电磁辐射监测技术装备在煤与瓦斯突出监测预警中的应用_王恩元.pdf

第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 煤炭开采伴随有煤与瓦斯突出等动力灾害， 随 着开采逐渐进入深部，煤与瓦斯突出日趋严重且复 杂，严重影响煤炭安全高效生产，煤与瓦斯突出危 险性的准确预测是防突工作的前提。国内外大量研 究成果表明煤岩电磁辐射是一种有效的煤岩动力 灾害的地球物理监测方法[1-15]。 从 20 世纪 90 年代开始，中国矿业大学对煤岩 电磁辐射的产生机理、特征、规律及传播特性等进 行了深入研究，提出了电磁辐射预测煤岩动力灾害 电磁辐射监测技术装备在煤与瓦斯突出 监测预警中的应用 王恩元 1， 2， 李忠辉1， 3， 李德行1， 2， 刘晓斐1， 2， 李金铎1， 2 （1.中国矿业大学 安全工程学院， 江苏 徐州 221116； 2.中国矿业大学 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室， 江苏 徐州 221116； 3.中国矿业大学 煤矿瓦斯治理国家工程研究中心， 江苏 徐州 221116） 摘要 系统阐述电磁辐射监测预警煤与瓦斯突出技术及应用现状， 从电磁辐射预测煤与瓦斯 突基本原理和方法、 电磁辐射监测预警装备及系统、 电磁辐射预测突出现场应用 3 个方面对煤 与瓦斯突出电磁辐射监测技术装备及应用成果进行了详细分析。 分析结果表明电磁辐射对工作 面突出危险性、 瓦斯地质及应力异常等响应较好， 是一种有效的非接触煤岩动力灾害地球物理 监测预警方法， 在突出预测方面具有很好的发展前景。 关键词 煤与瓦斯突出； 煤岩电磁辐射； 电磁辐射监测； 煤岩动力灾害声电监测； 瓦斯突出声电监测 中图分类号 TD712.5文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 10-0046-06 Application of Electromagnetic Radiation Monitoring Equipment in Monitoring and Warning of Coal and Gas Outburst WANG Enyuan1,2, LI Zhonghui1,3, LI Dexing1,2, LIU Xiaofei1,2, LI Jinduo1,2 （1.School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;2.Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines of Ministry of Education, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 3.National Engineering Research Center for Coal Gas Control, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China ） Abstract In order to systematically describe the electromagnetic radiation monitoring and early warning technology and application status of coal and gas outburst, the paper analyzes in detail coal and gas outburst electromagnetic radiation monitoring technology equipment and application from three aspects the basic principles and s of coal and gas outburst prediction by electromagnetic radiation, electromagnetic radiation monitoring and early warning equipment and systems, and electromagnetic