安顺煤矿煤岩电磁辐射测试技术研究

2024-03-18何志龙宋大钊

山东煤炭科技 2024年2期

何志龙孙谦宋大钊

（1.贵州豫能投资有限公司，贵州贵阳 550000；2.贵州兴安煤业有限公司，贵州兴义 561504；3.北京科技大学，北京 100083）

煤炭的生产过程中伴随着煤与瓦斯突出、冲击地压、突水等动力灾害现象[1-2]。为应对煤岩体应力过高而引起的动力灾害，需要对煤岩损伤破坏状态进行监测。电磁辐射技术在煤矿灾害预测方面的研究已经取得了一些成果，例如提出了一系列电磁方法和技术，如电磁波传播模型、电磁监测仪器和数据分析方法等，用于探测和识别煤矿动力灾害风险。许多国内外的研究成果均表明，电磁辐射技术是一种有效的灾害监测技术[3-6]，煤岩体前方应力变化曲线和电磁辐射信号变化曲线具有一定的相关性[7]，电磁辐射技术在识别和预测煤矿动力灾害方面具有一定的潜力。通过监测和分析煤岩体的电磁辐射信号，可以提高预警和预测煤矿动力灾害的能力，为煤矿动力灾害的监测和预测提供一种有效的方法。

电磁辐射技术具有非接触式监测、实时监测、非破坏性监测、综合多参数监测以及高效性和智能化等优势，克服了传统方法需要人工定期巡查或安装离散的传感器、监测频率有限、无法实现实时性和连续性等不足，提高了监测的安全性，对于煤矿灾害的预测和防范具有重要意义。煤矿环境的复杂性和地质条件的异质性给电磁理论的应用带来了挑战和局限。电磁辐射信号受到各种噪声和干扰的影响，如电力设备、岩石中的金属含量和地质构造等。因此，煤矿电磁理论的应用需要综合考虑地质条件、实际煤矿环境和其他监测手段的综合运用。

安顺煤矿为典型的喀斯特地形，地表山体多且不连续，地层中形成了较多的局部高应力区域，对工作面的安全回采影响较大。煤矿为井田构造，是大威岭背斜复杂断块带中的一个断块，四周被四条主要断层围限，煤田边界大断裂发育，中小型断层沿边界区域性大断层附近发育，严重影响煤层的连续性，破坏地层及其他地质构造的完整性。煤层的瓦斯突出危险性较大。结合目前的四采区开拓和准备巷道的设计，在大巷延伸以及掘进平巷时，具有较高的揭露断层可能性，对地层应力、瓦斯分布的影响较大，使地层应力分布变得更为复杂，出现高应力、低透气的区域，增加了煤矿掘进过程发生瓦斯动力灾害的危险性。

随着安顺煤矿开采深度的加深，地应力逐步增大，安顺煤矿四采区平均埋深比三采区深100 m，原始地应力增大2～3 MPa，瓦斯含量增加2 m3/t左右，导致工作面回采时异常动力现象发生的危险性显著提高。通过电磁辐射信号，对煤岩体应力状态进行分析，实现对异常动力灾害的预测，具体表现为煤岩体应力越大，电磁辐射信号强度就越大，发生异常动力灾害的危险性就越大。基于煤岩体应力与电磁辐射信号强度的正相关关系，可以利用电磁辐射测试仪器对四采区部分关键巷道进行测试，分析测得的电磁辐射信号数据规律，为灾害的防治提供基础依据，降低灾害发生所造成的损失与伤亡。

1 电磁辐射测试原理与设备简介

煤岩破坏电磁辐射是煤岩体受载变形破裂过程中向外辐射电磁能量的过程或物理现象。其产生原理如图1 所示[8]。煤岩体及其他一些固体中都存在束缚状态和自由态的电荷，当煤岩体受到不均匀的载荷作用时，发生不规则的变形及破裂时，导致其内部的电荷发生迁移，裂缝的发展也会带动带电粒子的变速运动，电荷的电场在运动中产生磁场进而产生电磁辐射现象，电磁辐射的产生与煤岩体的应力状态密切相关，应力越高，电磁辐射信号就越强。受载煤岩体中发生以下电荷运动过程：

