基于鉆孔電磁輻射法的煤體應(yīng)力分布測(cè)試＊

苑廣華 王恩元 沈榮喜 潘東偉 許金杯

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；

2.煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116；3.煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116）

1 概述

煤巖動(dòng)力災(zāi)害是我國(guó)煤礦重大自然災(zāi)害之一，尤其是近年來(lái)隨著煤炭資源開(kāi)發(fā)力度的加大，煤礦開(kāi)采深度不斷延伸，越來(lái)越多的礦井易發(fā)生沖擊地壓及煤與瓦斯突出事故。煤巖動(dòng)力災(zāi)害嚴(yán)重束縛我國(guó)的煤炭生產(chǎn)效率，威脅廣大煤炭工作人員的生命安全。為有效提高煤炭行業(yè)的產(chǎn)能，保證煤炭工作人員的生命安全，必須對(duì)煤巖動(dòng)力災(zāi)害尤其是沖擊地壓和煤與瓦斯突出進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)防。

理論和實(shí)踐表明，圍巖應(yīng)力 （采動(dòng)應(yīng)力和區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力）是導(dǎo)致礦井沖擊地壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的主要因素。為預(yù)防沖擊地壓和煤與瓦斯突出的發(fā)生，前人提出了很多預(yù)測(cè)預(yù)防技術(shù)，其中煤層打鉆注水軟化、深孔預(yù)裂預(yù)爆和鉆孔卸壓等效果最為顯著，被廣泛應(yīng)用于煤巖動(dòng)力災(zāi)害防治。近年來(lái)許多學(xué)者認(rèn)識(shí)到，在煤巖變形破壞的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種輻射能，研究煤巖應(yīng)力變化所產(chǎn)生的各種輻射信息能作為預(yù)測(cè)沖擊地壓的手段。研究表明，煤巖體在受載時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，電磁輻射是煤巖體在受載變形破裂過(guò)程中向外輻射電磁能量，它與煤巖體的性質(zhì)、受載狀況及變形破裂程度具有密切相關(guān)性，因此用電磁輻射法測(cè)試煤巖的受力狀態(tài)是合理的。電磁輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)不僅廣泛應(yīng)用于預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出、沖擊地壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害，還用于圍巖松動(dòng)圈范圍及卸壓帶區(qū)域的測(cè)試和爆破卸壓效果檢驗(yàn)等。王恩元等利用電磁輻射技術(shù)在潘三、謝一、張集等礦準(zhǔn)確測(cè)試出圍巖松動(dòng)圈范圍；劉曉斐等利用電磁輻射技術(shù)在張集礦、南山礦成功測(cè)試到工作面前方卸壓帶區(qū)域；徐文全等利用電磁輻射技術(shù)在梁北煤礦成功進(jìn)行了爆破卸壓效果檢驗(yàn)?；谏鲜鲅芯砍晒?，本文提出用電磁輻射法測(cè)試工作面前方煤體內(nèi)應(yīng)力分布狀態(tài)。

2 煤體應(yīng)力分布的電磁輻射法測(cè)試

采掘活動(dòng)改變了煤體的原始應(yīng)力狀態(tài)，從煤壁到煤體內(nèi)部依次存在應(yīng)力松弛區(qū)域、應(yīng)力集中區(qū)域和原始應(yīng)力區(qū)域。由于電磁輻射強(qiáng)度值與煤巖應(yīng)力狀態(tài)具有很好的相關(guān)性，可根據(jù)電磁輻射信號(hào)強(qiáng)弱分析煤體應(yīng)力分布規(guī)律。鉆孔電磁輻射法測(cè)試工作面前方煤體內(nèi)應(yīng)力分布，是利用小直徑柱狀鉆孔天線測(cè)試煤體內(nèi)不同深度的電磁輻射信號(hào)強(qiáng)度值，根據(jù)測(cè)試的電磁輻射值的變化情況，定性分析煤體內(nèi)部應(yīng)力分布及變化的區(qū)域規(guī)律，進(jìn)而得出煤體內(nèi)應(yīng)力分布。

測(cè)試儀器為中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電磁輻射課題組研制的KBD5便攜式礦用本安型電磁輻射監(jiān)測(cè)儀和配套的小直徑柱狀鉆孔天線，測(cè)試指標(biāo)為電磁輻射強(qiáng)度值和電磁輻射脈沖數(shù)，具體測(cè)試流程為：

（1）從工作面前方進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷超前工作面20m 處，每間隔10m 打直徑42mm、深度10m的鉆孔，進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷鉆孔各布置5個(gè)，如圖1所示。

（2）鉆孔形成后，將鉆孔天線與KBD5 電磁輻射監(jiān)測(cè)儀主機(jī)連接，并設(shè)置好電磁輻射測(cè)試參數(shù)：門(mén)限值、測(cè)試時(shí)間等。

