專利名稱：預(yù)測(cè)含氣煤巖砼災(zāi)害的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通過(guò)一種監(jiān)測(cè)變形破裂電磁輻射信息監(jiān)測(cè)含氣煤巖砼變形破裂過(guò)程或預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)含氣煤巖砼災(zāi)害的技術(shù)方法及設(shè)備。
煤巖災(zāi)害動(dòng)力現(xiàn)象范圍很廣，涉及到許多工程領(lǐng)域和自然災(zāi)害。在礦山條件下，有煤與瓦斯突出、巖石與瓦斯突出、礦山?jīng)_擊、礦震、頂板塌陷和邊坡滑移等；在地面上，有山體滑移、地震、壩基失穩(wěn)及巖石混凝土建筑失穩(wěn)倒塌等。煤巖災(zāi)害動(dòng)力現(xiàn)象的危害是巨大的，除帶來(lái)大量的人員傷亡之外，還給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成巨大的損失。含瓦斯煤巖災(zāi)害動(dòng)力現(xiàn)象尤以煤與瓦斯突出最為典型。在礦山條件下，隨著采掘深度的加深和產(chǎn)量的不斷增加，煤與瓦斯突出等煤巖災(zāi)害動(dòng)力現(xiàn)象有增加的趨勢(shì)。
當(dāng)前所采用的靜態(tài)工作面突出危險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法(鉆屑倍率法、鉆孔瓦斯涌出初速度法及其它綜合指標(biāo)法)，簡(jiǎn)稱靜態(tài)法，都是通過(guò)鉆孔來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此又可稱為鉆孔法。靜態(tài)法打鉆及參數(shù)測(cè)定需占用作業(yè)時(shí)間和空間，工程量很大，預(yù)測(cè)作業(yè)時(shí)間也較長(zhǎng)，對(duì)生產(chǎn)有一定的影響，預(yù)測(cè)所需費(fèi)用也較高。并且這種靜態(tài)法的準(zhǔn)確性也不是很高，易受人工及煤體分布不均勻的影響。煤層或煤體及其內(nèi)部所含有的瓦斯并不是均勻分布的，也不是穩(wěn)定的。在鉆孔附近取得的預(yù)測(cè)結(jié)果僅僅是局部的，并不能完全代表整個(gè)預(yù)測(cè)步長(zhǎng)范圍內(nèi)的突出危險(xiǎn)性，在預(yù)測(cè)時(shí)刻取得的結(jié)果也只是靜態(tài)的，并不能完全代表煤體穩(wěn)定前整個(gè)時(shí)期內(nèi)的突出危險(xiǎn)性，因?yàn)槊后w處于動(dòng)態(tài)變化之中，延期突出就是例證。因此動(dòng)態(tài)連續(xù)預(yù)測(cè)的研究正日益引起人們的重視。
目前，突出的動(dòng)態(tài)連續(xù)預(yù)測(cè)有兩條途徑，其一是聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)。煤和巖石內(nèi)部存在大量的裂隙等缺陷。煤巖砼破裂的結(jié)果就是裂隙的產(chǎn)生、擴(kuò)展、匯合貫通。研究表明，裂隙的產(chǎn)生和擴(kuò)展都將以彈性波的形式產(chǎn)生能量輻射，這就是聲發(fā)射。美國(guó)、加拿大和法國(guó)等國(guó)家將聲發(fā)射技術(shù)用于巖爆預(yù)測(cè)，在七十年代中期到八十年代末期前蘇聯(lián)、澳大利亞、美國(guó)、德國(guó)、日本和波蘭等國(guó)家對(duì)將聲發(fā)射技術(shù)用于預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤與瓦斯突出進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但其效果不是很好。究其原因，主要是由于聲發(fā)射的技術(shù)特點(diǎn)所決定的①聲發(fā)射是煤巖材料受載破裂時(shí)產(chǎn)生的，在煤巖體的緩慢變形過(guò)程中，聲發(fā)射很弱，甚至不會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射；②聲發(fā)射技術(shù)要求傳感器與煤巖砼進(jìn)行很好的耦合，這在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中是非常困難的，無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正的非接觸；③聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)儀器結(jié)構(gòu)及信號(hào)接收、轉(zhuǎn)換都很復(fù)雜，排除外界干擾非常困難，特別是在工作場(chǎng)所中。
動(dòng)態(tài)連續(xù)預(yù)測(cè)的另一種方法是利用環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測(cè)工作面的瓦斯涌出變化特征，分析涌出與突出的關(guān)系從而預(yù)測(cè)突出。預(yù)測(cè)采用的技術(shù)指標(biāo)是掘進(jìn)工作面放炮后30分鐘內(nèi)的瓦斯涌出量與落煤量的比值V30和瓦斯涌出變動(dòng)系數(shù)Kv。這其實(shí)是一種單因素指標(biāo)，只考慮了瓦斯因素，而對(duì)于應(yīng)力和煤巖體的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度沒有考慮，這顯然是相當(dāng)片面的，其可靠性可想而知。
