電磁輻射監測技術裝備在煤與瓦斯突出監測預警中的應用

王恩元，李忠輝，李德行，劉曉斐，李金鐸

（1.中國礦業大學 安全工程學院，江蘇 徐州221116；2.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；3.中國礦業大學 煤礦瓦斯治理國家工程研究中心，江蘇 徐州221116）

煤炭開采伴隨有煤與瓦斯突出等動力災害，隨著開采逐漸進入深部，煤與瓦斯突出日趨嚴重且復雜，嚴重影響煤炭安全高效生產，煤與瓦斯突出危險性的準確預測是防突工作的前提。國內外大量研究成果表明：煤巖電磁輻射是一種有效的煤巖動力災害的地球物理監測方法[1-15]。

從20 世紀90 年代開始，中國礦業大學對煤巖電磁輻射的產生機理、特征、規律及傳播特性等進行了深入研究，提出了電磁輻射預測煤巖動力災害的原理及方法，研制了KBD5 型便攜式電磁輻射監測儀和KBD7 型在線式電磁輻射監測儀，GDD12 聲電傳感器和YDD16 便攜式煤巖動力災害聲電監測儀，研發了KJ 系列煤巖動力災害聲電監測系統，在全國多個煤礦應用于煤與瓦斯突出、沖擊地壓等動力災害的監測、預測[9-15]。從電磁輻射預測煤與瓦斯突基本原理和方法、電磁輻射監測預警裝備、電磁輻射預測煤與瓦斯突現場應用3 個方面對煤與瓦斯突出電磁輻射監測預警研究成果進行了系統梳理和詳細敘述，表明電磁輻射對突出危險性、瓦斯地質及應力異常等響應較好，是一種行之有效的非接觸式煤巖動力災害地球物理監測預警方法。

1 電磁輻射預測煤與瓦斯突基本原理

1.1 煤巖變形破裂電磁輻射

何學秋、王恩元、劉明舉、聶百勝等[1-10]學者對受載煤巖變形破裂過程電磁輻射響應特征及規律進行了大量的研究，結果表明：煤巖損傷過程中能夠產生電磁輻射，且電磁信號與載荷呈正相關，認為電磁輻射能夠反映煤巖體應力狀態。王恩元、聶百勝等[3,5-7]研究了含瓦斯煤變形破壞電磁輻射規律，探索了瓦斯對電磁輻射的影響規律及影響機制，對電磁輻射法預測煤與瓦斯突出原理進行了探討；結果表明：電磁輻射也能夠反映煤體中的瓦斯信息，煤體中瓦斯的存在能夠使電磁輻射信號增強，且瓦斯壓力越大，電磁信號越強。

1.2 電磁輻射預測煤與瓦斯突出指標

電磁輻射信號蘊含著豐富的信息，其主要參數包括幅值、脈沖數、能量、頻率持續時間等。何學秋、王恩元等[2-5]在分析了煤巖體破裂過程中電磁輻射的特征的基礎上，認為采用電磁輻射強度和脈沖數2 項指標來預測煤與瓦斯突出等動力災害更加精準，被大多數實驗室研究及現場應用所采用。平煤八礦有突出危險和無突出危險時電磁輻射強度和脈沖數如圖1[5]，由圖1 可以看出，有突出危險時電磁輻射強度和脈沖數明顯大于無突出危險時的值，表明電磁輻射可以較好地反映突出危險性。有學者將電磁輻射能量作為動力災害預測指標，邱黎明等[16]分析煤體受載破壞過程電磁輻射時域、頻域及波形變化特征，認為電磁輻射脈沖數、能量值、主頻或幅值的急劇增加可以作為煤體失穩的前兆特征。夏善奎[17]用特征參數和波形頻譜法，分析了實驗過程電磁輻射和聲發射信號的時間和頻率序列特征，確定了聲電信號特征參數，得到了聲電信號突出前兆信息。李金鐸[18]根據臨界慢化理論，研究了含瓦斯硬煤受載破壞過程中電磁輻射和瓦斯滲流的方差和自相關系數，并從中抓取前兆信號，不同瓦斯壓力條件下電磁輻射臨界慢化特征如圖2。

圖1 平煤八礦有突出危險和無突出危險時電磁輻射強度和脈沖數[5]Fig.1 EMR intensity and impulse measured in roadway with and without outburst danger of Pingdingshan 8th coal mine

圖2 不同瓦斯壓力條件下電磁輻射臨界慢化特征[21]Fig.2 Critical slowing down characteristics of EMR of coal specimens under different gas pressures

