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1.3.1 煤岩体分离电荷产生机理［54～64］

电磁辐射的前提和基础是电荷的分离，也就是在宏观上表现出正负电荷，而这分离电荷的最终恢复，使煤岩体在宏观上表现为电中性的过程就是电磁辐射。电磁辐射机理要回答的问题是：①电荷是如何分离的；②分离电荷是如何消失并产生电磁辐射的。所以研究煤岩受载变形破裂过程中的电磁辐射机理就必须从这两个方面入手。

徐为民等通过岩石破裂过程电磁辐射的实验研究认为，用岩石的压电效应来解释电磁辐射机理是合适的。一些实验却表明含压电材料和不含压电材料的岩石均有电磁辐射产生。如Cress、孙正江、朱元清、王炽仑等，认为压电不是电磁辐射的真正机理或起的作用不大。根据前人的研究成果，可以看出，压电效应虽然不是电磁辐射的惟一原因，但它确实是其原因之一，压电体存在时有电磁辐射的产生。压电体的压电效应可以进行如下定性解释。当无外力作用时压电体中正负电荷重合，晶体的总电矩等于零，晶体表面不带电，但是当沿方向对晶体施加机械力时，晶体会因形变而导致正负中心不重合，晶体矩不再为零，从而能使晶体的一些相应的表面上出现电荷。压电体产生的电量取决于于应力的大小。通过对煤灰分的分析发现，在煤体中或多或少都存在有压电效应的SiO2矿物。这说明煤体受载电磁辐射也有压电效应的贡献。

在煤岩加载过程，由于其组成非常复杂且不均匀，介电常数不同的物质相互摩擦而带电，在两种物质的界面会形成偶电层，也即在表面形成了空间电荷层。摩擦起电的本质是电荷的转移，电荷转移可用凝聚态物质功函数来解释。摩擦起电引起的电荷或偶电层积累到一定程度也会产生静电放电，发出可见光，这也是煤岩受载发光的一种原因。

此外，摩擦起电是裂纹形成及扩展形成新表面产生电荷的重要机理之一。当裂纹分离则偶电层两侧的电荷来不及完全消失，从而形成电荷分离。根据前述煤变形破坏过程，在加载的初期，煤岩颗粒之间的摩擦起电占很大的比例，即裂纹面的闭合相互摩擦占很大的比例。在煤岩剪切破坏时，剪切角度对电磁辐射的作用是不同的，角度越小，摩擦所占比例越高，由此引起的电现象伴随整个剪切破坏过程。摩擦起电现象在煤岩体电磁辐射中具有重要的作用。

综上所述，在煤岩体受载变形破裂过程通过压电效应、摩擦作用等原因为电磁辐射提供了电荷来源。煤岩体受载变形破裂电荷产生的微观根本原因是：

1）组成煤岩体的原子之间的原子核外电子云重叠而形成各种化学键（包括离子键、共价键等）所造成的。所以受载岩石产生电荷的本质原因是由于基本基团发生变化而引起的，其中处于分子轨道能级为正的电子成为自由电子，由一定尺寸的极限粒度组成的煤体，由电子云畸变产生自由电晶粒（极限粒度）边缘的悬键以及当裂纹速度较高发生沿晶断裂破坏形成的电子。

2）在煤岩体受载时局部发生摩擦生热或存在极高电场时，会产生电子，极高电场会使束缚电子能量增高，因隧道效应变为自由电子。

3）含有压电体的煤岩体通过压电效应产生自由电荷。

4）煤岩材料在受载过程中，煤岩颗粒、矿物质颗粒和胶结物之间发生错动，裂纹因闭合也会发生滑移摩擦，因而产生自由电荷。摩擦起电电磁辐射具有重要的作用。

5）煤岩体在力的作用下通过斯捷潘诺夫效应产生自由电荷，而裂纹的运动会发生沿晶扩展或穿晶扩展，使裂纹前缘成为带电的悬键，局部应力集中使束缚电子动能增加而逃逸成为自由电子。

6）非平衡应力作用下，煤岩体中的面缺陷（晶粒间界）、线缺陷、点缺陷（空位、间隙原子）产生电荷分离现象。

7）煤岩材料中孔隙流体（水、电解质溶液、瓦斯等气体）在煤岩内部通过动电效应在煤岩孔隙表面产生流动电势和电场。

8）煤岩材料的非均质性、非平衡应力作用使得煤岩体受载作用不同，引起电荷的运移扩散等活动。

1.3.2 煤岩变形破裂电磁辐射产生机理

（1）震前电磁异常［65～80］

研究震前电磁异常现象在苏联发现较早。如苏联中亚1948年的阿什巴尔德地震、1966年的塔什干地震及其他地震时均发现了光现象，并且记录到了大气电位变化等电磁异常现象。米哈尔科夫等在1924年于地震前3～4小时记录到了天然电场的扰动；1977年塔瓦克5.2级地震时测到其上空电离层的临界频率变化；1978年，M.A.萨多夫斯基用仪器测量到了天然电磁辐射的异常畸变等。

我国地震电磁前兆的研究于20世纪70年代末进展较快，大多在地方地震机构和科研单位进行，虽然采用的方法各种各样，但取得的结果和认识是相似的，目前积累了较多的观测资料。有人发现：在1966年的河北邢台7.2级地震、1969年的渤海7.4级地震、1976年的唐山大地震发生之前，收音机、闹钟和电传打字机等电器设备突然有强烈的被干扰现象。一些监测雷达、射电望远镜、卫星地面站以及地震台站均记录到了震前的异常电磁现象如地电场、自然电位等的变化。此外，工业爆破、核爆作业以及煤矿的顶板塌陷过程中也可以观测到电磁辐射现象。

