工作面煤巖體電磁輻射測試與分析

工作面煤巖體電磁輻射測試與分析

1煤巖動力災害預測的準確性分析根據(jù)許多研究機構(gòu)的說法，當受試碳氫化合物斷裂時產(chǎn)生的輻射也被認為是樣品。那么，在采礦和開采過程中，受開采和運動影響的煤炭巖體是否會產(chǎn)生輻射？。煤礦采掘過程中可能會發(fā)生煤巖動力災害.煤巖動力災害是壓力超過煤巖體的強度極限,聚積在巷道周圍煤巖體中的能量突然釋放,較大范圍的煤巖體或含瓦斯煤巖體突然失穩(wěn)而發(fā)生沖擊或突出的現(xiàn)象,變形破裂過程是一個由流變到突變發(fā)展的過程,主要有沖擊地壓和煤與瓦斯突出等.煤巖動力災害預測預報就是要在沖擊或突出等煤巖動力災害發(fā)生前對煤巖體所處的動力災害危險程度做出判斷.現(xiàn)行常規(guī)的煤巖動力災害預測方法主要是鉆屑法.在煤礦,也用鉆孔瓦斯涌出初速度或鉆屑瓦斯解吸指標來預測煤與瓦斯突出.這些預測方法從時間上來說,是一種靜態(tài)預測方法,從空間上來說,是一種點(或線)信息的方法.鉆屑法打鉆及參數(shù)測定需占用作業(yè)時間和空間,工程量很大,預測作業(yè)時間也較長,對生產(chǎn)有一定的影響,預測所需費用也較高.并且這種靜態(tài)法的準確性也不是很高,易受人工及煤巖體的結(jié)構(gòu)、應力分布不均勻和不穩(wěn)定的影響,突出危險預測的準確性在很大程度上取決于鉆孔布置及預測時刻在空間和時間上的代表性.近幾年來常出現(xiàn)預測指標未超過臨界值而發(fā)生突出災害的事例.究其原因,采掘空間或巷道周圍煤巖體的結(jié)構(gòu)、應力在空間上分布是不均勻的,也是不穩(wěn)定的,在鉆孔附近取得的預測結(jié)果僅僅是局部的,并不能完全反映工作面前方整個預測范圍內(nèi)的突出危險性;在預測時刻取得的結(jié)果也只是靜態(tài)的,并不能完全反映煤巖體穩(wěn)定前整個時期內(nèi)的突出危險性,因為煤巖體處于動態(tài)變化之中.因此基于地球物理方法的動態(tài)連續(xù)預測研究正日益引起人們的重視.目前已經(jīng)將聲發(fā)射技術(shù)初步應用于預測礦井煤巖動力災害.電磁輻射的接收可實現(xiàn)定向及非接觸,在監(jiān)測過程中比聲發(fā)射有較大優(yōu)勢.如果礦井采掘過程中能夠產(chǎn)生電磁輻射,并且在煤巖動力災害發(fā)生前有電磁輻射異常,那么可將電磁輻射技術(shù)應用于礦井預測煤巖動力災害,這會使煤巖動力災害預測技術(shù)發(fā)生很大的突破.電磁輻射法預測預報煤巖動力災害具有可實現(xiàn)非接觸、區(qū)域性(較大范圍)、連續(xù)動態(tài)監(jiān)測、可節(jié)省大量的鉆探工程量、對生產(chǎn)影響小及不受煤巖體在空間上分布不均勻及時間上不穩(wěn)定的影響等優(yōu)點.本文將研究煤礦采掘過程中工作面煤巖體的電磁輻射特征,并分析電磁信號與采掘工藝及煤巖動力災害危險性等的關(guān)系.2煤巖體輻射信號的特征由于煤礦井下有瓦斯,測試儀表必須符合防爆要求.為此開發(fā)了KBD5礦用本安型電磁輻射監(jiān)測儀,由定向接收天線和接收機組成,其功能主要有:參數(shù)輸入、電磁信號接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示、通訊等.接收天線為磁性天線,極化方式為軸向圓極化,其帶寬為1～500kHz,在該范圍內(nèi)其增益波動幅度為±1dB.煤巖體電磁輻射原始信號為陣發(fā)性的脈沖信號,其頻帶很寬,且其主頻帶隨載荷而發(fā)生變化,根據(jù)電磁場理論及采掘工作面監(jiān)測范圍確定接收機的測量頻率范圍為1～500kHz,采用時域?qū)掝l接收.