冲击矿压预测的电磁辐射技术及应用(1).pdf

声明声明下面论文由免费论文教育网 http//www.PaperE 用 户转载自互联网，版权归原作者所有，本文档仅供参考，严禁抄袭 免费免费论文论文教育教育网网 冲击矿压预测的电磁辐射技术及应用* 窦林名窦林名 何学秋何学秋 王恩元王恩元 （中国矿业大学，江苏，徐州，（中国矿业大学，江苏，徐州，221008）） 摘 要岩石冲击破裂过程中，裂缝的形成和颗粒的摩擦会产生电磁辐射。煤岩体的电磁辐射是由于非均 质煤岩体在应力作用下非均匀变速变形及裂纹形成与扩展过程中，内部电荷的迁移而产生。实验 室研究了强冲击煤样破坏前后的电磁辐射规律，得到煤体应力越大，变形破裂越强烈，电磁辐射 信号也越强；确定了煤样冲击破坏的电磁辐射预警值；提出了临界指标法、偏差法等监测冲击矿 压危险的电磁辐射方法。采用电磁辐射监测仪对某矿具有严重冲击危险的四层煤工作面进行了矿 震和冲击矿压危险监测，有效地预测出了多次冲击危险，取得了良好的效果。 关键词电磁辐射，冲击矿压；临界指标法；偏差法；危险监测 Electromagnetic Emission Technique of Monitoring Rock Burst and Its Application Dou Linming He Xueqiu Wang Enyuan China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu, 221008, China Abstract The Electromagnetic Emission EME is caused by the crack expands and friction of granule during rock and coal burst failure. EME occurred when it is caused by the loaded inhomogeneous coal and rock inhomogeneous variable speed and the deation of various parts of the coal and the variable speeding movement of electrical particles during crack expansion. In the laboratory the coal sample which has high danger of burst is take into experiment. The EME rules before and after its burst failure is obtained. The higher the stress in the coal is, the stronger the deation and the failure are, and the stronger the signal of the EME is. The EME warning value of coal failure is defined. Some s to monitor and forecast the rock burst have been held, such as critical point, deviation values. KBD5 apparatus has been used to monitor the seismicity and rock burst of 4 coal seam’s working face which has high danger of rock burst in coal mine. Many times of rock burst danger were forecasted according to the EME rules. Key Words Electromagnetic Emission EME; Rock Burst; Critical Point; Deviation Values; Monitoring Danger 煤岩动力灾害现象冲击矿压是一种较为典型的矿山灾害动力现象， 其发动阶段的突 然性和剧烈的破坏特征对矿山安全构成很大的威胁。特别是随着煤矿开采深度每年以 10m 的速度增加，冲击矿压问题越来越突出。