與聲發(fā)射相比，利用煤巖變形及破裂過(guò)程中產(chǎn)生的電磁輻射預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出等災(zāi)害動(dòng)力現(xiàn)象的電磁輻射法有許多優(yōu)點(diǎn)電磁輻射信息綜合反映了煤與瓦斯突出等煤巖災(zāi)害動(dòng)力現(xiàn)象的主要影響因素；可實(shí)現(xiàn)真正的非接觸；信息的接收、傳輸?shù)缺容^簡(jiǎn)單，且易于實(shí)現(xiàn)定向接收。我們的研究結(jié)果還表明，電磁輻射信息較聲發(fā)射豐富，即使在含瓦斯煤體緩慢的變形過(guò)程(或流變過(guò)程)中也有信號(hào)產(chǎn)生；可望實(shí)現(xiàn)從理論上確定預(yù)測(cè)指標(biāo)及其臨界值。與現(xiàn)行的預(yù)報(bào)方法相比更有效快捷，大大減少了工作量，基本不受人工等外界干擾(對(duì)于井下機(jī)電沒備等電磁干擾，則可采取屏蔽或定向接收技術(shù)來(lái)排除)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)，不影響生產(chǎn)，既能探測(cè)煤壁附近的突出危險(xiǎn)性及突出危險(xiǎn)帶的方位，又能檢驗(yàn)防突措施的效果。
巖石變形及破裂過(guò)程中電磁輻射的研究與地震研究密切相關(guān)。前蘇聯(lián)、中國(guó)、美國(guó)和日本的地震前期都發(fā)現(xiàn)有極為明顯的電磁異常現(xiàn)象。許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，含壓電材料和不含壓電材料的巖石都有電磁輻射產(chǎn)生。
在近20～50年內(nèi)，電磁輻射效應(yīng)的研究，無(wú)論是理論研究，還是在應(yīng)用研究方面，都取得了飛速發(fā)展，但主要集中在地震預(yù)報(bào)領(lǐng)域。在接收震前電磁輻射信息的方法及儀表方面，也取得了很好成果。賀霞君等研制了地震電磁脈沖微電腦記錄儀，并申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利(公開號(hào)CN1062040A)。該地震電磁脈沖記錄儀能夠記錄的頻率范圍為0.01Hz～2kHz，且只能記錄脈沖數(shù)。中國(guó)專利CN2050174V中公開了一種“地震電磁信息接收機(jī)”，該接收機(jī)是由地上接收系統(tǒng)、地下接收系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)與時(shí)標(biāo)電路及記錄系統(tǒng)等部分組成，它是通過(guò)地上、地下對(duì)比來(lái)區(qū)別電磁前兆信號(hào)與地面干擾信號(hào)。顯然，該系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，僅適于接收來(lái)自大規(guī)模孕震區(qū)域的電磁信號(hào)。歐洲專利EP0067924公開了一種“預(yù)報(bào)地震的方法和裝置”，中國(guó)專利CN1032240A公開了一種“地震前兆交變電信息接收儀”，上述兩項(xiàng)發(fā)明均以接收地電信號(hào)來(lái)進(jìn)行地震的短臨預(yù)報(bào)，而地電信號(hào)是一個(gè)非常復(fù)雜的物理量，在缺少理論及試驗(yàn)研究的情況下其預(yù)報(bào)地震的準(zhǔn)確性是難以令人信服的。中國(guó)專利CN1051625A公開了一種“接收震前電磁輻射的方法及設(shè)備”，它是將地震信息天線架設(shè)在地質(zhì)斷層附近的大型金屬物質(zhì)表面上，并安裝地震測(cè)向天線，兩組天線捕獲的電磁信號(hào)對(duì)應(yīng)通過(guò)濾波整流及檢波電路經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換通道進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析。
可見，已有的電磁輻射研究成果主要是針對(duì)地震領(lǐng)域，測(cè)試頻率為低頻以下，大多為超低頻或甚低頻，只適于遠(yuǎn)距離測(cè)試堅(jiān)硬巖石的大規(guī)模破壞時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射，不適于對(duì)煤體及軟弱巖石變形破裂或較小規(guī)模(與地震相比)的強(qiáng)烈變形破壞電磁輻射進(jìn)行近距離測(cè)試。研制的儀表也沒有預(yù)報(bào)功能，僅能接收電磁輻射信號(hào)。另外還有一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，就是對(duì)受載巖體變形破裂產(chǎn)生電磁輻射的機(jī)理和規(guī)律特征不清楚，而電磁輻射技術(shù)的應(yīng)用必須建立在對(duì)電磁輻射的產(chǎn)生機(jī)制和規(guī)律進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)之上。用電磁輻射法預(yù)測(cè)含氣煤巖砼較小規(guī)模災(zāi)害(煤與瓦斯突出、壩基失穩(wěn)、滑坡和沖擊地壓等)方面還沒有成熟的技術(shù)及裝置。
