電磁輻射技術(shù)對沖擊礦井危險區(qū)域預(yù)測的研究

錢紅亮，張時偉

(河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

近年來，隨著礦井開采深度和開采強(qiáng)度不斷加大，沖擊地壓災(zāi)害嚴(yán)重，某煤礦21141綜放工作面開采深度已達(dá)640 m，頂板有巨厚的礫巖層，再加上超長的大孤島工作面等特點(diǎn)，使工作面由于采動所造成的微震事件頻發(fā)，隨時可能發(fā)生沖擊地壓，嚴(yán)重地威脅著工作面的安全生產(chǎn)。通過KBD－5電磁輻射監(jiān)測儀對沖擊地壓發(fā)生前所監(jiān)測到的微震事件電磁輻射值的變化進(jìn)行分析研究［1］，總結(jié)沖擊地壓發(fā)生前微震事件電磁輻射信號的變化規(guī)律，對及時有效地采取措施防治沖擊地壓具有重要的理論價值和實(shí)際意義［2］。

1 設(shè)備布置

KBD－5型電磁輻射儀在工作面掘進(jìn)過程中，對整條巷道進(jìn)行監(jiān)測(見圖1和圖2)，其中，每條巷道設(shè)置40個測點(diǎn)，每個測點(diǎn)監(jiān)測2 min，監(jiān)測頻率為每天1次，監(jiān)測掘進(jìn)中的巷道煤巖體電磁輻射的變化規(guī)律，及時對監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，進(jìn)而對沖擊危險性進(jìn)行合理預(yù)測，以評估掘進(jìn)巷道發(fā)生沖擊災(zāi)害的危險程度，21141工作面上下巷的日常定點(diǎn)巡回監(jiān)測，測點(diǎn)布置在工作面上巷的下幫和下巷的上幫，上下巷均由距工作面煤壁的位置開始往外布置測點(diǎn)(或根據(jù)工作面煤炮情況及工作面地質(zhì)預(yù)報在掘進(jìn)工作面正前布置2個測點(diǎn))，前100 m每10 m布置1個測點(diǎn)，100 m往外每隔20 m布置1個測點(diǎn)，每個測點(diǎn)監(jiān)測2 min。每天有專業(yè)人員對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，對沖擊危險性進(jìn)行預(yù)測預(yù)報。對危險區(qū)域及時采取解危措施，解危后，利用電磁輻射監(jiān)測儀進(jìn)行解危效果檢驗，直至危險解除。

圖1 21141掘進(jìn)工作面上巷測點(diǎn)布置圖

圖2 21141掘進(jìn)工作面下巷測點(diǎn)布置圖

2 工作原理

雖然沖擊地壓的發(fā)生具有突然性，但其發(fā)生前煤巖的變形和彈性能的儲存卻不是在短暫的時間內(nèi)完成的，而是一個動態(tài)演化過程，在該過程中煤巖體不同程度地受載變形破壞向外輻射的電磁強(qiáng)度不同，該監(jiān)測儀器是通過接收不同的電磁能量，探測煤巖體的變形破裂過程［3，4］。利用KBD－5系統(tǒng)分析軟件將各原始數(shù)據(jù)進(jìn)行連接，在連接中使用按時間連接的方式，也就是將相同地點(diǎn)不同時間所測得的電磁輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行連接。這樣可以看到某一地點(diǎn)由電磁輻射強(qiáng)度和脈沖數(shù)所反映出的煤巖應(yīng)力情況。電磁輻射強(qiáng)度主要反映煤巖體的受載程度及變形破裂強(qiáng)度，脈沖數(shù)主要反映煤巖體變形及微破裂的頻次。在通常情況下，多以電磁輻射強(qiáng)度為主要分析指標(biāo)，脈沖數(shù)為輔助分析指標(biāo)。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 危險區(qū)域的預(yù)測

KBD－5電磁輻射監(jiān)測儀在21141掘進(jìn)工作面下巷收集到的具有代表意義的電磁輻射數(shù)據(jù)見圖3～5。

圖3 測點(diǎn)電磁輻射測試趨勢曲線1圖

圖4 測點(diǎn)電磁輻射測試趨勢曲線2圖

圖5 測點(diǎn)電磁輻射測試趨勢曲線3圖

由圖3～5，在21141掘進(jìn)工作面下巷測試的數(shù)據(jù)可知，在迎頭50 m范圍測試數(shù)據(jù)趨勢有明顯變化，測試數(shù)據(jù)數(shù)值與其它點(diǎn)相比，數(shù)值較高，也就是該段區(qū)間煤巖承載較高，后期需要對該點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)觀測。而且，在趨勢預(yù)測預(yù)報中，21141掘進(jìn)工作面下巷迎頭50 m范圍位置為該測試區(qū)域的主要趨勢參考區(qū)域。以上3圖對比分析，發(fā)現(xiàn)圖5測試數(shù)據(jù)數(shù)值較高，波動性較強(qiáng)，相對于圖3、圖4，更具有沖擊危險性。

