1 非接觸式電磁輻射預(yù)測技術(shù)機理

煤體電磁輻射的產(chǎn)生，源于煤體的非均質(zhì)性，是煤體受載變形破裂過程中向外輻射電磁能量的一種現(xiàn)象，與煤體的變形破裂過程密切相關(guān)。

在煤礦采掘過程中，煤體在瓦斯及地應(yīng)力共同作用下發(fā)生變形破壞，其物理力學(xué)特性及邊界條件，特別是地應(yīng)力處于復(fù)雜的動態(tài)變化過程，工作面煤體失去應(yīng)力平衡，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，煤壁中的煤體必然要發(fā)生變形或破裂，以向新的應(yīng)力平衡狀態(tài)過渡，呈現(xiàn)流變特征；煤體中的瓦斯失去動態(tài)平衡，在瓦斯壓力梯度作用下，沿煤體中的瓦斯向工作面空間涌出。在這2種過程中，應(yīng)力（非均勻變速形變）誘導(dǎo)極化及帶電粒子變速運動，電荷遷移及由此引起的宏觀體現(xiàn)，在試樣表面積累電荷，產(chǎn)生低頻電磁輻射；在同時形成的庫侖場（或冷靜電場）的作用下，煤體中發(fā)射出的電子產(chǎn)生加速運動，向外輻射電磁波；同時摩擦等原因也產(chǎn)生帶正（或負(fù)）電粒子產(chǎn)生電磁輻射。即使當(dāng)工作面煤體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)時，由于煤體仍然承受著上覆巖層的應(yīng)力作用，此時工作面煤體處于弱流變狀態(tài)，這同樣會產(chǎn)生電磁輻射。

電磁輻射與煤的應(yīng)力狀態(tài)及瓦斯?fàn)顟B(tài)有關(guān)，應(yīng)力越高、瓦斯壓力越大時電磁輻射信號就越強，電磁輻射脈沖數(shù)就越大。在采掘工作面前方卸壓區(qū)內(nèi)，煤體發(fā)生屈服，大量裂隙形成，應(yīng)力及瓦斯壓力降低。由卸壓區(qū)至應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力及瓦斯壓力升高，在垂直于煤壁的內(nèi)部方向上單位煤體產(chǎn)生的電磁輻射信號也越來越強；在應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力和瓦斯壓力達最大值，煤體的變形破裂過程最強烈，電磁輻射源產(chǎn)生的電磁輻射信號最強；進入原始應(yīng)力區(qū)，不同深度方向上電磁輻射源產(chǎn)生的電磁輻射的強度將有所下降。工作面前方不同深度處應(yīng)力分布與電磁輻射強度E之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 工作面煤體內(nèi)電磁輻射E和應(yīng)力σ分布示意圖

采用非接觸電磁輻射法測定的是總體電磁輻射強度和脈沖數(shù)，是不同深度煤體的應(yīng)力的集中程度、瓦斯壓力的大小和含瓦斯煤體突出危險的程度在測試地點的疊加場的反映，預(yù)測范圍包含了應(yīng)力松馳區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)。

非接觸式電磁輻射動態(tài)預(yù)測技術(shù)，采用超限自動報警和趨勢人工報警2種方式，根據(jù)電磁輻射實測指標(biāo)或監(jiān)測到的電磁輻射信號強度或脈沖數(shù)時間序列的變化趨勢，判斷有無突出危險性。根據(jù)含瓦斯煤受載變形破裂電磁輻射特性、規(guī)律及電磁輻射法預(yù)測突出原理提出，當(dāng)同一班次（或不同班次、不同日期）電磁輻射強度或脈沖數(shù)呈明顯的增長趨勢時，預(yù)測有突出危險，采取防治措施；當(dāng)相鄰班次或連續(xù)2 d以上電磁輻射強度或脈沖數(shù)變化幅度較大，超過一定比例后，表明有發(fā)生突出的危險，應(yīng)采取防治措施；特別是當(dāng)電磁輻射強度或脈沖數(shù)突然大幅度降低時，應(yīng)立即停止作業(yè)，撤出工作人員，并采取措施。