我国的徐州、大同、抚顺等矿务局都面临冲击矿压 的威胁问题。 在冲击矿压的危险性评价及预测预报方面， 世界各国采用的方法有综合评价方 法，其中包括分析认识法，地震法，地音法，以及小直径钻孔法[1]。这些方法在可能发生的 冲击矿压的地点进行危险性预报评价， 为采取相应的治理措施打下基础。 目前这些方法主要 以接触式方法为主，而且预报的准确率在各种因素影响下，近期还很难提高。电磁辐射是 90 年代末发展起来的预测预报冲击矿压危险的技术，目前只有中国（中国矿业大学）和俄 罗斯在进行这一方面的研究工作[1-12]。本文将结合中国矿业大学对煤岩破坏过程中所伴随的 电磁辐射效应规律的研究成果， 提出用非接触电磁辐射监测冲击矿压灾害危险的技术原理和 基本准则，并进行工程实践验证。 1 煤岩冲击破坏的电磁效应规律煤岩冲击破坏的电磁效应规律 煤岩材料的破裂一般呈张拉或剪切形式。 煤岩体的裂纹扩展时， 处于裂纹尖端表面区域 中在应力诱导极化作用下积聚大量正负电荷， 裂纹尖端表面区域的扩展运动、 电荷的迁移过 *基金项目国家自然科学基金资助项目（50074030, 50174055,59925411） ，国家自然科学基金重点资助项目 （50134040） ， “十五”科技攻关项目资助（2001BA803B0408）. 作者简介窦林名（1963-） ，男，青海省平安县人，中国矿业大学教授，博士生导师，从事矿山压力、冲 击矿压、采矿地球物理等方面的研究工作. _______________________________________________________________________________ 程以及破坏停止后正负电荷的快速综合过程均会伴随电磁辐射效应。 煤岩剪切摩擦过程微观 上是破坏过程，同样也会伴随电磁辐射效应。因此，承载煤岩在微观上非均匀应力作用下的 变形及破裂过程必然伴随着电磁辐射效应。 煤岩变形及破裂过程中的电磁辐射是煤体各部分 的非均匀变速变形引起的电荷迁移和裂纹扩展过程中形成的，煤体中应力越高,变形破裂过 程越强烈,电磁辐射信号越强,其主频带也越高[1-7]。 图 1 为某矿具有强烈冲击倾向性四层煤试样冲击破坏过程中电磁辐射的试验结果。 其中 图 1a 为应力时间曲线，图 1b 为电磁辐射（EME）脉冲数时间关系，图 1c 为电磁辐射 幅值时间曲线图。试验用的煤岩试样是从原煤岩中直接钻取 50100mm 的原煤试样。试 验系统由加载系统、 电磁辐射宽频带接收天线和声发射传感器、 电磁辐射和声发射信号数据 采集系统、载荷和位移记录系统及电磁屏蔽系统等组成。 0 4 8 12 16 20 24 28 0255075100125150 t /s P /KN 0 4 8 12 16 20 24 28 32 0255075100125150 t /s P /KN a 载荷-时间关系图 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 050100150200250300 t*0.5 /s E /mV 0 100 200 300 400 500 600 050100150200250300 t*0.5 /s E /mV b EME 幅值-时间关系图 0 100 200 300 400 500 600 050100150200250300 t*0.5 /s N 0 100 200 300 400 500 600 700 050100150200250300 t*0.5 /s N c EME 脉冲数-时间关系图 d AE 振铃计数率-时间关系图 （1） 4煤样试验结果 （2） 5煤样试验结果 图 1 煤样的试验结果 Fig 1 The experiment results of coal sample 由上述试验结果及作者已进行的研究可得出如下结论，煤体在载荷作用下变形及破裂过 程中产生电磁辐射信号。 电磁辐射基本上随着加载及变形速率的增加而增强。 从煤的变形破 坏试验结果来看，煤试样在发生冲击性破坏以前，电磁辐射强度一般在某个值以下，而在冲 击破坏时，电磁辐射强度突然增加。 如果将煤岩体在载荷作用下，冲击破坏时最大应力的 80作为煤岩体冲击破坏的应力预 警区， 由于电磁辐射与煤体应力具有一定的对应关系， 因此可以得出煤岩体冲击破坏应力预 警区的电磁辐射预警值。 