宋大釗，何學(xué)秋,4，韋夢菡，婁 全，劉 洋

(1.北京科技大學(xué) 大安全科學(xué)研究院，北京 100083；2.北京科技大學(xué) 金屬礦山教育部重點實驗室，北京 100083；3.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院 ，北京 100083；4.中安安全工程研究院，北京 100083；5.河南城建學(xué)院 市政與環(huán)境工程學(xué)院，河南 平頂山 467041)

當(dāng)前，我國主要采煤區(qū)逐步進(jìn)入深部開采。深部煤巖體的基本力學(xué)行為特征和工程響應(yīng)發(fā)生了根本性變化，導(dǎo)致沖擊地壓、煤與瓦斯突出等煤巖動力災(zāi)害日趨嚴(yán)重[1-2]。煤巖動力災(zāi)害的精準(zhǔn)預(yù)警是災(zāi)害防治的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，當(dāng)前，煤礦現(xiàn)場主要采用區(qū)域微震監(jiān)測和局部地音、電磁輻射、應(yīng)力等手段進(jìn)行煤巖動力災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警，取得了顯著的效果[3-4]。其中，電磁輻射監(jiān)測技術(shù)由于具有非接觸、前兆性強、包含破裂信息豐富等優(yōu)勢在煤巖動力災(zāi)害預(yù)防中發(fā)揮了重要作用。前人在煤、巖材料破壞電磁輻射機理、監(jiān)測方法與技術(shù)裝備等方面取得了大量成果。

電磁輻射機理方面，國內(nèi)外學(xué)者先后提出了壓電效應(yīng)[5]、電荷分離[6-7]、帶電位錯弛豫[8]、偶極子振蕩[9]、電偶極瞬變[10]、應(yīng)力誘導(dǎo)極化及帶電粒子變速運動[11]等多種電磁輻射模型假說。近年來較有代表性的進(jìn)展主要有意大利著名地球物理學(xué)家CARPINTERI等[12-13]發(fā)現(xiàn)巖石加載過程中存在電荷的重新分配，并以電磁能量形式輻射。RABINOVITEH等[14]實驗研究了甚低頻段(3～30 kHz)電磁輻射的階段性特征，提出了裂紋尖端形成的振蕩偶極發(fā)射產(chǎn)生低頻到中頻電磁輻射的模型。TAKEUCHI等[15]實驗研究并提出了不同于壓電效應(yīng)的應(yīng)力感應(yīng)電動勢模型。ONUMA 等[16]和LEEMAN等[17]均提出地震成核階段局部較大的電信號很可能是由于剪切帶上的緩慢滑移引起的摩擦帶電導(dǎo)致。潘一山等[18]建立了煤巖破壞電荷感應(yīng)理論，實際上是更深層、更本質(zhì)的電磁輻射問題。何學(xué)秋、王恩元團(tuán)隊一直致力于煤巖破壞電磁輻射理論與技術(shù)的研究并取得了豐碩的成果[19-22]。電磁輻射強度、電荷量與裂隙壁面振蕩速度有關(guān)，電磁輻射頻率與振蕩頻率有關(guān)是他們的最新發(fā)現(xiàn)；基于此，將裂隙壁面的正負(fù)電荷隨壁面震蕩等效為電偶極子震蕩，構(gòu)建了裂紋壁面電荷振蕩誘發(fā)電磁輻射模型[23-26]。

電磁輻射監(jiān)測裝備方面，目前應(yīng)用較廣泛的是國內(nèi)的KBD5/KBD7型礦用本安型電磁輻射監(jiān)測儀，在此基礎(chǔ)上研發(fā)的煤巖動力災(zāi)害聲電監(jiān)測預(yù)警系列裝備，考慮了聲發(fā)射、電磁輻射及瓦斯等多個指標(biāo)，避免了單個指標(biāo)可靠性偏低的缺陷，提高了預(yù)警準(zhǔn)確率[27-29]。俄羅斯礦業(yè)地質(zhì)力學(xué)與礦山測量研究所研發(fā)的ANGEL-M型電磁輻射儀，較廣泛地應(yīng)用于俄羅斯遠(yuǎn)東和東歐國家煤礦沖擊地壓和非煤礦山巖爆監(jiān)測[30]。

