非常温下煤岩样声发射及电磁辐射研究

利用煤岩升温变形破坏声电效应实验系统,对不同煤岩样在升温破裂时的声发射、电磁辐射信号进行测试,分析得出煤岩样的声发射和电磁辐射信号在加热升温过程中的变化规律,并且对电磁辐射在相同频率不同位置下的变化规律进行测试。研究结果表明,在加热升温过程中,煤岩样都会发出声发射和电磁辐射信号;煤岩所产生的声发射信号会出现先增大后减小的变化规律,而电磁辐射信号会随着温度的变化而变化,其变化趋势和温度的变化趋势大致相同。     

移动式煤岩电磁辐射监测系统

针对煤岩动力灾害监测过程中电磁辐射信号具有很宽频带的特点,现有电磁辐射监测系统不能对电磁辐射信号连续波形采集与存储、造成监测信号部分信息丢失、可能漏检灾害前兆特征等问题,研制了移动式煤岩电磁辐射监测系统。系统采用32位高性能ARM处理器,能够对井下电磁辐射信号进行连续波形采集与存储;能够同步监测8路电磁辐射信号;采用RS458和CAN总线通信方式,对其他安全监测监控系统具有较好的兼容性。实验室与现场测试表明：系统工作稳定、可靠,能够对井下宽频电磁辐射信号进行连续波形采集与储存,在煤岩动力灾害预测预警中具有广泛的应用前景。     

煤岩损伤破坏ULF电磁感应实验研究

利用建立的煤岩声-电信号测试系统,对强度较低的煤岩试样进行了单轴压缩、剪切加载破坏实验,测试研究了ULF（1 kHz）、VLF（5 kHz）、LF（300 kHz）等频段电磁辐射及42.3 kHz声发射（AE）信号规律,并初步探讨了煤岩变形破坏ULF电磁信号的产生机理。结果表明：煤岩材料在单轴压缩和剪切变形破裂过程中能够产生ULF频段的电磁信号;与LF及VLF电磁信号相比,ULF信号与应力的相关性更好;同时,ULF信号与应力及AE相比存在一定程度的超前性,一般超前应力及AE信号5~10 s。实验室测得的煤岩变形破裂产生的ULF电磁信号,主要是由电荷运动产生的感应场变化引起的,煤岩材料中含有的少量金属矿物成分导致的压磁效应也是其来源之一。煤岩ULF电磁信号的研究不仅扩展了煤岩电磁辐射技术的研究范围,而且由于其在传播距离和抗干扰能力方面的优势,有望对远距离和较大尺度范围的煤岩动力灾害监测技术实现突破。     

采动过程中煤岩电磁辐射影响因素研究

电磁辐射法是一种能够有效预测预报煤岩动力灾害的地球物理方法,利用KBD7电磁辐射监测仪对红菱矿1200,1204工作面回风巷煤岩采动过程进行了连续监测,探讨了采动过程中煤岩电磁辐射机理,并分析了电磁辐射信号与采掘工艺、地质构造及防突措施等影响因素的关系。     

脉冲雷达透地探测煤岩实验研究

传统的煤岩探测采用瞬变电磁、地震波、超声波和探地雷达等技术,发射和接收1 GHz以下的信号频率,不能兼顾探测深度和探测精度。综采工作面采煤机自动调高要求煤岩分界达到20 mm的检测精度,为此提出采用无线脉冲雷达穿透煤岩层的高精度深度探测技术。设计成单雷达芯片+射频电路的低功耗小型化的超宽带雷达,由脉冲产生器PG(Pulse Generator)发射亚纳秒级的窄脉冲电磁波形,输出中心频率为53~88 GHz、频宽为165~440 GHz和功率为-172~-105 dBm的超宽带UWB(Ultra-Wide Band)信号,输入电路采集从煤岩介质反射回来的峰峰值达54~72 mV的信号电压。超宽带雷达通过双Vivaldi型天线垂直于煤岩层贴近布置,发射天线发出低至-19 dBｍ的7阶高斯脉冲超宽带波段信号,接收天线以30 Gbps的速率采集512 级深度回波信号,利用煤岩存在明显介电常数差异所产生的脉冲反射与发射信号的传播时延,与现场煤岩介电常数标定后计算出的电磁波传播速率相乘,来推算出煤层厚度以精确地确定出煤岩分界位置。根据煤层深度和介电常数的变化建立了煤岩探测的脉冲垂直分辨率、探测深度与信号采样时窗长度关系,确定采样时窗长度为256 ns,测量分辨率达到4 mm。为了直观地分辨出煤岩分界位置,以采集的脉冲信号数据绘制波形灰度图,深黑色和亮白色分别表示信号的波谷和波峰,代表了介电常数有较大差异的煤岩两种介质的分界位置,并通过波谷或波峰到起点的时间差计算出煤层的厚度。在留顶煤开采的综采工作面和巷道现场测试,测量煤层厚度的误差小于20 mm,能够在煤层未开采前检测出工作面顶煤和底煤的厚度,为采煤机自动调高提供精准的位置参考。     

