潘東偉，劉曉斐，王恩元，苑廣華，許金杯，王嗣衡

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州，221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 徐州，221116）

隨著煤礦開(kāi)采深度的不斷加大，我國(guó)有不少礦井已進(jìn)入深部開(kāi)采，煤巖動(dòng)力災(zāi)害事故多發(fā)，尤其是沖擊地壓日漸凸顯，已成為威脅煤礦安全的又一大挑戰(zhàn)。我國(guó)僅在2013年一季度就發(fā)生了兩起嚴(yán)重的沖擊地壓事故，即1月12日遼寧省阜新礦業(yè)集團(tuán)五龍煤礦和3月15日黑龍江省龍煤集團(tuán)鶴崗分公司峻德煤礦發(fā)生的沖擊地壓事故。因此，沖擊地壓的預(yù)防已成為確保我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)工作的重點(diǎn)。目前實(shí)驗(yàn)室研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐證實(shí)了中頻電磁輻射是一種有效的預(yù)測(cè)沖擊地壓的技術(shù)方法［1—4］，由于其具有測(cè)試方便、工作量小、勞動(dòng)強(qiáng)度低、前兆響應(yīng)明顯、預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率高等優(yōu)點(diǎn)，已在我國(guó)大多數(shù)有沖擊地壓災(zāi)害的礦井都得以推廣應(yīng)用，且預(yù)測(cè)效果良好［5］。但目前礦井的采煤工作面多為機(jī)械化開(kāi)采，有大量的機(jī)電設(shè)備及線纜存在，其運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電磁輻射監(jiān)測(cè)造成嚴(yán)重的干擾，從而影響沖擊地壓電磁輻射監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)的可靠性［6］。

超低頻電磁波主要是頻率在30～300Hz的電磁波，具有傳播距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在軍事上多用于潛艇通訊。超低頻波段在地球物理上的應(yīng)用最先源于地震發(fā)生前觀測(cè)到超低頻波段的異常波動(dòng)，被地震工作者應(yīng)用于地震事件的預(yù)測(cè)與觀測(cè)［7—8］。賈慧霖［9］、王恩元等［10］通過(guò)實(shí)驗(yàn)室大量試驗(yàn)研究證實(shí)了煤巖及混凝土材料在單軸壓縮、剪切破裂過(guò)程中亦能產(chǎn)生超低頻電磁輻射信號(hào)，并且信號(hào)強(qiáng)度與煤巖及混凝土材料受載程度具有正相關(guān)性。因此，利用超低頻電磁輻射信號(hào)預(yù)測(cè)煤巖動(dòng)力災(zāi)害在理論上存在可行性，而且超低頻波段具有超長(zhǎng)波長(zhǎng)、穿透力強(qiáng)、衰減率低、抗干擾力強(qiáng)等特點(diǎn)，與常規(guī)電磁輻射相比，能有效地避開(kāi)機(jī)電設(shè)備的干擾，在煤巖動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)方面具有很大的應(yīng)用前景［10］。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤巖動(dòng)力災(zāi)害電磁輻射預(yù)測(cè)研究團(tuán)隊(duì)提出了沖擊地壓的超低頻電磁輻射預(yù)測(cè)方法，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)儀器及數(shù)據(jù)分析軟件，開(kāi)展了相關(guān)的試驗(yàn)研究。本文針對(duì)有沖擊地壓危險(xiǎn)的煤層，選擇相應(yīng)的回采和掘進(jìn)工作面，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作面采掘過(guò)程中的超低頻電磁輻射規(guī)律，著重分析了超低頻電磁輻射對(duì)工作面采動(dòng)應(yīng)力在時(shí)間和空間上的響應(yīng)以及對(duì)小型煤炮和沖擊動(dòng)力顯現(xiàn)的響應(yīng)，以為實(shí)現(xiàn)采掘現(xiàn)場(chǎng)沖擊地壓危險(xiǎn)的超低頻電磁輻射監(jiān)測(cè)及預(yù)警提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)概況

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)選取有沖擊地壓災(zāi)害的河南省義馬礦區(qū)千秋煤礦21采區(qū)的21112掘進(jìn)工作面和21141回采工作面。