本發(fā)明主要是為了解決上述不足而提出的，為進(jìn)一步研究煤巖砼材料的變形破裂機(jī)制及過(guò)程提供技術(shù)手段，為準(zhǔn)確應(yīng)用電磁輻射預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)含氣煤巖砼災(zāi)害動(dòng)力現(xiàn)象提供一套新的有效的裝置。發(fā)明了一種通過(guò)監(jiān)測(cè)含氣煤巖砼變形破裂電磁輻射預(yù)測(cè)含氣煤巖砼變形破裂過(guò)程及災(zāi)害動(dòng)力現(xiàn)象的技術(shù)方法，發(fā)明了一種能夠準(zhǔn)確測(cè)定含氣或不含氣煤巖砼電磁輻射的裝置，通過(guò)強(qiáng)度和脈沖數(shù)兩個(gè)指標(biāo)的變化來(lái)反映含氣煤巖砼的災(zāi)害危險(xiǎn)程度。裝置設(shè)計(jì)為本質(zhì)安全型，能夠在煤礦井下使用。裝置體積小，操作方便，靈敏度高，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)或人為設(shè)定的不連續(xù)監(jiān)測(cè)。具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、可與PC機(jī)通訊、報(bào)警等功能。
我們的研究結(jié)果表明，受載煤巖砼變形及破裂過(guò)程中有電磁輻射信號(hào)產(chǎn)生。電磁輻射和聲發(fā)射信號(hào)并非嚴(yán)格同步。聲發(fā)射主要集中在煤體破裂較劇烈的過(guò)程中，而電磁輻射則在煤巖體的緩慢變形破壞過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)。這表明，電磁輻射與聲發(fā)射不是同源輻射，它們之間有著不完全相同的產(chǎn)生機(jī)制，電磁輻射信息更能準(zhǔn)確反映含氣煤巖的破壞發(fā)展過(guò)程，用電磁輻射來(lái)預(yù)測(cè)煤巖材料的變形破裂過(guò)程更可靠。
對(duì)煤體變形及破裂過(guò)程中得到的電磁輻射信號(hào)進(jìn)行的時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析表明，煤體電磁輻射信號(hào)的幅值、脈沖數(shù)隨載荷及變形破裂強(qiáng)度的增加而呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)。
對(duì)電磁輻射的頻譜分析表明，電磁輻射是頻譜很寬的脈沖信號(hào)；煤巖體的變形及破裂過(guò)程中，電磁輻射的頻譜并不是一成不變的，而是隨著載荷及變形破裂強(qiáng)度的增加而增高。
含孔隙氣體煤變形及破裂過(guò)程中產(chǎn)生的電磁輻射不僅與煤體材料的性質(zhì)有關(guān)，而且還和瓦斯氣體及其壓力有關(guān)。瓦斯氣體(CO2)使煤體的電磁輻射強(qiáng)度增高，而且瓦斯壓力越高，電磁輻射倍號(hào)越強(qiáng)。外加交變電磁場(chǎng)和煤體電磁輻射使煤體對(duì)瓦斯的吸附能力降低，解吸和放散速度提高，因而也加速并加劇了煤體的破壞過(guò)程。
研究結(jié)果表明，電磁輻射源于煤巖砼材料的非均質(zhì)性。是由非均勻變速形變而引起的誘導(dǎo)極化和帶電粒子變速運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。
煤巖砼中存在大量缺陷且為非均質(zhì)多相材料，使得煤巖砼中的應(yīng)力-應(yīng)變分布相當(dāng)不均勻。受載煤巖砼的高應(yīng)變區(qū)主要位于強(qiáng)度不同的顆粒界面處，煤巖砼的破裂主要是沿著顆粒之間的界面而進(jìn)行的。煤巖砼顆粒之間的作用是通過(guò)電場(chǎng)或電荷來(lái)完成的。當(dāng)相鄰顆粒之間發(fā)生非均勻形變時(shí)，其界面處的電平衡被打破，產(chǎn)生電荷遷移，結(jié)果是受拉的界面處積累了自由電荷(主要是電子)，而受壓的顆粒內(nèi)部積累了相反符號(hào)的電荷。從總體宏觀上來(lái)看，在試樣表面積累了電荷，形成了庫(kù)侖場(chǎng)(或靜電場(chǎng))。當(dāng)變形非常緩慢或勻速的情況下，自由電荷來(lái)得及消退以適應(yīng)電平衡的變化，因而對(duì)外并不產(chǎn)生電磁(脈沖)輻射。當(dāng)相鄰顆粒之間發(fā)生非均勻變速形變時(shí)，這種局部激發(fā)就會(huì)對(duì)外產(chǎn)生電磁(脈沖)輻射，這也主要是低頻電磁輻射。當(dāng)變形未造成斷裂時(shí)，此時(shí)并不會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射。
我們通過(guò)研究證實(shí)，含瓦斯煤體會(huì)發(fā)生流變。煤體流變主要是煤體在應(yīng)力作用下發(fā)生滑移的結(jié)果，這必然會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，但產(chǎn)生的聲發(fā)射可能很弱，甚至不會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射。在煤礦井下，工作面煤壁基本穩(wěn)定之后，處于流變狀態(tài)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生一定程度的電磁輻射。
應(yīng)力誘導(dǎo)極化的結(jié)果是在壓縮區(qū)域形成了以空穴為主，在拉伸區(qū)域積累了自由電子。我們的詳細(xì)研究表明，煤巖材料的破裂呈張拉或“剪切型”張拉形式。煤巖砼的裂紋擴(kuò)展時(shí)，處于裂紋尖端表面區(qū)域中的電子在裂隙尖端區(qū)域中大量電子形成的電場(chǎng)的作用下，向裂紋內(nèi)部的自由空間區(qū)域發(fā)射，形成電子發(fā)射。同時(shí)，也可能產(chǎn)生帶負(fù)電的碎屑粒子發(fā)射。當(dāng)發(fā)生剪切摩擦?xí)r，同樣的道理，也會(huì)形成帶正電的粒子發(fā)射。
在裂紋尖端的煤體本相區(qū)受拉區(qū)域仍表現(xiàn)為負(fù)電荷，這就是產(chǎn)生電子加速電場(chǎng)的原因，而周圍的壓應(yīng)力區(qū)帶正電。
