电磁辐射法预测煤与瓦斯突出原理

第 !"卷 第 #期 中国矿业大学学报 $%&’!" (%’# !)))年 *月 +%,-./&%0123./4.356-7389%0:3.3.;<=6>2.%&%;9 :/9 ????????????????????????????????????????????????????????????????? !))) 文章编号@A)))BA"CDE!)))F)#B)!!*B)* 电磁辐射法预测煤与瓦斯突出原理 王恩元G何学秋G聂百胜G刘贞堂 E中国矿业大学 采矿系G江苏 徐州 !!A))HF 摘要@研究了瓦斯对电磁辐射EI:IF的影响规律及影响机制G对电磁辐射法预测煤与瓦斯突出 原理进行了探讨’研究结果明@煤体变形破裂时G电磁辐射与煤岩体的载荷及变形破裂过程密 切相关G煤体中的瓦斯能使电磁辐射增强G瓦斯在煤体中的流动及冲击能产生电磁辐射J电磁辐 射强度和脉冲数两项指标综合反映了工作面前方煤体的突出危险程度G用电磁辐射法预测预报 煤与瓦斯突出是可行的G煤岩电磁辐射技术在预测煤与瓦斯突出和冲击地压等方面有着非常广 泛的应用前景’ 关键词@煤岩变形破裂J含瓦斯煤体J电磁辐射J煤与瓦斯突出 中图分类号@=KLA# 文献标识码@M 煤与瓦斯突出等煤岩灾害动力现象的危害是 巨大的G不仅威胁人员安全G还影响正常生产G增加 生产成本G严重影响煤矿的社会效益和经济效益’ 随着采掘深度的加大和采掘速度的不断提高G煤与 瓦斯突出等煤岩灾害动力现象有增加的趋势’突出 预测预报是突出防治的重要环节G突出防治要在保 证安全的情况下G最大限度地提高经济效益’因此G 选择一种准确率高N易操作N对生产影响小N费用低 的预测预报方法是关键’ 含瓦斯煤体的结构及应力分布在空间上是不 均匀的G在钻孔附近取得的预测结果仅仅是局部 的G并不能完全代表整个预测步长范围内煤体的突 出危险性’含瓦斯煤体在生产过程中也是不稳定 的G在预测时刻取得的结果只是静态的G并不能完 全代表煤体稳定前整个时期内的突出危险性G因为 含瓦斯煤体处于动态变化之中G延期突出就是例 证’因此G取样地点N取样时间及其代表性的影响是 很大的’取样过程中也存在动力现象的威胁’非接 触动态连续监测正日益引起人们的重视’ 电磁辐射EI:IF是煤岩体受载变形破裂过程 中向外辐射电磁能量的过程或物理现象G与煤岩体 的受载状况及变形破裂过程密切相关OAPDQ’采用电 磁辐射法预测煤与瓦斯突出等灾害动力现象的优 点是@电磁辐射信息综合反映了煤与瓦斯突出等煤 岩灾害动力现象的主要影响因素J可实现真正的非 接触预测G无需打钻G大大减少了工作量G对生产影 响小J易于实现定向及区域性预测G不受含瓦斯煤 体分布不均匀的影响J可实现动态连续监测及预 报G能够反映含瓦斯煤体的动态变化过程J既能探 测煤壁附近的突出危险性及突出危险带的方位G又 能检验防突的效果’对于井下机电设备等电磁 干扰G则可采取滤波或定向接收技术来排除’ 岩石破裂电磁辐射的观测和研究是从三四十 年代发现震前电磁异常后开始的’前苏联和我国是 在这方面开展研究较早的国家G日本和美国等国 家也开展了这方面的研究工作’L)P")年代G岩 石破裂电磁辐射效应的研究取得了很多有益的成 果O*PLQG但是研究大多是针对大理岩N花岗岩和石 