冲击危险煤层采掘活动的超低频电磁辐射响应

潘东伟，刘晓斐，王恩元，苑广华，许金杯，王嗣衡

（1.中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏 徐州，221116；2.中国矿业大学安全工程学院，江苏 徐州，221116）

随着煤矿开采深度的不断加大，我国有不少矿井已进入深部开采，煤岩动力灾害事故多发，尤其是冲击地压日渐凸显，已成为威胁煤矿安全的又一大挑战。我国仅在2013年一季度就发生了两起严重的冲击地压事故，即1月12日辽宁省阜新矿业集团五龙煤矿和3月15日黑龙江省龙煤集团鹤岗分公司峻德煤矿发生的冲击地压事故。因此，冲击地压的预防已成为确保我国煤矿安全生产工作的重点。目前实验室研究及现场应用实践证实了中频电磁辐射是一种有效的预测冲击地压的技术方法［1—4］，由于其具有测试方便、工作量小、劳动强度低、前兆响应明显、预报准确率高等优点，已在我国大多数有冲击地压灾害的矿井都得以推广应用，且预测效果良好［5］。但目前矿井的采煤工作面多为机械化开采，有大量的机电设备及线缆存在，其运行过程中产生的电磁场会对现场电磁辐射监测造成严重的干扰，从而影响冲击地压电磁辐射监测及预报的可靠性［6］。

超低频电磁波主要是频率在30～300Hz的电磁波，具有传播距离远、抗干扰能力强的优点，在军事上多用于潜艇通讯。超低频波段在地球物理上的应用最先源于地震发生前观测到超低频波段的异常波动，被地震工作者应用于地震事件的预测与观测［7—8］。贾慧霖［9］、王恩元等［10］通过实验室大量试验研究证实了煤岩及混凝土材料在单轴压缩、剪切破裂过程中亦能产生超低频电磁辐射信号，并且信号强度与煤岩及混凝土材料受载程度具有正相关性。因此，利用超低频电磁辐射信号预测煤岩动力灾害在理论上存在可行性，而且超低频波段具有超长波长、穿透力强、衰减率低、抗干扰力强等特点，与常规电磁辐射相比，能有效地避开机电设备的干扰，在煤岩动力灾害预测方面具有很大的应用前景［10］。中国矿业大学煤岩动力灾害电磁辐射预测研究团队提出了冲击地压的超低频电磁辐射预测方法，并开发了相应的监测仪器及数据分析软件，开展了相关的试验研究。本文针对有冲击地压危险的煤层，选择相应的回采和掘进工作面，通过现场测试工作面采掘过程中的超低频电磁辐射规律，着重分析了超低频电磁辐射对工作面采动应力在时间和空间上的响应以及对小型煤炮和冲击动力显现的响应，以为实现采掘现场冲击地压危险的超低频电磁辐射监测及预警提供依据。

1 试验现场概况

试验现场选取有冲击地压灾害的河南省义马矿区千秋煤矿21采区的21112掘进工作面和21141回采工作面。

21112掘进工作面位于21采区下山东翼，南邻采空区，东西两侧留煤柱，平均采深为560m，上巷走向长度为1 133m，测试时正处于掘进阶段，煤层平均厚度为5.7m。该工作面地质构造简单，工作面沿底板掘进，局部底板有起伏现象，在工作面接近主断层区域产生伴生小断层。

21141回采工作面位于21采区下山西翼，北邻采空区，平均采深为684.4m，测试前上巷可采走向长度为285.5m，下巷剩余可采走向长度为294.1 m，煤层平均厚度为10.6m，倾角为12°～14°，无煤厚突变区域，属于较稳定巨厚煤层，采用综放式回采。该工作面的上巷在轨道口西6m处遇到断层，冲击地压显现严重，矿用ESG微震监测系统日均监测到的动力能量释放事件多达十几次。

2 回采工作面的超低频电磁辐射测试及分析

2.1 测试仪器及测试方法

现场测试采用的仪器有：矿用本安型非接触式电磁辐射监测仪（KBD5）、矿用本安型多通道非接触式超低频电磁辐射监测仪（YDD16）。监测仪KBD5，配套中频段天线，采集频段为1～500kHz，有效测试距离为7～22m，测点间距一般设定为10 m；监测仪YDD16，配套超低频天线，采集频段为1 kHz以下，有效测试距离理论上可达到100m。

现场使用YDD16和KBD5监测仪同步测试，即在同一测点两台仪器同时开始测试，在每个测点测试过程中将相应频段的电磁辐射天线悬于空中，同时垂直朝向煤体并保持静止，距离煤壁20cm以内，连续测试2min后结束进入下一测点，并重复上述操作。其中YDD16监测仪使用两个超低频天线测试，便于测试结果相互比较。