發(fā)射出來(lái)的這些低速運(yùn)動(dòng)帶電粒子在電場(chǎng)的作用下加速，當(dāng)帶電粒子碰撞到周圍環(huán)境介質(zhì)的分子或原子，或碰撞到周圍的煤巖砼裂隙表面時(shí)會(huì)減速，在其變速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。后者形成的電磁輻射也叫軔致輻射。由于可能形成了大量的帶電粒子，因而會(huì)產(chǎn)生從低頻電磁輻射到X光的寬頻帶電磁輻射。
可見，煤巖材料變形及破裂時(shí)能夠產(chǎn)生電磁場(chǎng)，有兩種形式一種是由電荷，特別是試樣表面積累電荷引起的庫(kù)侖場(chǎng)(或準(zhǔn)靜電場(chǎng))，另一種是由帶電粒子作變速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的電磁輻射，是一種脈沖波。
煤巖砼變形及破裂過(guò)程中產(chǎn)生的電磁輻射與帶電粒子的電量及其運(yùn)動(dòng)加速度成正比。當(dāng)然與帶電粒子的密度有關(guān)，帶電粒子數(shù)越多，電磁輻射的強(qiáng)度也越高。加載速率越高，變形及破裂過(guò)程越強(qiáng)烈，單位時(shí)間內(nèi)形成的帶電粒子數(shù)就越多，其運(yùn)動(dòng)速度也越高，因而煤巖變形及破裂時(shí)電磁輻射的強(qiáng)度越高，頻率范圍也越寬。
研究結(jié)果表明，電磁輻射的強(qiáng)度和脈沖數(shù)可作為預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)含氣煤巖材料變形及破裂過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)。
利用煤巖電磁輻射的這些特性，我們提出了本發(fā)明——電磁輻射法預(yù)測(cè)含氣煤巖砼災(zāi)害的方法及裝置。
煤巖砼(或含氣煤巖砼)動(dòng)力災(zāi)害均有一個(gè)準(zhǔn)備、發(fā)動(dòng)、發(fā)生、發(fā)展和結(jié)束的過(guò)程。預(yù)測(cè)含氣煤巖砼災(zāi)害動(dòng)力現(xiàn)象就是要在其準(zhǔn)備及發(fā)動(dòng)階段，尋求其前兆信息，根據(jù)前兆信息判斷其災(zāi)害的危險(xiǎn)程度?，F(xiàn)以煤與瓦斯突出為例說(shuō)明含氣煤巖砼災(zāi)害的準(zhǔn)備及發(fā)生過(guò)程。
地層中的含瓦斯煤體未受采掘影響時(shí)，基本處于準(zhǔn)平衡狀態(tài)。掘進(jìn)或回采空間形成后，工作面煤體失去應(yīng)力平衡，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，煤壁中的煤體必然要發(fā)生變形或破裂，以向新的應(yīng)力平衡狀態(tài)過(guò)渡，即發(fā)生流變；煤體中的瓦斯也失去動(dòng)態(tài)平衡，在瓦斯壓力梯度的作用下，沿煤體中的裂隙向工作面空間涌出，這兩種過(guò)程均會(huì)引起電磁輻射。即使當(dāng)工作面煤體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，由于煤體仍然承受著上覆巖層的應(yīng)力作用，此時(shí)工作面煤體處于流變狀態(tài)，這同樣會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。
如圖2所示，在采掘工作面前方，依次存在著三個(gè)區(qū)域，它們是松馳區(qū)域(即卸壓帶)A、應(yīng)力集中區(qū)B和原始應(yīng)力區(qū)C。采掘空間形成后，煤體前方的這三個(gè)區(qū)域始終存在，并隨著工作面的推進(jìn)而前移。在A區(qū)，煤體已發(fā)生屈服，在煤體內(nèi)部形成了大量的裂隙，煤體已大體破碎，其內(nèi)部賦存的瓦斯大部分得到釋放，煤體已不能承受太大的應(yīng)力作用。因此該區(qū)域的應(yīng)力較低，瓦斯壓力也很低。
由A區(qū)到B區(qū)，應(yīng)力及瓦斯壓力越來(lái)越高，因此電磁輻射信號(hào)也越來(lái)越強(qiáng)。在應(yīng)力集中區(qū)B，應(yīng)力和瓦斯壓力達(dá)最大值，因此煤體的變形破裂過(guò)程也較強(qiáng)烈，電磁輻射信號(hào)最強(qiáng)。越過(guò)峰值區(qū)后進(jìn)入C區(qū)，電磁輻射強(qiáng)度將有所下降。沿著工作面煤體深度方向電磁輻射應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力曲線型的理論曲線。預(yù)測(cè)時(shí)測(cè)定的是總體電磁輻射強(qiáng)度和脈沖數(shù)，預(yù)測(cè)范圍包含了應(yīng)力松馳區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)。
工作面前方的這三個(gè)區(qū)的范圍及距工作面煤壁的距離隨周期性掘進(jìn)或回采工作的進(jìn)行而發(fā)生變化。在新的采掘空間形成的瞬時(shí)，工作面煤體卸壓帶很小，應(yīng)力集中帶的應(yīng)力集中程度較高。而后向內(nèi)部逐漸轉(zhuǎn)移，卸壓帶成為突出的屏障。