英岩等坚硬岩石G且仅限于定性研究’从 ")年代开 始G何学秋N王恩元等对煤体变形破裂电磁辐射效 应及其规律进行了研究OAP#Q’本文主要研究瓦斯气 体对煤岩体电磁辐射的影响规律及影响机制G研究 电磁辐射法预测煤与瓦斯突出等煤岩灾害动力现 象的原理’这些是将电磁辐射技术应用于预测预报 煤与瓦斯突出的关键所在’ 收稿日期@A""" )C AD 基金项目@国家教委R跨世纪优秀人才培养S基金G国家R九五S科技攻关E"CB!!#B)AB)DB)#FG国家自然科学基金E*"HLD)!HFG国家 杰出青年基金资助项目 作者简介@王恩元EA"CHBFG男G中国矿业大学副教授G工学博士E博士后FG从事矿山含瓦斯煤岩灾害动力过程及其预测研究 T 万方数据 ! 受载煤岩变形破裂电磁辐射规律及产生 机理 实验室及现场测试结果表明"不同类型的煤体 #不同产地的原煤和型煤$变形及破裂过程中都有 电磁辐射信号产生%在煤体受载变形破裂过程中" 电磁辐射基本上随载荷&随加载及变形速率的增大 而增强"电磁辐射的脉冲数随载荷的增大而增 大’()*+% 煤岩变形及破裂过程中产生电磁辐射是非均 匀煤岩体中非均匀分布的应力作用产生的非均匀 变速形变引起的诱导极化及变形破裂过程中形成 的带电粒子变速运动的结果’,"*+"电磁辐射源于煤 岩体的非均质性及煤岩体变形破裂的非匀速过程" 与煤岩体的变形破裂过程密切相关%载荷及加载速 率越大"煤岩体变形及破裂过程越强烈"电磁辐射 信号越强%电磁辐射强度 -与脉冲数并非严格同 步"电磁辐射强度主要反映煤岩体的受载强度及变 形破裂强度"脉冲数则主要反映煤岩体中变形及微 破裂的频次% . 瓦斯对电磁辐射的影响 煤体中或多或少含有瓦斯气体%瓦斯对煤体的 变形破裂过程有很大影响%在煤与瓦斯突出过程 中"瓦斯起了很大的作用%因此"研究瓦斯气体对电 磁辐射的影响规律及影响机制非常重要%煤体中的 瓦斯气体能够使煤体电磁辐射信号增强"且瓦斯压 力 /越大"电磁辐射信号越强#见图 ($%瓦斯气体 对煤岩体电磁辐射的影响机制主要有两点0一方 面"瓦斯气体的存在将降低煤岩体的强度"使煤岩 体的变形破裂过程更加强烈"电磁辐射信号增强% 赋存于煤岩体孔隙裂隙中的瓦斯气体在煤岩体裂 纹尖端形成附加拉应力"同时降低了煤岩体的表面 能"减小了煤岩体表面间的摩擦系数"使煤岩体的 变形破裂过程更加强烈%气体的吸附性越强"气体 压力越大"这种效应越明显’1"2+%因此"瓦斯气体的 存在使煤岩体电磁辐射信号增强"而且气体的吸附 性越强"瓦斯压力越大"电磁辐射信号越强% 图 ( 瓦斯气体#34,$对电磁辐射的影响 567%( 89::;;:<=>;7?@34,>ABCB 另一方面"瓦斯在煤体中流动会产生动电效 应%瓦斯充填&放散及稳压运移过程中电磁辐射的 观测实验研究"在抽真空后的充气过程&变形 破裂完成后的放气过程中"均有电磁辐射#BCB$ 和声发射#DB$信号产生#见图 ,"*EFDB为声发射事 件数$E在稳压流动过程中"当瓦斯压力 /较大时" 既有电磁辐射"也有声发射信号产生#见图 GEFDB为 声发射事件数$E但当瓦斯压力低于 H%GCI?