保德煤礦應力異常區電磁輻射特征分析

孔德磊

(神華神東煤炭集團公司保德煤礦，山西 保德 036600)

0 引言

褶曲、斷層等所有地質構造無不是在構造應力的作用下引起的煤巖體形變與斷裂而保存下來的構造形跡[1-2]。相關試驗研究表明，受載煤巖體破裂時能夠產生電磁輻射[3-4]，因此，電磁輻射對地質構造產生響應。電磁輻射強度與煤的應力狀態密切相關，在煤體松弛區域，壓力較低，電磁輻射信號較弱，且變化較小；在應力集中區，煤體的變形破裂過程較強烈，電磁輻射信號較強。電磁輻射信號的接收可實現定向及非接觸，區域性、連續動態監測，可節省大量的鉆探工程量，對生產影響小及不受煤巖體在空間上分布不均勻及時間上不穩定的影響等優點[5]。本文通過研究保德煤礦掘進過程中煤巖體的電磁輻射特征，分析電磁信號與地質構造的關系。

1 測試系統與現場概況

1.1 測試系統

本次測試采用中國礦業大學研發的KBD5礦用本安型電磁輻射監測儀。KBD5電磁輻射監測儀由寬頻帶高靈敏度定向接收天線、主機和遠程通訊接口(MODEM)組成，主機由放大電路、數據采集電路、單片機、程序存儲器、數據存儲器、顯示電路、RS232近距離通訊電路、遠程通訊電路、鍵盤控制電路和供電電路等組成[6]。接收天線為磁性天線，極化方式為軸向圓極化，其帶寬為1～500 kHz，在該范圍內其增益波動幅度為±1 dB。煤巖體電磁輻射原始信號為陣發性的脈沖信號，其頻帶很寬，且其主頻帶隨載荷而發生變化，根據電磁場理論及采掘工作面監測范圍確定接收機的測量頻率范圍為1～500 kHz，采用時域寬頻接收。為了克服測試數據量大且礦用監測儀存儲空間小的矛盾，在測試過程中對數據作了統計處理：統計每秒鐘的電磁輻射強度(電壓)極大值和脈沖數作為顯示或輸出指標。

1.2 現場概況

保德煤礦是神東煤炭公司于1999年11月、2000年4月相繼租賃的保德縣東關鎮辦煤礦(15萬t/a)和縣營橋頭煤礦(6萬t/a)后進行技術改造整合而成。礦井一期500萬t改擴建工程于2002年1月15日開工，2002年10月1日建成投產，2003年6月達產。目前礦井開采8#煤層，8#煤為全區可采，開采深度標高為+940～+420 m，埋藏深度122～663 m。煤層傾角平均3.5°，純煤厚平均6.83 m，為厚～特厚煤層，以厚煤層為主。煤層平均夾矸4～5層，單層夾矸最大厚度為0.7 m。煤層直接頂板多為砂質泥巖與泥巖，局部為粗粒砂巖，底板以泥巖為主，粉砂巖次之。

81309膠運順槽、81310回風順槽掘進工作面采用掘錨一體化工藝進行掘進。煤層厚度平均7.9 m，煤層傾角平均5°，煤層硬度普氏0.72，煤層層理、煤層節理中等發育，巷道斷面寬5 m，高3.8 m，斷面19 m2。81309膠運順槽、81310回風順槽及其聯巷頂板采用“螺紋鋼錨桿+鋼筋骨架網+錨索聯合支護”；81309膠運順槽、81310回風順槽及其聯巷兩幫采用“圓鋼(玻璃)錨桿+Ω(木)托盤+金屬(塑料)網片”聯合支護。

2 掘進工作面電磁輻射特征分析

2.1 測試方案

電磁輻射監測儀配備的天線是電感式高靈敏度寬頻帶定向接收天線(簡稱天線)，實現了非接觸預測[7]。一般在掘進工作面布置3個測點，1#測點設于巷道左側，距迎頭和左幫各0.8 m左右，天線朝向左前方，2#測點距迎頭0.8 m左右，設于巷道中央，天線朝向工作面正前方，3#測點設于巷道右側，距迎頭和右幫各0.8 m左右，天線朝向右前方。測試過程中。特別注意的是：①井下監測時，根據煤層走向，天線朝向并垂直煤壁，天線縫背朝電纜線，盡量避免干擾；②接收機及天線周圍5 m內禁止機械工作，應避開動力電纜0.5 m以上，測試時禁止手觸碰天線接口處；③測試時，觀察數據變化，并記錄有干擾數據；④使用儀器時輕拿輕放，禁止摔碰；⑤保證井下測試時儀器的工作電壓在12.0 V以上；⑥儀器正常工作時，禁止非正常斷電和關機。

保德煤礦使用KBD5電磁輻射監測儀器監測井下掘進工作面，測點布置以掘進工作面左、中、右各一個，左幫、右幫各1～2個測點，輻射整個掘進方向的區域，進行有效的監測。

2.2 測試結果及分析

電磁輻射對井下地質構造如斷層、向背斜、上層停采線、上層煤柱、鄰近采空區等的反映相當明顯，在監測過程中，鄰近上述區域時，電磁輻射強度或脈沖會有明顯的上升趨勢或異常波動。

