煤巖電磁輻射技術及其應用

前言

　　煤巖動力災害現(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，具有動力效應和破壞性災害后果。在許多工程領域都存在煤巖動力災害現(xiàn)象，如地震、滑坡、巖石混凝土結(jié)構失穩(wěn)等，在煤礦主要有沖擊地壓、煤與瓦斯突出、頂板冒落等。長期以來，我國煤礦煤巖動力災害事故頻發(fā)，損失嚴重。科學、有效的動力災害監(jiān)測預警方法成為眾多學者和安全工作者研究的焦點。地球物理方法被認為是最有發(fā)展前途的預測預報煤礦動力災害現(xiàn)象的方法之一。電磁輻射技術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。如同聲發(fā)射一樣，電磁輻射技術在預測煤巖動力災害現(xiàn)象、地震、地質(zhì)滑坡、測量煤巖體應力狀態(tài)、評估巖石混凝土結(jié)構穩(wěn)定性及材料無損檢測等方面具有廣泛的應用前景。因此，研究煤巖電磁輻射理論及應用技術，對于進一步揭示煤巖變形破裂機理、煤巖物理力學特性、煤巖動力災害演化機理，測評煤巖體的力學狀態(tài)及監(jiān)測預警煤巖動力災害等有著非常重要的理論意義和實用價值?！　∽髡咴趪易匀豢茖W基金面上項目（50204010）、國家杰出青年基金項目（59925411）、國家自然科學基金重點項目（50134040）、國家自然科學基金科學儀器基礎研究專款項目（50427401）、國家科技成果重點推廣計劃項目（2002EC000188）、國家“十五”科技攻關計劃項目（20011BA80380408、2004BA80380105、2005BA813B0309）、國家973計劃項目（2005CB221505）、國家863計劃項目（2006AA062119）、江蘇省自然科學基金項目（BK2001075）和教育部“新世紀優(yōu)秀人才支持計劃”項目（NCET-06-0477）等資助下，經(jīng)過十多年來堅持不懈的探索和研究，在煤巖電磁輻射理論、應用技術與裝備開發(fā)和實驗應用方面取得了突破性進展，并取得大量有益的成果。發(fā)明了電磁輻射實時監(jiān)測預警煤巖動力災害的技術方法，從理論上建立了煤巖動力災害預警準則，發(fā)明了煤巖電磁輻射便攜式監(jiān)測儀和在線式監(jiān)測系統(tǒng)，解決了煤巖動力災害的預警臨界值確定和非接觸監(jiān)測問題，實現(xiàn)了對煤巖動力災害的非接觸、定向、連續(xù)監(jiān)測及預警，已在全國60多個煤礦區(qū)用于監(jiān)測預報沖擊地壓、煤與瓦斯突出和頂板穩(wěn)定性等。本書對此進行了比較詳盡的論述，希望能對從事此方面及相關領域研究的科技工作者有所啟示。

內(nèi)容概要

煤巖動力災害現(xiàn)象無所不在，尤以煤礦發(fā)生的煤巖動力災害最為嚴重。本書以預測煤巖動力災害和揭示煤巖電磁輻射現(xiàn)象及機理為出發(fā)點，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)生機理，建立了煤巖電磁輻射力電耦合模型和煤巖動力災害演化及預警模型，開發(fā)了基于煤巖電磁輻射原理的煤巖動力災害電磁輻射監(jiān)測預警技術及裝備，在沖擊地壓預測、煤與瓦斯突出預測、采空區(qū)頂板失穩(wěn)冒落、礦山壓力觀測及評估、圍巖松動圈測試、隧道穩(wěn)定性測試及評估、預測巖爆等方面進行了較為廣泛的實驗和應用。    本書可供從事煤巖、混凝土動力災害現(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)構失穩(wěn)等）、煤巖物理力學性質(zhì)、巖土工程等領域的科技工作者、研究生、本科生以及礦山安全和礦壓工程技術人員參考使用。

