采矿地球物理(07煤岩变形破裂的电磁辐射)课件.pptx
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- 采矿 地球物理 07 变形 破裂 电磁辐射 课件
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1、7煤岩变形破裂的电磁辐射煤岩变形破裂的电磁辐射电磁辐射技术是一种地球物理方法。电磁辐射技术是一种地球物理方法。岩石电磁辐射:指岩石受载破裂过程中向外辐岩石电磁辐射:指岩石受载破裂过程中向外辐射电磁能量的过程或现象。射电磁能量的过程或现象。岩石破裂电磁辐射的观测和研究是从地震工作岩石破裂电磁辐射的观测和研究是从地震工作者发现者发现震前电磁异常震前电磁异常后开始的。后开始的。前苏联和我国较早开展研究,日本和美国等也前苏联和我国较早开展研究,日本和美国等也开展研究工作。开展研究工作。近近2530年内岩石破裂电磁辐射效应的研究,年内岩石破裂电磁辐射效应的研究,在理论方面和应用研究方面,都取得了飞速发展
2、,在理论方面和应用研究方面,都取得了飞速发展,特别是在地震方面用于特别是在地震方面用于预报地震预报地震。研究多限于大理岩、花岗岩和石英岩等研究多限于大理岩、花岗岩和石英岩等坚硬坚硬岩石岩石,且大多数研究仅限于定性。,且大多数研究仅限于定性。从上世纪从上世纪90年代开始,中国矿业大学对载荷年代开始,中国矿业大学对载荷作用下煤体的电磁辐射特性及规律进行了较为深作用下煤体的电磁辐射特性及规律进行了较为深入的定性和定量研究,取得了很多成果。入的定性和定量研究,取得了很多成果。7.1煤岩破坏的电磁辐射现象煤岩破坏的电磁辐射现象煤岩体煤岩体电磁辐射电磁辐射:煤体等:煤体等非均质材料非均质材料在受载情在受载
3、情况下发生况下发生变形及破裂变形及破裂的结果的结果,是由是由煤体各部分的煤体各部分的非均非均匀变速变形匀变速变形引起的引起的电荷迁移电荷迁移和裂纹扩展过程中形成和裂纹扩展过程中形成的的带电粒子带电粒子产生变速运动而形成的。产生变速运动而形成的。图图7-1是某矿原煤的实验结果,共记录到是某矿原煤的实验结果,共记录到67个事个事件。图中只给出部分事件的记录结果,图中横坐标件。图中只给出部分事件的记录结果,图中横坐标为时间为时间t/s,纵坐标为振幅,纵坐标边上的纵坐标为振幅,纵坐标边上的1,216为仪器的通道号为仪器的通道号nch。采样速率为采样速率为2MHz。12567891011121316图图
4、7-1某矿原煤电磁辐射实验记录结果某矿原煤电磁辐射实验记录结果7.1.1煤样试验煤样试验图图7-2为为7#煤的典型应力煤的典型应力时间、电磁辐射时间、电磁辐射(EME)脉冲数脉冲数时间、电磁辐射幅值时间、电磁辐射幅值时间曲时间曲线图。图线图。图7-3为为9#煤的典型应力煤的典型应力时间、电磁辐射时间、电磁辐射(EME)脉冲数脉冲数时间、电磁辐射幅值时间、电磁辐射幅值时间曲时间曲线图。线图。煤岩冲击破坏的EME分布02004006008001000120014001600020406080100120140160时间/s脉冲数/次煤样变形破坏的P-t曲线010203040020406080100
5、120140160时间/s载荷/KN煤样变形破坏的EME分布02040608010012014004080120160t/s E /mV图图7-27煤的试验结果煤的试验结果煤样变形破坏的P-t曲线010203040020406080100120140160时间/s载荷/KN煤岩冲击破坏的EME分布010000200003000040000500006000070000020406080100120140160时间/s脉冲数/次煤样变形破坏的EME分布020406080100120020406080100120140160时间/sE/mV图图7-39煤的试验结果煤的试验结果7.1.2泥岩和砂岩样