早期的研究着重于通过仪器对地震发生时光电现象的现场进行观察观测分析；后期研究主要是借助于实验手段，对震前电磁辐射的产生机理及其影响因素进行实验研究，以期从理论上实现突破。地震电磁辐射的理论研究主要集中于两大问题：一是孕震过程中各种电磁辐射源的形成与辐射机理，探讨孕震过程中各种可能的机电转换效应；理论估算结果表明源的辐射频谱很宽，可能为0.1 Hz～1000 kHz。二是波场与周围媒质空间耦合及传播的机理。

在有关震前电磁辐射产生机制研究和预测预报地震方面也取得了一些可喜的成果。熊皓认为孕震过程中的机电转换机制包括：摩擦起电、压电效应、斯捷潘诺夫效应和动电效应。震前电磁辐射的一种可能物理机制是机电转换效应，这在岩石破裂电磁辐射的实验研究中得到了证实［56］；一种是电荷积累放电所产生。董积平等根据地震孕育、发生过程中岩石破裂的特点，提出了电磁辐射的有限移动源模型，推导了均匀介质中矩形和圆盘形破裂的矢量磁位计算公式，通过对式中的一些物理参数及有关问题的讨论，说明不同形状、不同破裂方式的电磁激励源的辐射，是地震电磁观测不确定性的一个重要原因。

目前，人们普遍认为利用震前电磁辐射现象可以有效地对地震进行短临预报。

（2）煤岩变形破裂电磁辐射实验研究进展［81～98］

由于研究岩石破裂过程中出现的各种物理效应不仅对了解固体破裂机制有重要价值，而且对了解地震时出现的相关现象有实际意义，为了更好地认识地震电磁辐射产生的机理以及其他一些地质动力学灾害的预测预报，人们开展了一系列的实验室岩石破裂电磁辐射研究。近十几年来，震前电磁异常及煤岩变形破裂电磁辐射的实验研究取得了飞速的发展。

郭自强等［81～82］在花岗岩单轴压缩破裂实验中利用G-M计数器和塑料闪烁体探测器首次记录到了电子发射，电子能量分别为0.05 MeV和0.35 MeV量级，并据此结果对岩石破裂中出现可见光及其他电磁辐射进行了理论解释。钱书清等［83］在实验中也是采用单轴压缩岩石直至破裂的手段，将不同频段的天线安置在远离岩石样品2 m的不同方位上，采用14道磁带机同步记录了岩样变形破裂全过程的电磁辐射信号，实验结果表明：①岩样在主破裂过程中，4种频段（VLF：20～10 kHz；MF：530 kHz、650 kHz、1.65 MHz、2.3 MHz；HF：5 MHz、16 MHz；VHF：95 MHz）都记录到了信号，但不同频率出现的时间有时不同步，一般超低频VLF电磁辐射信号先出现，过200 ms左右后其他频段才出现。②主破裂发生时刻电磁辐射强度最大，但不同方位信号的强度不同。这也表明一方面岩石在破裂过程中产生的电磁辐射频率不是单一的，其频谱很宽；另一方面由于介质的不均匀性导致电磁辐射强度在传播过程中的时空分布也是不均匀的。钱书清等［84］还对岩样在双轴压力下产生剪切破裂和滑动摩擦时的电磁辐射信号和声发射信号进行了实验研究发现：岩样不同天线接收的信号不同步且幅度也有差异，位于裂缝处的天线信号幅度最大，从而认为电信号是压电效应和破裂新生面出现的静电荷所产生，磁信号则是岩石破碎时发射电子激励周围气体电离所致。钱书清［85］对混凝土样品在受压破裂过程中产生的电磁信号进行了测定，认为样品在破坏到80%时有电磁辐射信号产生。王炽仑等［57］利用美国BTI600A型超导量子干涉式二次梯度计（精度可达10～14T），以及美国PARC4400型信号处理系统和经改装后不用电源的岩石压碎机，观测了长石砂岩和石英岩在单轴压缩破裂过程中的电磁辐射，记录到电磁脉冲和频谱，得到信号的磁场强度数量级为10-10～10-11T。吴小平等［86］对花岗岩压缩带电进行了实验研究。曹惠馨等［87］在单轴压力下对辉长岩、大理岩等岩石破裂过程中产生的电磁信号和声信号作了实验研究，主要结果是：①岩石破裂过程中的电磁信号辐射强度与岩石的岩性、含水量、破裂程度、加载率和破裂状态有关；②电磁辐射信号比声发射信号发育，持续时间也较长；③实验中以铜板天线为接收传感器的电磁信号主能谱在6 kHz以下，而以电感线圈为传感器的在10 kHz左右，声发射的主能谱在3 kHz以下。

美国学者Nitson［88］报道了实验室岩石压电效应的研究成果，结果证明伴随着含石英和其他压硬电材料的变形破裂会产生无线电频段（RF）的电磁辐射。前苏联学者斯捷潘诺夫发现不含压电材料的物质受载时同样会产生电荷，电荷产生在样品裂纹表面的非均匀形变地带。

