闞士凱,張 楊,朱 劼,張 繼

(中國礦業(yè)大學(xué))

電磁輻射技術(shù)在煤礦系統(tǒng)中的應(yīng)用

闞士凱①,張 楊,朱 劼,張 繼

(中國礦業(yè)大學(xué))

目前,煤礦開采中各種煤巖地質(zhì)災(zāi)害也日益嚴(yán)重,破壞性極大,嚴(yán)重威脅煤礦生產(chǎn)安全,如何準(zhǔn)確預(yù)測這些地質(zhì)災(zāi)害,對煤礦安全生產(chǎn)有著重要的現(xiàn)實意義。介紹了電磁輻射在探測煤炭資源、預(yù)測沖擊礦壓、煤與瓦斯突出和尋找水患等方面的研究應(yīng)用,并對其優(yōu)勢進(jìn)行分析。

煤礦;電磁輻射;煤巖地質(zhì)災(zāi)害;研究;應(yīng)用

電磁輻射技術(shù)是一種地球物理方法。巖石破裂電磁輻射是指巖石受載破裂過程中向外輻射電磁能量的過程或現(xiàn)象。關(guān)于巖石破裂電磁輻射效應(yīng)的研究,在理論上及應(yīng)用研究方面,都取得了很大的進(jìn)步。但是研究多限于大理石、花崗巖和石英等堅硬巖石,而且大多數(shù)研究僅限于定性研究。目前,電磁輻射技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于煤礦系統(tǒng),在探測煤炭資源,預(yù)測沖擊礦壓、頂板來壓規(guī)律、煤與瓦斯突出和尋找水患方面有了飛速發(fā)展,對煤礦安全生產(chǎn)起著重要作用。

1 電磁輻射技術(shù)在預(yù)測沖擊礦壓中的應(yīng)用

1.1 電磁輻射法預(yù)測沖擊礦壓的原理

掘進(jìn)或回采過程中,圍巖原有力學(xué)平衡狀態(tài)被打破,應(yīng)力重新分配,圍巖體向新的平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化期間煤體必然要發(fā)生變形或破裂,從而引起電磁輻射。電磁輻射強度與煤的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān),在煤體松馳區(qū)域,應(yīng)力較低,電磁輻射信號較弱,且變化較小;在應(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,頻率較高。煤體的應(yīng)力集中程度越高,發(fā)生沖擊礦壓的危險性就越大。因此,根據(jù)電磁輻射的信號強弱就可以評價沖擊地壓的危險性。對煤體采用非接觸方式監(jiān)測的信號是松馳區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生的電磁輻射信號的總體反映,當(dāng)監(jiān)測范圍內(nèi)出現(xiàn)高應(yīng)力集中區(qū)時,接受的信號表現(xiàn)出高應(yīng)力集中區(qū)的特征。因此,可以通過監(jiān)測煤體的電磁輻射信號來預(yù)測監(jiān)測范圍內(nèi)高應(yīng)力集中區(qū)的范圍及大小,從而實現(xiàn)煤體沖擊礦壓的監(jiān)測預(yù)報。

1.2 典型應(yīng)用實例及特點分析

華豐煤礦利用電磁輻射法對3406和2408采煤工作面進(jìn)行了監(jiān)測實踐。主要用臨界值法和偏差法對工作面沖擊危險進(jìn)行預(yù)測預(yù)報。臨界值法是將正常情況下電磁輻射幅值最大值、電磁輻射幅值平均值或脈沖數(shù)的平均值的1.5,作為各自的臨界值,當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)大于臨界值時,即預(yù)報沖擊危險增強;偏差法是通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)與正常情況下平均數(shù)據(jù)的偏差值大小來預(yù)報沖擊危險。電磁輻射監(jiān)測適于對礦井回采和掘進(jìn)工作面進(jìn)行局部地點的預(yù)測預(yù)報,適于近震、臨震預(yù)報。電磁輻射預(yù)測沖擊礦壓技術(shù)具有非接觸、安全可靠、操作簡便、易判別、預(yù)測準(zhǔn)確率高等特點。與其它傳統(tǒng)監(jiān)測手段相比,該方法具有遠(yuǎn)距離、動態(tài)、三維、實時監(jiān)測的特點,還可以根據(jù)震源情況,確定破裂尺度和性質(zhì),為評價全礦范圍內(nèi)的沖擊礦壓危險提供依據(jù)。

2 電磁輻射技術(shù)在預(yù)測煤礦水患中的應(yīng)用

2.1 電磁輻射法預(yù)測煤礦水患的原理

含水煤巖在變形破裂時能夠產(chǎn)生電磁輻射,煤巖的含水量越大,電磁輻射信號強度越弱,水的存在對電磁輻射產(chǎn)生明顯的影響。另外,水分使煤樣電磁輻射信號的集中程度發(fā)生變化,自然原煤的峰前信號不多,含水煤樣在峰前電磁輻射信號增多,但其強度水平低于自然原煤。水對受載煤巖電磁輻射的影響有兩個方面:

一是水對煤巖材料的物理力學(xué)性質(zhì)影響較大,水的浸潤作用使煤巖強度和彈性模量降低,塑性加大,裂紋擴(kuò)展速率減小,最終使得受載煤巖體產(chǎn)生的電磁輻射強度峰值減小;二是電磁輻射的階段分布特征發(fā)生變化,水的存在使煤巖裂紋滑移面的摩擦系數(shù)降低,裂紋在較低的應(yīng)力水平就會產(chǎn)生滑移擴(kuò)展,產(chǎn)生電磁輻射信號,因此含水煤樣峰前階段電磁輻射信號要明顯多于自然原煤。原煤樣在整個破壞過程中峰前電磁輻射信號比較稀少,而含水煤樣在峰前電磁輻射信號明顯變得豐富,且含水煤樣電磁輻射強度隨含水量增大逐漸降低。由上述可以看出,水對煤樣變形破壞的電磁輻射效應(yīng)及煤巖物理性質(zhì)的影響是明顯的。通過電磁輻射信號的強弱,判斷煤層含水量,可以預(yù)測煤礦的突水情況。

2.2 應(yīng)用實例及特點分析

某煤礦利用電磁輻射法對2508采煤工作面進(jìn)行了實踐,探測其水文斷面圖,等值線值為各點賦水性值,得出結(jié)論:切眼向外20～92 m段為輻射信號異常區(qū),在工作面回采時伴隨礦壓來臨,此段極易引起底板突水,建議礦方保持水溝暢通并保證足夠的排水能力。實際回采時,當(dāng)工作面推進(jìn)到切眼往外42 m處發(fā)生底板突水,水量最大為660 m3/h,最后穩(wěn)定在540 m3/h。由于提前采取了預(yù)防措施,未造成大的災(zāi)害。

電磁輻射法適宜于區(qū)域性煤巖含水區(qū)域的初步探測,缺點是大深度探測時縱向分層能力較差,資料解釋仍處于定性和半定量水平。由于煤巖電磁輻射特征受含水量影響的研究還處在定性階段,對于定量的研究還需要進(jìn)一步做大量的工作,所以該方法在井下仍有很大的應(yīng)用空間。

3 電磁輻射技術(shù)在預(yù)測瓦斯突出中的應(yīng)用

3.1 電磁輻射法預(yù)測瓦斯突出的原理。

突出過程是在一定的時間和空間中進(jìn)行的,是典型的不可逆能量耗散過程。在這一過程中,含瓦斯煤體自外界獲得的能量和自身儲備的能量將以各種形式被耗散,聲發(fā)射和電磁輻射是其中的兩種重要的輻射形式。電磁輻射與煤的應(yīng)力狀態(tài)及瓦斯?fàn)顟B(tài)有關(guān),應(yīng)力越高、瓦斯壓力越大時電磁輻射信號就越強,電磁輻射脈沖數(shù)就越大。在采掘工作面前方卸壓區(qū)內(nèi),煤體發(fā)生屈服,大量裂隙形成,應(yīng)力及瓦斯壓力降低。由卸壓區(qū)到應(yīng)力集中區(qū),應(yīng)力及瓦斯壓力升高,在垂直于煤壁的內(nèi)部方向上單位煤體產(chǎn)生的電磁輻射信號也越來越強;在應(yīng)力集中區(qū),應(yīng)力和瓦斯壓力達(dá)最大值,煤體的變形破裂過程最強烈,電磁輻射源產(chǎn)生的電磁輻射信號最強;進(jìn)入原始應(yīng)力區(qū),不同深度方向上電磁輻射源產(chǎn)生的電磁輻射的強度將有所下降。

3.2 典型應(yīng)用實例及特點分析

九里山礦主采煤層二號煤,煤厚5～6 m,礦井始突標(biāo)高-80 m,為煤與瓦斯突出礦井。根據(jù)采掘作業(yè)方式的不同,選取九里山煤礦15031風(fēng)眼石門揭煤工作面進(jìn)行電磁輻射測試試驗。在掘進(jìn)石門過程中,距離煤層越近,電磁輻射信號越強。在石門距煤層5 m且掘進(jìn)抽放鉆場時,電磁輻射最強。隨著打鉆孔進(jìn)行瓦斯抽放,電磁輻射逐漸減弱。可見,用電磁輻射法預(yù)測揭石門瓦斯突出危險性及檢驗措施效果是可行的。