根据确定的预警值进行煤岩体冲击破坏的预报， 表 1 为某矿四层煤 中国科技论文在线_______________________________________________________________________________ 样冲击破坏的电磁辐射预警值。 实验结果同时表明煤体电磁辐射的脉冲数随着载荷的增大及 变形破裂的增强而增大。即煤体应力越大，变形破裂越强烈，电磁辐射信号也越强。 表 1 煤样冲击破坏的电磁辐射预警值 Tab 1 The warning EME value of Rock Burst of coal and rock sample 冲击破坏的应力值/MPa 冲击破坏的电磁辐射值 幅值/mV 脉冲数 煤层 最大值 预警值 最大值 预警值 最大值 预警值 4煤 16.1 12.9 433 346 610 488 2 电磁辐射监测冲击矿压危险技术原理电磁辐射监测冲击矿压危险技术原理[2,4,12] 掘进或回采过程中，围岩原有力学平衡状态被打破，应力将重新分配，向新的平衡状态 转化，转化期间煤体必然要发生变形或破裂，而引起电磁辐射。 电磁辐射强度与煤的应力状态有关，在煤体松驰区域，应力较低，电磁辐射信号较弱， 且变化较小；在应力集中区，煤体的变形破裂过程较强烈，电磁辐射信号较强，频率较高。 煤体的应力集中程度越高，发生冲击矿压的危险性就越大。因此通过监测煤体的电磁辐射 信号强弱及其变化可以预测煤体的冲击危险程度。对煤体采用非接触方式监测的信号是松 驰区和应力集中区产生的电磁辐射信号的总体反映。当监测范围内出现高应力集中区时， 接受的信号表现出高应力集中区的特征。因此可以通过监测煤体的电磁辐射信号来预测监 测范围内高应力集中区的范围及大小，从而实现煤体冲击矿压的监测预报。 研究表明，煤岩冲击、变形破坏的变形值 ε（t）、释放的能量 w（t）与电磁辐射的幅值、 脉冲数成正比。冲击矿压发生前的一段时间，电磁辐射值较高，之后有一段时间相对较低， 但这段时间内，其电磁辐射值均达到、接近或超过临界值，之后发生冲击矿压。电磁辐射 的变化反映了煤岩破坏发生、发展的过程。 由于电磁辐射强度和脉冲数两个参数综合反映了煤体应力集中程度，因此监测收集电 磁辐射幅值最大值、幅值平均值、脉冲数三个指标来反映不同应力条件下电磁辐射特征。 电磁辐射监测冲击矿压危险的方法有临界值法、偏差法等。 临界值法是在正常没有冲击矿压危险的情况下，以 n 次监测电磁辐射三个特征参数的 平均值为基础，取其平均值的 k 倍作为临界值。当监测数据大于临界值时，即预报煤体冲击 危险增强。其预测公式为 平均临界 kEE （1） n 与 k 值的确定一般根据煤层条件进行选取。n 一般大于 10，k 值一般为 1.41.5。 偏差法就是通过分析监测数据与正常情况下平均数据的偏差值大小来预测预报工作面 冲击危险的程度。实践表明，冲击矿压发生前，电磁辐射的偏差值均发生明显变化。其预测 公式为 E EE d − （2） 其中，E 为电磁辐射观测值（幅值或脉冲数） ，E为电磁辐射幅值或脉冲数平均值。 3 冲击危险的监测实践冲击危险的监测实践 3.1 试验工作面条件试验工作面条件 电磁辐射监测预报实践是在某矿 3406（1）工作面进行。34061工作面位于-750 水平 三采区第二区段四层煤上分层工作面。四层煤厚 6.5m，具有强烈冲击倾向性，分三层开采， 上分层采高 2.2m， 倾角平均 34 度。 直接顶为厚 2.0m 的粉砂岩， 基本顶为 70 余米厚的砂岩， 粉、中、粗砂岩互层；3406（1）工作面上下顺槽标高为537m、635m，上为 3405 工作 面采空区，西为井田边界，东为 2407 采空区，下为 3407 工作面，工作面走向长 650m。 34061工作面采用走向长壁跨落法开采，单体液压支柱配铰接顶梁支护，放炮落煤， 自溜运输。 3.2 电磁辐射监测方法电磁辐射监测方法 采用 KBD5 型电磁辐射仪进行工作面煤体的电磁辐射监测，监测方式为非接触式定向 测试，为宽频带监测，接收频率上限为 500KHz，有效监测距离为 7-22m，测点间距一般为 10m. 中国科技论文在线_______________________________________________________________________________ 3.3 试验工作面电磁辐射特征试验工作面电磁辐射特征 观测结果表明，正常情况下，工作面及顺槽的电磁辐射的幅值及脉冲数较小，变化不明 显。