Vostretsov等［89］利用数值计算机测定系统对岩石变形过程中的电磁辐射信号进行了测定。Cress等［59］则认为岩石破裂时新生的碎片表面有静电荷分布，自身的振动和转动以及断裂面上电荷分离产生强电场击穿壁面气体是产生低频和高频电磁辐射的主因。Kurlenya等［61］分别对基于电磁辐射研究的破裂阶段、与岩石破裂有关的电磁辐射和声发射联合检测、岩石破裂过程中的发射光谱变化以及岩石破裂过程的电磁辐射信号检测方法进行了较为详尽的研究。Afanasenko等［44］研究了天然和工业电磁场预测花岗岩开采中的突出危险性。Poturayev等［92］对煤岩、砂砾、花岗岩和大理石样品在单轴压缩下变形破裂过程的电磁辐射和声发射信号进行了联合检测，结果表明电磁辐射和声发射信号脉冲数的局部升高与样品的临界强度是有关的。

由于岩石的变形破裂过程是弹性应变能的积累和各种能量形式（包括应变能、电磁辐射能、热能等）的释放过程，因此，在研究电磁辐射（EME）的同时，研究学者一般采取与声发射（AE）进行对比研究的方法。Robsman等［90］实验研究了岩石破裂裂隙产生的电磁辐射和声发射脉冲数，并建立了两者脉冲数幅值和频谱变化的通用模式。Sobolev等［91］对混凝土的电磁辐射和声发射实验结果表明，电磁辐射和短暂的声发射同时发生，而较长的声发射不伴随有电磁辐射现象。

佩列利曼［65］从微观上提出并验算了声波通过介质产生电磁辐射的五种机制：①离子晶体裂纹表面电荷的不均匀镶嵌导致电磁辐射；②似电容器的裂纹振动产生电磁辐射；③晶体中电荷位错的振动产生电磁辐射；④微量金属产生浮动电荷的振动产生电磁辐射；⑤电层压缩和扩张时古伊层容量发生变化而辐射能量产生电磁辐射。Frid［93］对此进行了一系列研究：研究了煤岩体的受力状态、瓦斯含量、含水率和孔隙率等对采掘工作面产生的电磁辐射的影响；研究了不同矿井电磁辐射的特征；认为可以通过监测煤岩破裂产生的电磁辐射方法对煤岩与瓦斯突出进行预测预报。Frid［93］认为可以利用电磁辐射方法来研究有岩爆、煤爆危险煤岩层的注水效果。Giannakopoulou，Vaia等［94］对钻孔低频电磁辐射信号进行了现场测定，并研究了其动态的变形破坏特征。Poturayev等［92］利用电磁辐射和声发射方法对煤、粘土岩、砂岩、花岗岩、石英岩和石灰岩进行了实验研究，记录到了岩石变形和裂隙扩展过程的电磁辐射和声发射，结果显示利用电磁辐射和声发射的联合特征来监测邻近工作面易突出煤层的应力状态是可能的。

在煤岩变形破裂方面，何学秋、刘明举在我国首次通过实验研究证明，煤在变形破裂过程中有电磁辐射产生，孔隙气体影响电磁辐射的产生；并在此基础上分析了煤与瓦斯突出过程中的能量耗散，分析了电磁辐射法预测预报煤与瓦斯突出的原理，利用钻孔电磁辐射接收系统对采掘工作面煤岩体内的电磁辐射进行了测定以及突出危险性的评价，从而提出电磁辐射法是一种具有广阔前景的煤岩灾害动力现象非接触预测预报方法。何学秋、王恩元等研究了含瓦斯煤岩体电磁辐射的频谱及规律，发现煤岩体破裂过程中产生的电磁辐射信号时间序列符合赫斯特统计规律，从而说明电磁辐射信号随煤岩变形破裂过程的进行而逐渐增强，这对于预测预报煤岩灾害动力现象具有重要意义。窦林名、何学秋等通过试验和测试结果表明，煤岩体在变形、破坏过程中均产生电磁辐射现象；煤岩在冲击破坏前，电磁辐射强度一般在某个值以下；而在冲击破坏时，电磁辐射强度突然增加，依此规律可以对冲击矿压危险性进行评价和预测预报。

（3）煤岩变形破裂电磁辐射产生机理［39，41，64，99，100］

煤岩体变形破裂过程中电磁辐射的研究与地震研究、岩石破裂研究密切相关。

郭自强等［99］用固体中压缩原子模型从理论上解释了岩石受压及破裂时发射电子的机制，认为：当岩石受到压缩时，在相邻原子的泡利斥力下原子动能剧增，电子将克服原子核的库仑引力和近邻原子“泡利势墙”的约束而电离，形成电子发射。朱元清等提出岩石破裂电磁辐射是裂纹尖端电荷随着裂纹加速扩展运动所产生的假说，并建立了电磁辐射的数学模型。郭自强等应用量子化学计算中的全略微分重叠方法（CNDO方法）对花岗岩类岩石在单轴压力下破裂过程中因分子构型变化引起的分子轨道能级改变进行了计算，并对含硅氧四面体岩石的破裂机制提出了理论解释。