2.2 测点布置

测试地点位于冲击危险较为严重的21141上巷，上下巷两侧均预留有煤柱。测点间距的选择主要考虑冲击地压在巷道发生的位置。约70%左右的冲击地压灾害发生在巷道［11］，且多在巷道超前工作面的前100m范围内，因此21141上巷的电磁辐射测点间距也随距离工作面的远近而不同，在距离工作面0～200m范围内每间隔10m布置一个测点，在距离工作面200～300m的范围内每间隔20 m布置一个测点，全部测点遍布整个上巷，测点布置见图1。

测试期间详细记录测点周围人员走动及施工情况、机电设备的开停、煤岩动力现象发生的时间及地点、工作面实施防冲措施（如注水、卸载炮等）的时间及位置等。

图1 21141上巷测点布置示意图Fig.1 Arrangement of measurement points in return laneway of No.21141working face

2.3 回采工作面活动的超低频电磁辐射响应特征

2.3.1 超低频电磁辐射空间分布特征

图2（a）与（b）分别为1月18日和1月26日21141回采工作面上巷下帮各个测点超低频和中频电磁辐射强度的测试结果。由图2可以看出：超低频和中频电磁辐射一致性较好，在空间上有明显的变化特征，反映了巷道空间围岩应力分布的规律，表明受回采工作面的推进、巷道施工、煤层注水等采掘活动的影响，上巷空间围岩应力分布处于不断变化的状态。

图2 21141上巷各测点电磁辐射强度空间分布特征Fig.2 Spatial distribution property of EMR in return laneway of No.21141working face

（1）冲击卸压措施的超低频电磁辐射响应。1月18日21141上巷在距离工作面160～170m范围的煤体压力较大，有发生冲击的危险。现场采取了煤层注水卸压措施（即从1月18日22点20分开始，在距离工作面160m处上巷下帮进行煤层注水，注水压力为12MPa，注水持续时间为72h，累计注水量为96m3）；措施实施之后，煤体压力逐渐降低，表现为1月26日注水区域的超低频电磁辐射强度值逐渐减小。

（2）硐室的超低频电磁辐射响应。21141上巷在距离工作面115m处的位置，1月26日的电磁辐射强度值出现了一个相对高的峰值，分析是由于此处新开辟一储物硐室（断面为长方形，顶部宽4.0 m，底部宽4.0m，高3m，深度5.5m），从而导致此处应力叠加，造成局部应力集中，超低频表现为电磁辐射强度值升高。

（3）采动应力影响区的超低频电磁辐射响应。比较图2（a）和图2（b）还可以发现，在21141上巷超前工作面15m左右的位置，超低频电磁辐射强度值始终有一个峰值点（箭头所指处），结合煤层回采过程中采煤工作面周围的岩层移动和应力重新分布规律［12］，可确定超前工作面约15m的位置受采动影响最大，为工作面超前采动应力集中区域。

2.3.2 超低频电磁辐射时间变化特征

以距离21141上巷口270m处测点为研究对象，对其连续10d的电磁辐射强度进行了监测，分析测点电磁辐射强度值随工作面推进时间的变化趋势。测试期间21141回采工作面共向前推进约15 m，平均推采速度为1.5m/d。测试结束时该测点距离工作面前壁约有10m。该测点电磁辐射强度值随时间的变化趋势见图3，其中主纵坐标轴为超低频电磁辐射强度值，次纵坐标轴为KBD5常规中频电磁辐射强度值，1通道与2通道数据分别为两个超低频无线的YDD16监测数据。由图3可以看出：

（1）由于天线电阻率大小不能完全绝对相同，1通道信号放大倍数为3 000倍，2通道信号放大倍数为5 000倍，所以两个通道的超低频电磁辐射测试数据有所差异，但两条曲线走势完全一致，说明YDD16监测仪本身所产生的测量误差较小。

（2）与KBD5中频电磁辐射数据曲线相比较，三条曲线整体走势一致性较好。KBD5中频电磁辐射强度值在距离工作面20.5m（1月21日）与13m（1月26日）处出现峰值，而超低频电磁辐射强度值在距离工作面22m（1月20日）与14.5m（1月25日）处出现峰值，超低频电磁辐射前兆响应要超前常规中频电磁辐射1d左右。分析原因认为这是由于煤岩体所受载荷逐渐增大过程导致破裂，先产生超低频电磁辐射信号，再产生中频电磁辐射信号，而超低频电磁辐射对于应力增大趋势的预见性要超前于常规中频电磁辐射。