时" 只有电磁辐射信号"而没有声发射信号产生%可见" 煤体中瓦斯气体不稳定流动产生声发射是由于瓦 斯气体对煤体的冲击及微破坏而引起的%煤体中瓦 斯气体流动时产生电磁辐射除与瓦斯气体对煤体 的冲击及微破坏有关外"还与动电效应有关%煤体 吸附瓦斯后"在煤体孔隙裂隙表面形成了偶电层" 煤体中瓦斯气体受压通过微裂隙运动的过程中"磨 擦引起偶电层移动"这种流动电势必然产生电磁辐 射%瓦斯压力越大"煤体的变形破裂过程越强烈"瓦 斯在煤体中的流动速度也越大"因此产生的电磁辐 射也越强%电磁辐射还与瓦斯压力随时间增长梯度 有关JJ瓦斯压力随时间增长梯度越大"电磁辐射 信号越强% #?$ #K$ #<$ 图 , 充气#34,$过程的 DB和 BCB#原煤样$ 567%, DB?ALBCBLMN6A7=9:ON><:@@>;7?@<9?N76A7 P,, 中国矿业大学学报 第 ,2卷 万方数据 !"# !$# !%# 图 & 瓦斯!’()#释放过程的 *+和 +,+!原煤样# -./0& *+"12+,+234.1/567849%7::9;/":47<7":7 !"# !$# !%# 图 = 瓦斯!’()#稳压流动时的 *+和 +,+!原煤样# -./0= *+"12+,+234.1/567849%7::9;.:9$"4.%847::347;<9>.1/ ? 电磁辐射法预测突出原理 煤与瓦斯突出!简称突出#是含瓦斯煤岩体在 地应力!包括构造应力#作用下发生变形破坏的过 程@发生的结果是煤岩体的快速抛出及瓦斯的大量 释放@是煤岩体A瓦斯及地应力共同作用的结果0由 于工作面煤岩体的物理力学特性及边界条件@特别 是地应力处于复杂的动态变化过程@因此工作面含 瓦斯煤岩体的变形破坏呈现流变特征@具有时间效 应BCD0对于采掘工作面煤与瓦斯突出过程@从时间 上可分为准备A发动A发展及结束 =个阶段0预测煤 与瓦斯突出就是要在其准备及发动阶段@根据前兆 信息判断其危险程度0 地层中的含瓦斯煤体未受采掘影响时@基本处 于准平衡状态0掘进或回采空间形成后@工作面煤 体失去应力平衡@处于不稳定状态@煤壁中的煤体 必然要发生变形或破裂@以向新的应力平衡状态过 渡@即发生流变E煤体中的瓦斯也失去动态平衡@在 瓦斯压力梯度的作用下@沿煤体中的裂隙向工作面 空间涌出@这两种过程均会引起电磁辐射0即使当 工作面煤体处于基本稳定状态时@由于煤体仍然承 受着上覆岩层的应力作用@此时工作面煤体处于弱 流变状态@这同样会产生电磁辐射0 在采掘工作面前方@依次存在着 &个区域@即 松驰区!卸压带#A应力集中区和原始应力区!见图 F#0采掘空间形成后@煤体前方的这 &个区域始终 存在@并随着工作面的推进而前移0在松驰区@煤体 已发生屈服@形成了大量裂隙@呈破碎状态@其内部 赋存的瓦斯大部分得到释放@煤体已不能承受太大 的应力作用0因此该区域的应力较低@瓦斯压力也 很低0 由松驰区到应力集中区@应力及瓦斯压力越来 越大@因此在煤体内垂直于煤壁的方向上单位煤体 产生的电磁辐射信号也越来越强0在应力集中区@ 应力和瓦斯压力达最大值@因此煤体的变形破裂过 程也较强烈@该处电磁辐射源产生的电磁辐射信号 最强0越过峰值区后进入原始应力区@不同深度方 向上电磁辐射源产生的电磁辐射的强度将有所下 降0沿着工作面煤体深度方向上不同位置的电磁辐 射源产生的电磁辐射有一个类似于应力曲线型的 理论曲线!