基于電磁輻射監測特厚煤層綜放開采過程中煤巖動力災害預測

成云海，張 東，李 琳，張 明

(1.安徽理工大學煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽淮南 232001;2.新汶礦業集團水簾洞煤礦，陜西咸陽 712000;3.新汶礦業集團有限責任公司，山東泰安 271200)

0 引言

大量的實驗研究表明，煤巖體受到應力的作用產生變形破裂時，伴隨有電磁輻射的產生［1-5］，應力場的分布及變化對電磁輻射測試值有明顯的影響［6-8］，應力大或應力集中的區域，電磁輻射較強，目前國內許多礦井已采用電磁輻射方法來反映工作面應力變化、預測沖擊地壓等煤巖動力災害［9-14］，但國內外尚未有針對特厚煤層工作面開采的電磁輻射研究。

水簾洞煤礦3807切眼施工至16m時，迎頭遇“劈裂”地質構造，造成大量煤被推出，綜掘機被埋。幾天后，迎頭用綜掘機清理浮煤過程中，又發生了煤矸涌出，將綜掘機后推了8m，將架設的U型鋼棚全部推倒。針對上述動力顯現現象，對水簾洞煤礦特厚煤層綜放面進行電磁輻射監測，分析其電磁輻射強度及脈沖數特征，預測動力顯現的可能性和危險性，對確保安全生產意義重大。

1 工作面基本情況及監測方案

1.1 工作面基本情況

水簾洞煤礦三采區埋深370m，監測地點是3802運輸巷和3807綜放面。

3802運輸巷北鄰已回采結束的3801工作面，距離3801工作面采空區留有8m窄煤柱。斷面為矩形斷面，掘進斷面14.08m2，采用“錨網帶”聯合支護，錨索補強。煤層傾角5°，普氏系數f=3.5。直接頂為中、細砂巖，厚度3m。底板為泥巖，厚度5.9m。掘進至800m處時將遇背斜地質構造。

3807綜放面面長124m，四周為實煤區，煤層均厚14.5m。采用綜放一次采全高，采高3.0m，放煤高度9m，采放比為1∶3。頂板砂質泥巖、老頂為中細砂巖。底板為泥巖。

1.2 工作面監測方案

采用KBD5型礦用本安型電磁輻射儀［12］，非接觸式定向測試，寬頻帶監測，接收頻率為1～500 kHz，有效監測距離為7～22m，監測指標為電磁輻射強度和脈沖數。

1.2.1 掘進工作面電磁輻射監測方案

距3802運輸巷迎頭1～2m設3個測點，每天早班掘進前后分別進行監測。第一個測點在巷道左側，距幫0.7～1.2m，靠近未開采的ZF3802工作面，天線方向是正前方偏左10°;第二個測點正對掘進方向;第三個測點在巷道右側，距幫0.7～1.2m，靠近已采的3801采空區，天線方向是正前方偏右10°。掘進期間，電磁輻射監測作為主要監測手段。

1.2.2 綜放面電磁輻射監測方案

綜放面共84架液壓支架，分別在第4、14、36、50、70、80支架下各布置一個測點，每天中班割煤前后進行監測。

2 綜掘面電磁輻射特征

2.1 正常掘進時電磁輻射特征

圖1為2011年10月綜掘面正前方電磁輻射強度，圖2為掘進割煤前、割煤后數據平均值變化曲線，25日、26日和28日是正常掘進時的監測數據。26日當天掘進割煤后監測過程中受迎頭機械設備的影響，造成了脈沖數的失真，所以此次監測的脈沖數可作為無效數據，不予參考。其余監測時間的電磁輻射強度，掘進割煤后都有不同程度的降低。