另外，在電磁輻射監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用方面，GREILING等[31]通過電磁輻射監(jiān)測設(shè)備檢測到了隧道中斷層表面的應(yīng)力集中。LICHTENBERGER等[32-33]研究發(fā)現(xiàn)電磁輻射脈沖值與剪應(yīng)力大小成正比，依此評估了隧道內(nèi)最大主應(yīng)力的方向和幅值。FRID等研究了電磁輻射與載荷、電磁輻射與鉆屑量等的關(guān)系，并用于預(yù)報煤與瓦斯突出和沖擊地壓及監(jiān)測巖體的應(yīng)力變化狀態(tài),他還在澳大利亞 Moonee 煤礦觀測到了頂板坍塌前的低頻電磁輻射和聲發(fā)射信號[34-36]。王恩元等[37-38]利用開發(fā)的便攜式和在線式電磁輻射監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，在煤礦現(xiàn)場驗證了電磁輻射預(yù)警準(zhǔn)則、指標(biāo)的正確性，實現(xiàn)了對煤巖動力災(zāi)害的初步定向和小區(qū)域連續(xù)監(jiān)測預(yù)警。筆者[39]發(fā)現(xiàn)了煤巖失穩(wěn)破壞過程中電磁信號的頻移現(xiàn)象，構(gòu)建了煤巖動力災(zāi)害電磁輻射時-頻二維預(yù)警方法并在現(xiàn)場成功應(yīng)用。

盡管煤巖破壞電磁輻射監(jiān)測是一種新興技術(shù)，但隨著近年來國內(nèi)外學(xué)者的持續(xù)研究，對煤巖破壞誘發(fā)電磁輻射理解更加深入和明確：煤巖破壞誘發(fā)的電磁輻射為陣發(fā)型低頻信號，信號持續(xù)時間一般在1～25 ms，絕對強度在10～500 nT，頻率主要集中在ULF～VLF頻段，信號主頻通常在20 kHz以下；電磁輻射天線主要觀測的是煤巖破壞誘發(fā)的瞬態(tài)、近場電磁場(即感應(yīng)場)信號。以上發(fā)現(xiàn)支撐了電磁輻射技術(shù)在煤巖動力災(zāi)害多參量融合預(yù)警的應(yīng)用。然而，當(dāng)前該技術(shù)主要通過前兆信號時序變化監(jiān)測預(yù)警煤巖動力災(zāi)害，不能實現(xiàn)對災(zāi)害孕災(zāi)區(qū)域的定位，無法指導(dǎo)防治措施精準(zhǔn)實施，成為亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

針對這一問題，筆者研發(fā)了新型電磁矢量傳感器，基于新型傳感器測試研究了煤巖破壞電磁場矢量特征；結(jié)合電磁輻射產(chǎn)生機理，建立了煤巖破壞等效的電磁輻射場源模型，并利用矢量場的空間特征建立了煤巖破壞電磁輻射定位方法；最后，進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)源和煤巖破壞定位實驗驗證。

1 電磁矢量傳感器研制

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

為滿足多方向同步監(jiān)測電磁信號的需求，研制了新型電磁矢量傳感器。它可以測量相互正交的3個方向的磁場變化，傳感器三軸參數(shù)完全一致，量程均為±500 nT，對應(yīng)的線性輸出電壓范圍為±2.5 V，可感知信號頻段為0.2～300 kHz。傳感器實物如圖1所示，外部結(jié)構(gòu)包括供電及輸出端和封裝外殼，外殼使用高強度工程塑料材料。所需供電電壓為DC 5V，x，y，z三軸信號單獨輸出。

圖1 電磁矢量傳感器實物Fig.1 Physical image of electromagnetic vector sensor

傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括三軸感知模塊、波形調(diào)理模塊、輔助電源電路、輸出電路。三軸感知模塊由3個互相正交的微磁感知芯片組成，所規(guī)定的各軸正方向(敏磁方向)和圖中箭頭方向一致。通過波形調(diào)理模塊直接將有效頻段的電磁信號放大，并對于其他頻段信號進(jìn)行濾波處理，因此在使用時不需另外連接放大器。

1.2 傳感器工作原理

在磁場中某些特殊材料的電阻會隨著磁場的變化而變化，利用這一效應(yīng)可通過測量磁阻的變化來間接測量磁場。研制的矢量傳感器基于磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng)實現(xiàn)對微弱磁場的感知。

所使用的磁性多層膜材料稱磁隧道結(jié)，其結(jié)構(gòu)及原理如圖2所示，主要包括自由層、隧道勢壘層、被釘扎層和反磁化層[40]。其中，自由層和被釘扎層均為鐵磁層，通常使用的材料為CoFeB，隧道勢壘層通常由MgO或Al2O3構(gòu)成，反磁化層通常由IrMn構(gòu)成。鐵磁層與反磁化層之間的交換耦合作用使得被釘扎層的磁矩在一定大小的磁場作用下是相對固定的，而自由層的磁矩是相對自由且可旋轉(zhuǎn)的，會隨外界磁場的變化而發(fā)生方向翻轉(zhuǎn)。

圖2 磁性多層膜材料結(jié)構(gòu)及原理示意Fig.2 Schematic diagram of the structure and principle of the magnetic multilayer film material

圖2中的箭頭分別代表被釘扎層和自由層的磁矩方向。當(dāng)2個鐵磁層的磁矩方向平行時，電流可以隧穿通過隧道勢壘層，隧道結(jié)處于低阻狀態(tài)；當(dāng)隧道結(jié)周圍存在外界磁場時，自由層的磁矩方向發(fā)生改變，2個鐵磁層的磁矩方向反向平行，電流則無法通過隧道勢壘層，隧道結(jié)處于高阻狀態(tài)[41]。