突出有兩類一類是瞬時(shí)突出，在新的掘進(jìn)或回采空間形成的瞬時(shí)，煤體內(nèi)地應(yīng)力和瓦斯壓力重新分布，工作面煤壁附近的煤體的應(yīng)力集中程度較高，當(dāng)工作面煤體承受不了地應(yīng)力和瓦斯壓力的共同作用時(shí)，工作面煤體向采掘空間突出；另一類是延期突出，新的采掘空間形成后，工作面煤體處于流變狀態(tài)，應(yīng)力集中帶和高瓦斯壓力帶向煤體深處轉(zhuǎn)移，或逐漸形成并向煤體深處轉(zhuǎn)移，在此過(guò)程中，當(dāng)煤體承受不了地應(yīng)力和瓦斯壓力的作用，且卸壓帶的煤體不足以抵抗突出時(shí)，突出就會(huì)發(fā)生。但是，煤與瓦斯突出是地應(yīng)力(包括頂?shù)装遄饔昧蛡?cè)向應(yīng)力)、瓦斯壓力和煤體共同作用的結(jié)果，是經(jīng)過(guò)一個(gè)發(fā)展過(guò)程后產(chǎn)生的突變行為，肯定有一個(gè)明顯的前兆，那就是工作面前方煤體處于高應(yīng)力狀態(tài)，煤體電磁輻射信號(hào)較強(qiáng)，或處于逐漸增強(qiáng)的變形破裂過(guò)程中，煤體電磁輻射信號(hào)逐漸增強(qiáng)。
電磁輻射和煤的應(yīng)力狀態(tài)及瓦斯?fàn)顟B(tài)有關(guān)，應(yīng)力高、瓦斯壓力大時(shí)電磁輻射信號(hào)就強(qiáng)，電磁輻射頻率就高。應(yīng)力和瓦斯壓力越高，則突出危險(xiǎn)越大。電磁輻射強(qiáng)度和脈沖數(shù)兩個(gè)參數(shù)綜合反映了煤體前方應(yīng)力的集中程度和瓦斯壓力的大小，因此可用電磁輻射法進(jìn)行突出預(yù)測(cè)。
通過(guò)上述分析，可以認(rèn)為，電磁輻射是煤與瓦斯突出危險(xiǎn)程度的重要信息，可用它進(jìn)行突出預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。
本發(fā)明所采用的方法是架設(shè)高靈敏度寬頻帶定向接收線圈天線，該天線是用可調(diào)固定架架設(shè)在被測(cè)區(qū)域的中心，天線開口朝向含氣煤巖砼的被測(cè)區(qū)域，天線與被測(cè)區(qū)域的距離應(yīng)小于5米；當(dāng)被監(jiān)測(cè)區(qū)域較大時(shí)，采用60°開口的天線；當(dāng)被監(jiān)測(cè)區(qū)域較小時(shí)，采用30°開口的天線；當(dāng)預(yù)測(cè)含氣煤巖砼災(zāi)害動(dòng)力現(xiàn)象時(shí)，要求天線的軸向平行于被測(cè)煤巖砼的外表面；當(dāng)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤與瓦斯突出時(shí)，要求天線的軸向與煤層的傾向垂直。由天線接收到的變形破裂電磁輻射信號(hào)(頻帶寬度1kHz～1MHz)，經(jīng)前置放大電路、電壓跟隨器后分兩路一路直接送CPU進(jìn)行脈沖汁數(shù)，從而得到采樣時(shí)間間隔內(nèi)的信號(hào)脈沖數(shù)N；另一路經(jīng)反相加法器、同相放大器、電壓跟隨器后送接CPU的模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)接口上，由CPU進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，確定出采樣時(shí)間間隔內(nèi)的極大電磁輻射強(qiáng)度值A(chǔ)。得到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，同時(shí)在液晶顯示器上顯示。當(dāng)?shù)玫降臉O大電磁輻射值A(chǔ)或脈沖數(shù)N超過(guò)其相應(yīng)的預(yù)警臨界值時(shí)，報(bào)警器發(fā)出警報(bào)，同時(shí)在液晶顯示器上顯示出“A＞Amax”或“N＞Nmax”。采樣及預(yù)報(bào)結(jié)束后，可通過(guò)通訊口與微機(jī)連接，將初始參數(shù)值及采樣結(jié)果調(diào)入微機(jī)，在微機(jī)中可對(duì)得到的極大電磁輻射強(qiáng)度值A(chǔ)和脈沖數(shù)N時(shí)間序列進(jìn)行進(jìn)一步的趨勢(shì)分析。構(gòu)成本發(fā)明的裝置包括高靈敏度寬頻帶定向接收線圈天線、前置放大電路、電壓跟隨器、反相加法器、同相放大器、89C51單片機(jī)(CPU)、地址鎖存器、譯碼器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、液晶顯示器、報(bào)警器、鍵盤等。
本發(fā)明是在經(jīng)過(guò)詳細(xì)的理論和實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上提出的，具有可靠且堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。本發(fā)明中采用了非接觸式接收天線，實(shí)現(xiàn)了真正的非接觸式連續(xù)預(yù)報(bào)，也可配備其它接觸式天線進(jìn)行監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)。監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)不影響生產(chǎn)，節(jié)省了大量的工作量和費(fèi)用。本發(fā)明提出的預(yù)測(cè)參數(shù)為兩個(gè)電磁輻射強(qiáng)度值A(chǔ)和脈沖數(shù)N。構(gòu)成本發(fā)明的裝置為本質(zhì)安全型，可用于煤礦井下預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤與瓦斯突出、沖擊地壓和頂板塌落等，也可用于地面上預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)滑坡、地震及巖石混凝土建筑的失穩(wěn)。本發(fā)明所采用的天線為定向接收天線，其開口為30°和60°，受人工等外界影響小。