2014, Vol. 57
冲击地压、煤与瓦斯突出是煤矿开采过程中产生迅猛的动力灾害，给煤矿井下安全生产和井下人员的生命财产造成极其严重的威胁.国内外学者关于冲击地压、煤与瓦斯突出的产生机理尚未形成统一结论，但大多数学者普遍认为冲击地压、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害与地应力、瓦斯压力和煤的物理力学性质三因素有关.因此，预测指标应能综合反映地应力、瓦斯压力和煤的物理力学性质.目前煤矿煤岩动力灾害危险性预测多采用钻屑量(S)、钻孔瓦斯涌出初速度(q)和钻屑瓦斯解吸等静态指标法.静态指标法需要借助于打钻测试，钻孔测试的结果仅仅代表钻孔周围的危险程度，并不能代表整个预测区域的危险性.特别是对于突出危险性严重的煤层，打钻扰动会导致煤与瓦斯突出，非接触动态连续监测正日益引起人们的重视.
电磁辐射(Electromagnetic Radiation, EMR)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，其强度和脉冲数与煤岩体的所受 应力状况(Lichtenberger, 2005；Nardi et al. , 2009)、 瓦斯压力(王恩元等, 2000; 刘明举等, 2002)和煤的物理力学性质密切相关(王恩元等, 2002；李夕兵等, 2009).作为一种非接触式的短临预报方法，电 磁辐射越来越多的应用于煤岩动力灾害的预测预 报.例如，Frid(1997a；1997b)设计谐振频率为100 kHz 的天线测试系统，选用电磁辐射脉冲数指标确定了工作面前方突出的危险程度.Wang等(2011)提出了一种基于电磁辐射的矿山压力评价方法.煤炭科学研究总院(马超群等, 1996)、中国矿业大学等相关单位成功研制了KBD5矿用本安型电磁辐射监测仪并成功接收到冲击地压发生过程中的电磁辐射异常.肖红飞等(2005a)通过理论分析和实验得出电磁辐射信号主要来源于应力集中区的结论，为煤岩动力灾害危险源的初步定位和定向研究打下了基础.电磁辐射定位技术广泛应用于航海、航空、航天、电子战等军工方面，在地震研究方面也取得一定的成果(田玥等, 2002；卢洋, 2011)，而利用电磁辐射进行煤矿危险区域定位的文献较少.目前煤矿危险区域定位一般采用微震监测方法(Cai et al., 2001；李会义等, 2006；Les′niak et al., 2009；Ge, 2005)，而微震监测方法存在以下两方面缺点，一方面微震法定位至少需要4台独立的微震监测平台，其时间同步误差难以消除，另一方面由岩石物性参数复杂性引起的矿震波波速误差难以避免(赵龙, 2010).
本文根据煤岩变形破裂电磁效应规律和电磁波的基础理论，从磁棒天线定向接收机理入手，建立了接收电磁信号强度与矿震位置的关系模型，提出一种利用煤体破裂电磁信号进行局部震源定位方法.通过电磁辐射定向接收实验加以验证，并将该方法应用于平煤十矿的矿震定位中，为煤岩动力灾害重点防治区域的划分提供技术指导.
大量的实验、现场测试及模拟研究均表明，在煤岩体受载变形破裂过程中，由于压电效应、摩擦作用、裂纹扩展、热电子发射、场致冷发射、碰撞孔隙气体电离及流动电势等原因，煤岩体均会产生分离电荷，分离电荷的变速运动、裂隙表面振荡RC回路的能量耗散、分离电荷的弛豫以及高速粒子碰撞裂隙壁面产生的韧致辐射等综合作用下，煤岩体会以电磁能的形式释放能量，这种现象称为煤岩变形破裂电磁效应.因此，承载煤岩在微观上非均匀应力作用下的变形及破裂过程必然伴随着电磁辐射效应(郭自强等, 1999；窦林名等, 2001；何学秋等, 2003).
为了研究煤岩变形破裂电磁辐射效应，作者设计了单轴压缩试验和冲击破坏试验.试验系统由加载系统、电磁辐射接收天线、信号数据采集系统、载荷和位移记录系统等组成.试验系统分别如图1和图2所示.
 | 图1 单轴压缩试验系统 Fig.1 Uniaxial compression test system |
 | 图2 SHPB冲击试验系统 Fig.2 SHPB shock test system |
单轴压缩试验采样地点选择抚顺矿业集团老虎台煤矿55002工作面，煤样均为水平层理清晰的硬煤.所采煤层和实验煤体都具有冲击倾向性.试样由切割机取样加工制成，尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，制样过程中尽可能保持煤样的原始状态，采用低速干钻、干切、干磨.加工后剔除表面有明显宏观裂隙的煤样，试样端面平整度和平行度满足ISRM推荐标准.
单轴压缩试验采用MTS电液伺服加载系统，加载时采用荷载控制方式，加载速率设定为3种，分别为10、20 N/s和30 N/s，加载方向均垂直于层理，共做六组试验，煤样最终全部破裂.限于篇幅，仅列出其中两个煤样测试结果(如图3所示).1#煤样和2#煤样的加载速率分别为10 N/s和20 N/s.电磁辐射接收天线水平放置，且与煤样层理面平行，天线前端距煤表面距离为3 cm.