6、试验泥岩和砂岩样试验051015202530020406080100120140160180t/s/MPa图图7-4为泥岩的典为泥岩的典型应力型应力时间、电磁时间、电磁辐射幅值辐射幅值时间和声时间和声发射发射时间曲线图。时间曲线图。图图7-5为砂岩的典为砂岩的典型应力型应力时间、电磁时间、电磁辐射幅值辐射幅值时间和声时间和声发射发射时间曲线图。时间曲线图。0501001502000306090120150180t/sE/mV图图7-4泥岩岩样的试验结果泥岩岩样的试验结果0102030405060020406080100120140160180t/s/MPa0204060801001201401
7、600306090120150180t/sE/mV图图7-5砂岩岩样的试验结果砂岩岩样的试验结果7.1.3混凝土试样试验混凝土试样试验01020304050020406080100120140160180t/s/MPa图图7-6为为混凝土试样混凝土试样的 典 型 应的 典 型 应力力时间、时间、电磁辐射幅电磁辐射幅值值时间曲时间曲线 和 声 发线 和 声 发射射时间关时间关系图。系图。050100150200250300350400450060120180240300360t(*0.5)/sE/mV图图7-6混凝土试样的试验结果混凝土试样的试验结果7.1.4受载煤体的受载煤体的Kaiser效应
8、效应受载煤体电磁辐射具有受载煤体电磁辐射具有Kaiser效应见图效应见图7-7所示。所示。图图7-7煤岩电磁辐射与载荷间关系煤岩电磁辐射与载荷间关系(a)01 0 02 0 03 0 04 0 0051 01 52 02 53 03 54 04 55 0t/minE/mV( b )00 . 511 . 5051 01 52 02 53 03 54 04 55 0t/min/MPa7.2试验结果试验结果从上述试验曲线分析,可得出如下结果:从上述试验曲线分析,可得出如下结果:不同类型的煤岩体在载荷作用下变形及破不同类型的煤岩体在载荷作用下变形及破裂过程中都有声发射和电磁辐射信号产生。裂过程中都有声
9、发射和电磁辐射信号产生。在煤在煤体的受载变形破裂过程中,电磁辐射基本上随着体的受载变形破裂过程中,电磁辐射基本上随着载荷的增大载荷的增大而增强,随着而增强,随着加载及变形速率加载及变形速率的增加的增加而增强。而增强。声发射的变化规律也基本上随着载荷的声发射的变化规律也基本上随着载荷的增大而增强,随着加载及变形速率的增加而增强。增大而增强,随着加载及变形速率的增加而增强。从煤的变形破坏试验结果来看,煤试样在发从煤的变形破坏试验结果来看,煤试样在发生冲击性破坏以前,电磁辐射强度一般在某个值以生冲击性破坏以前,电磁辐射强度一般在某个值以下,而在冲击破坏时,电磁辐射强度突然增加。下,而在冲击破坏时,电
10、磁辐射强度突然增加。从从试验的煤样看,在发生冲击性破坏以前,试验的煤样看,在发生冲击性破坏以前,电磁辐射电磁辐射强度强度一般在一般在60mV左右,而在冲击破坏时,电磁辐左右,而在冲击破坏时,电磁辐射强度最大达射强度最大达130mV。煤岩体电磁辐射的煤岩体电磁辐射的脉冲数脉冲数随着载荷的增大及随着载荷的增大及变形破裂过程的增强而增大。变形破裂过程的增强而增大。载荷越大,加载速率载荷越大,加载速率越大,煤体变形破裂越强烈,电磁辐射信号越强。越大,煤体变形破裂越强烈,电磁辐射信号越强。受载煤体受载煤体电磁辐射具有电磁辐射具有Kaiser效应。效应。电磁辐射产生的机制电磁辐射产生的机制煤岩体的组成及结