见图 F#0采用非接触电磁辐射法测定的 是总体电磁辐射强度和脉冲数@是不同深度煤体的 电磁辐射场在测试地点的叠加场的反映@预测范围 包含了应力松驰区和应力集中区0 图 F 工作面煤体内电磁辐射 G和应力 H分布示意图 -./0F I672.:54.$35.919;+,+G"12 :547::H.1;49159;%9"<;"%7 工作面前方的这 &个区的范围及距工作面煤 壁的距离随周期性掘进或回采工作的进行而发生 J))第 &期 王恩元等K电磁辐射法预测煤与瓦斯突出原理 万方数据 变化!在新的采掘空间形成的瞬时"工作面煤体卸 压带很小"应力集中区的应力集中程度较高"而后 向内部逐渐转移"卸压带成为突出的屏障! 突出有两类#一类是瞬时突出"在新的掘进或 回采空间形成的瞬时"煤体内地应力和瓦斯压力重 新分布"煤壁附近的应力集中程度较高"当煤体承 受不了地应力和瓦斯压力的共同作用时"工作面煤 体向采掘空间突出 $另一类是延期突出"新的采掘 空间形成后"工作面煤体处于流变状态"应力集中 区和高瓦斯压力带向煤体深处转移"或逐渐形成并 向煤体深处转移 $在此过程中"当煤体承受不了地 应力和瓦斯压力的作用"且卸压带的煤体不足以抵 抗突出时"突出就会发生!但是"煤与瓦斯突出是地 应力%包括顶底板作用力和侧向应力&’瓦斯压力和 煤体共同作用的结果"是经过一个发展过程后产生 的突变行为"肯定有一个明显的前兆#工作面前方 煤体处于高应力状态"煤体电磁辐射信号较强"或 处于逐渐增强的变形破裂过程中"煤体电磁辐射信 号逐渐增强! 电磁辐射和煤的应力状态及瓦斯状态有关"应 力’瓦斯压力越大时电磁辐射信号就越强"电磁辐 射脉冲数就越大!应力和瓦斯压力越大"突出危险 越大!电磁辐射强度和脉冲数两个参数综合反映了 煤体前方应力的集中程度’瓦斯压力的大小和含瓦 斯煤体突出的危险程度"因此可用电磁辐射法进行 突出预测! ( 现场测试结果)*+ 试验在平顶山煤业%集团&有限公司八矿进行" 选择了有突出危险的戊二皮带下山和 ,-,./机巷 及没有突出危险的丁一采区为试验地点! 试验结果表明"有突出危险时"工作面煤体 电磁辐射信号较强%图 01&"脉冲数 2较高"且电 磁辐射脉冲数随时间呈增强趋势%图 03&4没有突 出危险时"工作面煤体电磁辐射信号较弱%图 51&" 脉冲数较低%图 53&!对于没有突出危险的煤层" 工作面煤体的电磁辐射信号非常弱"脉冲数几乎 为零%图 6&! %1& %3& 图 0 ,-,./机巷有突出危险时的测试结果 789!0 :;1<=>;?>;<=@AEFE=A3=>E1?B1G %1& %3& 图 5 ,-,./机巷没有突出危险时测定结果 789!5 :;1<=>;?>;<=@AEFE=A3=>E1?B1G %1& %3& 图 6 没有突出危险煤层测试结果 789!6 :;1<=>;?>;<=@A<8D1HE1@<;1IB8ACE=AAC;?1D9;>EFHE1@1D?91?"@;ABC@D"EFGI#JFK;L<=FMI#WAUF;ANF;CRQX<=NRPANRFQFM NV<A=?KNUK;=N [=RQP\H\Q.CKAQ" \^_K<.‘RK"Ya\@AR.=V