煤巷掘進(jìn)過(guò)斷層電磁輻射變化規(guī)律

介亞文 郝延坤 馬艷軍 王召陽(yáng) 趙 菲

（河南平寶煤業(yè)有限公司，河南 許昌 461714）

煤巷掘進(jìn)施工時(shí)，經(jīng)常遇到落差較大的斷層構(gòu)造，斷層的存在會(huì)對(duì)附近區(qū)域地應(yīng)力分布、瓦斯賦存和煤的物理性質(zhì)產(chǎn)生重要影響[1-4]。在各種斷層中，逆斷層為壓扭性斷層，封閉構(gòu)造，瓦斯含量較高，瓦斯壓力大，突出危險(xiǎn)性較大，因此在突出煤層中掘進(jìn)煤巷過(guò)逆斷層時(shí)，要加強(qiáng)突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)和防治工作。電磁輻射(EMR)法預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出是由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)王恩元教授等人在多年深入研究后提出的新方法，已在全國(guó)多個(gè)礦區(qū)應(yīng)用，這種方法實(shí)現(xiàn)了非接觸預(yù)測(cè)，無(wú)需打鉆，大大減少了工作量，對(duì)生產(chǎn)影響?。灰子趯?shí)現(xiàn)定向及區(qū)域性預(yù)測(cè)，不受含瓦斯煤體分布不均勻的影響；可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)，能夠反映含瓦斯煤體的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程；既能探測(cè)煤壁附近的突出危險(xiǎn)性及突出危險(xiǎn)帶的方位，又能檢驗(yàn)防突措施的效果[5]。電磁輻射與煤巖體的載荷及變形破裂密切相關(guān)，基本上隨著載荷及變形破裂的增大而增強(qiáng)，電磁輻射指標(biāo)綜合反映了煤與瓦斯突出的主要影響因素，用電磁輻射法預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出是可行的[6]。在平煤集團(tuán)某礦掘金煤巷過(guò)逆斷層期間，用電磁輻射監(jiān)測(cè)儀跟蹤監(jiān)測(cè)了電磁輻射的變化情況，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，得到了在此期間電磁輻射變化的初步規(guī)律，用于指導(dǎo)防治煤與瓦斯突出工作。

1 工作面概況

所選實(shí)驗(yàn)礦井為突出礦井，所選掘進(jìn)巷道為一采面回風(fēng)巷道，設(shè)計(jì)長(zhǎng)960m，地面標(biāo)高為556～675m，工作面標(biāo)高約300m。巷道處于己組煤層內(nèi)，為穩(wěn)定可采煤層，煤層平均厚度約6.2m，煤層傾角2～6°，煤層以黑色亮煤為主，具有金屬玻璃光澤，f=0.84。相對(duì)瓦斯涌出量16.6m3/t，單巷掘進(jìn)時(shí)瓦斯絕對(duì)涌出量1.0～5.6m3/min，煤層原始瓦斯壓力2.12MPa，瓦斯放散初速度大于30，巷道頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆rTab.1 The roof and floor circumstance of coal seam

巷道采用雙巷掘進(jìn)，先沿一巷單巷掘進(jìn)，所選巷道巷道掘進(jìn)至608m 時(shí)附近時(shí)，遇到一個(gè)逆斷層，走向近南北，傾向西，傾角30°左右，落差7.8～8.3m，斷層情況如圖1 所示。

圖1 斷層剖面圖Fig.1 The profile of the fault

2 電磁輻射監(jiān)測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

電磁輻射監(jiān)測(cè)儀分為便攜式和在線式兩種，便攜式電磁輻射監(jiān)測(cè)儀KBD5 可以對(duì)不同的區(qū)域進(jìn)行測(cè)試，比較靈活；在線式電磁輻射監(jiān)測(cè)儀KBD7 可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)對(duì)煤體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，適合于同一地點(diǎn)的連續(xù)監(jiān)測(cè)。

2.1 KBD5 電磁輻射監(jiān)測(cè)儀的測(cè)試方案

在所選巷道掘進(jìn)工作面左前方、正前方和右前方各布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，距離迎頭1～1.5m 朝向巷道兩幫各布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共5 個(gè)測(cè)點(diǎn)。電磁輻射天線距煤壁0.6～0.8m，天線中縫朝向頂板，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試2 分鐘，如圖2 所示。

圖2 掘進(jìn)工作面KBD5 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 KBD5 monitoring points arrangement of coal heading face

2.2 KBD7 電磁輻射儀的測(cè)試方案

KBD7 通過(guò)KJ90 監(jiān)控系統(tǒng)分站提供工作電源和進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，掛放在掘進(jìn)煤巷的右?guī)?，電磁輻射監(jiān)測(cè)儀天線的布置距離迎頭5 米以內(nèi)，朝向迎頭中央，電磁輻射天線要隨工作面的推進(jìn)同步前移。煤巷掘進(jìn)工作面電磁輻射的測(cè)點(diǎn)布置情況，見(jiàn)圖3。

圖3 掘進(jìn)工作面KBD7 電磁輻射測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.3 KBD7 monitoring points arrangement of coal heading face

3 電磁輻射數(shù)據(jù)處理及分析

準(zhǔn)備過(guò)斷層之前，煤巷掘進(jìn)工作面前方進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的瓦斯抽放，開(kāi)掘前，工作面前方煤層實(shí)測(cè)瓦斯含量為7.8714m3/t，瓦斯壓力0.51MPa。為了描述在過(guò)斷層過(guò)程中的電磁輻射變化的規(guī)律，用KBD5從距斷層10m 處每掘進(jìn)2m 測(cè)試其電磁輻射強(qiáng)度，并把每次測(cè)試的5個(gè)點(diǎn)取平均為該位置處的電磁輻射強(qiáng)度值，得到KBD5 測(cè)試電磁輻射強(qiáng)度隨掘進(jìn)不同位置的變化情況圖，如圖4 所示。