（3）随着推采，当接近距离工作面前壁22m位置时，测点电磁辐射强度值逐步增大，表明该区域局部应力增大，冲击危险性增加。于是在1月20日7点40分在距离上巷口260m处（距离工作面约22 m）下帮及时采取了钻孔煤层注水措施，注水压力为12MPa，注水持续时间为48h，累计注水量为72 m3；注水之后煤岩体蕴含的弹性能量得到释放，应力逐渐降低，所产生的电磁辐射强度值也随之降低。

（4）随着回采工作面的不断推进，测点进入受采动影响区域，煤体应力又逐步增加达到峰值，而超低频电磁辐射亦能很好地反映煤岩体所受的应力状态。

图3 距离上巷口270m处测点电磁辐射强度值的时域分布特征Fig.3 Time distribution property of EMR at the point 270mapart from the entrance

2.4 现场测试过程中的干扰分析

现场测试过程中发现，与常规电磁辐射监测仪KBD5相比，超低频监测仪YDD16对周围一些机械干扰（如注水泵站、打钻、拉车等）的敏感度低，没有明显的监测数值突变现象，这是超低频电磁辐射相对常规电磁辐射的优势；但是对于井下电缆（高电压）的干扰仍敏感，且影响较大，主要是由于井下电缆的工频为50Hz，处于超低频电磁辐射监测频段范围，因此在测试过程中应该避开井下电缆。

3 采掘过程中动力现象的超低频电磁辐射响应规律

3.1 回采过程中煤炮的超低频电磁辐射响应规律

煤炮是煤层地压显现出来的煤体深部发生错动产生的响声（闷雷声、机枪声、沙沙声等），是冲击地压发生的一种现象，只不过是小规模的煤岩动力现象［13］。一些矿井冲击地压监测实践表明，当煤炮声由远及近时，说明可能立即就会发生冲击地压。因此，监测煤炮的发生对于冲击地压的监测及预警具有积极意义。

千秋煤矿21141下巷冲击地压显现严重，在井下工作的工人经常能听到响度不等的煤炮。2013年1月26日采用超低频电磁辐射监测仪YDD16对21141下巷距巷口120m处测点电磁辐射进行连续监测，监测结果见图4。由图4可以看出：在煤巷中没有煤炮产生时，监测到的超低频电磁辐射强度值较低且稳定；当有煤炮发生时，超低频电磁辐射信号会出现突然的增大，增大幅度明显且电磁辐射强度值大，说明超低频电磁信号对于煤炮动力现象具有较好的响应规律。

图4 21141下巷煤炮的超低频电磁辐射响应Fig.4 ULF electromagnetic radiation response of coal gun in haulage lane 21141

3.2 掘进面人工放炮前后的超低频电磁辐射响应

图5是2013年1月12日在千秋煤矿21112上巷掘进工作面放炮前后测试得到的超低频电磁辐射强度值数据。该测点距离掘进工作面迎头35m处，使用秒表计时工具，由记录信息可知人工放炮时间大约是在记录开始后约930s，而此时超低频电辐射强度值处于一个峰值状态。由图5可以看出：放炮前后超低频电磁辐射信号较稳定，放炮时超低频电磁辐射信号急剧增大。这是由于放炮时，煤岩体原始应力平衡状态被打破，应力状态发生变化，而在煤岩体状态达到平衡过程中，应力状态的运移这都会加大煤岩体的破碎，尤其是煤体快速破裂，因此必然产生大量的超低频电磁辐射信号；当应力状态逐渐达到平衡之时，煤岩体破裂破碎逐渐减小直至很弱程度，这就是在放炮之后超低频电磁辐射信号减小并趋于稳定的原因。由此可见，超低频电磁辐射信号可以很好地反映掘进巷道迎头人工放炮所造成的煤体应力状态变化，对井下人工放炮作业起到监测作用。

图5 21112上巷放炮前后超低频电磁辐射响应Fig.5 ULF electromagnetic radiation response of artificial blasting in excavation roadway 21112

4 结 论

通过现场超低频电磁辐射监测仪（YDD16）监测煤岩体应力状态，并与KBD5常规中频电磁辐射监测仪监测数据进行对比发现：对于同一测试区域超低频电磁辐射强度与常规电磁辐射强度值在数据趋势上具有较好的一致性，并能较好地反映出测试区域煤体应力状态，在高应力区具有明显的高峰值，且在时间趋势上超低频电磁辐射强度峰值的出现要提前于常规电磁辐射强度峰值，表现出了较好的超前预测能力；此外，超低频电磁辐射对井下小规模动力现象（如天然煤炮和掘进巷道人工放炮等）也有很好的响应规律。这些研究结果对于开展矿井冲击危险的超低频监测及预警提供了基础。如何进一步揭示超低频电磁辐射前兆特征，实现冲击地压的超低频电磁辐射预警是下一步需要开展的工作。

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