电磁辐射技术在煤矿系统中的应用

阚士凯,张 杨,朱 劼,张 继

(中国矿业大学)

电磁辐射技术在煤矿系统中的应用

阚士凯①,张 杨,朱 劼,张 继

(中国矿业大学)

目前,煤矿开采中各种煤岩地质灾害也日益严重,破坏性极大,严重威胁煤矿生产安全,如何准确预测这些地质灾害,对煤矿安全生产有着重要的现实意义。介绍了电磁辐射在探测煤炭资源、预测冲击矿压、煤与瓦斯突出和寻找水患等方面的研究应用,并对其优势进行分析。

煤矿;电磁辐射;煤岩地质灾害;研究;应用

电磁辐射技术是一种地球物理方法。岩石破裂电磁辐射是指岩石受载破裂过程中向外辐射电磁能量的过程或现象。关于岩石破裂电磁辐射效应的研究,在理论上及应用研究方面,都取得了很大的进步。但是研究多限于大理石、花岗岩和石英等坚硬岩石,而且大多数研究仅限于定性研究。目前,电磁辐射技术已经开始应用于煤矿系统,在探测煤炭资源,预测冲击矿压、顶板来压规律、煤与瓦斯突出和寻找水患方面有了飞速发展,对煤矿安全生产起着重要作用。

1 电磁辐射技术在预测冲击矿压中的应用

1.1 电磁辐射法预测冲击矿压的原理

掘进或回采过程中,围岩原有力学平衡状态被打破,应力重新分配,围岩体向新的平衡状态转化。转化期间煤体必然要发生变形或破裂,从而引起电磁辐射。电磁辐射强度与煤的应力状态有关,在煤体松驰区域,应力较低,电磁辐射信号较弱,且变化较小;在应力集中区,煤体的变形破裂过程较强烈,电磁辐射信号较强,频率较高。煤体的应力集中程度越高,发生冲击矿压的危险性就越大。因此,根据电磁辐射的信号强弱就可以评价冲击地压的危险性。对煤体采用非接触方式监测的信号是松驰区和应力集中区产生的电磁辐射信号的总体反映,当监测范围内出现高应力集中区时,接受的信号表现出高应力集中区的特征。因此,可以通过监测煤体的电磁辐射信号来预测监测范围内高应力集中区的范围及大小,从而实现煤体冲击矿压的监测预报。

1.2 典型应用实例及特点分析

华丰煤矿利用电磁辐射法对3406和2408采煤工作面进行了监测实践。主要用临界值法和偏差法对工作面冲击危险进行预测预报。临界值法是将正常情况下电磁辐射幅值最大值、电磁辐射幅值平均值或脉冲数的平均值的1.5,作为各自的临界值,当监测数据大于临界值时,即预报冲击危险增强;偏差法是通过分析监测数据与正常情况下平均数据的偏差值大小来预报冲击危险。电磁辐射监测适于对矿井回采和掘进工作面进行局部地点的预测预报,适于近震、临震预报。电磁辐射预测冲击矿压技术具有非接触、安全可靠、操作简便、易判别、预测准确率高等特点。与其它传统监测手段相比,该方法具有远距离、动态、三维、实时监测的特点,还可以根据震源情况,确定破裂尺度和性质,为评价全矿范围内的冲击矿压危险提供依据。

2 电磁辐射技术在预测煤矿水患中的应用

2.1 电磁辐射法预测煤矿水患的原理

含水煤岩在变形破裂时能够产生电磁辐射,煤岩的含水量越大,电磁辐射信号强度越弱,水的存在对电磁辐射产生明显的影响。另外,水分使煤样电磁辐射信号的集中程度发生变化,自然原煤的峰前信号不多,含水煤样在峰前电磁辐射信号增多,但其强度水平低于自然原煤。水对受载煤岩电磁辐射的影响有两个方面:

