苑廣華 王恩元 沈榮喜 潘東偉 許金杯

（1.中國礦業(yè)大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221116；

2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221116；3.煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室，江蘇省徐州市，221116）

1 概述

煤巖動力災害是我國煤礦重大自然災害之一，尤其是近年來隨著煤炭資源開發(fā)力度的加大，煤礦開采深度不斷延伸，越來越多的礦井易發(fā)生沖擊地壓及煤與瓦斯突出事故。煤巖動力災害嚴重束縛我國的煤炭生產(chǎn)效率，威脅廣大煤炭工作人員的生命安全。為有效提高煤炭行業(yè)的產(chǎn)能，保證煤炭工作人員的生命安全，必須對煤巖動力災害尤其是沖擊地壓和煤與瓦斯突出進行監(jiān)測預防。

理論和實踐表明，圍巖應力 （采動應力和區(qū)域構(gòu)造應力）是導致礦井沖擊地壓等煤巖動力災害發(fā)生的主要因素。為預防沖擊地壓和煤與瓦斯突出的發(fā)生，前人提出了很多預測預防技術(shù)，其中煤層打鉆注水軟化、深孔預裂預爆和鉆孔卸壓等效果最為顯著，被廣泛應用于煤巖動力災害防治。近年來許多學者認識到，在煤巖變形破壞的過程中會產(chǎn)生各種輻射能，研究煤巖應力變化所產(chǎn)生的各種輻射信息能作為預測沖擊地壓的手段。研究表明，煤巖體在受載時會產(chǎn)生電磁輻射，電磁輻射是煤巖體在受載變形破裂過程中向外輻射電磁能量，它與煤巖體的性質(zhì)、受載狀況及變形破裂程度具有密切相關(guān)性，因此用電磁輻射法測試煤巖的受力狀態(tài)是合理的。電磁輻射監(jiān)測技術(shù)不僅廣泛應用于預測煤與瓦斯突出、沖擊地壓等煤巖動力災害，還用于圍巖松動圈范圍及卸壓帶區(qū)域的測試和爆破卸壓效果檢驗等。王恩元等利用電磁輻射技術(shù)在潘三、謝一、張集等礦準確測試出圍巖松動圈范圍；劉曉斐等利用電磁輻射技術(shù)在張集礦、南山礦成功測試到工作面前方卸壓帶區(qū)域；徐文全等利用電磁輻射技術(shù)在梁北煤礦成功進行了爆破卸壓效果檢驗。基于上述研究成果，本文提出用電磁輻射法測試工作面前方煤體內(nèi)應力分布狀態(tài)。

2 煤體應力分布的電磁輻射法測試

采掘活動改變了煤體的原始應力狀態(tài)，從煤壁到煤體內(nèi)部依次存在應力松弛區(qū)域、應力集中區(qū)域和原始應力區(qū)域。由于電磁輻射強度值與煤巖應力狀態(tài)具有很好的相關(guān)性，可根據(jù)電磁輻射信號強弱分析煤體應力分布規(guī)律。鉆孔電磁輻射法測試工作面前方煤體內(nèi)應力分布，是利用小直徑柱狀鉆孔天線測試煤體內(nèi)不同深度的電磁輻射信號強度值，根據(jù)測試的電磁輻射值的變化情況，定性分析煤體內(nèi)部應力分布及變化的區(qū)域規(guī)律，進而得出煤體內(nèi)應力分布。

測試儀器為中國礦業(yè)大學電磁輻射課題組研制的KBD5便攜式礦用本安型電磁輻射監(jiān)測儀和配套的小直徑柱狀鉆孔天線，測試指標為電磁輻射強度值和電磁輻射脈沖數(shù)，具體測試流程為：

