煤巖電磁輻射技術(shù)及其應(yīng)用

前言

　　煤巖動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象是煤巖體在載荷作用下變形破裂逐漸演化而發(fā)生的突發(fā)性破壞或失穩(wěn)現(xiàn)象，具有動(dòng)力效應(yīng)和破壞性災(zāi)害后果。在許多工程領(lǐng)域都存在煤巖動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象，如地震、滑坡、巖石混凝土結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等，在煤礦主要有沖擊地壓、煤與瓦斯突出、頂板冒落等。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)煤礦煤巖動(dòng)力災(zāi)害事故頻發(fā)，損失嚴(yán)重。科學(xué)、有效的動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警方法成為眾多學(xué)者和安全工作者研究的焦點(diǎn)。地球物理方法被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤礦動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象的方法之一。電磁輻射技術(shù)是一種新興的地球物理方法。煤巖電磁輻射是煤巖體受載變形破裂過程中向外輻射電磁能量的一種現(xiàn)象，與煤巖體的變形破裂過程密切相關(guān)。如同聲發(fā)射一樣，電磁輻射技術(shù)在預(yù)測(cè)煤巖動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象、地震、地質(zhì)滑坡、測(cè)量煤巖體應(yīng)力狀態(tài)、評(píng)估巖石混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及材料無(wú)損檢測(cè)等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。因此，研究煤巖電磁輻射理論及應(yīng)用技術(shù)，對(duì)于進(jìn)一步揭示煤巖變形破裂機(jī)理、煤巖物理力學(xué)特性、煤巖動(dòng)力災(zāi)害演化機(jī)理，測(cè)評(píng)煤巖體的力學(xué)狀態(tài)及監(jiān)測(cè)預(yù)警煤巖動(dòng)力災(zāi)害等有著非常重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。　　作者在國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（50204010）、國(guó)家杰出青年基金項(xiàng)目（59925411）、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（50134040）、國(guó)家自然科學(xué)基金科學(xué)儀器基礎(chǔ)研究?？铐?xiàng)目（50427401）、國(guó)家科技成果重點(diǎn)推廣計(jì)劃項(xiàng)目（2002EC000188）、國(guó)家“十五”科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（20011BA80380408、2004BA80380105、2005BA813B0309）、國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目（2005CB221505）、國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目（2006AA062119）、江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK2001075）和教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”項(xiàng)目（NCET-06-0477）等資助下，經(jīng)過十多年來(lái)堅(jiān)持不懈的探索和研究，在煤巖電磁輻射理論、應(yīng)用技術(shù)與裝備開發(fā)和實(shí)驗(yàn)應(yīng)用方面取得了突破性進(jìn)展，并取得大量有益的成果。發(fā)明了電磁輻射實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警煤巖動(dòng)力災(zāi)害的技術(shù)方法，從理論上建立了煤巖動(dòng)力災(zāi)害預(yù)警準(zhǔn)則，發(fā)明了煤巖電磁輻射便攜式監(jiān)測(cè)儀和在線式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，解決了煤巖動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)警臨界值確定和非接觸監(jiān)測(cè)問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤巖動(dòng)力災(zāi)害的非接觸、定向、連續(xù)監(jiān)測(cè)及預(yù)警，已在全國(guó)60多個(gè)煤礦區(qū)用于監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)沖擊地壓、煤與瓦斯突出和頂板穩(wěn)定性等。本書對(duì)此進(jìn)行了比較詳盡的論述，希望能對(duì)從事此方面及相關(guān)領(lǐng)域研究的科技工作者有所啟示。

