基于电偶极子的煤岩破裂电磁辐射研究

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1、基于电偶极子的煤岩破裂电磁辐射研究【摘要】本文依据分层媒质中电磁波的传播规律，结合煤与瓦斯突出时的实际情形，建立煤岩破裂时辐射的电磁波传播模型，并推演出煤岩破裂时电偶极子场源电磁波的正向传播规律。并将理论推演进行计算机编程来开发系统软件，可实现场强计算功能，为后期的根据接收信号对场源进行定位提供了理论依据。【关键词】电偶极子;煤岩破裂;电磁波【Abstract】Inthispaper，basedonthelawofpropagationofelectromagneticwavesinlayeredmedium，combinedwiththeactualsi

2、tuationofthecoalandgasoutburst，thecoalandrockburstradiationofelectromagneticwavepropagationmodelisestablished.And，theregulationforumsofelectricfieldandmagneticfieldtransmittedarecarriedoutbysoftwareprogramminginordertorealizethefunctionofcalculating，whichprovidesaconvenientanalyti

3、caltoolforthelocationofthefractureofcoalandrock.【Keywords】Electricdipole;Coalandrockoutburst;Electromagneticwave70引言作为能源大国，煤矿安全一直是全国工业安全工作的重点。而煤矿瓦斯灾害，却是造成重大伤亡事故、影响生产进度、损失经济利益的主要原因，其中煤与瓦斯突出灾害的预防，是其中一个重要环节。研究可靠的突出预测方法，可有效保障矿井安全生产，提高矿井经济效益。因此，煤岩破裂的预测研究具有重大的实际意义及社会意义。煤岩破裂预测作为瓦斯灾害防治综合措

4、施是最重要的环节。目前，煤岩破裂预测方法主要有以下几种：声发射监测方法，电磁辐射预测方法，以及利用环境监测系统连续监测工作面的瓦斯涌出变化特征，分析瓦斯涌出与突出关系的预测方法。其中电磁辐射预测方法目前正在广泛研究开展中，但是如何在此基础上，开发出从软件到硬件实现整合的电磁辐射预测系统，将使煤岩破裂防治技术大幅度提升，对改善当前煤矿安全状况具有极其深远的意义。1煤岩破裂电磁辐射分析1.1理论分析7煤岩体同其他固体材料一样，都是由成千上万的电子、原子等基本粒子组成，当煤岩体受载变形破裂时，电子等带电粒子变速运动就会向外辐射电磁波，这就是电磁辐射现象。当煤岩相

5、邻颗粒之间发生非均匀变形时，界面处的电平衡遭到破坏，在受拉界面会积累许多自由电荷，而在受压处则积累了同样数量的相反电荷，这就相当于电偶极子。因此，可以将煤岩破裂时的辐射源等效为电偶极子。依据电磁波的传播理论，煤岩破裂时辐射的电磁波在分层媒质中的传播，可等效于辐射源在由“岩石层-煤层-岩石层”组成的三层媒质模型。研究煤岩破裂时电偶极子场源电磁波的正向传播规律可转化为分析该辐射源辐射的电磁波在各媒质层中电场和磁场的场量表达式。由于垂直和水平电偶极子是电磁辐射的基本模型，任何辐射源都可以分解为垂直和水平电偶极子的加和。因此，本文将针对电偶极子场源进行研究。1.2

6、电磁波辐射场强的计算由于水平电偶极子与垂直电偶极子场源辐射场强的计算思路基本相同，文章只讨论垂直电偶极子场源辐射场强的计算。图1垂直电偶极子情形为方便理解建立直角坐标系。以电偶极子所在点为原点，该电偶极子的长度为dl，其电流为I・ejwt（A）。以垂直指向大地的方向为z轴正方向，如图1所示。根据实际情况，第一、三两层为岩石层，其电磁参数分别为μ1、ε1、σ1和μ3、ε3、σ3;第二层为煤层，其电磁参数为μ2、ε2和σ2。7垂直电偶极子情形下只有z分量，则垂直电偶极子场源情形下中间媒质层中各部分的电场和磁场场强表达式如下所示：1）z0≤z<z1部分：■

7、■（1）■■（2）2）z2≤z<z0部分：■■（3）■（4）其中，■（5）■（6）■（7）■（8）■（9）■（10）■（11）而J■■（x）=-J■（x）（12）J■■（x）=■・J■（x）-J■（x）（13）可由贝塞尔函数的求导公式J■■（x）=■J■（x）-J■（x）得到。72系统软件开发关于三层煤质中的场强公式已经明确，为了将理论成果更好的应用到实际工程中，可将理论推演通过计算机编程来实现。在软件的选择上，鉴于Visualc++有很好的稳定性和兼容性，我们选用VisualC++6.0开发平台作为程序开发环境。无论是电场场强E，还是磁场场强H，都

8、是一个很复杂的积分算式，含有诸多参数，但最终都可转化为电导率σ1、