磁隧道結(jié)中兩鐵磁層間基本不存在層間耦合，只需要一個很小的外磁場即可將自由層的磁化方向反向，從而實現(xiàn)隧穿電阻的巨大變化。因此，傳感器電阻隨兩鐵磁層磁化方向夾角變化而呈正弦或余弦關(guān)系變化，傳感器的輸出電壓會隨著外加磁場的角度變化而呈正弦或余弦曲線，從而滿足了對微弱磁場高靈敏度、高線性度感知的需求。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)源測試實驗及結(jié)果

1.3.1 實驗方案

為了驗證電磁矢量傳感器三軸方向上的獨立性和對磁場方向變化感知的靈敏性，利用可控的信號源進(jìn)行測試，分析傳感器對于標(biāo)準(zhǔn)交變磁場的響應(yīng)。

首先，利用信號發(fā)生器建立標(biāo)準(zhǔn)信號源。采用TFG2006型DDS函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生大小為2 V、頻率為5 kHz的正弦波電壓信號，并將其輸出至銅制漆包線線圈。由于線圈范圍很大，可以取線圈的其中一小段作為長直導(dǎo)線，長直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場以導(dǎo)線為軸向，向外呈同心圓狀分布。

之后，測試傳感器三軸獨立性。布置傳感器使其中心位于長直導(dǎo)線所在水平面，水平距離保持為12 cm。保證傳感器距地面高度和與導(dǎo)線水平距離不變，改變傳感器的布置方式，如圖3所示，分別使x,y,z三軸正方向與直導(dǎo)線磁感線方向平行，同時采集天線三軸信號與信號源輸出信號。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)源測試方案示意Fig.3 Schematic diagram of standard source test method

最后，測試傳感器對磁場方向感知的靈敏性。在依次完成上述測試后，傳感器z軸方向與長直導(dǎo)線磁感線方向的角度θ=0°，始終維持垂直高度和與導(dǎo)線間水平距離不變，使傳感器繞x軸旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)15°采集電磁信號，采集一段時間后停止，直至旋轉(zhuǎn)到θ=90°處完成測試。

1.3.2 測試結(jié)果

圖4為3種布置方式下電磁矢量傳感器對于標(biāo)準(zhǔn)交變磁場的響應(yīng)情況，信號經(jīng)過經(jīng)驗小波變換濾波處理。當(dāng)傳感器某一測試軸的敏磁方向與直導(dǎo)線磁感線方向平行時，僅有該測試軸所對應(yīng)的通道有明顯的正弦信號，另外兩軸通道信號幅度接近0，在誤差允許范圍內(nèi)，可認(rèn)為只有當(dāng)前軸感知到信號，而其他兩軸無響應(yīng)，即矢量傳感器在三軸方向上具有顯著獨立性，互不干擾。

圖4 電磁矢量傳感器對標(biāo)準(zhǔn)交變磁場的響應(yīng)結(jié)果Fig.4 Response of the vector sensor to standard source

圖5 信號峰峰值與夾角余弦cos θ關(guān)系Fig.5 Relationship between the peak-to-peak value and the cosine of the included angle cos θ

為了精確衡量傳感器對夾角響應(yīng)的高線性度，考慮到信號采集時可能存在的零點偏移誤差，對于傳感器z軸通道的信號，在濾波后求取了峰峰值，圖5為傳感器z軸正方向與長直導(dǎo)線磁感線方向呈不同角度θ時，對應(yīng)的信號峰峰值與夾角余弦cosθ間的關(guān)系。根據(jù)擬合得到的線性表達(dá)式，2者表現(xiàn)出極其顯著的線性相關(guān)，且截距近似為0，在誤差允許范圍內(nèi)，可以認(rèn)為z軸信號峰峰值與夾角余弦cosθ成正比。

由圖4，5可以看出，新型電磁矢量傳感器在三軸方向上具有顯著的獨立性，互不干擾，對夾角響應(yīng)表現(xiàn)出高線性度，可實現(xiàn)對電磁信號的矢量測量。

2 煤巖破壞電磁輻射矢量特征

2.1 實驗系統(tǒng)及方案

將新型電磁矢量傳感器接入煤巖破壞力-聲-電全波形同步采集實驗系統(tǒng)，測試煤巖單軸壓縮破壞誘發(fā)的電磁輻射，如圖6所示。系統(tǒng)主要包括電磁屏蔽、加載控制、聲電監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集4個模塊。

