煤岩电磁辐射中心频率探讨

【摘　要】有关理论说明煤岩电磁辐射效应在预测煤矿煤岩动力灾害有着非常广泛的应用前景，但在实际应用中由于煤岩电磁辐射现象的发生具有时间、空间的随机性，频率的不确定性，探测和鉴别还是有一定的难度。若通过其它学科的相关数据，计算出煤岩电磁辐射的中心频率或频率范围，则对电磁辐射仪的设计和制造具有非常重要的指导作用和意义。

【关键词】煤岩；电磁辐射；麦克斯韦方程；时谐电磁波；中心频率0　引言

近年来，对岩石碎裂与岩石裂隙扩大过程中电磁辐射效应方面进行研究，不论是在理论方面还是在应用研究上，均获得了喜人成绩，尤其是在地震方面的预测；在矿山方面用来预测和监测冲击地压和煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害方面，取得成绩更为显著。

V.Frid等在现场进行研究了煤的物理力学状态（水分含量、孔隙结构等等）、受力的状态以及瓦斯在工作面电磁辐射强度的影响，用谐振频率为100kHz的天线进行测定了在不同采煤工作面的天然电磁辐射，并且工作面前方岩石突出的危险指数也是用电磁辐射脉冲数指标来确定，结果是岩石和瓦斯突出危险程度的增加，这将改变采矿工作面附近岩石的不同地球物理参数，并且可以依靠岩石破裂而产生电磁辐射的方法来进行岩石和瓦斯突出预测。Н.Г.Хамиащвили测定了在矿井采进行采煤的过程中由于爆破引起的矿山冲击以及塌陷时的电磁辐射谱，在实验室里进行检测了不同的岩石以及复合岩层（煤层在砂岩层之间）破坏时的电磁辐射。В.И.Фрид等对井下煤层电磁辐射进行了深入研究，实验证明，在煤层中打钻之后钻孔口处的电磁辐射脉冲数将异常增大。

何学秋、王恩元等学者认为煤岩等材料的变形以及破裂时所产生电的磁辐射有两种形式：一种是由电荷尤其是试样表面积累电荷所引起的库仑场（或静电场），另一种则是脉冲波，它是由带电粒子在作变速运动时，从而产生的电磁辐射。裂纹在扩展时，均会向外发射带电粒子（这主要是电子），带电粒子在尖端库仑场的作用下便会加速运动，运动的带电粒子周围介质分子或原子，则会发生减速运动，从而便形成阻尼发射。裂纹在扩展时，带电粒子所产生的变速运动就是发生高频电磁辐射的最主要原因[1－6]。

1　理论分析

煤岩电磁辐射的发生具有时间、空间的随机性，频率的不确定性。目前使用的电磁辐射仪基本上采用宽频接收天线，定时、定点接收，这样的接收方式得到的结果是有用的信号难鉴别，干扰信号难滤出，监测结果不理想，同时也不能准确反映出在监测的时空内煤岩电磁辐射情况，因而也就不能准确预测和监测出冲击地压或煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害发生的时间、地点及发生的危险强度等级等数据。

由电动力学的知识可知，在各向同性介质中麦克斯韦方程组的微分形式为：

?塄×E=-■

?塄×H=J+■

?塄?誗D=ρ

?塄?誗B=0

其中：D=εE，B=μH，J=δE

它反映了在通常情况下电荷电流激发出的电磁场和电磁场内部的运动规律。

煤岩破裂过程中产生的电场和磁场虽然具有时、空间的随机性和频率的不确定性，但在传播过程中仍可分解为时谐电磁波，且满足下面波动方程：

?塄■E=με■+μδ■

?塄■H=με■+μδ■

令γ■=-ω■μ（ε-i■）

则波动方程的解为：

E=E■e■e■=E■e■e■

Ｈ=Ｈ■e■e■=Ｈ■e■e■

电磁波在介质中传播相速为：

ｖ＝■＝■（m/s）（１）

式中：ｃ——光速，c=■

n——折射率，■

β——相位常数，即单位长度上的相位移量.

γ=α+jβ为电磁场在煤岩介质中传播的传播系数，即波数。其中：α为衰减系数，β为相位常数，ε■真空介电常数，μ■为真空磁导率，δ为介质电导率[8]，由相速和折射率可得：

ω=■

f=■（2）

2　计算

煤岩的相对介常数在4～5之间；速度约134（m/μs）；电导率是随含水量的变化而变化，干燥煤粉的电导率在10■~10■s/m之间；真空中的介电常数ε■=8.85×10■F/m，对于煤岩的磁导率，一般认为是不随着频率而变化的常数，即μ=μ■=4π×10■H/m [9]。将上述数据代入公式（2）可得：

相应的计算结果如下：这里取ε■=8.85×10■F/m，c=3×10■m/s

①δ=10■s/m，ε■=4，v=1.34×10■m/s时，

ω≈250.822rad/s

f≈39.940Hz

②δ=10■s/m，ε■=4，v=1.34×10■m/s时，

ω≈25082.2rad/s

f≈3994.0Hz

③δ=10■s/m，ε■=5，v=1.34×10■m/s时，

ω≈2279.837rad/s

f≈363.031Hz

④δ=10■s/m，ε■=5，v=1.34×10■m/s时，

ω≈227983.7rad/s

f≈36303.1Hz

3　结果讨论

通过以上计算，可知在煤岩发生冲击地压或煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害前由于煤岩细小碎裂和裂隙扩大而产生的电磁辐射在煤岩内传播时的电磁波是低频电磁波。了解了煤岩发生动力灾害时产生和在煤岩传播的电磁波中心频率后，对用于预测煤岩发生冲击地压或煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害的矿用电磁辐射仪就可以有针对性地选用天线和相关放大电路，因此对仪器的设计、制造具有非常重要的指导和现实意义。

【参考文献】

［1］赵扬锋,潘一山,苏维嘉.单轴压缩下花岗岩电荷变化的实验研究[J].辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2009,28(2):63-66.

［2］宋维源,潘一山,苏荣华,王洪英.冲击地压的混沌学模型及预测预报[J].煤炭学报,2001(1):27-31.

［3］杨勇.煤岩电磁辐射机理及在冲击地压预测中的应用研究[D].辽宁阜新:辽宁工程技术大学,2000.

［4］康建宁.煤的电导率随地应力变化关系的研究[J].河南理工大学学报,2005,12,24(6):430-433.

［5］李忠辉,王恩元,何学秋,刘贞堂,宋霞女.电磁辐射实时监测煤与瓦斯突出在煤矿的应用[J].煤炭科学技术,2005,9,33(9):31-33.

［6］邢云峰,聂百胜,李钢,李成武.电磁辐射技术在红菱矿煤与瓦斯突出预测中的应用[J].煤矿安全,2007,10:15-17.

［7］郭硕鸿.电动力学[M].2版.北京:高等教育出版社,1997,7:31.

［8］何学秋,等.煤岩流变电磁动力学[M].北京:科学出版社, 2003,10:99-100.

［9］常见物质介电常数汇总[OL]．http://wenku.baidu.com/view/e45074da50e2524de5187e4a.html．

［责任编辑：王洪泽］