瓦斯流动对电磁辐射频谱的影响

D0I:10.13374/i.issm1001053x.2003.06.006 第25卷第6期 北京科技大学学报 Vol.25 No.6 2003年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2003 瓦斯流动对电磁辐射频谱的影响 聂百胜”何学秋)孙继平》王恩元) 刘贞堂) 1)中因矿业大学资源与安全工程学院，北京100083 2)中国矿业大学能源科学与工程学院，徐州2210083)中国业大学机电与信息工程学院，北京100083 摘要制造了大直径密封缸体，建立了瓦斯气体流动及电磁辐射测试的实验系统，用傅里 叶变换对不同压力梯度和不同种类瓦斯气体在煤体中流动时电磁辐射的频谱进行了分析， 结果表明，瓦斯气体流动产生的电磁辐射频带一般在较低频带，瓦斯流动时电磁辐射的主频 带基本随压力梯度的升高而增大，压力梯度越大，瓦斯流动速度越高，对煤体的破坏作用越 强，动电效应也越明显，裂隙振荡的频率也越高，从而产生的电磁辐射也越强，频率也越高. 关键词瓦斯流动：煤体：电磁辐射；频谱分析 分类号TD713 电磁辐射预测技术是一种能够有效预测预 1实验系统 报煤岩动力灾害的很有前途的非接触方法.目 前研究者对单轴受载煤岩电磁辐射信号进行了 受载含瓦斯煤岩电磁辐射实验系统（框图见 大量的研究s6,得到的电磁辐射频谱从甚低频 图1)，由加载系统、A一ER声电动态监测及数据 到光频都存在.但是对于瓦斯气体对电磁辐射频 采集系统、电磁辐射和声发射高速采集系统、瓦 谱的影响探讨尚未见报道，本文将对瓦斯气体在 斯吸附及流动系统、载荷一位移记录系统及电磁 煤体中流动时电磁辐射的频谱规律进行研究， 屏蔽系统组成.前置放大器为低噪声高增益前置 3 减压阀 瓶 电阻应变仪 前置放大器 电动态采集系统 前置放大器 9 A/D 前置放大器 前置放大器 10 前置放大器 前置放大器 三通阀 真空泵 4 7 8 外界大气 1一载荷传感器：2一压力表：3-阀」：4—位移传感器：5一声发射传感器： 6一绝缘纸；7一煤体：8一压力缸：9一磁棒天线：10-屏蔽网 图1电磁辐射实验系统示意图 Fig.1 Experimental system of EMR 收稿日期2003-0303 聂百胜男，30岁，博士后 放大器，放大倍数为40dB,高速采集系统采样频 *国家自然科学基金重点资助项目No.50134040):国家自然 率最高可达20MHz.屏蔽系统采用网格尺寸小 科学基金资助项目QNo.59874028.N0.50204010国家杰出青年 于0.5mm的双层铜网，铜网直接接地.实验时， 基金资助项目No.59925411国家十五攻关项目No.2001B A803B0408中国博士后科学基金资助项目No.2002032120: 将电磁辐射信号接收天线、声发射探头放入密封 江苏省自然科学基金资助项目CNo.BK2001075) 压力缸内，密封压力缸、位移计、载荷传感器和压

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 瓦斯流动对 电磁辐射频谱 的影响 聂 百 胜 ” 何 学秋 ， 孙 继 平 ” 王 恩 元 ” 刘 贞堂 ” 中 国矿业大学 资源与安全 工 程 学 院 ， 北京 中 国矿 业 大 学 能源 科学 与 工 程 学 院 ， 徐州 中 国矿业大学机 电与信 息工 程 学 院 ， 北 京 摘 要 制 造 了 大 直 径 密 封 缸 体 ， 建立 了 瓦 斯 气 体 流 动 及 电磁 辐 射测 试 的 实 验 系 统 ， 用 傅 里 叶 变换 对 不 同压 力梯 度 和 不 同种类 瓦 斯 气 体在 煤体 中流动 时 电磁 辐 射 的频 谱进 行 了分 析 结 果 表 明 ， 瓦 斯 气 体 流 动 产 生 的 电磁 辐 射频 带 一 般 在 较 低 频 带 ， 瓦 斯 流 动 时 电磁 辐射 的主 频 带基 本 随压 力 梯度 的升 高而 增 大 压 力梯 度越大 ， 瓦 斯 流 动 速度 越 高 ， 对 煤 体 的破 坏 作用 越 强 ， 动 电效应 也 越 明显 ， 裂 隙振 荡 的频 率也 越 高 ， 