21112掘進(jìn)工作面位于21采區(qū)下山東翼，南鄰采空區(qū)，東西兩側(cè)留煤柱，平均采深為560m，上巷走向長(zhǎng)度為1 133m，測(cè)試時(shí)正處于掘進(jìn)階段，煤層平均厚度為5.7m。該工作面地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，工作面沿底板掘進(jìn)，局部底板有起伏現(xiàn)象，在工作面接近主斷層區(qū)域產(chǎn)生伴生小斷層。

21141回采工作面位于21采區(qū)下山西翼，北鄰采空區(qū)，平均采深為684.4m，測(cè)試前上巷可采走向長(zhǎng)度為285.5m，下巷剩余可采走向長(zhǎng)度為294.1 m，煤層平均厚度為10.6m，傾角為12°～14°，無(wú)煤厚突變區(qū)域，屬于較穩(wěn)定巨厚煤層，采用綜放式回采。該工作面的上巷在軌道口西6m處遇到斷層，沖擊地壓顯現(xiàn)嚴(yán)重，礦用ESG微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)日均監(jiān)測(cè)到的動(dòng)力能量釋放事件多達(dá)十幾次。

2 回采工作面的超低頻電磁輻射測(cè)試及分析

2.1 測(cè)試儀器及測(cè)試方法

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用的儀器有：礦用本安型非接觸式電磁輻射監(jiān)測(cè)儀（KBD5）、礦用本安型多通道非接觸式超低頻電磁輻射監(jiān)測(cè)儀（YDD16）。監(jiān)測(cè)儀KBD5，配套中頻段天線，采集頻段為1～500kHz，有效測(cè)試距離為7～22m，測(cè)點(diǎn)間距一般設(shè)定為10 m；監(jiān)測(cè)儀YDD16，配套超低頻天線，采集頻段為1 kHz以下，有效測(cè)試距離理論上可達(dá)到100m。

現(xiàn)場(chǎng)使用YDD16和KBD5監(jiān)測(cè)儀同步測(cè)試，即在同一測(cè)點(diǎn)兩臺(tái)儀器同時(shí)開(kāi)始測(cè)試，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試過(guò)程中將相應(yīng)頻段的電磁輻射天線懸于空中，同時(shí)垂直朝向煤體并保持靜止，距離煤壁20cm以內(nèi)，連續(xù)測(cè)試2min后結(jié)束進(jìn)入下一測(cè)點(diǎn)，并重復(fù)上述操作。其中YDD16監(jiān)測(cè)儀使用兩個(gè)超低頻天線測(cè)試，便于測(cè)試結(jié)果相互比較。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試地點(diǎn)位于沖擊危險(xiǎn)較為嚴(yán)重的21141上巷，上下巷兩側(cè)均預(yù)留有煤柱。測(cè)點(diǎn)間距的選擇主要考慮沖擊地壓在巷道發(fā)生的位置。約70%左右的沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生在巷道［11］，且多在巷道超前工作面的前100m范圍內(nèi)，因此21141上巷的電磁輻射測(cè)點(diǎn)間距也隨距離工作面的遠(yuǎn)近而不同，在距離工作面0～200m范圍內(nèi)每間隔10m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，在距離工作面200～300m的范圍內(nèi)每間隔20 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，全部測(cè)點(diǎn)遍布整個(gè)上巷，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

測(cè)試期間詳細(xì)記錄測(cè)點(diǎn)周?chē)藛T走動(dòng)及施工情況、機(jī)電設(shè)備的開(kāi)停、煤巖動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)間及地點(diǎn)、工作面實(shí)施防沖措施（如注水、卸載炮等）的時(shí)間及位置等。

圖1 21141上巷測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.1 Arrangement of measurement points in return laneway of No.21141working face