圖4 過(guò)斷層KBD5 電磁輻射強(qiáng)度變化情況Fig.4 EMR intensity variation of KBD5 in period of traversing fault

期間KBD7 連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)了掘進(jìn)工作面電磁輻射變化情況，為了能和KBD5 強(qiáng)度值對(duì)比分析，將KBD7 每小時(shí)內(nèi)的數(shù)據(jù)取平均，并注明在過(guò)斷層期間的位置，得到KBD7 測(cè)試電磁輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)隨斷層掘進(jìn)的變化情況，如圖5 所示。

圖5 過(guò)斷層KBD7 電磁輻射強(qiáng)度變化情況Fig.5 EMR intensity variation of KBD7 in period of traversing fault

由于KBD7 和KBD5天線的接收范圍不同，如圖2 和圖3 所示，造成KBD7 和KBD5 監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)不在一個(gè)水平上，但并不影響我們的分析。圖4 和圖5 中位置顯示的“斷層”處即揭露上盤(pán)煤層后、上下盤(pán)煤層同時(shí)存在并且中間有夾矸的情況，直到下盤(pán)煤層和斷層破碎帶夾矸消失后稱為斷層結(jié)束，“前10”表示工作面距即將揭露上盤(pán)煤層處的距離，“后2”表示工作面距下盤(pán)煤層和夾矸消失處的距離。

由圖4 和圖5 都可以看出，在揭露上盤(pán)煤層之前，隨著巷道工作面向斷層破碎帶的移動(dòng)，電磁輻射強(qiáng)度都在逐步上升，并在揭露上盤(pán)煤層之前達(dá)到最大值。在揭露上盤(pán)煤層之后，電磁輻射強(qiáng)度迅速減小，之后圖4 中在出現(xiàn)一個(gè)較大的上升點(diǎn)，而圖5 中則有微弱的上升，之后又下降。在下盤(pán)煤層和破碎帶夾矸消失后，兩圖中的電磁輻射強(qiáng)度都處于相對(duì)較低的階段，在圖4 中有一個(gè)幅度不大的上升再下降過(guò)程。在兩圖中，除了上述已解釋的強(qiáng)度值不處于一個(gè)水平的原因外，強(qiáng)度的變化趨勢(shì)基本一致。圖4 中的數(shù)據(jù)變化比圖5 中的數(shù)據(jù)變化較為敏感，這是由于KBD5 監(jiān)測(cè)的區(qū)域距離煤巖壁較近，且監(jiān)測(cè)時(shí)間較短，只有兩分鐘，數(shù)據(jù)較少；而KBD7 一直連續(xù)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)量較大，每個(gè)小時(shí)數(shù)據(jù)平均后，數(shù)據(jù)的變化較KBD5 平緩。由兩圖可以看出，破碎帶傾角小于45°，斷層破碎帶壓力主要影響下盤(pán)煤層，對(duì)上盤(pán)煤層影響不大[7]。在工作面靠近破碎帶揭露上盤(pán)煤層之前，工作面前方頂板巖層給工作面和斷層間的煤巖柱加壓，且上下盤(pán)之間有一層較厚完整性較好的泥巖，承載著大量上盤(pán)煤巖的壓力，并且對(duì)上盤(pán)煤層的瓦斯有封閉作用，于是在靠近破碎帶處就產(chǎn)生了較高的應(yīng)力集中，使得此處的電磁輻射強(qiáng)度達(dá)到最大值。當(dāng)揭露上盤(pán)煤層后，瓦斯可以迅速釋放，并且因頂板（傾斜泥巖）被切斷，失去傳遞力的作用，應(yīng)力釋放，使電磁輻射強(qiáng)度值迅速下降；另一方面，采用坡度為15°的上山和U 型鋼架棚支護(hù)穿過(guò)斷層，使得斷層和巷道的夾角增大，減小了斷層對(duì)巷道的影響范圍，增大了巷道頂板支護(hù)物的支撐能力，使得上盤(pán)煤巖壓力轉(zhuǎn)移到U 型鋼支護(hù)物上，而使工作面前方的應(yīng)力降低[8]，從而使電磁輻射強(qiáng)度值明顯降低。斷層破碎帶對(duì)上盤(pán)煤層壓力幾乎沒(méi)有影響，但由于采用上山掘進(jìn)過(guò)巷道，使得巷道存在一個(gè)傾角，在沒(méi)有完全穿過(guò)斷層之前引起應(yīng)力稍微集中，使得電磁輻射值增大，等巷道工作面完全穿過(guò)斷層之后，電磁輻射值恢復(fù)正常。

4 結(jié)論

通過(guò)以上分析可以得出結(jié)論：煤巷挑頂過(guò)逆斷層過(guò)程中，下盤(pán)煤層電磁輻射強(qiáng)度值逐漸升高，越靠近斷層值越大，在揭露上盤(pán)煤層之前達(dá)到最大值，穿過(guò)斷層后電磁輻射強(qiáng)度值迅速降低，并且穩(wěn)定在較低水平。通過(guò)電磁輻射的變化情況可以得知斷層破碎帶對(duì)上盤(pán)煤層壓力分布影響很小，但會(huì)引起下盤(pán)煤層區(qū)域的應(yīng)力集中，同時(shí)由于斷層對(duì)上盤(pán)煤層瓦斯的封閉作用，使得瓦斯壓力增大，在揭露上盤(pán)煤層時(shí)，突出危險(xiǎn)性增大。

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