1 非接触式电磁辐射预测技术机理

煤体电磁辐射的产生，源于煤体的非均质性，是煤体受载变形破裂过程中向外辐射电磁能量的一种现象，与煤体的变形破裂过程密切相关。

在煤矿采掘过程中，煤体在瓦斯及地应力共同作用下发生变形破坏，其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，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，呈现流变特征；煤体中的瓦斯失去动态平衡，在瓦斯压力梯度作用下，沿煤体中的瓦斯向工作面空间涌出。在这2种过程中，应力（非均匀变速形变）诱导极化及带电粒子变速运动，电荷迁移及由此引起的宏观体现，在试样表面积累电荷，产生低频电磁辐射；在同时形成的库仑场（或冷静电场）的作用下，煤体中发射出的电子产生加速运动，向外辐射电磁波；同时摩擦等原因也产生带正（或负）电粒子产生电磁辐射。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。

电磁辐射与煤的应力状态及瓦斯状态有关，应力越高、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。在采掘工作面前方卸压区内，煤体发生屈服，大量裂隙形成，应力及瓦斯压力降低。由卸压区至应力集中区，应力及瓦斯压力升高，在垂直于煤壁的内部方向上单位煤体产生的电磁辐射信号也越来越强；在应力集中区，应力和瓦斯压力达最大值，煤体的变形破裂过程最强烈，电磁辐射源产生的电磁辐射信号最强；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。工作面前方不同深度处应力分布与电磁辐射强度E之间的关系如图1所示。

图1 工作面煤体内电磁辐射E和应力σ分布示意图

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，是不同深度煤体的应力的集中程度、瓦斯压力的大小和含瓦斯煤体突出危险的程度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。

非接触式电磁辐射动态预测技术，采用超限自动报警和趋势人工报警2种方式，根据电磁辐射实测指标或监测到的电磁辐射信号强度或脉冲数时间序列的变化趋势，判断有无突出危险性。根据含瓦斯煤受载变形破裂电磁辐射特性、规律及电磁辐射法预测突出原理提出，当同一班次（或不同班次、不同日期）电磁辐射强度或脉冲数呈明显的增长趋势时，预测有突出危险，采取防治措施；当相邻班次或连续2 d以上电磁辐射强度或脉冲数变化幅度较大，超过一定比例后，表明有发生突出的危险，应采取防治措施；特别是当电磁辐射强度或脉冲数突然大幅度降低时，应立即停止作业，撤出工作人员，并采取措施。

2 非接触式电磁辐射技术现场试验

2.1 试验区概况

九里山矿主采煤层二1煤，煤厚5～6m，煤倾角12°～13°，矿井始突标高-80 m，为煤与瓦斯突出矿井。根据采掘作业方式的不同，分别选取九里山煤矿15011运输巷掘进工作面和15031风眼石门揭煤工作面进行电磁辐射测试试验。

15011工作面实测原始瓦斯含量30 m3/t•r，瓦斯压力1.314 MPa。运输巷掘进期间喷孔、顶钻及响煤炮等动力现象频繁，措施、效果检验超标率达21.2％，措施重复率高，掘进时曾发生过1次煤与瓦斯突出，突出煤量135 t、瓦斯量345 74 m3，为一严重煤与瓦斯突出危险工作面。15031风眼石门揭煤工作面，位于15011工作面下部，煤层平均厚度5.2 m左右，煤层倾角12°。

2.2 非接触式电磁辐射预测仪及使用方法

试验过程中，采用KBD-5矿用本安型电磁辐射仪对防治区域进行检测。KBD-5矿用本安型突出电磁辐射监测仪作为电磁辐射预测的主要仪器，包括高灵敏度宽频带定向接收天线、监测及数据处理主机、充电器、远程通讯接口和监测及预报软件等，可实现定向接收电磁辐射信号、设置参数、数据采集、数据存储、数据显示、数据查询、通讯和报警等。KBD-5电磁辐射监测及预警软件则可实现与监测主机进行人机对话：参数设定、控制开停、格式化存储器等；可对同一时间、不同地点或同一地点、不同时间的数据进行智能化连接，并进行区域性或动态危险性预报。

