煤巷掘进过断层电磁辐射变化规律

介亚文 郝延坤 马艳军 王召阳 赵 菲

（河南平宝煤业有限公司，河南 许昌 461714）

煤巷掘进施工时，经常遇到落差较大的断层构造，断层的存在会对附近区域地应力分布、瓦斯赋存和煤的物理性质产生重要影响[1-4]。在各种断层中，逆断层为压扭性断层，封闭构造，瓦斯含量较高，瓦斯压力大，突出危险性较大，因此在突出煤层中掘进煤巷过逆断层时，要加强突出危险性预测和防治工作。电磁辐射(EMR)法预测煤与瓦斯突出是由中国矿业大学王恩元教授等人在多年深入研究后提出的新方法，已在全国多个矿区应用，这种方法实现了非接触预测，无需打钻，大大减少了工作量，对生产影响小；易于实现定向及区域性预测，不受含瓦斯煤体分布不均匀的影响；可实现动态连续监测及预报，能够反映含瓦斯煤体的动态变化过程；既能探测煤壁附近的突出危险性及突出危险带的方位，又能检验防突措施的效果[5]。电磁辐射与煤岩体的载荷及变形破裂密切相关，基本上随着载荷及变形破裂的增大而增强，电磁辐射指标综合反映了煤与瓦斯突出的主要影响因素，用电磁辐射法预测煤与瓦斯突出是可行的[6]。在平煤集团某矿掘金煤巷过逆断层期间，用电磁辐射监测仪跟踪监测了电磁辐射的变化情况，通过对这些数据的分析，得到了在此期间电磁辐射变化的初步规律，用于指导防治煤与瓦斯突出工作。

1 工作面概况

所选实验矿井为突出矿井，所选掘进巷道为一采面回风巷道，设计长960m，地面标高为556～675m，工作面标高约300m。巷道处于己组煤层内，为稳定可采煤层，煤层平均厚度约6.2m，煤层倾角2～6°，煤层以黑色亮煤为主，具有金属玻璃光泽，f=0.84。相对瓦斯涌出量16.6m3/t，单巷掘进时瓦斯绝对涌出量1.0～5.6m3/min，煤层原始瓦斯压力2.12MPa，瓦斯放散初速度大于30，巷道顶底板情况见表1所示。

表1 煤层顶底板情况Tab.1 The roof and floor circumstance of coal seam

巷道采用双巷掘进，先沿一巷单巷掘进，所选巷道巷道掘进至608m 时附近时，遇到一个逆断层，走向近南北，倾向西，倾角30°左右，落差7.8～8.3m，断层情况如图1 所示。

图1 断层剖面图Fig.1 The profile of the fault

2 电磁辐射监测仪现场数据采集

电磁辐射监测仪分为便携式和在线式两种，便携式电磁辐射监测仪KBD5 可以对不同的区域进行测试，比较灵活；在线式电磁辐射监测仪KBD7 可以长时间连续对煤体进行监测，适合于同一地点的连续监测。

2.1 KBD5 电磁辐射监测仪的测试方案

在所选巷道掘进工作面左前方、正前方和右前方各布置一个测点，距离迎头1～1.5m 朝向巷道两帮各布置一个测点，共5 个测点。电磁辐射天线距煤壁0.6～0.8m，天线中缝朝向顶板，每个测点测试2 分钟，如图2 所示。

图2 掘进工作面KBD5 测点布置图Fig.2 KBD5 monitoring points arrangement of coal heading face

2.2 KBD7 电磁辐射仪的测试方案

KBD7 通过KJ90 监控系统分站提供工作电源和进行数据传输，挂放在掘进煤巷的右帮，电磁辐射监测仪天线的布置距离迎头5 米以内，朝向迎头中央，电磁辐射天线要随工作面的推进同步前移。煤巷掘进工作面电磁辐射的测点布置情况，见图3。

图3 掘进工作面KBD7 电磁辐射测点布置示意图Fig.3 KBD7 monitoring points arrangement of coal heading face

3 电磁辐射数据处理及分析

准备过断层之前，煤巷掘进工作面前方进行了长时间的瓦斯抽放，开掘前，工作面前方煤层实测瓦斯含量为7.8714m3/t，瓦斯压力0.51MPa。为了描述在过断层过程中的电磁辐射变化的规律，用KBD5从距断层10m 处每掘进2m 测试其电磁辐射强度，并把每次测试的5个点取平均为该位置处的电磁辐射强度值，得到KBD5 测试电磁辐射强度随掘进不同位置的变化情况图，如图4 所示。

图4 过断层KBD5 电磁辐射强度变化情况Fig.4 EMR intensity variation of KBD5 in period of traversing fault

