基于電磁輻射峰谷比值法的煤與瓦斯突出預警*

陳 亮,范志浩,付江偉 ,周銀波

(1. 中原工學院 能源與環境學院，河南 鄭州 450007; 2. 河南理工大學 河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室——省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454000; 3. 河南工程學院 安全工程學院，河南 鄭州 450007)

0 引言

近些年，隨著礦井開采深度和開采強度的不斷增加，地應力、瓦斯壓力不斷增大，煤與瓦斯突出的復雜性和危險性顯著增加，防突工作的壓力越來越大。常規的煤與瓦斯突出預測技術，如鉆屑瓦斯解吸指標法、鉆屑量法等已經不能完全滿足安全生產的需要。研究煤與瓦斯突出預測新方法受到了廣泛的關注。梁躍強等[1]應用投影尋蹤方法和聚類方法構建了煤與瓦斯突出危險性預測的投影尋蹤聚類模型；張慶華等[2]建立了1套遠場與近場相結合的兩級煤與瓦斯突出動態預測方法，將宏觀瓦斯地質量化評級技術與工作面實時預測技術進行了有效融合，并基于GIS平臺開發了配套的煤與瓦斯突出預測軟件系統；張友誼等[3]通過綜合運用網絡分析法和多類別距離判別法對灰色關聯模型中的輸入端和輸出端進行研究，建立了煤與瓦斯突出多指標耦合預測模型；杜振宇等[4]篩選煤與瓦斯突出預警指標，運用層次分析法確定各預警指標權重系數，基于可拓學理論構建出煤與瓦斯突出預警模型。

地球物理方法被認為是有良好應用前景的煤與瓦斯突出預測方法。常用的地球物理方法有聲發射監測技術、微震監測技術、電磁輻射(EMR)監測技術等。陳玉濤等[5]采用聲發射連續預測技術對煤與瓦斯突出進行了現場監測；Lu等[6-7]研究微震和聲發射的頻譜獲得煤巖動力災害前兆。電磁輻射預警技術已經在中西部、東北地區部分礦區得到應用，實現了在線式實時監測預警[8]。Wang，He等[9-11]通過建立煤巖動力災害的電磁輻射預警準則，得到煤與瓦斯突出的預警臨界值系數和動態變化趨勢系數的理論確定方法，并提出電磁輻射分級預警技術方法。為了進一步提高電磁輻射預警準確性，減少誤報現象，本文在分析大量電磁輻射現場數據基礎上，提出電磁輻射預警煤與瓦斯突出危險的新方法—電磁輻射峰谷比值法。

1 電磁輻射峰谷比值法

電磁輻射是煤巖體受載變形破裂過程中向外釋放的一種電磁能量，與煤巖體受載狀況及變形破裂過程密切相關。受載條件下的煤巖體在變形破裂過程中會向外輻射各種能量，包括彈性能、熱能、聲能、電磁能等。煤巖受到的載荷越大，變形越大，所具有的能量越高，向外輻射的電磁輻射能量也就越高，電磁輻射用于煤與瓦斯突出危險的監測預警也已經在多個礦區得到了應用[12]。

1.1 數據采集儀器

電磁輻射數據采集儀器采用GDD12聲電傳感器，如圖1所示。儀器主要由聲電傳感器主機、寬頻帶電磁輻射定向接收天線、聲發射探頭及遙控器等。儀器通過接收工作面煤巖體變形破裂過程中產生的電磁輻射信息來預測煤巖動力災害危險性。儀器可與KJ系列煤礦安全監測系統進行連接，可對工作面某一危險區域實施不間斷、連續監測預報。

圖1 GDD12聲電傳感器Fig.1 Acoustic and electromagnetic radiation sensor of GDD12

儀器布置在距離迎頭5 m以內的掘進工作面，朝向迎頭中央，如圖2所示。測試過程中天線與瓦斯探頭及動力電纜、信號電纜保持1 m以上的距離。電磁輻射天線及儀器主機隨工作面的推進同步前移。

圖2 儀器布置示意Fig.2 Schematic diagram of instrument layout

1.2 預警方法的提出

許多煤礦采用“三八制”的工作模式，即每天有3個班組輪流作業。這幾個班組的工作內容，工作方法，工作強度等對工作面的擾動不盡相同，這也導致工作面前方煤體應力存在一定的差異，直觀表現為每個班次的電磁輻射強度存在波動。

圖3為2013年11月21日16時—12月30日12時采集的電磁輻射監測數據。以貴州省六盤水市義忠煤礦11112風巷的電磁輻射數據為例，其中11月24日22∶08—11月26日12∶40由于井下線路損壞未采集到數據。從圖3中可以清晰看出，電磁輻射數據波動較為劇烈，波動范圍為12～505 mv。

圖3 2013年11月21日16時—12月30日12時監測數據Fig.3 Monitoring data from 16:00 on November 21 to 12:00 on December 30, 2013

以義忠煤礦同一班組在11月27日和28日的0點班時的電磁輻射信號為例(見圖4)。27日電磁輻射瞬時強度最低104 mV，最高192 mV；28日0點班期間，電磁輻射瞬時強度最低69 mV，最高139 mV。這也從另外一方面說明如果僅采用單一臨界值法預警難免會產生一些誤報。

圖4 同一班組不同時間電磁輻射瞬時強度Fig.4 Instantaneous intensity of electromagnetic radiation at different times in the same workgroup

何學秋等研究了電磁輻射預警煤與瓦斯突出危險原理[13-14]，認為電磁輻射強度E與應力σ呈正比關系，應力的變化可以由電磁輻射強度變化表示，見式(1)，其中k為常數。

E=kσ

(1)