KBD-5便携式电磁辐射监测系统信号流程如下：

有突出或冲击矿压危险→煤岩强烈变形破裂→发射电磁辐射信号→定向接收天线→电磁辐射监测主机，自动处理数据（统计、显示、存储）→有危险时自动报警。

也可以对数据进一步处理。把监测主机带到地面→RS232接口→计算机→监测及预报软件→数据统计、处理→区域或动态危险性预报。

根据各工作面实际情况的不同，分别将电磁辐射仪探头悬挂于测试地点不同位置，电磁辐射观测点一般距工作面1～1.5 m。

2.3 非接触式电磁辐射预测临界指标确定

根据焦作矿区煤与瓦斯突出危险性预测经验，综合指标法效果检验临界值为Rm=6，qm=5 L/min，Sm=6 kg/m。在所有测试数据中无一组常规校检指标数据超过临界值，表明依据常规法预测，15011运输巷掘进工作面采取防突措施后无突出危险。为确定电磁辐射指标临界值，在无突出征兆的条件下，可按煤层情况（是否出现软分层、破碎状况）、突出危险性显现（卡钻、喷孔等）和电磁辐射指标值等初步认定工作面是否具有最大可能的突出危险性，然后以最可能发生突出危险的电磁辐射指标值变化规律为依据初步确定其指标临界值。15011运输巷掘进工作面电磁辐射和常规测试部分结果见表1。

表1 15011运输巷掘进工作面突出预测指标测定值

见表

不同班次测定的电磁辐射强度与常规预测指标的对应关系如图2所示。从图2可以看出，电磁辐射与常规指标中钻孔瓦斯涌出初速度q、综合指标R对应较好：基本上，钻孔瓦斯涌出初速度q、综合指标R越大，电磁辐射信号越强。电磁辐射与常规预测指标间呈较好的对应关系。可见，常规预测指标中q、R指标较为敏感，电磁辐射强度E和脉冲数N指标变化与钻孔瓦斯涌出初速度q和综合指标R指标变化规律较为一致，表明电磁辐射强度E最大值的平均值和脉冲数N平均值指标均较为敏感，因此，在确定电磁辐射指标临界值时以常规预测的q和R指标为依据。

图2 15011工作面1#测点电磁辐射与常规指标之间的关系

3 应用效果分析

3.1 电磁辐射预测石门揭煤过程突出危险性分析为了考察电磁辐射法用于石门揭煤过程预测突出的可行性，在15031掘进工作面石门揭煤过程中，同时跟踪测试了电磁辐射及其变化，如图3所示。6月10日，岩巷距煤层垂直距离为10 m；6月15日，岩巷距煤层垂直 距离为7 m；6月27日岩巷距煤层垂直距离为5m，开始施工两帮抽放钻场；7月8日开始施工正前抽放钻孔；7月12日测试数据时正前抽放钻孔已施工完毕，右帮钻场正在打抽放孔；7月16日测试数据时左帮钻场已打完4个孔，右帮钻场抽放孔全部联抽；7月19日测试数据时钻孔全部施工完毕，左帮还未封孔，其余抽放孔在抽放中；7月25日测试数据时钻孔全部联抽。

图3 石门揭煤前电磁辐射及其变化

从图3可以看出，在掘进石门过程中，距离煤层越近，电磁辐射信号越强，在石门距煤层5m时且掘进抽放钻场时，电磁辐射最强。随着打钻孔进行瓦斯抽放，电磁辐射逐渐减弱。可见，用电磁辐射法预测揭石门突出危险性及检验措施效果是可行的。 3.2 电磁辐射检验注水防突效果

在15011运输巷掘进工作面采取中高压注水综合防突措施试验期间，利用电磁辐射仪对注水期间工作面前方的煤体进行了连续性观测。通过观测看到，注水期间工作面前方煤体电磁辐射呈现2种变化：一种是注水期间电磁辐射增强；另一种是注水期间电磁辐射减弱，注水后电磁辐射减弱。实际测试结果如图4和图5所示。 图4 注水措施前后电磁辐射指标变化形式（首次注水）

