安順煤礦煤巖電磁輻射測(cè)試技術(shù)研究

何志龍 孫 謙 宋大釗

（1.貴州豫能投資有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000；2.貴州興安煤業(yè)有限公司，貴州 興義 561504；3.北京科技大學(xué)，北京 100083）

煤炭的生產(chǎn)過(guò)程中伴隨著煤與瓦斯突出、沖擊地壓、突水等動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象[1-2]。為應(yīng)對(duì)煤巖體應(yīng)力過(guò)高而引起的動(dòng)力災(zāi)害，需要對(duì)煤巖損傷破壞狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。電磁輻射技術(shù)在煤礦災(zāi)害預(yù)測(cè)方面的研究已經(jīng)取得了一些成果，例如提出了一系列電磁方法和技術(shù)，如電磁波傳播模型、電磁監(jiān)測(cè)儀器和數(shù)據(jù)分析方法等，用于探測(cè)和識(shí)別煤礦動(dòng)力災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。許多國(guó)內(nèi)外的研究成果均表明，電磁輻射技術(shù)是一種有效的災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)[3-6]，煤巖體前方應(yīng)力變化曲線和電磁輻射信號(hào)變化曲線具有一定的相關(guān)性[7]，電磁輻射技術(shù)在識(shí)別和預(yù)測(cè)煤礦動(dòng)力災(zāi)害方面具有一定的潛力。通過(guò)監(jiān)測(cè)和分析煤巖體的電磁輻射信號(hào)，可以提高預(yù)警和預(yù)測(cè)煤礦動(dòng)力災(zāi)害的能力，為煤礦動(dòng)力災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)提供一種有效的方法。

電磁輻射技術(shù)具有非接觸式監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、非破壞性監(jiān)測(cè)、綜合多參數(shù)監(jiān)測(cè)以及高效性和智能化等優(yōu)勢(shì)，克服了傳統(tǒng)方法需要人工定期巡查或安裝離散的傳感器、監(jiān)測(cè)頻率有限、無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性和連續(xù)性等不足，提高了監(jiān)測(cè)的安全性，對(duì)于煤礦災(zāi)害的預(yù)測(cè)和防范具有重要意義。煤礦環(huán)境的復(fù)雜性和地質(zhì)條件的異質(zhì)性給電磁理論的應(yīng)用帶來(lái)了挑戰(zhàn)和局限。電磁輻射信號(hào)受到各種噪聲和干擾的影響，如電力設(shè)備、巖石中的金屬含量和地質(zhì)構(gòu)造等。因此，煤礦電磁理論的應(yīng)用需要綜合考慮地質(zhì)條件、實(shí)際煤礦環(huán)境和其他監(jiān)測(cè)手段的綜合運(yùn)用。

安順煤礦為典型的喀斯特地形，地表山體多且不連續(xù)，地層中形成了較多的局部高應(yīng)力區(qū)域，對(duì)工作面的安全回采影響較大。煤礦為井田構(gòu)造，是大威嶺背斜復(fù)雜斷塊帶中的一個(gè)斷塊，四周被四條主要斷層圍限，煤田邊界大斷裂發(fā)育，中小型斷層沿邊界區(qū)域性大斷層附近發(fā)育，嚴(yán)重影響煤層的連續(xù)性，破壞地層及其他地質(zhì)構(gòu)造的完整性。煤層的瓦斯突出危險(xiǎn)性較大。結(jié)合目前的四采區(qū)開(kāi)拓和準(zhǔn)備巷道的設(shè)計(jì)，在大巷延伸以及掘進(jìn)平巷時(shí)，具有較高的揭露斷層可能性，對(duì)地層應(yīng)力、瓦斯分布的影響較大，使地層應(yīng)力分布變得更為復(fù)雜，出現(xiàn)高應(yīng)力、低透氣的區(qū)域，增加了煤礦掘進(jìn)過(guò)程發(fā)生瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)性。