11、构相当复杂,包括许多矿煤岩体的组成及结构相当复杂,包括许多矿物杂质,是典型的物杂质,是典型的非均质材料非均质材料。可以把煤岩体看。可以把煤岩体看作是由一些颗粒包裹体作是由一些颗粒包裹体(简称单元简称单元)粘结在一起而粘结在一起而组成的,不仅是颗粒包裹体与界面处胶结物的强组成的,不仅是颗粒包裹体与界面处胶结物的强度及变形特性不同,而且颗粒包裹体之间在强度度及变形特性不同,而且颗粒包裹体之间在强度及变形方面也有显著的差异,因此煤岩体中的及变形方面也有显著的差异,因此煤岩体中的应应力及应变分布相当不均匀力及应变分布相当不均匀。岩石电荷:岩石电荷:任何岩石中都有自由的任何岩石中都有自由的(电子电子)和
12、和束缚的束缚的(离子离子)电荷电荷,煤体也不例外。,煤体也不例外。电荷运移电荷运移:当煤体发生不均匀应变时,压缩:当煤体发生不均匀应变时,压缩区域的自由电荷浓度升高,而低应力区或拉伸区区域的自由电荷浓度升高,而低应力区或拉伸区域的自由电荷浓度降低,这必然使自由电荷由高域的自由电荷浓度降低,这必然使自由电荷由高浓度区向低浓度区扩散、运移。浓度区向低浓度区扩散、运移。产生电磁辐射产生电磁辐射:低速扩散过程中产生低频电:低速扩散过程中产生低频电磁辐射,并在试件表面积累表面电荷。磁辐射,并在试件表面积累表面电荷。高应变区高应变区主要位于强度不同的颗粒界面处主要位于强度不同的颗粒界面处强强度较低的单元内
13、度较低的单元内,煤岩体的破裂主要是沿着颗粒,煤岩体的破裂主要是沿着颗粒之间的界面而进行的。之间的界面而进行的。自由电荷自由电荷:煤岩体颗粒之间的作用是通过电:煤岩体颗粒之间的作用是通过电场或电荷来完成的。当相邻颗粒之间场或电荷来完成的。当相邻颗粒之间发生非均匀发生非均匀形变形变时,其界面处的时,其界面处的电平衡电平衡被打破,产生局部激被打破,产生局部激发,受拉的界面处积累了自由电荷发,受拉的界面处积累了自由电荷(主要是电子主要是电子),而受压的颗粒内部积累了相反符号的电荷。而受压的颗粒内部积累了相反符号的电荷。从总体宏观上来看,在试样表面积累了电荷,从总体宏观上来看,在试样表面积累了电荷,形成
14、了形成了库仑场库仑场(或静电场或静电场)。1)当变形非常缓慢或匀速的情况下,自由电)当变形非常缓慢或匀速的情况下,自由电荷来得及消退以适应电平衡的变化,因而对外并荷来得及消退以适应电平衡的变化,因而对外并不产生电磁不产生电磁(脉冲脉冲)辐射。辐射。2)当相邻颗粒之间发生非均匀变速形变时,)当相邻颗粒之间发生非均匀变速形变时,这种局部激发就会对外产生电磁这种局部激发就会对外产生电磁(脉冲脉冲)辐射,这也辐射,这也主要是低频电磁辐射主要是低频电磁辐射。激发产生电磁辐射激发产生电磁辐射:在煤岩材料的:在煤岩材料的变形阶段变形阶段,由于颗粒之间的力学变形特性不同,必然发生颗由于颗粒之间的力学变形特性不
15、同,必然发生颗粒之间的滑移,其结果是粒之间的滑移,其结果是在滑移面发生强烈的激在滑移面发生强烈的激发,甚至在滑移面尖端形成了带电粒子发,甚至在滑移面尖端形成了带电粒子(主要是电主要是电子子)发射发射,这种强烈的激发对外产生电磁辐射,这种强烈的激发对外产生电磁辐射。电子发射电子发射:煤岩体的:煤岩体的裂纹扩展裂纹扩展时,处于裂纹时,处于裂纹尖端表面区域中的电子在裂隙尖端区域中大量电尖端表面区域中的电子在裂隙尖端区域中大量电子形成的子形成的电场电场的作用下,向裂纹内部的自由空间的作用下,向裂纹内部的自由空间区域发射,形成区域发射,形成电子发射电子发射。粒子发射粒子发射:同时,也可能产生带负电的碎屑