radiation prediction outburst field application. Results show that electromagnetic radiation responds well to the outburst hazard of working face, gas geology and abnormal stress. It is an effective non-contact geophysical monitoring and early warning of coal and rock dynamic disasters, which has a good development prospect in highlighting the forecast. Key words coal and gas outburst; electromagnetic radiation of coal and rock; electromagnetic radiation monitoring; acoustic and electrical monitoring of coal and rock dynamic disasters; acoustic and electrical monitoring of gas outburst DOI10.13347/ki.mkaq.2020.10.008 王恩元， 李忠辉， 李德行， 等.电磁辐射监测技术装备在煤与瓦斯突出监测预警中的应用 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （10 ） 46-51. WANG Enyuan, LI Zhonghui, LI Dexing, et al. Application of Electromagnetic Radiation Monitoring Equip－ ment in Monitoring and Warning of Coal and Gas Outburst［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （10 ） 46-51.移动扫码阅读 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51934007） ； 山东省重大科 技创新工程资助项目 （2019JZZY020505） ； 江苏高校优势学科建设 工程资助项目 （苏政办发 ［2011］ 6 号） 46 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 图 1平煤八矿有突出危险和无突出危险时电磁辐射强度和脉冲数[5] Fig.1EMR intensity and impulse measured in roadway with and without outburst danger of Pingdingshan 8thcoal mine 的原理及方法，研制了 KBD5 型便携式电磁辐射监 测仪和 KBD7 型在线式电磁辐射监测仪， GDD12 声 电传感器和 YDD16 便携式煤岩动力灾害声电监测 仪，研发了 KJ 系列煤岩动力灾害声电监测系统， 在 全国多个煤矿应用于煤与瓦斯突出、冲击地压等动 力灾害的监测、 预测[9-15]。从电磁辐射预测煤与瓦斯 突基本原理和方法、电磁辐射监测预警装备、电磁 辐射预测煤与瓦斯突现场应用 3 个方面对煤与瓦斯 突出电磁辐射监测预警研究成果进行了系统梳理和 详细叙述，表明电磁辐射对突出危险性、瓦斯地质 及应力异常等响应较好，是一种行之有效的非接触 式煤岩动力灾害地球物理监测预警方法。 1电磁辐射预测煤与瓦斯突基本原理 1.1煤岩变形破裂电磁辐射 何学秋、 王恩元、 刘明举、 聂百胜等[1-10]学者对受 载煤岩变形破裂过程电磁辐射响应特征及规律进行 了大量的研究，结果表明煤岩损伤过程中能够产 生电磁辐射，且电磁信号与载荷呈正相关，认为电 磁辐射能够反映煤岩体应力状态。王恩元、聂百胜 等[3, 5-7]研究了含瓦斯煤变形破坏电磁辐射规律， 探 索了瓦斯对电磁辐射的影响规律及影响机制，对电 磁辐射法预测煤与瓦斯突出原理进行了探讨；结果 表明电磁辐射也能够反映煤体中的瓦斯信息， 煤 体中瓦斯的存在能够使电磁辐射信号增强，且瓦斯 压力越大， 电磁信号越强。 