電磁輻射技術在煤礦系統中的應用

闞士凱,張 楊,朱 劼,張 繼

(中國礦業大學)

電磁輻射技術在煤礦系統中的應用

闞士凱①,張 楊,朱 劼,張 繼

(中國礦業大學)

目前,煤礦開采中各種煤巖地質災害也日益嚴重,破壞性極大,嚴重威脅煤礦生產安全,如何準確預測這些地質災害,對煤礦安全生產有著重要的現實意義。介紹了電磁輻射在探測煤炭資源、預測沖擊礦壓、煤與瓦斯突出和尋找水患等方面的研究應用,并對其優勢進行分析。

煤礦;電磁輻射;煤巖地質災害;研究;應用

電磁輻射技術是一種地球物理方法。巖石破裂電磁輻射是指巖石受載破裂過程中向外輻射電磁能量的過程或現象。關于巖石破裂電磁輻射效應的研究,在理論上及應用研究方面,都取得了很大的進步。但是研究多限于大理石、花崗巖和石英等堅硬巖石,而且大多數研究僅限于定性研究。目前,電磁輻射技術已經開始應用于煤礦系統,在探測煤炭資源,預測沖擊礦壓、頂板來壓規律、煤與瓦斯突出和尋找水患方面有了飛速發展,對煤礦安全生產起著重要作用。

1 電磁輻射技術在預測沖擊礦壓中的應用

1.1 電磁輻射法預測沖擊礦壓的原理

掘進或回采過程中,圍巖原有力學平衡狀態被打破,應力重新分配,圍巖體向新的平衡狀態轉化。轉化期間煤體必然要發生變形或破裂,從而引起電磁輻射。電磁輻射強度與煤的應力狀態有關,在煤體松馳區域,應力較低,電磁輻射信號較弱,且變化較小;在應力集中區,煤體的變形破裂過程較強烈,電磁輻射信號較強,頻率較高。煤體的應力集中程度越高,發生沖擊礦壓的危險性就越大。因此,根據電磁輻射的信號強弱就可以評價沖擊地壓的危險性。對煤體采用非接觸方式監測的信號是松馳區和應力集中區產生的電磁輻射信號的總體反映,當監測范圍內出現高應力集中區時,接受的信號表現出高應力集中區的特征。因此,可以通過監測煤體的電磁輻射信號來預測監測范圍內高應力集中區的范圍及大小,從而實現煤體沖擊礦壓的監測預報。

1.2 典型應用實例及特點分析

華豐煤礦利用電磁輻射法對3406和2408采煤工作面進行了監測實踐。主要用臨界值法和偏差法對工作面沖擊危險進行預測預報。臨界值法是將正常情況下電磁輻射幅值最大值、電磁輻射幅值平均值或脈沖數的平均值的1.5,作為各自的臨界值,當監測數據大于臨界值時,即預報沖擊危險增強;偏差法是通過分析監測數據與正常情況下平均數據的偏差值大小來預報沖擊危險。電磁輻射監測適于對礦井回采和掘進工作面進行局部地點的預測預報,適于近震、臨震預報。電磁輻射預測沖擊礦壓技術具有非接觸、安全可靠、操作簡便、易判別、預測準確率高等特點。與其它傳統監測手段相比,該方法具有遠距離、動態、三維、實時監測的特點,還可以根據震源情況,確定破裂尺度和性質,為評價全礦范圍內的沖擊礦壓危險提供依據。

2 電磁輻射技術在預測煤礦水患中的應用

2.1 電磁輻射法預測煤礦水患的原理

含水煤巖在變形破裂時能夠產生電磁輻射,煤巖的含水量越大,電磁輻射信號強度越弱,水的存在對電磁輻射產生明顯的影響。另外,水分使煤樣電磁輻射信號的集中程度發生變化,自然原煤的峰前信號不多,含水煤樣在峰前電磁輻射信號增多,但其強度水平低于自然原煤。水對受載煤巖電磁輻射的影響有兩個方面:

一是水對煤巖材料的物理力學性質影響較大,水的浸潤作用使煤巖強度和彈性模量降低,塑性加大,裂紋擴展速率減小,最終使得受載煤巖體產生的電磁輻射強度峰值減小;二是電磁輻射的階段分布特征發生變化,水的存在使煤巖裂紋滑移面的摩擦系數降低,裂紋在較低的應力水平就會產生滑移擴展,產生電磁輻射信號,因此含水煤樣峰前階段電磁輻射信號要明顯多于自然原煤。原煤樣在整個破壞過程中峰前電磁輻射信號比較稀少,而含水煤樣在峰前電磁輻射信號明顯變得豐富,且含水煤樣電磁輻射強度隨含水量增大逐漸降低。由上述可以看出,水對煤樣變形破壞的電磁輻射效應及煤巖物理性質的影響是明顯的。通過電磁輻射信號的強弱,判斷煤層含水量,可以預測煤礦的突水情況。

2.2 應用實例及特點分析

某煤礦利用電磁輻射法對2508采煤工作面進行了實踐,探測其水文斷面圖,等值線值為各點賦水性值,得出結論:切眼向外20～92 m段為輻射信號異常區,在工作面回采時伴隨礦壓來臨,此段極易引起底板突水,建議礦方保持水溝暢通并保證足夠的排水能力。實際回采時,當工作面推進到切眼往外42 m處發生底板突水,水量最大為660 m3/h,最后穩定在540 m3/h。由于提前采取了預防措施,未造成大的災害。