特征為:正常掘進過程中強度的平均值，割煤前為11.12mv，割煤后為10.97mv，變化很小，說明正常掘進時，掘進割煤對迎頭前方電磁輻射強度影響很小。

2.2 掘進至背斜軸部時電磁輻射特征

圖1中27日夜班過背斜軸部，此時背斜由上坡變為下坡。

特征為:電磁輻射信號強度較弱，波動也小。27日夜間掘進工作面過背斜軸部期間，從圖中可以看出，電磁輻射強度波動性較大，但強度值不大。割煤后，電磁輻射強度降低到正常掘進時的水平。

圖1 2011年10月綜掘面正前方電磁輻射強度Fig.1 Radiation intensity in front of the Fully Mechanized Workface，Oct.2011

27日過背斜軸部時，與正常掘進時相比，迎頭正前方電磁輻射強度割煤前后都偏大，但其強度仍然較小。掘進割煤后，強度降低了4.81mv，說明掘進割煤使工作面前方的構造應力得到釋放，降低了誘發動力災害的可能性。

圖2 綜掘面電磁輻射強度平均值Fig.2 Average of Electromagnetic Radiation intensity in Fully Mechanized Workface

2.3 煤巖動力災害危險分析

掘進過背斜軸部與無構造時的電磁輻射強度相比，掘進割煤前有10mv左右的增大，割煤后相對小一些，僅有5mv的增大。在數值上，增大程度較小，但相對而言，過背斜構造時的強度割煤前有90%的增大，割煤后有45%的增大。

根據文獻［12］研究結果，從煤的變形破壞試驗結果來看，煤試樣在發生沖擊性破壞以前，電磁輻射強度一般在某個值以下，而在沖擊破壞時，電磁輻射強度突然增加。煤巖體電磁輻射的脈沖數隨著載荷的增大及變形破裂過程的增強而增大。預測該巷道正常掘進時不會發生動力危險，但在有構造的情況下，有弱動力傾向。

3 綜放面電磁輻射特征

3807綜放面早班設備檢修，中班和夜班生產。根據礦上現場情況，2011年11月3日至17日每天中班在綜放隊割煤前，先進行一次電磁輻射監測，待割煤一刀后，進行第二次監測。現場監測過程中，監測數據會受到工作面機械設備的影響，尤其刮板輸送機開啟和停止的瞬間都會引起電磁輻射強度突然出現一個或一組尖脈沖，此時可視為無效數據。生產期間電磁輻射強度和脈沖數的變化情況如圖3—圖6所示，其中8日為周期來壓時的數據，除6日、13日、14日因礦上安全檢查未進行監測外，其余時間為正常回采時的數據。

3.1 3807綜放面正常回采時電磁輻射特征

3.1.1 強度特征

圖3為綜放面割煤前電磁輻射強度平均值的變化情況，圖4為割煤后強度平均值的變化情況。

特征為:割煤前5日到7日電磁輻射強度平均值偏大，達到70～120mv，是來壓前的壓力顯現，但其強度較來壓時偏小，其余時間內維持在10～50mv。來壓后，電磁輻射強度恢復到較低值，并保持穩定。

圖3 2011年11月綜放面割煤前電磁輻射強度Fig.3 Radiation intensity before coal cutting of the Fully Mechanized Caving Face，Nov.2011

圖4 綜放面割煤后電磁輻射強度Fig.4 Radiation intensity after coal cutting of the Fully Mechanized Caving Face

與割煤前相比，割煤后電磁輻射強度總體變化趨勢與割煤前相同，但表現出不穩定性。受割煤影響，工作面前方煤體內應力發生變化，打破割煤前的準應力平衡狀態，在數據上表現為部分數據高于割煤前，但同時也有部分數據比割煤前要低，短時間內處于應力集中狀態，煤巖的流變破壞較劇烈，釋放出大量的電磁波，這種現象隨時間的推移會逐漸降低，并逐漸恢復到割煤前的水平。