2 非接觸式電磁輻射技術(shù)現(xiàn)場試驗

2.1 試驗區(qū)概況

九里山礦主采煤層二1煤，煤厚5～6m，煤傾角12°～13°，礦井始突標(biāo)高-80 m，為煤與瓦斯突出礦井。根據(jù)采掘作業(yè)方式的不同，分別選取九里山煤礦15011運輸巷掘進工作面和15031風(fēng)眼石門揭煤工作面進行電磁輻射測試試驗。

15011工作面實測原始瓦斯含量30 m3/t•r，瓦斯壓力1.314 MPa。運輸巷掘進期間噴孔、頂鉆及響煤炮等動力現(xiàn)象頻繁，措施、效果檢驗超標(biāo)率達21.2％，措施重復(fù)率高，掘進時曾發(fā)生過1次煤與瓦斯突出，突出煤量135 t、瓦斯量345 74 m3，為一嚴(yán)重煤與瓦斯突出危險工作面。15031風(fēng)眼石門揭煤工作面，位于15011工作面下部，煤層平均厚度5.2 m左右，煤層傾角12°。

2.2 非接觸式電磁輻射預(yù)測儀及使用方法

試驗過程中，采用KBD-5礦用本安型電磁輻射儀對防治區(qū)域進行檢測。KBD-5礦用本安型突出電磁輻射監(jiān)測儀作為電磁輻射預(yù)測的主要儀器，包括高靈敏度寬頻帶定向接收天線、監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理主機、充電器、遠程通訊接口和監(jiān)測及預(yù)報軟件等，可實現(xiàn)定向接收電磁輻射信號、設(shè)置參數(shù)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)查詢、通訊和報警等。KBD-5電磁輻射監(jiān)測及預(yù)警軟件則可實現(xiàn)與監(jiān)測主機進行人機對話：參數(shù)設(shè)定、控制開停、格式化存儲器等；可對同一時間、不同地點或同一地點、不同時間的數(shù)據(jù)進行智能化連接，并進行區(qū)域性或動態(tài)危險性預(yù)報。

KBD-5便攜式電磁輻射監(jiān)測系統(tǒng)信號流程如下：

有突出或沖擊礦壓危險→煤巖強烈變形破裂→發(fā)射電磁輻射信號→定向接收天線→電磁輻射監(jiān)測主機，自動處理數(shù)據(jù)（統(tǒng)計、顯示、存儲）→有危險時自動報警。

也可以對數(shù)據(jù)進一步處理。把監(jiān)測主機帶到地面→RS232接口→計算機→監(jiān)測及預(yù)報軟件→數(shù)據(jù)統(tǒng)計、處理→區(qū)域或動態(tài)危險性預(yù)報。

根據(jù)各工作面實際情況的不同，分別將電磁輻射儀探頭懸掛于測試地點不同位置，電磁輻射觀測點一般距工作面1～1.5 m。

2.3 非接觸式電磁輻射預(yù)測臨界指標(biāo)確定

根據(jù)焦作礦區(qū)煤與瓦斯突出危險性預(yù)測經(jīng)驗，綜合指標(biāo)法效果檢驗臨界值為Rm=6，qm=5 L/min，Sm=6 kg/m。在所有測試數(shù)據(jù)中無一組常規(guī)校檢指標(biāo)數(shù)據(jù)超過臨界值，表明依據(jù)常規(guī)法預(yù)測，15011運輸巷掘進工作面采取防突措施后無突出危險。為確定電磁輻射指標(biāo)臨界值，在無突出征兆的條件下，可按煤層情況（是否出現(xiàn)軟分層、破碎狀況）、突出危險性顯現(xiàn)（卡鉆、噴孔等）和電磁輻射指標(biāo)值等初步認(rèn)定工作面是否具有最大可能的突出危險性，然后以最可能發(fā)生突出危險的電磁輻射指標(biāo)值變化規(guī)律為依據(jù)初步確定其指標(biāo)臨界值。15011運輸巷掘進工作面電磁輻射和常規(guī)測試部分結(jié)果見表1。

