沖擊危險煤層采掘活動的超低頻電磁輻射響應

潘東偉，劉曉斐，王恩元，苑廣華，許金杯，王嗣衡

（1.中國礦業大學煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室，江蘇 徐州，221116；2.中國礦業大學安全工程學院，江蘇 徐州，221116）

隨著煤礦開采深度的不斷加大，我國有不少礦井已進入深部開采，煤巖動力災害事故多發，尤其是沖擊地壓日漸凸顯，已成為威脅煤礦安全的又一大挑戰。我國僅在2013年一季度就發生了兩起嚴重的沖擊地壓事故，即1月12日遼寧省阜新礦業集團五龍煤礦和3月15日黑龍江省龍煤集團鶴崗分公司峻德煤礦發生的沖擊地壓事故。因此，沖擊地壓的預防已成為確保我國煤礦安全生產工作的重點。目前實驗室研究及現場應用實踐證實了中頻電磁輻射是一種有效的預測沖擊地壓的技術方法［1—4］，由于其具有測試方便、工作量小、勞動強度低、前兆響應明顯、預報準確率高等優點，已在我國大多數有沖擊地壓災害的礦井都得以推廣應用，且預測效果良好［5］。但目前礦井的采煤工作面多為機械化開采，有大量的機電設備及線纜存在，其運行過程中產生的電磁場會對現場電磁輻射監測造成嚴重的干擾，從而影響沖擊地壓電磁輻射監測及預報的可靠性［6］。

超低頻電磁波主要是頻率在30～300Hz的電磁波，具有傳播距離遠、抗干擾能力強的優點，在軍事上多用于潛艇通訊。超低頻波段在地球物理上的應用最先源于地震發生前觀測到超低頻波段的異常波動，被地震工作者應用于地震事件的預測與觀測［7—8］。賈慧霖［9］、王恩元等［10］通過實驗室大量試驗研究證實了煤巖及混凝土材料在單軸壓縮、剪切破裂過程中亦能產生超低頻電磁輻射信號，并且信號強度與煤巖及混凝土材料受載程度具有正相關性。因此，利用超低頻電磁輻射信號預測煤巖動力災害在理論上存在可行性，而且超低頻波段具有超長波長、穿透力強、衰減率低、抗干擾力強等特點，與常規電磁輻射相比，能有效地避開機電設備的干擾，在煤巖動力災害預測方面具有很大的應用前景［10］。中國礦業大學煤巖動力災害電磁輻射預測研究團隊提出了沖擊地壓的超低頻電磁輻射預測方法，并開發了相應的監測儀器及數據分析軟件，開展了相關的試驗研究。本文針對有沖擊地壓危險的煤層，選擇相應的回采和掘進工作面，通過現場測試工作面采掘過程中的超低頻電磁輻射規律，著重分析了超低頻電磁輻射對工作面采動應力在時間和空間上的響應以及對小型煤炮和沖擊動力顯現的響應，以為實現采掘現場沖擊地壓危險的超低頻電磁輻射監測及預警提供依據。

1 試驗現場概況

試驗現場選取有沖擊地壓災害的河南省義馬礦區千秋煤礦21采區的21112掘進工作面和21141回采工作面。

21112掘進工作面位于21采區下山東翼，南鄰采空區，東西兩側留煤柱，平均采深為560m，上巷走向長度為1 133m，測試時正處于掘進階段，煤層平均厚度為5.7m。該工作面地質構造簡單，工作面沿底板掘進，局部底板有起伏現象，在工作面接近主斷層區域產生伴生小斷層。

21141回采工作面位于21采區下山西翼，北鄰采空區，平均采深為684.4m，測試前上巷可采走向長度為285.5m，下巷剩余可采走向長度為294.1 m，煤層平均厚度為10.6m，傾角為12°～14°，無煤厚突變區域，屬于較穩定巨厚煤層，采用綜放式回采。該工作面的上巷在軌道口西6m處遇到斷層，沖擊地壓顯現嚴重，礦用ESG微震監測系統日均監測到的動力能量釋放事件多達十幾次。

2 回采工作面的超低頻電磁輻射測試及分析

2.1 測試儀器及測試方法

現場測試采用的儀器有：礦用本安型非接觸式電磁輻射監測儀（KBD5）、礦用本安型多通道非接觸式超低頻電磁輻射監測儀（YDD16）。監測儀KBD5，配套中頻段天線，采集頻段為1～500kHz，有效測試距離為7～22m，測點間距一般設定為10 m；監測儀YDD16，配套超低頻天線，采集頻段為1 kHz以下，有效測試距離理論上可達到100m。

現場使用YDD16和KBD5監測儀同步測試，即在同一測點兩臺儀器同時開始測試，在每個測點測試過程中將相應頻段的電磁輻射天線懸于空中，同時垂直朝向煤體并保持靜止，距離煤壁20cm以內，連續測試2min后結束進入下一測點，并重復上述操作。其中YDD16監測儀使用兩個超低頻天線測試，便于測試結果相互比較。

