安順煤礦煤巖電磁輻射測試技術研究

何志龍 孫 謙 宋大釗

（1.貴州豫能投資有限公司，貴州 貴陽 550000；2.貴州興安煤業(yè)有限公司，貴州 興義 561504；3.北京科技大學，北京 100083）

煤炭的生產過程中伴隨著煤與瓦斯突出、沖擊地壓、突水等動力災害現(xiàn)象[1-2]。為應對煤巖體應力過高而引起的動力災害，需要對煤巖損傷破壞狀態(tài)進行監(jiān)測。電磁輻射技術在煤礦災害預測方面的研究已經取得了一些成果，例如提出了一系列電磁方法和技術，如電磁波傳播模型、電磁監(jiān)測儀器和數(shù)據分析方法等，用于探測和識別煤礦動力災害風險。許多國內外的研究成果均表明，電磁輻射技術是一種有效的災害監(jiān)測技術[3-6]，煤巖體前方應力變化曲線和電磁輻射信號變化曲線具有一定的相關性[7]，電磁輻射技術在識別和預測煤礦動力災害方面具有一定的潛力。通過監(jiān)測和分析煤巖體的電磁輻射信號，可以提高預警和預測煤礦動力災害的能力，為煤礦動力災害的監(jiān)測和預測提供一種有效的方法。

電磁輻射技術具有非接觸式監(jiān)測、實時監(jiān)測、非破壞性監(jiān)測、綜合多參數(shù)監(jiān)測以及高效性和智能化等優(yōu)勢，克服了傳統(tǒng)方法需要人工定期巡查或安裝離散的傳感器、監(jiān)測頻率有限、無法實現(xiàn)實時性和連續(xù)性等不足，提高了監(jiān)測的安全性，對于煤礦災害的預測和防范具有重要意義。煤礦環(huán)境的復雜性和地質條件的異質性給電磁理論的應用帶來了挑戰(zhàn)和局限。電磁輻射信號受到各種噪聲和干擾的影響，如電力設備、巖石中的金屬含量和地質構造等。因此，煤礦電磁理論的應用需要綜合考慮地質條件、實際煤礦環(huán)境和其他監(jiān)測手段的綜合運用。

安順煤礦為典型的喀斯特地形，地表山體多且不連續(xù)，地層中形成了較多的局部高應力區(qū)域，對工作面的安全回采影響較大。煤礦為井田構造，是大威嶺背斜復雜斷塊帶中的一個斷塊，四周被四條主要斷層圍限，煤田邊界大斷裂發(fā)育，中小型斷層沿邊界區(qū)域性大斷層附近發(fā)育，嚴重影響煤層的連續(xù)性，破壞地層及其他地質構造的完整性。煤層的瓦斯突出危險性較大。結合目前的四采區(qū)開拓和準備巷道的設計，在大巷延伸以及掘進平巷時，具有較高的揭露斷層可能性，對地層應力、瓦斯分布的影響較大，使地層應力分布變得更為復雜，出現(xiàn)高應力、低透氣的區(qū)域，增加了煤礦掘進過程發(fā)生瓦斯動力災害的危險性。

隨著安順煤礦開采深度的加深，地應力逐步增大，安順煤礦四采區(qū)平均埋深比三采區(qū)深100 m，原始地應力增大2～3 MPa，瓦斯含量增加2 m3/t左右，導致工作面回采時異常動力現(xiàn)象發(fā)生的危險性顯著提高。通過電磁輻射信號，對煤巖體應力狀態(tài)進行分析，實現(xiàn)對異常動力災害的預測，具體表現(xiàn)為煤巖體應力越大，電磁輻射信號強度就越大，發(fā)生異常動力災害的危險性就越大?；诿簬r體應力與電磁輻射信號強度的正相關關系，可以利用電磁輻射測試儀器對四采區(qū)部分關鍵巷道進行測試，分析測得的電磁輻射信號數(shù)據規(guī)律，為災害的防治提供基礎依據，降低災害發(fā)生所造成的損失與傷亡。

