煤岩变形破裂电磁辐射产生机理

3.2.1 带电粒子在介质中激发的电磁场
（1）带电粒子在介质中激发的电磁场［136］
从物理学的角度来看，产生电磁波的机制是多种多样的，但是从微观上来说，电磁辐射均可以看作是电荷运动变速引起的。在外力作用下，任意变速运动带电粒子在介质中激发的电磁场为

煤岩动力灾害力电耦合

式中：n——煤岩介质的折射率；e——带电粒子的电荷；c——真空中电磁波的传播速度，即光速；v——带电粒子的运动速度；r——带电粒子与场点之间的距离；ε——介质的绝对介电常数；a——带电粒子的加速度；n——法向方向的单位矢量；E1，B1——运动电荷产生的库仑场和与之相关的磁场；E2，B2——运动电荷产生的辐射场和与之相关的磁场。
从上述带电粒子变速运动产生的电磁场数学模型中可以看出，煤岩体在变形破裂过程中产生的电磁辐射与带电粒子的电荷量和运动加速度成正比，产生的电磁辐射场包括库仑场和辐射场，辐射场与离场点的距离成反比，与产生的带电粒子数密度有关；而加载速率越大，变形及破裂过程越强烈，单位时间产生的带电粒子数越多，其运动速度越高，因而产生的电磁辐射强度也越高，频率范围也越宽。
对于煤岩变形破裂过程中产生的电磁辐射场，由于其产生机理的复杂性和煤岩材料的非均匀性，一般是借助于实验仪器即电磁辐射监测仪器来测定其信号的变化趋势，并以此来对煤岩动力灾害现象危险性进行有效预测。煤岩破裂实验多在单轴压缩方式下进行的，导致样品轴向分裂的主要是裂纹沿着加载方向迅速扩展，多个裂纹扩展产生的总电磁辐射与单个裂纹扩展时是相似的，因而可以用简单的模型进行分析。
当场源的电流或电荷分布随着时间变化时，有一部分电磁能量传播到周围空间，称为电磁能的辐射。煤岩变形破裂时会产生电磁辐射，作为一种近似，将受载条件下的煤岩样品分成很多小的微元体，假设每一微元体中的裂纹集中在一起，沿着加载方向扩展，虽然不同微元体的裂纹扩展速度是不同的，但是其产生电磁辐射的方式是一样的，只是电磁辐射的强度和频率不同。也就是说，可以将每一个微元体看作是一个电磁辐射点源，其幅值和频率与所受的应力水平有关。
为方便起见，将煤岩变形破裂过程中产生电磁辐射的源看作是许多具有不同强度和不同频率的点源所组成，这样电磁辐射监测仪所测定的电磁辐射信号是各点源单独作用的叠加。
（2）达朗伯方程［138］
在时变电磁场中，为了使问题简化，可以像静态场一样引入位函数，可取动态矢位A，使得

煤岩动力灾害力电耦合

将（3.16）式代入（3.5）式中，得

煤岩动力灾害力电耦合

再引入动态标位φ，使得

煤岩动力灾害力电耦合

然后将式（3.16）和（3.18）代入（3.9）式，利用矢量恒等式，得到

煤岩动力灾害力电耦合

根据洛仑兹条件：

煤岩动力灾害力电耦合

则（3.19）式变为

煤岩动力灾害力电耦合

将（3.18）式代入（3.11）式，并利用洛仑兹条件，可得

煤岩动力灾害力电耦合

式（3.21）和（3.22）就称为达朗伯方程。求得标位φ和矢位A后，将它们代入（3.16）和（3.18）式中即可获得电场和磁场的解。其解是滞后位，即

煤岩动力灾害力电耦合

式中：k———波数，k=ωdv′———电磁场体电流元。
3.2.2 煤岩破裂过程电偶极子辐射场模型
根据前面煤岩变形破裂电磁辐射产生的机理分析与研究，煤岩受载过程中裂纹的产生与变速扩展产生的电荷分离与振荡是煤岩变形破裂过程电磁辐射产生的原因，这相当于不断变化的电偶极子辐射，并且根据实验研究结果，裂纹一般是是沿着加载方向扩展的，所以可以将受载条件下煤岩内部电磁辐射源看作是许多平行于加载方向的电偶极子组成。
（1）各向同性时煤岩破裂电偶极子辐射模型
何学秋和刘明举通过对煤岩加载过程电偶极子的形成及瞬变的研究，认为：当煤岩相邻颗粒之间发生非均匀变形时，界面处电平衡遭到破坏，在受拉的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，由于煤岩应力的不断变化，引起电偶极子发生瞬变，从而向外辐射电磁波。如图3.1，表示微裂纹扩展瞬间因电子发射而形成的电荷分布。