1.2 电磁辐射预测煤与瓦斯突出指标 电磁辐射信号蕴含着丰富的信息，其主要参数 包括幅值、 脉冲数、 能量、 频率持续时间等。何学秋、 王恩元等[2-5]在分析了煤岩体破裂过程中电磁辐射 的特征的基础上，认为采用电磁辐射强度和脉冲数 2 项指标来预测煤与瓦斯突出等动力灾害更加精 准，被大多数实验室研究及现场应用所采用。平煤 八矿有突出危险和无突出危险时电磁辐射强度和脉 冲数如图 1[5]， 由图 1 可以看出， 有突出危险时电磁 辐射强度和脉冲数明显大于无突出危险时的值， 表 明电磁辐射可以较好地反映突出危险性。有学者将 电磁辐射能量作为动力灾害预测指标，邱黎明等[16] 分析煤体受载破坏过程电磁辐射时域、频域及波形 变化特征， 认为电磁辐射脉冲数、 能量值、 主频或幅 值的急剧增加可以作为煤体失稳的前兆特征。夏善 奎[17]用特征参数和波形频谱法， 分析了实验过程电 磁辐射和声发射信号的时间和频率序列特征，确定 了声电信号特征参数，得到了声电信号突出前兆信 息。 李金铎[18]根据临界慢化理论， 研究了含瓦斯硬煤 受载破坏过程中电磁辐射和瓦斯渗流的方差和自相 关系数， 并从中抓取前兆信号， 不同瓦斯压力条件下 电磁辐射临界慢化特征如图 2。 47 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 1.3煤与瓦斯突出电磁辐射预警准则及预警模型 何学秋、 王恩元、 聂百胜等[19-20]建立了基于电磁 辐射脉冲数和强度的预警准则，准则分别如式 （1 ） 和式 （2） KNr △Nr△σr △Nw△σw σr σw △ △ m-1 exp σw σ0 △ △ m - σr σ0 △ △ m mm KNq △Nq△σq △Nw△σw σq σw △ △ m-1 exp σw σ0 △ △ m - σq σ0 △ △ m mm m m m m m m m m m m m m m m m m m m m （1 ） 式中 KNr、 KNq分别为有弱危险和强危险时电磁 脉冲数的临界值系数和动态变化趋势系数； σw为无 煤岩动力灾害时的应力； △Nw为无煤岩动力灾害时 的电磁脉冲数； σr、 σq分别为达到弱危险和强危险时 的应力； △Nr、 △Nq分别为达到弱危险和强危险时的 电磁脉冲数； △σw、 △σr、 △σq分别为无煤岩动力灾 害、 煤岩动力灾害弱危险、 煤岩动力灾害强危险时的 应力变化； σ0为原始应力。 KEr Er Ew σr σw KEq Eq Ew σq σw （2 ） 式中 KEr、 KEq分别为有弱危险、强危险的电磁 辐射强度值预警临界值； Ew为无危险的电磁辐射强 度值， Er、 Eq分别为弱危险、 强危险的电磁辐射强度。 以上模型为目前电磁辐射预测煤与瓦斯突出危 险的预警模型，为电磁辐射方法预测预报煤岩动力 灾害现象提供了理论基础。王恩元等[21]提出了声电 协同预警方法， 将电磁辐射和声发射进行融合， 优势 互补； 邱黎明等[22]研究了以声发射、 电磁辐射和瓦斯 浓度为指标的多指标预警系统； 陈亮等[23]提出了基 于电磁辐射峰谷比值法的煤与瓦斯突出预警模型； 曹康等[24]提出了趋势预警作为声发射强度、 电磁辐 射强度、 瓦斯浓度等预警指标的方法。 2电磁辐射监测预警装备及系统 中国矿业大学煤岩瓦斯动力灾害研究所研发的 KBD5 型和 KBD7 型电磁辐射监测仪在我国多个矿 井进行了应用，也是目前国内应用最为广泛的电磁 辐射监测仪。后又研发了 GDD12 声电传感器和 YDD16 便携式声电监测仪， KJ838 声电瓦斯同步监 测系统， 大大提高煤与瓦斯突出预测的精度。 1） KBD5 便携式电磁辐射监测仪。 KBD5 电磁辐 射监测仪包括高灵敏度宽频带定向接收天线、监测 及数据处理主机、充电器和监测及预报软件等。监 测仪器电磁辐射传感器有效监测方向为 60，有效 超前预测范围 722 m。 2） YDD16 便携式煤岩动力灾害声电监测仪。 YDD16 煤岩动力灾害声电监测仪是一种便携式、 多 通道、 多信号、 非接触监测仪器， 通过主动监测煤岩 破裂过程中声发射、 电磁辐射、 超低频电磁感应、 震 动等信息来预测预报煤岩动力灾害，可用于预测预 报煤与瓦斯突出、 冲击地压和金属矿山岩爆、 监测采 空区顶板垮落、 监测顶板周期来压等。 