隨著安順煤礦開(kāi)采深度的加深，地應(yīng)力逐步增大，安順煤礦四采區(qū)平均埋深比三采區(qū)深100 m，原始地應(yīng)力增大2～3 MPa，瓦斯含量增加2 m3/t左右，導(dǎo)致工作面回采時(shí)異常動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生的危險(xiǎn)性顯著提高。通過(guò)電磁輻射信號(hào)，對(duì)煤巖體應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)測(cè)，具體表現(xiàn)為煤巖體應(yīng)力越大，電磁輻射信號(hào)強(qiáng)度就越大，發(fā)生異常動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)性就越大。基于煤巖體應(yīng)力與電磁輻射信號(hào)強(qiáng)度的正相關(guān)關(guān)系，可以利用電磁輻射測(cè)試儀器對(duì)四采區(qū)部分關(guān)鍵巷道進(jìn)行測(cè)試，分析測(cè)得的電磁輻射信號(hào)數(shù)據(jù)規(guī)律，為災(zāi)害的防治提供基礎(chǔ)依據(jù)，降低災(zāi)害發(fā)生所造成的損失與傷亡。

1 電磁輻射測(cè)試原理與設(shè)備簡(jiǎn)介

煤巖破壞電磁輻射是煤巖體受載變形破裂過(guò)程中向外輻射電磁能量的過(guò)程或物理現(xiàn)象。其產(chǎn)生原理如圖1 所示[8]。煤巖體及其他一些固體中都存在束縛狀態(tài)和自由態(tài)的電荷，當(dāng)煤巖體受到不均勻的載荷作用時(shí)，發(fā)生不規(guī)則的變形及破裂時(shí)，導(dǎo)致其內(nèi)部的電荷發(fā)生遷移，裂縫的發(fā)展也會(huì)帶動(dòng)帶電粒子的變速運(yùn)動(dòng)，電荷的電場(chǎng)在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生磁場(chǎng)進(jìn)而產(chǎn)生電磁輻射現(xiàn)象，電磁輻射的產(chǎn)生與煤巖體的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)，應(yīng)力越高，電磁輻射信號(hào)就越強(qiáng)。受載煤巖體中發(fā)生以下電荷運(yùn)動(dòng)過(guò)程：

圖1 煤巖破壞電磁輻射產(chǎn)生原理

1）煤巖材料變形及破裂時(shí)能夠產(chǎn)生電磁場(chǎng)，有兩種形式：一種是由電荷，特別是試樣表面積累電荷引起的庫(kù)侖場(chǎng)（或準(zhǔn)靜電場(chǎng)）；另一種是由帶電粒子作變速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電磁輻射，是一種脈沖波。

2）在非均勻應(yīng)力作用下非均質(zhì)煤巖體各部分產(chǎn)生非均勻形變，由此引起電荷遷移，使原來(lái)自由的和逃逸出來(lái)的電子由高應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)或拉應(yīng)力區(qū)遷移，同時(shí)在試樣表面也積累了大量的電荷，由此形成了庫(kù)侖場(chǎng)或低頻電磁輻射。

3）裂紋形成及擴(kuò)展前，裂紋尖端積累了大量的自由電荷。裂紋擴(kuò)展時(shí)，發(fā)射電子，由于裂紋不是均勻擴(kuò)展，這必然向外輻射電磁波，這種電磁輻射與聲發(fā)射是同步的。

4）裂紋擴(kuò)展后，裂紋局部煤體卸載收縮，在卸載的瞬時(shí)，裂紋尖端兩側(cè)附近區(qū)域煤體中電子濃度較高，形成了庫(kù)侖場(chǎng)。在該電場(chǎng)的作用下，發(fā)射出的電子產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)，向外輻射電磁波。

5）出于摩擦等原因產(chǎn)生電磁輻射，也可能產(chǎn)生帶正負(fù)電粒子，此時(shí)裂紋表面電荷也會(huì)發(fā)生張弛。

6）運(yùn)動(dòng)的電荷碰撞周圍介質(zhì)分子或原子，使運(yùn)動(dòng)電荷減速，同時(shí)能使介質(zhì)或原子發(fā)生電離，發(fā)射電磁波。

電磁輻射和煤巖體的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，應(yīng)力越高電磁輻射信號(hào)就越強(qiáng)、煤巖體動(dòng)力災(zāi)害事故危險(xiǎn)性也就越大。即電磁輻射信號(hào)能夠反映煤巖體的應(yīng)力及損傷狀態(tài)。因此，可以利用電磁輻射方法對(duì)煤巖體動(dòng)力災(zāi)害事故危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè)。

安順煤礦電磁輻射測(cè)試儀器包括接收天線、信號(hào)采集板和平板電腦數(shù)據(jù)處理單元。其工作原理：利用天線接收周圍煤巖體受載，應(yīng)力條件發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生電磁輻射信號(hào)；再將接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離、放大、抗混、濾波、降噪處理；由采集板A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號(hào)，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析；最后通過(guò)接口傳入電腦，由數(shù)據(jù)處理單元對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。這些數(shù)據(jù)可以用于評(píng)估煤巖體的應(yīng)力狀態(tài)和損傷程度，為災(zāi)害事故的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)提供參考。

