基于电磁辐射峰谷比值法的煤与瓦斯突出预警*

陈 亮,范志浩,付江伟 ,周银波

(1. 中原工学院 能源与环境学院，河南 郑州 450007; 2. 河南理工大学 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地，河南 焦作 454000; 3. 河南工程学院 安全工程学院，河南 郑州 450007)

0 引言

近些年，随着矿井开采深度和开采强度的不断增加，地应力、瓦斯压力不断增大，煤与瓦斯突出的复杂性和危险性显著增加，防突工作的压力越来越大。常规的煤与瓦斯突出预测技术，如钻屑瓦斯解吸指标法、钻屑量法等已经不能完全满足安全生产的需要。研究煤与瓦斯突出预测新方法受到了广泛的关注。梁跃强等[1]应用投影寻踪方法和聚类方法构建了煤与瓦斯突出危险性预测的投影寻踪聚类模型；张庆华等[2]建立了1套远场与近场相结合的两级煤与瓦斯突出动态预测方法，将宏观瓦斯地质量化评级技术与工作面实时预测技术进行了有效融合，并基于GIS平台开发了配套的煤与瓦斯突出预测软件系统；张友谊等[3]通过综合运用网络分析法和多类别距离判别法对灰色关联模型中的输入端和输出端进行研究，建立了煤与瓦斯突出多指标耦合预测模型；杜振宇等[4]筛选煤与瓦斯突出预警指标，运用层次分析法确定各预警指标权重系数，基于可拓学理论构建出煤与瓦斯突出预警模型。

地球物理方法被认为是有良好应用前景的煤与瓦斯突出预测方法。常用的地球物理方法有声发射监测技术、微震监测技术、电磁辐射(EMR)监测技术等。陈玉涛等[5]采用声发射连续预测技术对煤与瓦斯突出进行了现场监测；Lu等[6-7]研究微震和声发射的频谱获得煤岩动力灾害前兆。电磁辐射预警技术已经在中西部、东北地区部分矿区得到应用，实现了在线式实时监测预警[8]。Wang，He等[9-11]通过建立煤岩动力灾害的电磁辐射预警准则，得到煤与瓦斯突出的预警临界值系数和动态变化趋势系数的理论确定方法，并提出电磁辐射分级预警技术方法。为了进一步提高电磁辐射预警准确性，减少误报现象，本文在分析大量电磁辐射现场数据基础上，提出电磁辐射预警煤与瓦斯突出危险的新方法—电磁辐射峰谷比值法。

1 电磁辐射峰谷比值法

电磁辐射是煤岩体受载变形破裂过程中向外释放的一种电磁能量，与煤岩体受载状况及变形破裂过程密切相关。受载条件下的煤岩体在变形破裂过程中会向外辐射各种能量，包括弹性能、热能、声能、电磁能等。煤岩受到的载荷越大，变形越大，所具有的能量越高，向外辐射的电磁辐射能量也就越高，电磁辐射用于煤与瓦斯突出危险的监测预警也已经在多个矿区得到了应用[12]。

1.1 数据采集仪器

电磁辐射数据采集仪器采用GDD12声电传感器，如图1所示。仪器主要由声电传感器主机、宽频带电磁辐射定向接收天线、声发射探头及遥控器等。仪器通过接收工作面煤岩体变形破裂过程中产生的电磁辐射信息来预测煤岩动力灾害危险性。仪器可与KJ系列煤矿安全监测系统进行连接，可对工作面某一危险区域实施不间断、连续监测预报。

图1 GDD12声电传感器Fig.1 Acoustic and electromagnetic radiation sensor of GDD12

仪器布置在距离迎头5 m以内的掘进工作面，朝向迎头中央，如图2所示。测试过程中天线与瓦斯探头及动力电缆、信号电缆保持1 m以上的距离。电磁辐射天线及仪器主机随工作面的推进同步前移。

图2 仪器布置示意Fig.2 Schematic diagram of instrument layout

1.2 预警方法的提出

许多煤矿采用“三八制”的工作模式，即每天有3个班组轮流作业。这几个班组的工作内容，工作方法，工作强度等对工作面的扰动不尽相同，这也导致工作面前方煤体应力存在一定的差异，直观表现为每个班次的电磁辐射强度存在波动。

图3为2013年11月21日16时—12月30日12时采集的电磁辐射监测数据。以贵州省六盘水市义忠煤矿11112风巷的电磁辐射数据为例，其中11月24日22∶08—11月26日12∶40由于井下线路损坏未采集到数据。从图3中可以清晰看出，电磁辐射数据波动较为剧烈，波动范围为12～505 mv。

图3 2013年11月21日16时—12月30日12时监测数据Fig.3 Monitoring data from 16:00 on November 21 to 12:00 on December 30, 2013

以义忠煤矿同一班组在11月27日和28日的0点班时的电磁辐射信号为例(见图4)。27日电磁辐射瞬时强度最低104 mV，最高192 mV；28日0点班期间，电磁辐射瞬时强度最低69 mV，最高139 mV。这也从另外一方面说明如果仅采用单一临界值法预警难免会产生一些误报。

图4 同一班组不同时间电磁辐射瞬时强度Fig.4 Instantaneous intensity of electromagnetic radiation at different times in the same workgroup

何学秋等研究了电磁辐射预警煤与瓦斯突出危险原理[13-14]，认为电磁辐射强度E与应力σ呈正比关系，应力的变化可以由电磁辐射强度变化表示，见式(1)，其中k为常数。

E=kσ

(1)

