電磁輻射法在煤巖動力災害預測預報中的應用研究現狀和進展

吉林化工學院 環境與生物工程學院 葛 及 歐陽文璟 付 凈 劉 輝

電磁輻射法在煤巖動力災害預測預報中的應用研究現狀和進展

吉林化工學院 環境與生物工程學院 葛 及 歐陽文璟 付 凈 劉 輝

我國是世界上煤巖動力災害最嚴重的國家，截至2010年，我國已備案的煤巖動力災害礦井已超過1 420個。由于種種原因，還有超過1倍數量的這類礦井沒有備案。據不完全統計，我國累計發生動力災害已超過31 000次，平均每年死亡近300人。隨著煤礦開采深度的不斷增加，災害預防的難度也不斷加大，災害所帶來的人員和財產損失也更為嚴重，遏止煤巖動力災害事故已成為今后減少煤礦重特大事故的重中之重。

電磁輻射理論在許多領域都有著十分廣泛的應用，而電磁輻射技術在煤礦安全生產中的應用也是越來越廣泛，尤其在煤礦安全動力學災害預測預報、監測監控等方面有著重要作用。本文，筆者首先闡述了電磁輻射技術在煤巖動力災害中的應用原理，并著重介紹了電磁輻射法在礦井沖擊地壓、煤與瓦斯突出、巖爆、頂板穩定性等煤巖動力學災害預測預報、穩定性監測監控方面的應用現狀及發展趨勢，同時對電磁輻射法在煤巖動力災害預測預報中的應用作出了展望。

一、電磁輻射法在煤巖動力災害中的應用研究現狀

煤巖動力災害包括煤與瓦斯突出、礦井沖擊地壓、頂板災害、突水等煤礦生產過程中發生的常見事故。目前，對煤巖電磁輻射法在煤巖動力災害中的實際應用主要集中在以下幾個方面。

1.電磁輻射法在煤與瓦斯突出預測中的研究現狀。煤與瓦斯突出等煤巖災害動力現象的危害巨大，不僅威脅工作人員的人身安全，而且影響正常生產，增加了生產成本，嚴重影響了煤礦的社會效益和經濟效益。使用電磁輻射法預測預報煤巖動力災害具有非接觸區域性、較大范圍，連續動態監測、節省大量鉆探工程量、對生產影響小、及不受煤巖體在空間上分布不均勻和時間上不穩定的影響等優點。目前，該技術裝置在焦作礦區、淮南礦區、沈陽紅菱煤礦、徐州張集煤礦等用于預測煤與瓦斯突出災害。實踐應用的結果表明，用電磁輻射法預測煤與瓦斯突出等煤巖動力災害不但是可行的，而且相對于其他預測預報方法，準確率得到了明顯提高。

2.電磁輻射技術在礦井沖擊地壓的預測預報的應用。沖擊礦壓是礦山開采中常發生的煤巖動力現象之一。這種動力災害通常是在巖體力學系統達到極限強度時，聚積在巖體中的彈性能量以突然、急劇、猛烈的形式釋放，在井巷中發生爆炸性事故，造成巖體振動和破壞，動力將巖體拋向井巷，同時發出強烈聲響，造成支架與設備、井巷的破壞，人員的傷亡等。

中國礦業大學王恩元、何學秋等人運用研制的KBD5 礦用本安型電磁輻射監測儀測試煤礦采掘過程中工作面煤巖體的電磁輻射，分析了電磁信號與采掘工藝及煤巖動力災害危險性等的關系。研究結果表明，煤礦采掘過程伴隨產生電磁輻射，電磁輻射是煤體受到采動影響后應力重新分布或變形破裂趨向新的平衡的結果；有煤與瓦斯突出和沖擊地壓危險時，有明顯的電磁異常前兆；采取防治措施后，電磁輻射顯著下降。

目前該項技術及裝備已在有煤巖動力災害危險的礦井進行試驗或推廣應用。如，在徐州三河尖煤礦、撫順老虎臺煤礦、新汶華豐煤礦、大屯孔莊煤礦和兗州東灘煤礦等用于預測沖擊地壓。在這些煤礦測試得到的大量數據結果表明，采用電磁輻射法在預測沖擊地壓方面效果顯著，其預測預報的準確率很高。

