電磁輻射法在煤巖動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀和進(jìn)展

吉林化工學(xué)院 環(huán)境與生物工程學(xué)院 葛 及 歐陽文璟 付 凈 劉 輝

電磁輻射法在煤巖動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀和進(jìn)展

吉林化工學(xué)院 環(huán)境與生物工程學(xué)院 葛 及 歐陽文璟 付 凈 劉 輝

我國(guó)是世界上煤巖動(dòng)力災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家，截至2010年，我國(guó)已備案的煤巖動(dòng)力災(zāi)害礦井已超過1 420個(gè)。由于種種原因，還有超過1倍數(shù)量的這類礦井沒有備案。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)累計(jì)發(fā)生動(dòng)力災(zāi)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(zāi)害預(yù)防的難度也不斷加大，災(zāi)害所帶來的人員和財(cái)產(chǎn)損失也更為嚴(yán)重，遏止煤巖動(dòng)力災(zāi)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(lǐng)域都有著十分廣泛的應(yīng)用，而電磁輻射技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用也是越來越廣泛，尤其在煤礦安全動(dòng)力學(xué)災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、監(jiān)測(cè)監(jiān)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(shù)在煤巖動(dòng)力災(zāi)害中的應(yīng)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(wěn)定性等煤巖動(dòng)力學(xué)災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)監(jiān)控方面的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)對(duì)電磁輻射法在煤巖動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用作出了展望。

一、電磁輻射法在煤巖動(dòng)力災(zāi)害中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

煤巖動(dòng)力災(zāi)害包括煤與瓦斯突出、礦井沖擊地壓、頂板災(zāi)害、突水等煤礦生產(chǎn)過程中發(fā)生的常見事故。目前，對(duì)煤巖電磁輻射法在煤巖動(dòng)力災(zāi)害中的實(shí)際應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面。

1.電磁輻射法在煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)中的研究現(xiàn)狀。煤與瓦斯突出等煤巖災(zāi)害動(dòng)力現(xiàn)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(chǎn)，增加了生產(chǎn)成本，嚴(yán)重影響了煤礦的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。使用電磁輻射法預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤巖動(dòng)力災(zāi)害具有非接觸區(qū)域性、較大范圍，連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、節(jié)省大量鉆探工程量、對(duì)生產(chǎn)影響小、及不受煤巖體在空間上分布不均勻和時(shí)間上不穩(wěn)定的影響等優(yōu)點(diǎn)。目前，該技術(shù)裝置在焦作礦區(qū)、淮南礦區(qū)、沈陽紅菱煤礦、徐州張集煤礦等用于預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出災(zāi)害。實(shí)踐應(yīng)用的結(jié)果表明，用電磁輻射法預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出等煤巖動(dòng)力災(zāi)害不但是可行的，而且相對(duì)于其他預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法，準(zhǔn)確率得到了明顯提高。

2.電磁輻射技術(shù)在礦井沖擊地壓的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的應(yīng)用。沖擊礦壓是礦山開采中常發(fā)生的煤巖動(dòng)力現(xiàn)象之一。這種動(dòng)力災(zāi)害通常是在巖體力學(xué)系統(tǒng)達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)，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(fā)生爆炸性事故，造成巖體振動(dòng)和破壞，動(dòng)力將巖體拋向井巷，同時(shí)發(fā)出強(qiáng)烈聲響，造成支架與設(shè)備、井巷的破壞，人員的傷亡等。

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)王恩元、何學(xué)秋等人運(yùn)用研制的KBD5 礦用本安型電磁輻射監(jiān)測(cè)儀測(cè)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(hào)與采掘工藝及煤巖動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)性等的關(guān)系。研究結(jié)果表明，煤礦采掘過程伴隨產(chǎn)生電磁輻射，電磁輻射是煤體受到采動(dòng)影響后應(yīng)力重新分布或變形破裂趨向新的平衡的結(jié)果；有煤與瓦斯突出和沖擊地壓危險(xiǎn)時(shí)，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(xiàng)技術(shù)及裝備已在有煤巖動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)的礦井進(jìn)行試驗(yàn)或推廣應(yīng)用。如，在徐州三河尖煤礦、撫順老虎臺(tái)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(yù)測(cè)沖擊地壓。在這些煤礦測(cè)試得到的大量數(shù)據(jù)結(jié)果表明，采用電磁輻射法在預(yù)測(cè)沖擊地壓方面效果顯著，其預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率很高。

