吉林化工學(xué)院 環(huán)境與生物工程學(xué)院 葛 及 歐陽文璟 付 凈 劉 輝

電磁輻射法在煤巖動力災(zāi)害預(yù)測預(yù)報中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀和進(jìn)展

吉林化工學(xué)院 環(huán)境與生物工程學(xué)院 葛 及 歐陽文璟 付 凈 劉 輝

我國是世界上煤巖動力災(zāi)害最嚴(yán)重的國家，截至2010年，我國已備案的煤巖動力災(zāi)害礦井已超過1 420個。由于種種原因，還有超過1倍數(shù)量的這類礦井沒有備案。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國累計發(fā)生動力災(zāi)害已超過31 000次，平均每年死亡近300人。隨著煤礦開采深度的不斷增加，災(zāi)害預(yù)防的難度也不斷加大，災(zāi)害所帶來的人員和財產(chǎn)損失也更為嚴(yán)重，遏止煤巖動力災(zāi)害事故已成為今后減少煤礦重特大事故的重中之重。

電磁輻射理論在許多領(lǐng)域都有著十分廣泛的應(yīng)用，而電磁輻射技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用也是越來越廣泛，尤其在煤礦安全動力學(xué)災(zāi)害預(yù)測預(yù)報、監(jiān)測監(jiān)控等方面有著重要作用。本文，筆者首先闡述了電磁輻射技術(shù)在煤巖動力災(zāi)害中的應(yīng)用原理，并著重介紹了電磁輻射法在礦井沖擊地壓、煤與瓦斯突出、巖爆、頂板穩(wěn)定性等煤巖動力學(xué)災(zāi)害預(yù)測預(yù)報、穩(wěn)定性監(jiān)測監(jiān)控方面的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，同時對電磁輻射法在煤巖動力災(zāi)害預(yù)測預(yù)報中的應(yīng)用作出了展望。

一、電磁輻射法在煤巖動力災(zāi)害中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

煤巖動力災(zāi)害包括煤與瓦斯突出、礦井沖擊地壓、頂板災(zāi)害、突水等煤礦生產(chǎn)過程中發(fā)生的常見事故。目前，對煤巖電磁輻射法在煤巖動力災(zāi)害中的實際應(yīng)用主要集中在以下幾個方面。

1.電磁輻射法在煤與瓦斯突出預(yù)測中的研究現(xiàn)狀。煤與瓦斯突出等煤巖災(zāi)害動力現(xiàn)象的危害巨大，不僅威脅工作人員的人身安全，而且影響正常生產(chǎn)，增加了生產(chǎn)成本，嚴(yán)重影響了煤礦的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。使用電磁輻射法預(yù)測預(yù)報煤巖動力災(zāi)害具有非接觸區(qū)域性、較大范圍，連續(xù)動態(tài)監(jiān)測、節(jié)省大量鉆探工程量、對生產(chǎn)影響小、及不受煤巖體在空間上分布不均勻和時間上不穩(wěn)定的影響等優(yōu)點。目前，該技術(shù)裝置在焦作礦區(qū)、淮南礦區(qū)、沈陽紅菱煤礦、徐州張集煤礦等用于預(yù)測煤與瓦斯突出災(zāi)害。實踐應(yīng)用的結(jié)果表明，用電磁輻射法預(yù)測煤與瓦斯突出等煤巖動力災(zāi)害不但是可行的，而且相對于其他預(yù)測預(yù)報方法，準(zhǔn)確率得到了明顯提高。

2.電磁輻射技術(shù)在礦井沖擊地壓的預(yù)測預(yù)報的應(yīng)用。沖擊礦壓是礦山開采中常發(fā)生的煤巖動力現(xiàn)象之一。這種動力災(zāi)害通常是在巖體力學(xué)系統(tǒng)達(dá)到極限強(qiáng)度時，聚積在巖體中的彈性能量以突然、急劇、猛烈的形式釋放，在井巷中發(fā)生爆炸性事故，造成巖體振動和破壞，動力將巖體拋向井巷，同時發(fā)出強(qiáng)烈聲響，造成支架與設(shè)備、井巷的破壞，人員的傷亡等。

中國礦業(yè)大學(xué)王恩元、何學(xué)秋等人運用研制的KBD5 礦用本安型電磁輻射監(jiān)測儀測試煤礦采掘過程中工作面煤巖體的電磁輻射，分析了電磁信號與采掘工藝及煤巖動力災(zāi)害危險性等的關(guān)系。研究結(jié)果表明，煤礦采掘過程伴隨產(chǎn)生電磁輻射，電磁輻射是煤體受到采動影響后應(yīng)力重新分布或變形破裂趨向新的平衡的結(jié)果；有煤與瓦斯突出和沖擊地壓危險時，有明顯的電磁異常前兆；采取防治措施后，電磁輻射顯著下降。

目前該項技術(shù)及裝備已在有煤巖動力災(zāi)害危險的礦井進(jìn)行試驗或推廣應(yīng)用。如，在徐州三河尖煤礦、撫順老虎臺煤礦、新汶華豐煤礦、大屯孔莊煤礦和兗州東灘煤礦等用于預(yù)測沖擊地壓。在這些煤礦測試得到的大量數(shù)據(jù)結(jié)果表明，采用電磁輻射法在預(yù)測沖擊地壓方面效果顯著，其預(yù)測預(yù)報的準(zhǔn)確率很高。

