孔德磊

(神華神東煤炭集團(tuán)公司保德煤礦，山西 保德 036600)

0 引言

褶曲、斷層等所有地質(zhì)構(gòu)造無不是在構(gòu)造應(yīng)力的作用下引起的煤巖體形變與斷裂而保存下來的構(gòu)造形跡[1-2]。相關(guān)試驗研究表明，受載煤巖體破裂時能夠產(chǎn)生電磁輻射[3-4]，因此，電磁輻射對地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生響應(yīng)。電磁輻射強度與煤的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)，在煤體松弛區(qū)域，壓力較低，電磁輻射信號較弱，且變化較?。辉趹?yīng)力集中區(qū)，煤體的變形破裂過程較強烈，電磁輻射信號較強。電磁輻射信號的接收可實現(xiàn)定向及非接觸，區(qū)域性、連續(xù)動態(tài)監(jiān)測，可節(jié)省大量的鉆探工程量，對生產(chǎn)影響小及不受煤巖體在空間上分布不均勻及時間上不穩(wěn)定的影響等優(yōu)點[5]。本文通過研究保德煤礦掘進(jìn)過程中煤巖體的電磁輻射特征，分析電磁信號與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系。

1 測試系統(tǒng)與現(xiàn)場概況

1.1 測試系統(tǒng)

本次測試采用中國礦業(yè)大學(xué)研發(fā)的KBD5礦用本安型電磁輻射監(jiān)測儀。KBD5電磁輻射監(jiān)測儀由寬頻帶高靈敏度定向接收天線、主機和遠(yuǎn)程通訊接口(MODEM)組成，主機由放大電路、數(shù)據(jù)采集電路、單片機、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、顯示電路、RS232近距離通訊電路、遠(yuǎn)程通訊電路、鍵盤控制電路和供電電路等組成[6]。接收天線為磁性天線，極化方式為軸向圓極化，其帶寬為1～500 kHz，在該范圍內(nèi)其增益波動幅度為±1 dB。煤巖體電磁輻射原始信號為陣發(fā)性的脈沖信號，其頻帶很寬，且其主頻帶隨載荷而發(fā)生變化，根據(jù)電磁場理論及采掘工作面監(jiān)測范圍確定接收機的測量頻率范圍為1～500 kHz，采用時域?qū)掝l接收。為了克服測試數(shù)據(jù)量大且礦用監(jiān)測儀存儲空間小的矛盾，在測試過程中對數(shù)據(jù)作了統(tǒng)計處理：統(tǒng)計每秒鐘的電磁輻射強度(電壓)極大值和脈沖數(shù)作為顯示或輸出指標(biāo)。

1.2 現(xiàn)場概況

保德煤礦是神東煤炭公司于1999年11月、2000年4月相繼租賃的保德縣東關(guān)鎮(zhèn)辦煤礦(15萬t/a)和縣營橋頭煤礦(6萬t/a)后進(jìn)行技術(shù)改造整合而成。礦井一期500萬t改擴建工程于2002年1月15日開工，2002年10月1日建成投產(chǎn)，2003年6月達(dá)產(chǎn)。目前礦井開采8#煤層，8#煤為全區(qū)可采，開采深度標(biāo)高為+940～+420 m，埋藏深度122～663 m。煤層傾角平均3.5°，純煤厚平均6.83 m，為厚～特厚煤層，以厚煤層為主。煤層平均夾矸4～5層，單層夾矸最大厚度為0.7 m。煤層直接頂板多為砂質(zhì)泥巖與泥巖，局部為粗粒砂巖，底板以泥巖為主，粉砂巖次之。

81309膠運順槽、81310回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面采用掘錨一體化工藝進(jìn)行掘進(jìn)。煤層厚度平均7.9 m，煤層傾角平均5°，煤層硬度普氏0.72，煤層層理、煤層節(jié)理中等發(fā)育，巷道斷面寬5 m，高3.8 m，斷面19 m2。81309膠運順槽、81310回風(fēng)順槽及其聯(lián)巷頂板采用“螺紋鋼錨桿+鋼筋骨架網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)”；81309膠運順槽、81310回風(fēng)順槽及其聯(lián)巷兩幫采用“圓鋼(玻璃)錨桿+Ω(木)托盤+金屬(塑料)網(wǎng)片”聯(lián)合支護(hù)。