電磁輻射法適宜于區域性煤巖含水區域的初步探測,缺點是大深度探測時縱向分層能力較差,資料解釋仍處于定性和半定量水平。由于煤巖電磁輻射特征受含水量影響的研究還處在定性階段,對于定量的研究還需要進一步做大量的工作,所以該方法在井下仍有很大的應用空間。

3 電磁輻射技術在預測瓦斯突出中的應用

3.1 電磁輻射法預測瓦斯突出的原理。

突出過程是在一定的時間和空間中進行的,是典型的不可逆能量耗散過程。在這一過程中,含瓦斯煤體自外界獲得的能量和自身儲備的能量將以各種形式被耗散,聲發射和電磁輻射是其中的兩種重要的輻射形式。電磁輻射與煤的應力狀態及瓦斯狀態有關,應力越高、瓦斯壓力越大時電磁輻射信號就越強,電磁輻射脈沖數就越大。在采掘工作面前方卸壓區內,煤體發生屈服,大量裂隙形成,應力及瓦斯壓力降低。由卸壓區到應力集中區,應力及瓦斯壓力升高,在垂直于煤壁的內部方向上單位煤體產生的電磁輻射信號也越來越強;在應力集中區,應力和瓦斯壓力達最大值,煤體的變形破裂過程最強烈,電磁輻射源產生的電磁輻射信號最強;進入原始應力區,不同深度方向上電磁輻射源產生的電磁輻射的強度將有所下降。

3.2 典型應用實例及特點分析

九里山礦主采煤層二號煤,煤厚5～6 m,礦井始突標高-80 m,為煤與瓦斯突出礦井。根據采掘作業方式的不同,選取九里山煤礦15031風眼石門揭煤工作面進行電磁輻射測試試驗。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5 m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。可見,用電磁輻射法預測揭石門瓦斯突出危險性及檢驗措施效果是可行的。

電磁輻射法預測技術在此礦區的應用,實現了非接觸、定向、連續預測,而且用電磁輻射法科學評價了煤層瓦斯防突過程及防突效果,評價了石門揭煤過程中瓦斯突出危險性。電磁輻射法評價煤與瓦斯突出危險技術研究的應用,與常規的煤與瓦斯突出危險預測方法相比,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、可連續定點或動態觀測的優點。對于準確預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作用。

4 在地面探測尋找煤炭資源中的應用

4.1 電磁輻射法尋找煤炭資源的原理

電磁頻率測深法是采用可以控制的人工場源的一種電磁勘探方法,通過改變供電和接收信號頻率來達到測深的目的。其中最常用的場源是把可以改變的發送機產生的交變電流,通過一定長度的導線連接到兩個接地的電極上,將交變電流通入大地,通常稱為水平電偶極子;有時也將交變電流通過不接地的水平線圈作為場源,通常稱為垂直磁偶極子。通過對所采集的數據采用曲線類型分析和曲線特征點分析進行定性解釋,用廣義逆矩陣反演法,通過人機對話的形式進行定量反演計算,然后對測量區域資料進行相位轉換處理,推斷此區域是否含有煤并作出評判。

4.2 典型應用實例及特點分析

山西省陽曲縣在山西能源重化工基地太原市的北郊,緊鄰太原鋼鐵公司,是重要的煤炭供給后備產地之一,但在全國第二次煤預測時,這里錯誤地被定為無煤區,其原因是在本測區內曾有一深水孔打過新生界見灰綠色基巖,誤判定為本溪組地層。本區先通過采用電磁測深法進行探測,在電磁勘探期間,對原始資料進行初步定性分析,經解釋后確認本區有含煤構造,并大致圈出煤系地層的范圍。然后布置了查明性鉆探參數孔加以驗證,驗證的目的是查明是否有含煤系地層的存在及有無可采煤礦層。驗證結果確認有含煤的石炭二迭紀地層,并見有山西組、太原組的主要可采煤層4層,可采煤層總厚度6.27 m。后來不斷擴大戰果,把陽曲測區分為東部測區和西部測區,分年度進行勘探,配合鉆探,共查明含煤區面積101 m2,估計D級儲量10億t。電磁測深法在陽曲測區的成功應用,給方法本身應用于全覆蓋區的構造探測深部找煤提供了寶貴的經驗。與常規勘探法相比,電磁輻射法應用簡單,可實現真正的非接觸預測,無需打鉆,大大減少了工作量,對生產影響小,預測準確率高,為準確勘探煤炭起著積極的作用。

5 結 語

電磁輻射技術不僅可以對沖擊礦壓、煤與瓦斯突出等煤巖動力災害實現定向及區域性預測和動態連續監測及預報,也可以檢驗防突措施的效果,且實施時間短,準確率高,是一種很有發展前途的方法。總的來講,電磁輻射的應用研究還處于起步或初步應用階段,且研究及應用領域將會不斷擴大,除應用于煤礦外,在無損檢測、監測地質滑坡、評估大壩、隧道、建筑等巖石混凝土穩定方面也會有非常廣闊的應用前景。

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Applications on Electromagnetic Radiation Technology in Coal Mine System

K an Shi-kai,Zhang Yang,Zhu Jie,Zhang Ji

Today,geological disasters are becoming increasingly serious and devastating in the coal mining,and becoming a serious threat to coal mine production safety,how to accurately predict the production of geological disasters in coal mine safety has important practical significance.In this paper introduces research and application of the electromagnetic radiation in the detection of coal resources,predict burst,and the searching for coal and gas outburst,floods and so on,and make a brief analysis of its strengths.

Coal mine;Electromagnetic radiation;Coal geological hazards;Research;Application

book=6,ebook=1

TD178

B

1672-0652(2010)06-0033-03

2010-03-19

闞士凱 男 1986年出生 2007年中國礦業大學在讀本科生 徐州 221116