煤与瓦斯突出电磁辐射预警技术及应用.pdf

第 ４２ 卷第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术Ｖｏｌ􀆱 ４２ Ｎｏ􀆱 ６ ２０１４ 年６ 月Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＪｕｎｅ ２０１４ 煤与瓦斯突出电磁辐射预警技术及应用 王恩元１ꎬ２ꎬ李忠辉１ꎬ２ꎬ何学秋１ꎬ３ꎬ陈 亮１ꎬ２ １􀆱 中国矿业大学 安全工程学院ꎬ江苏 徐州 ２２１１１６ꎻ２􀆱 中国矿业大学 瓦斯与火灾教育部重点实验室ꎬ江苏 徐州 ２２１００８ꎻ ３􀆱 华北科技学院ꎬ北京 １０１６０１ 摘 要针对目前煤与瓦斯突出危险预警在预警实时性、准确性和便捷性方面的需求ꎬ分析了煤岩破 坏电磁辐射特征、规律及煤与瓦斯突出过程电磁辐射、常规预警指标变化规律及其相关性ꎬ开发了煤 与瓦斯突出电磁辐射预警装备及软件ꎬ建立了煤与瓦斯突出电磁辐射预警准则ꎬ实现了煤与瓦斯突出 演化过程电磁辐射的自动分析及预警ꎮ 研究结果表明电磁辐射指标与常规预警指标具有较高的正 相关性ꎬ可以反映煤与瓦斯突出危险性ꎬ现场煤与瓦斯突出预警应用结果表明ꎬ电磁辐射预警技术具 有较高的准确性ꎬ可以超前 １３ ｍ 或提前 ２ 天预警到突出危险ꎮ 关键词煤与瓦斯突出ꎻ电磁辐射ꎻ常规预警指标ꎻ突出预警 中图分类号ＴＤ７１３ 文献标志码Ａ 文章编号０２５３－２３３６２０１４０６－００５３－０５ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｒｅ－Ｗａｒｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｏａｌ ａｎｄ Ｇａｓ Ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｂｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ ＷＡＮＧ Ｅｎ￣ｙｕａｎ１ꎬ２ꎬＬＩ Ｚｈｏｎｇ￣ｈｕｉ１ꎬ２ꎬＨＥ Ｘｕｅ￣ｑｉｕ１ꎬ３ꎬＣＨＥＮ Ｌｉａｎｇ１ꎬ２ １.Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｕｚｈｏｕ ２２１１１６ꎬＣｈｉｎａꎻ２.Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｇａｓ ａｎｄ Ｆｉｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ Ｃｏａｌ ＭｉｎｅｓꎬＸｕｚｈｏｕ ２２１００８ꎬＣｈｉｎａꎻ３.Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＢｅｉｊｉｎｇ １０１６０１ꎬＣｈｉｎａ ＡｂｓｔｒａｃｔＡｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅꎬａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｒｅ－ｗａｒｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔꎬｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｉｎ ｃｏａｌ ａｎｄ ｒｏｃｋ ｆｒａｃｔｕｒｅꎬａｎｄ ｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｌａｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇ￣ ｎｅｔｉｃ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｉｎｄｅｘｅｓ ｄｕｒｉｎｇ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ.Ｔｈｅ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａ￣ ｄｉａｔｉｏｎ ｗａｒｎｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗｅｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ.Ｔｈｅ ｐｒｅ－ｗａｒｎｉｎｇ ｃｒｉｔｅｒｉａ ｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ.Ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｐｒｅ－ｗａｒｎｉｎｇ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｉｎ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ ｗａｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ｈｉｇｈ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｉｎｄｅｘｅｓ ｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔ￣ ｂｕｒｓｔꎬｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｒｅｆｌｅｃｔ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｒｉｓｋ.Ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｐｒｅ－ｗａｒｎｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｅｌｅｃｔｒｏ￣ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｈａｄ ｈｉｇｈ ｐｒｅ－ｗａｒｎｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙꎬａｎｄ ｃｏｕｌｄ ｐｒｅｄｉｃｔ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｈａｚａｒｄ ａｈｅａｄ １３ ｍｅｔｅｒｓ ｏｒ ａｈｅａｄ ｔｗｏ ｄａｙｓ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔꎻｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｄｉａｔｉｏｎꎻｎｏｒｍａｌ ｐｒｅ－ｗａｒｎｉｎｇ ｉｎｄｅｘꎻｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｐｒｅ－ｗａｒｎｉｎｇ 收稿日期２０１４－０３－１５ꎻ责任编辑王晓珍 ＤＯＩ１０.１３１９９/ ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｓｔ.２０１４.０６.０１１ 基金项目“十二五”国家科技支撑计划资助项目２０１２ＢＡＫ０４Ｂ０７ꎬ２０１２ＢＡＫ０９Ｂ０１ꎻ教育部科学技术研究资助项目１１３０３１Ａꎻ教育部新世纪优 秀人才支持计划资助项目ＮＣＥＴ－１０－０７６８ꎻ江苏高校优势学科建设工程资助项目苏政办发[２０１１]６ 号 作者简介王恩元１９６８ꎬ男ꎬ内蒙古卓资人ꎬ教授ꎬ博士生导师ꎮ 引用格式王恩元ꎬ李忠辉ꎬ何学秋ꎬ等.煤与瓦斯突出电磁辐射预警技术及应用[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１４ꎬ４２６５３－５７ꎬ９１. ＷＡＮＧ Ｅｎ￣ｙｕａｎꎬＬＩ Ｚｈｏｎｇ￣ｈｕｉꎬＨＥ Ｘｕｅ￣ｑｉｕꎬｅｔ ａｌ.Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｒｅ－Ｗａｒｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｏａｌ ａｎｄ Ｇａｓ Ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｂｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｄｉａ￣ ｔｉｏｎ[Ｊ].Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１４ꎬ４２６５３－５７ꎬ９１. ０ 引 言 我国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家之 一ꎬ随着矿井采掘深度和开采规模的增大ꎬ突出矿井 和突出次数也逐渐增多ꎮ 要对煤与瓦斯突出进行有 效的预防和治理ꎬ首先要进行有效的预警ꎮ 我国常 用的预警方法有钻孔瓦斯涌出初速度法、钻屑量法 和钻屑倍率法、Ｒ 指标法等[１]ꎮ 这些方法的实施ꎬ有 效减少了煤与瓦斯突出事故的发生ꎬ但因低指标突 出、漏报等导致的突出事故仍时有发生ꎮ 有的学者 另辟蹊径ꎬ如文献[２－３]应用神经网络预警煤与瓦 斯突出ꎬ文献[４]采用安全线预测煤层瓦斯压力进 而监测煤与瓦斯突出ꎮ 地球物理方法是近几年发展 起来的被认为是最有前途的预测预报煤矿动力灾害 ３５ ２０１４ 年第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４２ 卷 现象的方法ꎮ 常用的煤与瓦斯突出预警的地球物理 方法有声发射监测技术[５]、微震监测技术[６]、电磁 辐射监测技术等[７－８]ꎮ Н􀆱 Г􀆱 Хамиашвили[９]对矿井 采煤过程中由爆破引起的矿山冲击及塌陷时的电磁 辐射谱进行测试ꎬ并在实验室进行了复合岩层破坏 电磁辐射测试ꎮ В􀆱 И􀆱 Фрид 等[１０]对井下煤层打钻 后电磁辐射进行了测试ꎬ结果表明在钻孔处电磁辐 射脉冲数异常大ꎮ Ｖ􀆱 Ｉ􀆱 Ｆｒｉｄ 等[１１－１３]结合现场利用 点频为 １００ ｋＨｚ 的天线测定了不同采矿条件下的电 磁辐射ꎬ采用电磁辐射脉冲数作为评价突出危险性 指标ꎬ认为电磁辐射方法可以进行岩石与瓦斯突出 预警ꎮ 中国矿业大学煤岩瓦斯动力灾害研究所自 ２０ 世纪 ９０ 年代起ꎬ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ꎬ提出了电磁 辐射预警煤岩动力灾害的原理及方法ꎬ研制了 ＫＢＤ５ 型和 ＫＢＤ７ 型电磁辐射监测仪[８ꎬ１４－１８]ꎬ并在全 国多个煤矿进行推广应用ꎮ 近年来ꎬ中国矿业大学 针对原有电磁辐射监测技术及系统数据处理自动化 程度低、突出危险自动识别率低、预警对人工依赖大 