16、同时,也可能产生带负电的碎屑粒子发射。粒子发射。当发生剪切摩擦时,同样的道理,也当发生剪切摩擦时,同样的道理,也会形成带正电的粒子发射。会形成带正电的粒子发射。裂纹扩展时,在裂纹表面受拉的区域出现裂纹扩展时,在裂纹表面受拉的区域出现表表面电荷面电荷,极性为负的,在裂纹表面受压的区域出,极性为负的,在裂纹表面受压的区域出现正电荷。现正电荷。裂纹扩展时,在裂纹尖端形成了运动的裂纹扩展时,在裂纹尖端形成了运动的偶极偶极子群。子群。在裂纹尖端的煤体本相处受拉区域仍表现在裂纹尖端的煤体本相处受拉区域仍表现为负电荷,这就是产生为负电荷,这就是产生电子加速电场电子加速电场的原因,而的原因,而周围的压应力区带
17、正电。周围的压应力区带正电。发射出来的这些低速运动带电粒子在电场的发射出来的这些低速运动带电粒子在电场的作用下加速,当带电粒子碰撞到周围环境介质的作用下加速,当带电粒子碰撞到周围环境介质的分子或原子,或碰撞到周围的煤岩体裂隙表面时分子或原子,或碰撞到周围的煤岩体裂隙表面时会会减速减速,在其变速运动过程中会,在其变速运动过程中会产生电磁辐射产生电磁辐射。后者形成的电磁辐射也叫韧致辐射。由于可能形后者形成的电磁辐射也叫韧致辐射。由于可能形成了大量的带电粒子,因此成了大量的带电粒子,因此会产生从低频电磁辐会产生从低频电磁辐射到射到x光的宽频带电磁辐射。光的宽频带电磁辐射。从上述分析可以得出,从上述分
18、析可以得出,煤岩体产生电磁辐射,煤岩体产生电磁辐射,源于煤岩体的非均质性,是由应力作用下煤岩体中源于煤岩体的非均质性,是由应力作用下煤岩体中产生产生非均匀变速形变非均匀变速形变而引起的。受载煤岩体中发生而引起的。受载煤岩体中发生以下电荷以下电荷(或带电粒子或带电粒子)运动过程:运动过程:(1)煤岩材料变形及破裂时能够产生电磁场,)煤岩材料变形及破裂时能够产生电磁场,有两种形式有两种形式:一种是由电荷,特别是试样表面积累:一种是由电荷,特别是试样表面积累电荷引起的电荷引起的库仑场库仑场(或准静电场或准静电场);另一种是由带电;另一种是由带电粒子作变速运动产生的粒子作变速运动产生的电磁辐射电磁辐射
19、,是一种,是一种脉冲波脉冲波。(2)在)在非均匀应力作用下非均质煤岩体各部非均匀应力作用下非均质煤岩体各部分产生非均匀形变,由此引起电荷迁移分产生非均匀形变,由此引起电荷迁移,使原来,使原来自由的和逃逸出来的电子由高应力区向低应力区自由的和逃逸出来的电子由高应力区向低应力区或拉应力区迁移,同时在试样表面也积累了大量或拉应力区迁移,同时在试样表面也积累了大量的电荷。由此形成了库仑场的电荷。由此形成了库仑场(或准静电场或准静电场),或,或低低频电磁辐射频电磁辐射。(3)裂纹形成及扩展前,裂纹尖端积累了大裂纹形成及扩展前,裂纹尖端积累了大量的自由电荷量的自由电荷(电子电子)。裂纹扩展时,发射电子,裂
20、纹扩展时,发射电子,由于裂纹不是匀速扩展,这必然向外辐射电磁波,由于裂纹不是匀速扩展,这必然向外辐射电磁波,这种电磁辐射与声发射是同步的。这种电磁辐射与声发射是同步的。(4)裂纹扩展后,裂纹局域煤体卸载收缩,裂纹扩展后,裂纹局域煤体卸载收缩,在卸载瞬间裂纹尖端两侧附近区域煤体中在卸载瞬间裂纹尖端两侧附近区域煤体中电子浓电子浓度较高,形成库仑场。度较高,形成库仑场。在该电场作用下,发射出在该电场作用下,发射出的电子的电子产生加速运动,向外辐射电磁波。产生加速运动,向外辐射电磁波。(5)出于)出于摩擦等原因产生电磁辐射摩擦等原因产生电磁辐射,也可,也可能产生带正能产生带正(或负或负)电粒子;裂纹表