作者簡介

王恩元，1968年8月生，內(nèi)蒙古卓資縣人，教授，博士生導師。1991年畢業(yè)于阜新礦業(yè)學院采礦工程專業(yè)獲學士學位；1994年畢業(yè)于阜新礦業(yè)學院礦井通風專業(yè)，獲碩士學位；1997年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學安全技術及工程專業(yè)，獲博士學位；1997年12月～1999年11月在中國礦業(yè)大學電氣工程博士后科研流動站工作?，F(xiàn)在中國礦業(yè)大學安全工程學院工作，主要研究方向為煤礦安全、煤巖瓦斯動力災害預防、煤巖電磁輻射理論與技術。     　　
　　研究并揭示了煤巖電磁輻射效應、時域規(guī)律、頻譜特征、影響因素及產(chǎn)生機理，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力災害危險性的相關性。     
　　主持或負責完成了國家自然科學基金面上項目、科學儀器基礎研究?？铐椖浚瑖摇笆濉笨萍脊リP計劃項目、國家科技成果重點推廣計劃項目、國家973計劃項目、國家863計劃項目、江蘇省自然科學基金項目等。  　　
　　曾獲國家科技進步二等獎1項（2006），獲省部級獎勵8項，獲3項國家發(fā)明專利和1項實用新型專利，獲孫越崎青年科技獎（2004）；入選教育部“新世紀優(yōu)秀人才支持計劃”（2006），獲江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程”中青年科技領軍人才（2007）、煤炭工業(yè)技術創(chuàng)新優(yōu)秀人才（2007）、中國礦業(yè)大學青年學術帶頭人（2006）等榮譽。出版專著4部，在國內(nèi)外核心期刊和國際會議上共發(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  煤巖動力災害及預報  1.3  煤巖電磁輻射現(xiàn)象  參考文獻第2章煤巖電磁輻射特征及規(guī)律  2.1概述  2.2煤巖電磁輻射實驗研究綜述  2.3煤巖電磁輻射特性實驗  2.4電磁輻射實驗結(jié)果  參考文獻第3章  煤體表面電位特性及規(guī)律  3.1  煤體表面電位實驗系統(tǒng)  3.2  煤體表面電位實驗方案  3.3  煤體表面電位實驗步驟  3.4  煤體表面電位實驗結(jié)果及規(guī)律性  參考文獻第4章  煤巖電磁輻射記憶效應  4.1  煤巖電磁輻射記憶效應實驗研究  4.2  煤巖電磁輻射記憶效應實驗結(jié)果及分析  4.3  瓦斯、水對煤巖流變破壞電磁輻射記憶效應的影響  4.4  煤巖電磁輻射記憶效應微觀機理研究  4.5  煤巖流變破壞電磁輻射記憶效應力電耦合模型的研究  參考文獻第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  參考文獻第6章  煤巖電磁輻射非線性特征  6.1  煤巖電磁輻射信號的R／S分析  6.2  煤巖電磁輻射的混沌特征分析  6.3  煤巖電磁輻射尖點突變特征分析  參考文獻第7章  煤巖電磁輻射機理  7.1  煤體變形破裂的宏觀和微觀機制  7.2  煤巖體分離電荷產(chǎn)生機理  7.3  電磁輻射機理  7.4  孔隙氣體對煤巖體電磁輻射的影響機理  7.5  煤體破裂表面電位機理探討  參考文獻第8章  電磁輻射監(jiān)測儀器  8.1  概述  8.2  便攜式電磁輻射監(jiān)測儀  8.3  KBD7在線式電磁輻射監(jiān)測儀  8.4  煤巖電磁輻射測試方法  參考文獻第9章  煤巖力電耦合及煤巖動力災害預警準則  9.1  煤巖動力災害的流變突變過程  9.2  煤巖強度的統(tǒng)計損傷理論  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  煤巖動力災害電磁輻射預警準則  參考文獻第10章  電磁輻射監(jiān)測預報煤與瓦斯突出  10.1  概述  10.2  煤與瓦斯突出  10.3  電磁輻射監(jiān)測預報技術  10.4  電磁輻射監(jiān)測煤與瓦斯突出應用情況  參考文獻第11章  電磁輻射監(jiān)測預報沖擊地壓  11.1  概述  11.2  沖擊地壓機理分析  11.3  電磁輻射監(jiān)測預報技術  11.4  電磁輻射監(jiān)測沖擊地壓應用情況  參考文獻第12章  電磁輻射監(jiān)測頂板穩(wěn)定性  12.1  概述  12.2  堅硬頂板突然斷裂的啟動和發(fā)展機制  12.3  沖擊煤巖電磁輻射的特征  12.4  電磁輻射監(jiān)測頂板穩(wěn)定性應用情況  參考文獻第13章  電磁輻射測試圍巖松動圈  13.1  概述  13.2  電磁輻射測試圍巖松動圈技術  13.3  電磁輻射測試圍巖松動圈應用情況  參考文獻第14章  電磁輻射評價隧道穩(wěn)定性  14.1  概述  14.2  隧道巖石電磁輻射特征的實驗研究  14.3  電磁輻射技術應用情況  參考文獻第15章  電磁輻射監(jiān)測巖爆  15.1  概述  15.2  金屬礦石電磁輻射效應  15.3  電磁輻射監(jiān)測預報巖爆  參考文獻第16章  礦壓觀測與評估  16.1  概述  16.2  礦山壓力觀測方法  16.3  電磁輻射法測量礦山壓力  16.4  電磁輻射法測量礦壓的應用  參考文獻

章節(jié)摘錄

　　第1章　緒論　　1.1　引 言　　煤巖動力災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)或動力性破壞災害，范圍極廣，涉及許多工程領域和自然災害，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，具有瞬時性和動力破壞效應。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烈動力災害現(xiàn)象，大多具有氣體搬運特征和動力破壞效應。煤礦煤巖動力災害現(xiàn)象的危害是巨大的，能破壞通風系統(tǒng)，嚴重威脅人員和設備安全，影響正常生產(chǎn)，嚴重影響煤礦的社會和經(jīng)濟效益。我國是世界上煤與瓦斯突出和沖擊地壓等煤巖動力災害最為嚴重的國家之一，約有30％的原國有重點煤礦受煤巖動力災害威脅。2003年，由煤巖動力災害造成的死亡人數(shù)已經(jīng)超過瓦斯爆炸事故的死亡人數(shù)，達到2400余人。2002年，我國發(fā)生重、特大煤巖動力災害事故（一次死亡3人以上）32起，死亡195人。近年來事故次數(shù)及死亡人數(shù)一直較高（見表1.1），死亡3人以下及對生產(chǎn)造成嚴重影響的無死亡事故或災害更多。隨著我國國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展，煤炭及其他礦石的需求量越來越大，日前煤礦以10～20m／a的速度加深。隨著開采深度和開采強度的日益增大，煤與瓦斯突出和沖擊地壓等煤巖動力災害日趨嚴重，突出礦井和沖擊礦井也明顯增多，原來沖擊不太嚴重的礦區(qū)近年來沖擊地壓明顯增多且對生產(chǎn)的影響也越來越大，原來沒有沖擊危險的礦區(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)、七臺河礦區(qū)等。煤巖動力災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）有限責任公司（鄭煤集團）大平煤礦巖石下山的煤與瓦斯突出災害引發(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，損失極為嚴重。煤礦煤巖動力災害嚴重影響了我國煤炭事業(yè)和國民經(jīng)濟的健康發(fā)展。

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