2.3 回采工作面活動(dòng)的超低頻電磁輻射響應(yīng)特征

2.3.1 超低頻電磁輻射空間分布特征

圖2（a）與（b）分別為1月18日和1月26日21141回采工作面上巷下幫各個(gè)測(cè)點(diǎn)超低頻和中頻電磁輻射強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果。由圖2可以看出：超低頻和中頻電磁輻射一致性較好，在空間上有明顯的變化特征，反映了巷道空間圍巖應(yīng)力分布的規(guī)律，表明受回采工作面的推進(jìn)、巷道施工、煤層注水等采掘活動(dòng)的影響，上巷空間圍巖應(yīng)力分布處于不斷變化的狀態(tài)。

圖2 21141上巷各測(cè)點(diǎn)電磁輻射強(qiáng)度空間分布特征Fig.2 Spatial distribution property of EMR in return laneway of No.21141working face

（1）沖擊卸壓措施的超低頻電磁輻射響應(yīng)。1月18日21141上巷在距離工作面160～170m范圍的煤體壓力較大，有發(fā)生沖擊的危險(xiǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)采取了煤層注水卸壓措施（即從1月18日22點(diǎn)20分開(kāi)始，在距離工作面160m處上巷下幫進(jìn)行煤層注水，注水壓力為12MPa，注水持續(xù)時(shí)間為72h，累計(jì)注水量為96m3）；措施實(shí)施之后，煤體壓力逐漸降低，表現(xiàn)為1月26日注水區(qū)域的超低頻電磁輻射強(qiáng)度值逐漸減小。

（2）硐室的超低頻電磁輻射響應(yīng)。21141上巷在距離工作面115m處的位置，1月26日的電磁輻射強(qiáng)度值出現(xiàn)了一個(gè)相對(duì)高的峰值，分析是由于此處新開(kāi)辟一儲(chǔ)物硐室（斷面為長(zhǎng)方形，頂部寬4.0 m，底部寬4.0m，高3m，深度5.5m），從而導(dǎo)致此處應(yīng)力疊加，造成局部應(yīng)力集中，超低頻表現(xiàn)為電磁輻射強(qiáng)度值升高。

（3）采動(dòng)應(yīng)力影響區(qū)的超低頻電磁輻射響應(yīng)。比較圖2（a）和圖2（b）還可以發(fā)現(xiàn)，在21141上巷超前工作面15m左右的位置，超低頻電磁輻射強(qiáng)度值始終有一個(gè)峰值點(diǎn)（箭頭所指處），結(jié)合煤層回采過(guò)程中采煤工作面周?chē)膸r層移動(dòng)和應(yīng)力重新分布規(guī)律［12］，可確定超前工作面約15m的位置受采動(dòng)影響最大，為工作面超前采動(dòng)應(yīng)力集中區(qū)域。

2.3.2 超低頻電磁輻射時(shí)間變化特征

以距離21141上巷口270m處測(cè)點(diǎn)為研究對(duì)象，對(duì)其連續(xù)10d的電磁輻射強(qiáng)度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分析測(cè)點(diǎn)電磁輻射強(qiáng)度值隨工作面推進(jìn)時(shí)間的變化趨勢(shì)。測(cè)試期間21141回采工作面共向前推進(jìn)約15 m，平均推采速度為1.5m/d。測(cè)試結(jié)束時(shí)該測(cè)點(diǎn)距離工作面前壁約有10m。該測(cè)點(diǎn)電磁輻射強(qiáng)度值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3，其中主縱坐標(biāo)軸為超低頻電磁輻射強(qiáng)度值，次縱坐標(biāo)軸為KBD5常規(guī)中頻電磁輻射強(qiáng)度值，1通道與2通道數(shù)據(jù)分別為兩個(gè)超低頻無(wú)線的YDD16監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。由圖3可以看出：

（1）由于天線電阻率大小不能完全絕對(duì)相同，1通道信號(hào)放大倍數(shù)為3 000倍，2通道信號(hào)放大倍數(shù)為5 000倍，所以兩個(gè)通道的超低頻電磁輻射測(cè)試數(shù)據(jù)有所差異，但兩條曲線走勢(shì)完全一致，說(shuō)明YDD16監(jiān)測(cè)儀本身所產(chǎn)生的測(cè)量誤差較小。