一是水对煤岩材料的物理力学性质影响较大,水的浸润作用使煤岩强度和弹性模量降低,塑性加大,裂纹扩展速率减小,最终使得受载煤岩体产生的电磁辐射强度峰值减小;二是电磁辐射的阶段分布特征发生变化,水的存在使煤岩裂纹滑移面的摩擦系数降低,裂纹在较低的应力水平就会产生滑移扩展,产生电磁辐射信号,因此含水煤样峰前阶段电磁辐射信号要明显多于自然原煤。原煤样在整个破坏过程中峰前电磁辐射信号比较稀少,而含水煤样在峰前电磁辐射信号明显变得丰富,且含水煤样电磁辐射强度随含水量增大逐渐降低。由上述可以看出,水对煤样变形破坏的电磁辐射效应及煤岩物理性质的影响是明显的。通过电磁辐射信号的强弱,判断煤层含水量,可以预测煤矿的突水情况。

2.2 应用实例及特点分析

某煤矿利用电磁辐射法对2508采煤工作面进行了实践,探测其水文断面图,等值线值为各点赋水性值,得出结论:切眼向外20～92 m段为辐射信号异常区,在工作面回采时伴随矿压来临,此段极易引起底板突水,建议矿方保持水沟畅通并保证足够的排水能力。实际回采时,当工作面推进到切眼往外42 m处发生底板突水,水量最大为660 m3/h,最后稳定在540 m3/h。由于提前采取了预防措施,未造成大的灾害。

电磁辐射法适宜于区域性煤岩含水区域的初步探测,缺点是大深度探测时纵向分层能力较差,资料解释仍处于定性和半定量水平。由于煤岩电磁辐射特征受含水量影响的研究还处在定性阶段,对于定量的研究还需要进一步做大量的工作,所以该方法在井下仍有很大的应用空间。

3 电磁辐射技术在预测瓦斯突出中的应用

3.1 电磁辐射法预测瓦斯突出的原理。

突出过程是在一定的时间和空间中进行的,是典型的不可逆能量耗散过程。在这一过程中,含瓦斯煤体自外界获得的能量和自身储备的能量将以各种形式被耗散,声发射和电磁辐射是其中的两种重要的辐射形式。电磁辐射与煤的应力状态及瓦斯状态有关,应力越高、瓦斯压力越大时电磁辐射信号就越强,电磁辐射脉冲数就越大。在采掘工作面前方卸压区内,煤体发生屈服,大量裂隙形成,应力及瓦斯压力降低。由卸压区到应力集中区,应力及瓦斯压力升高,在垂直于煤壁的内部方向上单位煤体产生的电磁辐射信号也越来越强;在应力集中区,应力和瓦斯压力达最大值,煤体的变形破裂过程最强烈,电磁辐射源产生的电磁辐射信号最强;进入原始应力区,不同深度方向上电磁辐射源产生的电磁辐射的强度将有所下降。

3.2 典型应用实例及特点分析

九里山矿主采煤层二号煤,煤厚5～6 m,矿井始突标高-80 m,为煤与瓦斯突出矿井。根据采掘作业方式的不同,选取九里山煤矿15031风眼石门揭煤工作面进行电磁辐射测试试验。在掘进石门过程中,距离煤层越近,电磁辐射信号越强。在石门距煤层5 m且掘进抽放钻场时,电磁辐射最强。随着打钻孔进行瓦斯抽放,电磁辐射逐渐减弱。可见,用电磁辐射法预测揭石门瓦斯突出危险性及检验措施效果是可行的。

电磁辐射法预测技术在此矿区的应用,实现了非接触、定向、连续预测,而且用电磁辐射法科学评价了煤层瓦斯防突过程及防突效果,评价了石门揭煤过程中瓦斯突出危险性。电磁辐射法评价煤与瓦斯突出危险技术研究的应用,与常规的煤与瓦斯突出危险预测方法相比,不仅工序简单、工程量小,而且具有消除人工误差、观测范围广、可连续定点或动态观测的优点。对于准确预报煤与瓦斯突出危险,采取针对性的防突和安全措施具有较好的指导作用。