圖6 實驗系統(tǒng)示意Fig.6 Schematic diagram of the experimental system

由于煤巖破壞電磁輻射信號微弱，為減少環(huán)境電磁噪聲的干擾，加載控制和聲電監(jiān)測均在GP1A電磁屏蔽室中進(jìn)行。屏蔽室整體接地，可實現(xiàn)屏蔽效能如下：14 kHz時，≥75 dB；100 kHz時，≥95 dB；200 kHz時，≥100 dB。

加載控制過程通過YAW-600微機控制電液伺服壓力試驗機實現(xiàn)，該試驗機主機剛度約5 000 kN/mm，最大試驗力為600 kN，載荷分辨力和位移分辨率分別為3 N和0.3 μm，控制器采樣頻率1 000 Hz；具備試驗力、位移、變形3種控制方式。

該實驗同時進(jìn)行聲發(fā)射測試進(jìn)行對比分析，聲發(fā)射傳感器響應(yīng)頻率范圍為50～400 kHz，連接前置放大器使監(jiān)測到的信號放大20 dB。

數(shù)據(jù)采集主要由高速數(shù)據(jù)采集儀和工作站完成。高速數(shù)據(jù)采集儀包括12個數(shù)據(jù)采集通道，A/D轉(zhuǎn)換精度為16-bits，輸入電壓范圍為±5 V，最高采頻可達(dá)10 MHz。

實驗中使用的材料分別為花崗巖和取自忻州窯礦的原煤，通過取心、切割、打磨，制成尺寸為φ50 mm×100 mm的圓柱體試樣。隨后按如下步驟進(jìn)行實驗：

(1)將試樣置于試驗機底座上，使聲發(fā)射傳感器與試樣表面充分接觸并進(jìn)行耦合固定，隨后設(shè)置施加一定的預(yù)載力，使試樣位置保持不變。

(2)根據(jù)試樣位置，將3組電磁矢量傳感器通過夾具固定在與試樣中心同一水平高度，所有傳感器與試樣中心保持12 cm距離，使得1號和3號傳感器關(guān)于試樣中心對稱，2號在它們連線的垂線上，并確保3個傳感器三軸對應(yīng)的空間方位完全一致。

(3)連接數(shù)據(jù)線，確認(rèn)空載條件下信號傳輸和采集正常后，同步啟動信號采集和加載，加載采用位移控制方式，加載速率為5 μm/s，信號采樣頻率設(shè)置為2 MHz。

(4)試樣破壞時，試驗機按照預(yù)先設(shè)置的結(jié)束條件自動停止加載，同時停止信號采集。

2.2 煤巖破壞電磁信號三分量特征

煤巖單軸壓縮加載破壞過程中的應(yīng)力曲線及電磁輻射、聲發(fā)射響應(yīng)如圖7所示，電磁信號以3號電磁矢量傳感器的x軸通道為代表。煤和巖石試樣從加載到破壞的過程中由于微破裂不斷發(fā)生，應(yīng)力曲線上會出現(xiàn)短時驟降的“應(yīng)力降”現(xiàn)象，并有較強的電磁輻射、聲發(fā)射出現(xiàn)。由于花崗巖的脆性，相比于煤樣，其在峰值載荷之前的“應(yīng)力降”較少。但總體上，煤、巖試樣的聲電信號都與“應(yīng)力降”具有良好的對應(yīng)性，尤其在最終破裂瞬間，試樣承載能力迅速下降，產(chǎn)生顯著的聲發(fā)射和電磁輻射信號。

圖7 煤巖單軸壓縮過程電磁輻射與聲發(fā)射曲線Fig.7 Acoustic and electric response of coal and rock in uniaxial compression

提取與圖中標(biāo)注的煤巖典型“應(yīng)力降”所對應(yīng)的三軸電磁信號，并進(jìn)行低通濾波，濾波器帶寬設(shè)置為0～50 kHz。處理后得到的信號波形分別如圖8(a)和圖9(a)所示。信號雖然有明顯的上升和衰減過程，但波形與正弦或類正弦式振蕩信號明顯不同。3個通道信號波形有明顯差異，相位差異顯著，但上升及持續(xù)時長基本一致，隨后仍維持一段時間的持續(xù)振蕩。

對上述電磁信號進(jìn)行快速傅里葉變換，分別得到如圖8(b)和圖9(b)所示的信號頻譜。在不同方向上，信號的幅頻分布較為相似，明顯的信號幅度均集中在0～5 kHz頻率范圍內(nèi)，3個通道信號主頻一致。煤和花崗巖的信號主頻分別為4.03 kHz和7.95 kHz，副主頻均分布在0～1 kHz頻段。

圖8 煤樣破裂三分量電磁信號的時頻特征Fig.8 Time-frequency characteristics of three-component signal generated from coal fracture

圖9 巖石破裂三分量電磁信號的時頻特征Fig.9 Time-frequency characteristics of three-component signal generated from rock fracture