2.2 測點布置

測試地點位于沖擊危險較為嚴重的21141上巷，上下巷兩側均預留有煤柱。測點間距的選擇主要考慮沖擊地壓在巷道發生的位置。約70%左右的沖擊地壓災害發生在巷道［11］，且多在巷道超前工作面的前100m范圍內，因此21141上巷的電磁輻射測點間距也隨距離工作面的遠近而不同，在距離工作面0～200m范圍內每間隔10m布置一個測點，在距離工作面200～300m的范圍內每間隔20 m布置一個測點，全部測點遍布整個上巷，測點布置見圖1。

測試期間詳細記錄測點周圍人員走動及施工情況、機電設備的開停、煤巖動力現象發生的時間及地點、工作面實施防沖措施（如注水、卸載炮等）的時間及位置等。

圖1 21141上巷測點布置示意圖Fig.1 Arrangement of measurement points in return laneway of No.21141working face

2.3 回采工作面活動的超低頻電磁輻射響應特征

2.3.1 超低頻電磁輻射空間分布特征

圖2（a）與（b）分別為1月18日和1月26日21141回采工作面上巷下幫各個測點超低頻和中頻電磁輻射強度的測試結果。由圖2可以看出：超低頻和中頻電磁輻射一致性較好，在空間上有明顯的變化特征，反映了巷道空間圍巖應力分布的規律，表明受回采工作面的推進、巷道施工、煤層注水等采掘活動的影響，上巷空間圍巖應力分布處于不斷變化的狀態。

圖2 21141上巷各測點電磁輻射強度空間分布特征Fig.2 Spatial distribution property of EMR in return laneway of No.21141working face

（1）沖擊卸壓措施的超低頻電磁輻射響應。1月18日21141上巷在距離工作面160～170m范圍的煤體壓力較大，有發生沖擊的危險。現場采取了煤層注水卸壓措施（即從1月18日22點20分開始，在距離工作面160m處上巷下幫進行煤層注水，注水壓力為12MPa，注水持續時間為72h，累計注水量為96m3）；措施實施之后，煤體壓力逐漸降低，表現為1月26日注水區域的超低頻電磁輻射強度值逐漸減小。

（2）硐室的超低頻電磁輻射響應。21141上巷在距離工作面115m處的位置，1月26日的電磁輻射強度值出現了一個相對高的峰值，分析是由于此處新開辟一儲物硐室（斷面為長方形，頂部寬4.0 m，底部寬4.0m，高3m，深度5.5m），從而導致此處應力疊加，造成局部應力集中，超低頻表現為電磁輻射強度值升高。

（3）采動應力影響區的超低頻電磁輻射響應。比較圖2（a）和圖2（b）還可以發現，在21141上巷超前工作面15m左右的位置，超低頻電磁輻射強度值始終有一個峰值點（箭頭所指處），結合煤層回采過程中采煤工作面周圍的巖層移動和應力重新分布規律［12］，可確定超前工作面約15m的位置受采動影響最大，為工作面超前采動應力集中區域。

2.3.2 超低頻電磁輻射時間變化特征

以距離21141上巷口270m處測點為研究對象，對其連續10d的電磁輻射強度進行了監測，分析測點電磁輻射強度值隨工作面推進時間的變化趨勢。測試期間21141回采工作面共向前推進約15 m，平均推采速度為1.5m/d。測試結束時該測點距離工作面前壁約有10m。該測點電磁輻射強度值隨時間的變化趨勢見圖3，其中主縱坐標軸為超低頻電磁輻射強度值，次縱坐標軸為KBD5常規中頻電磁輻射強度值，1通道與2通道數據分別為兩個超低頻無線的YDD16監測數據。由圖3可以看出：

（1）由于天線電阻率大小不能完全絕對相同，1通道信號放大倍數為3 000倍，2通道信號放大倍數為5 000倍，所以兩個通道的超低頻電磁輻射測試數據有所差異，但兩條曲線走勢完全一致，說明YDD16監測儀本身所產生的測量誤差較小。

（2）與KBD5中頻電磁輻射數據曲線相比較，三條曲線整體走勢一致性較好。KBD5中頻電磁輻射強度值在距離工作面20.5m（1月21日）與13m（1月26日）處出現峰值，而超低頻電磁輻射強度值在距離工作面22m（1月20日）與14.5m（1月25日）處出現峰值，超低頻電磁輻射前兆響應要超前常規中頻電磁輻射1d左右。分析原因認為這是由于煤巖體所受載荷逐漸增大過程導致破裂，先產生超低頻電磁輻射信號，再產生中頻電磁輻射信號，而超低頻電磁輻射對于應力增大趨勢的預見性要超前于常規中頻電磁輻射。

