电磁辐射信号在金属矿岩中的传播
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电磁辐射探伤机在矿产资源开发中的应用研究引言:随着现代科技的不断发展,对于矿产资源的探测和开发也越来越重要。
在矿产资源的开发过程中,准确、高效地探测地下矿体的位置、规模和质量分布是至关重要的。
电磁辐射探伤机作为一种现代化的矿物资源勘探工具,已经在矿产资源开发中得到了广泛应用。
本文将重点探讨电磁辐射探伤机在矿产资源开发中的应用研究,并探讨其在矿物探测、矿床预测和资源量评估等方面的应用。
一、电磁辐射探伤机的工作原理和技术特点电磁辐射探伤机是一种利用电磁波辐射特性进行矿物探测的仪器。
它通过发送电磁波进入地下,然后依据不同矿石对电磁波的吸收和反射特性,来实现对地下矿体的探测。
这种仪器可以根据探测目标选取不同的工作频段,从而实现对不同矿石的探测和分析。
此外,电磁辐射探伤机具有探头精度高、探测速度快、操作简便等特点,使其在矿产资源开发中具有广泛的应用前景。
二、电磁辐射探伤机在矿物探测中的应用1. 矿区勘探:电磁辐射探伤机可以通过扫描地下矿体产生的电磁场信号,来确定矿区的地质构造和矿石分布情况。
这种方法具有非破坏性、探测速度快的优势,可以辅助矿区勘探工作的实施,提高勘探效率和准确性。
2. 矿石品质分析:电磁辐射探伤机可以根据不同矿石对电磁波的吸收和反射特性,对矿石的品质进行分析和评估。
通过测量矿石产生的电磁辐射信号的频率、振幅和相位等参数,可以判断矿石的物理性质和成分,对矿石的品质进行定量评估,从而为矿产资源开发提供重要的参考依据。
三、电磁辐射探伤机在矿床预测中的应用研究1. 地质结构勘测:电磁辐射探伤机可以通过测量地下矿体产生的电磁辐射信号,对地下的地质结构进行勘测。
通过分析矿体产生的电磁辐射信号的频率、振幅和相位等参数,可以判断矿体的形态、大小和深度等信息,为矿床预测提供重要的参考依据。
2. 矿体探测:电磁辐射探伤机可以通过测量地下矿体产生的电磁辐射信号,对地下矿体进行探测。
通过分析矿体产生的电磁辐射信号的特征,可以确定地下矿体的位置、规模和形态等信息,为矿床的开发与利用提供重要的参考。
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77矿产资源M ineral resources广域电磁法在金属矿山深部找矿中的应用谢宇飞甘肃省地质调查院,甘肃 兰州 730000摘 要:广域电磁法(WEM)作为一种先进的地球物理勘探技术,已经在金属矿山深部找矿中显示出其显著的潜力和应用价值。
WEM利用电磁波探测地下结构,尤其擅长于识别和定位高电导率的金属矿物。
在深部矿物勘探领域,WEM不仅提供了一种穿透深层地壳的手段,还能够在复杂的地质环境中实现精确探测。
本文将探讨WEM的工作原理、技术优势、以及其在金属矿山深部勘探中的应用。
特别关注的是WEM在数据处理、三维建模、与其他勘探方法的结合使用以及技术创新方面的进展,旨在全面理解WEM在深部找矿中的潜力和挑战。
关键词:广域电磁法;金属矿山;深部找矿;应用中图分类号:P631.325 文献标识码:A 文章编号:1002-5065(2024)03-0077-3Application of Wide Area Electromagnetic Method in Deep Exploration of Metal MinesXIE Yu-feiGeological Survey of Gansu Province,Lanzhou 730000,ChinaAbstract: Wide Area Electromagnetic Method (WEM), as an advanced geophysical exploration technology, has shown significant potential and application value in deep exploration of metal mines. WEM utilizes electromagnetic waves to detect underground structures, particularly adept at identifying and locating high conductivity metal minerals. In the field of deep mineral exploration, WEM not only provides a means of penetrating deep crust, but also enables precise detection in complex geological environments. This article will explore the working principle, technical advantages, and application of WEM in deep exploration of metal mines. Special attention is paid to the progress of WEM in data processing, 3D modeling, combined use with other exploration methods, and technological innovation, aiming to comprehensively understand the potential and challenges of WEM in deep mineral exploration.Keywords: Wide area electromagnetic method; Metal mines; Deep mineral exploration; application收稿日期:2023-12作者简介:谢宇飞,男,生于1992年,汉族,甘肃天水人,本科,工程师,研究方向:地球物理重磁电固体矿产勘查。
《多因素作用下受载煤岩体电磁辐射规律实验研究》篇一一、引言随着对矿产资源开采的不断深入,煤矿安全成为亟待解决的重要问题。
在煤矿生产过程中,受载煤岩体的稳定性和安全性直接关系到矿井的安全。
近年来,电磁辐射技术在煤矿安全监测中得到了广泛应用。
本文旨在通过实验研究多因素作用下受载煤岩体电磁辐射的规律,为煤矿安全生产提供理论依据和技术支持。
二、实验材料与方法1. 实验材料实验所使用的煤岩体样品取自某煤矿,经过加工处理后,得到符合实验要求的样品。
2. 实验方法(1)制备不同因素(如应力、温度、湿度等)下的煤岩体样品;(2)采用电磁辐射监测设备对受载煤岩体进行实时监测;(3)记录并分析不同因素作用下煤岩体电磁辐射的变化规律;(4)结合理论分析和数值模拟,探讨多因素作用下煤岩体电磁辐射的机理。
三、实验结果与分析1. 单因素作用下煤岩体电磁辐射规律(1)应力作用下:随着应力的增加,煤岩体电磁辐射强度逐渐增大,呈现出明显的正相关关系;(2)温度作用下:温度对煤岩体电磁辐射的影响表现为在一定范围内,随着温度的升高,电磁辐射强度先增大后减小;(3)湿度作用下:湿度对煤岩体电磁辐射的影响较小,但湿度变化会影响煤岩体的物理性质,进而影响电磁辐射的传播。
2. 多因素作用下煤岩体电磁辐射规律在多因素(如应力、温度、湿度等)共同作用下,煤岩体电磁辐射表现出复杂的非线性变化规律。
通过实验数据和理论分析,发现多因素之间存在相互作用和影响,共同决定了煤岩体电磁辐射的强度和频率。
3. 煤岩体电磁辐射机理探讨结合实验结果和理论分析,认为煤岩体在受载过程中会产生微裂纹和损伤,这些微裂纹和损伤会改变煤岩体的物理性质和电性性质,从而产生电磁辐射。
多因素作用下,微裂纹和损伤的扩展和演化规律发生变化,导致电磁辐射的强度和频率发生变化。
四、讨论与结论本文通过实验研究多因素作用下受载煤岩体电磁辐射的规律,得出以下结论:1. 应力是影响煤岩体电磁辐射的主要因素之一,随着应力的增加,电磁辐射强度逐渐增大;2. 温度对煤岩体电磁辐射的影响表现为先增大后减小,存在一个最佳温度范围;3. 湿度对煤岩体电磁辐射的影响较小,但会影响煤岩体的物理性质和电性性质;4. 多因素之间存在相互作用和影响,共同决定了煤岩体电磁辐射的强度和频率;5. 煤岩体在受载过程中产生的微裂纹和损伤是电磁辐射产生的主要原因。
煤与瓦斯突出电磁辐射的监测及应用煤与瓦斯突出概述煤与瓦斯突出是煤矿安全生产中的重要问题。
煤与瓦斯突出是指由于煤层面内应力分布失稳,导致一个或多个煤柱破坏,煤层瓦斯突然释放,形成一定压力和速度的瓦斯流,而且与这种瓦斯流同时爆发出来的煤与矿物碎块等杂物,所构成的不稳定岩层现象。
煤与瓦斯突出是一种突然发生的灾害,常常伴随着巨大的喷流和爆炸声,是煤矿发生的一种重大事故。
