王恩元，李忠輝，李德行，劉曉斐，李金鐸

（1.中國礦業(yè)大學 安全工程學院，江蘇 徐州221116；2.中國礦業(yè)大學 煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室，江蘇 徐州221116；3.中國礦業(yè)大學 煤礦瓦斯治理國家工程研究中心，江蘇 徐州221116）

煤炭開采伴隨有煤與瓦斯突出等動力災害，隨著開采逐漸進入深部，煤與瓦斯突出日趨嚴重且復雜，嚴重影響煤炭安全高效生產(chǎn)，煤與瓦斯突出危險性的準確預測是防突工作的前提。國內外大量研究成果表明：煤巖電磁輻射是一種有效的煤巖動力災害的地球物理監(jiān)測方法[1-15]。

從20 世紀90 年代開始，中國礦業(yè)大學對煤巖電磁輻射的產(chǎn)生機理、特征、規(guī)律及傳播特性等進行了深入研究，提出了電磁輻射預測煤巖動力災害的原理及方法，研制了KBD5 型便攜式電磁輻射監(jiān)測儀和KBD7 型在線式電磁輻射監(jiān)測儀，GDD12 聲電傳感器和YDD16 便攜式煤巖動力災害聲電監(jiān)測儀，研發(fā)了KJ 系列煤巖動力災害聲電監(jiān)測系統(tǒng)，在全國多個煤礦應用于煤與瓦斯突出、沖擊地壓等動力災害的監(jiān)測、預測[9-15]。從電磁輻射預測煤與瓦斯突基本原理和方法、電磁輻射監(jiān)測預警裝備、電磁輻射預測煤與瓦斯突現(xiàn)場應用3 個方面對煤與瓦斯突出電磁輻射監(jiān)測預警研究成果進行了系統(tǒng)梳理和詳細敘述，表明電磁輻射對突出危險性、瓦斯地質及應力異常等響應較好，是一種行之有效的非接觸式煤巖動力災害地球物理監(jiān)測預警方法。

1 電磁輻射預測煤與瓦斯突基本原理

1.1 煤巖變形破裂電磁輻射

何學秋、王恩元、劉明舉、聶百勝等[1-10]學者對受載煤巖變形破裂過程電磁輻射響應特征及規(guī)律進行了大量的研究，結果表明：煤巖損傷過程中能夠產(chǎn)生電磁輻射，且電磁信號與載荷呈正相關，認為電磁輻射能夠反映煤巖體應力狀態(tài)。王恩元、聶百勝等[3,5-7]研究了含瓦斯煤變形破壞電磁輻射規(guī)律，探索了瓦斯對電磁輻射的影響規(guī)律及影響機制，對電磁輻射法預測煤與瓦斯突出原理進行了探討；結果表明：電磁輻射也能夠反映煤體中的瓦斯信息，煤體中瓦斯的存在能夠使電磁輻射信號增強，且瓦斯壓力越大，電磁信號越強。

1.2 電磁輻射預測煤與瓦斯突出指標

電磁輻射信號蘊含著豐富的信息，其主要參數(shù)包括幅值、脈沖數(shù)、能量、頻率持續(xù)時間等。何學秋、王恩元等[2-5]在分析了煤巖體破裂過程中電磁輻射的特征的基礎上，認為采用電磁輻射強度和脈沖數(shù)2 項指標來預測煤與瓦斯突出等動力災害更加精準，被大多數(shù)實驗室研究及現(xiàn)場應用所采用。平煤八礦有突出危險和無突出危險時電磁輻射強度和脈沖數(shù)如圖1[5]，由圖1 可以看出，有突出危險時電磁輻射強度和脈沖數(shù)明顯大于無突出危險時的值，表明電磁輻射可以較好地反映突出危險性。有學者將電磁輻射能量作為動力災害預測指標，邱黎明等[16]分析煤體受載破壞過程電磁輻射時域、頻域及波形變化特征，認為電磁輻射脈沖數(shù)、能量值、主頻或幅值的急劇增加可以作為煤體失穩(wěn)的前兆特征。夏善奎[17]用特征參數(shù)和波形頻譜法，分析了實驗過程電磁輻射和聲發(fā)射信號的時間和頻率序列特征，確定了聲電信號特征參數(shù)，得到了聲電信號突出前兆信息。李金鐸[18]根據(jù)臨界慢化理論，研究了含瓦斯硬煤受載破壞過程中電磁輻射和瓦斯?jié)B流的方差和自相關系數(shù)，并從中抓取前兆信號，不同瓦斯壓力條件下電磁輻射臨界慢化特征如圖2。

圖1 平煤八礦有突出危險和無突出危險時電磁輻射強度和脈沖數(shù)[5]Fig.1 EMR intensity and impulse measured in roadway with and without outburst danger of Pingdingshan 8th coal mine

圖2 不同瓦斯壓力條件下電磁輻射臨界慢化特征[21]Fig.2 Critical slowing down characteristics of EMR of coal specimens under different gas pressures