內(nèi)容概要

煤巖動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象無(wú)所不在，尤以煤礦發(fā)生的煤巖動(dòng)力災(zāi)害最為嚴(yán)重。本書以預(yù)測(cè)煤巖動(dòng)力災(zāi)害和揭示煤巖電磁輻射現(xiàn)象及機(jī)理為出發(fā)點(diǎn)，深入研究了受載煤巖電磁輻射現(xiàn)象、規(guī)律、影響因素及產(chǎn)生機(jī)理，研究揭示了受載煤巖表面帶電現(xiàn)象、規(guī)律、影響因素及產(chǎn)生機(jī)理，建立了煤巖電磁輻射力電耦合模型和煤巖動(dòng)力災(zāi)害演化及預(yù)警模型，開發(fā)了基于煤巖電磁輻射原理的煤巖動(dòng)力災(zāi)害電磁輻射監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)及裝備，在沖擊地壓預(yù)測(cè)、煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)、采空區(qū)頂板失穩(wěn)冒落、礦山壓力觀測(cè)及評(píng)估、圍巖松動(dòng)圈測(cè)試、隧道穩(wěn)定性測(cè)試及評(píng)估、預(yù)測(cè)巖爆等方面進(jìn)行了較為廣泛的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用。    本書可供從事煤巖、混凝土動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象（沖擊地壓、煤與瓦斯突出、滑坡、冒頂、地震、隧道和壩基結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等）、煤巖物理力學(xué)性質(zhì)、巖土工程等領(lǐng)域的科技工作者、研究生、本科生以及礦山安全和礦壓工程技術(shù)人員參考使用。

作者簡(jiǎn)介

王恩元，1968年8月生，內(nèi)蒙古卓資縣人，教授，博士生導(dǎo)師。1991年畢業(yè)于阜新礦業(yè)學(xué)院采礦工程專業(yè)獲學(xué)士學(xué)位；1994年畢業(yè)于阜新礦業(yè)學(xué)院礦井通風(fēng)專業(yè)，獲碩士學(xué)位；1997年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全技術(shù)及工程專業(yè)，獲博士學(xué)位；1997年12月～1999年11月在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電氣工程博士后科研流動(dòng)站工作?，F(xiàn)在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院工作，主要研究方向?yàn)槊旱V安全、煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害預(yù)防、煤巖電磁輻射理論與技術(shù)。     　　
　　研究并揭示了煤巖電磁輻射效應(yīng)、時(shí)域規(guī)律、頻譜特征、影響因素及產(chǎn)生機(jī)理，研究并揭示了煤礦采掘中煤巖電磁輻射特征、變化規(guī)律、影響因素及其與煤巖動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)性的相關(guān)性。     
　　主持或負(fù)責(zé)完成了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、科學(xué)儀器基礎(chǔ)研究?？铐?xiàng)目，國(guó)家“十五”科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家科技成果重點(diǎn)推廣計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目、江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目等。  　　
　　曾獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)（2006），獲省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)8項(xiàng)，獲3項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利和1項(xiàng)實(shí)用新型專利，獲孫越崎青年科技獎(jiǎng)（2004）；入選教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”（2006），獲江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程”中青年科技領(lǐng)軍人才（2007）、煤炭工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)秀人才（2007）、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)青年學(xué)術(shù)帶頭人（2006）等榮譽(yù)。出版專著4部，在國(guó)內(nèi)外核心期刊和國(guó)際會(huì)議上共發(fā)表論文70余篇，其中SCI收錄4篇，EI收錄44篇，ISTP收錄27篇。