1.3 煤與瓦斯突出電磁輻射預警準則及預警模型

何學秋、王恩元、聶百勝等[19-20]建立了基于電磁輻射脈沖數和強度的預警準則，準則分別如式（1）和式（2）：

式中：KNr、KNq分別為有弱危險和強危險時電磁脈沖數的臨界值系數和動態變化趨勢系數；σw為無煤巖動力災害時的應力；△Nw為無煤巖動力災害時的電磁脈沖數；σr、σq分別為達到弱危險和強危險時的應力；△Nr、△Nq分別為達到弱危險和強危險時的電磁脈沖數；△σw、△σr、△σq分別為無煤巖動力災害、煤巖動力災害弱危險、煤巖動力災害強危險時的應力變化；σ0為原始應力。

式中：KEr、KEq分別為有弱危險、強危險的電磁輻射強度值預警臨界值；Ew為無危險的電磁輻射強度值，Er、Eq分別為弱危險、強危險的電磁輻射強度。

以上模型為目前電磁輻射預測煤與瓦斯突出危險的預警模型，為電磁輻射方法預測預報煤巖動力災害現象提供了理論基礎。王恩元等[21]提出了聲電協同預警方法，將電磁輻射和聲發射進行融合，優勢互補；邱黎明等[22]研究了以聲發射、電磁輻射和瓦斯濃度為指標的多指標預警系統；陳亮等[23]提出了基于電磁輻射峰谷比值法的煤與瓦斯突出預警模型；曹康等[24]提出了趨勢預警作為聲發射強度、電磁輻射強度、瓦斯濃度等預警指標的方法。

2 電磁輻射監測預警裝備及系統

中國礦業大學煤巖瓦斯動力災害研究所研發的KBD5 型和KBD7 型電磁輻射監測儀在我國多個礦井進行了應用，也是目前國內應用最為廣泛的電磁輻射監測儀。后又研發了GDD12 聲電傳感器和YDD16 便攜式聲電監測儀，KJ838 聲電瓦斯同步監測系統，大大提高煤與瓦斯突出預測的精度。

1）KBD5 便攜式電磁輻射監測儀。KBD5 電磁輻射監測儀包括高靈敏度寬頻帶定向接收天線、監測及數據處理主機、充電器和監測及預報軟件等。監測儀器電磁輻射傳感器有效監測方向為60°，有效超前預測范圍7～22 m。

2）YDD16 便攜式煤巖動力災害聲電監測儀。YDD16 煤巖動力災害聲電監測儀是一種便攜式、多通道、多信號、非接觸監測儀器，通過主動監測煤巖破裂過程中聲發射、電磁輻射、超低頻電磁感應、震動等信息來預測預報煤巖動力災害，可用于預測預報煤與瓦斯突出、沖擊地壓和金屬礦山巖爆、監測采空區頂板垮落、監測頂板周期來壓等。

3）KJ838 煤礦瓦斯突出聲電監測系統。KJ838 煤礦瓦斯突出聲電監測系統包括系統硬件和軟件2 部分。硬件部分包括KBD7 非接觸式電磁輻射傳感器、GDD12 煤巖動力災害聲電傳感器、瓦斯傳感器、KJ796-F 監測分站、本安不間斷電源和監測中心機等；系統軟件能實現聲、電、瓦斯等等信號的監測及曲線實時顯示，歷史數據及統計指標智能查詢，有效信號與干擾信號分析及自動預警。

3 電磁輻射預測煤與瓦斯突現場應用

1）工作面突出危險監測。王恩元在某煤礦測試了電磁輻射和常規預測指標[25]，有噴孔發生時電磁輻射強度E 和脈沖數N 出現激增，采取消突措施后降低并趨于穩定，有突出危險時的電磁輻射強度及脈沖數曲線如圖3。將電磁輻射參數與突出評價常規預警指標進行對比，E 和N 均與△h2、S 及q 呈高度正相關，E 與軟煤厚度h 呈顯著正相關，而N 與軟煤厚度h 相關性較低, 電磁輻射參數與常規預警指標如圖4。李忠輝等[13]用KBD7 煤巖動力災害電磁輻射監測儀在淮南謝一礦和潘三礦對煤與瓦斯突出進行實時監測，實現了對煤與瓦斯突出的實時監測預報，電磁輻射實時監測曲線如圖5。邢云峰等[26]用KBD7 電磁輻射監測儀對紅菱礦西區1200 掘進工作面的電磁信號進行實時監測，將電磁輻射強度和脈沖數與瓦斯解吸指標△h2進行了對比。王忠文[27]采用電磁輻射監測技術與常規預測法相結合，對鶴崗南山礦煤與瓦斯突出危險性進行了成功的預測。

