電磁輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)裝備在煤與瓦斯突出監(jiān)測(cè)預(yù)警中的應(yīng)用

王恩元，李忠輝，李德行，劉曉斐，李金鐸

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州221116；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯治理國(guó)家工程研究中心，江蘇 徐州221116）

煤炭開(kāi)采伴隨有煤與瓦斯突出等動(dòng)力災(zāi)害，隨著開(kāi)采逐漸進(jìn)入深部，煤與瓦斯突出日趨嚴(yán)重且復(fù)雜，嚴(yán)重影響煤炭安全高效生產(chǎn)，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是防突工作的前提。國(guó)內(nèi)外大量研究成果表明：煤巖電磁輻射是一種有效的煤巖動(dòng)力災(zāi)害的地球物理監(jiān)測(cè)方法[1-15]。

從20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)對(duì)煤巖電磁輻射的產(chǎn)生機(jī)理、特征、規(guī)律及傳播特性等進(jìn)行了深入研究，提出了電磁輻射預(yù)測(cè)煤巖動(dòng)力災(zāi)害的原理及方法，研制了KBD5 型便攜式電磁輻射監(jiān)測(cè)儀和KBD7 型在線式電磁輻射監(jiān)測(cè)儀，GDD12 聲電傳感器和YDD16 便攜式煤巖動(dòng)力災(zāi)害聲電監(jiān)測(cè)儀，研發(fā)了KJ 系列煤巖動(dòng)力災(zāi)害聲電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在全國(guó)多個(gè)煤礦應(yīng)用于煤與瓦斯突出、沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害的監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)[9-15]。從電磁輻射預(yù)測(cè)煤與瓦斯突基本原理和方法、電磁輻射監(jiān)測(cè)預(yù)警裝備、電磁輻射預(yù)測(cè)煤與瓦斯突現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用3 個(gè)方面對(duì)煤與瓦斯突出電磁輻射監(jiān)測(cè)預(yù)警研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)梳理和詳細(xì)敘述，表明電磁輻射對(duì)突出危險(xiǎn)性、瓦斯地質(zhì)及應(yīng)力異常等響應(yīng)較好，是一種行之有效的非接觸式煤巖動(dòng)力災(zāi)害地球物理監(jiān)測(cè)預(yù)警方法。

1 電磁輻射預(yù)測(cè)煤與瓦斯突基本原理

1.1 煤巖變形破裂電磁輻射

何學(xué)秋、王恩元、劉明舉、聶百勝等[1-10]學(xué)者對(duì)受載煤巖變形破裂過(guò)程電磁輻射響應(yīng)特征及規(guī)律進(jìn)行了大量的研究，結(jié)果表明：煤巖損傷過(guò)程中能夠產(chǎn)生電磁輻射，且電磁信號(hào)與載荷呈正相關(guān)，認(rèn)為電磁輻射能夠反映煤巖體應(yīng)力狀態(tài)。王恩元、聶百勝等[3,5-7]研究了含瓦斯煤變形破壞電磁輻射規(guī)律，探索了瓦斯對(duì)電磁輻射的影響規(guī)律及影響機(jī)制，對(duì)電磁輻射法預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出原理進(jìn)行了探討；結(jié)果表明：電磁輻射也能夠反映煤體中的瓦斯信息，煤體中瓦斯的存在能夠使電磁輻射信號(hào)增強(qiáng)，且瓦斯壓力越大，電磁信號(hào)越強(qiáng)。

1.2 電磁輻射預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出指標(biāo)

電磁輻射信號(hào)蘊(yùn)含著豐富的信息，其主要參數(shù)包括幅值、脈沖數(shù)、能量、頻率持續(xù)時(shí)間等。何學(xué)秋、王恩元等[2-5]在分析了煤巖體破裂過(guò)程中電磁輻射的特征的基礎(chǔ)上，認(rèn)為采用電磁輻射強(qiáng)度和脈沖數(shù)2 項(xiàng)指標(biāo)來(lái)預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出等動(dòng)力災(zāi)害更加精準(zhǔn)，被大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用所采用。平煤八礦有突出危險(xiǎn)和無(wú)突出危險(xiǎn)時(shí)電磁輻射強(qiáng)度和脈沖數(shù)如圖1[5]，由圖1 可以看出，有突出危險(xiǎn)時(shí)電磁輻射強(qiáng)度和脈沖數(shù)明顯大于無(wú)突出危險(xiǎn)時(shí)的值，表明電磁輻射可以較好地反映突出危險(xiǎn)性。有學(xué)者將電磁輻射能量作為動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)指標(biāo)，邱黎明等[16]分析煤體受載破壞過(guò)程電磁輻射時(shí)域、頻域及波形變化特征，認(rèn)為電磁輻射脈沖數(shù)、能量值、主頻或幅值的急劇增加可以作為煤體失穩(wěn)的前兆特征。夏善奎[17]用特征參數(shù)和波形頻譜法，分析了實(shí)驗(yàn)過(guò)程電磁輻射和聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)間和頻率序列特征，確定了聲電信號(hào)特征參數(shù)，得到了聲電信號(hào)突出前兆信息。李金鐸[18]根據(jù)臨界慢化理論，研究了含瓦斯硬煤受載破壞過(guò)程中電磁輻射和瓦斯?jié)B流的方差和自相關(guān)系數(shù)，并從中抓取前兆信號(hào)，不同瓦斯壓力條件下電磁輻射臨界慢化特征如圖2。