3） KJ838 煤矿瓦斯突出声电监测系统。 KJ838 煤 矿瓦斯突出声电监测系统包括系统硬件和软件 2 部 分。 硬件部分包括 KBD7 非接触式电磁辐射传感器、 GDD12 煤岩动力灾害声电传感器、瓦斯传感器、 KJ796-F 监测分站、本安不间断电源和监测中心机 等； 系统软件能实现声、 电、 瓦斯等等信号的监测及 曲线实时显示， 历史数据及统计指标智能查询， 有效 信号与干扰信号分析及自动预警。 图 2不同瓦斯压力条件下电磁辐射临界慢化特征[21] Fig.2Critical slowing down characteristics of EMR of coal specimens under different gas pressures 48 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 图 7煤层揭露前、 后电磁辐射变化曲线 Fig.7EMR before and after coal seam exposure 图 6掘进过程电磁辐射与瓦斯压力 p 曲线 Fig.6EMR vs gas pressure during driving process 图 5谢一矿和潘三矿电磁辐射实时监测曲线[13] Fig.5EMR of real-time monitoring in Xieyi Coal Mine and Pansan Coal Mine 图 3有突出危险时的电磁辐射强度及脉冲数曲线[28] Fig.3EMR intensity and impulse count with outburst dangers 图 4电磁辐射参数与常规预警指标[28] Fig.4EMR parameters and conventional early-warning indicators 3 电磁辐射预测煤与瓦斯突现场应用 1） 工作面突出危险监测。王恩元在某煤矿测试 了电磁辐射和常规预测指标[25]， 有喷孔发生时电磁 辐射强度 E 和脉冲数 N 出现激增， 采取消突措施后 降低并趋于稳定，有突出危险时的电磁辐射强度及 脉冲数曲线如图 3。将电磁辐射参数与突出评价常 规预警指标进行对比，E 和 N 均与△h2、 S 及 q 呈高 度正相关， E 与软煤厚度 h 呈显著正相关，而 N 与 软煤厚度 h 相关性较低, 电磁辐射参数与常规预警 指标如图 4。 李忠辉等[13]用 KBD7 煤岩动力灾害电磁 辐射监测仪在淮南谢一矿和潘三矿对煤与瓦斯突出 进行实时监测，实现了对煤与瓦斯突出的实时监测 预报， 电磁辐射实时监测曲线如图 5。邢云峰等[26]用 KBD7 电磁辐射监测仪对红菱矿西区 1200 掘进工 作面的电磁信号进行实时监测，将电磁辐射强度和 脉冲数与瓦斯解吸指标△h2进行了对比。王忠文[27] 采用电磁辐射监测技术与常规预测法相结合，对鹤 岗南山矿煤与瓦斯突出危险性进行了成功的预测。 2） 石门揭煤过程监测。李学臣等[28]在九里山煤 矿 15031 掘进工作面石门揭煤过程中，跟踪测试了 电磁辐射信号，电磁辐射信号随着距离煤层越近而 逐渐增强。由此可见，电磁辐射法预测石门揭煤突 出危险性是可行的。王恩元团队在淮南矿区谢一矿 石门揭煤过程中同步测试了掘进期间电磁辐射与瓦 斯压力， 随瓦斯抽采、 消突及掘进， 电磁辐射指标及 瓦斯压力逐步降低，验证了电磁辐射对突出危险的 响应特征，掘进过程电磁辐射与瓦斯压力曲线如图 6， 煤层揭露前、 后电磁辐射变化曲线如图 7。 3） 便携及在线结合监测应用。有学者使用便携 式电磁辐射监测仪与在线式电磁辐射监测仪相结合 的方法对突出危险进行预测，从而使突出危险性预 测更加精准。李博等[29]将 KBD5 移动式和 KBD7 在 49 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 图 10发耳煤矿掘进面巷声电瓦斯变化曲线 Fig.10AE, EMR and gas concentration variation in bottom drainage roadwayof Faer Coal Mine 图 9谢一矿电磁辐射实时监测数据[33] Fig.9Real time monitoring data of EMR in Xieyi Coal Mine 图 8演马庄矿 27111 掘进工作面电磁辐射测试结果[32] Fig.8EMR results in 27111 heading face of Yanmazhuang Coal Mine 线式电磁辐射监测仪结合使用，在焦作演马庄矿 27111 掘进工作面开展了电磁辐射测试，演马庄矿 27111 掘进工作面电磁辐射测试结果如图 8。 