3.電磁輻射法在巖爆監(jiān)測中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀。巖爆通常是指煤炭開采過程中開挖空間或者誘發(fā)造成的周圍巖體的突然破壞，同時伴隨有受壓巖石突然釋放的應(yīng)變能。這類煤巖動力災(zāi)害往往是以大量的巖石坍塌、巖石彈出、或礦震形式表現(xiàn)出來的一種動力現(xiàn)象，對礦山和隧道的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，容易造成大量人員傷亡的事故發(fā)生。由此可見巖爆預(yù)測工作對于煤礦安全工作的重要性。預(yù)測巖爆就是要在巖爆工作的準(zhǔn)備及發(fā)動階段，根據(jù)前兆信息判斷巖爆的危險程度。

何學(xué)秋、竇林明等學(xué)者則通過對煤巖加載試驗過程中產(chǎn)生的電磁輻射信號進(jìn)行記錄，得出了煤巖受載失穩(wěn)破壞前的電磁輻射信號前兆規(guī)律，并在山東某金礦中得到實際運用，為巖爆災(zāi)害預(yù)測預(yù)報工作奠定了理論試驗基礎(chǔ)。劉建輝、李化敏等人使用KBD5礦用本安型磁輻射監(jiān)測儀對平煤集團(tuán)公司某一煤礦掘進(jìn)巷道的巖爆現(xiàn)象進(jìn)行了監(jiān)測監(jiān)控，其監(jiān)測指標(biāo)有兩個：電磁輻射強(qiáng)度值或幅值、電磁輻射脈沖數(shù)，在預(yù)測預(yù)報巖爆災(zāi)害中取得了良好的效果。

4.電磁輻射法預(yù)測采空區(qū)頂板穩(wěn)定性方面的研究現(xiàn)狀。煤巖受載變形破裂過程中會向外輻射電磁能量，即煤巖電磁輻射。一般情況下，隨著煤巖應(yīng)力的增加，煤巖變形破裂過程會進(jìn)一步加劇，煤巖中的電磁輻射信號也就越強(qiáng)。電磁輻射的幅值大小能夠反映煤巖體的應(yīng)力大小，而脈沖數(shù)則反映了煤巖體的變形破壞程度。因此，工作人員可以通過對煤壁前方產(chǎn)生的電磁輻射信號進(jìn)行分析來推斷頂板的穩(wěn)定性。

王恩元等人應(yīng)用KBD5礦用本安型電磁輻射監(jiān)測儀對堅硬煤巖層的電磁輻射特性進(jìn)行了實驗研究。研究結(jié)果表明，在礦山采掘過程中，伴隨頂板活動會產(chǎn)生明顯的電磁輻射信號，頂板垮落前電磁輻射有異常反映，表現(xiàn)為異常增大或呈現(xiàn)增長趨勢；用電磁輻射法監(jiān)測預(yù)報頂板垮落是可行的，且具有快捷、方便、準(zhǔn)確率高的優(yōu)點。KBD5型電磁輻射監(jiān)測儀便攜式儀器不受人工操作和工作面含瓦斯煤巖體分布不均勻的影響，采用靜態(tài)臨界值法和動態(tài)趨勢法對危險性進(jìn)行判定，能大幅度提高預(yù)測的準(zhǔn)確性和可靠性。

二、結(jié)論和展望

電磁輻射法最先應(yīng)用于巖石破裂電磁輻射的觀測和應(yīng)用，是從地震工作者發(fā)現(xiàn)地震前有電磁輻射異常開始的。道目前為止電磁輻射法在地震預(yù)報方面已取得了比較令人滿意的成果，有關(guān)學(xué)者又將電磁輻射法運用到預(yù)測預(yù)報煤巖體動力災(zāi)害現(xiàn)象的研究中，并取得了一系列研究成果。中國礦業(yè)大學(xué)的專家學(xué)者通過對受載煤巖體及瓦斯解吸流動等情況下的電磁輻射進(jìn)行深入研究，得到了受載煤巖體在變形破裂前的電磁輻射信號前兆規(guī)律，這對于預(yù)測預(yù)報煤巖動力災(zāi)害現(xiàn)象具有重要意義。由中國礦業(yè)大學(xué)開發(fā)的KBD5和KBD7兩個型號電磁輻射預(yù)測技術(shù)及監(jiān)測儀通過非接觸監(jiān)測煤巖體變形破裂過程中的電磁輻射信號及其變化規(guī)律，動態(tài)監(jiān)測預(yù)報煤與瓦斯突出和沖擊地壓等煤巖動力災(zāi)害。目前，該設(shè)備裝置已經(jīng)在我國二十多個礦井進(jìn)行了煤與瓦斯突出、沖擊礦壓的試驗及推廣。已進(jìn)行的試驗及推廣應(yīng)用情況表明，到目前為止，沒有發(fā)生過煤巖動力災(zāi)害的危險性漏報情況，在預(yù)測無危險的準(zhǔn)確率達(dá)100%，有危險的準(zhǔn)確率達(dá)70%以上，為煤礦安全生產(chǎn)提供了有力保障。

總之，煤巖電磁輻射理論在安全工程中有著十分廣泛的應(yīng)用范圍和應(yīng)用前景。然而，由于煤巖動力災(zāi)害的復(fù)雜性，電磁輻射法在煤巖動力災(zāi)害預(yù)測預(yù)報中的應(yīng)用還面臨著許多亟待解決的問題，也有待于工作人員對此進(jìn)行進(jìn)一步地深入研究。