图3.1 微裂纹尖端的电荷分布


图3.2 电偶极子辐射场示意图

假设煤岩变形破裂电磁辐射为很多电偶极子源共同辐射的结果，如图3.2所示为一单电偶极子在介质中的辐射场示意图，取球坐标系，将电偶极子沿z方向放置，电偶极子的中心置于坐标原点，设电偶极子中的电流I作简谐变化，即I=I0 cos ωt，写成复数形式为I=I0eiωt，且长度l远小于场点与源点之间的距离r。在滞后位（3.23）中，将体电流元转换成线电流元，则电偶极子电流元在空间任意点的矢位为

煤岩动力灾害力电耦合

在球坐标系中，利用矢位和标位可以求得电场和磁场的三个分量分别为

煤岩动力灾害力电耦合

从上式中可以看出，电场强度E=Er+Eθ在包含电偶极子和r的子午面内，H只在φ方向有分量，即垂直于子午面，因此，电偶极子的辐射电磁波为横磁波（TM波）。对于煤岩变形破裂中产生的电磁辐射场就可以看作所有微元体的辐射场的叠加，其中每一个微元体可当作一个电偶极子的辐射。
为求出所有电偶极子源在一定场点的电磁场强度，考虑到直角坐标系三个分量的不变性，将球坐标系的分量分别换算成直角坐标系的三个分量，然后再进行标量叠加，可分别求出电磁场在x，y，z方向的场强值。取定x方向为平行于巷道方向且与测定方向垂直，y方向为平行于巷道且与测定方向一致，z方向为铅垂方向向上，坐标原点为微元体的中心，如图3.2所示。
对于磁场，由于r、θ方向分量为零，所以只考虑φ的分量，将球坐标系中φ方向的单位矢量eφ换算成直角坐标系的单位矢量，即

煤岩动力灾害力电耦合

则（3.26）式变为

煤岩动力灾害力电耦合

同样根据以下直角坐标系与球坐标系单位矢量之间的换算关系式：

煤岩动力灾害力电耦合

将（3.25）式换算成直角坐标系中的三个分量值：

煤岩动力灾害力电耦合

将（3.28）和（3.31）式中的各分量取复数的实部，就得到实际电磁场在某时刻直角坐标系的各个分量值。在介质电性参数不变的情况下，不同时刻的值主要反映在电偶极子的电偶极矩Il的变化上。
若有N个电偶极子辐射源，则某一场点的电场和磁场矢量在直角坐标系中的三个分量可以通过简单的加法得到，即

煤岩动力灾害力电耦合


煤岩动力灾害力电耦合

式中Ex（i），Ey（i），Ez（i），Hx（i），Hy（i），Hz（i）分别为第i个辐射源的电场和磁场分量。
但是根据上面各式的计算方法很复杂，为了进一步简化计算，引入衰减系数概念，假设每一电偶极子辐射的电磁波为简谐波，其传播方向为源点指向场点，可以用下式进行计算：

煤岩动力灾害力电耦合

上式表示电磁波电场和磁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，且磁场矢量位相落后于电场矢量φ。电磁波在有耗介质中的传播情况如图3.3所示，可见电磁场的电场和磁场矢量的幅值均是随着传播过程逐渐衰减的。

图3.3 有耗介质中电磁波的传播

衰减系数α由下式求得

煤岩动力灾害力电耦合

从（3.36）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。电导率、磁导率越大，衰减系数则越大，即电磁波在介质中的损失就越大。