2 掘進(jìn)工作面電磁輻射特征分析

2.1 測試方案

電磁輻射監(jiān)測儀配備的天線是電感式高靈敏度寬頻帶定向接收天線(簡稱天線)，實現(xiàn)了非接觸預(yù)測[7]。一般在掘進(jìn)工作面布置3個測點，1#測點設(shè)于巷道左側(cè)，距迎頭和左幫各0.8 m左右，天線朝向左前方，2#測點距迎頭0.8 m左右，設(shè)于巷道中央，天線朝向工作面正前方，3#測點設(shè)于巷道右側(cè)，距迎頭和右?guī)透?.8 m左右，天線朝向右前方。測試過程中。特別注意的是：①井下監(jiān)測時，根據(jù)煤層走向，天線朝向并垂直煤壁，天線縫背朝電纜線，盡量避免干擾；②接收機及天線周圍5 m內(nèi)禁止機械工作，應(yīng)避開動力電纜0.5 m以上，測試時禁止手觸碰天線接口處；③測試時，觀察數(shù)據(jù)變化，并記錄有干擾數(shù)據(jù)；④使用儀器時輕拿輕放，禁止摔碰；⑤保證井下測試時儀器的工作電壓在12.0 V以上；⑥儀器正常工作時，禁止非正常斷電和關(guān)機。

保德煤礦使用KBD5電磁輻射監(jiān)測儀器監(jiān)測井下掘進(jìn)工作面，測點布置以掘進(jìn)工作面左、中、右各一個，左幫、右?guī)透?～2個測點，輻射整個掘進(jìn)方向的區(qū)域，進(jìn)行有效的監(jiān)測。

2.2 測試結(jié)果及分析

電磁輻射對井下地質(zhì)構(gòu)造如斷層、向背斜、上層停采線、上層煤柱、鄰近采空區(qū)等的反映相當(dāng)明顯，在監(jiān)測過程中，鄰近上述區(qū)域時，電磁輻射強度或脈沖會有明顯的上升趨勢或異常波動。

2016年11月30日至12月7日，在現(xiàn)場進(jìn)行了實驗測試，分別得到81309膠運左幫1測點、右?guī)?測點以及掘進(jìn)區(qū)域的電磁強度動態(tài)變化圖，81310回風(fēng)電磁脈沖區(qū)域分布圖和動態(tài)變化，如圖1、2所示，結(jié)合瑞利波超前探測成果(圖3)進(jìn)行綜合分析。

a-左幫1測點；b-右?guī)?測點；c-掘進(jìn)區(qū)域圖1 11月30日～12月7日81309膠運順槽電磁強度動態(tài)變化圖

a-12月5日數(shù)據(jù)；b-12月6日數(shù)據(jù)圖2 81310回風(fēng)順槽電磁脈沖區(qū)域分布圖

圖3 12月6日瑞利波超前探測成果

瑞利波超前探測成果示意圖中，以紅色隆起區(qū)域表示瑞利波勘探異常區(qū)，其余平直區(qū)域為相對正常區(qū)，紅色隆起范圍和峰值越大異常越強。圖3中，81310回風(fēng)順槽瑞利波超前探測的迎頭前方發(fā)現(xiàn)有2處異常區(qū)，其中1號異常位于迎頭前方18～22 m附近，異常范圍較大，強度相對較強；2號異常位于迎頭前方28～32 m附近，異常范圍較大，強度相對較強?？梢酝茢啵惓Ｌ幙赡苡袠?gòu)造裂隙相對發(fā)育或出現(xiàn)巖層分界面。

圖1(a)、(b)為電磁強度單點動態(tài)變化圖，即同一地點不同時間的連接?？擅黠@看出12月6日電磁輻射大幅度增高增大的趨勢。圖1(c)為電磁強度81309膠運監(jiān)測區(qū)域的動態(tài)變化圖，即區(qū)域性的動態(tài)變化圖。亦可看出12月3日電磁輻射有小幅度增高，6日呈大幅度增長趨勢。圖2為81310回風(fēng)測試的電磁脈沖區(qū)域分布圖和動態(tài)變化圖。在電磁輻射監(jiān)測區(qū)域發(fā)生異常情況前，電磁脈沖亦有明顯的變化特征。綜上所述，根據(jù)每天監(jiān)測數(shù)據(jù)，可觀測出監(jiān)測區(qū)域電磁輻射總體變化特征，判定出該區(qū)域內(nèi)煤巖體受載壓力較為強烈的點或區(qū)域。再根據(jù)得出的點或區(qū)域進(jìn)行動態(tài)變化圖的分析，可以更直觀的看出，電磁輻射的變化規(guī)律及特征，一定程度反映出地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)域狀況，當(dāng)然亦可更好的服務(wù)于煤礦安全生產(chǎn)工作。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場驗證