1 電磁輻射測試原理與設備簡介

煤巖破壞電磁輻射是煤巖體受載變形破裂過程中向外輻射電磁能量的過程或物理現(xiàn)象。其產生原理如圖1 所示[8]。煤巖體及其他一些固體中都存在束縛狀態(tài)和自由態(tài)的電荷，當煤巖體受到不均勻的載荷作用時，發(fā)生不規(guī)則的變形及破裂時，導致其內部的電荷發(fā)生遷移，裂縫的發(fā)展也會帶動帶電粒子的變速運動，電荷的電場在運動中產生磁場進而產生電磁輻射現(xiàn)象，電磁輻射的產生與煤巖體的應力狀態(tài)密切相關，應力越高，電磁輻射信號就越強。受載煤巖體中發(fā)生以下電荷運動過程：

圖1 煤巖破壞電磁輻射產生原理

1）煤巖材料變形及破裂時能夠產生電磁場，有兩種形式：一種是由電荷，特別是試樣表面積累電荷引起的庫侖場（或準靜電場）；另一種是由帶電粒子作變速運動產生的電磁輻射，是一種脈沖波。

2）在非均勻應力作用下非均質煤巖體各部分產生非均勻形變，由此引起電荷遷移，使原來自由的和逃逸出來的電子由高應力區(qū)向低應力區(qū)或拉應力區(qū)遷移，同時在試樣表面也積累了大量的電荷，由此形成了庫侖場或低頻電磁輻射。

3）裂紋形成及擴展前，裂紋尖端積累了大量的自由電荷。裂紋擴展時，發(fā)射電子，由于裂紋不是均勻擴展，這必然向外輻射電磁波，這種電磁輻射與聲發(fā)射是同步的。

4）裂紋擴展后，裂紋局部煤體卸載收縮，在卸載的瞬時，裂紋尖端兩側附近區(qū)域煤體中電子濃度較高，形成了庫侖場。在該電場的作用下，發(fā)射出的電子產生加速運動，向外輻射電磁波。

5）出于摩擦等原因產生電磁輻射，也可能產生帶正負電粒子，此時裂紋表面電荷也會發(fā)生張弛。

6）運動的電荷碰撞周圍介質分子或原子，使運動電荷減速，同時能使介質或原子發(fā)生電離，發(fā)射電磁波。

電磁輻射和煤巖體的應力狀態(tài)有關，應力越高電磁輻射信號就越強、煤巖體動力災害事故危險性也就越大。即電磁輻射信號能夠反映煤巖體的應力及損傷狀態(tài)。因此，可以利用電磁輻射方法對煤巖體動力災害事故危險性進行預測。

安順煤礦電磁輻射測試儀器包括接收天線、信號采集板和平板電腦數(shù)據處理單元。其工作原理：利用天線接收周圍煤巖體受載，應力條件發(fā)生變化時產生電磁輻射信號；再將接收的信號經過隔離、放大、抗混、濾波、降噪處理；由采集板A/D 轉換成數(shù)據信號，以便于后續(xù)的數(shù)據處理和分析；最后通過接口傳入電腦，由數(shù)據處理單元對信號數(shù)據進行處理和分析。這些數(shù)據可以用于評估煤巖體的應力狀態(tài)和損傷程度，為災害事故的風險預測提供參考。

2 電磁輻射測試方案

安順煤礦四采區(qū)煤層平均埋深、原始地應力及瓦斯含量相比于三采區(qū)均有增加，高應力、高瓦斯含量等因素的局部疊加，使四采區(qū)工作面回采發(fā)生異常動力災害現(xiàn)象的危險性顯著提高。因此，必須對其應力分布特征進行探測?；诿簬r體發(fā)生破壞時產生的電磁輻射信號的強度與煤巖體所受應力具有正相關關系，可以利用電磁輻射儀對煤巖體的應力狀態(tài)進行測試。

本次主要測試的為四采區(qū)三條下山軌道，選取已經穩(wěn)定的三采區(qū)軌道下山巷道測試電磁輻射信號，作為對比數(shù)據進行分析。具體測試方案如下：