在受载煤岩体电磁辐射机理方面前人对此进行了比较深入的研究，取得了可喜的成果，提出了多种电磁辐射机理。

1）Nitson的压电效应机理，认为压电效应是产生电磁辐射的原因，但不符合另外一些不含压电材料的岩石也有电磁辐射产生的实验现象；

2）力电效应（包括压电效应、斯捷潘诺夫效应、摩擦起电和双电层的破坏与断裂）和动电效应产生电磁辐射机理；

3）裂隙壁面上分离电荷和运动带电位错的弛豫产生电磁辐射机理；

4）王恩元认为煤岩等材料的变形破裂时产生的电磁辐射一种是由于表面积累电荷引起的库仑场，另一种是由于带电粒子作变速运动而产生的电磁辐射，即脉冲波；

5）何学秋和刘明举认为的应力诱导电偶极子瞬变、裂隙边缘分离电荷随着裂隙扩展的变速运动以及裂隙壁面分离电荷的弛豫等综合作用产生电磁辐射机理；

6）聂百胜的应力诱导电偶极子瞬变、裂隙扩展和摩擦等作用产生分离电荷的变速运动、裂隙壁面振荡RC回路的能量耗散、分离电荷的弛豫以及高速粒子碰撞裂隙壁面产生的韧致辐射等综合作用电磁辐射产生机理。

（4）煤岩变形破裂电磁辐射数值研究进展［101～132］

自从20世纪50年代声发射技术被用于矿山和隧道的稳定性监测和预报，几十年来其已被广泛用于地应力测试、岩体稳定性监测以及岩石破裂机理、地震序列特征的研究等各个方面［103～106］。但其理论研究却还很不成熟，它是理论研究落后于工程实际的少数学科之一。为此，国内外众多学者进行了一系列的研究，包括实验研究、机理探讨和数值模拟。

在数值模拟方面，窦林名、何学秋为治理冲击矿压灾害，采用数值模拟方法研究了井巷周围煤岩体力学特性对应力分布的影响，研究结果表明：巷道周围煤岩体的体积弹模、内聚力和内摩擦角均对应力分布有较大的影响，根据这个结果，可采用卸压爆破的方法，改变应力分布状态，减小或消除冲击矿压危险［115］。傅宇方等［116］根据统计细观损伤力学和岩石声发射的基本原理，并在解析解简单模拟岩石声发射规律的基础上，提出了岩石声发射规律数值模拟的基本设想和框架，并以有限单元法为例就具体实施的几个关键问题作了阐述。唐春安等运用新近开发的材料破坏过程分析RFPA2D系统，以岩石、混凝土等非均匀脆性材料的破坏过程分析为例，说明了数值模拟方法给脆性材料破坏理论发展所带来的契机，并简述了RFPA2D在煤层移动、地下工程稳定性、地震孕育机制，以及复合材料破坏问题研究中的应用前景。陈忠辉、贾立宏等在损伤力学理论和随机强度理论基础上，假定岩石质点的物理力学性质服从Weibull分布，利用有限元方法对声发射进行了数值模拟，并通过数值计算证明这一数值方法能成功地对岩石受力全过程的声发射现象进行计算机模拟。纪洪广等对混凝土损伤的声发射模式和规律进行了研究。

由于电磁场理论已经非常成熟，随着电子计算机技术的飞速发展，在电磁辐射传播数值模拟方面也取得了显著的成绩。孙洪星［130］从电磁波传播的麦克斯韦方程出发，介绍和分析了地质雷达高频脉冲电磁波在地下有耗介质传播过程中的衰减特性理论。窦维苹等［131］利用LOVE场等效原理，实现了从近场到远场的变换，并在此基础上开发了建立在MATLAB平台上的时域有限差分法软件系统。王长清等［132］从经典的Maxwell方程出发，利用时域有限差分法在二维和三维空间模拟了电和磁阶跃电磁脉冲激励的平面电磁波在损耗介质中的传播，并与Harmuth中的算例进行了比较，在极限情况下二者符合得很好，这说明不能否定Maxwell方程的适用性。韩德胜，赵和云利用数值模拟方法对层状介质中振荡电偶极子电场进行了研究，结果表明：①在典型层状介质结构下，地表不可能观测到此种信号源产生的电场信息；②有断层存在时地表偶极子电场值可增大2～3个量级。但这些电磁场的数值模拟均是建立在电磁辐射源的位置、方向、强度和频率是已知的基础上，而对于煤岩破裂过程电磁辐射来说，由于其辐射源、强度和频率均不是一定的，因此，更为复杂，对其进行数值模拟研究还未见报道。

3.3.1 天线接收的物理过程［135］

当电荷、电流随时间变化时，会在其周围激励起电磁波；在电磁波向外传播的过程中会有电磁能输送出去，能量以电磁波的形式通过空间传播的现象称为电磁辐射。（其中频率低于3 MHz的为中低频电磁波，3～30 MHz为高频电磁波，300 MHz～300 GHz为微波。）电磁辐射就是变化的电磁场由近到远的传播，其产生源是多种多样的：电偶极子（偶电层）的振荡与瞬变、电荷的变速运动和分离电荷的弛豫等，是上述几种源产生的交变电磁场综合叠加的结果。电磁波频谱范围广，如表3.1所示划分。其中无线电波是频率从几十赫兹到300 G赫兹左右频谱范围内的电磁波，其划分如表3.2所示。

