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煤岩动力灾害电磁辐射预测技术前景展望<sup>［～］<⼀sup>

2025-04-08 08:57:54

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回答1：

预测、预报是人类生存和发展的不可或缺的手段。在预测科学中，有两种不同的途径，反映了两种不同的认识论和方法论。一种是决定论的，就是将预测提为微分方程的初值问题，如气象中的数值天气预报；另一种是不确定论的，就是运用一定样本长度的观测序列建立数学模型，如概率统计模型、模糊集模型等，有着广泛应用的时间序列分析。1960年提出的卡尔曼滤波则将二者结合在一起，其中动态方程通常是由系统的动力学方程变换得到，系数矩阵则运用测量数据进行估计并随着时间作递推运算，但是卡尔曼滤波仍将预测问题视为马尔柯夫过程，即预测只与前一时间有关。曹鸿兴则在对气象研究的基础上提出了动力系统的自忆性原理，其不但在更加广泛的意义上将动力学方程转化为一个自忆性方程，即一个差分-积分方程，而且在方程中能容纳初始时刻前多个时刻的测量值，同时，与卡尔曼滤波一样，用观测数据对记忆函数进行估计，因此自忆性原理是两种方法论融合在数学上的实现。

自忆性原理的基础是解一个差分-积分方程，方程中有一个待估计参数：记忆函数，它是一个非适定问题。推导自忆性方程是对微分方程dx/dt=F（x，λ，t）进行的，只要求有关变量、函数连续、可微、可积，这里表示参数，为状态变量，为时间。因此，自忆性方程是一个非常一般化的方程，无论系统由常微分方程、偏微分方程或者其他方程控制，自忆性原理都是适用的。对于还没有微分方程描述的系统，则可以先使用观测数据反导出一个微分方程，然后将自忆性原理应用到该方程上。煤岩变形破裂过程产生的电磁辐射信号也是一个时间序列，可以用一个或一组微分、积分方程来进行描述，并且具有自忆性，因此可以利用自忆性原理来对此进行研究。

理论和实际应用表明，采用电磁辐射方法对冲击矿压危险性评价与预测预报是行之有效的。电磁辐射信号的产生是由于煤岩变形破裂过程应力场发生变化而产生的，二者具有耦合关系，力电耦合分析与计算结果表明：首先通过应力场的数值模拟可以合理确定出巷道周围煤岩内部应力分布，并提取出应力值，然后根据耦合关系式来得出电磁辐射信号在巷道空间的变化规律，其结果与实际测定结果变化趋势是一致的。因此，本书的研究成果对于合理利用电磁辐射法预测煤岩动力灾害现象具有下面两方面的意义：一是得到了可以从电磁辐射信号与应力耦合的角度来研究煤与瓦斯突出、冲击矿压等煤岩动力灾害危险性预测的电磁辐射预测技术；二是得到了电磁辐射信号主要来源于应力集中区的结论，为煤岩动力灾害危险源的初步定位和定向研究打下了基础。

尽管本书从力电耦合的角度对电磁辐射监测技术进行了初步研究，但是董积平等^［75］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，认为不同形状、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。同样煤岩变形破裂过程电磁辐射信号产生源也随着采掘过程的进行而在不断移动，因此还有许多工作要做。

下面对有待研究的问题和方向进行展望。

1）由于在煤岩变形破电磁辐射的产生与传播不仅与应力有关，而且与电磁辐射信号的产生机理、煤岩力学特性、煤岩内部水和瓦斯流动、电磁辐射信号的衰减有关，天线接收的信号是电磁场量的矢量叠加，因此有必要对电磁辐射产生机理、传播的影响因素进行进一步的研究；

2）对于预测预报煤岩动力灾害现象，监测矿山顶板活动状况来说，消除或减弱外界干扰，实现定位监测和定量预报，是目前急需解决的世界性难题，因此煤岩体变形破裂较为强烈区域的电磁辐射定位技术有待进一步的研究；

3）由于在采掘过程中，应力集中区是不断变化的，应力集中带也是在移动的，从而电磁辐射源的位置和大小都是在不断变化的，因此可以将电磁辐射源看作是一个个有限移动源，其随着采动的影响而变化的规律也有待进一步的研究；

4）煤岩变形破裂过程产生的电磁辐射信号是一个时间序列，因此可以用一个或一组微分、积分方程来进行描述，并且具有自忆性，通过对微、积分方程的控制研究可以对煤岩动力灾害现象危险性进行有效地预测。

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