从 而 产 生 的 电磁辐射 也 越 强几频 率也 越 高 关键词 瓦 斯 流 动 煤 体 电磁 辐 射 频 谱 分 析 分 类号 电磁 辐 射 预 测 技 术 是 一 种 能 够 有 效 预 测 预 报 煤 岩 动 力 灾 害 的很 有 前途 的非 接触 方 法 ’一 目 前 研 究 者 对 单 轴 受 载 煤岩 电磁 辐 射 信 号 进 行 了 大 量 的研 究 ‘一钊 ， 得 到 的 电磁 辐 射 频 谱 从 甚 低 频 到光 频 都存 在 但 是对 于 瓦 斯 气 体对 电磁辐 射 频 谱 的影 响探 讨 尚未见 报道 ， 本文 将对 瓦斯 气 体在 煤 体 中流 动 时 电磁 辐 射 的频 谱 规 律 进 行 研 究 实验 系统 受 载 含 瓦 斯 煤 岩 电磁 辐 射 实验 系 统 框 图见 图 ， 由加 载 系 统 、 一 声 电动 态 监 测 及 数 据 采 集 系 统 、 电磁 辐 射 和 声 发 射 高速 采 集 系 统 、 瓦 斯 吸 附及 流 动 系 统 、 载 荷 一 位 移 记 录 系 统及 电磁 屏 蔽 系 统 组 成 前 置 放 大 器 为低 噪声 高增 益 前 置 声 电 动 一〔 态 采集 步 增 户 计 葡 ’ 益 · 转 · 算 系 「 一沪声 换 机 统 「 一载 荷 传 感 器 一压 力 表 一 阀 门 一位 移 传 感 器 一声 发 射 传 感器 一 一 绝 缘 纸 一煤 体 一压 力 缸 一 磁 棒 天 线 一屏 蔽 网 图 电磁 辐 射 实验 系统 示 意 图 · 收稿 日期 刁 刁 聂百 胜 男 ， 岁 ， 博 士 后 国家 自然科 学 基金 重 点 资助 项 目 国家 自然 科 学基 金 资助 项 目 ， 国家杰 出青年 基金 资助 项 目 困 国家十 五 攻 关 项 目 中 国博 士 后 科学基 金 资助 项 目 江 苏省 自然 科学 基金 资助 项 目困认 加 放 大 器 ， 放 大 倍 数 为 ， 高速 采 集 系 统 采 样 频 率 最 高 可 达 屏 蔽系 统 采 用 网格 尺 寸 小 于 的双 层 铜 网 ， 铜 网 直 接 接 地 实验 时 ， 将 电磁 辐射 信 号 接 收天线 、 声 发射 探 头放 入 密 封 压 力缸 内 ， 密 封 压 力 缸 、 位 移 计 、 载 荷 传 感 器和 压 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2003．06．006

Vol.25 No.6 聂百胜等：瓦斯流动对电磁辐射频谐的影响 ·511· 机压头等一起放入屏蔽系统内 步骤进行：()将煤样放置到压机的底座上，煤样 孔隙气体容易泄漏，所以为了考察孔隙气体 与压机底座和压头放入塑料胶套内，然后把天线 对煤体变形及破裂过程中电磁辐射的影响，特设 布置在煤样的周围，盖紧压力缸盖，将压机压头 计了实验用的密封压力缸.为了满足煤体及电磁 调整到与煤体接触，(2)检查密封压力缸的气密 辐射天线尺寸的要求，本实验压力缸内径设计为 性，并调整直到系统不再漏气.(3)按图1所示的 160mm,如图2所示.在密封压力缸体与压机压 方式连接好各仪器，检查系统中各仪器的状态， 罩上屏蔽网.(4)基本不加荷载，完全打开瓦斯出 7 口端，在入口端保持一定压力，让瓦斯气体流过 煤样，实验时待瓦斯入口压力稳定时采集的数据 即为稳压流动时的电磁辐射.在流动开始打开进 气阀和结束关闭进气阀也可以采集数据， 3结果与分析 3.1傅里叶变换对电磁辐射信号的频域分析 在各种信号数据处理方面，特别是在频谱分 6 析和各种滤波方法中最基本的工具就是傅里叶 1一压力机压头：2一缸盖：3一缸体：4一电磁辐射传 感器：5一声发射传感器；6一密封圈：7一瓦斯入口： 分析. 8一绝缘纸：9一煤体：10一磁棒天线：11一信号线： 记信号f)的傅里叶变换F(o)为： 12一瓦斯出口 Fo)=∫foe“d山 (1) 图2密封压力缸 在()的连续点处，其逆变换表达式为： Fig.2 Airtight pressure urn f0=2aJaedo (2) 头的接口处，使用了密封圈和密封垫.实验时电 在实际采样过程中，信号是一离散序列，就 磁辐射天线传输信号线出口处采用强力密封胶 必须采用离散傅里叶变换.