电磁辐射监测技术装备在煤与瓦斯突出监测预警中的应用

王恩元，李忠辉，李德行，刘晓斐，李金铎

（1.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州221116；2.中国矿业大学 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏 徐州221116；3.中国矿业大学 煤矿瓦斯治理国家工程研究中心，江苏 徐州221116）

煤炭开采伴随有煤与瓦斯突出等动力灾害，随着开采逐渐进入深部，煤与瓦斯突出日趋严重且复杂，严重影响煤炭安全高效生产，煤与瓦斯突出危险性的准确预测是防突工作的前提。国内外大量研究成果表明：煤岩电磁辐射是一种有效的煤岩动力灾害的地球物理监测方法[1-15]。

从20 世纪90 年代开始，中国矿业大学对煤岩电磁辐射的产生机理、特征、规律及传播特性等进行了深入研究，提出了电磁辐射预测煤岩动力灾害的原理及方法，研制了KBD5 型便携式电磁辐射监测仪和KBD7 型在线式电磁辐射监测仪，GDD12 声电传感器和YDD16 便携式煤岩动力灾害声电监测仪，研发了KJ 系列煤岩动力灾害声电监测系统，在全国多个煤矿应用于煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害的监测、预测[9-15]。从电磁辐射预测煤与瓦斯突基本原理和方法、电磁辐射监测预警装备、电磁辐射预测煤与瓦斯突现场应用3 个方面对煤与瓦斯突出电磁辐射监测预警研究成果进行了系统梳理和详细叙述，表明电磁辐射对突出危险性、瓦斯地质及应力异常等响应较好，是一种行之有效的非接触式煤岩动力灾害地球物理监测预警方法。

1 电磁辐射预测煤与瓦斯突基本原理

1.1 煤岩变形破裂电磁辐射

何学秋、王恩元、刘明举、聂百胜等[1-10]学者对受载煤岩变形破裂过程电磁辐射响应特征及规律进行了大量的研究，结果表明：煤岩损伤过程中能够产生电磁辐射，且电磁信号与载荷呈正相关，认为电磁辐射能够反映煤岩体应力状态。王恩元、聂百胜等[3,5-7]研究了含瓦斯煤变形破坏电磁辐射规律，探索了瓦斯对电磁辐射的影响规律及影响机制，对电磁辐射法预测煤与瓦斯突出原理进行了探讨；结果表明：电磁辐射也能够反映煤体中的瓦斯信息，煤体中瓦斯的存在能够使电磁辐射信号增强，且瓦斯压力越大，电磁信号越强。

1.2 电磁辐射预测煤与瓦斯突出指标

电磁辐射信号蕴含着丰富的信息，其主要参数包括幅值、脉冲数、能量、频率持续时间等。何学秋、王恩元等[2-5]在分析了煤岩体破裂过程中电磁辐射的特征的基础上，认为采用电磁辐射强度和脉冲数2 项指标来预测煤与瓦斯突出等动力灾害更加精准，被大多数实验室研究及现场应用所采用。平煤八矿有突出危险和无突出危险时电磁辐射强度和脉冲数如图1[5]，由图1 可以看出，有突出危险时电磁辐射强度和脉冲数明显大于无突出危险时的值，表明电磁辐射可以较好地反映突出危险性。有学者将电磁辐射能量作为动力灾害预测指标，邱黎明等[16]分析煤体受载破坏过程电磁辐射时域、频域及波形变化特征，认为电磁辐射脉冲数、能量值、主频或幅值的急剧增加可以作为煤体失稳的前兆特征。夏善奎[17]用特征参数和波形频谱法，分析了实验过程电磁辐射和声发射信号的时间和频率序列特征，确定了声电信号特征参数，得到了声电信号突出前兆信息。李金铎[18]根据临界慢化理论，研究了含瓦斯硬煤受载破坏过程中电磁辐射和瓦斯渗流的方差和自相关系数，并从中抓取前兆信号，不同瓦斯压力条件下电磁辐射临界慢化特征如图2。

图1 平煤八矿有突出危险和无突出危险时电磁辐射强度和脉冲数[5]Fig.1 EMR intensity and impulse measured in roadway with and without outburst danger of Pingdingshan 8th coal mine

图2 不同瓦斯压力条件下电磁辐射临界慢化特征[21]Fig.2 Critical slowing down characteristics of EMR of coal specimens under different gas pressures