据统计,煤与瓦斯突出是我国煤矿事故中造成人员伤亡和经济损失最为严重的一种事故类型。
煤与瓦斯突出电磁辐射的物理基础煤与瓦斯突出在煤层破裂与瓦斯喷出的过程中会产生大量的电磁波辐射。
这主要是因为在煤层破裂和瓦斯喷出的过程中,由于煤与矿物碎块等材料的快速摩擦同时产生了电荷的分离和移动,由此产生了较强的电磁辐射信号。
煤与瓦斯突出产生的电磁波辐射信号主要包括低频、中频和高频三个频段。
低频电磁辐射信号是指频率在几百赫兹以下的电磁辐射信号,主要是由于瓦斯和岩层中的电荷分离和迁移过程,以及瓦斯流动所产生的涡电流和静电荷所引起的。
低频电磁辐射信号具有较强的穿透力和远距离传输能力,但是受到地形、电磁干扰和信噪比等因素的影响较大。
中频电磁辐射信号是指频率在几千赫兹以上几百兆赫兹以下的电磁辐射信号,主要是由于煤与瓦斯突出中电荷迁移和瓦斯流动所产生的涡流和静电荷所引起的。
中频电磁辐射信号的穿透能力比低频电磁辐射信号要差一些,但是受到地形和电磁干扰的影响较小,信噪比较高。
高频电磁辐射信号是指频率在几百兆赫兹以上的电磁辐射信号,主要是由于煤与瓦斯突出中的电子、离子、分子和原子等的振动和转化所产生的。
这种电磁辐射信号的传播距离比较短,但是受地形和电磁干扰的影响也较小。
煤与瓦斯突出电磁辐射的监测技术煤与瓦斯突出电磁辐射监测技术是一种利用电磁辐射信号来监测煤与瓦斯突出的技术。
其主要原理是利用地表接收到的煤与瓦斯突出电磁辐射信号来判断煤层内的状况,从而预测煤与瓦斯突出的危险程度和发生可能性。
图2煤层试样单轴压裂破坏过程中电磁辐射试验结果煤岩电磁辐射技术研究及其应用摘要:电磁辐射是煤岩体受到采动影响后应力重新分布或变形破裂趋向新的平衡的结果。
综述煤岩的电磁辐射技术的研究及其应用,包括煤岩受载产生的电磁辐射与应力和变形破裂程度的关系、电磁辐射的原理等研究,以及电磁辐射技术在煤岩冲击地压灾害预测方面的研究和应用。
关键词:煤岩;电磁辐射技术;冲击地压;应用中图分类号:TD324文献标识码:A 文章编号:1008-8725(2011)09-0203-02Research and Appliance of Technique ofCoal Rock Electromagnetic RadiationCHEN Ya-yun,ZHOU Zhen-jun(College of Sunyueqi,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China )Abstract:Electromagnetic radiation happens when stress is re-distributed,deformed or broken and then comes to a new balance after the coal rocks are extracted.This article mainly deals with the research and appliance of the technique of coal rock electromagnetic radiation.It includes the reasearch of the electromagnetic radiation reduced by the stressed coal rocks and it has some -thing to do with the relationship between the stress and the extent of the deforming and break -ing.It deals with the theory of electromagnetic radiation.Also it deals with the research and ap -pliance of the technique of electromagnetic radiation in the disaster prediction of rock burst.Key words:coal rocks;technique of coal rock electromagnetic radiation;rock burst;appliance收稿日期:2010-12-29;修订日期:2011-05-13作者简介:陈亚运(1990-),男,江苏盐城人,中国矿业大学学生。
王恩元,何学秋,窦林名等.煤矿采掘过程中煤岩体电磁辐射特征及应用.地球物理学报,2005,48(1):216~221Wang E Y ,He X Q ,Dou L M ,et al .Electromagnetic radiation characteristics of coal and rocks durin g excavation in coal mine and their application .Chinese J .G eophys .(in Chinese ),2005,48(1):216~221煤矿采掘过程中煤岩体电磁辐射特征及应用王恩元,何学秋,窦林名,周世宁,聂百胜,刘贞堂中国矿业大学能源与安全工程学院,徐州 221008摘 要 运用研制的KBD5矿用本安型电磁辐射监测仪测试了煤矿采掘过程中工作面煤岩体的电磁辐射,分析了电磁信号与采掘工艺及煤岩动力灾害危险性等的关系.研究表明,煤矿采掘过程伴随产生电磁辐射,电磁辐射是煤岩体受到采动影响后应力重新分布或变形破裂趋向新的平衡的结果;有煤与瓦斯突出和冲击地压危险时,有明显的电磁异常前兆;采取防治措施后,电磁辐射显著下降.电磁辐射技术在煤矿可以用于预测煤与瓦斯突出、冲击地压等煤岩动力灾害.关键词 煤矿采掘过程 电磁辐射异常 煤与瓦斯突出 冲击地压文章编号0001-5733(2005)01-0216-06 中图分类号 P631 收稿日期 2003-05-07,2004-09-30收修定稿Electromagnetic radiation characteristics of coal and rocks during excavationin coal mine and their applicationWANG En _Yuan ,HE Xue _Qiu ,DOU Ling _Ming ,ZHOU Shi _Ning ,NIE Bai _Sheng ,LIU Zhen _TangCo lleg e o f Ene rg y &Saf ety Engin ee rin g ,Ch ina Uni ver sit y of Mini ng an d Te chn ol og y ,Xu zho u 221008,C hinaA bstract Electromagnetic radiation (E MR )signals produced by coal and rocks in working faces during excavation in c oal mine were measured with the KBD5electro magnetic radiation monitoring equipment .We analyze the relationships bet w een electromagnetic radiation signals and excavation ,dyna mic disaster fatalness of coal and rocks .Our research sho ws that the electromagnetic radiation is produced in the course of excavation ,which is the result of the stress redistribution or defor mation and fracture of coal and roc ks tending to a ne w balance when affected by excavation .There is obvious electromagnetic anomaly precursor when there is danger of coal and gas outburst or roc k burst ,and electromagnetic radiation intensity drops notably after taking measures .The electromagnetic radiation technology can be used for forecasting dynamic disasters such as coal and gas outburst and rock burst in c oal mine .Keywords Coal mine excavation ,Electromagnetic radiation anomaly ,Coal and gas outburst ,Rock burst .