（3）用推拉桿將小直徑鉆孔天線送入測(cè)試鉆孔，天線與鉆孔底端接觸后開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試。

（4）測(cè)試時(shí)從鉆孔底部開(kāi)始，之后沿鉆孔向外每隔0.5m 布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，逐一開(kāi)始測(cè)試，直至孔口，鉆孔施工及天線布置如圖2所示。

（5）單個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試時(shí)間為60s，整個(gè)測(cè)試過(guò)程的數(shù)據(jù)記錄由KBD5電磁輻射監(jiān)測(cè)儀自動(dòng)完成，測(cè)試結(jié)束后將電磁輻射數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 煤礦概況

測(cè)試區(qū)位于峻德礦三水平北17＃煤層三、四區(qū)一段，煤層賦存穩(wěn)定，以塊狀亮煤為主，含少量暗煤，傾角27～32°，煤層厚8.21～12.94 m。煤種為氣煤，復(fù)合煤層，夾有碳質(zhì)頁(yè)巖、凝灰?guī)r及粉砂巖。煤層直接頂為厚4.0～7.0 m 的灰色細(xì)砂巖，以石英長(zhǎng)石為主，含少量黑色礦物；老頂為厚30～40m 以石英、長(zhǎng)石為主的淺灰、灰白色中、細(xì)砂巖；底板為厚4.0～7.0 m 的凝灰質(zhì)粉砂巖。17＃煤層與上覆11＃煤層間距140～170m，與下伏21＃煤層間距60～70m。區(qū)內(nèi)上覆第四系砂層，砂層底板標(biāo)高232～280 m，砂層水已疏干。開(kāi)采上限標(biāo)高為-221.0m，下限標(biāo)高為-313.3 m，采高3.0m，揭煤時(shí)絕對(duì)瓦斯涌出量0.36m3／min。

3.2 電磁輻射測(cè)試結(jié)果

在峻德礦三水平北17＃煤層三、四區(qū)一段進(jìn)風(fēng)巷上幫、回風(fēng)巷下幫超前工作面60m 范圍內(nèi)進(jìn)行鉆孔電磁輻射測(cè)試。每隔10m 布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)；鉆孔深度設(shè)計(jì)為10m，但在打孔的過(guò)程中由于出現(xiàn)卡鉆、不排碴、出水等現(xiàn)象，鉆孔深度很難達(dá)到預(yù)定的10m，現(xiàn)場(chǎng)施工孔深為4～7m；設(shè)定電磁輻射監(jiān)測(cè)儀的門(mén)限值為50，測(cè)量時(shí)間為60s，其余參數(shù)均為默認(rèn)值，從鉆孔孔底向孔口方向每隔0.5m布置1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，直至孔口；數(shù)據(jù)記錄由KBD5電磁輻射監(jiān)測(cè)儀自動(dòng)完成，測(cè)試結(jié)束后將電磁輻射數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，由KBD5 數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行處理。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果選取進(jìn)風(fēng)巷上幫超前工作面30 m、50m 的測(cè)點(diǎn)及與之對(duì)應(yīng)的回風(fēng)巷下幫超前工作面30m、50 m 的測(cè)點(diǎn)。進(jìn)風(fēng)巷上幫超前30 m、50m 位置鉆孔的電磁輻射分布如圖3、圖4所示，回風(fēng)巷下幫超前工作面30m、50m 位置鉆孔的電磁輻射分布如圖5、圖6所示。

圖6 回風(fēng)巷超前工作面50m 鉆孔電磁輻射分布曲線

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

由圖3和圖4可知，峻德礦三水平北17＃煤層三、四區(qū)一段一分層進(jìn)風(fēng)巷鉆孔電磁輻射強(qiáng)度值在孔口附近較小，隨著深入鉆孔內(nèi)部，雖然出現(xiàn)波動(dòng)但電磁輻射強(qiáng)度值總體呈增大趨勢(shì)，在5 m 左右達(dá)到峰值，然后開(kāi)始減小。根據(jù)煤巖體受載狀態(tài)與電磁輻射強(qiáng)度的關(guān)系，鉆孔電磁輻射峰值與應(yīng)力峰值位置相對(duì)應(yīng)，電磁輻射強(qiáng)度低的區(qū)域?yàn)槊后w的應(yīng)力松弛區(qū)域，電磁輻射強(qiáng)度高的區(qū)域?yàn)槊后w的應(yīng)力集中區(qū)域，電磁輻射強(qiáng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)但增長(zhǎng)變緩的地方為應(yīng)力松弛區(qū)域與應(yīng)力集中區(qū)域的邊界，可判斷峻德礦三水平北17＃煤層三、四區(qū)一段超前工作面進(jìn)風(fēng)巷上幫超前30m 位置處鉆孔電磁輻射強(qiáng)度峰值點(diǎn)約位于煤體內(nèi)5m 處 （見(jiàn)圖3），超前50m處的峰值約位于煤體內(nèi)4.5～5.5 m 處 （見(jiàn)圖4）。煤體內(nèi)部在0～4.0m 電磁輻射值較低，4m 左右電磁輻射值出現(xiàn)增長(zhǎng)變緩，而5 m 后電磁輻射值從一個(gè)高值開(kāi)始迅速下降，可初步判定0～4.0 m為卸壓區(qū)域，卸壓區(qū)域邊界在4 m 左右位置，原巖應(yīng)力區(qū)應(yīng)在大于5.5 m 的區(qū)域，而在4.0～5.5 m 區(qū)域電磁輻射值處于較高的數(shù)值，表明這一區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力峰值點(diǎn)大致位于5m 處。