1.3 煤与瓦斯突出电磁辐射预警准则及预警模型

何学秋、王恩元、聂百胜等[19-20]建立了基于电磁辐射脉冲数和强度的预警准则，准则分别如式（1）和式（2）：

式中：KNr、KNq分别为有弱危险和强危险时电磁脉冲数的临界值系数和动态变化趋势系数；σw为无煤岩动力灾害时的应力；△Nw为无煤岩动力灾害时的电磁脉冲数；σr、σq分别为达到弱危险和强危险时的应力；△Nr、△Nq分别为达到弱危险和强危险时的电磁脉冲数；△σw、△σr、△σq分别为无煤岩动力灾害、煤岩动力灾害弱危险、煤岩动力灾害强危险时的应力变化；σ0为原始应力。

式中：KEr、KEq分别为有弱危险、强危险的电磁辐射强度值预警临界值；Ew为无危险的电磁辐射强度值，Er、Eq分别为弱危险、强危险的电磁辐射强度。

以上模型为目前电磁辐射预测煤与瓦斯突出危险的预警模型，为电磁辐射方法预测预报煤岩动力灾害现象提供了理论基础。王恩元等[21]提出了声电协同预警方法，将电磁辐射和声发射进行融合，优势互补；邱黎明等[22]研究了以声发射、电磁辐射和瓦斯浓度为指标的多指标预警系统；陈亮等[23]提出了基于电磁辐射峰谷比值法的煤与瓦斯突出预警模型；曹康等[24]提出了趋势预警作为声发射强度、电磁辐射强度、瓦斯浓度等预警指标的方法。

2 电磁辐射监测预警装备及系统

中国矿业大学煤岩瓦斯动力灾害研究所研发的KBD5 型和KBD7 型电磁辐射监测仪在我国多个矿井进行了应用，也是目前国内应用最为广泛的电磁辐射监测仪。后又研发了GDD12 声电传感器和YDD16 便携式声电监测仪，KJ838 声电瓦斯同步监测系统，大大提高煤与瓦斯突出预测的精度。

1）KBD5 便携式电磁辐射监测仪。KBD5 电磁辐射监测仪包括高灵敏度宽频带定向接收天线、监测及数据处理主机、充电器和监测及预报软件等。监测仪器电磁辐射传感器有效监测方向为60°，有效超前预测范围7～22 m。

2）YDD16 便携式煤岩动力灾害声电监测仪。YDD16 煤岩动力灾害声电监测仪是一种便携式、多通道、多信号、非接触监测仪器，通过主动监测煤岩破裂过程中声发射、电磁辐射、超低频电磁感应、震动等信息来预测预报煤岩动力灾害，可用于预测预报煤与瓦斯突出、冲击地压和金属矿山岩爆、监测采空区顶板垮落、监测顶板周期来压等。

3）KJ838 煤矿瓦斯突出声电监测系统。KJ838 煤矿瓦斯突出声电监测系统包括系统硬件和软件2 部分。硬件部分包括KBD7 非接触式电磁辐射传感器、GDD12 煤岩动力灾害声电传感器、瓦斯传感器、KJ796-F 监测分站、本安不间断电源和监测中心机等；系统软件能实现声、电、瓦斯等等信号的监测及曲线实时显示，历史数据及统计指标智能查询，有效信号与干扰信号分析及自动预警。

3 电磁辐射预测煤与瓦斯突现场应用

1）工作面突出危险监测。王恩元在某煤矿测试了电磁辐射和常规预测指标[25]，有喷孔发生时电磁辐射强度E 和脉冲数N 出现激增，采取消突措施后降低并趋于稳定，有突出危险时的电磁辐射强度及脉冲数曲线如图3。将电磁辐射参数与突出评价常规预警指标进行对比，E 和N 均与△h2、S 及q 呈高度正相关，E 与软煤厚度h 呈显著正相关，而N 与软煤厚度h 相关性较低, 电磁辐射参数与常规预警指标如图4。李忠辉等[13]用KBD7 煤岩动力灾害电磁辐射监测仪在淮南谢一矿和潘三矿对煤与瓦斯突出进行实时监测，实现了对煤与瓦斯突出的实时监测预报，电磁辐射实时监测曲线如图5。邢云峰等[26]用KBD7 电磁辐射监测仪对红菱矿西区1200 掘进工作面的电磁信号进行实时监测，将电磁辐射强度和脉冲数与瓦斯解吸指标△h2进行了对比。王忠文[27]采用电磁辐射监测技术与常规预测法相结合，对鹤岗南山矿煤与瓦斯突出危险性进行了成功的预测。