基金项目 国家自然科学基金项目(50204010)、国家自然科学基金重点项目(50134040)和江苏省自然科学基金项目(BK2001075)资助.作者简介 王恩元,男,1968年生,副教授,1997年于中国矿业大学安全技术及工程专业获博士学位,主要从事矿山煤岩灾害动力过程及其预测技术、煤岩电磁辐射及其技术应用研究.E -mail :weytop @1 引 言实验室条件下受载煤岩体破裂时能够产生电磁辐射已被大量的研究所证实[1~5],矿井塌陷过程中也有电磁辐射产生[4],那么煤矿采掘过程中受采动影响的煤岩体能否产生电磁辐射呢?煤矿采掘过程中可能会发生煤岩动力灾害.煤岩动力灾害是压力超过煤岩体的强度极限,聚积在巷道周围煤岩体中的能量突然释放,较大范围的煤第48卷第1期2005年1月地 球 物 理 学 报CHINE SE JOURNAL OF GE OPHYSICSVol .48,No .1Jan .,2005岩体或含瓦斯煤岩体突然失稳而发生冲击或突出的现象,变形破裂过程是一个由流变到突变发展的过程[5],主要有冲击地压和煤与瓦斯突出等.煤岩动力灾害预测预报就是要在冲击或突出等煤岩动力灾害发生前对煤岩体所处的动力灾害危险程度做出判断.现行常规的煤岩动力灾害预测方法主要是钻屑法.在煤矿,也用钻孔瓦斯涌出初速度或钻屑瓦斯解吸指标来预测煤与瓦斯突出.这些预测方法从时间上来说,是一种静态预测方法,从空间上来说,是一种点(或线)信息的方法.钻屑法打钻及参数测定需占用作业时间和空间,工程量很大,预测作业时间也较长,对生产有一定的影响,预测所需费用也较高.并且这种静态法的准确性也不是很高,易受人工及煤岩体的结构、应力分布不均匀和不稳定的影响,突出危险预测的准确性在很大程度上取决于钻孔布置及预测时刻在空间和时间上的代表性.近几年来常出现预测指标未超过临界值而发生突出灾害的事例[6,7].究其原因,采掘空间或巷道周围煤岩体的结构、应力在空间上分布是不均匀的,也是不稳定的,在钻孔附近取得的预测结果仅仅是局部的,并不能完全反映工作面前方整个预测范围内的突出危险性;在预测时刻取得的结果也只是静态的,并不能完全反映煤岩体稳定前整个时期内的突出危险性,因为煤岩体处于动态变化之中.因此基于地球物理方法的动态连续预测研究正日益引起人们的重视.目前已经将声发射技术初步应用于预测矿井煤岩动力灾害[8].电磁辐射的接收可实现定向及非接触,在监测过程中比声发射有较大优势.如果矿井采掘过程中能够产生电磁辐射,并且在煤岩动力灾害发生前有电磁辐射异常,那么可将电磁辐射技术应用于矿井预测煤岩动力灾害,这会使煤岩动力灾害预测技术发生很大的突破.电磁辐射法预测预报煤岩动力灾害具有可实现非接触、区域性(较大范围)、连续动态监测、可节省大量的钻探工程量、对生产影响小及不受煤岩体在空间上分布不均匀及时间上不稳定的影响等优点.本文将研究煤矿采掘过程中工作面煤岩体的电磁辐射特征,并分析电磁信号与采掘工艺及煤岩动力灾害危险性等的关系.2 测试系统由于煤矿井下有瓦斯,测试仪表必须符合防爆要求.为此开发了KB D5矿用本安型电磁辐射监测仪,由定向接收天线和接收机组成,其功能主要有:参数输入、电磁信号接收、数据处理、数据存储、数据显示、通讯等.接收天线为磁性天线,极化方式为轴向圆极化,其带宽为1~500kHz,在该范围内其增益波动幅度为±1dB.煤岩体电磁辐射原始信号为阵发性的脉冲信号,其频带很宽,且其主频带随载荷而发生变化,根据电磁场理论及采掘工作面监测范围确定接收机的测量频率范围为1~500kHz[2],采用时域宽频接收.为了克服测试数据量大且矿用监测仪存储空间小的矛盾,在测试过程中对数据作了统计处理:统计每秒钟的电磁辐射强度(电压)极大值和脉冲数作为显示或输出指标.煤岩体的变形破裂是区域性的,存在很多辐射源,辐射源表现为随机的,而且电磁辐射在传播过程中受到裂隙及层理界面的反射、散射和边缘绕射,常会使到达接收天线处的电磁波的极化状态不可预测.3 掘进过程的电磁辐射特性3.1 测试环境测试矿井位于地下500~1000m,地面电磁干扰信号影响较小.测试前对环境影响进行了测试及分析.测试结果表明,在有效测试范围周围2m以内,采、掘、运输机械的开机和停机时电磁辐射测值出现一个或一组强度很高的尖脉冲,而在正常运行过程中无影响;在有效测试范围2m以外时,采、掘、运输机械、井下照明对测试没有影响;局部通风机离测点较远,对测试也没有影响.本文测试结果均是在测试地点5m以内工作机械停止工作的情况下完成的.3.2 测试方案在有突出危险的煤层中掘进巷道时,根据《煤矿安全规程》[9]需要采取预测和防治煤与瓦斯突出措施.在掘进工作面进尺后,测试了工作面前方煤体的电磁辐射,预测有突出危险并采取卸压和排放瓦斯措施后,又测试了工作面煤体电磁辐射,同时测试了钻屑量、钻孔瓦斯涌出初速度或钻屑瓦斯解吸指标等常规指标,并进行了对比分析.电磁辐射测点距掘进工作面前方煤壁0.8m左右(如图1所示).定向接收天线朝向工作面前方煤体.测试过程中巷道后方5m内不允许有机械工作.3.3 测试结果及分析图2~4分别为在平顶山煤业(集团)公司八矿掘进工作面不同情况下的电磁辐射测试结果.结果217 1期王恩元等:煤矿采掘过程中煤岩体电磁辐射特征及应用图1 掘进工作面电磁辐射测试示意图Fig .1 Sketch map of electromagnetic radiation testat an excavation working face表明,煤矿掘进工作面煤岩体有电磁辐射产生(图2,3),电磁辐射信号明显强于邻近较为稳定巷道周围的电磁信号(图4),表明掘进工作面煤岩体的电磁辐射信号强于背景电磁干扰.掘进工作面有突出危险时,有明显的电磁前兆:煤体电磁辐射信号较强(图2a ),脉冲数(N )较大(图2b ),明显高于无突出危险或正常情况下的电磁辐射(图3).在其他煤矿(如焦作矿区、淮南矿区、沈阳红菱煤矿、徐州张集煤矿等)的测试结果也提供了充分的证明.图2 13190掘进工作面有突出危险时电磁辐射的测试结果(a )电磁辐射强度E 变化;(b )电磁辐射脉冲数的变化.Fig .2 E MR test results on the 13190excavation working face with outburst danger(a )Change of EMR intensity ;(b )Change of EMR puls e number.图3 13190掘进工作面无突出危险时电磁辐射的测试结果(a )电磁辐射强度变化;(b )电磁辐射脉冲数的变化.Fig .3 E MR test results on the 13190excavation working face without outburst danger (a )Change of E MR intensity ;(b )Change of E MR pulse number.图4 稳定巷道电磁辐射及其变化(a )电磁辐射强度变化;(b )电磁辐射脉冲数变化.Fig .4 E M R and its change in a steady roadway (a )Change of E MR intensity ;(b )Change of E MR pulse number .218地球物理学报(Chinese J .Geophys .)48卷 工作面前方煤体内不同的位置处,测定的电磁辐射是不同的,由钻孔口进及煤体深部,电磁辐射逐渐增大,出现最大值后,又逐渐降低,整体上呈现一个与应力变化相类似的曲线(图5),与能够反映煤岩体应力状态的钻屑量指标完全一致.图5 煤体电磁辐射与深度L 间的关系Fig .5 Relationship bet ween coal body E MR anddepths图6 沿巷道出口方向电磁辐射测定情况Fig .6 EMR test results along the exit direction巷道内不同位置处测定的电磁辐射也是不同的.当工作面工作机械停止工作且没有其他的电磁干扰时,沿巷道出口方向,电磁辐射呈现衰减趋势,距离煤壁越远,电磁辐射越弱(图6),这表明距煤岩体变形破裂较为强烈区域越远,测试电磁辐射越弱,也表明在掘进工作面,电磁辐射主要来源于掘进工作面前方.4 采煤过程电磁辐射特性4.1 测试方法在回采工作面或顺槽中测试时,每隔10m 或20m 左右布置一个测点(图7),当某一测点电磁辐 射较强时,在周围加密测点,测点间距为5~10m .测试时,天线朝向需要进行测试的煤岩体区域并固定,连接天线与接收机后即可进行测试.采用KBD5监测仪也可进行定点、长时间监测.图7 回采工作面或巷道测点布置示意图Fig .7 Sketch map of monitoring points on a stope workin gface or a roadway4.2 测试结果及分析在采煤过程中,回采工作面和上、下顺槽中均有电磁辐射产生.