表3.1 电磁波频谱的划分

表3.2 无线电频段和波段划分

同样，在煤岩变形破裂过程中有电磁辐射产生，煤岩电磁辐射是煤岩体受载变形破裂过程中向外辐射电磁能量的一种现象，与煤岩体的变形破裂过程密切相关。电磁辐射信息综合反映了冲击矿压、煤与瓦斯突出等煤岩灾害动力现象的主要影响因素，电磁辐射强度主要反映了煤岩体的受载程度及变形破裂程度，而脉冲数目则主要反映了煤岩体变形及微破裂的频次。根据实验研究的结果，煤岩破裂产生的电磁辐射属于宽频带辐射，其频率主要在1 kHz～1 MHz，也有7.9 MHz的信号出现［96］。因此，要对有效反映灾害动力现象危险前兆的电磁辐射信号进行监测和接收，也同样必须了解其在煤岩介质中的传播规律以及煤岩电性参数变化对电波传播的影响。

3.3.2 井下煤岩变形破裂过程中电磁波传播特性的分析［139～140］

（1）煤岩变形破裂电磁波的传播特性

利用非接触电磁辐射预测方法连续动态监测煤与瓦斯突出、冲击矿压、岩爆等灾害动力现象，必须了解电磁辐射信号在介质中的传播特征。在采动影响下煤层内出现应力集中带，且随着采掘的进行而不断前移，煤岩体会发生变形破裂，发生能量的释放，从而产生声发射和电磁辐射现象。由于煤岩介质属于导电介质，因此，产生的电磁波在其中传播是有损耗的，且传播满足麦克斯韦（Maxwell）方程组，即（3.3）、（3.5）、（3.8）～（3.13）式。

假定将煤岩看作是各向同性、非铁磁性的介质，则其结构物性方程为

煤岩动力灾害力电耦合

式中：ε——介电常数，F/m；μ——磁导率，H/m；σ——电导率，S/m。

由上述麦克斯韦（Maxwell）方程组和状态方程可以推导得到煤岩破裂过程中产生的电场和磁场满足以下的波动方程：

煤岩动力灾害力电耦合

设产生的电磁场为谐变电磁场，用复数表示时有iωE，则（3.9）式可化为

煤岩动力灾害力电耦合

可以简写为

煤岩动力灾害力电耦合

式中εc为煤岩介质的复介电常数。然后将上式两边对时间微分，可得

煤岩动力灾害力电耦合

再将式（3.10）两边取旋度，得

煤岩动力灾害力电耦合

将（3.55）式代入式（3.54），得

煤岩动力灾害力电耦合

利用矢量恒等式Δ×Δ×E=ΔΔ·E-Δ2E以及Δ·E=0，上式化为

煤岩动力灾害力电耦合

令γ2=-ω2εc=-ω2μ（ε-iσ/ω），则方程（3.57）的解为

煤岩动力灾害力电耦合

上式表示电磁波电场的幅值随着电磁波传播距离r的增加而按负指数规律衰减，每前进一个单位距离，幅值衰减α［奈］，或8.68［分贝］。α称为电磁波衰减系数，单位是［奈/米］或［分贝/米］。电磁波传播的相速是［米/秒］：

煤岩动力灾害力电耦合

式中：c———光速，cn———折射率，β———相位常

数，即单位长度上的相移量。

γ=α+jβ为电磁场在煤岩介质中传播的传播系数，即波数。其中：

煤岩动力灾害力电耦合

电磁波在煤岩介质中之所以会发生衰减，可以从能量的角度来进行分析。煤岩并非完全不导电介质，当煤岩变形破裂时产生的电磁波在其中传播时，介质中带电质点在电磁场作用下会产生往复振动，质点间的相互碰撞使得电磁场能量转换为热能而损耗，这样对电磁场能量的吸收就造成电磁场强度随着传播距离的增加而减小，因此，衰减系数又称为吸收系数。从（3.61）式中可知，电磁波在介质中的衰减系数与介电常数ε、磁导率μ、电导率σ和电磁波的频率有关系。

为了表示电磁波在介质中的传播损耗，常用损耗正切tan δ进行分析，其物理意义也可以表示为介质中传导电流和位移电流之比值。当频率低时，即≫1，则位移电流可以忽略；频率特别高时，1，则传导电流可以忽略。所以

1）tan δ1时，式（3.61）可以简化为

煤岩动力灾害力电耦合

2）tan δ1时，式（3.61）可以简化为

煤岩动力灾害力电耦合

3）tan δ1时，式（3.61）可以简化为

煤岩动力灾害力电耦合

介质的绝对介电常数ε=εr·ε0，真空中的介电常数ε0=8.85×10-12F/m。而对于大多数沉积岩矿物如煤、泥岩、砂岩等其相对介电常数较小，且变化范围也不大，一般在4～13 F/m之间。对于煤岩的磁导率，一般认为是不随着频率而变化的常数，即μ=μ0=4π×10-7H/m。

由此可见，在煤岩介质中电磁波的衰减系数还与电磁波的频率有关，与电磁波的频率的1/2次方成线性关系，即电磁波频率越高电磁波衰减得越快，而频率低的电磁波传播时衰减小。

（2）煤岩变形破裂电磁波的功率特性

对于煤岩中的电磁波，因存在传导电流导致衰减效应，其传输功率也是随着传播距离的增加而逐渐减少的，假设传输距离r后电磁场幅值衰减e-αr，则辐射功率应为辐射源功率的Ae-2αr，由式（3.49）得