2 電磁輻射測(cè)試方案

安順煤礦四采區(qū)煤層平均埋深、原始地應(yīng)力及瓦斯含量相比于三采區(qū)均有增加，高應(yīng)力、高瓦斯含量等因素的局部疊加，使四采區(qū)工作面回采發(fā)生異常動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象的危險(xiǎn)性顯著提高。因此，必須對(duì)其應(yīng)力分布特征進(jìn)行探測(cè)。基于煤巖體發(fā)生破壞時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射信號(hào)的強(qiáng)度與煤巖體所受應(yīng)力具有正相關(guān)關(guān)系，可以利用電磁輻射儀對(duì)煤巖體的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試。

本次主要測(cè)試的為四采區(qū)三條下山軌道，選取已經(jīng)穩(wěn)定的三采區(qū)軌道下山巷道測(cè)試電磁輻射信號(hào)，作為對(duì)比數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。具體測(cè)試方案如下：

測(cè)試選取5 個(gè)區(qū)域，分別是：1）四采區(qū)軌道下山巷道距掘進(jìn)點(diǎn)0～300 m，測(cè)距為6 m，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試30 s（掘進(jìn)中）；2）四采區(qū)回風(fēng)下山巷道距掘進(jìn)點(diǎn)0～120 m，測(cè)距為6 m，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試30 s（掘進(jìn)中）；3）四采區(qū)膠帶下山巷道距掘進(jìn)點(diǎn)0～240 m，測(cè)距為6 m，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試30 s（掘進(jìn)中）；4）9307 進(jìn)風(fēng)巷道距掘進(jìn)點(diǎn)0～60 m，測(cè)距分別為6 m和3 m，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試30 s（存在煤層斷層）；5）三采區(qū)軌道下山巷道，距四采區(qū)軌道風(fēng)門0～300 m，測(cè)距為6 m，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試30 s（作為對(duì)照組）。測(cè)試地點(diǎn)及布點(diǎn)方案如圖2。

3 電磁輻射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律分析

對(duì) 各 巷 道2022 年7 月7 日 至2022 年7 月15日期間電磁輻射儀測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。電磁輻射信號(hào)的分析可以提供對(duì)不同巷道應(yīng)力情況的理解和比較，以及對(duì)掘進(jìn)作業(yè)、危險(xiǎn)區(qū)和斷層等因素對(duì)應(yīng)力分布的影響有所認(rèn)識(shí)，為煤礦動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)測(cè)和采取安全措施提供參考。為更好地比較各巷道的應(yīng)力情況，三、四采區(qū)巷道所測(cè)數(shù)據(jù)均采取同一坐標(biāo)軸進(jìn)行分析。

1）采區(qū)掘進(jìn)作業(yè)對(duì)煤巖電磁輻射影響規(guī)律

對(duì)四采區(qū)軌道下山巷道進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，其中7月9 日進(jìn)行采區(qū)作業(yè)，7 月11 日測(cè)試時(shí)巷道內(nèi)未進(jìn)行作業(yè)。測(cè)試結(jié)果如圖3。

圖3 采區(qū)作業(yè)與否時(shí)電磁輻射測(cè)試

由圖3 中的各時(shí)段電磁輻射測(cè)試情況可以看出，巷道進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，所測(cè)巷道內(nèi)的應(yīng)力會(huì)受到一定擾動(dòng)，且靠近掘進(jìn)點(diǎn)部位的巷道應(yīng)力擾動(dòng)明顯，數(shù)據(jù)存在較為明顯的波動(dòng)，距離掘進(jìn)點(diǎn)較遠(yuǎn)的位置煤巖體較為穩(wěn)定，電磁輻射信號(hào)數(shù)據(jù)波動(dòng)較小。巷道未作業(yè)時(shí)，所測(cè)電磁輻射信號(hào)強(qiáng)度峰值明顯降低，同時(shí)由于四采區(qū)軌道下山已經(jīng)掘進(jìn)較深，支護(hù)較為穩(wěn)定，且存在干擾因素較少，縱然作業(yè)干擾，電磁信號(hào)強(qiáng)度波動(dòng)也不大。相比于掘進(jìn)較短且支護(hù)較新的回風(fēng)以及膠帶下山巷道來(lái)說(shuō)（圖4、圖5），整個(gè)四采區(qū)軌道下山巷道的損傷破壞程度較低、應(yīng)力波動(dòng)較小。