期间KBD7 连续跟踪监测了掘进工作面电磁辐射变化情况，为了能和KBD5 强度值对比分析，将KBD7 每小时内的数据取平均，并注明在过断层期间的位置，得到KBD7 测试电磁辐射强度数据随断层掘进的变化情况，如图5 所示。

图5 过断层KBD7 电磁辐射强度变化情况Fig.5 EMR intensity variation of KBD7 in period of traversing fault

由于KBD7 和KBD5天线的接收范围不同，如图2 和图3 所示，造成KBD7 和KBD5 监测到的数据不在一个水平上，但并不影响我们的分析。图4 和图5 中位置显示的“断层”处即揭露上盘煤层后、上下盘煤层同时存在并且中间有夹矸的情况，直到下盘煤层和断层破碎带夹矸消失后称为断层结束，“前10”表示工作面距即将揭露上盘煤层处的距离，“后2”表示工作面距下盘煤层和夹矸消失处的距离。

由图4 和图5 都可以看出，在揭露上盘煤层之前，随着巷道工作面向断层破碎带的移动，电磁辐射强度都在逐步上升，并在揭露上盘煤层之前达到最大值。在揭露上盘煤层之后，电磁辐射强度迅速减小，之后图4 中在出现一个较大的上升点，而图5 中则有微弱的上升，之后又下降。在下盘煤层和破碎带夹矸消失后，两图中的电磁辐射强度都处于相对较低的阶段，在图4 中有一个幅度不大的上升再下降过程。在两图中，除了上述已解释的强度值不处于一个水平的原因外，强度的变化趋势基本一致。图4 中的数据变化比图5 中的数据变化较为敏感，这是由于KBD5 监测的区域距离煤岩壁较近，且监测时间较短，只有两分钟，数据较少；而KBD7 一直连续监测，数据量较大，每个小时数据平均后，数据的变化较KBD5 平缓。由两图可以看出，破碎带倾角小于45°，断层破碎带压力主要影响下盘煤层，对上盘煤层影响不大[7]。在工作面靠近破碎带揭露上盘煤层之前，工作面前方顶板岩层给工作面和断层间的煤岩柱加压，且上下盘之间有一层较厚完整性较好的泥岩，承载着大量上盘煤岩的压力，并且对上盘煤层的瓦斯有封闭作用，于是在靠近破碎带处就产生了较高的应力集中，使得此处的电磁辐射强度达到最大值。当揭露上盘煤层后，瓦斯可以迅速释放，并且因顶板（倾斜泥岩）被切断，失去传递力的作用，应力释放，使电磁辐射强度值迅速下降；另一方面，采用坡度为15°的上山和U 型钢架棚支护穿过断层，使得断层和巷道的夹角增大，减小了断层对巷道的影响范围，增大了巷道顶板支护物的支撑能力，使得上盘煤岩压力转移到U 型钢支护物上，而使工作面前方的应力降低[8]，从而使电磁辐射强度值明显降低。断层破碎带对上盘煤层压力几乎没有影响，但由于采用上山掘进过巷道，使得巷道存在一个倾角，在没有完全穿过断层之前引起应力稍微集中，使得电磁辐射值增大，等巷道工作面完全穿过断层之后，电磁辐射值恢复正常。

4 结论

通过以上分析可以得出结论：煤巷挑顶过逆断层过程中，下盘煤层电磁辐射强度值逐渐升高，越靠近断层值越大，在揭露上盘煤层之前达到最大值，穿过断层后电磁辐射强度值迅速降低，并且稳定在较低水平。通过电磁辐射的变化情况可以得知断层破碎带对上盘煤层压力分布影响很小，但会引起下盘煤层区域的应力集中，同时由于断层对上盘煤层瓦斯的封闭作用，使得瓦斯压力增大，在揭露上盘煤层时，突出危险性增大。

［1］胡戈.综放开采断层活化导水机理研究[D].徐州：中国矿业大学，2008.

［2］郭惟嘉，徐方军.覆岩体内移动变形及离层特征[J].矿山测量，1999(3)：36-38.

［3］任奋华，蔡美峰，来兴平.河下开采覆岩破坏规律物理模拟研究[J].中国矿业，2008，17(3)：51-54.

［4］朱斌，武强.断层影响下的地下水流数值模拟[J].桂林工学院学报，2005，25(1)：31-35.

［5］王恩元，何学秋，忠辉，等.煤岩电磁辐射技术及其应用[M].北京：科学出版社，2009，1.

［6］王恩元，何学秋，聂百胜，等.电磁辐射法预测煤与瓦斯突出原理[J].中国矿业大学学报，2000，29(3)：225-228.

［7］赵德昌.断层破碎带围岩压力[J].矿山压力与顶板控制.

［8］王显政，杨富，朱凤山，等.煤矿安全新技术[M].北京：煤炭工业出版社，2002.