21、面电荷也会发电粒子;裂纹表面电荷也会发生张驰。生张驰。(6)运动的电荷碰撞周围介质分子或原子运动的电荷碰撞周围介质分子或原子,使运动电荷减速,同时能使介质分子或原子发生使运动电荷减速,同时能使介质分子或原子发生电离,发射电磁波。电离,发射电磁波。7.3煤岩变形破裂的电磁辐射机理煤岩变形破裂的电磁辐射机理7.3.1煤岩体中带电粒子运动激发的电磁场煤岩体中带电粒子运动激发的电磁场麦克斯韦麦克斯韦电场电场环路定理为:环路定理为:式中:式中:E为电场矢量;为电场矢量;B为磁感矢量;为磁感矢量;S为以闭合回为以闭合回路路L为边界的曲面面积。为边界的曲面面积。LSddt BELS麦克斯韦麦克斯韦磁场磁场环
22、路定理为:环路定理为:式中:式中:JD为位移电流;为位移电流;D为电感矢量;为电感矢量;H为磁场强度;为磁场强度;Jf为传导电流矢量。为传导电流矢量。fDLdHLJJDdtSJDS由麦克斯韦电场环路定理式(由麦克斯韦电场环路定理式(7-1)可知,只)可知,只要要磁感矢量磁感矢量随时间的变化率不为零,即随时间的变化率不为零,即,那,那么在磁场变化的区域中就存在么在磁场变化的区域中就存在涡旋电场涡旋电场。另一方面,由麦克斯韦磁场环路定理(另一方面,由麦克斯韦磁场环路定理(7-2)可知,只要可知,只要电感矢量电感矢量随时间的变化率不为零,随时间的变化率不为零,即即,那么在电场发生变化的区域中,即使不
23、,那么在电场发生变化的区域中,即使不存在传导电流也必然存在存在传导电流也必然存在磁场磁场。0Bt0Dt因此,若在空间某一区域中存在着因此,若在空间某一区域中存在着变化电场变化电场,则在该区域的附近将建立起则在该区域的附近将建立起变化磁场变化磁场;而这个变;而这个变化磁场又将在它的邻近建立起化磁场又将在它的邻近建立起变化电场变化电场。这种变化电场和变化磁场交替地产生,并且这种变化电场和变化磁场交替地产生,并且由近及远地传播开来,就形成了由近及远地传播开来,就形成了电磁波电磁波。从微观上来说,电磁辐射是由从微观上来说,电磁辐射是由电荷运动电荷运动而产而产生的。生的。假设在外力作用下,煤岩体中假设在
24、外力作用下,煤岩体中带电粒子带电粒子沿某一沿某一特定轨道特定轨道运动,则煤岩体中任意运动带电粒子运动,则煤岩体中任意运动带电粒子激发激发的电场和磁场为:的电场和磁场为:222123/222223222()(1)4(1)(1)()nnen ecncc rnnrccvnnvrEEEv nv r4c式中:式中:n为煤岩体介质的折射率,为煤岩体介质的折射率,c为真空中电磁为真空中电磁波传播速度,即光速。波传播速度,即光速。e为粒子的电荷,为粒子的电荷,为介质为介质的绝对介电常数,的绝对介电常数,v为粒子的速度,为粒子的速度,为粒子的加为粒子的加速度,速度,r为粒子与观察点之间的距离,为粒子与观察点之间
25、的距离,n为为r方向的方向的单位矢量。单位矢量。212222233/2232232222()(1)4(1)(1)()nnccnnenencncc rnncrcc12vBBBEnEvvnv rv nv r4cv 可见:可见:1、煤岩体中任意带电粒子运动产生的、煤岩体中任意带电粒子运动产生的电磁场电磁场包括两部分:包括两部分:第一部分是运动电荷的第一部分是运动电荷的库仑场库仑场E1和与之相关的和与之相关的磁场磁场B1;第二部分为第二部分为辐射场辐射场,与加速度成正比。,与加速度成正比。辐射场是辐射场是横向场横向场,即,即E2和和B2都与都与n垂直,并且垂直,并且E2和和B2互相垂直。此外,辐射场与
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