电磁辐射法在煤岩动力灾害预测预报中的应用研究现状和进展

吉林化工学院 环境与生物工程学院 葛 及 欧阳文璟 付 净 刘 辉

电磁辐射法在煤岩动力灾害预测预报中的应用研究现状和进展

吉林化工学院 环境与生物工程学院 葛 及 欧阳文璟 付 净 刘 辉

我国是世界上煤岩动力灾害最严重的国家，截至2010年，我国已备案的煤岩动力灾害矿井已超过1 420个。由于种种原因，还有超过1倍数量的这类矿井没有备案。据不完全统计，我国累计发生动力灾害已超过31 000次，平均每年死亡近300人。随着煤矿开采深度的不断增加，灾害预防的难度也不断加大，灾害所带来的人员和财产损失也更为严重，遏止煤岩动力灾害事故已成为今后减少煤矿重特大事故的重中之重。

电磁辐射理论在许多领域都有着十分广泛的应用，而电磁辐射技术在煤矿安全生产中的应用也是越来越广泛，尤其在煤矿安全动力学灾害预测预报、监测监控等方面有着重要作用。本文，笔者首先阐述了电磁辐射技术在煤岩动力灾害中的应用原理，并着重介绍了电磁辐射法在矿井冲击地压、煤与瓦斯突出、岩爆、顶板稳定性等煤岩动力学灾害预测预报、稳定性监测监控方面的应用现状及发展趋势，同时对电磁辐射法在煤岩动力灾害预测预报中的应用作出了展望。

一、电磁辐射法在煤岩动力灾害中的应用研究现状

煤岩动力灾害包括煤与瓦斯突出、矿井冲击地压、顶板灾害、突水等煤矿生产过程中发生的常见事故。目前，对煤岩电磁辐射法在煤岩动力灾害中的实际应用主要集中在以下几个方面。

1.电磁辐射法在煤与瓦斯突出预测中的研究现状。煤与瓦斯突出等煤岩灾害动力现象的危害巨大，不仅威胁工作人员的人身安全，而且影响正常生产，增加了生产成本，严重影响了煤矿的社会效益和经济效益。使用电磁辐射法预测预报煤岩动力灾害具有非接触区域性、较大范围，连续动态监测、节省大量钻探工程量、对生产影响小、及不受煤岩体在空间上分布不均匀和时间上不稳定的影响等优点。目前，该技术装置在焦作矿区、淮南矿区、沈阳红菱煤矿、徐州张集煤矿等用于预测煤与瓦斯突出灾害。实践应用的结果表明，用电磁辐射法预测煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害不但是可行的，而且相对于其他预测预报方法，准确率得到了明显提高。

2.电磁辐射技术在矿井冲击地压的预测预报的应用。冲击矿压是矿山开采中常发生的煤岩动力现象之一。这种动力灾害通常是在岩体力学系统达到极限强度时，聚积在岩体中的弹性能量以突然、急剧、猛烈的形式释放，在井巷中发生爆炸性事故，造成岩体振动和破坏，动力将岩体抛向井巷，同时发出强烈声响，造成支架与设备、井巷的破坏，人员的伤亡等。

中国矿业大学王恩元、何学秋等人运用研制的KBD5 矿用本安型电磁辐射监测仪测试煤矿采掘过程中工作面煤岩体的电磁辐射，分析了电磁信号与采掘工艺及煤岩动力灾害危险性等的关系。研究结果表明，煤矿采掘过程伴随产生电磁辐射，电磁辐射是煤体受到采动影响后应力重新分布或变形破裂趋向新的平衡的结果；有煤与瓦斯突出和冲击地压危险时，有明显的电磁异常前兆；采取防治措施后，电磁辐射显著下降。

目前该项技术及装备已在有煤岩动力灾害危险的矿井进行试验或推广应用。如，在徐州三河尖煤矿、抚顺老虎台煤矿、新汶华丰煤矿、大屯孔庄煤矿和兖州东滩煤矿等用于预测冲击地压。在这些煤矿测试得到的大量数据结果表明，采用电磁辐射法在预测冲击地压方面效果显著，其预测预报的准确率很高。