电磁辐射的强弱与应力有密切关系:应力大或应力集中的区域,或变形破裂强烈的区域,电磁辐射较强.有发生冲击地压危险的区域,应力较大,发生冲击地压前电磁辐射异常.图8为2001年3月6日~12日山东华丰煤矿回采工作面顺槽的电磁辐射强度测试结果,3月9日电磁辐射较强,3月10日发生了1.7级冲击地压.电磁辐射强度和脉冲数较大的区域,采取卸压爆破措施后,电磁辐射强度和脉冲数大幅度降低.图9为徐州三河尖煤矿工作面回采过程中材料道电磁辐射测试结果[10],17日夜班1时电磁辐射较强,工作面停采,17日早班9时电磁辐射仍较强,且有增大趋势,结合工作面实际状况预测此时已达到相当危险的状态,早班对工作面危险区域采取了卸压爆破措施.之后,17日16时进行测试,电磁辐射幅值大幅度下降,防治效果明显.图8 华丰煤矿电磁辐射测试结果Fig .8 Electromagnetic radiation test results in the Huafeng coal mine219 1期王恩元等:煤矿采掘过程中煤岩体电磁辐射特征及应用图9 有冲击危险采取防治措施前后电磁辐射强度变化Fig .9 Change of electromagnetic radiation amplitude before and after taking measures against rock burst danger 钻屑量S 、钻孔瓦斯涌出初速度q 、钻屑瓦斯解吸指标Δh 2和综合指标R (无量纲)等指标能够反映煤岩动力灾害的危险性[11].图10为2003年7月23日徐州张集煤矿7353回采工作面不同位置处煤体电磁辐射与常规指标之间的对应关系,图11为2002年焦作九里山煤矿15011工作面左前方测点电磁辐射强度与常规指标之间的关系.从两图可以看出,电磁辐射与常规预测指标有较好的对应关系.需要说明的是,在焦作九里山煤矿钻屑量是不敏感指标.图10 电磁辐射脉冲数N 与钻屑瓦斯解吸指标Δh 2间的对应关系Fig .10 Relationship bet ween E MR pulse number and gasdesorption index Δh 2ofdrillings图11 15011工作面左前方测点电磁辐射与常规指标之间的关系Fig .11 Relationship between electromagnetic radiation and general index in the left front of 15011working face目前该项技术及装备已在有动力灾害危险的矿井进行试验或推广应用,如在徐州三河尖煤矿、抚顺老虎台煤矿、新汶华丰煤矿、大屯孔庄煤矿和兖州东滩煤矿等用于预测冲击地压,在焦作矿区、淮南矿区、沈阳红菱煤矿、徐州张集煤矿等用于预测煤与瓦斯突出.测试了大量的数据,表明采用电磁辐射法预测煤与瓦斯突出、冲击地压效果均很好.可见,用电磁辐射法超前预测煤岩动力灾害和检验防治措施效果是可行的.5 采掘过程电磁辐射机理的探讨分析 地层中的煤岩体未受采掘影响时,基本处于准平衡状态.掘进或回采空间形成后,周围煤岩体失去应力平衡,处于不稳定状态,必然要发生变形或破裂,以向新的应力平衡状态过渡.煤岩体承受应力越大,煤岩体变形破裂过程越强烈,电磁辐射信号越强.当采掘空间或巷道周围煤岩体处于基本稳定状态时,煤岩体仍然承受着上覆岩层的应力作用,处于流变状态,同样会产生电磁辐射.在采掘工作面前方,依次存在着三个区域,它们是松弛区域(即卸压带)、应力集中区和原始应力区.采掘空间形成后,煤体前方的这三个区域始终存在,并随着工作面的推进而前移.由松弛区到应力集中区,应力及瓦斯压力越来越高,电磁辐射信号也越来越强.在应力集中区,应力和瓦斯压力达最大值时,煤体的变形破裂过程也较强烈,电磁辐射信号最强.越过峰值区后进入原始应力区,电磁辐射强度将有所下降(图5),这与反映煤岩体应力状态的钻屑量指标变化完全一致.采用非接触电磁辐射法测定的是总体电磁辐射强度和脉冲数,预测范围包含了应力松弛区和应力集中区.煤与瓦斯突出是地应力(包括顶底板作用力和侧向应力)、瓦斯压力和煤岩体共同作用的结果,冲220地球物理学报(Chinese J .Geophys .)48卷 击地压是地应力(包括顶底板作用力和侧向应力)和煤岩体共同作用的结果,二者均是经过一个发展过程后产生的突变行为,发生前有明显的前兆:工作面前方煤岩体或含瓦斯煤岩体处于高应力状态,煤岩体电磁辐射信号较强,或处于逐渐增强的变形破裂过程中,煤岩体电磁辐射信号逐渐增强.煤岩体的应力越高,瓦斯压力越大,突出危险性越大.应力越高,冲击危险性越大.电磁辐射强度和脉冲数两个参数综合反映了煤体前方应力的集中程度和煤岩体突出或冲击危险的程度,因此可用电磁辐射法进行突出和冲击地压等煤岩动力灾害危险性预测.参考文献(Refer ences)[1]何学秋,刘明举.含瓦斯煤岩破坏电磁动力学.徐州:中国矿业大学出版社,1995He X Q,Liu M J.Fracture Electro-magnetic Dynamic of Coal orRock Containing Gas(in Chines e).Xuzhou:China Uni versity ofM ining and Technology Press,1995[2]王恩元.含瓦斯煤破裂的电磁辐射和声发射效应及其应用研究[博士论文].徐州:中国矿业大学能源科学与工程学院,1997Wang E Y.The effect of E M E&AE during the fracture of coalcontaining gas and its applications[Ph.D.thesis](in Chinese).Xuzhou:College of Energy Science and Engineering,ChinaUniversity of M ining and Tec hnology,1997[3]王恩元,何学秋.煤岩变形破裂电磁辐射的实验研究.地球物理学报,2000,43(1):131~137Wang E Y,He X Q.Experiment study on electromagnetic radiationof coal or rock during deformation and fracture.C hines e J.Geophys.(in Chines e),2000,43(1):131~137[4]国家地震局科技监测司.震前电磁波观测与实验研究文集.北京:地震出版社,1989.1~4Department of Science and Technology of China Seis mologicalBureau.Anthology of Electromagnetic Wave Observation BeforeEarthquake and Experiment Study(in Chinese).Beijing:Seis mological Press,1989.1~4[5]何学秋.含瓦斯煤岩流变动力学.徐州:中国矿业大学出版社,1995He X Q.R heol ogical Dynamic of Coal or R ock Containing Gas(inChinese).X uzhou:China Univers ity of M ining and TechnologyPress,1995[6]苏文叔.利用瓦斯涌出动态指标预测煤与瓦斯突出.煤炭工程师,1996,(5):2~7Su W S.Probing into the prediction of gas and coal outburs t withdyna mic index of gas emission.C oal Engineer(in Chines e),1996,(5):2~7[7]王恩元.电磁辐射法监测煤与瓦斯突出危险性技术及其应用研究[博士后研究报告].徐州:中国矿业大学能源科学与工程学院,1999Wang E Y.Study on coal and gas outburs t forecas t technology withel ectromagnetic radiation method and its applicati on[Postdoctoralreport](in Chinese).Xuzhou:College of Energy Science andEngineering,China Univers ity of Mining and Technology,1999 [8]胡 菊,魏风清.俄罗斯-6型地震声学监测系统在八矿的试验应用.