本發(fā)明所述的測(cè)試裝置，其測(cè)試的電磁輻射頻率為1kHz～1MHz，可進(jìn)行近距離或遠(yuǎn)距離預(yù)測(cè)；本發(fā)明所述的測(cè)試裝置具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警、數(shù)據(jù)顯示和與PC機(jī)通訊等功能，當(dāng)某一參數(shù)超過(guò)其臨界值時(shí)，報(bào)警顯示；本發(fā)明所述的測(cè)試裝置體積小，攜帶、操作方便，靈敏度高，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)或人為設(shè)定的不連續(xù)監(jiān)測(cè)。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述

圖1是本發(fā)明的電磁輻射監(jiān)測(cè)裝置工作原理圖。
圖2是工作面應(yīng)力狀態(tài)分布圖。
如圖1所示，首先架設(shè)高靈敏度寬頻帶定向接收線圈天線1，該天線為內(nèi)含鐵氧體鐵芯的線圈偶極子天線，外面有銅皮屏蔽層，屏蔽層開口方向有30°和60°兩種，天線長(zhǎng)度為400mm，直徑為40mm，靈敏度為50μV/m，其接收頻段為1kHz～1MHz。用可調(diào)固定架將該天線架設(shè)在被測(cè)區(qū)域的中心，天線開口朝向含氣煤巖砼的被測(cè)區(qū)域，天線與被測(cè)區(qū)域的距離小于5米最為適宜，視被監(jiān)測(cè)區(qū)域的大小而定，確定的原則是將被監(jiān)測(cè)區(qū)域剛好包含在天線的開口方向內(nèi)。當(dāng)被監(jiān)測(cè)區(qū)域較大時(shí)，使用60°開口的天線；當(dāng)被監(jiān)測(cè)區(qū)域較小時(shí)，采用30°開口的天線。當(dāng)預(yù)測(cè)含氣煤砼災(zāi)害動(dòng)力現(xiàn)象時(shí)，要求天線的軸向平行于被測(cè)煤巖砼的外表面；當(dāng)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤與瓦斯突出時(shí)，要求天線的軸向與煤層的傾向垂直。固定好天線，接通電源，并通過(guò)防塵防水觸摸式鍵盤6上的按鍵進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，輸入采樣組數(shù)M、采樣時(shí)間間隔Δt、預(yù)警臨界值(臨界極大電磁輻射強(qiáng)度值A(chǔ)max和臨界脈沖數(shù)值Nmax)等參數(shù)，也可以通過(guò)面板按鍵來(lái)進(jìn)行時(shí)間的設(shè)置和校正，輸入每個(gè)參數(shù)后，都要用“確認(rèn)”鍵來(lái)確認(rèn)。當(dāng)準(zhǔn)備工作結(jié)束后，即可按“開始”鍵開始采樣并預(yù)測(cè)。信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換、處理、存儲(chǔ)和報(bào)警由本裝置自動(dòng)連續(xù)地完成。
由于天線1接收到的變形破裂電磁輻射信號(hào)較弱，不能直度進(jìn)行處理，需要前置放大電路2放大。前置放大電路2是采用由兩個(gè)運(yùn)算放大器組成的差動(dòng)放大電路，運(yùn)算放大器的型號(hào)為TL084JFET，是一種低輸入失調(diào)電壓、高輸入阻抗(可達(dá)1012Ω)的四運(yùn)算放大器，可防止因輸入阻抗低而引起的電荷泄漏，保證測(cè)量精度完全由外接元件控制。整個(gè)前置放大電路的放大倍數(shù)可在20～2000的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。前置放大電路2輸出的信號(hào)經(jīng)電壓跟隨器3后分兩路一路為頻率計(jì)數(shù)信號(hào)，直接接到單片機(jī)9的HSI.1口上，由單片機(jī)內(nèi)部的T2定時(shí)器計(jì)數(shù)，從而得到采樣時(shí)間間隔內(nèi)的信號(hào)脈沖數(shù)N；另一路經(jīng)反相加法器4后轉(zhuǎn)換成以2.5V為中心的被測(cè)信號(hào)，再經(jīng)同相放大器5(放大2～12倍)及電壓跟隨器后送到單片機(jī)9的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口上，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)。單片機(jī)9是采用性能優(yōu)越的MCS-51系列的89C51單片機(jī)(簡(jiǎn)稱CPU)，在程序控制下，CPU對(duì)其模數(shù)轉(zhuǎn)換口上的被測(cè)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，從而確定出采樣時(shí)間間隔內(nèi)的極大電磁輻射強(qiáng)度值A(chǔ)，并通過(guò)地址鎖存器11(74HC373)將測(cè)試數(shù)據(jù)和中間運(yùn)算結(jié)果存放到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器12內(nèi)，同時(shí)在液晶顯示器10上顯示測(cè)試值(脈沖數(shù)N、極大電磁輻射強(qiáng)度值A(chǔ))。這里數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器12是采用32K字節(jié)的62256RAM芯片，按每個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)存放在三個(gè)字節(jié)中計(jì)算約能存放一萬(wàn)個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)，基本滿足需要；液晶顯示器10是選用MDLS-16168型液晶顯示模塊，顯示字符大，和CPU的接口簡(jiǎn)單，由3條控制線和8條數(shù)據(jù)線直接和CPU聯(lián)接傳輸。為正確選定某一外圍器件，采用譯碼器74HC138提供片選信號(hào)。