此次測試后，12月9日掘錨機在相應(yīng)位置揭露一處小型斷層，斷距0.5 m，傾角42°，斷面兩側(cè)煤體松散破碎，需適當(dāng)加強支護(hù)，驗證了預(yù)測結(jié)果。

3.2 掘進(jìn)工作面應(yīng)力異常區(qū)預(yù)測參考臨界值研究

數(shù)據(jù)分組：將所得各指標(biāo)的數(shù)據(jù)分組，目的一是發(fā)現(xiàn)有無規(guī)律性可循，二是為計算方便，三是為隸屬函數(shù)建立打基礎(chǔ)。一般分組數(shù)目要依統(tǒng)計數(shù)據(jù)區(qū)間容量的大小確定數(shù)值，不宜過多，也不宜過少，至少5組，最多不超過15組，每組不少于4個數(shù)據(jù)。圖4是保德煤礦81309膠運、81310回風(fēng)電磁強度、電磁脈沖，按由小到大分組統(tǒng)計的直方圖，累計預(yù)測的次數(shù)：U1=554，U2=93。直方圖上標(biāo)示的數(shù)據(jù)為各值在該組數(shù)據(jù)范圍內(nèi)的預(yù)測次數(shù)，即頻數(shù)。

a-81309膠運順槽；b-81310回風(fēng)順槽圖4 電磁強度最大平均值的分布

列統(tǒng)計表：列統(tǒng)計表的目的是把統(tǒng)計數(shù)據(jù)區(qū)間壓縮成較為精練的表達(dá)式，從而為制作隸屬函數(shù)提供依據(jù)。81309膠運、81310回風(fēng)電磁強度值、電磁脈沖值見統(tǒng)計表1、表2。

表1 KBD5電磁強度監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計列表

表2 KBD5電磁脈沖監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計列表

制作隸屬函數(shù)曲線圖：以橫坐標(biāo)為論域U軸(討論的區(qū)域)，以縱坐標(biāo)表示隸屬度μ的值，確定一坐標(biāo)系。在U軸上定出分組的上界與下界，依次表出組中值。再以各個組中值為中心向兩邊等距離取值，確定分組點的位置。再在各組中標(biāo)定隸屬度μ(u)的虛線。最后用光滑的曲線依次將各虛線的頂點聯(lián)結(jié)起來。這條光滑的曲線就是所要制作的隸屬函數(shù)曲線。保德煤礦81309膠運、81310回風(fēng)電磁強度、電磁脈沖隸屬度函數(shù)曲線如圖5所示。

a-81309膠運、81310回風(fēng)電磁強度值；b-81309膠運、81310回風(fēng)電磁脈沖值圖5 隸屬度曲線及回歸曲線

回歸分析：①對電磁強度值、電磁脈沖值的隸屬曲線進(jìn)行回歸分析得，電磁強度y=0.227 9ln(x)-0.083；相關(guān)系數(shù)R2=0.620 2；電磁脈沖y= 0.101 8ln(x)-0.075 3；相關(guān)系數(shù)R2= 0.958 7；②此掘進(jìn)工作面應(yīng)力異常區(qū)預(yù)測KBD5電磁強度參考臨界值可設(shè)為48 mV；電磁脈沖參考臨界值可設(shè)為3 318 Hz。

4 結(jié)論

(1)地質(zhì)構(gòu)造是在構(gòu)造應(yīng)力的作用下引起的煤巖體形變與斷裂而保存下來的構(gòu)造形跡，電磁輻射對地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域產(chǎn)生響應(yīng)，通過分析電磁輻射總體變化特征，可以預(yù)測預(yù)報地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域。

(2)電磁脈沖的變化特征與電磁強度的變化規(guī)律類似，當(dāng)監(jiān)測區(qū)域有地質(zhì)構(gòu)造異常情況發(fā)生前，都有一個增大增強的趨勢。

(3)采用模糊數(shù)學(xué)的方法對保德煤礦81309膠運順槽和81310回風(fēng)順槽的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力異常區(qū)電磁輻射預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行參考臨界值的計算和判定，KBD5電磁強度參考臨界值可設(shè)為48 mV，電磁脈沖參考臨界值可設(shè)為3 318 Hz。