（1）從工作面前方進風巷、回風巷超前工作面20m 處，每間隔10m 打直徑42mm、深度10m的鉆孔，進風巷、回風巷鉆孔各布置5個，如圖1所示。

（2）鉆孔形成后，將鉆孔天線與KBD5 電磁輻射監(jiān)測儀主機連接，并設置好電磁輻射測試參數(shù)：門限值、測試時間等。

（3）用推拉桿將小直徑鉆孔天線送入測試鉆孔，天線與鉆孔底端接觸后開始進行測試。

（4）測試時從鉆孔底部開始，之后沿鉆孔向外每隔0.5m 布置1個測點，逐一開始測試，直至孔口，鉆孔施工及天線布置如圖2所示。

（5）單個測點的測試時間為60s，整個測試過程的數(shù)據(jù)記錄由KBD5電磁輻射監(jiān)測儀自動完成，測試結(jié)束后將電磁輻射數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C進行處理。

3 現(xiàn)場應用

3.1 煤礦概況

測試區(qū)位于峻德礦三水平北17＃煤層三、四區(qū)一段，煤層賦存穩(wěn)定，以塊狀亮煤為主，含少量暗煤，傾角27～32°，煤層厚8.21～12.94 m。煤種為氣煤，復合煤層，夾有碳質(zhì)頁巖、凝灰?guī)r及粉砂巖。煤層直接頂為厚4.0～7.0 m 的灰色細砂巖，以石英長石為主，含少量黑色礦物；老頂為厚30～40m 以石英、長石為主的淺灰、灰白色中、細砂巖；底板為厚4.0～7.0 m 的凝灰質(zhì)粉砂巖。17＃煤層與上覆11＃煤層間距140～170m，與下伏21＃煤層間距60～70m。區(qū)內(nèi)上覆第四系砂層，砂層底板標高232～280 m，砂層水已疏干。開采上限標高為-221.0m，下限標高為-313.3 m，采高3.0m，揭煤時絕對瓦斯涌出量0.36m3／min。

3.2 電磁輻射測試結(jié)果

在峻德礦三水平北17＃煤層三、四區(qū)一段進風巷上幫、回風巷下幫超前工作面60m 范圍內(nèi)進行鉆孔電磁輻射測試。每隔10m 布置1個測點；鉆孔深度設計為10m，但在打孔的過程中由于出現(xiàn)卡鉆、不排碴、出水等現(xiàn)象，鉆孔深度很難達到預定的10m，現(xiàn)場施工孔深為4～7m；設定電磁輻射監(jiān)測儀的門限值為50，測量時間為60s，其余參數(shù)均為默認值，從鉆孔孔底向孔口方向每隔0.5m布置1 個測點，直至孔口；數(shù)據(jù)記錄由KBD5電磁輻射監(jiān)測儀自動完成，測試結(jié)束后將電磁輻射數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C，由KBD5 數(shù)據(jù)分析軟件進行處理。

根據(jù)測試結(jié)果選取進風巷上幫超前工作面30 m、50m 的測點及與之對應的回風巷下幫超前工作面30m、50 m 的測點。進風巷上幫超前30 m、50m 位置鉆孔的電磁輻射分布如圖3、圖4所示，回風巷下幫超前工作面30m、50m 位置鉆孔的電磁輻射分布如圖5、圖6所示。