离散时间序列6… 粘紧，保证其在所测试压力范围内不漏气，经测 -1的离散傅里叶变换为： N-I 试本压力缸最高压力可达5.0MPa. X阳=Ff)=∑6e0,k=0,1…N-1 (3) 该实验系统能够完成受载含瓦斯煤岩电磁 其逆离散傅里叶变换为： 辐射的规律、瓦斯气体吸附解吸过程以及瓦斯气 万=艺e*a-0,1-N-1 (4) 体流动过程对电磁辐射的影响规律等研究内容， 可以通过傅里叶变换对信号进行频谱分析 本次实验主要进行不同瓦斯气体种类、不同瓦斯 研究信号特性，如信号由哪些频率成分组成，主 压力梯度情况下，瓦斯流动过程的电磁辐射特征 频是多少，信号的能量等信息.本文将利用傅里 研究，实验时必须在柱状煤试样外面用胶套套紧 叶变换对电磁辐射信号进行频谱分析，图3为霍 煤样和煤样与压机压头的连接处，使其不漏气， 州原煤甲烷入口压力1.20MPa流动时的原始信 号和用傅里叶变换对其进行的频谱分析，采样颍 2实验样品制作及实验步骤 率为2MH2,电磁辐射信号是用弧形平板天线采 实验所需煤样分为两种：一种是原煤样，它 集到的.所以傅里叶变换能够对电磁辐射信号进 是由井下采取的大块煤体通过加工而成的：一种 行有效分析. 是成型煤样，它是由原煤磨成细小的煤粒用特制 3.2瓦斯气体在煤体中流动电磁辐射的频谱特征 的模具加工成的.煤样加工成φ50mm×100mm的 实验研究了不同瓦斯气体种类、不同瓦斯压 圆柱形样品，煤样主要有平项山型煤、霍州原煤、 力梯度在不同煤样中流动的电磁辐射强度及颍 谱规律，电磁辐射强度特征规律的实验结果详细 3 峰峰型煤等， 本实验研究不同瓦斯气体种类、压力梯度及 见文献[4].本文主要论述瓦斯流动时对电磁辐射 瓦斯流动状态对电磁辐射的影响规律.按照如下 频谱的影响规律.瓦斯气体主要是甲烷和氮气

匕 聂 百 胜 等 瓦 斯流 动 对 电磁 辐 射频 谱 的 影 响 机 压 头等 一起 放 入 屏 蔽 系统 内 孔 隙气 体 容 易泄漏 ， 所 以为 了考 察孔 隙气 体 对 煤体变形 及破裂过 程 中 电磁 辐 射 的影 响 ， 特 设 计 了实验用 的密封压 力 缸 为 了满足煤 体及 电磁 辐 射 天 线尺 寸 的要 求 ， 本 实验 压 力缸 内径 设计 为 ， 如 图 所 示 在 密封 压 力缸 体 与压 机 压 步骤 进 行 将煤 样 放 置 到压 机 的底 座 上 ， 煤 样 与压机底 座 和 压 头放 入 塑料 胶套 内 ， 然 后把 天 线 布 置在煤 样 的周 围 ， 盖 紧压 力 缸 盖 ， 将 压 机 压 头 调 整 到 与煤 体 接触 检 查 密 封 压 力缸 的气 密 性 ， 并 调 整 直 到 系统 不 再 漏 气 按 图 所 示 的 方 式连 接 好 各 仪 器 ， 检 查 系统 中各 仪 器 的状 态 ， 罩 上 屏 蔽 网 基 本 不 加 荷 载 ， 完 全 打 开 瓦 斯 出 口 端 ， 在 入 口 端 保 持 一 定 压 力 ， 让 瓦 斯气 体 流 过 煤 样 ， 实验 时待 瓦斯 入 口 压 力稳 定 时采集 的数 据 即 为稳 压 流 动 时 的 电磁 辐 射 在 流 动 开始 打 开进 气 阀和 结 束 关 闭进 气 阀也 可 以采 集 数据 一压 力机 压 头 一缸 盖 一缸体 一 电磁辐射 传 感 器 一声 发射传感器 一密封 圈 一瓦 斯入 口 一绝 缘纸 一煤 体 一磁 棒 天线 一信 号 线 一瓦 斯 出 口 图 密封压 力缸 头 的接 口 处 ， 使 用 了密 封 圈和 密 封 垫 实验 时 电 磁 辐 射 天 线传 输 信 号 线 出 口 处 采 用 强 力 密 封 胶 粘紧 ， 保 证 其在所 测 试压 力 范 围 内不漏 气 ， 经 测 试 本 压 力缸 最 高压 力可 达 该 实验 系 统 能 够 完 成 受 载 含 瓦 斯 煤 岩 电磁 辐 射 的规 律 、 瓦 斯气 体吸 附解 吸 过程 以及 瓦 斯气 体流 动 过程 对 电磁 辐射 的影 响规律等研 究 内容 本 次 实验 主 要进行 不 同瓦 斯气 体种类 、 不 同瓦 斯 压 力梯度情况 下 ， 瓦斯流 动过 程 的 电磁 辐射特 征 研 究 ， 实验 时必 须在柱状煤试样外 面用 胶套套紧 煤样 和 煤 样 与 压机 压 头 的连 接 处 ， 使 其 不漏 气 结 果 与分 析 傅 里 叶 变换 对 电磁 辐 射 信 号 的频 域 分 析 在 各种信 号数据 处 理 方 面 ， 特 别 是在 频谱 分 析 和 各 种 滤 波 方 法 中最 基 本 的工 具 就 是 傅 里 叶 分 析 记信 号了 的傅 里 叶变换月田 为叭 。 