基于電磁輻射監(jiān)測(cè)特厚煤層綜放開(kāi)采過(guò)程中煤巖動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)

成云海，張 東，李 琳，張 明

(1.安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開(kāi)采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽淮南 232001;2.新汶礦業(yè)集團(tuán)水簾洞煤礦，陜西咸陽(yáng) 712000;3.新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東泰安 271200)

0 引言

大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，煤巖體受到應(yīng)力的作用產(chǎn)生變形破裂時(shí)，伴隨有電磁輻射的產(chǎn)生［1-5］，應(yīng)力場(chǎng)的分布及變化對(duì)電磁輻射測(cè)試值有明顯的影響［6-8］，應(yīng)力大或應(yīng)力集中的區(qū)域，電磁輻射較強(qiáng)，目前國(guó)內(nèi)許多礦井已采用電磁輻射方法來(lái)反映工作面應(yīng)力變化、預(yù)測(cè)沖擊地壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害［9-14］，但國(guó)內(nèi)外尚未有針對(duì)特厚煤層工作面開(kāi)采的電磁輻射研究。

水簾洞煤礦3807切眼施工至16m時(shí)，迎頭遇“劈裂”地質(zhì)構(gòu)造，造成大量煤被推出，綜掘機(jī)被埋。幾天后，迎頭用綜掘機(jī)清理浮煤過(guò)程中，又發(fā)生了煤矸涌出，將綜掘機(jī)后推了8m，將架設(shè)的U型鋼棚全部推倒。針對(duì)上述動(dòng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象，對(duì)水簾洞煤礦特厚煤層綜放面進(jìn)行電磁輻射監(jiān)測(cè)，分析其電磁輻射強(qiáng)度及脈沖數(shù)特征，預(yù)測(cè)動(dòng)力顯現(xiàn)的可能性和危險(xiǎn)性，對(duì)確保安全生產(chǎn)意義重大。

1 工作面基本情況及監(jiān)測(cè)方案

1.1 工作面基本情況

水簾洞煤礦三采區(qū)埋深370m，監(jiān)測(cè)地點(diǎn)是3802運(yùn)輸巷和3807綜放面。

3802運(yùn)輸巷北鄰已回采結(jié)束的3801工作面，距離3801工作面采空區(qū)留有8m窄煤柱。斷面為矩形斷面，掘進(jìn)斷面14.08m2，采用“錨網(wǎng)帶”聯(lián)合支護(hù)，錨索補(bǔ)強(qiáng)。煤層傾角5°，普氏系數(shù)f=3.5。直接頂為中、細(xì)砂巖，厚度3m。底板為泥巖，厚度5.9m。掘進(jìn)至800m處時(shí)將遇背斜地質(zhì)構(gòu)造。

3807綜放面面長(zhǎng)124m，四周為實(shí)煤區(qū)，煤層均厚14.5m。采用綜放一次采全高，采高3.0m，放煤高度9m，采放比為1∶3。頂板砂質(zhì)泥巖、老頂為中細(xì)砂巖。底板為泥巖。

1.2 工作面監(jiān)測(cè)方案

采用KBD5型礦用本安型電磁輻射儀［12］，非接觸式定向測(cè)試，寬頻帶監(jiān)測(cè)，接收頻率為1～500 kHz，有效監(jiān)測(cè)距離為7～22m，監(jiān)測(cè)指標(biāo)為電磁輻射強(qiáng)度和脈沖數(shù)。

1.2.1 掘進(jìn)工作面電磁輻射監(jiān)測(cè)方案

距3802運(yùn)輸巷迎頭1～2m設(shè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)，每天早班掘進(jìn)前后分別進(jìn)行監(jiān)測(cè)。第一個(gè)測(cè)點(diǎn)在巷道左側(cè)，距幫0.7～1.2m，靠近未開(kāi)采的ZF3802工作面，天線方向是正前方偏左10°;第二個(gè)測(cè)點(diǎn)正對(duì)掘進(jìn)方向;第三個(gè)測(cè)點(diǎn)在巷道右側(cè)，距幫0.7～1.2m，靠近已采的3801采空區(qū)，天線方向是正前方偏右10°。掘進(jìn)期間，電磁輻射監(jiān)測(cè)作為主要監(jiān)測(cè)手段。