測試選取5 個區(qū)域，分別是：1）四采區(qū)軌道下山巷道距掘進點0～300 m，測距為6 m，每個測點測試30 s（掘進中）；2）四采區(qū)回風下山巷道距掘進點0～120 m，測距為6 m，每個測點測試30 s（掘進中）；3）四采區(qū)膠帶下山巷道距掘進點0～240 m，測距為6 m，每個測點測試30 s（掘進中）；4）9307 進風巷道距掘進點0～60 m，測距分別為6 m和3 m，每個測點測試30 s（存在煤層斷層）；5）三采區(qū)軌道下山巷道，距四采區(qū)軌道風門0～300 m，測距為6 m，每個測點測試30 s（作為對照組）。測試地點及布點方案如圖2。

3 電磁輻射監(jiān)測數(shù)據規(guī)律分析

對 各 巷 道2022 年7 月7 日 至2022 年7 月15日期間電磁輻射儀測得的數(shù)據進行分析。電磁輻射信號的分析可以提供對不同巷道應力情況的理解和比較，以及對掘進作業(yè)、危險區(qū)和斷層等因素對應力分布的影響有所認識，為煤礦動力災害的預測和采取安全措施提供參考。為更好地比較各巷道的應力情況，三、四采區(qū)巷道所測數(shù)據均采取同一坐標軸進行分析。

1）采區(qū)掘進作業(yè)對煤巖電磁輻射影響規(guī)律

對四采區(qū)軌道下山巷道進行連續(xù)測試，其中7月9 日進行采區(qū)作業(yè)，7 月11 日測試時巷道內未進行作業(yè)。測試結果如圖3。

圖3 采區(qū)作業(yè)與否時電磁輻射測試

由圖3 中的各時段電磁輻射測試情況可以看出，巷道進行掘進作業(yè)時，所測巷道內的應力會受到一定擾動，且靠近掘進點部位的巷道應力擾動明顯，數(shù)據存在較為明顯的波動，距離掘進點較遠的位置煤巖體較為穩(wěn)定，電磁輻射信號數(shù)據波動較小。巷道未作業(yè)時，所測電磁輻射信號強度峰值明顯降低，同時由于四采區(qū)軌道下山已經掘進較深，支護較為穩(wěn)定，且存在干擾因素較少，縱然作業(yè)干擾，電磁信號強度波動也不大。相比于掘進較短且支護較新的回風以及膠帶下山巷道來說（圖4、圖5），整個四采區(qū)軌道下山巷道的損傷破壞程度較低、應力波動較小。

圖4 巷道危險區(qū)周圍電磁輻射測試

圖5 安順煤礦電磁輻射監(jiān)測數(shù)據

2）巷道危險區(qū)電磁輻射測試

對四采區(qū)回風下山巷道進行連續(xù)測試，其中7月11 日測試時巷道內未進行作業(yè)，測試結果如圖4。

由圖4 可以看出，未作業(yè)時的電磁輻射信號強度較為穩(wěn)定。巷道進行作業(yè)時，其信號規(guī)律較為明顯，靠近掘進面20 m 以及掘進點后方100 m 附近的電磁輻射信號強度較其他位置的電磁輻射信號出現(xiàn)了異常的高值點，其余區(qū)域的信號情況與未作業(yè)時測得的數(shù)據基本相同。因此可以判斷高值點是由于掘進作業(yè)以及電子設備運行時造成的干擾，同時靠近掘進點處的電磁信號強度高值點也可看作是掘進時的應力擾動。當巷道內停止掘進作業(yè)時，掘進處無機器運轉，掘進點應力擾動趨于穩(wěn)定，電磁信號強度減小，測點末尾處各電子設備未集體運行，電磁信號干擾較小，該位置電磁信號強度同樣減小。其他區(qū)域受掘進作業(yè)以及電子設備運行干擾較小，電磁輻射信號分布均勻，強度也比較低。

3）不同區(qū)域煤巖電磁輻射強度對比

為優(yōu)化各巷道信號測試情況，將強度超過3000 mV 的電磁輻射信號強度異常高值點過濾，將四采區(qū)各巷道同期的測試數(shù)據與穩(wěn)定的三采區(qū)巷道在相同坐標軸中進行對比。結果如圖5。