圖1 平煤八礦有突出危險(xiǎn)和無(wú)突出危險(xiǎn)時(shí)電磁輻射強(qiáng)度和脈沖數(shù)[5]Fig.1 EMR intensity and impulse measured in roadway with and without outburst danger of Pingdingshan 8th coal mine

圖2 不同瓦斯壓力條件下電磁輻射臨界慢化特征[21]Fig.2 Critical slowing down characteristics of EMR of coal specimens under different gas pressures

1.3 煤與瓦斯突出電磁輻射預(yù)警準(zhǔn)則及預(yù)警模型

何學(xué)秋、王恩元、聶百勝等[19-20]建立了基于電磁輻射脈沖數(shù)和強(qiáng)度的預(yù)警準(zhǔn)則，準(zhǔn)則分別如式（1）和式（2）：

式中：KNr、KNq分別為有弱危險(xiǎn)和強(qiáng)危險(xiǎn)時(shí)電磁脈沖數(shù)的臨界值系數(shù)和動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)系數(shù)；σw為無(wú)煤巖動(dòng)力災(zāi)害時(shí)的應(yīng)力；△Nw為無(wú)煤巖動(dòng)力災(zāi)害時(shí)的電磁脈沖數(shù)；σr、σq分別為達(dá)到弱危險(xiǎn)和強(qiáng)危險(xiǎn)時(shí)的應(yīng)力；△Nr、△Nq分別為達(dá)到弱危險(xiǎn)和強(qiáng)危險(xiǎn)時(shí)的電磁脈沖數(shù)；△σw、△σr、△σq分別為無(wú)煤巖動(dòng)力災(zāi)害、煤巖動(dòng)力災(zāi)害弱危險(xiǎn)、煤巖動(dòng)力災(zāi)害強(qiáng)危險(xiǎn)時(shí)的應(yīng)力變化；σ0為原始應(yīng)力。

式中：KEr、KEq分別為有弱危險(xiǎn)、強(qiáng)危險(xiǎn)的電磁輻射強(qiáng)度值預(yù)警臨界值；Ew為無(wú)危險(xiǎn)的電磁輻射強(qiáng)度值，Er、Eq分別為弱危險(xiǎn)、強(qiáng)危險(xiǎn)的電磁輻射強(qiáng)度。

以上模型為目前電磁輻射預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的預(yù)警模型，為電磁輻射方法預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤巖動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象提供了理論基礎(chǔ)。王恩元等[21]提出了聲電協(xié)同預(yù)警方法，將電磁輻射和聲發(fā)射進(jìn)行融合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)；邱黎明等[22]研究了以聲發(fā)射、電磁輻射和瓦斯?jié)舛葹橹笜?biāo)的多指標(biāo)預(yù)警系統(tǒng)；陳亮等[23]提出了基于電磁輻射峰谷比值法的煤與瓦斯突出預(yù)警模型；曹康等[24]提出了趨勢(shì)預(yù)警作為聲發(fā)射強(qiáng)度、電磁輻射強(qiáng)度、瓦斯?jié)舛鹊阮A(yù)警指標(biāo)的方法。

2 電磁輻射監(jiān)測(cè)預(yù)警裝備及系統(tǒng)

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤巖瓦斯動(dòng)力災(zāi)害研究所研發(fā)的KBD5 型和KBD7 型電磁輻射監(jiān)測(cè)儀在我國(guó)多個(gè)礦井進(jìn)行了應(yīng)用，也是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的電磁輻射監(jiān)測(cè)儀。后又研發(fā)了GDD12 聲電傳感器和YDD16 便攜式聲電監(jiān)測(cè)儀，KJ838 聲電瓦斯同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，大大提高煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)的精度。

1）KBD5 便攜式電磁輻射監(jiān)測(cè)儀。KBD5 電磁輻射監(jiān)測(cè)儀包括高靈敏度寬頻帶定向接收天線、監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)處理主機(jī)、充電器和監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)軟件等。監(jiān)測(cè)儀器電磁輻射傳感器有效監(jiān)測(cè)方向?yàn)?0°，有效超前預(yù)測(cè)范圍7～22 m。