由圖5和力6可知，回風(fēng)巷鉆孔電磁輻射強(qiáng)度值在孔口附近較小，隨著深入鉆孔，強(qiáng)度值逐漸增大，但增大幅度較緩慢，直到測(cè)試的最大深度也沒(méi)有出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這表明回風(fēng)巷下幫煤體超前工作面應(yīng)力松弛區(qū)比進(jìn)風(fēng)巷長(zhǎng)，應(yīng)該在5 m 或更深的區(qū)域，而應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力峰值位置大于5m。

對(duì)比進(jìn)風(fēng)巷上幫和回風(fēng)巷下幫煤體內(nèi)部的電磁輻射強(qiáng)度值，回風(fēng)巷上幫的電磁輻射值要高于進(jìn)風(fēng)巷上幫，這是因?yàn)榛仫L(fēng)巷鄰近采空區(qū)，而與進(jìn)風(fēng)巷相鄰的為實(shí)體煤柱，相對(duì)進(jìn)風(fēng)巷而言回風(fēng)巷所承受的礦山壓力較大，在高應(yīng)力作用下，煤體被壓酥，形成裂隙，在高應(yīng)力作用下的回風(fēng)巷所產(chǎn)生的電磁信號(hào)要比進(jìn)風(fēng)巷強(qiáng)；回風(fēng)巷下幫30m 處電磁輻射值較低是因?yàn)樵诨夭晒ぷ髅嫔铣隹谇胺綄?shí)施了深孔預(yù)裂預(yù)爆措施，使淺層煤體內(nèi)的應(yīng)力得到充分釋放。對(duì)比回風(fēng)巷和進(jìn)風(fēng)巷鉆孔電磁輻射曲線可看出，回風(fēng)巷的應(yīng)力松弛區(qū)明顯增長(zhǎng)，應(yīng)力集中區(qū)要向煤體深部轉(zhuǎn)移1 m 或更深，這是由于峻德礦采用了煤層打鉆注水軟化和深孔預(yù)裂預(yù)爆等防沖措施使煤體應(yīng)力集中區(qū)向煤體深部轉(zhuǎn)移。

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，電磁輻射值與工作面前方煤體應(yīng)力分布一致，這與理論分析相同。在松弛區(qū)，煤體已發(fā)生屈服，有大量的裂隙在煤體內(nèi)部形成，煤體大量破碎，且內(nèi)部賦存的彈性能大部分得到釋放，已不能承受太大的應(yīng)力作用，因此該區(qū)域的應(yīng)力較低，產(chǎn)生的電磁輻射也較弱。由應(yīng)力松弛區(qū)到應(yīng)力集中區(qū)，煤體所承受的應(yīng)力逐漸增大，在較高的應(yīng)力作用下，煤體變形量也較大，電磁輻射信號(hào)也越來(lái)越強(qiáng)。在應(yīng)力峰值點(diǎn)，應(yīng)力達(dá)最大值，因此煤體的變形破裂也最強(qiáng)烈，電磁輻射信號(hào)最強(qiáng)。越過(guò)峰值點(diǎn)后進(jìn)入原始應(yīng)力區(qū)，煤體所受的應(yīng)力有所下降，煤體的變形破裂趨于緩和，電磁輻射強(qiáng)度逐漸下降，下降到一定值時(shí)趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

（1）峻德礦測(cè)試結(jié)果表明，電磁輻射強(qiáng)度與煤體應(yīng)力狀態(tài)具有良好的相關(guān)性，可以依據(jù)電磁輻射信號(hào)的變化規(guī)律分析工作面前方煤體應(yīng)力分布及變化情況。電磁輻射法測(cè)試工作面前方煤體內(nèi)應(yīng)力分布操作簡(jiǎn)便、結(jié)果直觀、效果明顯，為煤體應(yīng)力分布區(qū)域測(cè)試提供一種簡(jiǎn)便有效技術(shù)手段。

（2）峻德礦三水平北17＃煤層三、四區(qū)一段一分層進(jìn)風(fēng)巷應(yīng)力松弛區(qū)邊界在4 m 左右位置，應(yīng)力峰值點(diǎn)大致位于5 m 處，回風(fēng)巷的應(yīng)力松弛區(qū)范圍大于5m。

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