（3）隨著推采，當接近距離工作面前壁22m位置時，測點電磁輻射強度值逐步增大，表明該區域局部應力增大，沖擊危險性增加。于是在1月20日7點40分在距離上巷口260m處（距離工作面約22 m）下幫及時采取了鉆孔煤層注水措施，注水壓力為12MPa，注水持續時間為48h，累計注水量為72 m3；注水之后煤巖體蘊含的彈性能量得到釋放，應力逐漸降低，所產生的電磁輻射強度值也隨之降低。

（4）隨著回采工作面的不斷推進，測點進入受采動影響區域，煤體應力又逐步增加達到峰值，而超低頻電磁輻射亦能很好地反映煤巖體所受的應力狀態。

圖3 距離上巷口270m處測點電磁輻射強度值的時域分布特征Fig.3 Time distribution property of EMR at the point 270mapart from the entrance

2.4 現場測試過程中的干擾分析

現場測試過程中發現，與常規電磁輻射監測儀KBD5相比，超低頻監測儀YDD16對周圍一些機械干擾（如注水泵站、打鉆、拉車等）的敏感度低，沒有明顯的監測數值突變現象，這是超低頻電磁輻射相對常規電磁輻射的優勢；但是對于井下電纜（高電壓）的干擾仍敏感，且影響較大，主要是由于井下電纜的工頻為50Hz，處于超低頻電磁輻射監測頻段范圍，因此在測試過程中應該避開井下電纜。

3 采掘過程中動力現象的超低頻電磁輻射響應規律

3.1 回采過程中煤炮的超低頻電磁輻射響應規律

煤炮是煤層地壓顯現出來的煤體深部發生錯動產生的響聲（悶雷聲、機槍聲、沙沙聲等），是沖擊地壓發生的一種現象，只不過是小規模的煤巖動力現象［13］。一些礦井沖擊地壓監測實踐表明，當煤炮聲由遠及近時，說明可能立即就會發生沖擊地壓。因此，監測煤炮的發生對于沖擊地壓的監測及預警具有積極意義。

千秋煤礦21141下巷沖擊地壓顯現嚴重，在井下工作的工人經常能聽到響度不等的煤炮。2013年1月26日采用超低頻電磁輻射監測儀YDD16對21141下巷距巷口120m處測點電磁輻射進行連續監測，監測結果見圖4。由圖4可以看出：在煤巷中沒有煤炮產生時，監測到的超低頻電磁輻射強度值較低且穩定；當有煤炮發生時，超低頻電磁輻射信號會出現突然的增大，增大幅度明顯且電磁輻射強度值大，說明超低頻電磁信號對于煤炮動力現象具有較好的響應規律。

圖4 21141下巷煤炮的超低頻電磁輻射響應Fig.4 ULF electromagnetic radiation response of coal gun in haulage lane 21141

3.2 掘進面人工放炮前后的超低頻電磁輻射響應

圖5是2013年1月12日在千秋煤礦21112上巷掘進工作面放炮前后測試得到的超低頻電磁輻射強度值數據。該測點距離掘進工作面迎頭35m處，使用秒表計時工具，由記錄信息可知人工放炮時間大約是在記錄開始后約930s，而此時超低頻電輻射強度值處于一個峰值狀態。由圖5可以看出：放炮前后超低頻電磁輻射信號較穩定，放炮時超低頻電磁輻射信號急劇增大。這是由于放炮時，煤巖體原始應力平衡狀態被打破，應力狀態發生變化，而在煤巖體狀態達到平衡過程中，應力狀態的運移這都會加大煤巖體的破碎，尤其是煤體快速破裂，因此必然產生大量的超低頻電磁輻射信號；當應力狀態逐漸達到平衡之時，煤巖體破裂破碎逐漸減小直至很弱程度，這就是在放炮之后超低頻電磁輻射信號減小并趨于穩定的原因。由此可見，超低頻電磁輻射信號可以很好地反映掘進巷道迎頭人工放炮所造成的煤體應力狀態變化，對井下人工放炮作業起到監測作用。

圖5 21112上巷放炮前后超低頻電磁輻射響應Fig.5 ULF electromagnetic radiation response of artificial blasting in excavation roadway 21112

4 結 論

通過現場超低頻電磁輻射監測儀（YDD16）監測煤巖體應力狀態，并與KBD5常規中頻電磁輻射監測儀監測數據進行對比發現：對于同一測試區域超低頻電磁輻射強度與常規電磁輻射強度值在數據趨勢上具有較好的一致性，并能較好地反映出測試區域煤體應力狀態，在高應力區具有明顯的高峰值，且在時間趨勢上超低頻電磁輻射強度峰值的出現要提前于常規電磁輻射強度峰值，表現出了較好的超前預測能力；此外，超低頻電磁輻射對井下小規模動力現象（如天然煤炮和掘進巷道人工放炮等）也有很好的響應規律。這些研究結果對于開展礦井沖擊危險的超低頻監測及預警提供了基礎。如何進一步揭示超低頻電磁輻射前兆特征，實現沖擊地壓的超低頻電磁輻射預警是下一步需要開展的工作。

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