表1 15011運輸巷掘進工作面突出預(yù)測指標(biāo)測定值

見表

不同班次測定的電磁輻射強度與常規(guī)預(yù)測指標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。從圖2可以看出，電磁輻射與常規(guī)指標(biāo)中鉆孔瓦斯涌出初速度q、綜合指標(biāo)R對應(yīng)較好：基本上，鉆孔瓦斯涌出初速度q、綜合指標(biāo)R越大，電磁輻射信號越強。電磁輻射與常規(guī)預(yù)測指標(biāo)間呈較好的對應(yīng)關(guān)系?？梢?，常規(guī)預(yù)測指標(biāo)中q、R指標(biāo)較為敏感，電磁輻射強度E和脈沖數(shù)N指標(biāo)變化與鉆孔瓦斯涌出初速度q和綜合指標(biāo)R指標(biāo)變化規(guī)律較為一致，表明電磁輻射強度E最大值的平均值和脈沖數(shù)N平均值指標(biāo)均較為敏感，因此，在確定電磁輻射指標(biāo)臨界值時以常規(guī)預(yù)測的q和R指標(biāo)為依據(jù)。

圖2 15011工作面1#測點電磁輻射與常規(guī)指標(biāo)之間的關(guān)系

3 應(yīng)用效果分析

3.1 電磁輻射預(yù)測石門揭煤過程突出危險性分析為了考察電磁輻射法用于石門揭煤過程預(yù)測突出的可行性，在15031掘進工作面石門揭煤過程中，同時跟蹤測試了電磁輻射及其變化，如圖3所示。6月10日，巖巷距煤層垂直距離為10 m；6月15日，巖巷距煤層垂直 距離為7 m；6月27日巖巷距煤層垂直距離為5m，開始施工兩幫抽放鉆場；7月8日開始施工正前抽放鉆孔；7月12日測試數(shù)據(jù)時正前抽放鉆孔已施工完畢，右?guī)豌@場正在打抽放孔；7月16日測試數(shù)據(jù)時左幫鉆場已打完4個孔，右?guī)豌@場抽放孔全部聯(lián)抽；7月19日測試數(shù)據(jù)時鉆孔全部施工完畢，左幫還未封孔，其余抽放孔在抽放中；7月25日測試數(shù)據(jù)時鉆孔全部聯(lián)抽。

圖3 石門揭煤前電磁輻射及其變化

從圖3可以看出，在掘進石門過程中，距離煤層越近，電磁輻射信號越強，在石門距煤層5m時且掘進抽放鉆場時，電磁輻射最強。隨著打鉆孔進行瓦斯抽放，電磁輻射逐漸減弱?？梢?，用電磁輻射法預(yù)測揭石門突出危險性及檢驗措施效果是可行的。 3.2 電磁輻射檢驗注水防突效果

在15011運輸巷掘進工作面采取中高壓注水綜合防突措施試驗期間，利用電磁輻射儀對注水期間工作面前方的煤體進行了連續(xù)性觀測。通過觀測看到，注水期間工作面前方煤體電磁輻射呈現(xiàn)2種變化：一種是注水期間電磁輻射增強；另一種是注水期間電磁輻射減弱，注水后電磁輻射減弱。實際測試結(jié)果如圖4和圖5所示。 圖4 注水措施前后電磁輻射指標(biāo)變化形式（首次注水）

圖5 注水措施前后電磁輻射指標(biāo)變化形式（再次注水）

從圖4中可以看到：注水措施期間，電磁輻射強度E及脈沖數(shù)N與注水前相比，明顯增加；采取注水措施后，電磁輻射強度E及脈沖數(shù)N與注水前及注水期間相比則降低。