通過以上分析可見，盡管3個方向上電磁信號波形差異明顯，但是它們同時觸發(fā)，持續(xù)時間相同；在頻域上，信號主頻完全一致，幅頻分布相似，表明電磁矢量傳感器接收到的電磁信號可以視為與典型“應(yīng)力降”對應(yīng)的電磁場在3個方向上的分量。

2.3 電磁信號矢量表征和合成

2.3.1 單測點信號的矢量表征與方向性

根據(jù)矢量合成原理，傳感器所在測點某一時刻的磁感應(yīng)強度可由三分量信號計算得到，即有

(1)

相應(yīng)地，方向角可表示為

(2)

其中，α，β，γ分別為合成磁感應(yīng)強度與各測試軸平面的夾角；Bx，By，Bz分別為三分量信號的幅值。對于單個測試軸通道，由于信號持續(xù)時間內(nèi)幅值大小和正負(fù)的變化，使得方向角變化很大，每個軸上方向角的變化沒有統(tǒng)一的規(guī)則。以花崗巖主破裂對應(yīng)的三分量信號為例，基于方向角和信號幅值轉(zhuǎn)換的極坐標(biāo)，利用風(fēng)羽圖表征各軸矢量隨時間的變化，結(jié)果如圖10所示。矢量變化過程比原始信號幅度的變化更復(fù)雜，但在極其有限的時間內(nèi)，單通道內(nèi)的趨勢相對一致。

圖10 花崗巖破裂產(chǎn)生的三分量信號矢量表征Fig.10 Vector representation of three-component signal generated from granite

同時，基于自動離散化劃分算法，用圖11中的直方圖統(tǒng)計了方向角的基本分布規(guī)律，圖中每個矩形的高度代表了離散化元素在不同范圍內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)。以每個分布圖中高度最突出的2個矩形來表征3個軸的方向角，可以得到，x軸的方向角主要在90°～110°，y軸方向角的主要范圍是70°～90°，而z軸的分布則更加離散，主要在30°～40°和150°～160°。

圖11 3個測試軸的方向角分布統(tǒng)計Fig.11 Distribution statistics of the direction angles of the three test axes

綜上可知，根據(jù)不同方向上的電磁信號幅值，可在某一測點處將三分量信號轉(zhuǎn)化為同時包含強度大小和方向角信息的矢量，其與空間真實的磁感應(yīng)強度矢量方向一致，大小成正比。信號持續(xù)時間內(nèi)的矢量變化過程復(fù)雜，但矢量的3個方向角會分別趨于一定角度范圍，因此可以利用矢量合成信號提取特征矢量，以表征所在測點的磁感應(yīng)強度方向。

2.3.2 不同測點的合成信號

為對比分析不同位置煤巖電磁輻射的近場矢量特征，根據(jù)式(1)分別計算了花崗巖主破裂發(fā)生時3個矢量傳感器的合成信號，合成信號的波形如圖12所示。從圖12可以看出，1號和3號傳感器的合成信號形狀比較相似，表現(xiàn)出明顯的雙峰值特性，而2號傳感器所在測點的合成信號則有許多類似波動的波峰。

圖12 3個測點處矢量傳感器的合成信號Fig.12 Composite signals of the vector sensor at the three measuring points

為進(jìn)一步對比分析3個測點處合成信號的相似性與相異性，分別計算了合成信號之間的相關(guān)性系數(shù)、余弦相似度和歐式距離[42]。由于不同測點接收到的三分量信號是源于同一個破壞，所有矢量傳感器合成信號之間的相關(guān)系數(shù)都大于0.5，余弦相似度都大于0.7。測點位置的差異導(dǎo)致了相關(guān)程度不同，3個傳感器組的相關(guān)性系數(shù)和余弦相似度都存在如下數(shù)量關(guān)系：1-3號>1-2號>2-3號，歐式距離的規(guī)律則完全相反，處于對稱位置的1號和3號傳感器處的合成信號最為相似,見表1。

表1 不同測點合成信號的相似性與相異性

同時，對于合成信號的幅值進(jìn)行了統(tǒng)計，結(jié)果見表2。從合成信號幅值的最大值和平均值來看，1號和3號傳感器所在位置的合成信號強度明顯強于2號傳感器，從標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)來看，合成信號幅值分布上1號和3號傳感器也更為離散。對比1號和3號傳感器的統(tǒng)計參數(shù)，3號傳感器的合成信號峰值強度更大，但是其幅值離散性大，因此平均強度低于1號傳感器。

表2 不同測點合成信號統(tǒng)計參數(shù)

對于煤巖破壞產(chǎn)生的電磁輻射，源于同一破壞的合成信號之間保持一定的相關(guān)性和相似性。盡管所有測點與試樣中心保持相同距離，但不同方位的合成信號有所區(qū)別，完全對稱的兩測點處合成信號仍存在不可忽視的差異。由于煤巖試樣的破壞形式復(fù)雜，存在多個隨機取向裂紋，最終測量得到的矢量電磁場是由多個裂紋所致的電磁場的疊加，而并不是以試樣為中心均勻分布的。