工作面不同部位电磁辐射值不同。顶板压力大及煤体冲击危险性高的区域，电磁辐射值 高。 在较大的矿震、 冲击矿压发生前， 电磁辐射有明显反映， 其幅值或脉冲数增长幅度较大。 在冲击危险区域，诱发爆破后，电磁辐射的脉冲数变化剧烈，说明，在这期间煤壁内变形破 坏变化强烈，发生冲击矿压危险的可能性较大。 图 2 为 3406（1）工作面中部电磁辐射观测结果。图 3 为电磁辐射三个参数偏差值的变 化规律。从以上图形看出，冲击矿压发生前，电磁辐射的三个特征参数均不同程度地超过了 某一临界值，其偏差值变化较大。因此，采用电磁辐射监测配合其它监测方法可以大大提高 工作面冲击危险的预测预报准确程度。 华丰3406面130棚（0302-0316） 0 100 200 300 400 t/d E/mv 0302 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 冲击矿压1.7 冲击矿压1.7 1.3 1.7 华丰3406面130棚（0302-0316） 0 50 100 150 200 t/d 脉冲数 冲击矿压1.7 冲击矿压1.7 0302 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 1.3 1.7 图 2 冲击矿压前后电磁辐射值的变化规律 Fig 2 The regularity of the EME amplitude and impulse before and after Rock Burst 华丰3406面130棚（0302-0316） -20 0 20 40 60 80 100 t/d 偏差， 幅值最大值幅值平均值 冲击矿压1.7 冲击矿压1.7 1.7 1.3 0302 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 华丰3406面130棚（0302-0316） -100 0 100 200 300 t/d 脉冲偏差, 冲击矿压1.7 冲击矿压1.7 1.71.3 0302 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 图 3 3406（1）工作面 130 棚处电磁辐射偏差变化图 Fig 3 The changes of EME deviation of 130th prop of the working face 3.4 预测效果分析预测效果分析 中国科技论文在线_______________________________________________________________________________ 根据确定的电磁辐射监测预报指标，对 3406（1）工作面各观测点进行冲击矿压危险性 判断。如果将监测到的 C 级（中等）冲击矿压危险作为预测标准，则对 1.0 级以上矿震及冲 击矿压危险预测的准确率为 100， 如果将监测到的 D 级 （强） 冲击矿压危险作为预测标准， 则冲击矿压危险预测的准确率为 73。 4 结论结论 （1） 煤岩体在载荷作用下变形及破裂过程中有电磁辐射信号产生。电磁辐射基本上随着 载荷的增大而增强，随着加载及变形速率的增加而增强。 （2） 根据实验结果，煤试样在发生冲击性破坏以前，电磁辐射强度一般在某个值以下， 而在冲击破坏时，电磁辐射强度突然增加，脉冲数随着载荷的增大及变形破裂过程 的增强而增大。 （3） 现场实践表明，电磁辐射幅值最大值、幅值平均值、脉冲数随着工作面冲击危险性 的增强而变化，找出了工作面不同状态下电磁辐射特征及工作面预测预报指标，通 过应用，预报出多次冲击危险。 （4） 根据确定的电磁辐射监测预报指标，如果将监测到的 C 级（中等）冲击矿压危险作 为预测标准，则对 3406（1）工作面 1.0 级以上矿震及冲击矿压危险预测的准确率为 100，如果将监测到的 D 级（强）冲击矿压危险作为预测标准，则冲击矿压危险预 测的准确率为 73。 （5） 电磁辐射监测冲击矿压灾害危险的方法，可在类似的条件下推广应用。 参考文献参考文献 [1] 窦林名，何学秋. 由煤岩变化破坏引起的电磁辐射[J]. 清华大学学报，2001, 41 12 86-88. 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