基于電磁輻射峰谷比值法的煤與瓦斯突出預(yù)警*

陳 亮,范志浩,付江偉 ,周銀波

(1. 中原工學(xué)院 能源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450007; 2. 河南理工大學(xué) 河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454000; 3. 河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院，河南 鄭州 450007)

0 引言

近些年，隨著礦井開采深度和開采強(qiáng)度的不斷增加，地應(yīng)力、瓦斯壓力不斷增大，煤與瓦斯突出的復(fù)雜性和危險(xiǎn)性顯著增加，防突工作的壓力越來越大。常規(guī)的煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)技術(shù)，如鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法、鉆屑量法等已經(jīng)不能完全滿足安全生產(chǎn)的需要。研究煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)新方法受到了廣泛的關(guān)注。梁躍強(qiáng)等[1]應(yīng)用投影尋蹤方法和聚類方法構(gòu)建了煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的投影尋蹤聚類模型；張慶華等[2]建立了1套遠(yuǎn)場(chǎng)與近場(chǎng)相結(jié)合的兩級(jí)煤與瓦斯突出動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法，將宏觀瓦斯地質(zhì)量化評(píng)級(jí)技術(shù)與工作面實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了有效融合，并基于GIS平臺(tái)開發(fā)了配套的煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)軟件系統(tǒng)；張友誼等[3]通過綜合運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)分析法和多類別距離判別法對(duì)灰色關(guān)聯(lián)模型中的輸入端和輸出端進(jìn)行研究，建立了煤與瓦斯突出多指標(biāo)耦合預(yù)測(cè)模型；杜振宇等[4]篩選煤與瓦斯突出預(yù)警指標(biāo)，運(yùn)用層次分析法確定各預(yù)警指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，基于可拓學(xué)理論構(gòu)建出煤與瓦斯突出預(yù)警模型。

地球物理方法被認(rèn)為是有良好應(yīng)用前景的煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)方法。常用的地球物理方法有聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)、微震監(jiān)測(cè)技術(shù)、電磁輻射(EMR)監(jiān)測(cè)技術(shù)等。陳玉濤等[5]采用聲發(fā)射連續(xù)預(yù)測(cè)技術(shù)對(duì)煤與瓦斯突出進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)；Lu等[6-7]研究微震和聲發(fā)射的頻譜獲得煤巖動(dòng)力災(zāi)害前兆。電磁輻射預(yù)警技術(shù)已經(jīng)在中西部、東北地區(qū)部分礦區(qū)得到應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了在線式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警[8]。Wang，He等[9-11]通過建立煤巖動(dòng)力災(zāi)害的電磁輻射預(yù)警準(zhǔn)則，得到煤與瓦斯突出的預(yù)警臨界值系數(shù)和動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)系數(shù)的理論確定方法，并提出電磁輻射分級(jí)預(yù)警技術(shù)方法。為了進(jìn)一步提高電磁輻射預(yù)警準(zhǔn)確性，減少誤報(bào)現(xiàn)象，本文在分析大量電磁輻射現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，提出電磁輻射預(yù)警煤與瓦斯突出危險(xiǎn)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(guān)。受載條件下的煤巖體在變形破裂過程中會(huì)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(xiǎn)的監(jiān)測(cè)預(yù)警也已經(jīng)在多個(gè)礦區(qū)得到了應(yīng)用[12]。

1.1 數(shù)據(jù)采集儀器

電磁輻射數(shù)據(jù)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(jī)、寬頻帶電磁輻射定向接收天線、聲發(fā)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(chǎn)生的電磁輻射信息來預(yù)測(cè)煤巖動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)性。儀器可與KJ系列煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行連接，可對(duì)工作面某一危險(xiǎn)區(qū)域?qū)嵤┎婚g斷、連續(xù)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。

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(nèi)的掘進(jìn)工作面，朝向迎頭中央，如圖2所示。測(cè)試過程中天線與瓦斯探頭及動(dòng)力電纜、信號(hào)電纜保持1 m以上的距離。電磁輻射天線及儀器主機(jī)隨工作面的推進(jìn)同步前移。

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

1.2 預(yù)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(gè)班組輪流作業(yè)。這幾個(gè)班組的工作內(nèi)容，工作方法，工作強(qiáng)度等對(duì)工作面的擾動(dòng)不盡相同，這也導(dǎo)致工作面前方煤體應(yīng)力存在一定的差異，直觀表現(xiàn)為每個(gè)班次的電磁輻射強(qiáng)度存在波動(dòng)。