一 仁 一 在八 的连 续 点处 ， 其 逆 变 换 表 达 式 为 。 一 命广“ 。 一“ 在 实 际采 样 过 程 中 ， 信 号是 一 离散序 列 ， 就 必 须 采 用 离散傅 里 叶变 换 离散 时 间序 歹以 沂… 五 一 ， 的离散 傅里 叶变 换 为 双 一 形 一 称 一 亭 ， 、 一 。 ， 卜 一 其逆 离 散 傅 里 叶变 换 为 牛艺双 啧钠， 二 ， …刃一 实验 样 品 制作 及 实验 步骤 实验 所 需煤样 分 为 两 种 一种 是 原 煤样 ， 它 是 由井下 采 取 的大块 煤体通过 加 工 而 成 的 一种 是成 型煤 样 ， 它 是 由原煤 磨 成细 小 的煤粒用 特 制 的模具 加 工 成 的 煤样 加 工 成中 ‘ 的 圆柱形样 品 煤样主 要有 平 顶 山型煤 、 霍 州 原煤 、 峰峰 型煤等 本 实验 研 究不 同瓦 斯气 体种类 、 压 力梯度 及 瓦斯流 动状 态 对 电磁辐 射 的影 响规 律 按 照 如 下 可 以通 过 傅 里 叶 变 换 对 信 号 进 行 频 谱 分 析 研 究信 号特 性 ， 如信号 由哪 些 频 率成 分 组 成 ， 主 频 是 多 少 ， 信 号 的 能量 等信 息 本 文将 利 用 傅 里 叶变 换对 电磁 辐 射 信 号进 行 频谱 分 析 图 为霍 州 原煤 甲烷 入 口 压 力 流 动 时 的原 始信 号和 用傅 里 叶变换 对其 进 行 的频 谱分析 ， 采样 频 率 为 ， 电磁 辐 射 信 号 是 用 弧 形 平 板 天 线 采 集 到 的 所 以傅 里 叶变 换 能够 对 电磁 辐 射 信 号进 行 有 效 分 析 瓦 斯气体 在煤 体 中流 动 电磁 辐 射 的频 谱特 征 实验 研 究 了不 同瓦 斯 气 体 种类 、 不 同瓦 斯 压 力梯 度 在 不 同煤 样 中流 动 的 电磁 辐射 强度 及 频 谱规律 ， 电磁 辐 射 强度特 征规 律 的实验 结果详 细 见文献 〕 本 文 主 要 论述 瓦斯 流 动 时对 电磁 辐射 频 谱 的影 响规 律 瓦 斯 气 体主 要 是 甲烷 和 氮气

·512 北京科技大学学报 2003年第6期 a)原始信号 400 (a)入口压力0.40MPa 300 200 0.5 1.0 1.5 100 t/ms 400 ()频谱信号 0 50100 150 200250 频率kHz 200 120 室 (b)入口压力0.80MPa 0 80 0 50 100 150 200 250 频率kHz 40 图3置州原煤甲烷流动时的原始信号和频谱 Fig.3 Original EMR signal and spectrum of methane flow 0 in Huozhou original coal 0 50100150 200250 频率kHz 入口压力分别为0.4,0.8,1.2,1.6MPa,对原始信号 (c)入口压力1.20MPa 用傅里叶变换进行了频谱分析，典型实验结果见 300 图46，煤样主要是霍州原煤和峰峰型煤，电磁辐 射信号是用弧形平板天线采集到的. 2咖 从实验结果来看，稳压流动过程对电磁辐射 案 100 的频谱有较大影响，而且表现出了规律性，从整 体来看，瓦斯气体流动时电磁辐射的频带主要集 中在较低频，在现有的实验条件下一般频率都小 0 50100150200250 频率kHz 于250kHz.无论是原煤还是型煤，甲烷流动时电 500 磁辐射的主频段基本随压力梯度的升高而增大， (d)入口压力1.60MPa 400 尤其当压力超过1.20MPa时表现更为突出.