煤岩动力灾害力电耦合

令K=A（I0l）2，而衰减系数的处理分为以下三种情况讨论：

1）tan δ1时，α=式（3.66）可以化为：

煤岩动力灾害力电耦合

从上式中可以看出，辐射功率与电磁波的频率是非线性关系，对式（3.67）进行处理，使辐射功率对频率求导数，可以得到最大功率对应的频率，即由：

煤岩动力灾害力电耦合

得到，f=1/（πμσr2）为最大功率对应的频率值，其与介质电性参数和距离r有关。

2）tan δ1时，α=ω式（3.66）为：

煤岩动力灾害力电耦合

3）tan δ=1时，α式（3.66）为：

煤岩动力灾害力电耦合

对于第二和第三种情况，辐射功率与电磁波的频率呈线性关系，与离辐射源的距离成负指数关系，说明电磁波的频率越高，辐射功率越大，距离越远，辐射功率成指数衰减。

前面已经分析过，对于煤岩变形破裂产生的电磁辐射信号属于中低频信号，因而归于第一种情况，即接收到的电磁辐射信号功率最大点的频率随与辐射源的距离变化而变化，频率f与距离r的平方成反比。如果对监测到的电磁辐射信号进行频谱分析，然后通过对各种频率对应的辐射功率的计算，可以得到最大辐射功率对应的频率，从而可以有效预测电磁辐射源的距离。这对煤岩动力灾害现象的预测预报以及定向定位具有重要的理论指导意义。

陈振宏1 王一兵1 苏现波2

(1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，廊坊0650072.河南理工大学资源环境工程学院，焦作454000)

摘要:煤体变形与煤层气储层渗透性存在密切联系。查明含煤岩系岩体结构，定量评价煤岩体变形，对煤储层渗透性预测具有重要指导意义。通过大量野外观测、结合室内扫描电镜、光学显微镜及原子力显微镜探测，研究了沁水盆地南部煤层气藏储层变形特征及空间展布，探讨了构造形迹、煤体变形程度与岩体结构之间的内在关系，并揭示了其成因。研究结果认为，沁南地区煤体宏观变形以脆性变形为主，割理大部分被方解石充填，对储层渗透性贡献不大煤岩体变形取决于岩体强度与结构，特别是软煤发育厚度和比率的空间展布与强度因子、分形维数有关。同时研究发现，含煤岩系节理和煤层裂隙走向NE－SW居主导地位，与现今的主应力场方向一致，寺头断层对煤体严重变形的影响有限。在煤层气下一步开发施工中，应尽力避免在软煤强烈发育区布井。

关键词:煤层气 岩体结构 脆性变形 强度因子 软煤

基金项目: 国家 973 项目 “高丰度煤层富集机制及提高开采效率基础研究”( 2009CB219607) 。

作者简介: 陈振宏，男，1979 年生，湖南桃源人，博士，主要从事石油天然气地质及煤层气地质方面的研究。地址: 河北省廊坊市万庄廊坊分院煤层气研究所。电话: 010 － 69213542 137930613041 E － mail: cbmjimcoco@126. com

Deformation Characters and Formation Mechanism of Coal Seams in South Qinshui Basin

CHEN Zhenhong1，WANG Yibing1，SU Xianbo2

( 1. Langfang Branch，Research Institute of Petroleum Exploration and Development， CNPC，Langfang 065007，China2. Institute of Resource and Environment EngineeringHenan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China)

Abstract: The coal deformation is a critical controlling factor of coal reservoir permeability. Researching the coal construction and quantitatively evaluating coal deformation，essential parts of the reservoir permeability pre- diction，are significant. Through abundant field reconnalssance，SEM，OM and AFM，the reservoir deformation characters，spatial distribution＆ formation mechanism of coalbed methane and the relationship between the region- al structure ＆ coal deformation and rocks construction，were analyzed＆discussed here. It was proved that in the south，Qinshui basin，the brittle deformation was dominant and cleat permeability was litter，in which filled cal- cite. The coal deformation was decided by the strength and construction of rock mass. Especially，the soft coal thickness and rate are associated with strength divisor＆fractal dimensionality. Moreover， the strike of coal fractures＆joints is main NE － SW，as current main stress field，and Sitou fault litter affects the coal deforma- tion. So in the future CBM developing，wells in the intense soft coal area were avoided.

Keywords: coalbed methaneconstruction of rock massbrittle deformationstrength divisorsoft coal

引言

煤作为一种低杨氏模量、高泊松比的特殊岩石，发生韧性变形所需的温度、压力远远低于无机岩石。正是由于煤的这种特殊的变形行为，使得煤体变形与煤层气储层渗透性和煤与瓦斯突出存在密切联系。煤岩体在地质演化过程中的变形受岩体强度、构造应力场、温度和边界条件等的控制［1～4］。在同一构造应力场中不同岩性岩层或岩性组合的岩体会表现不同的岩体力学性质和形变特征，即在局部范围内控制煤岩体变形的主导因素是岩体结构。

对于沁南地区无烟煤储层，割理严重闭合或被矿物质充填，外生裂隙是煤层气运移产出的通道［5～8］。而外生裂隙是煤体变形的结果，适中的煤体变形形成的碎裂煤是本区渗透性最好的储层。因此，根据勘探、开发阶段的煤层气井资料，查明含煤岩系的岩体结构，定量评价煤岩体变形特征，可以为煤储层渗透性评价做出借鉴，预测未开发区储层渗透性，为勘探开发部署提供依据。