圖3為2013年11月21日16時(shí)—12月30日12時(shí)采集的電磁輻射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。以貴州省六盤水市義忠煤礦11112風(fēng)巷的電磁輻射數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。從圖3中可以清晰看出，電磁輻射數(shù)據(jù)波動(dòng)較為劇烈，波動(dòng)范圍為12～505 mv。

圖3 2013年11月21日16時(shí)—12月30日12時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)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(diǎn)班時(shí)的電磁輻射信號(hào)為例(見圖4)。27日電磁輻射瞬時(shí)強(qiáng)度最低104 mV，最高192 mV；28日0點(diǎn)班期間，電磁輻射瞬時(shí)強(qiáng)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(yù)警難免會(huì)產(chǎn)生一些誤報(bào)。

圖4 同一班組不同時(shí)間電磁輻射瞬時(shí)強(qiáng)度Fig.4 Instantaneous intensity of electromagnetic radiation at different times in the same workgroup

何學(xué)秋等研究了電磁輻射預(yù)警煤與瓦斯突出危險(xiǎn)原理[13-14]，認(rèn)為電磁輻射強(qiáng)度E與應(yīng)力σ呈正比關(guān)系，應(yīng)力的變化可以由電磁輻射強(qiáng)度變化表示，見式(1)，其中k為常數(shù)。

E=kσ

(1)

大量的電磁輻射現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)表明，不論有無突出危險(xiǎn)，也不論是哪個(gè)班次，每個(gè)班次工作期間的電磁輻射瞬時(shí)強(qiáng)度數(shù)值大部分都圍繞1個(gè)數(shù)值(每個(gè)班次該數(shù)值不同)上下波動(dòng)，且波動(dòng)范圍均在一定的區(qū)間([E1，E2])內(nèi)。其中，[E1，E2]的區(qū)間包含了大部分的電磁輻射瞬時(shí)強(qiáng)度數(shù)據(jù)。該區(qū)域也代表了當(dāng)班工作面煤體應(yīng)力主要的變化區(qū)域[σ1，σ2](σ1，σ2為E1，E2對(duì)應(yīng)的應(yīng)力)。與大部分電磁輻射瞬時(shí)強(qiáng)度均在[E1，E2]區(qū)間內(nèi)形成對(duì)比的是，每個(gè)班次總存在部分電磁輻射瞬時(shí)強(qiáng)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(shù)據(jù))，說明工作面前方煤體的應(yīng)力變化并不是僅局限于上述的主要變化區(qū)域[σ1，σ2]。

在采掘工作面前方，依次存在著3個(gè)區(qū)域，分別是松弛區(qū)域(即卸壓帶)、應(yīng)力集中區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)(見圖5)。采掘空間形成后，煤體前方的這3個(gè)區(qū)域始終存在，并隨著工作面的推進(jìn)而前移。隨著工作面周期性的掘進(jìn)，其前方3個(gè)區(qū)的范圍及距工作面煤壁的距離也發(fā)生變化，應(yīng)力峰值(應(yīng)力集中區(qū))向深處轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致部分原始應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力的增加導(dǎo)致電磁輻射瞬時(shí)強(qiáng)度超出主要變化區(qū)域([E1，E2])，即高于E2；原應(yīng)力集中區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)樾秹簠^(qū)，應(yīng)力的降低導(dǎo)致電磁輻射瞬時(shí)強(qiáng)度低于E1。

圖5 工作面煤體內(nèi)電磁輻射(E)和應(yīng)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(duì)井工開采的特殊性及電磁輻射瞬時(shí)強(qiáng)度變化情況，筆者提出新的預(yù)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(gè)班次的電磁輻射瞬時(shí)強(qiáng)度峰平均值與谷平均值的比值反映工作面煤體前方應(yīng)力變化情況。比值異常增大說明該區(qū)域應(yīng)力異常增大，此區(qū)域有突出危險(xiǎn)性。

(1)

從而有：

(2)

取

(3)

(4)

用當(dāng)班次E峰與E谷的比值E作為煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的預(yù)警值：

(5)

結(jié)合井下實(shí)際情況，確定E值?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的時(shí)候，根據(jù)礦區(qū)的煤巖層和采掘情況等因素，可對(duì)E值進(jìn)行適當(dāng)修正。