3 煤巖破壞電磁輻射定位方法

3.1 煤巖破壞電磁輻射場源模型

煤巖破壞過程中裂紋擴(kuò)展是非線性的，裂紋的張開、閉合和振動過程也不均勻。在這個過程中，由于分子間鍵的斷裂，裂紋尖端發(fā)生電荷分離，裂紋面原有束縛電荷重新分布并作非線性運動，由此產(chǎn)生了電磁輻射，上述過程可通過圖13加以描述[43-44]。最終測量得到的裂紋所致的矢量電磁場是很多個電荷分離、振動、運動的綜合作用所致，因此將煤巖破壞電磁輻射的場源等效為一個電荷聚集體。

圖13 煤巖破壞電磁輻射場源模型示意Fig.13 Schematic diagram of electromagnetic radiation field source model for coal and rock fracture

假設(shè)任意分布的電荷主要在原點附近有限體積聚集，對于該電荷聚集體，其推遲勢的標(biāo)量形式[45]為

(3)

令t0≡t-r/c，基于觀測點與源的尺度相比很遠(yuǎn)的假設(shè)，即r′?r，對式(3)進(jìn)行近似后略去高階項可得

(4)

同時，推遲勢的矢量形式[45]為

(5)

式中，Q為總電荷量；p為電偶極矩矢量；μ0為真空磁導(dǎo)率；J為體電流密度；p′為電偶極矩一階導(dǎo)數(shù)。

實驗室尺度始終在近場范圍內(nèi)監(jiān)測，該范圍內(nèi)磁場表達(dá)式為

(6)

以上即煤巖破壞電磁場源模型。

3.2 煤巖破壞電磁輻射定位方法

基于上述模型，磁感應(yīng)強度與測點方向向量在空間內(nèi)相互垂直，因此，對于空間內(nèi)任一點，等效電磁輻射場源必存在于過該點并與磁感應(yīng)強度垂直的唯一確定平面上。根據(jù)空間幾何理論，由2個傳感器監(jiān)測到的矢量即可確定該場源所在的直線。

假設(shè)2個電磁矢量傳感器測點的空間坐標(biāo)分別為M1(x1,y1,z1)和M2(x2,y2,z2)，監(jiān)測到的磁場矢量分別為B1=(B1x,B1y,B1z)和B2=(B2x,B2y,B2z)，則該直線的單位方向向量表達(dá)為

(7)

該場源所在的直線可以由式(8)確定：

(8)

設(shè)電磁場源所在的未知位置為S0(x0,y0,z0)，根據(jù)式(7)，對于空間任一點P(x,y,z)處的磁場矢量，可用如下形式表達(dá)：

(9)

式中，μ為常數(shù)；r=(x-x0,y-y0,z-z0)；p為表征磁場強度的特征標(biāo)量。

式(9)中共存在4個未知量。在理想情況下，基于4組及以上電磁矢量傳感器同時進(jìn)行電磁場測試，將不同測點測量值和測點位置代入式(9)中，聯(lián)立方程組即可解算得到場源位置。

3.3 電磁輻射定位方法模擬驗證

利用MATLAB軟件模擬在多個破裂源存在時的定位情形，隨機生成5個破裂源的位置坐標(biāo)(Sx,Sy,Sz)和電偶極矩(px,py,pz)，各破裂源的空間分布如圖14(a)所示，具體參數(shù)見表3。基于場源疊加的等效，模擬得到了由等效場源產(chǎn)生的近場矢量分布，如圖14(b)所示。在x,y,z∈[-100 cm,100 cm]的范圍內(nèi)隨機生成4組電磁矢量傳感器的測點坐標(biāo)，計算這些測點所在位置的磁場矢量，結(jié)果見表4。根據(jù)測點坐標(biāo)和該處磁場矢量進(jìn)行定位解算，定位結(jié)果如圖14(c)所示，得到的定位點坐標(biāo)為(2.09, -1.95, 0.97)，位于5個破裂源圍成區(qū)域的內(nèi)部，定位結(jié)果理想。

圖14 煤巖破壞電磁輻射定位方法模擬驗證Fig.14 Simulation of electromagnetic radiation location method for coal and rock fracture

表3 多個破裂源模擬參數(shù)

表4 傳感器測點坐標(biāo)及磁感應(yīng)強度

4 煤巖破壞電磁輻射定位實驗驗證

4.1 直導(dǎo)線定位實驗驗證

4.1.1 實驗方案

上述煤巖破壞電磁輻射定位方法是基于破裂過程中電荷分離與運動建立的，通過模擬交變電流元來進(jìn)行驗證十分必要。在實驗室現(xiàn)有條件下，足夠強的交變電流元較難實現(xiàn)，因此，筆者采用長直導(dǎo)線作為可控的交變信號源進(jìn)行定位驗證。