等问题ꎬ对突出的电磁辐射前兆规律、动态趋势法与 临界值法相结合的监测预警技术、监测系统及数据 处理技术和软件进行了大量的研究、改进和完善ꎬ显 著提高了监测系统的抗干扰能力和稳定性ꎬ系统能 自动进行趋势性分析ꎬ自动进行突出危险性预警提 示ꎮ 笔者对煤与瓦斯突出的电磁辐射预警技术进行 了系统的理论分析和应用效果研究ꎬ研究成果对于 提高煤与瓦斯突出预警准确率ꎬ保证煤矿安全生产 具有重要的现实意义ꎬ且具有广泛的应用前景ꎮ １ 电磁辐射预警技术原理 地层中的含瓦斯煤体未受采掘影响时ꎬ基本处 于准平衡状态ꎮ 掘进或回采空间形成后ꎬ工作面煤 体失去应力平衡ꎬ煤体发生变形或破裂并向新的应 力平衡状态过渡ꎬ发生流变ꎻ煤体中的瓦斯失去动态 平衡ꎬ在瓦斯压力梯度作用下ꎬ煤体中的瓦斯向工作 面空间涌出ꎬ这 ２ 种过程均会引起电磁辐射[８]ꎮ 在采掘工作面前方ꎬ依次存在应力卸压区、应力 集中区和原岩应力区 ３ 个区域ꎬ由卸压区到应力集 中区峰值处ꎬ应力及瓦斯压力越来越高ꎮ 因此ꎬ在垂 直于煤壁的内部方向上单位煤体产生的电磁辐射信 号也越来越强ꎮ 在应力集中区ꎬ应力和瓦斯压力达 到最大值ꎬ因此煤体的变形破裂过程也较强烈ꎬ该处 电磁辐射源产生的电磁辐射信号最强ꎮ 越过峰值区 后进入原岩应力区ꎬ不同深度方向上电磁辐射源产 生的电磁辐射强度将有所下降ꎮ 沿工作面煤体深度 方向上不同位置的电磁辐射源产生的电磁辐射有一 个类似于采动应力曲线型的理论曲线[７]图 １、图 ２ꎮ 采用非接触电磁辐射法测定的是总体电磁辐 射强度和脉冲数ꎬ是不同深度煤体的电磁辐射场在 测试地点的叠加场的反映ꎬ预警范围包含了应力卸 压区和应力集中区ꎮ σ０、Ｅ０卸压区应力和电磁辐射强度 图 １ 工作面煤体内电磁辐射强度 Ｅ 和应力 σ 分布示意 图 ２ 煤体电磁辐射强度 Ｅ 与钻孔深度 Ｌ 间的关系 电磁辐射和煤的应力状态及瓦斯状态有关ꎬ应 力越高、瓦斯压力越大时电磁辐射信号就越强ꎬ电磁 辐射脉冲数就越大[７]ꎮ 电磁辐射强度和脉冲数２ 个 参数综合反映了煤体前方应力的集中程度、瓦斯压 力的大小和含瓦斯煤体突出危险的程度ꎬ因此可用 电磁辐射法预警煤与瓦斯突出危险性ꎮ 图 ３ 演马庄原煤单轴压缩载荷及电磁辐射强度变化 ２ 煤岩破坏电磁辐射规律 ２􀆱 １ 原煤破坏的电磁辐射规律 突出型原煤试样节理发育ꎬ加载过程中试样内 部有裂纹的扩展及生成ꎬ电磁辐射脉冲呈现多个峰 值区图 ３ꎮ 加载过程中ꎬ电磁辐射信号表现为随 ４５ 王恩元等煤与瓦斯突出电磁辐射预警技术及应用２０１４ 年第 ６ 期 载荷增大而缓慢增大ꎮ 电磁辐射信号在 ２００ ｓ 左右 时即出现峰值区域ꎬ２２５ ｓ 时载荷达到最大值ꎬ极限 载荷后试样处于卸载阶段ꎬ但电磁辐射信号仍比较 高ꎬ直至试样完全失稳ꎬ破坏信号逐渐降低ꎮ ２􀆱 ２ 型煤破坏的电磁辐射规律 型煤试样的声发射信号主要集中在载荷峰值 处ꎬ电磁辐射信号在整个加载过程都比较丰富且呈 缓慢增长趋势ꎮ 电磁辐射在 ２５０ ｓ、应力水平为 ８１％ 时ꎬ出现最高峰值ꎬ且变化趋势与载荷曲线对应良 好ꎻ电磁辐射脉冲随加载进行缓慢增大ꎬ没有明显的 突变特征ꎬ如图 ４ 所示ꎮ 图 ４ 演马庄型煤单轴压缩载荷及电磁辐射强度变化 由以上煤样的单轴压缩电磁辐射试验可以看 出ꎬ煤样受载过程中电磁辐射信号与载荷的变化趋 势具有一致性ꎮ 原煤样破裂产生的电磁辐射随着载 荷的增加而呈现不同程度的增加ꎬ与应力有良好的 对应关系ꎬ在试样达到受载峰值之前ꎬ电磁辐射有异 常增大现象ꎬ信号波动比较剧烈ꎮ 型煤变形破裂的 电磁辐射总体上呈现出缓慢增长趋势ꎬ包含大量的 密集脉冲信号ꎮ ３ 煤与瓦斯突出过程的电磁辐射及突出危 险指标变化规律 ３􀆱 １ 电磁辐射对突出危险常规预警指标的响应 某矿 １６ 采区下部煤下山掘进工作面电磁辐射 强度 Ｅ、电磁辐射脉冲数 Ｎ 变化如图 ５ 所示ꎬ２０１１ 年 ７ 月 １ 日 ８ 点班和 １６ 点班打钻时ꎬ在煤体内部 ９ ｍ 深处出现喷孔现象ꎮ ７ 月 ２ 日 ８ 点班常规效果检 验指标为钻屑瓦斯解吸指标最大值 Δｈ２＝ ３４０ Ｐａꎬ 钻孔瓦斯涌出最大初速度 ｑ＝ ３􀆱 ５ Ｌ/ ｍｉｎꎬ最大钻屑 量 Ｓ＝ ２􀆱 ４ ｋｇ/ ｍꎻΔｈ２超标ꎮ 同时ꎬ电磁辐射强度和 脉冲数与前期相比ꎬ均大幅增大ꎬ与煤体实际突出危 险性完全一致ꎮ ７ 月 ３ 日在掘进工作面上、下帮分 别施工了 ２３、２２ 个排放钻孔ꎬ经过效果检验发现有 喷孔现象ꎬ说明突出危险仍没有消除ꎬ之后继续施工 瓦斯排放孔ꎬ随着措施的实施突出危险逐渐消除ꎬ此 时电磁辐射强度比有突出危险时大幅降低ꎮ 说明电 磁辐射强度变化反映了突出危险性及防突措施的有 效性ꎮ 图 ５ 有突出危险时的电磁辐射曲线 ３􀆱 ２ 电磁辐射与常规预警指标相关性对比分析 图 ６ 为电磁辐射强度与常规预警指标对比ꎮ 电 磁辐射强度整体变化趋势与常规预警指标变化趋势 基本一致ꎬ但电磁辐射强度和电磁辐射脉冲数与常 规预警指标之间的相关性有所不同ꎮ 电磁辐射强度 与 Δｈ２、Ｓ 及 ｑ 呈高度正相关ꎬ与软煤厚度 ｈ 呈显著 正相关ꎮ 电磁辐射脉冲数 Ｎ 与 Δｈ２、Ｓ、ｑ 呈高度正 相关性ꎬ而与软煤厚度 ｈ 相关性较低ꎮ 根据电磁辐 射与常规预警指标的对比分析ꎬ确定了将 Ｅ、Ｎ、 Δｈ２、ｑ、Ｓ、ｈ 作为突出预警指标体系ꎮ 图 ６ 电磁辐射强度与常规预警指标对比 ３􀆱 ３ 电磁辐射与瓦斯浓度对比分析 图 ７ 为在工作面测试的放炮过程中电磁辐射强 度和瓦斯浓度变化对比曲线ꎬ二者的变化趋势基本 一致ꎮ 放炮过程中煤体的破坏及应力的平衡过程会 产生较强的电磁辐射信号ꎮ 放炮时刻为 ２０１１ 年 ７ 月 １０ 日 １８ 时 １３ 分ꎬ瓦斯浓度最大值出现在 １８ 时 １５ 分 ２２ 秒ꎬ电磁辐射在放炮瞬间达到峰值ꎬ较瓦斯 浓度达到峰值的时间超前了 ８２ ｓꎮ 发现电磁辐射对 突出危险的反应较瓦斯浓度具有一定的超前性ꎮ ４ 煤与瓦斯突出电磁辐射预警技术装备 在试验和理论研究的基础上ꎬ提出了电磁辐射 预警煤岩动力灾害的技术方法ꎬ发明了 ＫＢＤ５ 电磁 辐射监测仪和 ＹＤＤ１６ 多通道煤岩动力灾害声电监 测仪ꎮ ＫＢＤ５ 电磁辐射监测仪主要由高灵敏度的定 ５５ ２０１４ 年第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４２ 卷 图 ７ 电磁辐射强度与瓦斯浓度变化对比曲线 向接收天线和电磁辐射接收及数据处理主机组成ꎬ 可对大范围多个测点进行测试ꎬ主要用于确定危险 性区域ꎮ ＹＤＤ１６ 多通道煤岩动力灾害声电监测仪 可以同时连接声发射、电磁辐射、超低频电磁感应和 微震等传感器ꎬ监测煤岩变形破裂过程中的多种地 球物理信息ꎬ实时记录瞬态波形用于灾害演化分析ꎮ 同时开发了配套煤与瓦斯突出综合预警软件ꎬ 该软件具有电磁辐射数据及常规预警指标综合录 入、管理、处理及分析的功能ꎻ具有测点位置管理、电 磁辐射数据综合分析、常规测试数据分析等功能ꎬ可 以进行指标的区域性分析及动态趋势分析ꎮ 目前在采掘现场煤与瓦斯突出的电磁辐射预警 技术一般采用临界值法和趋势法进行综合评判ꎮ 当 电磁辐射数据超过临界值时ꎬ认为有动力灾害危险ꎬ 并在此基础上分析电磁辐射变化趋势ꎮ 当电磁辐射 强度或脉冲数具有明显突然增强或连续增强趋势 时ꎬ也表明有动力灾害危险ꎻ电磁辐射强度或脉冲数 较高ꎬ当出现明显由大变小ꎬ保持一段时间后又突然 