電磁輻射法預(yù)測技術(shù)在此礦區(qū)的應(yīng)用,實現(xiàn)了非接觸、定向、連續(xù)預(yù)測,而且用電磁輻射法科學(xué)評價了煤層瓦斯防突過程及防突效果,評價了石門揭煤過程中瓦斯突出危險性。電磁輻射法評價煤與瓦斯突出危險技術(shù)研究的應(yīng)用,與常規(guī)的煤與瓦斯突出危險預(yù)測方法相比,不僅工序簡單、工程量小,而且具有消除人工誤差、觀測范圍廣、可連續(xù)定點或動態(tài)觀測的優(yōu)點。對于準(zhǔn)確預(yù)報煤與瓦斯突出危險,采取針對性的防突和安全措施具有較好的指導(dǎo)作用。

4 在地面探測尋找煤炭資源中的應(yīng)用

4.1 電磁輻射法尋找煤炭資源的原理

電磁頻率測深法是采用可以控制的人工場源的一種電磁勘探方法,通過改變供電和接收信號頻率來達(dá)到測深的目的。其中最常用的場源是把可以改變的發(fā)送機(jī)產(chǎn)生的交變電流,通過一定長度的導(dǎo)線連接到兩個接地的電極上,將交變電流通入大地,通常稱為水平電偶極子;有時也將交變電流通過不接地的水平線圈作為場源,通常稱為垂直磁偶極子。通過對所采集的數(shù)據(jù)采用曲線類型分析和曲線特征點分析進(jìn)行定性解釋,用廣義逆矩陣反演法,通過人機(jī)對話的形式進(jìn)行定量反演計算,然后對測量區(qū)域資料進(jìn)行相位轉(zhuǎn)換處理,推斷此區(qū)域是否含有煤并作出評判。

4.2 典型應(yīng)用實例及特點分析

山西省陽曲縣在山西能源重化工基地太原市的北郊,緊鄰太原鋼鐵公司,是重要的煤炭供給后備產(chǎn)地之一,但在全國第二次煤預(yù)測時,這里錯誤地被定為無煤區(qū),其原因是在本測區(qū)內(nèi)曾有一深水孔打過新生界見灰綠色基巖,誤判定為本溪組地層。本區(qū)先通過采用電磁測深法進(jìn)行探測,在電磁勘探期間,對原始資料進(jìn)行初步定性分析,經(jīng)解釋后確認(rèn)本區(qū)有含煤構(gòu)造,并大致圈出煤系地層的范圍。然后布置了查明性鉆探參數(shù)孔加以驗證,驗證的目的是查明是否有含煤系地層的存在及有無可采煤礦層。驗證結(jié)果確認(rèn)有含煤的石炭二迭紀(jì)地層,并見有山西組、太原組的主要可采煤層4層,可采煤層總厚度6.27 m。后來不斷擴(kuò)大戰(zhàn)果,把陽曲測區(qū)分為東部測區(qū)和西部測區(qū),分年度進(jìn)行勘探,配合鉆探,共查明含煤區(qū)面積101 m2,估計D級儲量10億t。電磁測深法在陽曲測區(qū)的成功應(yīng)用,給方法本身應(yīng)用于全覆蓋區(qū)的構(gòu)造探測深部找煤提供了寶貴的經(jīng)驗。與常規(guī)勘探法相比,電磁輻射法應(yīng)用簡單,可實現(xiàn)真正的非接觸預(yù)測,無需打鉆,大大減少了工作量,對生產(chǎn)影響小,預(yù)測準(zhǔn)確率高,為準(zhǔn)確勘探煤炭起著積極的作用。

5 結(jié) 語

電磁輻射技術(shù)不僅可以對沖擊礦壓、煤與瓦斯突出等煤巖動力災(zāi)害實現(xiàn)定向及區(qū)域性預(yù)測和動態(tài)連續(xù)監(jiān)測及預(yù)報,也可以檢驗防突措施的效果,且實施時間短,準(zhǔn)確率高,是一種很有發(fā)展前途的方法?？偟膩碇v,電磁輻射的應(yīng)用研究還處于起步或初步應(yīng)用階段,且研究及應(yīng)用領(lǐng)域?qū)粩鄶U(kuò)大,除應(yīng)用于煤礦外,在無損檢測、監(jiān)測地質(zhì)滑坡、評估大壩、隧道、建筑等巖石混凝土穩(wěn)定方面也會有非常廣闊的應(yīng)用前景。

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Applications on Electromagnetic Radiation Technology in Coal Mine System

K an Shi-kai,Zhang Yang,Zhu Jie,Zhang Ji

Today,geological disasters are becoming increasingly serious and devastating in the coal mining,and becoming a serious threat to coal mine production safety,how to accurately predict the production of geological disasters in coal mine safety has important practical significance.In this paper introduces research and application of the electromagnetic radiation in the detection of coal resources,predict burst,and the searching for coal and gas outburst,floods and so on,and make a brief analysis of its strengths.

Coal mine;Electromagnetic radiation;Coal geological hazards;Research;Application

book=6,ebook=1

TD178

B

1672-0652(2010)06-0033-03

2010-03-19

闞士凱 男 1986年出生 2007年中國礦業(yè)大學(xué)在讀本科生 徐州 221116