首先，通過函數(shù)信號發(fā)生器在導(dǎo)線兩端施加幅值為5 V、頻率為5 kHz的標(biāo)準(zhǔn)正弦交變電壓，使導(dǎo)線內(nèi)部通過交變電流。隨后，在長直導(dǎo)線段布置4個電磁矢量傳感器進(jìn)行監(jiān)測，長直導(dǎo)線定位實驗過程中電磁矢量傳感器和導(dǎo)線布置方式如圖15所示，所使用的4個傳感器放置方式保持完全一致。

圖15 長直導(dǎo)線定位實驗布置Fig.15 Layout drawing of long straight wire positioning experiment

為滿足定位解算要求，根據(jù)傳感器測試軸方向建立了坐標(biāo)系，除坐標(biāo)系x軸與傳感器x軸正方向相反外，y軸和z軸均與傳感器相應(yīng)的測試軸方向一致。在此坐標(biāo)系下，傳感器的坐標(biāo)見表5，同時，為表示長直導(dǎo)線位置，在導(dǎo)線上取2點記錄坐標(biāo)。

表5 長直導(dǎo)線定位實驗傳感器位置坐標(biāo)

4.1.2 定位結(jié)果

對于長直導(dǎo)線這類標(biāo)準(zhǔn)源發(fā)射的單頻率穩(wěn)定信號，采用峰值指標(biāo)進(jìn)行定位。指標(biāo)提取過程如下：完成濾波后，對傳感器的三分量信號進(jìn)行合成，根據(jù)合成信號的最大值，提取其對應(yīng)時刻傳感器3個通道的信號幅值，構(gòu)建特征矢量，表征傳感器所在位置的磁感應(yīng)強度方向。

利用提取的定位指標(biāo)和傳感器位置坐標(biāo)進(jìn)行解算，得到的定位結(jié)果如圖16所示。由圖16可以看出，各傳感器所在位置的磁感應(yīng)強度矢量符合長直導(dǎo)線螺旋狀的磁場空間分布規(guī)律。根據(jù)特征矢量求解得到的平面交線，有3條(黑色虛線標(biāo)注)與直導(dǎo)線的空間走勢較為一致，其中一條與直導(dǎo)線走勢非常接近(夾角小于1°)，但位置上仍然存在一定誤差。

4.2 煤巖破壞實驗驗證

4.2.1 實驗方案

在上述已建立實驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，布置4組電磁矢量傳感器監(jiān)測煤巖巴西劈裂破壞過程中產(chǎn)生的電磁信號，對劈裂破壞進(jìn)行定位。

在試樣用劈裂夾具固定完成后，所有傳感器水平放置。為了確定傳感器和試樣的相對位置，建立坐標(biāo)系，坐標(biāo)軸方向與各傳感器測試軸正方向一致。傳感器的布置方式和位置坐標(biāo)如圖17所示，4個傳感器關(guān)于劈裂試樣幾何中心呈中心對稱，距離均保持為12 cm，并與試樣中心保持在相同的高度。

傳感器布置完成，待各子系統(tǒng)設(shè)置完畢后，關(guān)閉屏蔽室，同時開始試驗機加載與電磁輻射信號采集，采樣頻率為2 MHz。實驗過程中加載采用位移控制方式，加載速率為5 μm/s。

圖16 長直導(dǎo)線定位結(jié)果Fig.16 Long straight wire positioning result

圖17 煤巖破壞定位實驗傳感器布置方式Fig.17 Sensor arrangement method for coal and rock failure location experiment

4.2.2 定位指標(biāo)提取及定位結(jié)果

對于煤巖試樣加載破壞過程中“應(yīng)力降”及聲電計數(shù)之間的相關(guān)性系數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計，如圖18所示，發(fā)現(xiàn)電磁輻射計數(shù)與“應(yīng)力降”相關(guān)系數(shù)大于0.8。因此，精準(zhǔn)提取伴隨顯著“應(yīng)力降”產(chǎn)生的電磁信號作為有效定位信號，并基于經(jīng)驗小波變換進(jìn)行0～50 kHz低通濾波。

圖18 煤巖試樣應(yīng)力降和聲電計數(shù)之間的相關(guān)性系數(shù)Fig.18 Correlation coefficients between stress drop and ring- down counts of AE and EMR of coal and rock

信號提取后以單個傳感器為單位進(jìn)行三分量信號合成，得到的合成信號如圖19所示。

圖19 花崗巖劈裂破壞實驗合成信號Fig.19 Synthesized signals of granite in Brazilian tests

隨后基于合成信號總強度最大值提取峰值特征矢量。但是由于煤巖破壞信號是多頻信號的疊加，遠(yuǎn)比標(biāo)準(zhǔn)交變信號復(fù)雜，不同測點處的合成信號并非同時到達(dá)最大值，而是存在一定的時間差異。為避免峰值提取時到達(dá)時間差過大造成的影響，對各測點處合成信號曲線提取多個波峰后，選擇時域上最為相近的波峰再次進(jìn)行匹配。