大量的电磁辐射现场数据表明，不论有无突出危险，也不论是哪个班次，每个班次工作期间的电磁辐射瞬时强度数值大部分都围绕1个数值(每个班次该数值不同)上下波动，且波动范围均在一定的区间([E1，E2])内。其中，[E1，E2]的区间包含了大部分的电磁辐射瞬时强度数据。该区域也代表了当班工作面煤体应力主要的变化区域[σ1，σ2](σ1，σ2为E1，E2对应的应力)。与大部分电磁辐射瞬时强度均在[E1，E2]区间内形成对比的是，每个班次总存在部分电磁辐射瞬时强度大于E2或小于E1的情况(也有部分为由于干扰所致的无效数据)，说明工作面前方煤体的应力变化并不是仅局限于上述的主要变化区域[σ1，σ2]。

在采掘工作面前方，依次存在着3个区域，分别是松弛区域(即卸压带)、应力集中区和原始应力区(见图5)。采掘空间形成后，煤体前方的这3个区域始终存在，并随着工作面的推进而前移。随着工作面周期性的掘进，其前方3个区的范围及距工作面煤壁的距离也发生变化，应力峰值(应力集中区)向深处转移，导致部分原始应力区转变为应力集中区，应力的增加导致电磁辐射瞬时强度超出主要变化区域([E1，E2])，即高于E2；原应力集中区转变为卸压区，应力的降低导致电磁辐射瞬时强度低于E1。

图5 工作面煤体内电磁辐射(E)和应力(σ)分布示意Fig.5 Schematic diagram ofelectromagneticradiation (E) and stress distribution (σ) in coal body of working face

因此，针对井工开采的特殊性及电磁辐射瞬时强度变化情况，笔者提出新的预警方法—电磁辐射峰谷比值法(大于E2称为峰，小于E1称为谷)，即利用每个班次的电磁辐射瞬时强度峰平均值与谷平均值的比值反映工作面煤体前方应力变化情况。比值异常增大说明该区域应力异常增大，此区域有突出危险性。

(1)

从而有：

(2)

取

(3)

(4)

用当班次E峰与E谷的比值E作为煤与瓦斯突出危险性的预警值：

(5)

结合井下实际情况，确定E值。现场应用的时候，根据矿区的煤岩层和采掘情况等因素，可对E值进行适当修正。

2 现场验证

根据义忠煤矿的地质、采掘等条件，设定义忠煤矿煤与瓦斯突出危险峰谷比值法的预警值为2，图6为11月21日16时—12月30日12时运行的预警情况，其中，老方法为常用的临界值系数和动态变化趋势系数法。

图6 2013年11月21日16时—12月30日12时预警情况Fig.6 Early warning results from 16:00 on November 21 to 12:00 on December 30, 2013

11月22日8点班和16点班期间均出现预警提示，瓦斯浓度最大值为0.25%，矿方于11月23日0点班测K1值为4.7 ml/g·min1/2。尽管未超标，为安全起见工作面停掘。

11月24日8点后工人开始作业，作业期间，系统提示有突出危险。当日22∶08—11月26日12∶40通信线路出现故障，仪器未工作。工作面正常放炮掘进，瓦斯浓度在正常范围内。仪器线路恢复正常后，11月26日8点班期间再次报警，测K1值为4.5 ml/g·min1/2。

12月1日测K1值为4.5 ml/g·min1/2， 12月2日0点班后3 d共放炮掘进5个班次，每个班次仪器均有报警提示。12月4日8点班打钻期间出现较强顶钻现象，工作面停掘并打排放钻孔。从11月21日至出现顶钻现象，掘进不到8 m。12月8日～9日老方法出现2次误报，12月9日峰谷比值法出现1次误报。

12月18日后每天放炮1次，12月20日8点班仪器出现预警提示，随后测得K1值为4.8 ml/g·min1/2，12月21日和12月22日工作面有响煤炮声。该工作面暂停掘进并进行抽采瓦斯。

2014年4月该巷道再次放炮掘进，后因矿方经营权转变，5月23日停止测试。图7为2014年5月10日—5月23日仪器运行的预测情况，峰谷比值法未出现误报，16～19日老方法出现了2次误报。5月11日测K1值为0.27 ml/g·min1/2，5月12日16点班预测提示，5月13日0点班再次提示，8点班测K1值为0.38 ml/g·min1/2，随后打钻期间出现喷孔现象。

图7 2014年5月10日—5月23日仪器的预警情况Fig.7 Early warning results of instrument from May 10 to May 23, 2014

现场应用结果表明，用峰谷比值法验证共进行了约53 d，该方法能够提前1～8个班次成功预警。其中，预警提示有危险4次，实际有危险3次，存在1次误报，无漏报，而老方法存在4次误报。可见，提高预警准确性方面，峰谷比值法具有明显的优势。该方法的应用能够在很大程度上减小误报对生产的影响，促进生产效率的提高。

3 结论

1)在分析大量电磁辐射现场数据基础上，利用每个班次的电磁辐射瞬时强度峰平均值与谷平均值的比值反映工作面煤体前方应力变化情况，提出电磁辐射预警新方法—峰谷比值法。

2)将每个班次所获得的电磁辐射瞬时强度的时间序列，利用正态分布统计特征计算每个班次的电磁辐射瞬时强度峰值均值和谷值均值。将该方法用于义忠煤矿11112风巷掘进工作面。验证结果表明，该方法能够提前1～8个班次成功预警。其中，预警提示有危险4次，实际有危险3次，存在1次误报，无漏报。与老方法相比，峰谷比值法具有预报准确性高的优势。