結(jié)合電磁輻射產(chǎn)生機理進行分析認(rèn)為：采取防突措施之前掘進工作面前方存在著較高的集中應(yīng)力，使得煤體中電磁輻射指標(biāo)較大。而注水時施加的壓力，一般大于煤體所承受的應(yīng)力，在其作用下，煤體內(nèi)部閉合裂隙逐步擴大，同時游離瓦斯涌出也十分急劇。此過程中產(chǎn)生的電磁輻射，不僅來自于大于集中應(yīng)力的注水壓力，還來自于游離瓦斯流動排放形成的較高的瓦斯壓力。所以注水過程中的電磁輻射強度大于注水前；高壓水?dāng)y帶煤及瓦斯流的沖擊，又加大了煤體的破碎程度及頻率，因而注水期間脈沖數(shù)與注水前相比，亦顯著加大。注水結(jié)束后，注水壓力解除，巷道前方應(yīng)力集中程度削弱，煤體水分增加、塑性增強，內(nèi)部微孔隙表面的吸附瓦斯在水的作用下封閉，反映煤體承受載荷、變形強度和破碎頻次的電磁輻射強度指標(biāo)E及脈沖數(shù)N，與注水前及注水過程中相比，必然降低。

注水期間輻射強度E與脈沖數(shù)N的變化規(guī)律，反映出注水過程中高壓水對煤體的作用機理。電磁輻射對注水過程的監(jiān)測表明：中高壓注水過程是一個不斷壓裂破碎煤體，并使其趨于穩(wěn)定的過程。

隨著掘進工作面采取注水措施后的不斷推進，煤體濕潤性不斷增加，在再次注水時，煤體的濕潤性繼續(xù)加大，煤體含水量升高，煤體的導(dǎo)電性增強，起到了屏蔽電磁波的作用。因而出現(xiàn)另一種情況，即注水期間電磁輻射減弱（如圖5）。由于煤體水分基本處于飽和狀態(tài)，水分無法向更小的微孔滲透，在注水結(jié)束后，隨著煤體中水分的減少，電阻率增大，接收到的電磁輻射也增強。但煤體水分畢竟進一步升高，所以注水后電磁輻射雖又有所增強，但低于注水前。

同時，從圖5中可以看出，在注水前，電磁輻射信號成紊亂狀態(tài)，而注水后煤層中發(fā)射的電磁輻射信號則平穩(wěn)緩和得多?？梢?，掘進工作面采取注水措施后，前方煤體穩(wěn)定性遠遠好于注水前，一方面應(yīng)力集中程度減弱、瓦斯壓力降低，另一方面煤體結(jié)構(gòu)性能增強。電磁輻射較好地反映了高壓注水措施的防突效果。

3.3 電磁輻射預(yù)測突出敏感指標(biāo)分析

結(jié)合以上分析，綜合比較電磁輻射9個統(tǒng)計指標(biāo)與常規(guī)預(yù)測指標(biāo)及現(xiàn)場突出危險性顯現(xiàn)的對應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在焦作礦區(qū)九里山礦電磁輻射強度極大值的平均值（Emax-avg）和脈沖數(shù)平均值（Navg）對常規(guī)指標(biāo)和突出危險性反映比較敏感，確定電磁輻射強度極大值的平均值（Emax-avg）和脈沖數(shù)平均值（Navg）為突出預(yù)測敏感指標(biāo)。

4 結(jié)論

（1）電磁輻射法預(yù)測技術(shù)在焦作礦區(qū)的應(yīng)用，開發(fā)研制了適應(yīng)性強的煤與瓦斯突出電磁輻射監(jiān)測系統(tǒng)和具有時、空預(yù)測功能的電磁輻射監(jiān)測及分析軟件，實現(xiàn)了非接觸、定向、連續(xù)預(yù)測，而且用電磁輻射法科學(xué)評價了煤層注水防突過程及防突效果，評價了石門揭煤過程突出危險性。

（2）電磁輻射法評價煤與瓦斯突出危險技術(shù)研究的應(yīng)用，與常規(guī)的煤與瓦斯突出危險預(yù)測方法相比，不僅工序簡單、工程量小，而且具有消除人工誤差、觀測范圍廣、可連續(xù)定點或動態(tài)觀測的優(yōu)點。對于準(zhǔn)確預(yù)報煤與瓦斯突出危險，采取針對性的防突和安全措施具有較好的指導(dǎo)作用。

信息來源：《煤礦安全》2005年第7期 （責(zé)任編輯：廖朦）