各測點處峰值提取的時間差和匹配后合成信號波峰時間差的統(tǒng)計結(jié)果見表6。

表6 各位置合成信號特征值到達(dá)時間差

統(tǒng)計時以最先到達(dá)總強度曲線最大值或波峰的傳感器為基準(zhǔn)時刻，計算其他測點的傳感器與該傳感器的時間差。可以看出，各測點處合成信號強度達(dá)到最大值的時間差異較大，最大時間差能達(dá)到3 ms以上，而經(jīng)波峰匹配后各測點間時間差控制在0.03 ms以內(nèi)。最終以匹配后波峰時刻對應(yīng)的信號幅值構(gòu)建特征矢量。

根據(jù)構(gòu)建的特征矢量和傳感器坐標(biāo)求解定位點，解得定位點坐標(biāo)如下：Lo1:(0,0,0)，Lo2:(-0.25,1.84, 1.84)，Lo3:(1.6,1.25,-2.84)，Lo4:(0.16,3.12,-0.22)，Lo5:(0,1.57,1.57)，如圖20所示，除有一個定位點離散在試樣外部區(qū)域，其余定位點均與試樣非常接近。所有有效定位點的坐標(biāo)列于圖中，根據(jù)試樣所在區(qū)域的坐標(biāo)范圍(-1.25≤Rx≤1.25，-2.5≤Ry≤2.5，-2.5≤Rz≤2.5)，其中3個定位點位于試樣內(nèi)部，分別距試樣中心0，2.22，2.62 cm，2個定位點位于試樣外表面附近，距試樣外表面的最近距離分別為0.35，0.62 cm，定位結(jié)果較為理想。

圖20 花崗巖劈裂破壞實驗電磁定位結(jié)果Fig.20 Electromagnetic location results of granite fracture in Brazilian tests

5 結(jié)論與意義

5.1 結(jié) 論

(1)基于磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng)，研發(fā)了新型電磁矢量傳感器，并對煤巖破壞產(chǎn)生的電磁輻射進(jìn)行了測試分析。發(fā)現(xiàn)傳感器在三軸方向上具有顯著的獨立性，互不干擾，對夾角余弦的響應(yīng)表現(xiàn)出高線性度，為煤巖破壞電磁輻射定位奠定了基礎(chǔ)。

(2)煤巖破壞產(chǎn)生的電磁輻射具有明顯的矢量特性。三分量電磁信號在時域上同步到達(dá)，波形存在明顯差異，頻域上信號主頻一致，幅頻分布相似，可視為主破裂產(chǎn)生的電磁場在3個方向上的分量。

(3)基于煤巖破壞發(fā)生時電荷分離、運動的過程，建立了等效的電磁輻射場源模型，根據(jù)場源模型建立了煤巖破壞電磁輻射定位方程，并數(shù)值模擬驗證了方程的有效性。

(4)基于矢量合成信號，提取了峰值指標(biāo)和波峰匹配指標(biāo)進(jìn)行定位，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)源和煤巖破壞定位實驗驗證，定位效果理想。

5.2 意 義

(1)提出了將伴隨典型應(yīng)力降產(chǎn)生的電磁信號作為定位信號，建立了信號精準(zhǔn)拾取和特征參數(shù)主動提取方法，大幅減少了對海量微弱信號全波形數(shù)據(jù)的全面分析，從而大幅降低了電磁定位方法的復(fù)雜程度和難度，使該技術(shù)方法的成功應(yīng)用成為現(xiàn)實。

(2)研究構(gòu)建了煤巖損傷破壞低頻近場電磁輻射定位模型與方法，初步將電磁輻射技術(shù)從預(yù)測“危險是否會發(fā)生？”拓展到預(yù)測“危險將在何處發(fā)生？”填補了在煤巖動力災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警應(yīng)用領(lǐng)域的研究空白。研究成果將顯著提升沖擊地壓等煤巖動力災(zāi)害電磁輻射監(jiān)測預(yù)警可靠性與防治針對性，極大促進(jìn)該技術(shù)的推廣應(yīng)用，并將促進(jìn)煤礦監(jiān)測預(yù)警技術(shù)裝備的升級與創(chuàng)新，有力支撐我國煤礦智能化發(fā)展。

(3)電磁輻射定位監(jiān)測技術(shù)非接觸獲取煤巖體損傷破壞信息，突破了傳統(tǒng)接觸式信息采集的局限，將煤巖體損傷破壞時-空演化特征監(jiān)測周期由破壞前監(jiān)測擴(kuò)展為破壞前-破壞中-破壞后全過程監(jiān)測，可以更全面、準(zhǔn)確地描述煤巖非線性損傷破壞全過程，為研究巖石力學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)問題提供了新的技術(shù)手段。