煤巷掘進過斷層電磁輻射變化規律

介亞文 郝延坤 馬艷軍 王召陽 趙 菲

（河南平寶煤業有限公司，河南 許昌 461714）

煤巷掘進施工時，經常遇到落差較大的斷層構造，斷層的存在會對附近區域地應力分布、瓦斯賦存和煤的物理性質產生重要影響[1-4]。在各種斷層中，逆斷層為壓扭性斷層，封閉構造，瓦斯含量較高，瓦斯壓力大，突出危險性較大，因此在突出煤層中掘進煤巷過逆斷層時，要加強突出危險性預測和防治工作。電磁輻射(EMR)法預測煤與瓦斯突出是由中國礦業大學王恩元教授等人在多年深入研究后提出的新方法，已在全國多個礦區應用，這種方法實現了非接觸預測，無需打鉆，大大減少了工作量，對生產影響小；易于實現定向及區域性預測，不受含瓦斯煤體分布不均勻的影響；可實現動態連續監測及預報，能夠反映含瓦斯煤體的動態變化過程；既能探測煤壁附近的突出危險性及突出危險帶的方位，又能檢驗防突措施的效果[5]。電磁輻射與煤巖體的載荷及變形破裂密切相關，基本上隨著載荷及變形破裂的增大而增強，電磁輻射指標綜合反映了煤與瓦斯突出的主要影響因素，用電磁輻射法預測煤與瓦斯突出是可行的[6]。在平煤集團某礦掘金煤巷過逆斷層期間，用電磁輻射監測儀跟蹤監測了電磁輻射的變化情況，通過對這些數據的分析，得到了在此期間電磁輻射變化的初步規律，用于指導防治煤與瓦斯突出工作。

1 工作面概況

所選實驗礦井為突出礦井，所選掘進巷道為一采面回風巷道，設計長960m，地面標高為556～675m，工作面標高約300m。巷道處于己組煤層內，為穩定可采煤層，煤層平均厚度約6.2m，煤層傾角2～6°，煤層以黑色亮煤為主，具有金屬玻璃光澤，f=0.84。相對瓦斯涌出量16.6m3/t，單巷掘進時瓦斯絕對涌出量1.0～5.6m3/min，煤層原始瓦斯壓力2.12MPa，瓦斯放散初速度大于30，巷道頂底板情況見表1所示。

表1 煤層頂底板情況Tab.1 The roof and floor circumstance of coal seam

巷道采用雙巷掘進，先沿一巷單巷掘進，所選巷道巷道掘進至608m 時附近時，遇到一個逆斷層，走向近南北，傾向西，傾角30°左右，落差7.8～8.3m，斷層情況如圖1 所示。

圖1 斷層剖面圖Fig.1 The profile of the fault

2 電磁輻射監測儀現場數據采集

電磁輻射監測儀分為便攜式和在線式兩種，便攜式電磁輻射監測儀KBD5 可以對不同的區域進行測試，比較靈活；在線式電磁輻射監測儀KBD7 可以長時間連續對煤體進行監測，適合于同一地點的連續監測。

2.1 KBD5 電磁輻射監測儀的測試方案

在所選巷道掘進工作面左前方、正前方和右前方各布置一個測點，距離迎頭1～1.5m 朝向巷道兩幫各布置一個測點，共5 個測點。電磁輻射天線距煤壁0.6～0.8m，天線中縫朝向頂板，每個測點測試2 分鐘，如圖2 所示。

圖2 掘進工作面KBD5 測點布置圖Fig.2 KBD5 monitoring points arrangement of coal heading face

2.2 KBD7 電磁輻射儀的測試方案

KBD7 通過KJ90 監控系統分站提供工作電源和進行數據傳輸，掛放在掘進煤巷的右幫，電磁輻射監測儀天線的布置距離迎頭5 米以內，朝向迎頭中央，電磁輻射天線要隨工作面的推進同步前移。煤巷掘進工作面電磁輻射的測點布置情況，見圖3。

圖3 掘進工作面KBD7 電磁輻射測點布置示意圖Fig.3 KBD7 monitoring points arrangement of coal heading face

3 電磁輻射數據處理及分析

準備過斷層之前，煤巷掘進工作面前方進行了長時間的瓦斯抽放，開掘前，工作面前方煤層實測瓦斯含量為7.8714m3/t，瓦斯壓力0.51MPa。為了描述在過斷層過程中的電磁輻射變化的規律，用KBD5從距斷層10m 處每掘進2m 測試其電磁輻射強度，并把每次測試的5個點取平均為該位置處的電磁輻射強度值，得到KBD5 測試電磁輻射強度隨掘進不同位置的變化情況圖，如圖4 所示。

圖4 過斷層KBD5 電磁輻射強度變化情況Fig.4 EMR intensity variation of KBD5 in period of traversing fault