氮气 流动时电磁辐射频谱特征基本与甲烷相似， 300 利用甲烷在煤体中流动对电磁辐射频率的 200 影响规律，可以在现场进行煤与瓦斯突出的预 100 测.瓦斯压力高，流动速度高，突出危险性大，电 o 磁辐射的频率高；压力低，流动速度低，突出危险 0 50100150 200250 性小，电磁辐射信号频率低， 频率kHz 3.3瓦斯流动对电磁辐射频谱影响的机理分析 图4霍州原煤甲烷流动时的频谱图 Fig.4 EMR Spectrum of methane flow in Huozhou orig- 瓦斯在煤体中流动时能够产生电磁辐射，电 inal coal 磁辐射产生的主要原因有瓦斯流动对煤体的冲 击破坏作用、瓦斯流动时产生的动电效应、瓦斯 流速越高，瓦斯气体对煤体的破坏就越强.笔者 流动使煤体裂隙壁面振荡产生的能量耗散. 的研究已经表明，裂隙扩展能够产生电磁辐 煤是一种多孔介质，其孔隙裂隙迂回曲折， 射，扩展速度越快，电磁辐射强度越高.所以瓦斯 当瓦斯气体在其中流动时，必定会对其产生冲击 流动的压力梯度越大，电磁辐射的强度就越高. 破坏作用.研究表明，非平衡态瓦斯气体本身 瓦斯在压力梯度下在煤体中渗流，由于煤体 就可导致煤体的破坏，在压力梯度下，瓦斯在煤 表面上有许多悬键，所以在气体流动时就会在气 体内渗流产生拉伸并导致煤体的破坏，这种破坏 体和壁面形成的气固界面由于空间电荷效应、双 会使煤体内部的裂隙扩展，瓦斯压力梯度越大， 电层现象会产生流动电势，这是与毛细管流动有

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 ‘ 期 门一，、 曰 入 口 压力 ‘‘ 侧惠友霉 一 脚碘侧酗晌 一 啊 侧燃霉衡 频谱信号 频率 瓜月 入 口 压力 乙， ︸ 侧母惠友 侧籍燃蕊 曰 ‘ ‘ ‘ 以洲区 “ ‘ 曰山巴幽一‘ ‘ 山 一 副 一 ‘ 日 频 率 瓜 图 段 州 原 煤 甲烷 流 动 时 的原 始 信 号 和 频 谱 入 口 压 力 分 别 为 ， ， ， ， 对 原 始 信 号 用傅 里 叶变换 进行 了频谱 分 析 ， 典型 实验 结 果 见 图小 ， 煤 样 主 要 是霍 州 原煤和 峰 峰 型煤 ， 电磁 辐 射 信 号 是 用 弧 形 平 板 天 线采 集 到 的 从 实验 结 果来 看 ， 稳 压 流 动 过程 对 电磁辐 射 的频 谱 有 较 大 影 响 ， 而 且 表 现 出 了规 律 性 从 整 体 来看 ， 瓦 斯 气 体流 动 时 电磁 辐 射 的频 带 主 要 集 中在较低 频 ， 在现 有 的实验 条件 下 一般 频 率 都 小 于 妞 ， 无 论 是 原 煤还 是 型 煤 ， 甲烷 流 动 时 电 磁 辐 射 的主 频 段 基 本 随压 力梯 度 的升 高 而 增 大 ， 尤 其 当压 力 超 过 时表 现 更 为 突 出 氮 气 流 动 时 电磁 辐 射 频 谱 特 征 基 本 与 甲烷 相 似 ， 利 用 甲烷 在 煤 体 中流 动 对 电磁 辐 射 频 率 的 影 响 规 律 ， 可 以在 现 场 进 行 煤 与 瓦 斯 突 出 的预 测 瓦 斯 压 力 高 ， 流 动 速 度 高 ， 突 出危 险 性 大 ， 电 磁辐 射 的频 率 高 压 力低 ， 流 动速度低 ， 突 出危 险 性 小 ， 电磁 辐 射 信 号 频 率低 瓦 斯 流 动 对 电磁 辐 射 频 谱 影 响 的机 理 分 析 瓦 斯 在 煤 体 中流 动 时 能够 产 生 电磁辐 射 ， 电 磁 辐 射 产 生 的主 要 原 因 有 瓦 斯 流 动 对 煤 体 的冲 击 破 坏 作 用 、 瓦 斯 流 动 时 产 生 的动 电效 应 、 瓦 斯 流 动 使 煤 体裂 隙壁 面 振 荡产 生 的 能 量 耗 散 ， 煤 是 一 种 多孔 介 质 ， 其 孔 隙裂 隙迂 回 曲折 ， 当瓦 斯气 体在 其 中流 动 时 ， 必 定会对 其产 生冲 击 破 坏 作 用 研 究 表 明 ‘ ， 非 平 衡 态 瓦 斯 气 体 本 身 就 可 导致 煤 体 的破 坏 ， 在 压 力 梯 度 下 ， 瓦 斯 在 煤 体 内渗 流 产 生 拉伸 并 导致煤 体 的破 坏 ， 这 种 破 坏 会 使 煤 体 内部 的裂 隙扩 展 瓦 斯 