3.1.2 脈沖數特征

圖5為綜放面割煤前電磁輻射脈沖數的變化情況，圖6為割煤后脈沖數的變化情況。

特征為:根據協莊煤礦《沖擊地壓工作面預測與防治技術》項目研究報告，脈沖數較大時為35000次左右，強度較大時為300mv左右。特厚煤層綜放面的電磁輻射脈沖數明顯偏大，5日到7日脈沖數最大，高于105，其余時間在(8～10)×104范圍內波動。割煤后，變化趨勢大致與割煤前相同。但在割煤后，工作面前方煤體上的壓力得到一定程度的釋放，脈沖數集中在一個更小的范圍內波動，并基本穩定。

圖5 綜放面割煤前電磁輻射脈沖數Fig.5 Pulse number of Electromagnetic Radiation before coal cutting of the Fully Mechanized Caving Face

圖6 綜放面割煤后電磁輻射脈沖數Fig.6 Pulse number of Electromagnetic Radiation after coal cutting of the Fully Mechanized Caving Face

3.1.3 煤巖動力災害危險分析

根據文獻［12］研究結果，3807綜放面沒有來壓期間，預測沒有動力危險，可按作業規程正常回采。

3.2 3807綜放面周期來壓時電磁輻射特征

3.2.1 強度特征

圖3、圖4中，8日為周期來壓時電磁輻射強度的監測數據。特征為:

(1)周期來壓前，強度又一個征兆性的增大，但相比來壓時的強度略低，如5日的數據;

(2)來壓時，除80支架下的監測數據外，其余測點強度出現最大值，割煤前達到150～185mv。割煤后強度略有減小，但仍維持在一個較高的幅值，在130～150mv。80支架前方電磁輻射強度沒有大的變化，預測80支架下沒有周期來壓，81～84支架下也沒有來壓。

3.2.2 脈沖數特征

圖5、圖6中，8日為周期來壓時電磁輻射脈沖數的監測數據。特征為:

(1)周期來壓前，脈沖數增大，出現一個較大值，如5日數據，部分數據接近1.2×105;

(2)來壓時，割煤前后脈沖數都降低到一個極小值，不到104，此時頂板失穩，位于采空區上部已經失穩的頂板與煤體上部的頂板形成平衡結構，結構的保護作用，使工作面前方煤體上方壓力減小。

3.2.3 煤巖動力災害危險分析

根據文獻［12］研究結果，3807綜放面周期來壓時，電磁輻射強度較正常回采時有大幅度增大，脈沖數有大幅度的減小，預測有弱動力發生可能性。現場采取的頂煤預裂，有助于消除動力傾向。

4 結論

研究得到了特厚煤層掘進和開采導致的電磁輻射脈沖數和強度特征，與薄煤層相比，特厚煤層綜放面脈沖數非常大，是薄煤層脈沖數的10～20倍，強度也略高。另外，來壓時強度變化趨勢與薄煤層相同，都是來壓時強度達到最大值，但特厚煤層在來壓時，脈沖數降低到一個極小的值。

應用電磁輻射技術可以對特厚煤層開采進行動力災害預測，現場應用應采用多參數分析提高預測精度。

［1］何學秋，王恩元，聶百勝，等.煤巖流變電磁動力學［M］.北京:科學出版社，2003.HE Xueqiu，WANG Enyuan，NIE Baisheng，etal.Electromagnetic dynamics of coal or rock rheology［M］.Beijing:Science Press，2003.

［2］撒占友，何學秋，王恩元.煤巖流變電磁輻射效應及突出預測［M］.北京:煤炭工業出版社.2006.SA Zhanyou，HE Xueqiu，WANG Enyuan.Electromagnetic emission effect during the fracture of coal or rock in predicting coal and gas outburst［M］.Beijing:China Coal Industry Publishing House，2006.

［3］竇林明，王云海，何學秋，等.煤樣變形破壞峰值前后電磁輻射特征研究［J］.巖石力學與工程學報，2007，26(5):908-914.DOU Linming，WANG Yunhai，HE Xueqiu.Study on electromagnetic emission characteristic for coal sample deformation and failure during pre-and post-peaking phases［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26(5):908-914.