2016年11月30日至12月7日，在現場進行了實驗測試，分別得到81309膠運左幫1測點、右幫1測點以及掘進區域的電磁強度動態變化圖，81310回風電磁脈沖區域分布圖和動態變化，如圖1、2所示，結合瑞利波超前探測成果(圖3)進行綜合分析。

a-左幫1測點；b-右幫1測點；c-掘進區域圖1 11月30日～12月7日81309膠運順槽電磁強度動態變化圖

a-12月5日數據；b-12月6日數據圖2 81310回風順槽電磁脈沖區域分布圖

圖3 12月6日瑞利波超前探測成果

瑞利波超前探測成果示意圖中，以紅色隆起區域表示瑞利波勘探異常區，其余平直區域為相對正常區，紅色隆起范圍和峰值越大異常越強。圖3中，81310回風順槽瑞利波超前探測的迎頭前方發現有2處異常區，其中1號異常位于迎頭前方18～22 m附近，異常范圍較大，強度相對較強；2號異常位于迎頭前方28～32 m附近，異常范圍較大，強度相對較強。可以推斷，異常處可能有構造裂隙相對發育或出現巖層分界面。

圖1(a)、(b)為電磁強度單點動態變化圖，即同一地點不同時間的連接。可明顯看出12月6日電磁輻射大幅度增高增大的趨勢。圖1(c)為電磁強度81309膠運監測區域的動態變化圖，即區域性的動態變化圖。亦可看出12月3日電磁輻射有小幅度增高，6日呈大幅度增長趨勢。圖2為81310回風測試的電磁脈沖區域分布圖和動態變化圖。在電磁輻射監測區域發生異常情況前，電磁脈沖亦有明顯的變化特征。綜上所述，根據每天監測數據，可觀測出監測區域電磁輻射總體變化特征，判定出該區域內煤巖體受載壓力較為強烈的點或區域。再根據得出的點或區域進行動態變化圖的分析，可以更直觀的看出，電磁輻射的變化規律及特征，一定程度反映出地質構造異常區域狀況，當然亦可更好的服務于煤礦安全生產工作。

3 現場應用

3.1 現場驗證

此次測試后，12月9日掘錨機在相應位置揭露一處小型斷層，斷距0.5 m，傾角42°，斷面兩側煤體松散破碎，需適當加強支護，驗證了預測結果。

3.2 掘進工作面應力異常區預測參考臨界值研究

數據分組：將所得各指標的數據分組，目的一是發現有無規律性可循，二是為計算方便，三是為隸屬函數建立打基礎。一般分組數目要依統計數據區間容量的大小確定數值，不宜過多，也不宜過少，至少5組，最多不超過15組，每組不少于4個數據。圖4是保德煤礦81309膠運、81310回風電磁強度、電磁脈沖，按由小到大分組統計的直方圖，累計預測的次數：U1=554，U2=93。直方圖上標示的數據為各值在該組數據范圍內的預測次數，即頻數。

a-81309膠運順槽；b-81310回風順槽圖4 電磁強度最大平均值的分布

列統計表：列統計表的目的是把統計數據區間壓縮成較為精練的表達式，從而為制作隸屬函數提供依據。81309膠運、81310回風電磁強度值、電磁脈沖值見統計表1、表2。

表1 KBD5電磁強度監測數據統計列表

表2 KBD5電磁脈沖監測數據統計列表

制作隸屬函數曲線圖：以橫坐標為論域U軸(討論的區域)，以縱坐標表示隸屬度μ的值，確定一坐標系。在U軸上定出分組的上界與下界，依次表出組中值。再以各個組中值為中心向兩邊等距離取值，確定分組點的位置。再在各組中標定隸屬度μ(u)的虛線。最后用光滑的曲線依次將各虛線的頂點聯結起來。這條光滑的曲線就是所要制作的隸屬函數曲線。保德煤礦81309膠運、81310回風電磁強度、電磁脈沖隸屬度函數曲線如圖5所示。

a-81309膠運、81310回風電磁強度值；b-81309膠運、81310回風電磁脈沖值圖5 隸屬度曲線及回歸曲線

回歸分析：①對電磁強度值、電磁脈沖值的隸屬曲線進行回歸分析得，電磁強度y=0.227 9ln(x)-0.083；相關系數R2=0.620 2；電磁脈沖y= 0.101 8ln(x)-0.075 3；相關系數R2= 0.958 7；②此掘進工作面應力異常區預測KBD5電磁強度參考臨界值可設為48 mV；電磁脈沖參考臨界值可設為3 318 Hz。

4 結論

(1)地質構造是在構造應力的作用下引起的煤巖體形變與斷裂而保存下來的構造形跡，電磁輻射對地質構造區域產生響應，通過分析電磁輻射總體變化特征，可以預測預報地質構造區域。

(2)電磁脈沖的變化特征與電磁強度的變化規律類似，當監測區域有地質構造異常情況發生前，都有一個增大增強的趨勢。

(3)采用模糊數學的方法對保德煤礦81309膠運順槽和81310回風順槽的地質構造應力異常區電磁輻射預測數據進行參考臨界值的計算和判定，KBD5電磁強度參考臨界值可設為48 mV，電磁脈沖參考臨界值可設為3 318 Hz。