3.电磁辐射法在岩爆监测中的应用研究现状。岩爆通常是指煤炭开采过程中开挖空间或者诱发造成的周围岩体的突然破坏，同时伴随有受压岩石突然释放的应变能。这类煤岩动力灾害往往是以大量的岩石坍塌、岩石弹出、或矿震形式表现出来的一种动力现象，对矿山和隧道的安全构成严重威胁，容易造成大量人员伤亡的事故发生。由此可见岩爆预测工作对于煤矿安全工作的重要性。预测岩爆就是要在岩爆工作的准备及发动阶段，根据前兆信息判断岩爆的危险程度。

何学秋、窦林明等学者则通过对煤岩加载试验过程中产生的电磁辐射信号进行记录，得出了煤岩受载失稳破坏前的电磁辐射信号前兆规律，并在山东某金矿中得到实际运用，为岩爆灾害预测预报工作奠定了理论试验基础。刘建辉、李化敏等人使用KBD5矿用本安型磁辐射监测仪对平煤集团公司某一煤矿掘进巷道的岩爆现象进行了监测监控，其监测指标有两个：电磁辐射强度值或幅值、电磁辐射脉冲数，在预测预报岩爆灾害中取得了良好的效果。

4.电磁辐射法预测采空区顶板稳定性方面的研究现状。煤岩受载变形破裂过程中会向外辐射电磁能量，即煤岩电磁辐射。一般情况下，随着煤岩应力的增加，煤岩变形破裂过程会进一步加剧，煤岩中的电磁辐射信号也就越强。电磁辐射的幅值大小能够反映煤岩体的应力大小，而脉冲数则反映了煤岩体的变形破坏程度。因此，工作人员可以通过对煤壁前方产生的电磁辐射信号进行分析来推断顶板的稳定性。

王恩元等人应用KBD5矿用本安型电磁辐射监测仪对坚硬煤岩层的电磁辐射特性进行了实验研究。研究结果表明，在矿山采掘过程中，伴随顶板活动会产生明显的电磁辐射信号，顶板垮落前电磁辐射有异常反映，表现为异常增大或呈现增长趋势；用电磁辐射法监测预报顶板垮落是可行的，且具有快捷、方便、准确率高的优点。KBD5型电磁辐射监测仪便携式仪器不受人工操作和工作面含瓦斯煤岩体分布不均匀的影响，采用静态临界值法和动态趋势法对危险性进行判定，能大幅度提高预测的准确性和可靠性。

二、结论和展望

电磁辐射法最先应用于岩石破裂电磁辐射的观测和应用，是从地震工作者发现地震前有电磁辐射异常开始的。道目前为止电磁辐射法在地震预报方面已取得了比较令人满意的成果，有关学者又将电磁辐射法运用到预测预报煤岩体动力灾害现象的研究中，并取得了一系列研究成果。中国矿业大学的专家学者通过对受载煤岩体及瓦斯解吸流动等情况下的电磁辐射进行深入研究，得到了受载煤岩体在变形破裂前的电磁辐射信号前兆规律，这对于预测预报煤岩动力灾害现象具有重要意义。由中国矿业大学开发的KBD5和KBD7两个型号电磁辐射预测技术及监测仪通过非接触监测煤岩体变形破裂过程中的电磁辐射信号及其变化规律，动态监测预报煤与瓦斯突出和冲击地压等煤岩动力灾害。目前，该设备装置已经在我国二十多个矿井进行了煤与瓦斯突出、冲击矿压的试验及推广。已进行的试验及推广应用情况表明，到目前为止，没有发生过煤岩动力灾害的危险性漏报情况，在预测无危险的准确率达100%，有危险的准确率达70%以上，为煤矿安全生产提供了有力保障。

总之，煤岩电磁辐射理论在安全工程中有着十分广泛的应用范围和应用前景。然而，由于煤岩动力灾害的复杂性，电磁辐射法在煤岩动力灾害预测预报中的应用还面临着许多亟待解决的问题，也有待于工作人员对此进行进一步地深入研究。