圖6 回風巷超前工作面50m 鉆孔電磁輻射分布曲線

3.3 測試結(jié)果分析

由圖3和圖4可知，峻德礦三水平北17＃煤層三、四區(qū)一段一分層進風巷鉆孔電磁輻射強度值在孔口附近較小，隨著深入鉆孔內(nèi)部，雖然出現(xiàn)波動但電磁輻射強度值總體呈增大趨勢，在5 m 左右達到峰值，然后開始減小。根據(jù)煤巖體受載狀態(tài)與電磁輻射強度的關(guān)系，鉆孔電磁輻射峰值與應力峰值位置相對應，電磁輻射強度低的區(qū)域為煤體的應力松弛區(qū)域，電磁輻射強度高的區(qū)域為煤體的應力集中區(qū)域，電磁輻射強度呈增長趨勢但增長變緩的地方為應力松弛區(qū)域與應力集中區(qū)域的邊界，可判斷峻德礦三水平北17＃煤層三、四區(qū)一段超前工作面進風巷上幫超前30m 位置處鉆孔電磁輻射強度峰值點約位于煤體內(nèi)5m 處 （見圖3），超前50m處的峰值約位于煤體內(nèi)4.5～5.5 m 處 （見圖4）。煤體內(nèi)部在0～4.0m 電磁輻射值較低，4m 左右電磁輻射值出現(xiàn)增長變緩，而5 m 后電磁輻射值從一個高值開始迅速下降，可初步判定0～4.0 m為卸壓區(qū)域，卸壓區(qū)域邊界在4 m 左右位置，原巖應力區(qū)應在大于5.5 m 的區(qū)域，而在4.0～5.5 m 區(qū)域電磁輻射值處于較高的數(shù)值，表明這一區(qū)域為應力集中區(qū)，應力峰值點大致位于5m 處。

由圖5和力6可知，回風巷鉆孔電磁輻射強度值在孔口附近較小，隨著深入鉆孔，強度值逐漸增大，但增大幅度較緩慢，直到測試的最大深度也沒有出現(xiàn)下降的趨勢，這表明回風巷下幫煤體超前工作面應力松弛區(qū)比進風巷長，應該在5 m 或更深的區(qū)域，而應力集中區(qū)和應力峰值位置大于5m。

對比進風巷上幫和回風巷下幫煤體內(nèi)部的電磁輻射強度值，回風巷上幫的電磁輻射值要高于進風巷上幫，這是因為回風巷鄰近采空區(qū)，而與進風巷相鄰的為實體煤柱，相對進風巷而言回風巷所承受的礦山壓力較大，在高應力作用下，煤體被壓酥，形成裂隙，在高應力作用下的回風巷所產(chǎn)生的電磁信號要比進風巷強；回風巷下幫30m 處電磁輻射值較低是因為在回采工作面上出口前方實施了深孔預裂預爆措施，使淺層煤體內(nèi)的應力得到充分釋放。對比回風巷和進風巷鉆孔電磁輻射曲線可看出，回風巷的應力松弛區(qū)明顯增長，應力集中區(qū)要向煤體深部轉(zhuǎn)移1 m 或更深，這是由于峻德礦采用了煤層打鉆注水軟化和深孔預裂預爆等防沖措施使煤體應力集中區(qū)向煤體深部轉(zhuǎn)移。

從測試結(jié)果來看，電磁輻射值與工作面前方煤體應力分布一致，這與理論分析相同。在松弛區(qū)，煤體已發(fā)生屈服，有大量的裂隙在煤體內(nèi)部形成，煤體大量破碎，且內(nèi)部賦存的彈性能大部分得到釋放，已不能承受太大的應力作用，因此該區(qū)域的應力較低，產(chǎn)生的電磁輻射也較弱。由應力松弛區(qū)到應力集中區(qū)，煤體所承受的應力逐漸增大，在較高的應力作用下，煤體變形量也較大，電磁輻射信號也越來越強。在應力峰值點，應力達最大值，因此煤體的變形破裂也最強烈，電磁輻射信號最強。越過峰值點后進入原始應力區(qū)，煤體所受的應力有所下降，煤體的變形破裂趨于緩和，電磁輻射強度逐漸下降，下降到一定值時趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

（1）峻德礦測試結(jié)果表明，電磁輻射強度與煤體應力狀態(tài)具有良好的相關(guān)性，可以依據(jù)電磁輻射信號的變化規(guī)律分析工作面前方煤體應力分布及變化情況。電磁輻射法測試工作面前方煤體內(nèi)應力分布操作簡便、結(jié)果直觀、效果明顯，為煤體應力分布區(qū)域測試提供一種簡便有效技術(shù)手段。

（2）峻德礦三水平北17＃煤層三、四區(qū)一段一分層進風巷應力松弛區(qū)邊界在4 m 左右位置，應力峰值點大致位于5 m 處，回風巷的應力松弛區(qū)范圍大于5m。

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