煤炭工程师,1994,(6):41~46Hu J,Wei F Q.Experiment application of Russia_6earthquakeacous tic monitoring s ystem in8th coal mine.Coal Enginee r(inChinese),1994,(6):41~46[9]国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程.北京:煤炭工业出版社,2001China Coal Mine Safet y Supervise Bureau.Coal Mine Safet yR egulation(in Chinese).Beijing:China Coal Indus try Publis hingHouse,2001[10]窦林名.煤岩突变的声电效应规律及其应用研究[博士后研究报告].徐州:中国矿业大学能源科学与工程学院,2001Dou L M.St udy on acousto_electric effect law of coal or rockmutation[Postdoctoral report](in Chines e).X uzhou:Coll ege ofEnergy Science and Engineering,China Univers ity of Mining andTec hnology,2001[11]于不凡,王佑安.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册.北京:煤炭工业出版社,2000Yu B F,Wang Y A.Manual for Gas Disaster Prevention andUtilization in Coal Mine(in Chinese).Beijing:China Coal Indus tryPubl is hing House,2000221 1期王恩元等:煤矿采掘过程中煤岩体电磁辐射特征及应用。
《多因素作用下受载煤岩体电磁辐射规律实验研究》篇一一、引言随着煤矿开采的深入,煤岩体受载变形和破坏是矿井生产过程中的重要问题。
在这个过程中,电磁辐射(EMR)是一种重要的物理现象,它可以有效地反映煤岩体受载的力学行为。
然而,煤岩体内部的电磁辐射受多种因素影响,包括载荷条件、材料特性、地质环境等。
因此,研究多因素作用下受载煤岩体电磁辐射的规律,对了解矿井地质状况、预防煤与瓦斯突出等事故具有重要意义。
二、文献综述在过去的几十年里,国内外学者对煤岩体电磁辐射的研究已经取得了一定的成果。
这些研究主要关注于电磁辐射的机理、影响因素以及在矿井生产中的应用。
然而,由于煤岩体本身的复杂性和多变性,以及外部载荷和地质环境的复杂性,目前对多因素作用下受载煤岩体电磁辐射规律的研究仍不够深入。
三、实验方法为了研究多因素作用下受载煤岩体电磁辐射的规律,我们设计了一套实验装置和方法。
首先,我们选择了具有代表性的煤岩样品,并对其进行了详细的物理和化学性质分析。
然后,我们通过改变载荷条件、材料特性、地质环境等因素,对煤岩样品进行加载实验。
在实验过程中,我们使用高精度的电磁辐射检测设备,实时记录煤岩体在受载过程中的电磁辐射数据。
四、实验结果通过实验,我们得到了大量关于多因素作用下受载煤岩体电磁辐射的数据。
首先,我们发现载荷条件对电磁辐射的影响显著。
随着载荷的增加,电磁辐射强度逐渐增大。
其次,煤岩体的材料特性也对电磁辐射产生影响。
例如,不同种类的煤岩具有不同的电磁辐射特性。
此外,地质环境也对电磁辐射产生影响。
例如,地下水、地应力等因素都会影响煤岩体的电磁辐射行为。
五、数据分析与讨论为了更深入地了解多因素作用下受载煤岩体电磁辐射的规律,我们对实验数据进行了详细的分析和讨论。
首先,我们通过统计方法分析了不同因素对电磁辐射的影响程度。
我们发现,载荷条件和材料特性是影响电磁辐射的主要因素。
其次,我们通过对比不同煤岩样品的电磁辐射数据,分析了煤岩体内部结构对电磁辐射的影响。
《煤岩电磁辐射理论与技术新进展》篇一一、引言随着煤炭资源的开采深度不断增加,煤岩动力灾害问题日益突出,对矿山安全生产造成了严重威胁。
煤岩电磁辐射技术作为一种有效的煤岩动力灾害监测与预警手段,其理论与技术的不断进步对于提高矿山安全生产水平具有重要意义。
本文将就煤岩电磁辐射理论与技术的最新进展进行详细介绍。
二、煤岩电磁辐射基本原理煤岩电磁辐射是指煤岩体在受到力作用时,由于内部结构的变化而产生的电磁辐射现象。
其基本原理包括岩石力学、电磁学以及信号处理等方面。
煤岩体在受到外力作用时,其内部结构发生变化,导致电磁场发生变化,进而产生电磁辐射。
这种辐射信号与煤岩体的应力、应变、破坏等过程密切相关,因此可以通过监测电磁辐射信号来预测和预警煤岩动力灾害。
三、煤岩电磁辐射技术新进展1. 信号采集与处理技术随着数字信号处理技术的发展,煤岩电磁辐射信号的采集与处理技术得到了不断提高。
新型的电磁传感器具有更高的灵敏度和稳定性,能够更准确地采集煤岩电磁辐射信号。
同时,数字信号处理技术能够有效地提取出信号中的有用信息,提高信号的信噪比,为煤岩动力灾害的预测和预警提供更可靠的数据支持。
2. 多参数监测技术为了更全面地了解煤岩体的应力、应变等状态,煤岩电磁辐射技术逐渐与其它监测技术相结合,形成了多参数监测系统。
例如,将电磁辐射技术与微震监测技术相结合,可以同时监测煤岩体的电磁辐射和微震活动,从而更准确地判断煤岩体的破坏过程和位置。
3. 智能预警系统随着人工智能技术的发展,煤岩电磁辐射技术逐渐与智能预警系统相结合。
通过建立煤岩电磁辐射与煤岩动力灾害之间的关联模型,利用机器学习等技术对煤岩电磁辐射数据进行处理和分析,实现煤岩动力灾害的智能预警。
这种智能预警系统能够提高预警的准确性和时效性,为矿山安全生产提供有力保障。
四、应用前景与展望煤岩电磁辐射理论与技术的不断进步为矿山安全生产提供了新的手段。
未来,随着技术的进一步发展和完善,煤岩电磁辐射技术将在以下几个方面发挥更大作用:1. 提高预测精度:通过改进信号采集与处理技术,提高煤岩电磁辐射信号的采集和处理精度,进一步提高煤岩动力灾害的预测精度。
《煤岩电磁辐射理论与技术新进展》篇一一、引言随着煤炭资源的不断开采和利用,煤岩体中的地质结构及煤层中煤质的特性日益复杂。
对于矿井中的灾害预防与预警,特别是瓦斯、冲击地压等突发性地质灾害,人们正寻找一种更加精准和有效的探测手段。
其中,煤岩电磁辐射技术因其独特性而受到广泛关注。
本文将针对煤岩电磁辐射理论与技术的最新进展进行深入探讨。
二、煤岩电磁辐射的基本原理煤岩电磁辐射是指在煤矿或矿井内由于地应力、地温等作用而引发的岩石内部物理或化学过程,如矿井煤层气体(如瓦斯)逸出或地质应力作用过程中发生的岩石形变等现象产生的电磁波。
该技术主要利用煤岩在形变过程中产生的电磁辐射信号来研究煤岩的内部结构和性质。
三、煤岩电磁辐射技术的发展历程早期的煤岩电磁辐射研究主要基于地磁、声发射等原理,虽然能够检测到一定的信号,但精度和分辨率较低。
随着科技的进步,人们开始尝试利用更先进的电磁学理论和技术手段来研究煤岩的电磁辐射特性。
近年来,随着人工智能和大数据技术的快速发展,煤岩电磁辐射技术也得到了极大的提升和改进。
四、煤岩电磁辐射技术的新进展(一)理论研究的深入随着岩石力学、电磁学等基础理论的深入研究,人们对煤岩电磁辐射的机理有了更深入的认识。
如岩石在形变过程中产生的微裂纹、微破裂等现象与电磁波的传播有着密切的关系,这些研究成果为进一步发展煤岩电磁辐射技术提供了坚实的理论基础。
(二)技术的创新与升级1. 信号处理技术:通过引入小波分析、傅里叶变换等先进的信号处理技术,提高了对煤岩电磁辐射信号的识别和解析能力。
2. 传感器技术:新型的传感器技术如光纤传感器、无线传感器网络等的应用,提高了数据的采集精度和传输效率。
3. 智能化监测系统:基于大数据和人工智能技术,开发了能够实时监测和分析煤岩电磁辐射的智能化监测系统,提高了对煤矿地质灾害的预警和预防能力。
(三)技术应用范围的拓展随着煤岩电磁辐射技术的不断发展和完善,其应用范围也得到了拓展。
电磁辐射在地球物理勘探中的应用地球物理勘探是一种广泛应用于地质勘探和矿产资源调查的技术手段。
电磁辐射作为地球物理勘探的重要组成部分,在探测地下地质信息和矿产资源方面发挥着不可替代的作用。
本文将探讨电磁辐射在地球物理勘探中的应用,介绍其原理和技术手段。
一、电磁辐射在地质勘探中的原理电磁辐射作为一种能量的传播方式,可以通过发射电磁波并接收其反射波或散射波,进而了解地下结构和特征。
地球物理勘探中常用的电磁辐射包括电磁波、地电场和磁场等。
1. 电磁波电磁波是电场和磁场以垂直于传播方向的横波形式传播的能量。
在地球物理勘探中,常用的电磁波包括射频波、红外线、可见光、紫外线和X射线等。
不同波长的电磁波在地下的反射和散射特性不同,可以提供地质勘探所需的信息。
2. 地电场地电场是由地球大气中的电离带和地下导体的分布所形成的电场。