書籍目錄

前言第1章  緒論  1.1  引言  1.2  煤巖動(dòng)力災(zāi)害及預(yù)報(bào)  1.3  煤巖電磁輻射現(xiàn)象  參考文獻(xiàn)第2章煤巖電磁輻射特征及規(guī)律  2.1概述  2.2煤巖電磁輻射實(shí)驗(yàn)研究綜述  2.3煤巖電磁輻射特性實(shí)驗(yàn)  2.4電磁輻射實(shí)驗(yàn)結(jié)果  參考文獻(xiàn)第3章  煤體表面電位特性及規(guī)律  3.1  煤體表面電位實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)  3.2  煤體表面電位實(shí)驗(yàn)方案  3.3  煤體表面電位實(shí)驗(yàn)步驟  3.4  煤體表面電位實(shí)驗(yàn)結(jié)果及規(guī)律性  參考文獻(xiàn)第4章  煤巖電磁輻射記憶效應(yīng)  4.1  煤巖電磁輻射記憶效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究  4.2  煤巖電磁輻射記憶效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析  4.3  瓦斯、水對(duì)煤巖流變破壞電磁輻射記憶效應(yīng)的影響  4.4  煤巖電磁輻射記憶效應(yīng)微觀機(jī)理研究  4.5  煤巖流變破壞電磁輻射記憶效應(yīng)力電耦合模型的研究  參考文獻(xiàn)第5章  煤巖電磁輻射的數(shù)值模擬  5.1  煤巖電磁輻射數(shù)值模擬基本理論  5.2  煤巖破壞數(shù)值模擬軟件  5.3  煤巖變形破裂電磁輻射數(shù)值模擬  參考文獻(xiàn)第6章  煤巖電磁輻射非線性特征  6.1  煤巖電磁輻射信號(hào)的R／S分析  6.2  煤巖電磁輻射的混沌特征分析  6.3  煤巖電磁輻射尖點(diǎn)突變特征分析  參考文獻(xiàn)第7章  煤巖電磁輻射機(jī)理  7.1  煤體變形破裂的宏觀和微觀機(jī)制  7.2  煤巖體分離電荷產(chǎn)生機(jī)理  7.3  電磁輻射機(jī)理  7.4  孔隙氣體對(duì)煤巖體電磁輻射的影響機(jī)理  7.5  煤體破裂表面電位機(jī)理探討  參考文獻(xiàn)第8章  電磁輻射監(jiān)測(cè)儀器  8.1  概述  8.2  便攜式電磁輻射監(jiān)測(cè)儀  8.3  KBD7在線式電磁輻射監(jiān)測(cè)儀  8.4  煤巖電磁輻射測(cè)試方法  參考文獻(xiàn)第9章  煤巖力電耦合及煤巖動(dòng)力災(zāi)害預(yù)警準(zhǔn)則  9.1  煤巖動(dòng)力災(zāi)害的流變突變過程  9.2  煤巖強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)損傷理論  9.3  煤巖流變破裂電磁輻射力電耦合模型  9.4  煤巖電磁輻射力電耦合數(shù)值模擬  9.5  電磁輻射力電耦合模型參數(shù)m的確定  9.6  煤巖動(dòng)力災(zāi)害電磁輻射預(yù)警準(zhǔn)則  參考文獻(xiàn)第10章  電磁輻射監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)煤與瓦斯突出  10.1  概述  10.2  煤與瓦斯突出  10.3  電磁輻射監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)  10.4  電磁輻射監(jiān)測(cè)煤與瓦斯突出應(yīng)用情況  參考文獻(xiàn)第11章  電磁輻射監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)沖擊地壓  11.1  概述  11.2  沖擊地壓機(jī)理分析  11.3  電磁輻射監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)  11.4  電磁輻射監(jiān)測(cè)沖擊地壓應(yīng)用情況  參考文獻(xiàn)第12章  電磁輻射監(jiān)測(cè)頂板穩(wěn)定性  12.1  概述  12.2  堅(jiān)硬頂板突然斷裂的啟動(dòng)和發(fā)展機(jī)制  12.3  沖擊煤巖電磁輻射的特征  12.4  電磁輻射監(jiān)測(cè)頂板穩(wěn)定性應(yīng)用情況  參考文獻(xiàn)第13章  電磁輻射測(cè)試圍巖松動(dòng)圈  13.1  概述  13.2  電磁輻射測(cè)試圍巖松動(dòng)圈技術(shù)  13.3  電磁輻射測(cè)試圍巖松動(dòng)圈應(yīng)用情況  