為了克服測試數(shù)據(jù)量大且礦用監(jiān)測儀存儲空間小的矛盾,在測試過程中對數(shù)據(jù)作了統(tǒng)計處理:統(tǒng)計每秒鐘的電磁輻射強度(電壓)極大值和脈沖數(shù)作為顯示或輸出指標.煤巖體的變形破裂是區(qū)域性的,存在很多輻射源,輻射源表現(xiàn)為隨機的,而且電磁輻射在傳播過程中受到裂隙及層理界面的反射、散射和邊緣繞射,常會使到達接收天線處的電磁波的極化狀態(tài)不可預測.3在開挖過程中，高頻傳感器的特性3.1采、掘、運輸機械性能測試礦井位于地下500～1000m,地面電磁干擾信號影響較小.測試前對環(huán)境影響進行了測試及分析.測試結(jié)果表明,在有效測試范圍周圍2m以內(nèi),采、掘、運輸機械的開機和停機時電磁輻射測值出現(xiàn)一個或一組強度很高的尖脈沖,而在正常運行過程中無影響;在有效測試范圍2m以外時,采、掘、運輸機械、井下照明對測試沒有影響;局部通風機離測點較遠,對測試也沒有影響.本文測試結(jié)果均是在測試地點5m以內(nèi)工作機械停止工作的情況下完成的.3.2工作貢獻方煤體測試方法在有突出危險的煤層中掘進巷道時,根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》需要采取預測和防治煤與瓦斯突出措施.在掘進工作面進尺后,測試了工作面前方煤體的電磁輻射,預測有突出危險并采取卸壓和排放瓦斯措施后,又測試了工作面煤體電磁輻射,同時測試了鉆屑量、鉆孔瓦斯涌出初速度或鉆屑瓦斯解吸指標等常規(guī)指標,并進行了對比分析.電磁輻射測點距掘進工作面前方煤壁0.8m左右(如圖1所示).定向接收天線朝向工作面前方煤體.測試過程中巷道后方5m內(nèi)不允許有機械工作.3.3工作面輻射信號分析圖2～4分別為在平頂山煤業(yè)(集團)公司八礦掘進工作面不同情況下的電磁輻射測試結(jié)果.結(jié)果表明,煤礦掘進工作面煤巖體有電磁輻射產(chǎn)生(圖2,3),電磁輻射信號明顯強于鄰近較為穩(wěn)定巷道周圍的電磁信號(圖4),表明掘進工作面煤巖體的電磁輻射信號強于背景電磁干擾.掘進工作面有突出危險時,有明顯的電磁前兆:煤體電磁輻射信號較強(圖2a),脈沖數(shù)(N)較大(圖2b),明顯高于無突出危險或正常情況下的電磁輻射(圖3).在其他煤礦(如焦作礦區(qū)、淮南礦區(qū)、沈陽紅菱煤礦、徐州張集煤礦等)的測試結(jié)果也提供了充分的證明.工作面前方煤體內(nèi)不同的位置處,測定的電磁輻射是不同的,由鉆孔口進及煤體深部,電磁輻射逐漸增大,出現(xiàn)最大值后,又逐漸降低,整體上呈現(xiàn)一個與應力變化相類似的曲線(圖5),與能夠反映煤巖體應力狀態(tài)的鉆屑量指標完全一致.巷道內(nèi)不同位置處測定的電磁輻射也是不同的.當工作面工作機械停止工作且沒有其他的電磁干擾時,沿巷道出口方向,電磁輻射呈現(xiàn)衰減趨勢,距離煤壁越遠,電磁輻射越弱(圖6),這表明距煤巖體變形破裂較為強烈區(qū)域越遠,測試電磁輻射越弱,也表明在掘進工作面,電磁輻射主要來源于掘進工作面前方.4采礦過程中的輻射特性4.1天線抗靜電性測試在回采工作面或順槽中測試時,每隔10m或20m左右布置一個測點(圖7),當某一測點電磁輻射較強時,在周圍加密測點,測點間距為5～10m.測試時,天線朝向需要進行測試的煤巖體區(qū)域并固定,連接天線與接收機后即可進行測試.采用KBD5監(jiān)測儀也可進行定點、長時間監(jiān)測.4.2工作面輻射特征在采煤過程中,回采工作面和上、下順槽中均有電磁輻射產(chǎn)生.