1 沁水盆地南部地区煤岩宏观变形特征

沁南地区山西组3#煤层下部通常发育有一层不足1m的软煤，多为鳞片状的糜棱煤，局部发育碎粒煤，个别地区还存在整层均为糜棱煤的透镜体，透镜体一般不超过20m×50m。

图1 沁水盆地南部煤岩割理发育特征

通过钻井煤心、井下煤壁观测，结合测井响应，发现煤体宏观变形以脆性变形为主，其主要变形标志为割理形成初始阶段的格里菲斯裂隙(图1a)、被方解石充填的雁行排列的割理(图1b)。割理成因很复杂，一般认为是同沉积压实作用、成岩作用、侧向古构造应力、干缩作用和煤化作用等综合作用的结果［9～12］。

煤中另一种脆性变形标志是外生裂隙。当外生裂隙不发育时，煤体保持原生结构当外生裂隙发育时，煤体破坏为碎裂煤，这类煤的煤心往往为碎块状，但碎块有强度。

2 沁南地区煤岩微观变形特征

借助扫描电镜，系统观测煤的微观孔隙结构，发现煤岩割理被方解石充填(图2a)，或者割理闭合(图2b)，基质孔隙(气孔)发育(图2c)。

图2 沁南地区煤岩的微观特征(SEM)

光学显微镜下，煤体脆性变形标志主要为一些外生裂隙(图3)。

图3 光学显微镜下沁南地区煤岩外生裂隙，反光，×15。

扫描电镜下，煤中韧性变形标志主要为褶皱、残斑和SC构造等(图4)。

值得注意的是，煤岩脆韧性变形识别与观测尺度有关，宏观上观测的韧性变形，在微观上仍可发现脆性变形现象(图5)。但在超微条件下，很难观测到韧性变形现象。

3 沁南地区煤岩变形空间展布

煤心观测和测井响应显示，沁南地区樊庄区块软煤普遍发育在煤层的下部，夹矸层将其与上部的硬煤隔开，厚度0～1.15m，平均0.7m，所占煤层总厚的比率为0～0.177，平均0.114(图6)。

北部的固县地区软煤厚度和比率最高，特别是从G12－9～G7－12软煤厚度超过1m、比率超过0.15，向东软煤发育程度逐渐降低，其软煤相对发育的主要控制因素为褶皱的影响，软煤发育基本沿着背斜的轴部展布。寺头断层并没有对煤体结构造成严重影响，位于寺头断层附近的G4－7，G2－7，G2－6等井软煤的厚度和比率还没有褶皱轴部高，且北西向褶皱与软煤发育的关系最密切。固县地区是整个樊庄区块软煤最发育的地区，且分布在本区的煤层气井距寺头断层最近，可见寺头断层或多或少对煤体变形有一定影响。

图4 煤体韧性变形微观标志(SEM)

图5 煤体韧脆性变形标志(SEM)

樊庄地区软煤发育受北西向褶皱控制，厚度一般不超过1m，比率多在0.15之下，最发育区位于褶皱轴部(F14－13，F13－14)，翼部最低(F12－9)。

图6 沁南地区樊庄区块软煤厚度等值线图

蒲池玉溪地区软煤最不发育，软煤厚度一般不超过1m，多数在0.5m以下，比率多在0.1以下。同样沿北西向褶皱轴部软煤发育，但因近东西向褶皱的叠加使得软煤分布复杂化。

总体上，整个樊庄区块固县软煤最发育，其次为樊庄，蒲池玉溪地区最不发育。软煤发育程度与北西向褶皱关系最为密切，多位于褶皱轴部。寺头断层对煤体结构有一定的影响，但不严重。

4 成因分析

4.1 岩体结构对煤岩变形的控制作用

研究区除了边界断层—寺头断层外，区内稀疏分布三组小断层:近南北向、近东西向和北东向。褶皱非常发育，大体可区分出北西向和近东西向两类。这些褶皱的形成与岩体结构有着密切关系。褶皱的形成严格受岩体强度和结构的控制，易于发生强烈变形的低强度因子和分形维数岩体均位于褶皱的轴部。强度因子最高的蒲池玉溪地区，通过断层形式来吸收应力，形成了密集的褶皱强度因子最低的固县地区褶皱不如蒲池玉溪发育，这是该地区通过形成软煤的顺煤层剪切吸收应力的结果。

煤层具有低杨氏模量、高泊松比，相对含煤岩系统计层段内其他岩层，在相对较低的温度和较弱的构造应力作用下也可达到较深的变形程度。因此煤层中记录的构造应力场演化信息要比其围岩详细和全面。对比软煤厚度和比率的空间展布与强度因子、分形维数和褶皱的关系，发现:

Ⅰ:低强度因子和厚层岩层较多的分形维数低值区，含煤岩系以韧性变形为主，位于多褶皱轴部，煤体变形程度深，以顺煤层剪切使煤体发生韧性变形、形成“软煤”来消减构造应力。

Ⅱ:高强度因子和厚层岩层较少的分形维数高值区，一般位于褶皱的轴部，含煤岩系以脆性变形为主，软煤不发育。

Ⅲ:区域上，固县地区强度因子和分形维数最低，但褶皱和断层不发育，唯一吸收构造应力的途径是顺煤层剪切变形形成软煤。因此，固县地区是本区软煤最发育的地区。蒲池玉溪地区强度因子和分形维数最高，但吸收构造应力的途径不是形成断层，而是密集发育的褶皱，软煤最不发育。樊庄地区介于二者之间。