圖4 巷道危險(xiǎn)區(qū)周圍電磁輻射測(cè)試

圖5 安順煤礦電磁輻射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

2）巷道危險(xiǎn)區(qū)電磁輻射測(cè)試

對(duì)四采區(qū)回風(fēng)下山巷道進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，其中7月11 日測(cè)試時(shí)巷道內(nèi)未進(jìn)行作業(yè)，測(cè)試結(jié)果如圖4。

由圖4 可以看出，未作業(yè)時(shí)的電磁輻射信號(hào)強(qiáng)度較為穩(wěn)定。巷道進(jìn)行作業(yè)時(shí)，其信號(hào)規(guī)律較為明顯，靠近掘進(jìn)面20 m 以及掘進(jìn)點(diǎn)后方100 m 附近的電磁輻射信號(hào)強(qiáng)度較其他位置的電磁輻射信號(hào)出現(xiàn)了異常的高值點(diǎn)，其余區(qū)域的信號(hào)情況與未作業(yè)時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)基本相同。因此可以判斷高值點(diǎn)是由于掘進(jìn)作業(yè)以及電子設(shè)備運(yùn)行時(shí)造成的干擾，同時(shí)靠近掘進(jìn)點(diǎn)處的電磁信號(hào)強(qiáng)度高值點(diǎn)也可看作是掘進(jìn)時(shí)的應(yīng)力擾動(dòng)。當(dāng)巷道內(nèi)停止掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，掘進(jìn)處無(wú)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)，掘進(jìn)點(diǎn)應(yīng)力擾動(dòng)趨于穩(wěn)定，電磁信號(hào)強(qiáng)度減小，測(cè)點(diǎn)末尾處各電子設(shè)備未集體運(yùn)行，電磁信號(hào)干擾較小，該位置電磁信號(hào)強(qiáng)度同樣減小。其他區(qū)域受掘進(jìn)作業(yè)以及電子設(shè)備運(yùn)行干擾較小，電磁輻射信號(hào)分布均勻，強(qiáng)度也比較低。

3）不同區(qū)域煤巖電磁輻射強(qiáng)度對(duì)比

為優(yōu)化各巷道信號(hào)測(cè)試情況，將強(qiáng)度超過(guò)3000 mV 的電磁輻射信號(hào)強(qiáng)度異常高值點(diǎn)過(guò)濾，將四采區(qū)各巷道同期的測(cè)試數(shù)據(jù)與穩(wěn)定的三采區(qū)巷道在相同坐標(biāo)軸中進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果如圖5。

由圖5（a）可知，三采區(qū)巷道開(kāi)拓較早且當(dāng)前作為運(yùn)輸巷道擾動(dòng)較小，整段三采區(qū)軌道下山巷道電磁輻射數(shù)據(jù)變化幅度不大，測(cè)試前后無(wú)明顯應(yīng)力變化，整體應(yīng)力分布較為均勻，可以作為判斷四采區(qū)各巷道應(yīng)力情況的對(duì)比依據(jù)。

對(duì)比圖5（a）、（b）可知，掘進(jìn)中的四采區(qū)軌道下山巷道電磁輻射信號(hào)強(qiáng)度整體增強(qiáng)，應(yīng)力擾動(dòng)情況也更加明顯，信號(hào)波動(dòng)幅度整體超過(guò)三采區(qū)軌道下山巷道的信號(hào)波動(dòng)。由圖5（c）、（d）可知，四采區(qū)回風(fēng)下山、膠帶下山電磁輻射強(qiáng)度值波動(dòng)幅度較大，膠帶下山巷道的電磁輻射信號(hào)波動(dòng)較回風(fēng)下山巷道信號(hào)波動(dòng)更為劇烈。在兩條巷道都存在很多相對(duì)軌道下山巷道電磁輻射強(qiáng)度更高的點(diǎn)，判斷應(yīng)是巷道掘進(jìn)較短，所測(cè)信號(hào)受到掘進(jìn)作業(yè)擾動(dòng)、電子設(shè)備工作輻射、巷道支護(hù)情況等干擾較多。排除干擾后，各巷道在未作業(yè)時(shí)應(yīng)力分布情況大體一致。即電子設(shè)備的運(yùn)行、復(fù)雜管線產(chǎn)生的電磁信號(hào)以及掘進(jìn)工作設(shè)備的運(yùn)行都會(huì)對(duì)巷道中應(yīng)力的電磁信號(hào)產(chǎn)生干擾。在對(duì)煤礦動(dòng)力災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，需要排除電子設(shè)備的干擾。