地电场的变化与地下构造和岩石性质等相关,可以通过测量地电场的强度和方向,推测地下的电导率和电阻率,从而识别出地下矿体和地质构造特征。
3. 磁场磁场是由地球内部的地磁体和地壳中的磁性物质所形成的。
地球物理勘探中常用的磁场包括地球磁场和人工磁场。
地球磁场的强度和方向与地下的磁导率和磁性物质有关,可以通过检测磁场的变化,探测地下构造和矿产资源。
二、地球物理勘探中的电磁辐射技术手段地球物理勘探中利用电磁辐射进行探测的技术手段主要包括电法、磁法和电磁波测深等。
1. 电法电法是通过测量地下电阻率的变化,来推测地下的岩性、矿产质量和地下水等信息。
电法勘探中通常采用正、反电极系统,通过在地面上布设电极和施加电流,测量地下电位差和电场强度,计算地下电阻率分布,为地下构造和地质特征提供信息。
2. 磁法磁法是利用地下磁场的变化来检测地下构造和矿产资源的一种手段。
磁法勘探中使用磁场传感器测量地面上的磁场强度,并通过地面实测的磁场数据进行处理和解译,得到地下构造和矿产资源的信息。
3. 电磁波测深电磁波测深是利用电磁波在地下传播的速度和反射特性来探测地下构造和矿产资源的一种方法。
电磁辐射和光谱分析在地质研究中的新方法地质研究是探索地球演化过程和内部构造的重要科学领域。
传统的地质研究方法主要依赖于野外勘查和实地观察,而随着科技的进步,电磁辐射和光谱分析作为一种新的地质研究方法逐渐引起了人们的关注。
本文将对电磁辐射和光谱分析在地质研究中的应用进行介绍。
一、电磁辐射在地质研究中的应用电磁辐射是指在空间传播的电磁波,它可以通过测量地球表面的电磁辐射强度来获取地下地质构造和矿产资源信息。
1. 电磁辐射在勘探地下矿产资源中的应用通过测量地球表面的电磁辐射强度,可以推断出地下的电磁反射或散射信息,从而确定地下矿产资源的分布情况。
例如,磁力和电磁法是常用的矿产勘探方法,通过对地表电磁辐射的测量,可以识别出地下的磁性物质和电导率异常,从而揭示地质构造和矿藏位置。
2. 电磁辐射在地震监测中的应用地震是地球内部活动的重要表现形式,传统的地震监测主要依赖于地震仪等设备。
而电磁辐射则可以作为一种新的地震监测手段。
地震会引发地下岩石的应力变化,从而产生电磁辐射信号。
通过对这些信号的分析,可以对地震进行监测和预测。
二、光谱分析在地质研究中的应用光谱分析是一种通过测量物质对不同波长光的吸收和发射特性来分析物质组成和性质的方法。
在地质研究中,光谱分析主要应用于矿物学和地球化学方面。
1. 光谱分析在矿物学中的应用矿物是地球表层的基本组成单元,矿物的组成和结构信息对于了解地球演化和矿产资源分布具有重要意义。
通过对矿物样品进行光谱分析,可以获取其吸收、发射特性等信息,进而确定矿物的成分和性质。
光谱分析在矿物鉴定、矿物性质评价和矿石选矿方面发挥着重要作用。
2. 光谱分析在地球化学中的应用地球化学研究涉及地球表层各种物质的组成、性质、迁移等问题。
光谱分析通过对地球样品进行光谱测量,可以快速、准确地确定样品中的元素含量和同位素组成。
例如,红外光谱和拉曼光谱被广泛应用于矿石的成分分析和痕量元素检测。
总结:电磁辐射和光谱分析作为一种新的地质研究方法,在地质勘探、矿产资源评价、地震监测等方面发挥着重要作用。
基于电磁辐射检测的地下金属矿产资源探测技术研究基于电磁辐射检测的地下金属矿产资源探测技术研究摘要:地下金属矿产资源探测是矿产资源勘探工作的重要环节之一。
传统的地下勘探技术存在着探测深度有限、精度不高等问题。
而基于电磁辐射检测的地下金属矿产资源探测技术,通过测量地下电磁场来判别地下金属矿产资源的分布,具有非侵入性、高效率等优点。
本文将详细介绍基于电磁辐射检测的地下金属矿产资源探测技术,并重点讨论了电磁辐射检测技术在地下金属矿产资源探测中的应用。
关键词:电磁辐射检测;地下金属矿产资源;探测技术;应用一、引言地下金属矿产资源的探测对于矿业开发具有重要意义。
传统的地下勘探技术主要包括地震探测、地电探测、重磁探测等,但这些方法存在着探测深度有限、精度不高等问题。
基于电磁辐射检测的地下金属矿产资源探测技术被广泛研究和应用,该技术通过测量地下电磁场来判别地下金属矿产资源的分布,具有非侵入性、高效率等优点。
本文将详细介绍基于电磁辐射检测的地下金属矿产资源探测技术,并重点讨论了电磁辐射检测技术在地下金属矿产资源探测中的应用。
二、基于电磁辐射检测的地下金属矿产资源探测技术1. 电磁辐射检测原理基于电磁辐射检测的地下金属矿产资源探测技术是利用地下金属矿产资源的电磁性质来进行探测的。
地下金属矿产资源在地下存在时,会产生电磁场,而电磁辐射检测技术就是通过测量地下电磁场来判断地下金属矿产资源的分布情况。
具体来说,电磁辐射检测技术主要包括电磁感应法、电磁波法等。
2. 电磁感应法电磁感应法是一种应用电磁感应现象测量地下金属矿产资源的方法。
该方法是通过感应线圈测量地下金属矿产资源所产生的电磁场变化来判断地下金属矿产资源的存在与否。
电磁感应法主要包括低频感应法、中频感应法和高频感应法等。
3. 电磁波法电磁波法是一种应用电磁波与地下金属矿产资源相互作用来探测地下金属矿产资源的方法。
电磁波法主要包括电磁波传播理论、电磁波探测仪器和数据处理等方面。
岩石破裂时电磁辐射的影响因素和机理
刘煜洲;刘因;王寅生;金安忠;傅建民;曹静平
【期刊名称】《地震学报》
【年(卷),期】1997(019)004
【摘要】根据实验提出,岩石破裂时产生电磁辐射的影响因素主要是岩石力学性质和矿物组成,脆性破裂的样品和含石英,黄铁矿,黄铜矿等的样品易产生电磁辐射,存在3种破裂-辐射效应;晶体破裂效应,压电效应和天然半导体效应,分别是产生高频信号,低频信号和具有独特波形的中频信号的主要机理。
【总页数】8页(P418-425)
【作者】刘煜洲;刘因;王寅生;金安忠;傅建民;曹静平
【作者单位】中国合肥230009合肥工业大学;中国合肥230009合肥工业大学【正文语种】中文
【中图分类】P315.7
【相关文献】
1.岩石破裂电磁辐射监测系统研制 [J], 朱福荣;朱红秀;姚欣歆;魏争;黄松岭
2.岩石破裂电磁辐射频率与岩石属性参数的关系 [J], 李夕兵;万国香;周子龙
3.岩石破裂时电磁辐射的机理研究 [J], 朱元清;罗祥麟;郭自强;赵志光;祝中伟
4.晶体和岩石破裂时电磁辐射的可能机制[J], Х.,НГ;陈有发
5.岩石破裂过程中电磁辐射信号特征研究 [J], 张雪娟;何明文;王红强
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电磁辐射信号在金属矿岩中的传播万国香; 王其胜; 李夕兵; 蔡十华【期刊名称】《《中国钨业》》【年(卷),期】2019(034)003【总页数】5页(P7-11)【关键词】衰减; 纵波; 电磁信号; 电导率【作者】万国香; 王其胜; 李夕兵; 蔡十华【作者单位】嘉应学院物理与光信息科技学院广东梅州 514015; 嘉应学院土木工程学院广东梅州 514015; 中南大学资源与安全工程学院湖南长沙 410083;江西师范大学物理与通信电子学院江西南昌 330027【正文语种】中文【中图分类】TU452近年来,岩石受力变形破裂过程中产生的电磁辐射信号备受人们的关注[1-5]。
研究者开展了大量的室内实验来探测该种电磁信号,并试图研究它的产生机制[6-10]。
岩石破裂电磁辐射效应的研究,对于地震预测或者金属矿山冲击地压危险性的监测等均有重要的研究价值。
金安中等人开展了野外爆破试验,在爆点附近记录到了中低频电磁信号,并说明该信号受岩石属性、爆破能量以及观测距离和方向等众多因素的影响[11]。
赵扬锋等[12]人研究结果表明岩石变形破裂产生的电荷信号受应力变化速率的影响,在应力变化速率大时,会有较强的电荷信号出现。
宋大钊等[13]人研究了煤岩体损伤破坏过程中的能量转化机制,并建立了受载煤岩体的电磁辐射能与耗散能两者间的关系。
赵伏军等[14]人试验结果表明,岩石破碎过程中产生的声发射和电磁辐射信号波形变化与刀具侵入的载荷曲线均呈跃进式特征,且具有较好的一致性;声发射和电磁辐射信号随加载速率增加而增强。
为了解释所探测到的岩石电磁信号,人们提出了各自不同的观点,比如“动电效应”,裂纹尖端电荷运动、微破裂产生电偶极子、偶电层[4,10,22]的观点、电子发射激发空气、天然半导体效应[7]、压电压磁效应[6-7]等,目前关于电磁辐射的产生机制还没有定论[8]。
Yoshida等[15]试验结果表明,与非压电岩石的试验结果相比,他们认为压电性是岩石破裂产生电磁信号的最重要的产生机制。
压电法已作为一种新的找矿方法,在苏联(后来主要是俄国)应用了几十年,取得了较好的地质效果,近年来我国的压电法也越来越完善[16]。
本课题组基于压电效应,研究了岩石在爆炸应力波作用下岩石电磁信号特征[17]。
另外,纵观以往学者们的研究,对于金属矿岩中电磁辐射的传播特性鲜有涉及,因此在前期工作的基础上,进一步研究平面纵波下产生的电磁信号在金属矿岩中的传播规律。