為使測(cè)量計(jì)時(shí)方便，本裝置選用了一個(gè)具有良好人機(jī)界面的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，該時(shí)鐘以實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS12887為主電路，其時(shí)鐘精度高，可通過(guò)程序或鍵盤進(jìn)行時(shí)間的設(shè)置，通過(guò)液晶顯示器顯示，可輸出年、月、日、時(shí)、分、秒、星期等信息。芯片內(nèi)部帶有鋰電池，不接外部電源可連續(xù)運(yùn)行十年以上。
當(dāng)測(cè)試得到的極大電磁輻射強(qiáng)度值A(chǔ)或脈沖數(shù)N超過(guò)其相應(yīng)的預(yù)警臨界值時(shí)，報(bào)警器15由CPU控制發(fā)出警報(bào)，同時(shí)在液晶顯示器上顯示出“A＞Amax”或“N＞Nmax”。
由于實(shí)際測(cè)試中所獲得的測(cè)試數(shù)據(jù)量可能很大，對(duì)較多的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理是單片的能力所不及的，為此在本裝置中設(shè)置通訊口13。該通訊口為RS-232C串行接口，當(dāng)采樣及預(yù)報(bào)結(jié)束后，可通過(guò)該通訊口13與微機(jī)14連接，將設(shè)置的初始參數(shù)值和存數(shù)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的測(cè)試數(shù)據(jù)調(diào)入微機(jī)，在微機(jī)上對(duì)得到的極大電磁輻射強(qiáng)度值A(chǔ)和脈沖數(shù)N時(shí)間序列進(jìn)行進(jìn)一步的趨勢(shì)分析，從而獲得較好的結(jié)果。
為了方便實(shí)現(xiàn)測(cè)量、通訊、數(shù)據(jù)查詢、功能選擇等要求，本裝置采用2行×8列鍵盤6。鍵盤采用輕接觸按鍵開關(guān)，其壽命長(zhǎng)，使用方便，由編程實(shí)現(xiàn)各按鍵開關(guān)功能，當(dāng)有按鍵開關(guān)按下時(shí)，系統(tǒng)中的蜂鳴器就鳴響一聲，表示有鍵按下，用于提示。
本裝置采用的上電復(fù)位電路7是由一個(gè)電阻、一個(gè)二極管和一個(gè)電容組成。
本裝置采用的電源為兩組12V可充電電池，通過(guò)三端穩(wěn)壓器7805、三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317向裝置提供±5V、+5.12V、-2.5V電源電壓。
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)監(jiān)測(cè)含氣煤巖砼變形破裂過(guò)程中電磁輻射信息預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)含氣煤巖砼災(zāi)害動(dòng)力過(guò)程及現(xiàn)象的技術(shù)方法，包括以下步驟a.架設(shè)高靈敏度寬頻帶定向接收線圈天線(1)接收含氣煤巖砼變形破裂電磁輻射信號(hào)；b.對(duì)接收到的電磁輻射信號(hào)進(jìn)行記錄，其特征在于用可調(diào)固定架將天線(1)架設(shè)在被測(cè)區(qū)域的中心，天線開口朝向含氣煤巖砼的被測(cè)區(qū)域，天線與被測(cè)區(qū)域的距離小于5米最為適宜；當(dāng)預(yù)測(cè)含氣煤巖砼災(zāi)害動(dòng)力現(xiàn)象時(shí)，天線的軸向平行于被測(cè)煤巖砼的外表面；當(dāng)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤與瓦斯突出時(shí)，天線的軸向與煤層的傾向垂直。
2.一種通過(guò)監(jiān)測(cè)含氣煤巖砼變形破裂過(guò)程中電磁輻射信息預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)含氣煤巖砼災(zāi)害動(dòng)力過(guò)程及現(xiàn)象的裝置，是由天線(1)、前置放大電路(2)、電壓跟隨器(3)、反相加法器(4)、同相放大器(5)、鍵盤(6)、報(bào)警器(15)、液晶顯示器(10)、單片機(jī)系統(tǒng)等組成，其特征在于天線(1)為內(nèi)含鐵氧體鐵芯的線圈偶極子天線，外面有銅皮屏蔽層，屏蔽層開口方向有30°和60°兩種，天線長(zhǎng)度為400mm，直徑為40mm，靈敏度為50μV/m，接收頻段為1kHz～1MHz。