1.2.2 綜放面電磁輻射監(jiān)測(cè)方案

綜放面共84架液壓支架，分別在第4、14、36、50、70、80支架下各布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，每天中班割煤前后進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 綜掘面電磁輻射特征

2.1 正常掘進(jìn)時(shí)電磁輻射特征

圖1為2011年10月綜掘面正前方電磁輻射強(qiáng)度，圖2為掘進(jìn)割煤前、割煤后數(shù)據(jù)平均值變化曲線，25日、26日和28日是正常掘進(jìn)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。26日當(dāng)天掘進(jìn)割煤后監(jiān)測(cè)過(guò)程中受迎頭機(jī)械設(shè)備的影響，造成了脈沖數(shù)的失真，所以此次監(jiān)測(cè)的脈沖數(shù)可作為無(wú)效數(shù)據(jù)，不予參考。其余監(jiān)測(cè)時(shí)間的電磁輻射強(qiáng)度，掘進(jìn)割煤后都有不同程度的降低。

特征為:正常掘進(jìn)過(guò)程中強(qiáng)度的平均值，割煤前為11.12mv，割煤后為10.97mv，變化很小，說(shuō)明正常掘進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)割煤對(duì)迎頭前方電磁輻射強(qiáng)度影響很小。

2.2 掘進(jìn)至背斜軸部時(shí)電磁輻射特征

圖1中27日夜班過(guò)背斜軸部，此時(shí)背斜由上坡變?yōu)橄缕隆?/p>

特征為:電磁輻射信號(hào)強(qiáng)度較弱，波動(dòng)也小。27日夜間掘進(jìn)工作面過(guò)背斜軸部期間，從圖中可以看出，電磁輻射強(qiáng)度波動(dòng)性較大，但強(qiáng)度值不大。割煤后，電磁輻射強(qiáng)度降低到正常掘進(jìn)時(shí)的水平。

圖1 2011年10月綜掘面正前方電磁輻射強(qiáng)度Fig.1 Radiation intensity in front of the Fully Mechanized Workface，Oct.2011

27日過(guò)背斜軸部時(shí)，與正常掘進(jìn)時(shí)相比，迎頭正前方電磁輻射強(qiáng)度割煤前后都偏大，但其強(qiáng)度仍然較小。掘進(jìn)割煤后，強(qiáng)度降低了4.81mv，說(shuō)明掘進(jìn)割煤使工作面前方的構(gòu)造應(yīng)力得到釋放，降低了誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害的可能性。

圖2 綜掘面電磁輻射強(qiáng)度平均值Fig.2 Average of Electromagnetic Radiation intensity in Fully Mechanized Workface

2.3 煤巖動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)分析

掘進(jìn)過(guò)背斜軸部與無(wú)構(gòu)造時(shí)的電磁輻射強(qiáng)度相比，掘進(jìn)割煤前有10mv左右的增大，割煤后相對(duì)小一些，僅有5mv的增大。在數(shù)值上，增大程度較小，但相對(duì)而言，過(guò)背斜構(gòu)造時(shí)的強(qiáng)度割煤前有90%的增大，割煤后有45%的增大。

根據(jù)文獻(xiàn)［12］研究結(jié)果，從煤的變形破壞試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，煤試樣在發(fā)生沖擊性破壞以前，電磁輻射強(qiáng)度一般在某個(gè)值以下，而在沖擊破壞時(shí)，電磁輻射強(qiáng)度突然增加。煤巖體電磁輻射的脈沖數(shù)隨著載荷的增大及變形破裂過(guò)程的增強(qiáng)而增大。預(yù)測(cè)該巷道正常掘進(jìn)時(shí)不會(huì)發(fā)生動(dòng)力危險(xiǎn)，但在有構(gòu)造的情況下，有弱動(dòng)力傾向。