图3.4 电磁辐射示意图

（2）各向异性时煤岩破裂电偶极子辐射模型
设煤岩为各向异性的均匀介质，巷道空间也视为均匀的（ε0、μ0、k0为常数），主破裂区的电磁辐射源理想化为水平和垂直的电或磁偶极子，且辐射源位于煤岩深处h米处，如图3.4所示。
图中，D为辐射源点，A为巷道空间监测点，R为辐射源点与监测点之间的距离；k=2π/λ为波数，λ为电磁辐射波长（m）。再设辐射源电流强度为I，则电偶极矩为P=Idl，磁偶极矩M=IdA。
根据实验研究表明，冲击矿压时煤岩变形破裂电磁辐射的频谱范围很宽，一般在1 kHz～1 MHz之间，相应波长为λ=300～300000 m；而由于采动影响引起的并通过实际应力测定应力集中区域煤岩主破裂带一般离巷道空间距离为几米至几十米，即R≤λ，则各种类型极子源激发的电磁辐射在煤岩和巷道空间中的分布（磁场和电场各分量）分别为：
1）水平电偶极子（HED）

煤岩动力灾害力电耦合

2）垂直电偶极子（VED）

煤岩动力灾害力电耦合

3）水平磁偶极子（HMD）

煤岩动力灾害力电耦合

4）垂直磁偶极子（VMD）

煤岩动力灾害力电耦合

上述各式中，=-ω2μ0ε1 +iωμ0σ1；=-ω2μ0ε0；R2 =ρ2 +h2。
根据上述公式对各种激励方式在巷道空间产生的场效率进行比较，若等效源电流I相等，则

煤岩动力灾害力电耦合

一般在1 kHz～1 MHz频率范围内，v0/v1数量级为10-3～10-4，故由（3.41）式知水平电偶极子的激励效率远远大于垂直电偶极子；由（3.42）式可以看出，HED》VMD；由（3.43）式看出，当监测频率较低时，HED》HMD，当监测频率较高时，HMD》HED。因此，根据以上分析，可把冲击矿压时煤岩破裂应力集中区的电磁辐射源理想化为水平电偶极子和水平磁偶极子的矢量叠加。
（3）电偶极子近区场与远区场以及辐射功率的分析
1）当kr《1时，只考虑波长小很多的区域，可以不考虑滞后效应，忽略（kr）的低次项而保留高次项，则由（3.28）和（3.31）式可得近区场的电场和磁场在直角坐标系的分量式（取实部）为

煤岩动力灾害力电耦合

从上式可以看出，近区场与静电场中等效电偶极子产生的电场相同，在每一瞬时服从稳定场的规律，其中感应场很强，而辐射场可以忽略。
2）当kr》1时，忽略（kr）的高次项而保留低次项，则由（3.28）和（3.31）式可得远区场的电场和磁场在直角坐标系的分量式分别为：

煤岩动力灾害力电耦合

从上式可以看出，远区t时刻的场决定于场源（t时刻的电流分布，也就是在远区显示出滞后效应；并且各方向分量值与r成反比。其中辐射场较强，感应场可忽略。因此，在近区主要显现感应场性质，在远区显现电磁辐射场的性质，但是近区仍然存在辐射场，并且比远区的辐射场大得多。
（4）电偶极子的辐射功率
单位时间内电偶极子向自由空间辐射的能量称为辐射功率，用P表示。则通过半径为r的球面的辐射平均辐射功率由下式决定：

煤岩动力灾害力电耦合

从（3.48）式中可以明显看出，辐射功率与辐射频率是成正比的。接收到的信号功率最大点的频率随着辐射源的距离而发生变化，距离越近频率越大，即电磁辐射信号功率最大点的频率向高频偏移；距离越远频率越小，即电磁辐射信号最大功率点的频率向低频偏移，这一特征为煤与瓦斯变形及破裂突出的预报、定向、定位具有重要意义。