图1 煤岩破坏电磁辐射产生原理

1）煤岩材料变形及破裂时能够产生电磁场，有两种形式：一种是由电荷，特别是试样表面积累电荷引起的库仑场（或准静电场）；另一种是由带电粒子作变速运动产生的电磁辐射，是一种脉冲波。

2）在非均匀应力作用下非均质煤岩体各部分产生非均匀形变，由此引起电荷迁移，使原来自由的和逃逸出来的电子由高应力区向低应力区或拉应力区迁移，同时在试样表面也积累了大量的电荷，由此形成了库仑场或低频电磁辐射。

3）裂纹形成及扩展前，裂纹尖端积累了大量的自由电荷。裂纹扩展时，发射电子，由于裂纹不是均匀扩展，这必然向外辐射电磁波，这种电磁辐射与声发射是同步的。

4）裂纹扩展后，裂纹局部煤体卸载收缩，在卸载的瞬时，裂纹尖端两侧附近区域煤体中电子浓度较高，形成了库仑场。在该电场的作用下，发射出的电子产生加速运动，向外辐射电磁波。

5）出于摩擦等原因产生电磁辐射，也可能产生带正负电粒子，此时裂纹表面电荷也会发生张弛。

6）运动的电荷碰撞周围介质分子或原子，使运动电荷减速，同时能使介质或原子发生电离，发射电磁波。

电磁辐射和煤岩体的应力状态有关，应力越高电磁辐射信号就越强、煤岩体动力灾害事故危险性也就越大。即电磁辐射信号能够反映煤岩体的应力及损伤状态。因此，可以利用电磁辐射方法对煤岩体动力灾害事故危险性进行预测。

安顺煤矿电磁辐射测试仪器包括接收天线、信号采集板和平板电脑数据处理单元。其工作原理：利用天线接收周围煤岩体受载，应力条件发生变化时产生电磁辐射信号；再将接收的信号经过隔离、放大、抗混、滤波、降噪处理；由采集板A/D 转换成数据信号，以便于后续的数据处理和分析；最后通过接口传入电脑，由数据处理单元对信号数据进行处理和分析。这些数据可以用于评估煤岩体的应力状态和损伤程度，为灾害事故的风险预测提供参考。

2 电磁辐射测试方案

安顺煤矿四采区煤层平均埋深、原始地应力及瓦斯含量相比于三采区均有增加，高应力、高瓦斯含量等因素的局部叠加，使四采区工作面回采发生异常动力灾害现象的危险性显著提高。因此，必须对其应力分布特征进行探测。基于煤岩体发生破坏时产生的电磁辐射信号的强度与煤岩体所受应力具有正相关关系，可以利用电磁辐射仪对煤岩体的应力状态进行测试。

本次主要测试的为四采区三条下山轨道，选取已经稳定的三采区轨道下山巷道测试电磁辐射信号，作为对比数据进行分析。具体测试方案如下：

测试选取5 个区域，分别是：1）四采区轨道下山巷道距掘进点0～300 m，测距为6 m，每个测点测试30 s（掘进中）；2）四采区回风下山巷道距掘进点0～120 m，测距为6 m，每个测点测试30 s（掘进中）；3）四采区胶带下山巷道距掘进点0～240 m，测距为6 m，每个测点测试30 s（掘进中）；4）9307 进风巷道距掘进点0～60 m，测距分别为6 m和3 m，每个测点测试30 s（存在煤层断层）；5）三采区轨道下山巷道，距四采区轨道风门0～300 m，测距为6 m，每个测点测试30 s（作为对照组）。测试地点及布点方案如图2。

3 电磁辐射监测数据规律分析

对各巷道2022 年7 月7 日至2022 年7 月15日期间电磁辐射仪测得的数据进行分析。电磁辐射信号的分析可以提供对不同巷道应力情况的理解和比较，以及对掘进作业、危险区和断层等因素对应力分布的影响有所认识，为煤矿动力灾害的预测和采取安全措施提供参考。为更好地比较各巷道的应力情况，三、四采区巷道所测数据均采取同一坐标轴进行分析。