2）YDD16 便攜式煤巖動(dòng)力災(zāi)害聲電監(jiān)測(cè)儀。YDD16 煤巖動(dòng)力災(zāi)害聲電監(jiān)測(cè)儀是一種便攜式、多通道、多信號(hào)、非接觸監(jiān)測(cè)儀器，通過(guò)主動(dòng)監(jiān)測(cè)煤巖破裂過(guò)程中聲發(fā)射、電磁輻射、超低頻電磁感應(yīng)、震動(dòng)等信息來(lái)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤巖動(dòng)力災(zāi)害，可用于預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤與瓦斯突出、沖擊地壓和金屬礦山巖爆、監(jiān)測(cè)采空區(qū)頂板垮落、監(jiān)測(cè)頂板周期來(lái)壓等。

3）KJ838 煤礦瓦斯突出聲電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。KJ838 煤礦瓦斯突出聲電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括系統(tǒng)硬件和軟件2 部分。硬件部分包括KBD7 非接觸式電磁輻射傳感器、GDD12 煤巖動(dòng)力災(zāi)害聲電傳感器、瓦斯傳感器、KJ796-F 監(jiān)測(cè)分站、本安不間斷電源和監(jiān)測(cè)中心機(jī)等；系統(tǒng)軟件能實(shí)現(xiàn)聲、電、瓦斯等等信號(hào)的監(jiān)測(cè)及曲線實(shí)時(shí)顯示，歷史數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)指標(biāo)智能查詢，有效信號(hào)與干擾信號(hào)分析及自動(dòng)預(yù)警。

3 電磁輻射預(yù)測(cè)煤與瓦斯突現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

1）工作面突出危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)。王恩元在某煤礦測(cè)試了電磁輻射和常規(guī)預(yù)測(cè)指標(biāo)[25]，有噴孔發(fā)生時(shí)電磁輻射強(qiáng)度E 和脈沖數(shù)N 出現(xiàn)激增，采取消突措施后降低并趨于穩(wěn)定，有突出危險(xiǎn)時(shí)的電磁輻射強(qiáng)度及脈沖數(shù)曲線如圖3。將電磁輻射參數(shù)與突出評(píng)價(jià)常規(guī)預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，E 和N 均與△h2、S 及q 呈高度正相關(guān)，E 與軟煤厚度h 呈顯著正相關(guān)，而N 與軟煤厚度h 相關(guān)性較低, 電磁輻射參數(shù)與常規(guī)預(yù)警指標(biāo)如圖4。李忠輝等[13]用KBD7 煤巖動(dòng)力災(zāi)害電磁輻射監(jiān)測(cè)儀在淮南謝一礦和潘三礦對(duì)煤與瓦斯突出進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤與瓦斯突出的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，電磁輻射實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線如圖5。邢云峰等[26]用KBD7 電磁輻射監(jiān)測(cè)儀對(duì)紅菱礦西區(qū)1200 掘進(jìn)工作面的電磁信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將電磁輻射強(qiáng)度和脈沖數(shù)與瓦斯解吸指標(biāo)△h2進(jìn)行了對(duì)比。王忠文[27]采用電磁輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)與常規(guī)預(yù)測(cè)法相結(jié)合，對(duì)鶴崗南山礦煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性進(jìn)行了成功的預(yù)測(cè)。

圖3 有突出危險(xiǎn)時(shí)的電磁輻射強(qiáng)度及脈沖數(shù)曲線[28]Fig.3 EMR intensity and impulse count with outburst dangers

圖4 電磁輻射參數(shù)與常規(guī)預(yù)警指標(biāo)[28]Fig.4 EMR parameters and conventional early-warning indicators

2）石門(mén)揭煤過(guò)程監(jiān)測(cè)。李學(xué)臣等[28]在九里山煤礦15031 掘進(jìn)工作面石門(mén)揭煤過(guò)程中，跟蹤測(cè)試了電磁輻射信號(hào)，電磁輻射信號(hào)隨著距離煤層越近而逐漸增強(qiáng)。由此可見(jiàn)，電磁輻射法預(yù)測(cè)石門(mén)揭煤突出危險(xiǎn)性是可行的。王恩元團(tuán)隊(duì)在淮南礦區(qū)謝一礦石門(mén)揭煤過(guò)程中同步測(cè)試了掘進(jìn)期間電磁輻射與瓦斯壓力，隨瓦斯抽采、消突及掘進(jìn)，電磁輻射指標(biāo)及瓦斯壓力逐步降低，驗(yàn)證了電磁輻射對(duì)突出危險(xiǎn)的響應(yīng)特征，掘進(jìn)過(guò)程電磁輻射與瓦斯壓力曲線如圖6，煤層揭露前、后電磁輻射變化曲線如圖7。