煤岩动力灾害电磁辐射监测仪及其应用

基于受载煤岩体的电磁辐射特性及规律,研制了具有电磁信号接收、数据处理、数据存储、通讯和灾害预报等功能的煤岩动力灾害电磁辐射监测仪,开发了基于Windows系统的具有数据通讯、参数设置、数据处理及分析和动态预报等功能的软件．该仪器在预测煤与瓦斯突出时,有突出危险煤层的电磁辐射水平远高于无突出危险煤层;在预测冲击地压时,矿压大的地方,电磁辐射较强,有冲击危险的区域,电磁辐射异常,表现为电磁辐射水平明显增强或变化剧烈．表明电磁辐射法预测煤与瓦斯突出和冲击地压等煤岩动力灾害危险性是可行的,研制的电磁辐射监测仪实现了非接触预测,省时省力,对生产影响较小,稳定性好,准确率较高．     

基于微震和电磁试验系统的煤岩破裂微震测试

基于煤岩体破裂产生微震和电磁场的原理,采用自动化伺服压力机、微震和电磁信号接收天线、信号采集系统及信号处理系统等,建立了微震和电磁场测试系统。最后,对某矿区的煤试样进行了实验,结果表明:煤岩体破裂过程中产生阵发式的微震、电磁等脉冲信号,脉冲信号与煤岩体受力密切相关,且微震信号和电磁信号的产生并不同步。电磁辐射信号在受载全阶段均产生,而微震信号仅在煤体破裂时集中产生,这说明电磁信号对煤体变形破坏的敏感性更强。     

煤体破裂过程中电磁信号低频特性研究

利用煤岩低频电磁辐射实验系统,采集型煤试样单轴压缩加载过程中的低频电磁辐射信号。基于希尔伯特-黄变换(HHT)的降噪原理去除高频噪声,得到有效低频电磁信号成分,并将有效低频电磁辐射信号幅值和压力进行关联分析,得出低频电磁辐射信号的能量变化规律和频率分布范围。结果表明:在型煤压密阶段,低频电磁信号幅值和能量较大;在煤体线弹性阶段,会阵发性的产生低频电磁信号,但是其能量较弱;在型煤破裂阶段,低频电磁信号幅值和能量急剧增强。低频电磁辐射信号的频段范围为0¹8 Hz,型煤破裂过程电磁信号具有较明显的低频特性,且幅值和能量的变化能很好地反映型煤的破裂状况。     

煤岩受载变形破坏声电信号时域特征的实验

受载煤岩变形破坏会产生声发射和电磁辐射信号,利用声电信号前兆在时间上和空间上的变化特征可以预警由大范围煤岩失稳引起的煤岩动力灾害。如何将声电信号的时域特征与煤岩变形破坏过程联系起来,关系到煤岩动力灾害声电预警的效果。利用煤岩单轴压缩变形破坏声电效应实验系统,测试了单轴压缩条件下煤岩试样变形破坏过程的电磁辐射和声发射信号,统计并分析了不同加载阶段电磁辐射和声发射信号的能量、脉冲等参数的变化特征。研究结果表明,受载煤岩声发射和电磁辐射的脉冲数和能量值均具有良好的时域特征;煤样的声电信号随着加载时间的进行而增大,在破坏阶段达到最大值;岩样的声发射信号在破坏阶段达到峰值而电磁辐射信号在弹塑性阶段达到峰值。     

煤岩电磁辐射响应信号的相空间分析

为了研究煤岩电磁辐射响应信号的复杂性及其动力学特征,通过对华丰矿实测煤岩电磁辐射信号的相空间分析,计算并分析重构相空间中的煤岩电磁辐射信号的关联维及最大李雅谱诺夫指数随嵌入维增加而发生变化的情况,发现其关联维趋于一稳定值,此外它还具有正的最大李雅谱诺夫指数,为进一步对煤岩电磁辐射响应信号进行混沌分析打下基础。     