期間KBD7 連續跟蹤監測了掘進工作面電磁輻射變化情況，為了能和KBD5 強度值對比分析，將KBD7 每小時內的數據取平均，并注明在過斷層期間的位置，得到KBD7 測試電磁輻射強度數據隨斷層掘進的變化情況，如圖5 所示。

圖5 過斷層KBD7 電磁輻射強度變化情況Fig.5 EMR intensity variation of KBD7 in period of traversing fault

由于KBD7 和KBD5天線的接收范圍不同，如圖2 和圖3 所示，造成KBD7 和KBD5 監測到的數據不在一個水平上，但并不影響我們的分析。圖4 和圖5 中位置顯示的“斷層”處即揭露上盤煤層后、上下盤煤層同時存在并且中間有夾矸的情況，直到下盤煤層和斷層破碎帶夾矸消失后稱為斷層結束，“前10”表示工作面距即將揭露上盤煤層處的距離，“后2”表示工作面距下盤煤層和夾矸消失處的距離。

由圖4 和圖5 都可以看出，在揭露上盤煤層之前，隨著巷道工作面向斷層破碎帶的移動，電磁輻射強度都在逐步上升，并在揭露上盤煤層之前達到最大值。在揭露上盤煤層之后，電磁輻射強度迅速減小，之后圖4 中在出現一個較大的上升點，而圖5 中則有微弱的上升，之后又下降。在下盤煤層和破碎帶夾矸消失后，兩圖中的電磁輻射強度都處于相對較低的階段，在圖4 中有一個幅度不大的上升再下降過程。在兩圖中，除了上述已解釋的強度值不處于一個水平的原因外，強度的變化趨勢基本一致。圖4 中的數據變化比圖5 中的數據變化較為敏感，這是由于KBD5 監測的區域距離煤巖壁較近，且監測時間較短，只有兩分鐘，數據較少；而KBD7 一直連續監測，數據量較大，每個小時數據平均后，數據的變化較KBD5 平緩。由兩圖可以看出，破碎帶傾角小于45°，斷層破碎帶壓力主要影響下盤煤層，對上盤煤層影響不大[7]。在工作面靠近破碎帶揭露上盤煤層之前，工作面前方頂板巖層給工作面和斷層間的煤巖柱加壓，且上下盤之間有一層較厚完整性較好的泥巖，承載著大量上盤煤巖的壓力，并且對上盤煤層的瓦斯有封閉作用，于是在靠近破碎帶處就產生了較高的應力集中，使得此處的電磁輻射強度達到最大值。當揭露上盤煤層后，瓦斯可以迅速釋放，并且因頂板（傾斜泥巖）被切斷，失去傳遞力的作用，應力釋放，使電磁輻射強度值迅速下降；另一方面，采用坡度為15°的上山和U 型鋼架棚支護穿過斷層，使得斷層和巷道的夾角增大，減小了斷層對巷道的影響范圍，增大了巷道頂板支護物的支撐能力，使得上盤煤巖壓力轉移到U 型鋼支護物上，而使工作面前方的應力降低[8]，從而使電磁輻射強度值明顯降低。斷層破碎帶對上盤煤層壓力幾乎沒有影響，但由于采用上山掘進過巷道，使得巷道存在一個傾角，在沒有完全穿過斷層之前引起應力稍微集中，使得電磁輻射值增大，等巷道工作面完全穿過斷層之后，電磁輻射值恢復正常。

4 結論

通過以上分析可以得出結論：煤巷挑頂過逆斷層過程中，下盤煤層電磁輻射強度值逐漸升高，越靠近斷層值越大，在揭露上盤煤層之前達到最大值，穿過斷層后電磁輻射強度值迅速降低，并且穩定在較低水平。通過電磁輻射的變化情況可以得知斷層破碎帶對上盤煤層壓力分布影響很小，但會引起下盤煤層區域的應力集中，同時由于斷層對上盤煤層瓦斯的封閉作用，使得瓦斯壓力增大，在揭露上盤煤層時，突出危險性增大。

［1］胡戈.綜放開采斷層活化導水機理研究[D].徐州：中國礦業大學，2008.

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［3］任奮華，蔡美峰，來興平.河下開采覆巖破壞規律物理模擬研究[J].中國礦業，2008，17(3)：51-54.

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［5］王恩元，何學秋，忠輝，等.煤巖電磁輻射技術及其應用[M].北京：科學出版社，2009，1.

［6］王恩元，何學秋，聶百勝，等.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)：225-228.

［7］趙德昌.斷層破碎帶圍巖壓力[J].礦山壓力與頂板控制.

［8］王顯政，楊富，朱鳳山，等.煤礦安全新技術[M].北京：煤炭工業出版社，2002.