圖5 謝一礦和潘三礦電磁輻射實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線[13]Fig.5 EMR of real-time monitoring in Xieyi Coal Mine and Pansan Coal Mine

圖6 掘進(jìn)過(guò)程電磁輻射與瓦斯壓力p 曲線Fig.6 EMR vs gas pressure during driving process

圖7 煤層揭露前、后電磁輻射變化曲線Fig.7 EMR before and after coal seam exposure

3）便攜及在線結(jié)合監(jiān)測(cè)應(yīng)用。有學(xué)者使用便攜式電磁輻射監(jiān)測(cè)儀與在線式電磁輻射監(jiān)測(cè)儀相結(jié)合的方法對(duì)突出危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而使突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)更加精準(zhǔn)。李博等[29]將KBD5 移動(dòng)式和KBD7 在線式電磁輻射監(jiān)測(cè)儀結(jié)合使用，在焦作演馬莊礦27111 掘進(jìn)工作面開(kāi)展了電磁輻射測(cè)試，演馬莊礦27111 掘進(jìn)工作面電磁輻射測(cè)試結(jié)果如圖8。王恩元等[30]等利用KBD5 和KBD7 電磁輻射監(jiān)測(cè)儀對(duì)淮南謝一礦的突出危險(xiǎn)進(jìn)行了成功預(yù)測(cè)，謝一礦電磁輻射實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖9。王恩元將煤與瓦斯突出實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)在發(fā)耳煤礦進(jìn)行推廣應(yīng)用，發(fā)耳煤礦掘進(jìn)面巷聲電瓦斯變化曲線圖10，3 個(gè)指標(biāo)均給出了預(yù)警提示，綜和預(yù)警狀態(tài)為危險(xiǎn)預(yù)警，對(duì)工作面進(jìn)行了消突工作以保證掘進(jìn)工作的正常進(jìn)行。

圖8 演馬莊礦27111 掘進(jìn)工作面電磁輻射測(cè)試結(jié)果[32]Fig.8 EMR results in 27111 heading face of Yanmazhuang Coal Mine

圖9 謝一礦電磁輻射實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[33]Fig.9 Real time monitoring data of EMR in Xieyi Coal Mine

圖10 發(fā)耳煤礦掘進(jìn)面巷聲電瓦斯變化曲線Fig.10 AE, EMR and gas concentration variation in bottom drainage roadwayof Faer Coal Mine

目前，電磁輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在徐州、淮南、平頂山、撫順、沈陽(yáng)、六盤(pán)水、永城等地區(qū)近百個(gè)煤礦應(yīng)用于煤與瓦斯突出、沖擊地壓等災(zāi)害的預(yù)測(cè)，很大程度上降低了動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生率。

4 結(jié) 語(yǔ)

煤礦深部開(kāi)采中，煤與瓦斯突出威脅大，預(yù)測(cè)難度大，準(zhǔn)確、高效的預(yù)警是實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯突出預(yù)防的關(guān)鍵。大量研究表明，電磁輻射對(duì)工作面突出危險(xiǎn)性響應(yīng)較好，在突出非接觸預(yù)測(cè)方面具有很好的發(fā)展?jié)摿?。從電磁輻射預(yù)測(cè)煤與瓦斯突基本原理、電磁輻射監(jiān)測(cè)預(yù)警裝備、電磁輻射預(yù)測(cè)突出應(yīng)用等方面進(jìn)行了詳細(xì)敘述。結(jié)果表明：用電磁輻射法預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出是可行的，電磁輻射與突出危險(xiǎn)性、現(xiàn)行常規(guī)預(yù)測(cè)指標(biāo)及突出影響因素具有緊密相關(guān)性。用電磁輻射法監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)煤與瓦斯突出實(shí)現(xiàn)了無(wú)損、非接觸、定向區(qū)域監(jiān)測(cè)，無(wú)需打鉆工程，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程影響小。利用開(kāi)發(fā)的便攜式及在線式電磁輻射監(jiān)測(cè)儀和聲電同步監(jiān)測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)了煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用開(kāi)發(fā)的煤與瓦斯突出監(jiān)測(cè)預(yù)警分析軟件，實(shí)現(xiàn)了煤與瓦斯突出演化過(guò)程聲、電、瓦斯信號(hào)同步監(jiān)測(cè)分析及預(yù)警。電磁輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)是深部復(fù)雜開(kāi)采條件下煤與瓦斯突出高效監(jiān)測(cè)預(yù)警的重要手段。