3 綜放面電磁輻射特征

3807綜放面早班設(shè)備檢修，中班和夜班生產(chǎn)。根據(jù)礦上現(xiàn)場(chǎng)情況，2011年11月3日至17日每天中班在綜放隊(duì)割煤前，先進(jìn)行一次電磁輻射監(jiān)測(cè)，待割煤一刀后，進(jìn)行第二次監(jiān)測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)受到工作面機(jī)械設(shè)備的影響，尤其刮板輸送機(jī)開(kāi)啟和停止的瞬間都會(huì)引起電磁輻射強(qiáng)度突然出現(xiàn)一個(gè)或一組尖脈沖，此時(shí)可視為無(wú)效數(shù)據(jù)。生產(chǎn)期間電磁輻射強(qiáng)度和脈沖數(shù)的變化情況如圖3—圖6所示，其中8日為周期來(lái)壓時(shí)的數(shù)據(jù)，除6日、13日、14日因礦上安全檢查未進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，其余時(shí)間為正?；夭蓵r(shí)的數(shù)據(jù)。

3.1 3807綜放面正?；夭蓵r(shí)電磁輻射特征

3.1.1 強(qiáng)度特征

圖3為綜放面割煤前電磁輻射強(qiáng)度平均值的變化情況，圖4為割煤后強(qiáng)度平均值的變化情況。

特征為:割煤前5日到7日電磁輻射強(qiáng)度平均值偏大，達(dá)到70～120mv，是來(lái)壓前的壓力顯現(xiàn)，但其強(qiáng)度較來(lái)壓時(shí)偏小，其余時(shí)間內(nèi)維持在10～50mv。來(lái)壓后，電磁輻射強(qiáng)度恢復(fù)到較低值，并保持穩(wěn)定。

圖3 2011年11月綜放面割煤前電磁輻射強(qiáng)度Fig.3 Radiation intensity before coal cutting of the Fully Mechanized Caving Face，Nov.2011

圖4 綜放面割煤后電磁輻射強(qiáng)度Fig.4 Radiation intensity after coal cutting of the Fully Mechanized Caving Face

與割煤前相比，割煤后電磁輻射強(qiáng)度總體變化趨勢(shì)與割煤前相同，但表現(xiàn)出不穩(wěn)定性。受割煤影響，工作面前方煤體內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，打破割煤前的準(zhǔn)應(yīng)力平衡狀態(tài)，在數(shù)據(jù)上表現(xiàn)為部分?jǐn)?shù)據(jù)高于割煤前，但同時(shí)也有部分?jǐn)?shù)據(jù)比割煤前要低，短時(shí)間內(nèi)處于應(yīng)力集中狀態(tài)，煤巖的流變破壞較劇烈，釋放出大量的電磁波，這種現(xiàn)象隨時(shí)間的推移會(huì)逐漸降低，并逐漸恢復(fù)到割煤前的水平。

3.1.2 脈沖數(shù)特征

圖5為綜放面割煤前電磁輻射脈沖數(shù)的變化情況，圖6為割煤后脈沖數(shù)的變化情況。

特征為:根據(jù)協(xié)莊煤礦《沖擊地壓工作面預(yù)測(cè)與防治技術(shù)》項(xiàng)目研究報(bào)告，脈沖數(shù)較大時(shí)為35000次左右，強(qiáng)度較大時(shí)為300mv左右。特厚煤層綜放面的電磁輻射脈沖數(shù)明顯偏大，5日到7日脈沖數(shù)最大，高于105，其余時(shí)間在(8～10)×104范圍內(nèi)波動(dòng)。割煤后，變化趨勢(shì)大致與割煤前相同。但在割煤后，工作面前方煤體上的壓力得到一定程度的釋放，脈沖數(shù)集中在一個(gè)更小的范圍內(nèi)波動(dòng)，并基本穩(wěn)定。