4 在地面探测寻找煤炭资源中的应用

4.1 电磁辐射法寻找煤炭资源的原理

电磁频率测深法是采用可以控制的人工场源的一种电磁勘探方法,通过改变供电和接收信号频率来达到测深的目的。其中最常用的场源是把可以改变的发送机产生的交变电流,通过一定长度的导线连接到两个接地的电极上,将交变电流通入大地,通常称为水平电偶极子;有时也将交变电流通过不接地的水平线圈作为场源,通常称为垂直磁偶极子。通过对所采集的数据采用曲线类型分析和曲线特征点分析进行定性解释,用广义逆矩阵反演法,通过人机对话的形式进行定量反演计算,然后对测量区域资料进行相位转换处理,推断此区域是否含有煤并作出评判。

4.2 典型应用实例及特点分析

山西省阳曲县在山西能源重化工基地太原市的北郊,紧邻太原钢铁公司,是重要的煤炭供给后备产地之一,但在全国第二次煤预测时,这里错误地被定为无煤区,其原因是在本测区内曾有一深水孔打过新生界见灰绿色基岩,误判定为本溪组地层。本区先通过采用电磁测深法进行探测,在电磁勘探期间,对原始资料进行初步定性分析,经解释后确认本区有含煤构造,并大致圈出煤系地层的范围。然后布置了查明性钻探参数孔加以验证,验证的目的是查明是否有含煤系地层的存在及有无可采煤矿层。验证结果确认有含煤的石炭二迭纪地层,并见有山西组、太原组的主要可采煤层4层,可采煤层总厚度6.27 m。后来不断扩大战果,把阳曲测区分为东部测区和西部测区,分年度进行勘探,配合钻探,共查明含煤区面积101 m2,估计D级储量10亿t。电磁测深法在阳曲测区的成功应用,给方法本身应用于全覆盖区的构造探测深部找煤提供了宝贵的经验。与常规勘探法相比,电磁辐射法应用简单,可实现真正的非接触预测,无需打钻,大大减少了工作量,对生产影响小,预测准确率高,为准确勘探煤炭起着积极的作用。

5 结 语

电磁辐射技术不仅可以对冲击矿压、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害实现定向及区域性预测和动态连续监测及预报,也可以检验防突措施的效果,且实施时间短,准确率高,是一种很有发展前途的方法。总的来讲,电磁辐射的应用研究还处于起步或初步应用阶段,且研究及应用领域将会不断扩大,除应用于煤矿外,在无损检测、监测地质滑坡、评估大坝、隧道、建筑等岩石混凝土稳定方面也会有非常广阔的应用前景。

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[3] 王恩元,何学秋,窦林名,等.煤矿采掘过程中煤岩体电磁辐射特征及应用[J].地球物理学报,2005,48(1):216-221.

[4] 朴化荣.电磁测深法原理[M].北京:地质出版社,1990:88-96.

Applications on Electromagnetic Radiation Technology in Coal Mine System

K an Shi-kai,Zhang Yang,Zhu Jie,Zhang Ji

Today,geological disasters are becoming increasingly serious and devastating in the coal mining,and becoming a serious threat to coal mine production safety,how to accurately predict the production of geological disasters in coal mine safety has important practical significance.In this paper introduces research and application of the electromagnetic radiation in the detection of coal resources,predict burst,and the searching for coal and gas outburst,floods and so on,and make a brief analysis of its strengths.

Coal mine;Electromagnetic radiation;Coal geological hazards;Research;Application

book=6,ebook=1

TD178

B

1672-0652(2010)06-0033-03

2010-03-19

阚士凯 男 1986年出生 2007年中国矿业大学在读本科生 徐州 221116