由图3可以看出，单轴压缩条件下不同加载阶段电磁辐射信号呈现不同的特征.何学秋等(2003)将煤体变形破裂过程分为四个阶段：压实阶段，表观线弹性阶段、加速非弹性变形阶段和破裂及其发展阶段.压实阶段(图3a中0~150 s和图3b中0~25 s)，由于煤体存在大量孔隙和裂隙，在外加载荷的作用下，这些孔隙和裂隙会发生闭合，裂隙壁面附近的煤体会发生变形和微破裂，进而产生一定的电磁辐射信号，此阶段信号幅值变化不大.表观线弹性阶段(图3a的150~950 s和图3b的25~100 s)，虽然应力应变关系是连续的，但从微观方面，煤体变形和破裂是阵发性的，从图3可以看出电磁辐射的幅值变化也具有阵发性.加速非弹性变形阶段(图3a的950~1100 s和图3b的100~120 s)，煤体发生塑性变形，会形成一定数量的微裂纹，微裂纹的汇合贯通会导致电磁辐射信号幅值急剧增大.破裂及其发展阶段(图3a的1100~1237 s和图3b的120~150 s)，煤体产生宏观位移，煤样颗粒之间的摩擦导致电磁辐射信号的产生.
 | 图3 单轴压缩电磁辐射(EMR)和加载力(F)对应图(a)1#煤样；(b)2#煤样 Fig.3 Electromagnetic radiation (EMR) and loading force (F) in uniaxial compression test (a)1# coal sample；(b)2# coal sample. |
冲击破坏试验煤样选用平煤十矿己15-24080机巷掘进工作面大块煤体，实验煤体具有弱冲击倾向性.试件在中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室加工而成.试件为圆柱形，尺寸为Φ50 mm×50 mm，符合要求的长径比(李胜林等, 2010).试件两端采用磨床精密加工打磨，保证不平行度在0.02 mm以内.为了减少界面摩擦效应，在弹性杆与试件界面间涂抹黄油润滑.
冲击破坏试验采用中国矿业大学(北京)分离式霍普金森杆(SHPB)动载实验系统，压杆为Φ50 mm钢质压杆，弹性模量为200 GPa，子弹为Φ50 mm×400 mm的圆柱体.撞击速度通过测速器测定，经测 定12组煤样撞击速度范围为4.174~12.730 m/s.电磁辐射接收天线水平放置，且与煤样轴向垂直，天线前端与煤样距离为4 cm.取其中两个煤样测试结果加以分析，为与单轴压缩试验煤样命名区别，将煤样命名为3#煤样和4#煤样，其试验冲击速度测得分别为10.758 m/s和6.913 m/s.电磁辐射监测结果如图4所示.
 | 图4 冲击破坏电磁辐射(EMR)和加载力(F)对应图(a)3#煤样；(b)4#煤样. Fig.4 Electromagnetic radiation (EMR) and loading force (F) in impact failure test (a)3# coal sample；(b)4# coal sample. |
由图4可以看出，煤体冲击破坏(图4a的7.0~10.5 s 和图4b的11.7~15.0 s)过程中，电磁辐射信号持续时间较短，呈现先直线增大、后近似指数式衰减的特征.
试验结果表明，煤岩体在静载和动载的作用下均会产生电磁辐射信号，电磁辐射信号幅值随着煤岩体应力状态变化而变化，而冲击地压、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害的发生和煤岩体应力状态密切相关，因此，煤矿井下可以利用电磁辐射信号变化特征反映煤岩体应力状态变化，进而可以预测煤岩动力灾害.
在利用煤岩破裂电磁信号进行震源定位方面，一些学者(王恩元等, 2005；Wang et al, 2011)采用单电磁天线区域定位方法，单个天线定位覆盖范围为天线轴向两边各30°，有效监测距离7~22 m，此种方法没有实现准确定向.也有学者(肖红飞等, 2005b)采用不断改变监测天线朝向来确定应力变化最大(即危险性最大)的方向，但由于电磁辐射源的方向随新生裂缝取向的改变而改变(张德齐等, 1998)，当接收天线方向改变和电磁辐射源方向改变不同步时，便会导致定向定位出现偏差.本文利用两个正交布置的电磁辐射天线，通过计算两个正交天线的电磁信号强度，确定辐射源与两接收天线的夹角，对煤岩破裂位置实现准确定向.井下操作时两个正交天线布置在预测区域即可，不需改变天线朝向.以下为正交天线法的辐射方向确定模型.
电磁辐射信号主频为接收到的信号功率最大点的频率，其决定了煤岩电磁辐射监测仪的监测频率的选择.研究表明煤岩体受载变形及破裂过程中，电磁辐射信号为小于等于1 MHz的低频信号，接收到的信号主频随辐射源的距离而发生变化，距离越远，主频向低频偏移(钱建生, 1999).钱书清等(1996) 观测大尺寸岩石试样破裂，发现超低频信号(20 Hz~ 10 kHz) 先于其他频段出现.而且，超低频电磁信号 和其他煤岩电磁频段信号相比，受干扰因素少，传播距离远，更适合于煤矿井下监测环境.