電磁輻射的強弱與應力有密切關(guān)系:應力大或應力集中的區(qū)域,或變形破裂強烈的區(qū)域,電磁輻射較強.有發(fā)生沖擊地壓危險的區(qū)域,應力較大,發(fā)生沖擊地壓前電磁輻射異常.圖8為2001年3月6日～12日山東華豐煤礦回采工作面順槽的電磁輻射強度測試結(jié)果,3月9日電磁輻射較強,3月10日發(fā)生了1.7級沖擊地壓.電磁輻射強度和脈沖數(shù)較大的區(qū)域,采取卸壓爆破措施后,電磁輻射強度和脈沖數(shù)大幅度降低.圖9為徐州三河尖煤礦工作面回采過程中材料道電磁輻射測試結(jié)果,17日夜班1時電磁輻射較強,工作面停采,17日早班9時電磁輻射仍較強,且有增大趨勢,結(jié)合工作面實際狀況預測此時已達到相當危險的狀態(tài),早班對工作面危險區(qū)域采取了卸壓爆破措施.之后,17日16時進行測試,電磁輻射幅值大幅度下降,防治效果明顯.鉆屑量S、鉆孔瓦斯涌出初速度q、鉆屑瓦斯解吸指標Δh2和綜合指標R(無量綱)等指標能夠反映煤巖動力災害的危險性.圖10為2003年7月23日徐州張集煤礦7353回采工作面不同位置處煤體電磁輻射與常規(guī)指標之間的對應關(guān)系,圖11為2002年焦作九里山煤礦15011工作面左前方測點電磁輻射強度與常規(guī)指標之間的關(guān)系.從兩圖可以看出,電磁輻射與常規(guī)預測指標有較好的對應關(guān)系.需要說明的是,在焦作九里山煤礦鉆屑量是不敏感指標.目前該項技術(shù)及裝備已在有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,在焦作礦區(qū)、淮南礦區(qū)、沈陽紅菱煤礦、徐州張集煤礦等用于預測煤與瓦斯突出.測試了大量的數(shù)據(jù),表明采用電磁輻射法預測煤與瓦斯突出、沖擊地壓效果均很好.可見,用電磁輻射法超前預測煤巖動力災害和檢驗防治措施效果是可行的.5煤巖體輻射強度及脈沖數(shù)特征地層中的煤巖體未受采掘影響時,基本處于準平衡狀態(tài).掘進或回采空間形成后,周圍煤巖體失去應力平衡,處于不穩(wěn)定狀態(tài),必然要發(fā)生變形或破裂,以向新的應力平衡狀態(tài)過渡.煤巖體承受應力越大,煤巖體變形破裂過程越強烈,電磁輻射信號越強.當采掘空間或巷道周圍煤巖體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)時,煤巖體仍然承受著上覆巖層的應力作用,處于流變狀態(tài),同樣會產(chǎn)生電磁輻射.在采掘工作面前方,依次存在著三個區(qū)域,它們是松弛區(qū)域(即卸壓帶)、應力集中區(qū)和原始應力區(qū).采掘空間形成后,煤體前方的這三個區(qū)域始終存在,并隨著工作面的推進而前移.由松弛區(qū)到應力集中區(qū),應力及瓦斯壓力越來越高,電磁輻射信號也越來越強.在應力集中區(qū),應力和瓦斯壓力達最大值時,煤體的變形破裂過程也較強烈,電磁輻射信號最強.越過峰值區(qū)后進入原始應力區(qū),電磁輻射強度將有所下降(圖5),這與反映煤巖體應力狀態(tài)的鉆屑量指標變化完全一致.采用非接觸電磁輻射法測定的是總體電磁輻射強度和脈沖數(shù),預測范圍包含了應力松弛區(qū)和應力集中區(qū).煤與瓦斯突出是地應力(包括頂?shù)装遄饔昧蛡?cè)向應力)、瓦斯壓力和煤巖體共同作用的結(jié)果,沖擊地壓是地應力(包括頂?shù)装遄饔昧蛡?cè)向應力)和煤巖體共同作用的結(jié)果,二者均是經(jīng)過一