通過對圖3～5的分析，可以發(fā)現(xiàn)利用電磁輻射技術(shù)，將同一時間段內(nèi)不同測點(diǎn)數(shù)據(jù)連接后，根據(jù)數(shù)據(jù)的大小，綜合測點(diǎn)處的地質(zhì)資料可以對測試區(qū)域煤巖承載情況及沖擊危險性作出判斷。同時，綜合多日數(shù)據(jù)，利用比照法，能夠發(fā)現(xiàn)應(yīng)力隨采掘等因素影響出現(xiàn)的應(yīng)力轉(zhuǎn)移。

另外，可以通過1個區(qū)段多測點(diǎn)數(shù)據(jù)的再次均化，實(shí)現(xiàn)對1個待分析區(qū)域的預(yù)測預(yù)報。通過區(qū)段分析，沖擊地壓的危險性分析會更為準(zhǔn)確。

3.2 沖擊地壓發(fā)生前后電磁輻射強(qiáng)度規(guī)律分析

經(jīng)過對原始數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，21141掘進(jìn)工作面迎頭50 m范圍電磁輻射數(shù)據(jù)數(shù)值較高，對21141掘進(jìn)工作面下巷道迎頭50 m范圍測點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，并做出趨勢預(yù)測預(yù)報，見圖6。

圖6 迎頭50 m范圍電磁輻射數(shù)據(jù)折線圖

根據(jù)資料顯示，在2009年2月5日，21141掘進(jìn)工作面迎頭發(fā)生沖擊地壓，因此，對2月5日前后1個星期的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

通過對21141掘進(jìn)工作面迎頭50 m范圍原始數(shù)據(jù)的處理發(fā)現(xiàn)，KBD－5電磁輻射監(jiān)測儀所測數(shù)據(jù)由1月25日下降，之后在1月31日突然呈增高趨勢上升，隨后在2月1日—2月4日，電磁輻射測試數(shù)據(jù)保持在相對較高的水平，根據(jù)礦內(nèi)提供災(zāi)害發(fā)生記錄，由于放炮誘發(fā)沖擊地壓發(fā)生，發(fā)生之后，數(shù)據(jù)明顯下降。隨后在2月9日，根據(jù)記錄迎頭放炮完畢后，發(fā)生煤炮，電磁輻射數(shù)據(jù)也明顯增大。所以，后期應(yīng)對該區(qū)域加強(qiáng)觀測，必要時采取措施，確保安全生產(chǎn)。

2009年6月19日，在21141工作面下巷距巷口約500 m發(fā)生沖擊，聲響劇烈，主巷道內(nèi)底板震動，并伴隨有沖擊波。此次沖擊造成21141下巷300～850 m范圍不同程度受到影響，無人員傷亡?！?.19事件”發(fā)生時，分別距工作面550 m、750 m和900 m處測點(diǎn)所測得的該時段電磁輻射強(qiáng)度曲線見圖7～9。

圖7 距工作面550 m處沖擊時段電磁輻射強(qiáng)度曲線圖

由圖7～9分析可知，該次沖擊前電磁輻射具有明顯的規(guī)律性，平穩(wěn)后脈沖強(qiáng)度首先急劇增大(6月11日)，最大已達(dá)70 mV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過該礦設(shè)定的臨界強(qiáng)度值，之后出現(xiàn)數(shù)天的平穩(wěn)期，當(dāng)強(qiáng)度再次增大(6月19日)時，則發(fā)生了沖擊地壓?？梢姡?dāng)脈沖劇降后并長時間(5～6 d)保持穩(wěn)定時，應(yīng)采取一定的解危措施，以應(yīng)對可能的沖擊地壓發(fā)生。

圖8 距工作面750 m處沖擊時段電磁輻射強(qiáng)度曲線圖

圖9 距工作面900 m處沖擊時段電磁輻射強(qiáng)度曲線圖

4 結(jié)語

1)利用KBD－5電磁輻射儀在同一時間段內(nèi)不同測點(diǎn)綜合監(jiān)測的對比分析可知，數(shù)據(jù)數(shù)值較高，波動性較強(qiáng)的區(qū)域具有沖擊危險性，應(yīng)加強(qiáng)觀測，采取預(yù)防沖擊地壓的措施。

2)一般情況下，不同測點(diǎn)對沖擊危險區(qū)域所測得電磁輻射脈沖強(qiáng)度有先急劇增大，后急劇降低的趨勢，并在隨后的5～6天內(nèi)保持相對平衡時，有可能發(fā)生沖擊地壓，應(yīng)采取措施，預(yù)防沖擊地壓的發(fā)生。

［1］賈慧霖.受載煤巖變形破裂低頻電磁信號規(guī)律特征與機(jī)理研究［D］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)，2010:15－16.

［2］顧士坦.礦井沖擊地壓信息識別與預(yù)報方法的研究進(jìn)展［J］.山東科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，40(3):808－813.

［3］劉曉斐，王恩元，何學(xué)秋.孤島煤柱沖擊地壓電磁輻射前兆時間序列分析［J］.煤炭學(xué)報，2010，35(S1):15－18.

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