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)含氣煤巖砼災(zāi)害動(dòng)力過(guò)程及現(xiàn)象的技術(shù)方法，其特征在于由天線(1)接收到的變形破裂電磁輻射信號(hào)，經(jīng)前置放大電路(2)、電壓跟隨器(3)后分兩路一路為頻率計(jì)數(shù)信號(hào)，直接送單片機(jī)(9)的HSI.1口上，由單片機(jī)內(nèi)部的T2定時(shí)器計(jì)數(shù)，從而得到采樣時(shí)間間隔內(nèi)的信號(hào)脈沖數(shù)N；另一路經(jīng)反相加法器(4)轉(zhuǎn)換成以2.5V為中心的被測(cè)信號(hào)，再經(jīng)同相放大器、電壓跟隨器后送單片機(jī)(9)的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口上進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集、處理，從而確定出采樣時(shí)間間隔內(nèi)的極大電磁輻射強(qiáng)度值A(chǔ)，并將得到的測(cè)試數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(12)，同時(shí)在液晶顯示器(10)上顯示測(cè)試值(脈沖數(shù)N、極大電磁輻射強(qiáng)度值A(chǔ))。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)含氣煤巖砼災(zāi)害動(dòng)力過(guò)程及現(xiàn)象的技術(shù)方法，其特征在于當(dāng)被監(jiān)測(cè)區(qū)域較大時(shí)，使用60°開口的天線；當(dāng)被監(jiān)測(cè)區(qū)域較小時(shí)，使用30°開口的天線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)含氣煤巖砼災(zāi)害動(dòng)力過(guò)程及現(xiàn)象的技術(shù)方法，其特征在于當(dāng)測(cè)試得到的極大電磁輻射強(qiáng)度值A(chǔ)或脈沖數(shù)N超過(guò)其相應(yīng)的預(yù)警臨界值時(shí)，報(bào)警器(15)發(fā)出警報(bào)，同時(shí)在液晶顯示器上顯示出“A＞Amax”或“N＞Nmax”。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)含氣煤巖砼災(zāi)害動(dòng)力過(guò)程及現(xiàn)象的技術(shù)方法，其特征在于當(dāng)采樣和預(yù)報(bào)結(jié)束后，可通過(guò)通訊口(13)與微機(jī)(14)連接，將初始參數(shù)值和存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(12)中的測(cè)試數(shù)據(jù)輸入微機(jī)，在微機(jī)上對(duì)得到的極大電磁輻射強(qiáng)度值A(chǔ)和脈沖數(shù)N時(shí)間序列進(jìn)行進(jìn)一步的趨勢(shì)分析，從而獲得較好的結(jié)果。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)含氣煤巖砼災(zāi)害動(dòng)力過(guò)程及現(xiàn)象的裝置，其特征在于前置放大電路(2)是采用由兩個(gè)運(yùn)算放大器(型號(hào)為TL084JFET)組成的差動(dòng)放大電路，放大倍數(shù)可在20～2000的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；同相放大器(5)的放大倍數(shù)為2～12倍；單片機(jī)(9)是采用MCS-51系列的89C51單片機(jī)，它和地址鎖存器(11)、32K字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(12)、譯碼器74HC138、上電復(fù)位電路(7)、鍵盤(6)、RS-232C串行通訊口(13)等組成單片機(jī)系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2或7所述的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)含氣煤巖砼災(zāi)害動(dòng)力過(guò)程及現(xiàn)象的裝置，其特征在于液晶顯示器(10)是選用MDLS-16168型液晶顯示模塊，由3條控制線和8條數(shù)據(jù)線直接和單片機(jī)CPU連接傳輸；鍵盤(6)為防塵防水觸模式2行×8列鍵盤。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種通過(guò)監(jiān)測(cè)含氣煤巖砼變形破裂電磁輻射信息預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)含氣煤巖砼災(zāi)害動(dòng)力過(guò)程及現(xiàn)象的技術(shù)方法及裝置,它是將高靈敏度寬頻帶定向接收天線架設(shè)在被測(cè)區(qū)域的中心,天線開口朝向被測(cè)區(qū)域,由天線接收到的電磁輻射信號(hào)經(jīng)測(cè)量電路和單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理,確定出能反映含氣煤巖砼的災(zāi)害危險(xiǎn)性的電磁輻射強(qiáng)度A和脈沖數(shù)N,當(dāng)A或N超過(guò)其預(yù)警臨界值時(shí),發(fā)出警報(bào)。本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,攜帶、使用方便,測(cè)試準(zhǔn)確、可靠。
文檔編號(hào)G01V9/00GK1193743SQ9811118
公開日1998年9月23日 申請(qǐng)日期1998年3月16日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月16日
發(fā)明者何學(xué)秋, 王恩元, 劉明舉, 劉貞堂 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)