3.電磁輻射法在巖爆監測中的應用研究現狀。巖爆通常是指煤炭開采過程中開挖空間或者誘發造成的周圍巖體的突然破壞，同時伴隨有受壓巖石突然釋放的應變能。這類煤巖動力災害往往是以大量的巖石坍塌、巖石彈出、或礦震形式表現出來的一種動力現象，對礦山和隧道的安全構成嚴重威脅，容易造成大量人員傷亡的事故發生。由此可見巖爆預測工作對于煤礦安全工作的重要性。預測巖爆就是要在巖爆工作的準備及發動階段，根據前兆信息判斷巖爆的危險程度。

何學秋、竇林明等學者則通過對煤巖加載試驗過程中產生的電磁輻射信號進行記錄，得出了煤巖受載失穩破壞前的電磁輻射信號前兆規律，并在山東某金礦中得到實際運用，為巖爆災害預測預報工作奠定了理論試驗基礎。劉建輝、李化敏等人使用KBD5礦用本安型磁輻射監測儀對平煤集團公司某一煤礦掘進巷道的巖爆現象進行了監測監控，其監測指標有兩個：電磁輻射強度值或幅值、電磁輻射脈沖數，在預測預報巖爆災害中取得了良好的效果。

4.電磁輻射法預測采空區頂板穩定性方面的研究現狀。煤巖受載變形破裂過程中會向外輻射電磁能量，即煤巖電磁輻射。一般情況下，隨著煤巖應力的增加，煤巖變形破裂過程會進一步加劇，煤巖中的電磁輻射信號也就越強。電磁輻射的幅值大小能夠反映煤巖體的應力大小，而脈沖數則反映了煤巖體的變形破壞程度。因此，工作人員可以通過對煤壁前方產生的電磁輻射信號進行分析來推斷頂板的穩定性。

王恩元等人應用KBD5礦用本安型電磁輻射監測儀對堅硬煤巖層的電磁輻射特性進行了實驗研究。研究結果表明，在礦山采掘過程中，伴隨頂板活動會產生明顯的電磁輻射信號，頂板垮落前電磁輻射有異常反映，表現為異常增大或呈現增長趨勢；用電磁輻射法監測預報頂板垮落是可行的，且具有快捷、方便、準確率高的優點。KBD5型電磁輻射監測儀便攜式儀器不受人工操作和工作面含瓦斯煤巖體分布不均勻的影響，采用靜態臨界值法和動態趨勢法對危險性進行判定，能大幅度提高預測的準確性和可靠性。

二、結論和展望

電磁輻射法最先應用于巖石破裂電磁輻射的觀測和應用，是從地震工作者發現地震前有電磁輻射異常開始的。道目前為止電磁輻射法在地震預報方面已取得了比較令人滿意的成果，有關學者又將電磁輻射法運用到預測預報煤巖體動力災害現象的研究中，并取得了一系列研究成果。中國礦業大學的專家學者通過對受載煤巖體及瓦斯解吸流動等情況下的電磁輻射進行深入研究，得到了受載煤巖體在變形破裂前的電磁輻射信號前兆規律，這對于預測預報煤巖動力災害現象具有重要意義。由中國礦業大學開發的KBD5和KBD7兩個型號電磁輻射預測技術及監測儀通過非接觸監測煤巖體變形破裂過程中的電磁輻射信號及其變化規律，動態監測預報煤與瓦斯突出和沖擊地壓等煤巖動力災害。目前，該設備裝置已經在我國二十多個礦井進行了煤與瓦斯突出、沖擊礦壓的試驗及推廣。已進行的試驗及推廣應用情況表明，到目前為止，沒有發生過煤巖動力災害的危險性漏報情況，在預測無危險的準確率達100%，有危險的準確率達70%以上，為煤礦安全生產提供了有力保障。

總之，煤巖電磁輻射理論在安全工程中有著十分廣泛的應用范圍和應用前景。然而，由于煤巖動力災害的復雜性，電磁輻射法在煤巖動力災害預測預報中的應用還面臨著許多亟待解決的問題，也有待于工作人員對此進行進一步地深入研究。