參考文獻(xiàn)第14章  電磁輻射評(píng)價(jià)隧道穩(wěn)定性  14.1  概述  14.2  隧道巖石電磁輻射特征的實(shí)驗(yàn)研究  14.3  電磁輻射技術(shù)應(yīng)用情況  參考文獻(xiàn)第15章  電磁輻射監(jiān)測(cè)巖爆  15.1  概述  15.2  金屬礦石電磁輻射效應(yīng)  15.3  電磁輻射監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)巖爆  參考文獻(xiàn)第16章  礦壓觀測(cè)與評(píng)估  16.1  概述  16.2  礦山壓力觀測(cè)方法  16.3  電磁輻射法測(cè)量礦山壓力  16.4  電磁輻射法測(cè)量礦壓的應(yīng)用  參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章　緒論　　1.1　引 言　　煤巖動(dòng)力災(zāi)害是指煤巖類材料在載荷作用下變形破裂演化而發(fā)生的突發(fā)性失穩(wěn)或動(dòng)力性破壞災(zāi)害，范圍極廣，涉及許多工程領(lǐng)域和自然災(zāi)害，如地震、地質(zhì)滑坡、泥石流、火山噴發(fā)、潰壩、隧道塌方、巖石混凝土建筑物失穩(wěn)等，在礦山，主要有煤與瓦斯突出、沖擊地壓（或金屬礦山巖爆）和頂板災(zāi)害等。沖擊地壓是指礦山采掘過程中采掘空間周圍的煤巖體突然失穩(wěn)破壞，具有瞬時(shí)性和動(dòng)力破壞效應(yīng)。煤與瓦斯突出是大量煤巖與瓦斯突然從采掘工作面噴出的強(qiáng)烈動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象，大多具有氣體搬運(yùn)特征和動(dòng)力破壞效應(yīng)。煤礦煤巖動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象的危害是巨大的，能破壞通風(fēng)系統(tǒng)，嚴(yán)重威脅人員和設(shè)備安全，影響正常生產(chǎn)，嚴(yán)重影響煤礦的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)是世界上煤與瓦斯突出和沖擊地壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，約有30％的原國(guó)有重點(diǎn)煤礦受煤巖動(dòng)力災(zāi)害威脅。2003年，由煤巖動(dòng)力災(zāi)害造成的死亡人數(shù)已經(jīng)超過瓦斯爆炸事故的死亡人數(shù)，達(dá)到2400余人。2002年，我國(guó)發(fā)生重、特大煤巖動(dòng)力災(zāi)害事故（一次死亡3人以上）32起，死亡195人。近年來(lái)事故次數(shù)及死亡人數(shù)一直較高（見表1.1），死亡3人以下及對(duì)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響的無(wú)死亡事故或?yàn)?zāi)害更多。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，煤炭及其他礦石的需求量越來(lái)越大，日前煤礦以10～20m／a的速度加深。隨著開采深度和開采強(qiáng)度的日益增大，煤與瓦斯突出和沖擊地壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害日趨嚴(yán)重，突出礦井和沖擊礦井也明顯增多，原來(lái)沖擊不太嚴(yán)重的礦區(qū)近年來(lái)沖擊地壓明顯增多且對(duì)生產(chǎn)的影響也越來(lái)越大，原來(lái)沒有沖擊危險(xiǎn)的礦區(qū)或礦井也出現(xiàn)了沖擊，如兗州礦區(qū)、鶴崗礦區(qū)、阜新礦區(qū)、義馬礦區(qū)、七臺(tái)河礦區(qū)等。煤巖動(dòng)力災(zāi)害還可能引起瓦斯爆炸事故。例如，2004年10月20日，發(fā)生在鄭州煤炭工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司（鄭煤集團(tuán)）大平煤礦巖石下山的煤與瓦斯突出災(zāi)害引發(fā)瓦斯爆炸事故，造成148人死亡；2005年2月14日，阜新海州立井發(fā)生沖擊地壓引發(fā)瓦斯爆炸事故，死亡214人，損失極為嚴(yán)重。煤礦煤巖動(dòng)力災(zāi)害嚴(yán)重影響了我國(guó)煤炭事業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展。

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