圖3 有突出危險時的電磁輻射強度及脈沖數曲線[28]Fig.3 EMR intensity and impulse count with outburst dangers

圖4 電磁輻射參數與常規預警指標[28]Fig.4 EMR parameters and conventional early-warning indicators

2）石門揭煤過程監測。李學臣等[28]在九里山煤礦15031 掘進工作面石門揭煤過程中，跟蹤測試了電磁輻射信號，電磁輻射信號隨著距離煤層越近而逐漸增強。由此可見，電磁輻射法預測石門揭煤突出危險性是可行的。王恩元團隊在淮南礦區謝一礦石門揭煤過程中同步測試了掘進期間電磁輻射與瓦斯壓力，隨瓦斯抽采、消突及掘進，電磁輻射指標及瓦斯壓力逐步降低，驗證了電磁輻射對突出危險的響應特征，掘進過程電磁輻射與瓦斯壓力曲線如圖6，煤層揭露前、后電磁輻射變化曲線如圖7。

圖5 謝一礦和潘三礦電磁輻射實時監測曲線[13]Fig.5 EMR of real-time monitoring in Xieyi Coal Mine and Pansan Coal Mine

圖6 掘進過程電磁輻射與瓦斯壓力p 曲線Fig.6 EMR vs gas pressure during driving process

圖7 煤層揭露前、后電磁輻射變化曲線Fig.7 EMR before and after coal seam exposure

3）便攜及在線結合監測應用。有學者使用便攜式電磁輻射監測儀與在線式電磁輻射監測儀相結合的方法對突出危險進行預測，從而使突出危險性預測更加精準。李博等[29]將KBD5 移動式和KBD7 在線式電磁輻射監測儀結合使用，在焦作演馬莊礦27111 掘進工作面開展了電磁輻射測試，演馬莊礦27111 掘進工作面電磁輻射測試結果如圖8。王恩元等[30]等利用KBD5 和KBD7 電磁輻射監測儀對淮南謝一礦的突出危險進行了成功預測，謝一礦電磁輻射實時監測數據如圖9。王恩元將煤與瓦斯突出實時監測預警技術在發耳煤礦進行推廣應用，發耳煤礦掘進面巷聲電瓦斯變化曲線圖10，3 個指標均給出了預警提示，綜和預警狀態為危險預警，對工作面進行了消突工作以保證掘進工作的正常進行。

圖8 演馬莊礦27111 掘進工作面電磁輻射測試結果[32]Fig.8 EMR results in 27111 heading face of Yanmazhuang Coal Mine

圖9 謝一礦電磁輻射實時監測數據[33]Fig.9 Real time monitoring data of EMR in Xieyi Coal Mine

圖10 發耳煤礦掘進面巷聲電瓦斯變化曲線Fig.10 AE, EMR and gas concentration variation in bottom drainage roadwayof Faer Coal Mine

目前，電磁輻射監測系統已在徐州、淮南、平頂山、撫順、沈陽、六盤水、永城等地區近百個煤礦應用于煤與瓦斯突出、沖擊地壓等災害的預測，很大程度上降低了動力災害發生率。

4 結 語

煤礦深部開采中，煤與瓦斯突出威脅大，預測難度大，準確、高效的預警是實現煤與瓦斯突出預防的關鍵。大量研究表明，電磁輻射對工作面突出危險性響應較好，在突出非接觸預測方面具有很好的發展潛力。從電磁輻射預測煤與瓦斯突基本原理、電磁輻射監測預警裝備、電磁輻射預測突出應用等方面進行了詳細敘述。結果表明：用電磁輻射法預測煤與瓦斯突出是可行的，電磁輻射與突出危險性、現行常規預測指標及突出影響因素具有緊密相關性。用電磁輻射法監測預報煤與瓦斯突出實現了無損、非接觸、定向區域監測，無需打鉆工程，對生產過程影響小。利用開發的便攜式及在線式電磁輻射監測儀和聲電同步監測儀，實現了煤與瓦斯突出危險的實時監測，利用開發的煤與瓦斯突出監測預警分析軟件，實現了煤與瓦斯突出演化過程聲、電、瓦斯信號同步監測分析及預警。電磁輻射監測技術是深部復雜開采條件下煤與瓦斯突出高效監測預警的重要手段。