矿井瞬变电磁两种接收装置对比研究

通过对电磁感应和瞬变电磁勘探技术基础理论的研究,设定了2种不同接收装置,通过接收线圈对电磁场接收信号响应参数分析以及对不同接收装置对比分析,发现对于瞬变电磁传统重叠回线接收方式与接收天线接收方式有较大不同。后面经过对2种不同接收装置探测效果对比,认为接收天线接收方式探测效果要明显优于传统线圈接收方式。分别从理论以及探测实例2方面,分析了2种不同接收装置探测效果,通过对比结果,增加了对传统接收装置和接收天线装置的认识,为实际工作提供了有力的技术保障。     

煤与瓦斯突出电磁辐射在线监测装置

最近 ,中国矿业大学和兖州矿业 (集团 )公司开展了“煤与瓦斯突出电磁辐射在线监测系统”的研究 ,根据矿井生产的需要在井下设置若干台电磁辐射监测仪 ,可以预测预报采掘工作面的煤岩破裂电磁辐射信号特征及煤岩破裂冲击地压的信号特征 ,有望实现煤与瓦斯突出电磁辐射远程在线监测及预测预报煤与瓦斯突出的情况。电磁辐射监测仪是由天线、前频电路、主频电路、A/D转换、V/F转换、网络接口电路等组成的 ,以嵌入式网络单片机为核心处理器 ,能够就地显示煤与瓦斯突出的实时电磁辐射强度、电磁辐射脉冲数信号及通过FFT变换来获得的电磁辐射信…     

成庄矿煤岩破坏电磁辐射特性及其应用研究

利用电磁辐射信号采集试验系统,研究了晋煤集团成庄矿煤岩在单轴压缩、拉伸、剪切破坏条件下的电磁辐射和声发射特性。试验结果表明,煤岩变形破坏过程中有电磁辐射信号产生,受载煤岩产生的电磁辐射与变形破裂过程紧密相关,基本成正比关系;经过与同步测试的声发射信号相比,发现电磁辐射信号更丰富。现场利用煤岩破坏的电磁辐射监测技术可以定量研究工作面推进基本顶来压、顶板周期来压的动态变化规律。     

复合煤岩变形破裂应力-电荷-温度耦合模型研究

为探究复合煤岩力学性质与电荷、温度信号内在联系,从大同忻州窑矿具有典型煤岩动力灾害特征煤层,提取顶板岩、煤样、底板岩按照1∶1∶1比例制备复合煤岩试样,采用0.1,0.3,1.0 mm/min三种不同加载速率对煤岩试样进行单轴加载破裂实验,研究复合煤岩试样单轴加载变形破裂过程中电磁、电荷、温度信号变化规律。试验结果表明:电磁辐射脉冲、电荷感应、温度在复合煤岩试样失稳破坏前均出现明显的前兆变化特征;加载初期电磁辐射、电荷感应信号较弱,随着加载应力水平的增加,两个信号逐渐增强,在临近峰值应力前信号达到最强,具有较强的一致性,两者呈二次相关性,系数在0.8以上;相对于电磁辐射信号变化特征,电荷感应信号的持续时间较短,信号特征为阵发性的,当以0.1 mm/min速率加载时,电荷感应信号最强,0.3,1.0 mm/min速率加载时信号变化率随加载速率增大而增大;温度总体呈阶跃式、台阶式上升趋势,在峰值前达到最大值。结合复合煤岩破裂SET(stress-electricity-thermal)耦合模型,推导电磁辐射脉冲数与电荷感应电压之间的数学关系,构建了SCT(stress-charge-thermal)耦合模型。针对12组试样进行试验,数据拟合结果表明:SCT模型参数n,b′的数据拟合精度较SET耦合模型m,b稍高,复相关系数基本均在0.9以上,具有较高契合度。试样产生的电磁辐射、电荷感应及温度变化与自由电荷、内部微破裂、摩擦等因素有关。在煤矿现场电荷感应检测受干扰相对于电磁辐射要小很多,故可考虑采用SCT耦合模型对煤岩动力灾害进行预测预报。     