压 力 梯度 越 大 ， 频 率 内， ︶ ︸ 入 口 压力 侧友燃要 频 率 服 入 口 压力 ︶、气︸︸‘ 、 ︸ 侧慧霉蓄 ‘ 叨‘ 目‘ 四‘ ‘ ‘ 圳草、 “ 山姆‘ 妇‘ 一 一一 一 吮 一 频率 瓜 图 霍 州 原煤 甲烷流 动 时 的 频谱 图 · 山 流 速 越 高 ， 瓦 斯 气 体 对 煤 体 的破 坏 就 越 强 笔 者 的研 究 已 经 表 明 ‘，， ， 裂 隙扩 展 能够 产 生 电磁 辐 射 ， 扩 展速 度 越 快 ， 电磁辐射 强度 越 高 所 以瓦 斯 流 动 的压 力 梯 度 越 大 ， 电磁 辐 射 的强度 就 越 高 瓦 斯 在 压 力梯 度 下 在煤 体 中渗流 ， 由于 煤 体 表 面 上 有许 多悬 键 ， 所 以在气 体 流 动 时就会 在气 体和 壁 面 形 成 的气 固界面 由于 空 间 电荷 效应 、 双 电层 现 象 会 产 生 流 动 电势 ， 这 是 与 毛 细 管 流动 有

Vol.25 No.6 聂百胜等：瓦斯流动对电磁辐射频谱的影响 ·513· 80 (a)入口压力0.40MPa 80 (b)入口压力0.80MPa 60 60 0 40 20 20 0 50 100150 200250 0 50 100150 200250 频率kHz 频率kHz 150 300 (c)入口压力1.20MPa (d入口压力1.60MPa 100 200 50 100 0 50 100 150 200250 0 50 100150 200250 频率kHz 频率kHz 图5蜂蜂型煤甲烷流动时的频谱图 Fig.5 EMR Spectrum of methane flow in Fengfeng briquette coal 400 300 (a)入口压力0.40MPa (b)入口压力0.80MPa 300 200 200 100 100 0 50 100150 200250 0 50 100150 200 250 频率kHz 频率kHz (c)入口压力1.20MPa 300 图6靈州原煤氨气流动时的频谱图 Fig.6 EMR Spectrum of nitrogen flow in Huozhou original coal 100 0 50100150 200250 频率kHz 关的一类重要的动电现象.气体的流动电势与水 岩体看作是一电阻，形成一电阻一电容器电路， 在煤岩孔隙中产生的流动电势相似，煤岩壁面上 此电路的振荡会将能量辐射出去，当裂隙壁间距 电荷密度越大，气体压力梯度越大，粘度越低，产 离发生变化时，电容器能量就会发生变化：壁面 生的流动电势越强。 张开，其能量随壁面张开而增大：裂隙合拢时，能 气体流动产生电磁辐射除了瓦斯对煤体的 量下降.由于在煤体中流动的瓦斯气体处于紊流 破坏作用、动电作用以外，还有一种是由于流动 状态，它对煤岩孔隙壁面有压力作用，这种压力 引起煤体裂隙壁面的振荡而产生.可以把裂隙及 随流速变化而发生变化，这样就使得孔隙发生张 其中的瓦斯气体看成是电容器，联接两壁面的煤 开、闭合，这样带电壁面就向外辐射电磁波.当然

〕 聂 百胜 等 瓦斯 流 动对 电磁辐 射频 谱的影 响 侧霉絮蕊 入 口 压力 入 口 压力 侧契蔺燃 气乙，，直 友母侧麒 频率 爪日 入 口 压力 淤 频 率 瓜 入 口 压力 友霉侧麒 “ ，必翻“ 以匕为‘ ‘ 一 一 山司兄兰山 匕山亡‘ “ “ 为还卫匕 ‘ ‘ 己‘ 几曰“ ‘ 频 率 人 频 率 」 图 峰峰 型 煤 甲 烷 流 动 时 的 频 谱 图 · 入 口 压力 ，山内几 籍侧票衡 入 口 压力 崎傀︶，月、 八︸ ︸ 侧竿燃衡 频率 瓜 入 口 压力 频 率 瓜日 图 霍 州原 煤 氮 气流 动 时 的频 谱 图 · 沙 ﹃， ︸ ︸ 月 侧惠友霉 频 率 瓜月 万买聆邵旋扛召﹄沁瞬卜︸珍丽︸杏一币一 关 的一类 重要 的动 电现象 气 体 的流 动 电势 与水 在煤岩孔 隙 中产 生 的流 动 电势相似 ， 煤岩壁 面上 电荷 密度越 大 ， 气 体压 力梯度越 大 ， 粘度 越低 ， 产 生 的流 动 电势 越 强 气 体 流 动 产 生 电磁 辐 射 除 了瓦 斯 对 煤 体 