圖5 綜放面割煤前電磁輻射脈沖數(shù)Fig.5 Pulse number of Electromagnetic Radiation before coal cutting of the Fully Mechanized Caving Face

圖6 綜放面割煤后電磁輻射脈沖數(shù)Fig.6 Pulse number of Electromagnetic Radiation after coal cutting of the Fully Mechanized Caving Face

3.1.3 煤巖動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)分析

根據(jù)文獻(xiàn)［12］研究結(jié)果，3807綜放面沒(méi)有來(lái)壓期間，預(yù)測(cè)沒(méi)有動(dòng)力危險(xiǎn)，可按作業(yè)規(guī)程正?；夭?。

3.2 3807綜放面周期來(lái)壓時(shí)電磁輻射特征

3.2.1 強(qiáng)度特征

圖3、圖4中，8日為周期來(lái)壓時(shí)電磁輻射強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。特征為:

(1)周期來(lái)壓前，強(qiáng)度又一個(gè)征兆性的增大，但相比來(lái)壓時(shí)的強(qiáng)度略低，如5日的數(shù)據(jù);

(2)來(lái)壓時(shí)，除80支架下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)外，其余測(cè)點(diǎn)強(qiáng)度出現(xiàn)最大值，割煤前達(dá)到150～185mv。割煤后強(qiáng)度略有減小，但仍維持在一個(gè)較高的幅值，在130～150mv。80支架前方電磁輻射強(qiáng)度沒(méi)有大的變化，預(yù)測(cè)80支架下沒(méi)有周期來(lái)壓，81～84支架下也沒(méi)有來(lái)壓。

3.2.2 脈沖數(shù)特征

圖5、圖6中，8日為周期來(lái)壓時(shí)電磁輻射脈沖數(shù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。特征為:

(1)周期來(lái)壓前，脈沖數(shù)增大，出現(xiàn)一個(gè)較大值，如5日數(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)接近1.2×105;

(2)來(lái)壓時(shí)，割煤前后脈沖數(shù)都降低到一個(gè)極小值，不到104，此時(shí)頂板失穩(wěn)，位于采空區(qū)上部已經(jīng)失穩(wěn)的頂板與煤體上部的頂板形成平衡結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的保護(hù)作用，使工作面前方煤體上方壓力減小。

3.2.3 煤巖動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)分析

根據(jù)文獻(xiàn)［12］研究結(jié)果，3807綜放面周期來(lái)壓時(shí)，電磁輻射強(qiáng)度較正常回采時(shí)有大幅度增大，脈沖數(shù)有大幅度的減小，預(yù)測(cè)有弱動(dòng)力發(fā)生可能性?，F(xiàn)場(chǎng)采取的頂煤預(yù)裂，有助于消除動(dòng)力傾向。

4 結(jié)論

研究得到了特厚煤層掘進(jìn)和開(kāi)采導(dǎo)致的電磁輻射脈沖數(shù)和強(qiáng)度特征，與薄煤層相比，特厚煤層綜放面脈沖數(shù)非常大，是薄煤層脈沖數(shù)的10～20倍，強(qiáng)度也略高。另外，來(lái)壓時(shí)強(qiáng)度變化趨勢(shì)與薄煤層相同，都是來(lái)壓時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大值，但特厚煤層在來(lái)壓時(shí)，脈沖數(shù)降低到一個(gè)極小的值。

應(yīng)用電磁輻射技術(shù)可以對(duì)特厚煤層開(kāi)采進(jìn)行動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用應(yīng)采用多參數(shù)分析提高預(yù)測(cè)精度。

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