1.3 煤與瓦斯突出電磁輻射預警準則及預警模型

何學秋、王恩元、聶百勝等[19-20]建立了基于電磁輻射脈沖數(shù)和強度的預警準則，準則分別如式（1）和式（2）：

式中：KNr、KNq分別為有弱危險和強危險時電磁脈沖數(shù)的臨界值系數(shù)和動態(tài)變化趨勢系數(shù)；σw為無煤巖動力災害時的應力；△Nw為無煤巖動力災害時的電磁脈沖數(shù)；σr、σq分別為達到弱危險和強危險時的應力；△Nr、△Nq分別為達到弱危險和強危險時的電磁脈沖數(shù)；△σw、△σr、△σq分別為無煤巖動力災害、煤巖動力災害弱危險、煤巖動力災害強危險時的應力變化；σ0為原始應力。

式中：KEr、KEq分別為有弱危險、強危險的電磁輻射強度值預警臨界值；Ew為無危險的電磁輻射強度值，Er、Eq分別為弱危險、強危險的電磁輻射強度。

以上模型為目前電磁輻射預測煤與瓦斯突出危險的預警模型，為電磁輻射方法預測預報煤巖動力災害現(xiàn)象提供了理論基礎。王恩元等[21]提出了聲電協(xié)同預警方法，將電磁輻射和聲發(fā)射進行融合，優(yōu)勢互補；邱黎明等[22]研究了以聲發(fā)射、電磁輻射和瓦斯?jié)舛葹橹笜说亩嘀笜祟A警系統(tǒng)；陳亮等[23]提出了基于電磁輻射峰谷比值法的煤與瓦斯突出預警模型；曹康等[24]提出了趨勢預警作為聲發(fā)射強度、電磁輻射強度、瓦斯?jié)舛鹊阮A警指標的方法。

2 電磁輻射監(jiān)測預警裝備及系統(tǒng)

中國礦業(yè)大學煤巖瓦斯動力災害研究所研發(fā)的KBD5 型和KBD7 型電磁輻射監(jiān)測儀在我國多個礦井進行了應用，也是目前國內應用最為廣泛的電磁輻射監(jiān)測儀。后又研發(fā)了GDD12 聲電傳感器和YDD16 便攜式聲電監(jiān)測儀，KJ838 聲電瓦斯同步監(jiān)測系統(tǒng)，大大提高煤與瓦斯突出預測的精度。

1）KBD5 便攜式電磁輻射監(jiān)測儀。KBD5 電磁輻射監(jiān)測儀包括高靈敏度寬頻帶定向接收天線、監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理主機、充電器和監(jiān)測及預報軟件等。監(jiān)測儀器電磁輻射傳感器有效監(jiān)測方向為60°，有效超前預測范圍7～22 m。

2）YDD16 便攜式煤巖動力災害聲電監(jiān)測儀。YDD16 煤巖動力災害聲電監(jiān)測儀是一種便攜式、多通道、多信號、非接觸監(jiān)測儀器，通過主動監(jiān)測煤巖破裂過程中聲發(fā)射、電磁輻射、超低頻電磁感應、震動等信息來預測預報煤巖動力災害，可用于預測預報煤與瓦斯突出、沖擊地壓和金屬礦山巖爆、監(jiān)測采空區(qū)頂板垮落、監(jiān)測頂板周期來壓等。

3）KJ838 煤礦瓦斯突出聲電監(jiān)測系統(tǒng)。KJ838 煤礦瓦斯突出聲電監(jiān)測系統(tǒng)包括系統(tǒng)硬件和軟件2 部分。硬件部分包括KBD7 非接觸式電磁輻射傳感器、GDD12 煤巖動力災害聲電傳感器、瓦斯傳感器、KJ796-F 監(jiān)測分站、本安不間斷電源和監(jiān)測中心機等；系統(tǒng)軟件能實現(xiàn)聲、電、瓦斯等等信號的監(jiān)測及曲線實時顯示，歷史數(shù)據(jù)及統(tǒng)計指標智能查詢，有效信號與干擾信號分析及自動預警。

3 電磁輻射預測煤與瓦斯突現(xiàn)場應用

1）工作面突出危險監(jiān)測。王恩元在某煤礦測試了電磁輻射和常規(guī)預測指標[25]，有噴孔發(fā)生時電磁輻射強度E 和脈沖數(shù)N 出現(xiàn)激增，采取消突措施后降低并趨于穩(wěn)定，有突出危險時的電磁輻射強度及脈沖數(shù)曲線如圖3。將電磁輻射參數(shù)與突出評價常規(guī)預警指標進行對比，E 和N 均與△h2、S 及q 呈高度正相關，E 與軟煤厚度h 呈顯著正相關，而N 與軟煤厚度h 相關性較低, 電磁輻射參數(shù)與常規(guī)預警指標如圖4。李忠輝等[13]用KBD7 煤巖動力災害電磁輻射監(jiān)測儀在淮南謝一礦和潘三礦對煤與瓦斯突出進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)了對煤與瓦斯突出的實時監(jiān)測預報，電磁輻射實時監(jiān)測曲線如圖5。邢云峰等[26]用KBD7 電磁輻射監(jiān)測儀對紅菱礦西區(qū)1200 掘進工作面的電磁信號進行實時監(jiān)測，將電磁輻射強度和脈沖數(shù)與瓦斯解吸指標△h2進行了對比。王忠文[27]采用電磁輻射監(jiān)測技術與常規(guī)預測法相結合，對鶴崗南山礦煤與瓦斯突出危險性進行了成功的預測。