的 破 坏作 用 、 动 电作 用 以 外 ， 还 有 一 种 是 由于 流 动 引起 煤 体 裂 隙壁 面 的振 荡而 产 生 可 以把 裂 隙及 其 中的瓦斯气 体看成 是 电容器 ， 联接两 壁 面 的煤 岩体 看作 是 一 电阻 ， 形 成 一 电阻 一 电容器 电路 ， 此 电路 的振 荡会将 能量辐 射 出去 当裂 隙壁 间距 离 发 生 变 化 时 ， 电容 器 能量 就 会 发 生 变 化 壁 面 张 开 ， 其 能量 随壁 面 张 开 而增 大 裂 隙合 拢 时 ， 能 量 下 降 由于 在煤体 中流 动 的瓦 斯气 体 处 于 紊流 状 态 ， 它 对 煤 岩 孔 隙壁 面 有 压 力 作 用 ， 这 种 压 力 随流速 变 化 而 发 生变 化 ， 这样 就 使 得 孔 隙发生 张 开 、 闭合 ， 这样 带 电壁 面就 向外辐 射 电磁 波 当然

514 北京科技大学学报 2003年第6期 流动时压力梯度越大，流速越高，孔隙壁面张开、 国矿业大学出版社，1995：196 闭合的频率就越快，由此引起的电磁辐射频率和 2王恩元，何学秋，聂百胜，等。电磁辐射法预测煤与 强度就越大 瓦斯突出原理研究).中国矿业大学学报，2000,29 (3:225 4结论 3聂百胜，何学秋，王恩元，等.电磁辐射法预测煤矿冲 击地压[).太原理工大学学报，2000,31(6)：609 (1)瓦斯气体在煤体中流动能够产生电磁辐 4聂百胜，含瓦斯煤岩力电效应及机理研究D]徐州： 射，电磁辐射频带一般在低频段.无论是原煤还 中国矿业大学能源科学与工程学院，2001 是型煤，瓦斯流动时电磁辐射的主频段基本随压 5王恩元，何学秋.煤岩变形破裂电磁辐射的实验研 究.地球物理学报，2000,43(1)：131 力梯度的升高而增大， 6 Brady B T,Rowell G A.Laboratory investigation of the (2)瓦斯气体在煤体中流动产生电磁辐射的 electrodynamics of rock fracture [J].Nature,1986(321): 原因主要有瓦斯流动对煤体的破坏作用、动电效 488 应、瓦斯流动引起煤体裂隙壁面振荡而向外的能 7孙正江，王丽华，高宏，岩石破裂时的电磁辐射和光 量耗散效应.压力梯度越大，瓦斯流动速度越高， 发射小.地球物理学报，1986,2(5)：491 对煤体的破坏作用越强，动电效应越明显，裂隙 8钱书清，任克新，目智.伴随岩石破裂的VLE,MR,亚 振荡的频率也越高，从而产生的电磁辐射越强， 和VH亚电磁辐射特性的实验研究).地震学报， 1996.18(3:346 频率越高 9林洪桦.动态测试数据处理M),北京：北京理工大 参考文献 学出版社，1995 0丁晓良.煤在瓦斯海流作用下破坏及其持续扩展的 1何学秋。含瓦斯煤岩破坏电磁动力学M.徐州：中 机制[D].中国科学院力学研究所，1988 Effect of Gas Flow on the Spectrum of Electromagnetic Radiation NIE Baisheng",HE Xueqiu,SUN Jiping',WANG Enyuan",LIU Zhentang 1)School of Resource and Safety Engineering,China University of Mining and Technology (Beijing Campus),Beijing 100083,China 2)School of Energy Science and Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China 3)School of Mechanical,Electronic and Information Engineering.China University of Mining and Technology(Beijing Campus),Beijing 100083. China ABSTRACT A airtight large-diameter urn was made in which