增大的情况ꎬ则更加危险ꎬ应立即采取防治措施ꎮ ５ 煤与瓦斯突出电磁辐射预警技术应用 ５􀆱 １ 电磁辐射预警准则及预警技术 １预警准则ꎮ 根据煤岩破坏的力－电耦合模型 和煤岩破坏过程规律推导煤岩动力灾害电磁辐射预 警临界值的确定准则ꎮ 设没有煤岩动力灾害时的应力为 σｗꎬ均质度为 ｍꎬ达到弱危险和强危险的应力分别为 σｒ、σｑꎬ那么 在 ３ 种状态下应力变化量分别为 Δσｗ、Δσｒ和 Δσｑ 时对应的电磁辐射脉冲数为 ΔＮｗ、ΔＮｒ、ΔＮｑꎬ所以可 以得到电磁辐射脉冲数的预警准则[７－８] ＫＮｒ＝ ΔＮｒ/ Δσｒ ΔＮｗ/ Δσｗ ＝ σｒ σｗ ｍ－１ ｅｘｐ σｗ σ０ ｍ － σｒ σ０ ｍ ＫＮｑ＝ ΔＮｑ/ Δσｑ ΔＮｗ/ Δσｗ ＝ σｑ σｗ ｍ－１ ｅｘｐ σｗ σ０ ｍ － σｑ σ０ ｍ 式中ꎬＫＮｒ、ＫＮｑ分别为有弱危险和强危险时的电磁辐 射脉冲数的临界值系数ꎮ 设没有煤岩动力灾害时的电磁辐射强度为 Ｅｗꎬ 达到弱危险和强危险的电磁辐射强度分别为 Ｅｒ、 Ｅｑꎬ所以可以得到电磁辐射强度的预警准则[４－５] ＫＥｒ ＝ Ｅ ｒ/ Ｅｗ ＝ σ ｒ/ σｗ ＫＥｑ ＝ Ｅ ｑ/ Ｅｗ ＝ σ ｑ/ σｗ 式中ꎬＫＥｒ、ＫＥｑ分别为有弱危险和强危险时的电磁辐 射强度预警临界值系数ꎮ 该预警准则对于电磁辐射监测预报煤岩动力灾 害是普遍适用的ꎬ在具体矿区进行应用时ꎬ应根据现 场实际测试得到的电磁辐射、突出危险显现及与常 规突出指标的对比ꎬ进行修正确定出合理的预警临 界值系数ꎮ ２预警技术ꎮ 结合大量实验室和现场试验ꎬ可 以确定煤与瓦斯突出电磁辐射脉冲数和电磁辐射强 度预警临界值系数分别为 ＫＮｒ＝ １􀆱 ５ꎬＫＮｑ＝ １􀆱 ８ꎻＫＥｒ＝ １􀆱 ３ꎬＫＥｑ＝ １􀆱 ７ １ 当利用测试的电磁辐射数据计算得到的临界值 系数超过该值时表明有突出危险ꎮ 采用电磁辐射对煤与瓦斯突出进行预警时ꎬ可 以采用临界值法和动态趋势法相结合进行预警ꎬ见 表 １ꎮ 其中ꎬＮｗ为没有煤岩动力灾害时的电磁辐射 脉冲数ꎻＫＥ为电磁辐射强度的动态变化系数ꎻＫＮ为 电磁辐射脉冲数的动态变化系数ꎮ 表 １ 煤与瓦斯突出电磁辐射预警方法 项目 煤与瓦斯突出 无危险弱危险强危险 临界值方法 Ｅ１􀆱 ３Ｅｗ且 Ｎ１􀆱 ５Ｎｗ Ｅ≥１􀆱 ３Ｅｗ或 Ｎ≥１􀆱 ５Ｎｗ Ｅ≥１􀆱 ７Ｅｗ或 Ｎ≥１􀆱 ８Ｎｗ 动态趋势方法 ＫＥ１􀆱 ３ 且 ＫＮ１􀆱 ３ꎬ超过了式１确定的临界值系数ꎬ 表明该工作面有突出危险ꎬ如图 １０ 所示ꎮ 在 ７ 月 １０ 日的第 ２ 循环测试的常规预警指标钻孔深度 １０ ｍ 处超限ꎬ采取防突措施后各指标降低ꎬ表明电磁 辐射强度在突出危险出现前的 １ 个循环１ 个循环 掘进 ３ ｍ中已明显增大ꎬ说明电磁辐射指标在空间 上超前 １３ ｍ 探测到突出危险ꎬ在提前 ２ 天预警到突 出危险信息ꎮ 图 ９ 有突出危险的电磁辐射预警结果示例二 图 １０ 有突出危险的电磁辐射预警结果示例三 ６ 结 论 １煤岩破坏会产生电磁辐射信号ꎬ电磁辐射与 煤岩应力具有较好的一致性ꎻ现场煤岩电磁辐射与 常规预警指标具有高度正相关性ꎬ可以反映煤与瓦 斯突出危险变化规律ꎬ用于突出危险的监测预警ꎮ ２开发了煤与瓦斯突出电磁辐射监测预警装 备及软件ꎬ建立了煤与瓦斯突出电磁辐射监测预警 准则ꎬ可以对煤与瓦斯突出演化过程的电磁辐射进 行自动分析及自动预警ꎮ ３现场煤与瓦斯突出预警应用结果表明ꎬ电磁 辐射预警技术具有较高的准确性ꎬ在空间上可以超 前 １３ ｍ 探测到突出危险ꎬ在时间上提前 ２ 天预警到 突出危险信息ꎮ 参考文献 [１] 俞启香.矿井瓦斯防治[Ｍ].徐州中国矿业大学出版社ꎬ１９９２. 下转第 ９１ 页 ７５