（2）與KBD5中頻電磁輻射數(shù)據(jù)曲線相比較，三條曲線整體走勢(shì)一致性較好。KBD5中頻電磁輻射強(qiáng)度值在距離工作面20.5m（1月21日）與13m（1月26日）處出現(xiàn)峰值，而超低頻電磁輻射強(qiáng)度值在距離工作面22m（1月20日）與14.5m（1月25日）處出現(xiàn)峰值，超低頻電磁輻射前兆響應(yīng)要超前常規(guī)中頻電磁輻射1d左右。分析原因認(rèn)為這是由于煤巖體所受載荷逐漸增大過(guò)程導(dǎo)致破裂，先產(chǎn)生超低頻電磁輻射信號(hào)，再產(chǎn)生中頻電磁輻射信號(hào)，而超低頻電磁輻射對(duì)于應(yīng)力增大趨勢(shì)的預(yù)見(jiàn)性要超前于常規(guī)中頻電磁輻射。

（3）隨著推采，當(dāng)接近距離工作面前壁22m位置時(shí)，測(cè)點(diǎn)電磁輻射強(qiáng)度值逐步增大，表明該區(qū)域局部應(yīng)力增大，沖擊危險(xiǎn)性增加。于是在1月20日7點(diǎn)40分在距離上巷口260m處（距離工作面約22 m）下幫及時(shí)采取了鉆孔煤層注水措施，注水壓力為12MPa，注水持續(xù)時(shí)間為48h，累計(jì)注水量為72 m3；注水之后煤巖體蘊(yùn)含的彈性能量得到釋放，應(yīng)力逐漸降低，所產(chǎn)生的電磁輻射強(qiáng)度值也隨之降低。

（4）隨著回采工作面的不斷推進(jìn)，測(cè)點(diǎn)進(jìn)入受采動(dòng)影響區(qū)域，煤體應(yīng)力又逐步增加達(dá)到峰值，而超低頻電磁輻射亦能很好地反映煤巖體所受的應(yīng)力狀態(tài)。

圖3 距離上巷口270m處測(cè)點(diǎn)電磁輻射強(qiáng)度值的時(shí)域分布特征Fig.3 Time distribution property of EMR at the point 270mapart from the entrance

2.4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中的干擾分析

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)電磁輻射監(jiān)測(cè)儀KBD5相比，超低頻監(jiān)測(cè)儀YDD16對(duì)周?chē)恍C(jī)械干擾（如注水泵站、打鉆、拉車(chē)等）的敏感度低，沒(méi)有明顯的監(jiān)測(cè)數(shù)值突變現(xiàn)象，這是超低頻電磁輻射相對(duì)常規(guī)電磁輻射的優(yōu)勢(shì)；但是對(duì)于井下電纜（高電壓）的干擾仍敏感，且影響較大，主要是由于井下電纜的工頻為50Hz，處于超低頻電磁輻射監(jiān)測(cè)頻段范圍，因此在測(cè)試過(guò)程中應(yīng)該避開(kāi)井下電纜。

3 采掘過(guò)程中動(dòng)力現(xiàn)象的超低頻電磁輻射響應(yīng)規(guī)律

3.1 回采過(guò)程中煤炮的超低頻電磁輻射響應(yīng)規(guī)律

煤炮是煤層地壓顯現(xiàn)出來(lái)的煤體深部發(fā)生錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的響聲（悶雷聲、機(jī)槍聲、沙沙聲等），是沖擊地壓發(fā)生的一種現(xiàn)象，只不過(guò)是小規(guī)模的煤巖動(dòng)力現(xiàn)象［13］。一些礦井沖擊地壓監(jiān)測(cè)實(shí)踐表明，當(dāng)煤炮聲由遠(yuǎn)及近時(shí)，說(shuō)明可能立即就會(huì)發(fā)生沖擊地壓。因此，監(jiān)測(cè)煤炮的發(fā)生對(duì)于沖擊地壓的監(jiān)測(cè)及預(yù)警具有積極意義。