1 平面波下电磁信号本文首先基于压电效应,得到岩石中电磁辐射信号,由于篇幅问题,在此暂时考虑岩石在纵波下产生的电磁信号,横波可另行研究。
1.1 无衰减平面波下电磁信号假设岩体中有一个纵波(x传播x偏振),可以表示为[18]:式中:ω 为角频率,rad/s;k 为波数,m-1。
式中:ρ为岩石密度,kg/m3;cp为岩石纵波波速,m/s;ρe为炸药密度,kg/m3;D 为炸药波速,m/s。
对于常用固体炸药,可近似取b=3。
结合压电方程和麦克斯韦方程组可得[17]:式中:μ0为真空磁导率,H/m;εxx为介电系数,F/m;dz1为压电系数,C/N;下标1是为了与下面的电场进行区别,下标z表示方向。
1.2 衰减平面波下电磁信号假设岩体中有一个x传播x偏振的衰减纵波,形如式(4)[19]。
其中:式中:D0为岩石的初始损伤,实际测量起来比较困难,在工程上,一般取D0≤0.6,因此在文中取D0=0~0.6[19]。
同理,可以得到衰减平面波下电场表达式为式(6)[17]。
其中:2 金属矿岩中电磁信号的传播若不考虑产生电磁信号的“应力波源”的衰减,电磁信号在完整的非金属矿岩石中的传播时,几乎不会产生宏观电流,基本属于理想化的问题,幅值不会发生衰减。
如果是金属矿岩,根据文献[20],其电导率最大值可达10-2S/m左右,该值远大于非金属矿岩石,因而容易形成宏观电流,产生焦耳热,从而产生消耗电磁信号的能量。
考虑到金属矿岩石具有较高的电导率,可以近似地将它视为导体。
在导体内部有J=σE,此时的波矢量不再是实数,而是复数。
可以令:2.1 无衰减平面波下电磁信号联合式(3)和式(8),则可以得到金属矿中的电磁信号:α、β均为正实数,分别称之为衰减常数和相位常数。
为简单起见,如果考虑垂直入射,则有[21]:不过对于金属矿来说,并不能等同于纯金属,因此很难达到良导体的条件,在此作一个特别说明。
由表达式(9)可以看出,理想化无衰减的平面所产生的电磁信号在金属矿石将会产生衰减,其衰减的程度由衰减常数决定。
2.2 衰减平面波下电磁信号根据表达式(6)和(8),可以得到衰减平面电磁波的电磁信号在金属矿中的表达式:从表达式(13)可以看出,电磁信号本来已经存在衰减,此时加上衰减常数,电磁信号衰减更严重了。
电场强度E的下标1和2分别表示无衰减平面波和衰减平面波两种情况下的电场表达式。
如果是良导体,则更有简单的表达式[21]:3 参数研究根据公式(9)计算可以得到平面波下电场幅值变化,分别如图1和图2所示;根据公式(13)计算可以得到球面波下电场幅值变化,分别如图3和图4。
在计算时,为了考虑电导率和磁导率对电场幅值的影响,固定其他参数的取值。
考虑到参数的选择应具有实际意义,根据文献[22]对广西瑚珊锡矿脉石英样品的实际测量数据,取dz1=193.22×10-15CN-1;为考查电磁信号的传播问题,结合分析文献[20]对实际金属矿井的报道,进一步确定电导率取值范围从10-8量级至 10-1量级,ε=1.2×10-12F/m,采用固定变量法,取岩石密度ρ=2700 kg/m3,纵波传播速度cp=5600 m/s;炸药密度ρe=1630 kg/m3,炸药波速D=6900 m/s[19]。
其他参数取值见对应图示;考虑到压电法等为低频段,取频率f=2 Hz。
图1和图2表示在岩石无衰减平面波作用下所产生的电磁信号,随电导率和传播距离的变化。
从图1和图2均可以看出,即使平面波无衰减,它所产生的电场幅值也将随着传播距离发生衰减,这是电导率的存在而导致的。
这与相同条件下,非金属矿中电磁辐射信号的传播结果是不一样的[17]。
图1 无衰减平面波下电场幅值随传播距离的衰减Fig.1 Attenuation of electric field amplitude with the changing propagation distance under non-attenuated plane wave图2 无衰减平面波下电场幅值随电导率的衰减Fig.2 Attenuation of electricfield amplitude with the changing conductivity under non-attenuated plane wave从图1可以看出,在电导率为10-8S/m量级时,此时的电导率值对应于非金属电介质材料,电场值几乎和横坐标平行,说明电导率对电场的衰减并不明显;当电导率增加到10-4S/m量级时,电场值发生衰减,电导率对电场的衰减作用逐渐显示它的影响力。
当电导率到达10-2S/m时,电导率对电场的衰减作用十分显著,当传播至180 m左右时,电场幅值已经几乎衰减一半。
对于金属矿,电导率的最大值是可以达到10-1S/m左右的[20],这种情况下,电导率对电场的衰减不可忽视。
文献[22]的试验结果表明,含金属硫化物的岩石(黄铁矿石、黄铜矿石,方铅矿等)均能产生较强的电磁辐射信号,信号强度跟接收天线与岩石标本之间的距离有很大关系,有的观测点几乎探测不到电磁信号,这极有可能与岩石的高电导率值有关,正是高电导率值导致电磁信号随距离发生比较剧烈的衰减。
图3和图4表示岩石在衰减平面波作用下所产生的电磁信号随电导率、岩石的初始损伤和传播距离的变化。
从图3可以看出,电场随初始损伤增大而衰减,曲线1和2非常接近,几乎重合在一起,说明此时电导率对电场的衰减作用相比于初始损伤显得“弱”一些。
当电导率增大到时,相比于曲线1和2,电场的幅值下降了许多,说明此时电导率对电场的衰减作用越来越“强”。
图4的结果再次验证了图3的分析结果,在电导率比较小的情况下,岩石的初始损伤对电场的衰减作用更加明显。
图3 衰减平面波下电场随岩石初始损伤的衰减Fig.3 Attenuation of electric field with initial damage of rock under attenuated plane wave图4 衰减平面波下电场随传播距离的衰减Fig.4 Attenuation of electric field with propagation distance under attenuated plane wave从以上的分析结果来看,相比于非金属矿,由于金属矿具有较大的电导率值,由于压电效应所产生的电磁信号衰减比较迅速,因而有可能在一定范围内是难以探测到电磁辐射信号的,而在某些离产生电磁信号“源”距离较近的区域,可能仍有可能探测到电磁信号,这与文献[11]的研究结果基本相符。
4 结论(1)基于压电效应,结合导体中波矢量发生改变的事实,得到了理想和衰减平面纵波下金属矿中电场的表达式。
(2)计算结果表明,在金属矿中,由于电导率的存在,即使是无衰减平面波产生的电磁信号也将随传播发生衰减,电导率越大,电场衰减越剧烈。
(3)在无衰减平面波下,在电导率为1.5×10-8S/m时,电导率对电场的衰减作用并不明显,当电导率增加到2.5×10-4S/m量级时,电导率对电场的衰减逐渐增强。
当电导率达到1.8×10-2S/m时,电导率对电场的衰减作用十分显著。
在衰减平面波作用下,电场同时随着电导率和岩石初始损伤两者发生衰减,当电导率低于2.5×10-3S/m时,电导率对电场的衰减作用相比于初始损伤显得“弱”一些。
当电导率增大到1.8×10-1S/m时,电导率对电场的衰减作用越来越“强”,在电导率和初始损伤两者共同影响下,电场迅速衰减。
参考文献:【相关文献】[1]BRADY B T,ROWELL G boratory investigation of the electrodynamics of rock fracture[J].Nature,1986,321:488-492.[2]张建国,焦立果,刘晓灿,等.汶川M_S8.0级地震前后ULF电磁辐射频谱特征研究 [J].地球物理学报,2013,56(4):1253-1261.ZHANG Jianguo,JIAO Liguo,LIU Xiaocan,et al.A study on the characteristics of ULF electromagnetic spectrum before and after the Wenchuan MS8.0 earthquake [J].Chinese Journalof Geophysics,2013,56(4):1253-1261.[3]SONG Xiaoyan,LI Xuelong,LI Zhonghui,et al.Study on the characteristics of coal rock electromagnetic radiation (EMR)and the main influencing factors[J].Journal of Applied Geophysics,2018,148(1):216-225.