［4］王恩元，何學秋，劉貞堂，等.煤巖變形破裂電磁輻射規律及其應用研究［J］.中國安全科學學報，2000，10(2):35-39.WANG Enyuan，HE Xueqiu，LIU Zhentang，et al.The regularity electromagnetic radiation of coal or rock under load and its application［J］.China Safety Science Journal，2000，10(2):35-39.

［5］JIA Huilin，WANG Enyuan，SONG Xiaoyuan，et al.Correlation of electromagnetic radiation emitted from coal or rock to supporting resistance［J］.Mining Science and Technology，2009，19:317-320.

［6］肖紅飛，何學秋，馮濤，等.單軸壓縮煤巖變形破裂電磁輻射與應力耦合規律的研究［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(23):3948-3953.XIAO Hongfei，HE Xueqiu，FENG Tao，et al.Research on the coupling laws between EME and stress fields during the deformation and fracture of coal or rock mono-axial compression［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(23):3948-3953.

［7］李忠輝，王恩元，何學秋，等.掘進工作面前方電磁輻射分布規律研究［J］.中國礦業大學學報，2007，36(2):142-147.LI Zhonghui，WANG Enyuan，HE Xueqiu，et al.Study of distribution of electromagnetic radiation of coal or rock before driving face［J］.Journal of China University of Mining and Technology，2007，36(2):142-147.

［8］劉曉斐，王恩元，何學秋，等.回采工作面應力分布的電磁輻射分布規律［J］.煤炭學報，2007，32(10):1019-1022.LIU Xiaofei，WANG Enyuan，HE Xueqiu，etal.Electromagnetic radiation laws of the stress distribution in working face［J］.Journal of China Coal Society，2007，32(10):1019-1022.

［9］王恩元，何學秋，聶百勝.電磁輻射法預測煤與瓦斯突出原理［J］.中國礦業大學學報，2000，29(3):225-229.WANG Enyuan，HE Xueqiu， NIE Baisheng，et al.Principle ofpredictingcoaland gasoutburstusing electromagnetic emission［J］.Journal of China University of Mining ＆ Technology，2000，29(3):225-229.

［10］劉曉斐，肖棟，邵學峰，等.礦井沖擊危險電磁輻射連續監測及預測研究［J］.煤田地質與勘探，2007，35(6):67-69.LIU Xiaofei，XIAO Dong，SHAO Xuefeng，etal.Electromagnetic radiation law of continuous monitoring and forecasting rock burst in coalmine［J］.Coal Geology and Exploration，2007，35(6):67-69.

［11］何學秋，聶百勝，王恩元，等.礦井煤巖動力災害電磁輻射預測技術［J］.煤炭學報，2007，32(1):56-59.HE Xueqiu，NIE Baisheng，WANG Enyuan，etal.Electromagnetic emission forecasting technology of coal or rock dynamic disasters in mine［J］.Journal of China Coal Society，2007，32(1):56-59.

［12］鄧洪波，王恩元，劉曉斐.薄煤層開采工作面電磁輻射特征［J］.河南理工大學學報，2011，30(4):406-410.DENG Hongbo，WANG Enyuan，LIU Xiaofei.EMR characters of thin coal seam workface［J］.Journal of Henan Polytechnic University，2011，30(4):406-410.

［13］王恩元，何學秋，劉貞堂，等.煤巖動力災害電磁輻射監測儀及其應用［J］.煤炭學報，2003，28(4):366-369.WANG Enyuan，HE Xueqiu，LIU Zhentang，etal.Electromagnetic radiation detector of coal or rock dynamic disasters and its application［J］.Journal of China Coal Society，2003，28(4):366-369.

［14］SONG Dazhao，WANG Enyuan，WANG Chao，et al.Electromagnetic radiation early warning criterion of rock burst based on statistical theory［J］.Mining Science and Technology，2010，20:686-690.