图3 有突出危险时的电磁辐射强度及脉冲数曲线[28]Fig.3 EMR intensity and impulse count with outburst dangers

图4 电磁辐射参数与常规预警指标[28]Fig.4 EMR parameters and conventional early-warning indicators

2）石门揭煤过程监测。李学臣等[28]在九里山煤矿15031 掘进工作面石门揭煤过程中，跟踪测试了电磁辐射信号，电磁辐射信号随着距离煤层越近而逐渐增强。由此可见，电磁辐射法预测石门揭煤突出危险性是可行的。王恩元团队在淮南矿区谢一矿石门揭煤过程中同步测试了掘进期间电磁辐射与瓦斯压力，随瓦斯抽采、消突及掘进，电磁辐射指标及瓦斯压力逐步降低，验证了电磁辐射对突出危险的响应特征，掘进过程电磁辐射与瓦斯压力曲线如图6，煤层揭露前、后电磁辐射变化曲线如图7。

图5 谢一矿和潘三矿电磁辐射实时监测曲线[13]Fig.5 EMR of real-time monitoring in Xieyi Coal Mine and Pansan Coal Mine

图6 掘进过程电磁辐射与瓦斯压力p 曲线Fig.6 EMR vs gas pressure during driving process

图7 煤层揭露前、后电磁辐射变化曲线Fig.7 EMR before and after coal seam exposure

3）便携及在线结合监测应用。有学者使用便携式电磁辐射监测仪与在线式电磁辐射监测仪相结合的方法对突出危险进行预测，从而使突出危险性预测更加精准。李博等[29]将KBD5 移动式和KBD7 在线式电磁辐射监测仪结合使用，在焦作演马庄矿27111 掘进工作面开展了电磁辐射测试，演马庄矿27111 掘进工作面电磁辐射测试结果如图8。王恩元等[30]等利用KBD5 和KBD7 电磁辐射监测仪对淮南谢一矿的突出危险进行了成功预测，谢一矿电磁辐射实时监测数据如图9。王恩元将煤与瓦斯突出实时监测预警技术在发耳煤矿进行推广应用，发耳煤矿掘进面巷声电瓦斯变化曲线图10，3 个指标均给出了预警提示，综和预警状态为危险预警，对工作面进行了消突工作以保证掘进工作的正常进行。

图8 演马庄矿27111 掘进工作面电磁辐射测试结果[32]Fig.8 EMR results in 27111 heading face of Yanmazhuang Coal Mine

图9 谢一矿电磁辐射实时监测数据[33]Fig.9 Real time monitoring data of EMR in Xieyi Coal Mine

图10 发耳煤矿掘进面巷声电瓦斯变化曲线Fig.10 AE, EMR and gas concentration variation in bottom drainage roadwayof Faer Coal Mine

目前，电磁辐射监测系统已在徐州、淮南、平顶山、抚顺、沈阳、六盘水、永城等地区近百个煤矿应用于煤与瓦斯突出、冲击地压等灾害的预测，很大程度上降低了动力灾害发生率。

4 结 语

煤矿深部开采中，煤与瓦斯突出威胁大，预测难度大，准确、高效的预警是实现煤与瓦斯突出预防的关键。大量研究表明，电磁辐射对工作面突出危险性响应较好，在突出非接触预测方面具有很好的发展潜力。从电磁辐射预测煤与瓦斯突基本原理、电磁辐射监测预警装备、电磁辐射预测突出应用等方面进行了详细叙述。结果表明：用电磁辐射法预测煤与瓦斯突出是可行的，电磁辐射与突出危险性、现行常规预测指标及突出影响因素具有紧密相关性。用电磁辐射法监测预报煤与瓦斯突出实现了无损、非接触、定向区域监测，无需打钻工程，对生产过程影响小。利用开发的便携式及在线式电磁辐射监测仪和声电同步监测仪，实现了煤与瓦斯突出危险的实时监测，利用开发的煤与瓦斯突出监测预警分析软件，实现了煤与瓦斯突出演化过程声、电、瓦斯信号同步监测分析及预警。电磁辐射监测技术是深部复杂开采条件下煤与瓦斯突出高效监测预警的重要手段。