大量的電磁輻射現場數據表明，不論有無突出危險，也不論是哪個班次，每個班次工作期間的電磁輻射瞬時強度數值大部分都圍繞1個數值(每個班次該數值不同)上下波動，且波動范圍均在一定的區間([E1，E2])內。其中，[E1，E2]的區間包含了大部分的電磁輻射瞬時強度數據。該區域也代表了當班工作面煤體應力主要的變化區域[σ1，σ2](σ1，σ2為E1，E2對應的應力)。與大部分電磁輻射瞬時強度均在[E1，E2]區間內形成對比的是，每個班次總存在部分電磁輻射瞬時強度大于E2或小于E1的情況(也有部分為由于干擾所致的無效數據)，說明工作面前方煤體的應力變化并不是僅局限于上述的主要變化區域[σ1，σ2]。

在采掘工作面前方，依次存在著3個區域，分別是松弛區域(即卸壓帶)、應力集中區和原始應力區(見圖5)。采掘空間形成后，煤體前方的這3個區域始終存在，并隨著工作面的推進而前移。隨著工作面周期性的掘進，其前方3個區的范圍及距工作面煤壁的距離也發生變化，應力峰值(應力集中區)向深處轉移，導致部分原始應力區轉變為應力集中區，應力的增加導致電磁輻射瞬時強度超出主要變化區域([E1，E2])，即高于E2；原應力集中區轉變為卸壓區，應力的降低導致電磁輻射瞬時強度低于E1。

圖5 工作面煤體內電磁輻射(E)和應力(σ)分布示意Fig.5 Schematic diagram ofelectromagneticradiation (E) and stress distribution (σ) in coal body of working face

因此，針對井工開采的特殊性及電磁輻射瞬時強度變化情況，筆者提出新的預警方法—電磁輻射峰谷比值法(大于E2稱為峰，小于E1稱為谷)，即利用每個班次的電磁輻射瞬時強度峰平均值與谷平均值的比值反映工作面煤體前方應力變化情況。比值異常增大說明該區域應力異常增大，此區域有突出危險性。

(1)

從而有：

(2)

取

(3)

(4)

用當班次E峰與E谷的比值E作為煤與瓦斯突出危險性的預警值：

(5)

結合井下實際情況，確定E值。現場應用的時候，根據礦區的煤巖層和采掘情況等因素，可對E值進行適當修正。

2 現場驗證

根據義忠煤礦的地質、采掘等條件，設定義忠煤礦煤與瓦斯突出危險峰谷比值法的預警值為2，圖6為11月21日16時—12月30日12時運行的預警情況，其中，老方法為常用的臨界值系數和動態變化趨勢系數法。

圖6 2013年11月21日16時—12月30日12時預警情況Fig.6 Early warning results from 16:00 on November 21 to 12:00 on December 30, 2013

11月22日8點班和16點班期間均出現預警提示，瓦斯濃度最大值為0.25%，礦方于11月23日0點班測K1值為4.7 ml/g·min1/2。盡管未超標，為安全起見工作面停掘。

11月24日8點后工人開始作業，作業期間，系統提示有突出危險。當日22∶08—11月26日12∶40通信線路出現故障，儀器未工作。工作面正常放炮掘進，瓦斯濃度在正常范圍內。儀器線路恢復正常后，11月26日8點班期間再次報警，測K1值為4.5 ml/g·min1/2。

12月1日測K1值為4.5 ml/g·min1/2， 12月2日0點班后3 d共放炮掘進5個班次，每個班次儀器均有報警提示。12月4日8點班打鉆期間出現較強頂鉆現象，工作面停掘并打排放鉆孔。從11月21日至出現頂鉆現象，掘進不到8 m。12月8日～9日老方法出現2次誤報，12月9日峰谷比值法出現1次誤報。

12月18日后每天放炮1次，12月20日8點班儀器出現預警提示，隨后測得K1值為4.8 ml/g·min1/2，12月21日和12月22日工作面有響煤炮聲。該工作面暫停掘進并進行抽采瓦斯。

2014年4月該巷道再次放炮掘進，后因礦方經營權轉變，5月23日停止測試。圖7為2014年5月10日—5月23日儀器運行的預測情況，峰谷比值法未出現誤報，16～19日老方法出現了2次誤報。5月11日測K1值為0.27 ml/g·min1/2，5月12日16點班預測提示，5月13日0點班再次提示，8點班測K1值為0.38 ml/g·min1/2，隨后打鉆期間出現噴孔現象。

圖7 2014年5月10日—5月23日儀器的預警情況Fig.7 Early warning results of instrument from May 10 to May 23, 2014

現場應用結果表明，用峰谷比值法驗證共進行了約53 d，該方法能夠提前1～8個班次成功預警。其中，預警提示有危險4次，實際有危險3次，存在1次誤報，無漏報，而老方法存在4次誤報。可見，提高預警準確性方面，峰谷比值法具有明顯的優勢。該方法的應用能夠在很大程度上減小誤報對生產的影響，促進生產效率的提高。

3 結論

1)在分析大量電磁輻射現場數據基礎上，利用每個班次的電磁輻射瞬時強度峰平均值與谷平均值的比值反映工作面煤體前方應力變化情況，提出電磁輻射預警新方法—峰谷比值法。

2)將每個班次所獲得的電磁輻射瞬時強度的時間序列，利用正態分布統計特征計算每個班次的電磁輻射瞬時強度峰值均值和谷值均值。將該方法用于義忠煤礦11112風巷掘進工作面。驗證結果表明，該方法能夠提前1～8個班次成功預警。其中，預警提示有危險4次，實際有危險3次，存在1次誤報，無漏報。與老方法相比，峰谷比值法具有預報準確性高的優勢。