王恩元 等[30]等利用 KBD5 和 KBD7 电磁辐射监测仪对淮南 谢一矿的突出危险进行了成功预测，谢一矿电磁辐 射实时监测数据如图 9。王恩元将煤与瓦斯突出实 时监测预警技术在发耳煤矿进行推广应用，发耳煤 矿掘进面巷声电瓦斯变化曲线图 10， 3 个指标均给 出了预警提示， 综和预警状态为危险预警， 对工作面 进行了消突工作以保证掘进工作的正常进行。 目前， 电磁辐射监测系统已在徐州、 淮南、 平顶 山、 抚顺、 沈阳、 六盘水、 永城等地区近百个煤矿应 用于煤与瓦斯突出、冲击地压等灾害的预测，很大 程度上降低了动力灾害发生率。 4结语 煤矿深部开采中， 煤与瓦斯突出威胁大， 预测难 度大，准确、高效的预警是实现煤与瓦斯突出预防 的关键。大量研究表明，电磁辐射对工作面突出危 险性响应较好，在突出非接触预测方面具有很好的 发展潜力。从电磁辐射预测煤与瓦斯突基本原理、 电磁辐射监测预警装备、电磁辐射预测突出应用等 方面进行了详细叙述。结果表明用电磁辐射法预 测煤与瓦斯突出是可行的，电磁辐射与突出危险 性、现行常规预测指标及突出影响因素具有紧密相 关性。用电磁辐射法监测预报煤与瓦斯突出实现了 50 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 无损、 非接触、 定向区域监测， 无需打钻工程， 对生 产过程影响小。利用开发的便携式及在线式电磁辐 射监测仪和声电同步监测仪，实现了煤与瓦斯突出 危险的实时监测，利用开发的煤与瓦斯突出监测预 警分析软件， 实现了煤与瓦斯突出演化过程声、 电、 瓦斯信号同步监测分析及预警。电磁辐射监测技术 是深部复杂开采条件下煤与瓦斯突出高效监测预警 的重要手段。 参考文献 ［1］ 何学秋， 刘明举.含瓦斯煤岩破坏电磁动力学 ［M］ .徐 州 中国矿业大学出版社， 1995. ［2］ 何学秋， 王恩元， 聂百胜， 等.煤岩流变电磁动力学 ［M］ .北京 科学出版社， 2003. ［3］ 王恩元.含瓦斯煤破裂的电磁辐射和声发射效应及其 应用研究 ［D］ .徐州 中国矿业大学， 1997. ［4］ 王恩元， 何学秋.煤岩变形破裂电磁辐射实验研究 ［J］ . 地球物理学报， 2000， 43 （1） 131-137. ［5］ 王恩元， 何学秋， 聂百胜， 等.电磁辐射法预测煤与瓦 斯突出原理 ［J］ .中国矿业大学学报， 2000， 29 （3） 225-229. ［6］ 聂百胜， 何学秋， 王恩元.煤体变形破裂电磁辐射的初 步实验研究 ［J］ .煤矿安全， 2000， 31 （4） 38-41. ［7］ 聂百胜， 何学秋， 王恩元， 等.用电磁辐射法非接触预 测煤与瓦斯突出 ［J］ .煤矿安全， 2000， 31 （2） 41-44. ［8］ 刘明举， 刘彦伟， 何学秋， 等.用电磁辐射法预测煤与 瓦斯突出的实验理论基础 ［J］ .安全与环境学报， 2003 （4） 7-10. ［9］ 王恩元， 何学秋， 刘贞堂， 等.煤岩变形破裂的电磁辐 射规律及其应用研究 ［J］ .中国安全科学学报， 2000， 10 （2） 35-39. ［10］ 王恩元， 何学秋， 刘贞堂.煤岩电磁辐射特性及其应 用研究进展 ［J］ .自然科学进展， 2006， 16 （5） 532. ［11］ 王恩元， 何学秋， 刘贞堂， 等.煤岩动力灾害电磁辐射 监测仪及其应用 ［J］ .煤炭学报， 2003， 28 （4） 366. ［12］ 王恩元， 何学秋， 李忠辉， 等.煤岩电磁辐射技术及其 应用 ［M］ .北京 科学出版社， 2009. ［13］ 李忠辉， 王恩元， 何学秋， 等.电磁辐射实时监测煤与 瓦斯突出在煤矿的应用 ［J］ .煤炭科学技术， 2005， 33 （9） 31-33. ［14］ Wang Enyuan, He Xueqiu， Liu Xiaofei, et al. 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