电磁辐射技术对冲击矿井危险区域预测的研究

钱红亮，张时伟

(河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454003)

近年来，随着矿井开采深度和开采强度不断加大，冲击地压灾害严重，某煤矿21141综放工作面开采深度已达640 m，顶板有巨厚的砾岩层，再加上超长的大孤岛工作面等特点，使工作面由于采动所造成的微震事件频发，随时可能发生冲击地压，严重地威胁着工作面的安全生产。通过KBD－5电磁辐射监测仪对冲击地压发生前所监测到的微震事件电磁辐射值的变化进行分析研究［1］，总结冲击地压发生前微震事件电磁辐射信号的变化规律，对及时有效地采取措施防治冲击地压具有重要的理论价值和实际意义［2］。

1 设备布置

KBD－5型电磁辐射仪在工作面掘进过程中，对整条巷道进行监测(见图1和图2)，其中，每条巷道设置40个测点，每个测点监测2 min，监测频率为每天1次，监测掘进中的巷道煤岩体电磁辐射的变化规律，及时对监测获得的数据进行整理分析，进而对冲击危险性进行合理预测，以评估掘进巷道发生冲击灾害的危险程度，21141工作面上下巷的日常定点巡回监测，测点布置在工作面上巷的下帮和下巷的上帮，上下巷均由距工作面煤壁的位置开始往外布置测点(或根据工作面煤炮情况及工作面地质预报在掘进工作面正前布置2个测点)，前100 m每10 m布置1个测点，100 m往外每隔20 m布置1个测点，每个测点监测2 min。每天有专业人员对监测数据进行整理分析，对冲击危险性进行预测预报。对危险区域及时采取解危措施，解危后，利用电磁辐射监测仪进行解危效果检验，直至危险解除。

图1 21141掘进工作面上巷测点布置图

图2 21141掘进工作面下巷测点布置图

2 工作原理

虽然冲击地压的发生具有突然性，但其发生前煤岩的变形和弹性能的储存却不是在短暂的时间内完成的，而是一个动态演化过程，在该过程中煤岩体不同程度地受载变形破坏向外辐射的电磁强度不同，该监测仪器是通过接收不同的电磁能量，探测煤岩体的变形破裂过程［3，4］。利用KBD－5系统分析软件将各原始数据进行连接，在连接中使用按时间连接的方式，也就是将相同地点不同时间所测得的电磁辐射数据进行连接。这样可以看到某一地点由电磁辐射强度和脉冲数所反映出的煤岩应力情况。电磁辐射强度主要反映煤岩体的受载程度及变形破裂强度，脉冲数主要反映煤岩体变形及微破裂的频次。在通常情况下，多以电磁辐射强度为主要分析指标，脉冲数为辅助分析指标。

3 数据分析

3.1 危险区域的预测

KBD－5电磁辐射监测仪在21141掘进工作面下巷收集到的具有代表意义的电磁辐射数据见图3～5。

图3 测点电磁辐射测试趋势曲线1图

图4 测点电磁辐射测试趋势曲线2图

图5 测点电磁辐射测试趋势曲线3图

由图3～5，在21141掘进工作面下巷测试的数据可知，在迎头50 m范围测试数据趋势有明显变化，测试数据数值与其它点相比，数值较高，也就是该段区间煤岩承载较高，后期需要对该点进行加强观测。而且，在趋势预测预报中，21141掘进工作面下巷迎头50 m范围位置为该测试区域的主要趋势参考区域。以上3图对比分析，发现图5测试数据数值较高，波动性较强，相对于图3、图4，更具有冲击危险性。

通过对图3～5的分析，可以发现利用电磁辐射技术，将同一时间段内不同测点数据连接后，根据数据的大小，综合测点处的地质资料可以对测试区域煤岩承载情况及冲击危险性作出判断。同时，综合多日数据，利用比照法，能够发现应力随采掘等因素影响出现的应力转移。

另外，可以通过1个区段多测点数据的再次均化，实现对1个待分析区域的预测预报。通过区段分析，冲击地压的危险性分析会更为准确。

3.2 冲击地压发生前后电磁辐射强度规律分析

经过对原始数据的分析发现，21141掘进工作面迎头50 m范围电磁辐射数据数值较高，对21141掘进工作面下巷道迎头50 m范围测点进行数据连接，并做出趋势预测预报，见图6。

图6 迎头50 m范围电磁辐射数据折线图

根据资料显示，在2009年2月5日，21141掘进工作面迎头发生冲击地压，因此，对2月5日前后1个星期的数据进行分析。

通过对21141掘进工作面迎头50 m范围原始数据的处理发现，KBD－5电磁辐射监测仪所测数据由1月25日下降，之后在1月31日突然呈增高趋势上升，随后在2月1日—2月4日，电磁辐射测试数据保持在相对较高的水平，根据矿内提供灾害发生记录，由于放炮诱发冲击地压发生，发生之后，数据明显下降。随后在2月9日，根据记录迎头放炮完毕后，发生煤炮，电磁辐射数据也明显增大。所以，后期应对该区域加强观测，必要时采取措施，确保安全生产。

2009年6月19日，在21141工作面下巷距巷口约500 m发生冲击，声响剧烈，主巷道内底板震动，并伴随有冲击波。此次冲击造成21141下巷300～850 m范围不同程度受到影响，无人员伤亡。“6.19事件”发生时，分别距工作面550 m、750 m和900 m处测点所测得的该时段电磁辐射强度曲线见图7～9。

图7 距工作面550 m处冲击时段电磁辐射强度曲线图

由图7～9分析可知，该次冲击前电磁辐射具有明显的规律性，平稳后脉冲强度首先急剧增大(6月11日)，最大已达70 mV，远远超过该矿设定的临界强度值，之后出现数天的平稳期，当强度再次增大(6月19日)时，则发生了冲击地压。可见，当脉冲剧降后并长时间(5～6 d)保持稳定时，应采取一定的解危措施，以应对可能的冲击地压发生。

图8 距工作面750 m处冲击时段电磁辐射强度曲线图

图9 距工作面900 m处冲击时段电磁辐射强度曲线图

4 结语

1)利用KBD－5电磁辐射仪在同一时间段内不同测点综合监测的对比分析可知，数据数值较高，波动性较强的区域具有冲击危险性，应加强观测，采取预防冲击地压的措施。

2)一般情况下，不同测点对冲击危险区域所测得电磁辐射脉冲强度有先急剧增大，后急剧降低的趋势，并在随后的5～6天内保持相对平衡时，有可能发生冲击地压，应采取措施，预防冲击地压的发生。

［1］贾慧霖.受载煤岩变形破裂低频电磁信号规律特征与机理研究［D］.徐州:中国矿业大学，2010:15－16.

［2］顾士坦.矿井冲击地压信息识别与预报方法的研究进展［J］.山东科技大学学报(自然科学版)，2011，40(3):808－813.

［3］刘晓斐，王恩元，何学秋.孤岛煤柱冲击地压电磁辐射前兆时间序列分析［J］.煤炭学报，2010，35(S1):15－18.

［4］姚精明，闫永业，税国洪，等.煤岩体破裂电磁辐射分形特征研究［J］.岩石力学与工程学报，2010(52):31－32.