1）采区掘进作业对煤岩电磁辐射影响规律

对四采区轨道下山巷道进行连续测试，其中7月9 日进行采区作业，7 月11 日测试时巷道内未进行作业。测试结果如图3。

图3 采区作业与否时电磁辐射测试

由图3 中的各时段电磁辐射测试情况可以看出，巷道进行掘进作业时，所测巷道内的应力会受到一定扰动，且靠近掘进点部位的巷道应力扰动明显，数据存在较为明显的波动，距离掘进点较远的位置煤岩体较为稳定，电磁辐射信号数据波动较小。巷道未作业时，所测电磁辐射信号强度峰值明显降低，同时由于四采区轨道下山已经掘进较深，支护较为稳定，且存在干扰因素较少，纵然作业干扰，电磁信号强度波动也不大。相比于掘进较短且支护较新的回风以及胶带下山巷道来说（图4、图5），整个四采区轨道下山巷道的损伤破坏程度较低、应力波动较小。

图4 巷道危险区周围电磁辐射测试

图5 安顺煤矿电磁辐射监测数据

2）巷道危险区电磁辐射测试

对四采区回风下山巷道进行连续测试，其中7月11 日测试时巷道内未进行作业，测试结果如图4。

由图4 可以看出，未作业时的电磁辐射信号强度较为稳定。巷道进行作业时，其信号规律较为明显，靠近掘进面20 m 以及掘进点后方100 m 附近的电磁辐射信号强度较其他位置的电磁辐射信号出现了异常的高值点，其余区域的信号情况与未作业时测得的数据基本相同。因此可以判断高值点是由于掘进作业以及电子设备运行时造成的干扰，同时靠近掘进点处的电磁信号强度高值点也可看作是掘进时的应力扰动。当巷道内停止掘进作业时，掘进处无机器运转，掘进点应力扰动趋于稳定，电磁信号强度减小，测点末尾处各电子设备未集体运行，电磁信号干扰较小，该位置电磁信号强度同样减小。其他区域受掘进作业以及电子设备运行干扰较小，电磁辐射信号分布均匀，强度也比较低。

3）不同区域煤岩电磁辐射强度对比

为优化各巷道信号测试情况，将强度超过3000 mV 的电磁辐射信号强度异常高值点过滤，将四采区各巷道同期的测试数据与稳定的三采区巷道在相同坐标轴中进行对比。结果如图5。

由图5（a）可知，三采区巷道开拓较早且当前作为运输巷道扰动较小，整段三采区轨道下山巷道电磁辐射数据变化幅度不大，测试前后无明显应力变化，整体应力分布较为均匀，可以作为判断四采区各巷道应力情况的对比依据。

对比图5（a）、（b）可知，掘进中的四采区轨道下山巷道电磁辐射信号强度整体增强，应力扰动情况也更加明显，信号波动幅度整体超过三采区轨道下山巷道的信号波动。由图5（c）、（d）可知，四采区回风下山、胶带下山电磁辐射强度值波动幅度较大，胶带下山巷道的电磁辐射信号波动较回风下山巷道信号波动更为剧烈。在两条巷道都存在很多相对轨道下山巷道电磁辐射强度更高的点，判断应是巷道掘进较短，所测信号受到掘进作业扰动、电子设备工作辐射、巷道支护情况等干扰较多。排除干扰后，各巷道在未作业时应力分布情况大体一致。即电子设备的运行、复杂管线产生的电磁信号以及掘进工作设备的运行都会对巷道中应力的电磁信号产生干扰。在对煤矿动力灾害进行预测时，需要排除电子设备的干扰。

4）断层对巷道电磁辐射强度的影响

9307 进风巷道存在较大落差的煤层断层，为得出该断层对巷道应力分布的影响情况，此次分别采用6 m 和3 m 的测距对该巷道进行电磁辐射信号测试，两次测试长度仍为60 m，测点测试时长30 s。测试结果如图6。由于巷道中煤层断层的存在，导致掘进速度较慢，掘进深度较浅。第一次采用6 m测距测试时，不存在作业产生的干扰，得到的电磁辐射信号分布较为均匀；第二次采用3 m 测距时，产生了作业干扰，使电磁辐射信号分布产生了较大波动。综合分析两次的测试结果，可以明显看出在断层的位置煤壁的电磁信号强度相对测试两端的信号强度较高，说明排除作业干扰外，巷道中煤层断层的位置会出现应力集中。即使在断层存在的情况下，相比于四采区其他掘进岩巷，9307 进风巷与掘进煤巷的信号也更加稳定，说明掘进煤巷的应力受扰动情况比掘进岩巷更加稳定，所受应力普遍较小。