2 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

根據(jù)義忠煤礦的地質(zhì)、采掘等條件，設(shè)定義忠煤礦煤與瓦斯突出危險(xiǎn)峰谷比值法的預(yù)警值為2，圖6為11月21日16時(shí)—12月30日12時(shí)運(yùn)行的預(yù)警情況，其中，老方法為常用的臨界值系數(shù)和動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)系數(shù)法。

圖6 2013年11月21日16時(shí)—12月30日12時(shí)預(yù)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(diǎn)班和16點(diǎn)班期間均出現(xiàn)預(yù)警提示，瓦斯?jié)舛茸畲笾禐?.25%，礦方于11月23日0點(diǎn)班測(cè)K1值為4.7 ml/g·min1/2。盡管未超標(biāo)，為安全起見工作面停掘。

11月24日8點(diǎn)后工人開始作業(yè)，作業(yè)期間，系統(tǒng)提示有突出危險(xiǎn)。當(dāng)日22∶08—11月26日12∶40通信線路出現(xiàn)故障，儀器未工作。工作面正常放炮掘進(jìn)，瓦斯?jié)舛仍谡７秶鷥?nèi)。儀器線路恢復(fù)正常后，11月26日8點(diǎn)班期間再次報(bào)警，測(cè)K1值為4.5 ml/g·min1/2。

12月1日測(cè)K1值為4.5 ml/g·min1/2， 12月2日0點(diǎn)班后3 d共放炮掘進(jìn)5個(gè)班次，每個(gè)班次儀器均有報(bào)警提示。12月4日8點(diǎn)班打鉆期間出現(xiàn)較強(qiáng)頂鉆現(xiàn)象，工作面停掘并打排放鉆孔。從11月21日至出現(xiàn)頂鉆現(xiàn)象，掘進(jìn)不到8 m。12月8日～9日老方法出現(xiàn)2次誤報(bào)，12月9日峰谷比值法出現(xiàn)1次誤報(bào)。

12月18日后每天放炮1次，12月20日8點(diǎn)班儀器出現(xiàn)預(yù)警提示，隨后測(cè)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(jìn)并進(jìn)行抽采瓦斯。

2014年4月該巷道再次放炮掘進(jìn)，后因礦方經(jīng)營(yíng)權(quán)轉(zhuǎn)變，5月23日停止測(cè)試。圖7為2014年5月10日—5月23日儀器運(yùn)行的預(yù)測(cè)情況，峰谷比值法未出現(xiàn)誤報(bào)，16～19日老方法出現(xiàn)了2次誤報(bào)。5月11日測(cè)K1值為0.27 ml/g·min1/2，5月12日16點(diǎn)班預(yù)測(cè)提示，5月13日0點(diǎn)班再次提示，8點(diǎn)班測(cè)K1值為0.38 ml/g·min1/2，隨后打鉆期間出現(xiàn)噴孔現(xiàn)象。

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

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，用峰谷比值法驗(yàn)證共進(jìn)行了約53 d，該方法能夠提前1～8個(gè)班次成功預(yù)警。其中，預(yù)警提示有危險(xiǎn)4次，實(shí)際有危險(xiǎn)3次，存在1次誤報(bào)，無漏報(bào)，而老方法存在4次誤報(bào)。可見，提高預(yù)警準(zhǔn)確性方面，峰谷比值法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。該方法的應(yīng)用能夠在很大程度上減小誤報(bào)對(duì)生產(chǎn)的影響，促進(jìn)生產(chǎn)效率的提高。

3 結(jié)論

1)在分析大量電磁輻射現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用每個(gè)班次的電磁輻射瞬時(shí)強(qiáng)度峰平均值與谷平均值的比值反映工作面煤體前方應(yīng)力變化情況，提出電磁輻射預(yù)警新方法—峰谷比值法。

2)將每個(gè)班次所獲得的電磁輻射瞬時(shí)強(qiáng)度的時(shí)間序列，利用正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)特征計(jì)算每個(gè)班次的電磁輻射瞬時(shí)強(qiáng)度峰值均值和谷值均值。將該方法用于義忠煤礦11112風(fēng)巷掘進(jìn)工作面。驗(yàn)證結(jié)果表明，該方法能夠提前1～8個(gè)班次成功預(yù)警。其中，預(yù)警提示有危險(xiǎn)4次，實(shí)際有危險(xiǎn)3次，存在1次誤報(bào)，無漏報(bào)。與老方法相比，峰谷比值法具有預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性高的優(yōu)勢(shì)。