煤与瓦斯突出电磁辐射的监测及应用
摘要!根据煤与瓦斯突出产生电磁辐射的原理和煤岩破裂电磁辐射信号的特征,设计出了电磁辐射监测仪,并将该监测仪应用于煤与瓦斯突出的预测预报,得到了大量的实验数据,从中总结出煤与瓦斯突出危险程度与电磁辐射强度和脉冲数的关系,给出了有突出危险时电磁辐射强度和脉冲数的临界值.实验证明电磁辐射监测仪在实际应用中效果良好.
关键词!煤岩破裂/煤与瓦斯突出/电磁辐射
中图分类号!01("'2*/03&""2*4文献标识码!5
基金项目!江苏省自然科学基金)67*##*""4+资助项目.
煤与瓦斯突出是煤矿井下一种极其复杂的动力现象,是矿井生产的重大自然灾害之一.据统计,目前我国有突出矿井*($对,突出次数每年已超过万次.随着煤炭开采强度的增加和开采规模的扩大,煤与瓦斯突出'矿井冲击地压等问题将更加严重.突出预测预报是突出防治的重要环节.目前对采掘工作面瓦斯突出危险性的预测预报,主要采用打钻来测量钻孔瓦斯涌出量,钻孔附近取得预测结果仅仅是局部的,并不能完全代表整个预测范围内煤与瓦斯突出的危险性,并且这种方法需占用作业时间和空间,工作量大,对生产有一定的影响.
电磁辐射)rfgsolemnhkgopsgmpwwpek,ryr+是煤岩体受载变形破裂过程中向外辐射电磁能量的过程,与煤岩体的受载状况及变形破裂过程密切相关(").采用电磁辐射法预测煤与瓦斯突出等灾害动力现象的优点是!快捷有效,可靠性高,对生产没有影响,并且不受人工等外界因素的干扰.
"煤与瓦斯突出产生电磁辐射理论
"2"受载煤岩破裂电磁辐射规律(*)实验室及现场测试结果表明,不同类型的煤体破裂过程中都有电磁辐射信号的产生,电磁辐射源于煤岩体的非均质性及煤岩体变形破裂的非均匀
过程,与煤岩体的破裂过程密切相关.
数据采集与处理
!"#瓦斯对煤岩体破裂电磁辐射的影响瓦斯对煤岩体的变形破裂过程有很大影响$在煤与瓦斯突出过程中$瓦斯起了很大的作用%瓦斯气体的存在将降低煤岩体的强度$使煤岩体的变形过程更加强烈$电磁辐射信号也随之增强%!"&电磁辐射法预测瓦斯突出原理'&(
煤与瓦斯突出从时间上可分为准备)发动)发展及结束*个阶段%预测煤与瓦斯突出就是要在其准备及发动阶段$根据前兆信息判断瓦斯突出的危险程度%根据现场统计实验得出+电磁辐射和煤的应力状态及瓦斯状态有关$应力)瓦斯压力越大时电磁辐射信号就越强$电磁辐射脉冲就越大%应力和瓦斯压力越大$突出的危险性就越大%#煤与瓦斯突出电磁辐射信号监测的意义'*(电磁辐射的基础及应用研究虽然还处于开创阶段$但可以看到其应用前景很广阔+
,!-评定煤岩体的应力状态%初步的实验研究表明$煤岩体应力应变状态的变化能够引起电磁辐射幅频特征的变化$因而可以用电磁辐射幅频值来评估煤岩体或工作面的应力状态%,#-预测预报煤岩灾害动力过程$如煤与瓦斯突出)顶板塌陷)围岩变形)冲击矿压)矿震)滑坡和
地震等%这些过程的发生$均是在应力应变状态发生改变$或者在它们本身的孕育)准备或发展阶段$引起应力应变状态的改变$这必然会产生电磁辐射信号的某些特征的变化%这些将成为预测预报煤岩体失稳的一种新的前兆%,&-煤岩变形及破坏机理的研究%煤岩体变形
及破坏过程中的电磁辐射来源于煤岩体中微结构的变化$通过对煤岩体变形及破坏过程中的电磁辐射的研究$有助于揭示煤岩材料流变破坏的微观机理%可见$含瓦斯煤岩电磁辐射的研究及其推广应用对于改善我国的安全状况$特别是改善煤矿井下的安全状况具有重要的现实意义%&基于嵌入式网络单片机的电磁辐射监测仪的设计&"!监测仪设计'.(该监测仪由天线)前置放大器)低通滤波器)主放大器)/01转换)网络单片机)以太网通信接口)存储器)显示器和键盘等部分组成%
图!监测仪的硬件基本组成
监测仪硬件主要采用23.#41!55$
67895!:/2和#*8;#.!<位 @ABC
存储器和#9位6/D$由于采用;EF并行方式及单时钟周期指令!55DGH晶振振动下指令执行速度可达!55DIE2$该网络单片机的最大特征是虚拟外设功能%67895!:/2是6JA@
&"#监测仪的软件设计
监测仪的系统软件包括主程序和通信程序%主程序含有初始化部分和参数设计等$通信程
序主要完成与地面上位主计算机的快速数据交换$大量的原始数据需要从监测仪传输到上位机$由上位机进行数据处理和分析%
通信程序软件流程如图!所示"
图!监测仪通信程序软件流程图
#电磁辐射法预测煤与瓦斯突出的