[4]GOKHBERG M B,MORGOUNOV V A,YOSHINO T,et al.Experimental measurementof electromagnetic emissions possibly related to earthquakes in Japan[J].Journal of Geophysical Research Solid Earth,1982,87(B9):7824-7828.[5]FRID V,VOZOFF K.Electromagnetic radiation induced by mining rockfailure[J].International Journal of Coal Geology,2005,64(1):57-65.[6]郝锦绮,钱书清,高金田,等.岩石破裂过程中的超低频电磁异常[J].地震学报,2003,25(1):102-111.HAO Jingqi,QIAN Shuqing,GAO Jintian,etal.Ultra-low frequency electromagnetic anomaly during rock rupture t[J].Acta Seismologica Sinica,2003,25(1):102-111.[7]包德修,和仁道,马伟林,等.地震电磁信息的偶电体模型[J].中国地震,1991,7(4):83-86.BAO Dexiu,HE Rendao,MA Weilin,et al.Dielectric model of seismic electromagnetic information[J].Earthquake Research in China,1991,7(4):83-86.[8]王继军,赵国泽,詹艳,等.中国地震电磁现象的岩石实验研究[J].大地测量与地球动力学,2005,25(2):22-28.WANG Jijun,ZHAO Guoze,ZHAN Yan,et al.Experimental studyon the electromagnetic phenomenon of Chinese earthquake[J].Geodesy and Geodynamics,2005,25(2):22-28.[9]LOS’V F,LEMENTUEVA R A,IRISOVA E L.Solution of hardware and methodological problems and the study of electromagnetic emission in laboratory experiments on rock destruction[J].Seismic Instruments,2011,47:259-266.[10]贺虎,孙昊,王茜.冲击矿压危险的电磁-震动耦合评价[J].煤炭学报,2018,43(2):364-370.HE Hu,SUN Hao,WANG Qian.Electromagnetic-vibration coupled assessment of rockburst dange[J].Journal of China Coal Society,2018,43(2):364-370.[11]金安中,赵强,姜枚,等.小尺度岩石爆破引起电磁辐射野外实验观测结果[J].地震学报,1997,19(1):45-50.JIN Anzhong,ZHAO Qiang,JIANG Mei,et al.Field observation results of electromagnetic radiation induced by small scale rock blasting[J].Acta Seismologica Sinica,1997,19(1):45-50.[12]赵扬锋,潘一山.单轴压缩下花岗岩电磁信号的实验研究[J].中国地质灾害与防治学报,2009,20(3):132-137.ZHAO Yangfeng,PAN Yishan.Experimental study on electromagnetic signals of granite under uniaxial compression[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2009,20(3):132-137.[13]宋大钊,王恩元,刘晓斐,等.煤岩循环加载破坏电磁辐射能与耗散能的关系[J].中国矿业大学学报,2012,41(2):175-181.SONG Dazhao,WANG Enyuan,LIU Xiaofei,et al. Relationship between destructive electromagnetic radiation energy and dissipation energy in coal rock cyclic loading[J]. Journal of China University of Mining&Technology,2012,41(2):175-181.[14]赵伏军,李玉,陈珂,等.岩石破碎声发射和电磁辐射特征试验研究[J].地下空间与工程学报,2019,150(2):345-351.ZHAO Fujun,LI Yu,CHEN Ke,et al.Experimental study on acoustic emission and electromagnetic radiation characteristics of rockfragmentation[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2019,15(2):345-351.[15]YOSHIDA S,MANJGALADZE P,ZILPIMIANI D,et al.Electromagnetic emissions associated with frictional sliding of rock.[M]In:Hayakawa,M,Fujinawa,Y(Eds),Electromagnetic Phenomena related to earthquake prediction terra scientific publishing company,Tokyo,1994,307-322.[16]姜枚,刘煌洲.压电法与震源电磁辐射法[J].国外地质勘探技术,1991,15(5):23-26.JIANG Mei,LIU Huangzhou.Piezoelectric method and source electromagnetic radiation method [J].Foreign Geoexploration Technology,1991,15(5):23-26.[17]WAN Guoxiang,WANG Qisheng,LI Xibing,et al.Piezoelectric responses of brittle rock mass containing quartz to static stress and exploding stress waverespectively[J].Journal of Central South University of Technology,2008,28(3):344-349.[18]李夕兵,古德生.应力波和电磁波在岩体中相互耦合的研究[J].中南矿冶学院学报,1992,23(3):260-266.LI Xibing,GU Desheng.Study on the coupling of stress waves and electromagnetic waves in rock mass[J].Journal of Central South University,1992,23(3):260-266.[19]赵统武.冲击动力学[M].北京:冶金工业出版社,1996:182-188.[20]吴俊军.开口同轴法测试岩石电性参数的方法研究[D].长春:吉林大学,2009.WUJunjun.Study on the method of testing the electrical parameters of rock by open coaxial method[D].Jilin:Jilin University,2009.[21]郭硕鸿.电动力学[M].北京:高等教育出版社,2008:150-155.[22]王秀琨,王寅生,段兆金.我国石英脉型矿床岩石压电性研究[J].物探与化探,1989,13(1):29-35.WANG Xiukun,WANG Yinsheng,DUAN Zhaojin.Piezoelectrictity of rocks from vatrious quartz vein type ore deposits in china[J].Geophysical and Geochemical Exploration,1989,13(1):29-35.。