由于煤岩实际受载是处于三维受力状况下的，围压对其力学性质及其本构关系影响很大，众多学者对此进行了诸多研究。陈忠辉等［159］研究认为：随着围压的不断升高，岩石峰值强度也随之增大，且应变硬化阶段初期在不同围压下的本构曲线基本吻合。陈忠辉［160］利用RFPA2D对岩石在不同围压下损伤破坏演化过程进行了数值模拟，基于岩石损伤定义分形维数以描述试样在各种加载条件下微破裂的演化过程。计算结果表明：分形维数和损伤变量随着荷载的增加逐渐增大，岩石的起始损伤随着围压增加而被延迟，试样强度随着围压的增加而增加，其宏观破坏符合Mohr-Coulomb破坏准则。基于煤岩一般是处于三轴受载的实际情况，因此可以从围压的角度来研究围压对煤岩变形破裂电磁辐射的影响，本文将对此进行研究。下面来分析一下煤岩样品在不同围压条件下变形破裂过程中，应力随应变而变化的规律，以及由此产生的相应的电磁辐射脉冲数随着应变的变化关系。
根据式（5.30），利用MATLAB数值处理软件得到轴向应力在不同围压条件下与应变之间的关系曲线如图5.20，5.21，5.22所示，从图中可以看出：
1）轴向应力随应变增加而增大，其曲线与煤岩单轴压缩本构曲线是相似的；
2）图5.20为其他条件相同，而改变m值时的曲线图，随着m的增大，在应变相同的情况下，轴向主应力也是逐渐增加的，说明对于多空隙煤岩材料，均匀度越大则承压能力越强；
3）图5.21为其他条件相同，而改变围压时的曲线图，随着围压增大，在应变相同的情况下，轴向应力是逐渐增加的，说明围压的存在会增加煤岩材料的抗压能力；
4）图5.22则显示了不同弹性模量煤岩的应力应变本构关系，煤岩弹性模量越大，应力变化也越大，说明弹性模量与强度是一致的。
陈忠辉等［160］研究认为：随着围压的不断升高，岩石峰值强度也随之增大，且应变硬化阶段初期在不同围压下的本构曲线基本吻合。陈忠辉［161］利用RFPA2D对岩石在不同围压下损伤破坏演化过程进行了数值模拟，基于岩石损伤定义分形维数以描述试样在各种加载条件下微破裂的演化过程。计算结果表明：分形维数和损伤变量随着荷载的增加逐渐增大，岩石的起始损伤随着围压增加而被延迟，试样强度随着围压的增加而增加，其宏观破坏符合Mohr-Coulomb破坏准则。
如图5.23～5.25所示为考虑围压效应与否时的应力应变关系与电磁辐射同应变之间的对应关系。图5.23为无围压时轴向应力以及由此产生的电磁辐射脉冲数与应变之间的关系曲线；图5.24中纵坐标是无围压时的轴向应力和考虑围压时的轴向应力之比值，两条曲线分别代表低围压（围压=20 MPa）和高围压（围压=60 MPa）的情况；图5.25中的纵坐标为无围压时的电磁辐射脉冲数和考虑围压时的电磁辐射脉冲数之比值，两条曲线分别代表低围压和高围压的情况。从图中可以看出：
1）受载条件下，煤岩介质轴向应力应变特征和电磁辐射脉冲数有着很强的相关作用，随着轴向应变的增加，轴向应力和脉冲数均逐渐增加；电磁辐射活动和煤岩的非弹性应变间接地反映了脆性煤岩材料的损伤程度；
2）当存在围压作用时，轴向应力较不施加围压时在同样应变的情况下是增大的，并且围压越高轴向应力也越大，在变形较小时增加幅度大，这可以从细观微元角度来分析：因为在围压作用下，只有当轴向应变ε1=σc/E+σ3/（2E）时微元体才破裂，而在单轴应力下只要应变ε1=σc/E就发生破裂，也就是说围压的存在提高了微元体的破裂强度；

图5.20 三轴应力应变关系


图5.21 三轴应力应变关系


图5.22 三轴应力应变关系（λ=0）


图5.23 脉冲数、应力与应变之间的对应关系


图5.24 不同围压时应力比与应变的关系


图5.25 不同围压时脉冲数之比与应变的关系

3）同样对于有围压作用时煤岩体变形破裂过程中产生的电磁辐射脉冲数，其在应变相同时之所以较无围压时要少，也可以从这个角度去分析：煤岩强度增加后，变形到某一阶段时破裂的微元体数目就少，因而产生的电磁辐射脉冲数也少。

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RFPA^2D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RFPA^2D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。