安顺煤矿煤岩电磁辐射测试技术研究

随安顺煤矿开采深度的加深,工作面回采时异常动力灾害发生的危险性显著提高。为防范灾害事故,可基于煤岩受载破坏过程电磁辐射强度与煤岩破坏的相关性,采用电磁辐射仪测试煤岩体的损伤破坏状态,对煤岩体动力灾害事故危险性进行预测,通过设置三采区轨道下山、四采区轨道风门0～300 m处为对照组,对四采区轨道、回风、胶带三条下山掘进巷道进行煤岩电磁辐射测试,并对其监测数据进行规律分析。研究结果表明：掘进作业严重影响巷道内应力分布与煤岩破坏状态,靠近掘进点的部位所受应力扰动更为明显,掘进较深、支护稳定的巷道所受影响较小;巷道危险区的煤岩电磁辐射强度相对较高;存在断层时,断层周围电磁辐射信号较强;掘进煤巷的应力受扰动情况比岩巷更加稳定,且所受应力普遍较小。     

单轴循环加载煤岩电磁辐射规律实验研究

研究了循环加载条件下煤岩受载破坏过程的电磁辐射变化特征规律,并分析了其产生的机理。研究结果表明:煤岩单轴循环加载过程中,电磁辐射信号参量变化随着循环载荷的增加基本上呈线性增大;在加卸载过程中,电磁辐射信号参量随着加载载荷的增大而增大大,且随着卸载的进行而逐渐变小,产生此现象的原因是煤岩受载破坏过程中微裂纹的演化及煤岩基质之间的相互摩擦作用。     

煤岩电磁辐射理论与技术新进展

煤炭作为我国重要的基础能源和工业原料,其安全开采是保障国家能源安全、支撑经济社会稳定发展的关键。随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭,深部开采逐渐成为我国煤炭资源开发新常态,煤岩动力灾害风险随之攀升,严重制约煤炭安全高效开采,对我国煤炭工业可持续发展造成了恶劣的社会负面影响。准确可靠的监测手段是进行煤岩动力灾害防治的必要前提,地球物理监测预警方法通过感知煤岩变形破坏过程中释放的声、电、磁等物理信号来反演煤岩体的损伤破坏状态,已被广泛应用于煤岩动力灾害预警中。其中电磁辐射监测法具有非接触、无损、实时、前兆性强等优势,适用于矿山信息化智能化发展要求。因此,大力推动电磁辐射监测技术的发展,对于煤岩动力灾害防治具有重要意义,可为智慧矿山建设提供重要的技术支持。围绕试验现象、机理模型、技术方法3个方面对电磁辐射理论与技术研究成果进行综述,回顾了电磁辐射现象的发现过程,分析了电磁辐射信号特征、影响因素、力电耦合效应等煤岩电磁辐射特征规律,根据典型电磁辐射机理模型与应力作用、裂纹扩展过程的相关性进行了分类评述,并对现有煤岩电磁辐射监测预警装备及技术方法进行了简要介绍。在此基础上,详细阐述了近年来在煤岩电磁辐射...     

坚硬顶板易冲击煤层电磁辐射规律及其预测应用

姚桥矿组合煤岩样压缩破坏的电磁辐射实验表明,煤岩样电磁辐射信号随载荷增加而增强,电磁辐射信号与冲击能指数成线性正比关系,电磁辐射信号与顶板比例成正指数关系.实验确定的煤岩样主破裂时电磁辐射临界值已应用于7251工作面冲击矿压预测.     

煤岩变形破坏过程微震信号的实验研究

采用实验室实验,测试了煤岩变形破坏的微震信号,对比分析了煤岩变形破坏微震信号的规律及特征,初步探讨其机理。结果表明,煤样和岩样在主破裂发生前呈现出很弱的微震信号,即破坏发生前主频带变宽,应力达到最大值,信号频率最复杂,煤样在该阶段已经进入危险状态,必须立刻采取相应的措施。因此,可以利用煤岩变形破坏发出的微震信号变化特征,预测预报煤岩动力灾害发生。     

基于ANN的煤岩破坏电磁辐射预测研究

以自适应神经网络的基本原理和实现步骤为基础,研究了煤岩变形破裂过程电磁辐射自适应神经网络预测的原理及特点,将电磁辐射自适应神经网络模型应用于煤岩变形破裂过程声发射和电磁辐射序列的预测。研究结果表明,采用神经网络可以有效预测电磁辐射和声发射信号,为判定煤岩变形破裂状态提供依据。