应用
电磁辐射法预测煤与瓦斯突出在平煤集团八矿进行试验$主要在有突出危险的戊二沿煤下延皮带下山%己&'(&)&*+机巷,西-%己&'(&)!*+机巷%戊二轨道下山揭煤巷和没有突出危险的
机巷进行"共完成测试&!+次$预测预报*0次$记录**'批)*01数据$累计试验巷道长度#0'2"
#3&不同煤层的电磁辐射测试情况试验结果表明$对有突出危险的煤层$当有突出危险时$工作面煤体电磁辐射信号较强,如图),4-所示-$脉冲数较高$或电磁辐射脉冲数随时间呈增强趋势,如图),5-所示-6没有突出危险时$工作面煤体电磁辐射信号较弱,如图#,4-所示脉冲数较低,如图#,5-所示-"对于没有突出危险的煤层$工作面煤体的电磁辐射信号非常弱$脉冲数几乎为零,如图'所示-"
,4-电磁辐射强度变化
,5-电磁辐射脉冲数变化
图) ,&)&*+机巷-有突出危险时测试结果
,4-电磁辐射强度变化
,5-电磁辐射脉冲数变化
图# ,&)&*+机巷-没有突出危险时测定结果
,4-电磁辐射强度变化
,5-电磁辐射脉冲数变化
图' ,&&&+&机巷-没有突出危险煤层测试结果
)*第&期张剑英$等7煤与瓦斯突出电磁辐射的监测及应用
测定结果表明!在平煤集团八矿机巷掘进工作面和戊二皮带下山掘巷电磁辐射强度和脉冲数普遍比 (&'机巷掘面高!说明&'机巷掘进工作面和戊二皮带下延掘巷的突出危险性比己 (&'机巷掘面大)
*+(煤与瓦斯突出指标临界值的确定
在采用电磁辐射法监测工作面煤层突出危险性的同时!也用常规的钻孔预测方法进行了预测比较)结果显示!电磁辐射强度和脉冲数与钻孔预测法中瓦斯涌出的初速度和钻屑瓦斯解吸指标间基本呈正相关)根据测定结果比较分析得到,有突出危险时电磁辐射强度和脉冲数指标的临界值分别为#"-.和"''次/0)同时也表明!仅测定电磁辐射脉冲数或电磁辐射强度单项指标是无法满足需要的!电磁辐射强度与电磁辐射脉冲数变化并非严格同步!电磁辐射强度较大而脉冲数较低!或电磁辐射强度较小而脉冲数较高时!均有突出危险)电磁辐射强度主要反映了含瓦斯煤体受载程度及其变形破裂强度!而脉冲数主要反映了含瓦斯煤体的变形破裂的频度!所以只要有一个指标大于这一临界值就需要采取防突措施)*+%防突措施前后电磁辐射变化情况。有突出危险时!电磁辐射强度和脉冲数较大!采取措施后!电磁辐射强度和脉冲数降低1如图2!3
所示4)图2为在"%(&'机巷掘进工作面测定结果!
虽然电磁辐射脉冲数较低!最大为"&次/0!但最大电磁辐射强度为#3-.!已经超限!在工作面前方
154电磁辐射强度变化
164电磁辐射脉冲数变化
图2有突出危险时打措施孔前测定结果
打了措施孔卸压!测定结果如图3所示!此时电磁
辐射脉冲数为'!最大电磁辐射强度为"2-.!表明
采取的措施起到了作用)
电磁辐射强度变化
图3有突出危险时打措施孔后测定结果
1此时的脉冲数为'4
结束语
煤与瓦斯突出是煤矿生产中的重大自然灾害之一!预测预报是防治突出灾害的重要环节)本文通过分析煤与瓦斯突出产生电磁辐射的原理!针对煤岩破裂电磁辐射信号的特征!设计出了电磁辐射监测仪!并将该监测仪应用于煤与瓦斯突出的预测预报实验!得到了大量数据)在与常规钻孔法的比较中!总结出煤与瓦斯突出危险程度与电磁辐射强度和脉冲数的关系)给出了有突出危险时电磁辐射强度和脉冲数的临界值分别为#"-.和"''次/0)在实际的监测中发现只要有一个指标大于临界值就需要采取防突措施)该仪器已应用于实际中!真正实现了无接触7定时7定向7连续的监测和预报。可靠性和准确性都很高!获得了较好的预测预报结
果)
参考文献,
8"9何学秋!刘明举:含瓦斯煤岩电磁辐射动力学8;9:徐
州,中国矿业大学出版社!"&?:&*<"(3:
8(9王恩元!何学秋:煤岩变形破裂电磁辐射的实验研究
8=9:地球物理学报!('''!*%1"4,"%"9:徐州,中国矿业大学!"&&&:
8*9钱建生:煤岩破裂过程电磁波传输特性的研究8=9:煤
炭学报!"&&&!1*4,%&(<%&*:
8#9钱建生!陈治国!张剑英:煤与瓦斯突出电磁辐射在线
监测系统的设计8=9:工矿自动化!(''(!1*4,"<%:
作者简介,张剑英 女!副教授，研究方向,信号与系
统7电磁场理论及应用
马姗姗
1"&3J$4!硕士!研究方向,多媒体技术I陈治国1"&3"$4!男!
讲师!研究方向,煤矿信息化和自动化)
*&数据采集与处理第"&卷