也就是说，在局部范围内构造应力的性质与大小基本一致的前提下，岩体强度与结构决定了煤岩体的变形，不同地区的煤岩体可通过不同的变形途径来吸收应力。

4.2 应力场对煤岩变形的影响

4.2.1节理发育特征

通过对樊庄区块含煤岩系露头大量野外观测，发现本区含煤岩系，尤其是二叠系下石盒子组中细砂岩、上石盒子组粉砂岩发育多组高角度共轭剪节理，以NESW向和NWSE向为主，倾角平均为82°，甚至有些节理倾角达90°。节理沿走向延伸有从几个厘米到几米的，部分达几十米。节理密度从2条/米到20条/米不等，平均密度为10条/米。一般来说，脆性岩层中的节理密度要比同一厚度的韧性岩层中的节理密度大，节理密度的大小直接受到岩层所受构造应力大小的控制，在构造应力集中的地带，如褶曲转折部位及断层带附近，节理的密度相对要大得多。

节理之间多有切割，反映出力学性质的多样性和形成的多阶段性。据节理的切割关系、分期配套分析结果，厘定为四套共轭剪节理(图7)。第一期共轭剪节理由Ⅰ组和Ⅱ组配套组成，锐夹角指示近SN向的挤压，形成最早第二期由Ⅰ组和Ⅲ组配套组成，锐夹角指示NWSE向的挤压第三期由Ⅰ组和Ⅳ组配套组成，锐夹角指示NNESSW向的挤压第四期由Ⅱ组和Ⅴ组配套组成，锐夹角指示NESW向的挤压，形成时间最晚。

图7 节理的分期配套

4.2.2 构造应力场分析

通过大量的野外观测，在上述含煤岩系节理特征系统描述的基础上，综合前人的研究成果［13～16］，恢复了中生代以来构造应力场期次:

①印支期近SN向挤压应力场

印支期近SN方向的挤压作用，形成近EW向褶皱，伸展作用表现为近NE和NS向的正断层，褶皱和断层规模都很小，此时的寺头断层已经开始发育。

②燕山喜马拉雅早期的NWSE向的水平挤压应力场

燕山喜马拉雅早期NWSE向挤压应力场，在沁水盆地普遍存在。挤压作用使本区整体成为NE向向斜，西部的寺头正断层进一步强化，与之平行的近NE、NNE向的、规模较小的正断层形成。

③喜马拉雅晚期的NNESSW向的近于水平的挤压应力场

喜马拉雅晚期NNESSW方向的挤压作用，形成区内规模较大、叠加在燕山喜马拉雅早期NE向褶皱之上的NW向褶皱，此时的寺头断层由原来的张性逐渐转化为压性。

④第四纪以来新构造期的NESW向的近水平挤压应力场。

第四纪以来的新构造运动期，伴随着霍山和太行山的不断隆起，在沁水块坳中产生的NESW向的近水平挤压应力场，形成了NW向小褶皱，这种构造应力场一直持续到现今。

本区岩石节理和煤层裂隙NESW居主导地位，与现今的主应力场方向一致。

4.2.3 应力场对煤岩变形的影响

煤层中外生裂隙的产状与上下围岩中的节理产状基本一致。山西组3号煤储层中的大裂隙系统具有明显的方向性，表现为NESW和NWSE两个优势方向，且以NESW向更为发育。这与岩石节理走向的优势方向基本一致，煤层主裂隙的方向与现今应力场最大主应力的方向也基本一致。

这一裂隙与应力场的耦合关系，造成了在煤层气井不断排采、流体压力不断降低过程中，裂隙张开度逐渐增加，进而导致煤层渗透率随最大主应力差的增大而呈现数量级的增大现象。

这正是本区煤层气井稳定高产的主要控制因素之一。

4.3 断层对煤体变形的影响

根据固县地区寺头断层附近煤层气井的揭露情况，发现该断层对煤体严重变形的影响有限。

(1)紧靠断层的煤层气井显示煤体没有严重破坏为软煤

(2)北部固79井，储层压力还有1.5MPa，产能就达2700m3/d，而且周围的井固610、固710、固711、固712、固89产能都达2000m3/d以上。但固78、固88的产能较低，不足400m3/d。由产能分析可知寺头断层对煤体变形有影响，在固县地区，由于断层落差较小，影响范围有限，一般不超过100m。随断层落差的增加，影响范围将增加

(3)寺头断层影响构造应力场在本区的展布，进而控制着区内构造的形成和展布。对煤体变形的影响为:沿断层形成软煤条带，其宽度与断层的落差有关，落差越大，软煤宽度越大，一般不超过500向东逐渐过渡为碎裂煤分布区，也是储层渗透性最佳区，这一区域的宽度难以准确确定。根据目前煤层气井的测试和排采资料，这个条带的宽度在1～2km左右进一步向东为基本不受影响的带，原生结构煤发育。

结论与建议

(1)沁南地区煤体宏观变形以脆性变形为主，割理被方解石充填，对储层渗透性贡献不大韧性变形标志包括褶皱、残斑和SC构造等。

(2)岩体强度与结构决定了煤岩体的变形。软煤发育程度与北西向褶皱关系密切，其厚度和比率的空间展布与强度因子、分形维数有关。

(3)含煤岩系节理和煤层裂隙走向NESW居主导地位，与现今的主应力场方向一致，寺头断层对煤体严重变形的影响有限。

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