由圖5（a）可知，三采區(qū)巷道開拓較早且當前作為運輸巷道擾動較小，整段三采區(qū)軌道下山巷道電磁輻射數(shù)據變化幅度不大，測試前后無明顯應力變化，整體應力分布較為均勻，可以作為判斷四采區(qū)各巷道應力情況的對比依據。

對比圖5（a）、（b）可知，掘進中的四采區(qū)軌道下山巷道電磁輻射信號強度整體增強，應力擾動情況也更加明顯，信號波動幅度整體超過三采區(qū)軌道下山巷道的信號波動。由圖5（c）、（d）可知，四采區(qū)回風下山、膠帶下山電磁輻射強度值波動幅度較大，膠帶下山巷道的電磁輻射信號波動較回風下山巷道信號波動更為劇烈。在兩條巷道都存在很多相對軌道下山巷道電磁輻射強度更高的點，判斷應是巷道掘進較短，所測信號受到掘進作業(yè)擾動、電子設備工作輻射、巷道支護情況等干擾較多。排除干擾后，各巷道在未作業(yè)時應力分布情況大體一致。即電子設備的運行、復雜管線產生的電磁信號以及掘進工作設備的運行都會對巷道中應力的電磁信號產生干擾。在對煤礦動力災害進行預測時，需要排除電子設備的干擾。

4）斷層對巷道電磁輻射強度的影響

9307 進風巷道存在較大落差的煤層斷層，為得出該斷層對巷道應力分布的影響情況，此次分別采用6 m 和3 m 的測距對該巷道進行電磁輻射信號測試，兩次測試長度仍為60 m，測點測試時長30 s。測試結果如圖6。由于巷道中煤層斷層的存在，導致掘進速度較慢，掘進深度較淺。第一次采用6 m測距測試時，不存在作業(yè)產生的干擾，得到的電磁輻射信號分布較為均勻；第二次采用3 m 測距時，產生了作業(yè)干擾，使電磁輻射信號分布產生了較大波動。綜合分析兩次的測試結果，可以明顯看出在斷層的位置煤壁的電磁信號強度相對測試兩端的信號強度較高，說明排除作業(yè)干擾外，巷道中煤層斷層的位置會出現(xiàn)應力集中。即使在斷層存在的情況下，相比于四采區(qū)其他掘進巖巷，9307 進風巷與掘進煤巷的信號也更加穩(wěn)定，說明掘進煤巷的應力受擾動情況比掘進巖巷更加穩(wěn)定，所受應力普遍較小。

圖6 斷層周圍電磁輻射監(jiān)測數(shù)據

通過電磁輻射信號的測試和分析，可以了解到采區(qū)掘進作業(yè)對煤巖應力的影響規(guī)律以及巷道不同區(qū)域的電磁輻射強度分布情況。這些結果對煤礦安全評估和動力災害的預測具有重要意義。

4 結論

該文在闡述煤巖電磁輻射產生機制的基礎上，對安順煤礦巷道電磁輻射進行了系統(tǒng)的測試，并對測得數(shù)據進行了分析。主要研究結論如下：

1）巷道掘進作業(yè)時所受到的應力擾動影響相比于未進行作業(yè)及完工的巷道所受應力擾動影響更大，激發(fā)的電磁輻射信號強度更大，靠近掘進點的部位產生的應力擾動更大；掘進較短的巷道所受干擾更甚，而掘進較深的巷道支護較為穩(wěn)定、存在的干擾因素較少，其應力分布也更加均勻、穩(wěn)定。

2）在煤礦井下巷道中，煤巖電磁輻射信號較強的位置與局部應力集中區(qū)的位置是一致的，利用電磁輻射監(jiān)測技術可以對巷道局部應力集中的危險區(qū)域進行識別。

3）電子設備的運行、復雜管線產生的電磁信號以及掘進工作設備的運行都會對巷道中應力的電磁信號產生干擾，在對煤礦動力災害進行預測時，需要排除電子設備的干擾。

4）在斷層位置煤壁周圍的電磁信號強度相對較高，說明斷層會導致應力集中。

5）盡管在斷層存在的情況下，與其他掘進巖巷相比，煤巷的電磁輻射信號更加穩(wěn)定，說明掘進煤巷的應力受擾動情況相對較小。