和应用领域的不断扩大，声发射和电磁辐射综合监测技术有着非常广泛的应用前景，除可以应用于监测预报矿山煤岩动力灾害等事故外，在露天矿边坡稳定性评价、混凝土结构的稳定性监测方面也有非常广阔的应用前景。
参考文献
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