基于電偶極子的煤巖破裂電磁輻射研究

王小旗 侯 爭

（1.河南理工大學計算機科學與技術學院，河南 焦作454000；2.河南工業和信息化職業學院，河南 焦作454000）

0 引言

作為能源大國，煤礦安全一直是全國工業安全工作的重點。而煤礦瓦斯災害，卻是造成重大傷亡事故、影響生產進度、損失經濟利益的主要原因，其中煤與瓦斯突出災害的預防，是其中一個重要環節。研究可靠的突出預測方法，可有效保障礦井安全生產，提高礦井經濟效益。因此，煤巖破裂的預測研究具有重大的實際意義及社會意義。

煤巖破裂預測作為瓦斯災害防治綜合措施是最重要的環節。目前，煤巖破裂預測方法主要有以下幾種：聲發射監測方法，電磁輻射預測方法，以及利用環境監測系統連續監測工作面的瓦斯涌出變化特征，分析瓦斯涌出與突出關系的預測方法。其中電磁輻射預測方法目前正在廣泛研究開展中，但是如何在此基礎上，開發出從軟件到硬件實現整合的電磁輻射預測系統，將使煤巖破裂防治技術大幅度提升，對改善當前煤礦安全狀況具有極其深遠的意義。

1 煤巖破裂電磁輻射分析

1.1 理論分析

煤巖體同其他固體材料一樣，都是由成千上萬的電子、原子等基本粒子組成，當煤巖體受載變形破裂時，電子等帶電粒子變速運動就會向外輻射電磁波，這就是電磁輻射現象。當煤巖相鄰顆粒之間發生非均勻變形時，界面處的電平衡遭到破壞，在受拉界面會積累許多自由電荷，而在受壓處則積累了同樣數量的相反電荷，這就相當于電偶極子。因此，可以將煤巖破裂時的輻射源等效為電偶極子。

依據電磁波的傳播理論，煤巖破裂時輻射的電磁波在分層媒質中的傳播，可等效于輻射源在由“巖石層－煤層－巖石層”組成的三層媒質模型。研究煤巖破裂時電偶極子場源電磁波的正向傳播規律可轉化為分析該輻射源輻射的電磁波在各媒質層中電場和磁場的場量表達式。由于垂直和水平電偶極子是電磁輻射的基本模型，任何輻射源都可以分解為垂直和水平電偶極子的加和。因此，本文將針對電偶極子場源進行研究。

1.2 電磁波輻射場強的計算

由于水平電偶極子與垂直電偶極子場源輻射場強的計算思路基本相同，文章只討論垂直電偶極子場源輻射場強的計算。

圖1 垂直電偶極子情形

為方便理解建立直角坐標系。以電偶極子所在點為原點，該電偶極子的長度為dl，其電流為I·ejwt（A）。以垂直指向大地的方向為z軸正方向，如圖1所示。根據實際情況，第一、三兩層為巖石層，其電磁參數分別為μ1、ε1、σ1和μ3、ε3、σ3；第二層為煤層，其電磁參數為μ2、ε2和σ2。

垂直電偶極子情形下只有z分量，則垂直電偶極子場源情形下中間媒質層中各部分的電場和磁場場強表達式如下所示：

2 系統軟件開發

關于三層煤質中的場強公式已經明確，為了將理論成果更好的應用到實際工程中，可將理論推演通過計算機編程來實現。在軟件的選擇上，鑒于Visual c++有很好的穩定性和兼容性，我們選用Visual C++6.0開發平臺作為程序開發環境。

無論是電場場強E，還是磁場場強H，都是一個很復雜的積分算式，含有諸多參數，但最終都可轉化為電導率σ1、σ2、σ3，磁導率μ1、μ2、μ3，媒質的介電常數角頻率ω，電偶極子內的電流I，以及相應的坐標值x、y、z等。在所建三層媒質模型中，由于大地媒質在通常情況下為非鐵磁性媒質，因而此時可設定典型分層媒質模型中各層媒質的導磁率相等，并且均等于空氣導磁率，即μ1=μ2=μ3=0。第一、三兩層為巖石層，所以σ1=σ3，σ1=σ3。這樣一、三層媒質參數設為相等，便于編程實現。當場強計算公式必需的參數都一定的情況下，調用復數基本乘、除法函數，讓程序中用到的復數運算都以實部和虛部的參數形式出現，避免了復雜的復數運算，再調用貝塞爾函數等，得出被積函數，準備進行積分。此時調用“積分定限函數”，確定積分限的情況下再進行龍貝格積分，將積分結果求模值，得出運算結果。具體的程序框圖如圖2所示。在場源參數都已知的前提下，用戶根據需要變換坐標值的輸入范圍，計算出對應的場強數據，并可將對應場源參數、坐標值、場強數據存入相應數據庫中，作為下一步場源定位查詢的依據。

圖2 整體程序框圖

3 結論

針對目前電磁預測法中存在無法對破裂源實現準確定位的問題，本文結合煤與瓦斯突出時的實際模型，推演出煤巖破裂時電偶極子場源電磁波的正向傳播規律，將理論推演進行計算機編程來開發相應系統軟件。系統包括場強計算子系統數據庫管理子系統等，為根據接收信號隊破裂源進行定位提供了理論依據。

［1］王恩元,何學秋,聶百勝,等.電磁輻射法預測煤與瓦斯突出原理研究[D].中國礦業大學,2000.

［2］張清毅.透地通信信道的研究—一種關于分層媒質場強計算的新方法及其應用[D].北京:中國礦業大學〈北京〉,1995.

［3］鄭鈞.D.電磁場與波[M].上海交通大學出版社,1984.

［4］王凱,俞啟香.煤與瓦斯突出的非線性特征及預測模型[M].中國礦業大學出版社,2005.

［5］S.H.Ward.Electromagnetic theory for geophysical applications，Mining Geophysics[Z].1978.

［6］楊永國,主編.VISUAL C++6.0實用教程[M].清華大學出版社,2007.