3.電磁輻射法在巖爆監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀。巖爆通常是指煤炭開采過程中開挖空間或者誘發(fā)造成的周圍巖體的突然破壞，同時(shí)伴隨有受壓巖石突然釋放的應(yīng)變能。這類煤巖動(dòng)力災(zāi)害往往是以大量的巖石坍塌、巖石彈出、或礦震形式表現(xiàn)出來的一種動(dòng)力現(xiàn)象，對(duì)礦山和隧道的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，容易造成大量人員傷亡的事故發(fā)生。由此可見巖爆預(yù)測(cè)工作對(duì)于煤礦安全工作的重要性。預(yù)測(cè)巖爆就是要在巖爆工作的準(zhǔn)備及發(fā)動(dòng)階段，根據(jù)前兆信息判斷巖爆的危險(xiǎn)程度。

何學(xué)秋、竇林明等學(xué)者則通過對(duì)煤巖加載試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的電磁輻射信號(hào)進(jìn)行記錄，得出了煤巖受載失穩(wěn)破壞前的電磁輻射信號(hào)前兆規(guī)律，并在山東某金礦中得到實(shí)際運(yùn)用，為巖爆災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作奠定了理論試驗(yàn)基礎(chǔ)。劉建輝、李化敏等人使用KBD5礦用本安型磁輻射監(jiān)測(cè)儀對(duì)平煤集團(tuán)公司某一煤礦掘進(jìn)巷道的巖爆現(xiàn)象進(jìn)行了監(jiān)測(cè)監(jiān)控，其監(jiān)測(cè)指標(biāo)有兩個(gè)：電磁輻射強(qiáng)度值或幅值、電磁輻射脈沖數(shù)，在預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)巖爆災(zāi)害中取得了良好的效果。

4.電磁輻射法預(yù)測(cè)采空區(qū)頂板穩(wěn)定性方面的研究現(xiàn)狀。煤巖受載變形破裂過程中會(huì)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(yīng)力的增加，煤巖變形破裂過程會(huì)進(jìn)一步加劇，煤巖中的電磁輻射信號(hào)也就越強(qiáng)。電磁輻射的幅值大小能夠反映煤巖體的應(yīng)力大小，而脈沖數(shù)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(duì)煤壁前方產(chǎn)生的電磁輻射信號(hào)進(jìn)行分析來推斷頂板的穩(wěn)定性。

王恩元等人應(yīng)用KBD5礦用本安型電磁輻射監(jiān)測(cè)儀對(duì)堅(jiān)硬煤巖層的電磁輻射特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，在礦山采掘過程中，伴隨頂板活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生明顯的電磁輻射信號(hào)，頂板垮落前電磁輻射有異常反映，表現(xiàn)為異常增大或呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)；用電磁輻射法監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)頂板垮落是可行的，且具有快捷、方便、準(zhǔn)確率高的優(yōu)點(diǎn)。KBD5型電磁輻射監(jiān)測(cè)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(tài)臨界值法和動(dòng)態(tài)趨勢(shì)法對(duì)危險(xiǎn)性進(jìn)行判定，能大幅度提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。

二、結(jié)論和展望

電磁輻射法最先應(yīng)用于巖石破裂電磁輻射的觀測(cè)和應(yīng)用，是從地震工作者發(fā)現(xiàn)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(yù)報(bào)方面已取得了比較令人滿意的成果，有關(guān)學(xué)者又將電磁輻射法運(yùn)用到預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤巖體動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象的研究中，并取得了一系列研究成果。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的專家學(xué)者通過對(duì)受載煤巖體及瓦斯解吸流動(dòng)等情況下的電磁輻射進(jìn)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(hào)前兆規(guī)律，這對(duì)于預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤巖動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象具有重要意義。由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)開發(fā)的KBD5和KBD7兩個(gè)型號(hào)電磁輻射預(yù)測(cè)技術(shù)及監(jiān)測(cè)儀通過非接觸監(jiān)測(cè)煤巖體變形破裂過程中的電磁輻射信號(hào)及其變化規(guī)律，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)煤與瓦斯突出和沖擊地壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害。目前，該設(shè)備裝置已經(jīng)在我國(guó)二十多個(gè)礦井進(jìn)行了煤與瓦斯突出、沖擊礦壓的試驗(yàn)及推廣。已進(jìn)行的試驗(yàn)及推廣應(yīng)用情況表明，到目前為止，沒有發(fā)生過煤巖動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)性漏報(bào)情況，在預(yù)測(cè)無危險(xiǎn)的準(zhǔn)確率達(dá)100%，有危險(xiǎn)的準(zhǔn)確率達(dá)70%以上，為煤礦安全生產(chǎn)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(yīng)用范圍和應(yīng)用前景。然而，由于煤巖動(dòng)力災(zāi)害的復(fù)雜性，電磁輻射法在煤巖動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用還面臨著許多亟待解決的問題，也有待于工作人員對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步地深入研究。