图5 注水措施前后电磁辐射指标变化形式（再次注水）

从图4中可以看到：注水措施期间，电磁辐射强度E及脉冲数N与注水前相比，明显增加；采取注水措施后，电磁辐射强度E及脉冲数N与注水前及注水期间相比则降低。

结合电磁辐射产生机理进行分析认为：采取防突措施之前掘进工作面前方存在着较高的集中应力，使得煤体中电磁辐射指标较大。而注水时施加的压力，一般大于煤体所承受的应力，在其作用下，煤体内部闭合裂隙逐步扩大，同时游离瓦斯涌出也十分急剧。此过程中产生的电磁辐射，不仅来自于大于集中应力的注水压力，还来自于游离瓦斯流动排放形成的较高的瓦斯压力。所以注水过程中的电磁辐射强度大于注水前；高压水携带煤及瓦斯流的冲击，又加大了煤体的破碎程度及频率，因而注水期间脉冲数与注水前相比，亦显著加大。注水结束后，注水压力解除，巷道前方应力集中程度削弱，煤体水分增加、塑性增强，内部微孔隙表面的吸附瓦斯在水的作用下封闭，反映煤体承受载荷、变形强度和破碎频次的电磁辐射强度指标E及脉冲数N，与注水前及注水过程中相比，必然降低。

注水期间辐射强度E与脉冲数N的变化规律，反映出注水过程中高压水对煤体的作用机理。电磁辐射对注水过程的监测表明：中高压注水过程是一个不断压裂破碎煤体，并使其趋于稳定的过程。

随着掘进工作面采取注水措施后的不断推进，煤体湿润性不断增加，在再次注水时，煤体的湿润性继续加大，煤体含水量升高，煤体的导电性增强，起到了屏蔽电磁波的作用。因而出现另一种情况，即注水期间电磁辐射减弱（如图5）。由于煤体水分基本处于饱和状态，水分无法向更小的微孔渗透，在注水结束后，随着煤体中水分的减少，电阻率增大，接收到的电磁辐射也增强。但煤体水分毕竟进一步升高，所以注水后电磁辐射虽又有所增强，但低于注水前。

同时，从图5中可以看出，在注水前，电磁辐射信号成紊乱状态，而注水后煤层中发射的电磁辐射信号则平稳缓和得多。可见，掘进工作面采取注水措施后，前方煤体稳定性远远好于注水前，一方面应力集中程度减弱、瓦斯压力降低，另一方面煤体结构性能增强。电磁辐射较好地反映了高压注水措施的防突效果。

3.3 电磁辐射预测突出敏感指标分析

结合以上分析，综合比较电磁辐射9个统计指标与常规预测指标及现场突出危险性显现的对应关系，发现在焦作矿区九里山矿电磁辐射强度极大值的平均值（Emax-avg）和脉冲数平均值（Navg）对常规指标和突出危险性反映比较敏感，确定电磁辐射强度极大值的平均值（Emax-avg）和脉冲数平均值（Navg）为突出预测敏感指标。

4 结论

（1）电磁辐射法预测技术在焦作矿区的应用，开发研制了适应性强的煤与瓦斯突出电磁辐射监测系统和具有时、空预测功能的电磁辐射监测及分析软件，实现了非接触、定向、连续预测，而且用电磁辐射法科学评价了煤层注水防突过程及防突效果，评价了石门揭煤过程突出危险性。

（2）电磁辐射法评价煤与瓦斯突出危险技术研究的应用，与常规的煤与瓦斯突出危险预测方法相比，不仅工序简单、工程量小，而且具有消除人工误差、观测范围广、可连续定点或动态观测的优点。对于准确预报煤与瓦斯突出危险，采取针对性的防突和安全措施具有较好的指导作用。

信息来源：《煤矿安全》2005年第7期 （责任编辑：廖朦）