electromagnetic radiation(EMR)antennae can be placed and the experimental system was set up that can detect EMR signals during gas flowing in coal.EMR spec- trum analysis was done by Fourier transform when different kinds of gas under different pressure gradients flow in coal.The results show that frequency band of EMR produced by gas flowing is usually in low frequency and its main frequency band increases with the increase of pressure gradient.The higher the pressure gradient and the rate of gas flow,the more intensive the destruction of coal and the motion-electricity effect,and the higher the frequency of crack oscillation. KEY WORDS gases flow;coal body;electromagnetic radiation;spectrum analysis

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 流 动 时压 力梯度越大 ， 流速越高 ， 孔 隙壁面 张 开 、 闭合 的频 率就越 快 ， 由此 引起 的 电磁 辐 射频 率和 强 度 就 越 大 结 论 瓦 斯 气 体 在 煤 体 中流 动 能够 产 生 电磁辐 射 ， 电磁辐 射 频 带 一 般在 低 频 段 无 论 是 原煤还 是 型煤 ， 瓦斯流 动 时 电磁 辐 射 的主 频 段基 本 随压 力梯 度 的升 高而 增 大 瓦 斯 气 体在煤 体 中流 动 产 生 电磁辐 射 的 原 因主 要有 瓦斯流动 对 煤 体 的破坏 作用 、 动 电效 应 、 瓦 斯 流 动 引起 煤 体裂 隙壁 面 振 荡而 向外 的 能 量 耗 散 效应 压 力梯度越 大 ， 瓦 斯 流 动速 度 越 高 ， 对 煤 体 的破 坏 作 用 越 强 ， 动 电效应 越 明显 ， 裂 隙 振 荡 的频 率 也 越 高 ， 从 而 产 生 的 电磁 辐 射 越 强 ， 频 率越 高 参 考 文 献 何 学秋 含 瓦 斯煤岩 破 坏 电磁 动 力 学 徐 州 中 国矿业 大 学 出版社 ， 王 恩 元 ， 何学 秋 ， 聂 百胜 ， 等 电磁辐射法 预 测煤 与 瓦 斯 突 出 原 理研 究 中国矿 业 大学学报 ， ， 聂百 胜 ， 何学秋 ， 王 恩 元 ， 等 电磁辐 射法 预测煤矿冲 击 地 压 ， 太 原理工 大 学学报 ， ， 聂 百 胜 含 瓦 斯 煤岩 力 电效应及机理研究 徐州 中 国矿 业 大 学能源 科学与 工 程 学 院 ， 王 恩 元 ， 何 学秋 煤岩 变 形 破裂 电磁辐 射 的 实验 研 究 地球物 理 学 报 ， ， ， 奴胜 ， 孙 正 江 ，王 丽 华 ， 高宏 岩 石 破 裂 时的 电磁辐 射 和 光 发 射 地球 物理 学 报 ， ， 钱 书清 ， 任 克新 ， 吕智 伴 随 岩石 破 裂 的 ， ， 和 电磁辐 射 特性 的 实验研究 闭 地 震 学报 ， ， 林洪桦 动 态 测试数据 处理 北 京 北京理 工 大 学 出版社 ， 丁 晓 良 煤在 瓦 斯渗流 作用 下破 坏及 其持续扩 展 的 机制 中国科 学 院 力学研 究所 ， 入了￡ 心人月万 己 心气洲刃 毋 声 ， 罗 ， 罗 毋 ， 运 ， 胡 ， ， 山山 ， ， 即 ， 田 吨 别 ， ， 一 印叭 “ 田滋 面 们的 免 免 比 加 七 脉 孚 ， ， 叨 切叮 助