圖3 有突出危險時的電磁輻射強度及脈沖數(shù)曲線[28]Fig.3 EMR intensity and impulse count with outburst dangers

圖4 電磁輻射參數(shù)與常規(guī)預警指標[28]Fig.4 EMR parameters and conventional early-warning indicators

2）石門揭煤過程監(jiān)測。李學臣等[28]在九里山煤礦15031 掘進工作面石門揭煤過程中，跟蹤測試了電磁輻射信號，電磁輻射信號隨著距離煤層越近而逐漸增強。由此可見，電磁輻射法預測石門揭煤突出危險性是可行的。王恩元團隊在淮南礦區(qū)謝一礦石門揭煤過程中同步測試了掘進期間電磁輻射與瓦斯壓力，隨瓦斯抽采、消突及掘進，電磁輻射指標及瓦斯壓力逐步降低，驗證了電磁輻射對突出危險的響應特征，掘進過程電磁輻射與瓦斯壓力曲線如圖6，煤層揭露前、后電磁輻射變化曲線如圖7。

圖5 謝一礦和潘三礦電磁輻射實時監(jiān)測曲線[13]Fig.5 EMR of real-time monitoring in Xieyi Coal Mine and Pansan Coal Mine

圖6 掘進過程電磁輻射與瓦斯壓力p 曲線Fig.6 EMR vs gas pressure during driving process

圖7 煤層揭露前、后電磁輻射變化曲線Fig.7 EMR before and after coal seam exposure

3）便攜及在線結合監(jiān)測應用。有學者使用便攜式電磁輻射監(jiān)測儀與在線式電磁輻射監(jiān)測儀相結合的方法對突出危險進行預測，從而使突出危險性預測更加精準。李博等[29]將KBD5 移動式和KBD7 在線式電磁輻射監(jiān)測儀結合使用，在焦作演馬莊礦27111 掘進工作面開展了電磁輻射測試，演馬莊礦27111 掘進工作面電磁輻射測試結果如圖8。王恩元等[30]等利用KBD5 和KBD7 電磁輻射監(jiān)測儀對淮南謝一礦的突出危險進行了成功預測，謝一礦電磁輻射實時監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖9。王恩元將煤與瓦斯突出實時監(jiān)測預警技術在發(fā)耳煤礦進行推廣應用，發(fā)耳煤礦掘進面巷聲電瓦斯變化曲線圖10，3 個指標均給出了預警提示，綜和預警狀態(tài)為危險預警，對工作面進行了消突工作以保證掘進工作的正常進行。

圖8 演馬莊礦27111 掘進工作面電磁輻射測試結果[32]Fig.8 EMR results in 27111 heading face of Yanmazhuang Coal Mine

圖9 謝一礦電磁輻射實時監(jiān)測數(shù)據(jù)[33]Fig.9 Real time monitoring data of EMR in Xieyi Coal Mine

圖10 發(fā)耳煤礦掘進面巷聲電瓦斯變化曲線Fig.10 AE, EMR and gas concentration variation in bottom drainage roadwayof Faer Coal Mine

目前，電磁輻射監(jiān)測系統(tǒng)已在徐州、淮南、平頂山、撫順、沈陽、六盤水、永城等地區(qū)近百個煤礦應用于煤與瓦斯突出、沖擊地壓等災害的預測，很大程度上降低了動力災害發(fā)生率。

4 結 語

煤礦深部開采中，煤與瓦斯突出威脅大，預測難度大，準確、高效的預警是實現(xiàn)煤與瓦斯突出預防的關鍵。大量研究表明，電磁輻射對工作面突出危險性響應較好，在突出非接觸預測方面具有很好的發(fā)展?jié)摿?。從電磁輻射預測煤與瓦斯突基本原理、電磁輻射監(jiān)測預警裝備、電磁輻射預測突出應用等方面進行了詳細敘述。結果表明：用電磁輻射法預測煤與瓦斯突出是可行的，電磁輻射與突出危險性、現(xiàn)行常規(guī)預測指標及突出影響因素具有緊密相關性。用電磁輻射法監(jiān)測預報煤與瓦斯突出實現(xiàn)了無損、非接觸、定向區(qū)域監(jiān)測，無需打鉆工程，對生產(chǎn)過程影響小。利用開發(fā)的便攜式及在線式電磁輻射監(jiān)測儀和聲電同步監(jiān)測儀，實現(xiàn)了煤與瓦斯突出危險的實時監(jiān)測，利用開發(fā)的煤與瓦斯突出監(jiān)測預警分析軟件，實現(xiàn)了煤與瓦斯突出演化過程聲、電、瓦斯信號同步監(jiān)測分析及預警。電磁輻射監(jiān)測技術是深部復雜開采條件下煤與瓦斯突出高效監(jiān)測預警的重要手段。