4）斷層對(duì)巷道電磁輻射強(qiáng)度的影響

9307 進(jìn)風(fēng)巷道存在較大落差的煤層斷層，為得出該斷層對(duì)巷道應(yīng)力分布的影響情況，此次分別采用6 m 和3 m 的測(cè)距對(duì)該巷道進(jìn)行電磁輻射信號(hào)測(cè)試，兩次測(cè)試長(zhǎng)度仍為60 m，測(cè)點(diǎn)測(cè)試時(shí)長(zhǎng)30 s。測(cè)試結(jié)果如圖6。由于巷道中煤層斷層的存在，導(dǎo)致掘進(jìn)速度較慢，掘進(jìn)深度較淺。第一次采用6 m測(cè)距測(cè)試時(shí)，不存在作業(yè)產(chǎn)生的干擾，得到的電磁輻射信號(hào)分布較為均勻；第二次采用3 m 測(cè)距時(shí)，產(chǎn)生了作業(yè)干擾，使電磁輻射信號(hào)分布產(chǎn)生了較大波動(dòng)。綜合分析兩次的測(cè)試結(jié)果，可以明顯看出在斷層的位置煤壁的電磁信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)測(cè)試兩端的信號(hào)強(qiáng)度較高，說(shuō)明排除作業(yè)干擾外，巷道中煤層斷層的位置會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中。即使在斷層存在的情況下，相比于四采區(qū)其他掘進(jìn)巖巷，9307 進(jìn)風(fēng)巷與掘進(jìn)煤巷的信號(hào)也更加穩(wěn)定，說(shuō)明掘進(jìn)煤巷的應(yīng)力受擾動(dòng)情況比掘進(jìn)巖巷更加穩(wěn)定，所受應(yīng)力普遍較小。

圖6 斷層周圍電磁輻射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

通過(guò)電磁輻射信號(hào)的測(cè)試和分析，可以了解到采區(qū)掘進(jìn)作業(yè)對(duì)煤巖應(yīng)力的影響規(guī)律以及巷道不同區(qū)域的電磁輻射強(qiáng)度分布情況。這些結(jié)果對(duì)煤礦安全評(píng)估和動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)測(cè)具有重要意義。

4 結(jié)論

該文在闡述煤巖電磁輻射產(chǎn)生機(jī)制的基礎(chǔ)上，對(duì)安順煤礦巷道電磁輻射進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)試，并對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。主要研究結(jié)論如下：

1）巷道掘進(jìn)作業(yè)時(shí)所受到的應(yīng)力擾動(dòng)影響相比于未進(jìn)行作業(yè)及完工的巷道所受應(yīng)力擾動(dòng)影響更大，激發(fā)的電磁輻射信號(hào)強(qiáng)度更大，靠近掘進(jìn)點(diǎn)的部位產(chǎn)生的應(yīng)力擾動(dòng)更大；掘進(jìn)較短的巷道所受干擾更甚，而掘進(jìn)較深的巷道支護(hù)較為穩(wěn)定、存在的干擾因素較少，其應(yīng)力分布也更加均勻、穩(wěn)定。

2）在煤礦井下巷道中，煤巖電磁輻射信號(hào)較強(qiáng)的位置與局部應(yīng)力集中區(qū)的位置是一致的，利用電磁輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)可以對(duì)巷道局部應(yīng)力集中的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行識(shí)別。

3）電子設(shè)備的運(yùn)行、復(fù)雜管線產(chǎn)生的電磁信號(hào)以及掘進(jìn)工作設(shè)備的運(yùn)行都會(huì)對(duì)巷道中應(yīng)力的電磁信號(hào)產(chǎn)生干擾，在對(duì)煤礦動(dòng)力災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，需要排除電子設(shè)備的干擾。

4）在斷層位置煤壁周圍的電磁信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)較高，說(shuō)明斷層會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中。

5）盡管在斷層存在的情況下，與其他掘進(jìn)巖巷相比，煤巷的電磁輻射信號(hào)更加穩(wěn)定，說(shuō)明掘進(jìn)煤巷的應(yīng)力受擾動(dòng)情況相對(duì)較小。