千秋煤礦21141下巷沖擊地壓顯現(xiàn)嚴(yán)重，在井下工作的工人經(jīng)常能聽(tīng)到響度不等的煤炮。2013年1月26日采用超低頻電磁輻射監(jiān)測(cè)儀YDD16對(duì)21141下巷距巷口120m處測(cè)點(diǎn)電磁輻射進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可以看出：在煤巷中沒(méi)有煤炮產(chǎn)生時(shí)，監(jiān)測(cè)到的超低頻電磁輻射強(qiáng)度值較低且穩(wěn)定；當(dāng)有煤炮發(fā)生時(shí)，超低頻電磁輻射信號(hào)會(huì)出現(xiàn)突然的增大，增大幅度明顯且電磁輻射強(qiáng)度值大，說(shuō)明超低頻電磁信號(hào)對(duì)于煤炮動(dòng)力現(xiàn)象具有較好的響應(yīng)規(guī)律。

圖4 21141下巷煤炮的超低頻電磁輻射響應(yīng)Fig.4 ULF electromagnetic radiation response of coal gun in haulage lane 21141

3.2 掘進(jìn)面人工放炮前后的超低頻電磁輻射響應(yīng)

圖5是2013年1月12日在千秋煤礦21112上巷掘進(jìn)工作面放炮前后測(cè)試得到的超低頻電磁輻射強(qiáng)度值數(shù)據(jù)。該測(cè)點(diǎn)距離掘進(jìn)工作面迎頭35m處，使用秒表計(jì)時(shí)工具，由記錄信息可知人工放炮時(shí)間大約是在記錄開(kāi)始后約930s，而此時(shí)超低頻電輻射強(qiáng)度值處于一個(gè)峰值狀態(tài)。由圖5可以看出：放炮前后超低頻電磁輻射信號(hào)較穩(wěn)定，放炮時(shí)超低頻電磁輻射信號(hào)急劇增大。這是由于放炮時(shí)，煤巖體原始應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，而在煤巖體狀態(tài)達(dá)到平衡過(guò)程中，應(yīng)力狀態(tài)的運(yùn)移這都會(huì)加大煤巖體的破碎，尤其是煤體快速破裂，因此必然產(chǎn)生大量的超低頻電磁輻射信號(hào)；當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)逐漸達(dá)到平衡之時(shí)，煤巖體破裂破碎逐漸減小直至很弱程度，這就是在放炮之后超低頻電磁輻射信號(hào)減小并趨于穩(wěn)定的原因。由此可見(jiàn)，超低頻電磁輻射信號(hào)可以很好地反映掘進(jìn)巷道迎頭人工放炮所造成的煤體應(yīng)力狀態(tài)變化，對(duì)井下人工放炮作業(yè)起到監(jiān)測(cè)作用。

圖5 21112上巷放炮前后超低頻電磁輻射響應(yīng)Fig.5 ULF electromagnetic radiation response of artificial blasting in excavation roadway 21112

4 結(jié) 論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)超低頻電磁輻射監(jiān)測(cè)儀（YDD16）監(jiān)測(cè)煤巖體應(yīng)力狀態(tài)，并與KBD5常規(guī)中頻電磁輻射監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：對(duì)于同一測(cè)試區(qū)域超低頻電磁輻射強(qiáng)度與常規(guī)電磁輻射強(qiáng)度值在數(shù)據(jù)趨勢(shì)上具有較好的一致性，并能較好地反映出測(cè)試區(qū)域煤體應(yīng)力狀態(tài)，在高應(yīng)力區(qū)具有明顯的高峰值，且在時(shí)間趨勢(shì)上超低頻電磁輻射強(qiáng)度峰值的出現(xiàn)要提前于常規(guī)電磁輻射強(qiáng)度峰值，表現(xiàn)出了較好的超前預(yù)測(cè)能力；此外，超低頻電磁輻射對(duì)井下小規(guī)模動(dòng)力現(xiàn)象（如天然煤炮和掘進(jìn)巷道人工放炮等）也有很好的響應(yīng)規(guī)律。這些研究結(jié)果對(duì)于開(kāi)展礦井沖擊危險(xiǎn)的超低頻監(jiān)測(cè)及預(yù)警提供了基礎(chǔ)。如何進(jìn)一步揭示超低頻電磁輻射前兆特征，實(shí)現(xiàn)沖擊地壓的超低頻電磁輻射預(yù)警是下一步需要開(kāi)展的工作。

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