根据以上分析，本文自主研发的ZDKT-1型瞬变磁振测试系统采集频率选择3 kHz，其核心设备-煤岩动力灾害特征指标监控探头(如图5).图5中正交分布的两个磁棒天线，能够接收环境中两个方向的电磁辐射，这是确定矿震方向的基础.
 | 图5 正交磁棒天线 Fig.5 Orthogonal magnetic bar antenna |
ZDKT-1型煤岩电磁辐射接收天线为磁棒天线的一种.磁棒天线的接收机理是应用法拉第电磁感应定律，当磁棒中的磁感应通量发生变化时，绕在磁棒上的线圈会产生感应电动势，其感生机理如图6所示.
 | 图6 磁棒天线接收机理示意图 Fig.6 Receiving mechanism of Magnetic bar antenna |
磁棒天线共有N匝线圈，线圈面积为s，接收天线方向与磁场方向夹角为θ.根据电磁场及电磁波的基础理论(曹祥玉等, 2008)，得出磁棒天线的感生电动势为
E=N dΦ dt =Nscos θ dB dt . (1)
若磁棒天线的内部阻抗为R，则磁棒天线接收 到的电磁辐射功率P与电动势强度E存在如下关系：
P= E2 R , (2)
那么t1到t2时间内接收天线接收到的电磁辐射能量W与辐射功率P之间的关系为
结合式(1)、(2)、(3)可以得出信号的能量W与接收夹角θ存在以下关系：
W∝cos 2θ, (4)
由式(4)可以看出，电磁天线接收到的电磁辐射能量与接收夹角余弦值的平方成正比，表明磁棒天线有定向接收能力.
在采用正交天线接收辐射信号的过程中，假设辐射能量为W0，水平方向磁棒天线接收能量为W1，对应接收夹角为θ1，垂直方向磁棒天线接收能量为W2，对应接收夹角为θ2.那么由(4)式可以得出接收能量与夹角之间的关系为
对于正交分布的接收天线，存在 θ1+θ2=π/2，那么结合式(5)可以得出
.通过上述关系式可以确定辐射源与两接收天线的夹角，在实际应用中再结合其它探头的测量数据便可实现矿震定位.
为了验证基于正交天线法的辐射方向确定模型，在实验室中完成了如图7所示的模型验证实验.
 | 图7 电磁辐射产生和接收实验系统示意图 Fig.7 Schematic diagram of EMR generation and reception experiment system |
实验中的辐射源由功率信号发生器和辐射天线组成，能够实现井下电磁辐射环境的模拟.通过调整信号源功率输出端的工作参数，输入一组特定频率与电压的电信号，通过信号转化器将电信号转化为特定频率与大小的电磁信号，并通过发射器发射出去.采用磁棒天线(图5所示)作为接收天线，将接收的磁信号转化为电信号，经放大器放大后，信号幅度提升到一个合适的水平，然后传输到计算机中的信号采集软件之中，并以数据形式将幅值保存起来(曹祥玉等, 2008).
保持恒定的电磁辐射能量，改变辐射源的位置，使得水平接收天线与电磁信号辐射接收方向夹角θ从0到90°每隔15°变化，相应的垂直方向与辐射方向的夹角从90°到0变化，共完成7组实验，计算得出辐射源与水平接收方向的夹角为φ，磁棒天线接收示意图如图8所示.
 | 图8 磁棒天线定位示意图 Fig.8 Location of Magnetic bar antenna |
实际中电磁辐射能量指的是煤层或者煤体向外辐射电磁波的能量.对电磁辐射接收天线来说，其能量分析是针对其接收到的信号进行的，瞬态信号的能量(李夕兵等, 2008)可定义为
式中,V(t)为瞬时电压，R为电压测量电路即所用接收天线的输入阻抗.
实际处理中由于记录下的数据是由对接收信号采样得到的，需要对上式进行离散化.其离散形式为
式中，Vi为取样点的电压；Δt为取样点的时间间隔；n为样点数.
实验中n=3000，Δt=1/3000 s，阻抗R=50 Ω.先设计FIR带通滤波器对实验中的7组数据进行滤波处理，然后求出水平接收天线与辐射方向夹角为θ时，对应的平均每秒接收到电磁信号能量的大小.实验数据滤波后得到如图9所示的结果.
 | 图9 实验结果的滤波处理 a1~a7为水平天线接收信号滤波前后对比图，b1~b7为垂直天线接收信号滤波前后对比图 (a1) θ=0 °；(a2) θ=15 °；(a3) θ=30 °；(a4) θ=45 °；(a5) θ=60 °；(a6) θ=75 °；(a7) θ=90 °； (b1) θ=0 °；(b2) θ=15 °；(b3) θ=30 °；(b4) θ=45 °；(b5) θ=60 °；(b6) θ=75 °；(b7) θ=90 °. Fig.9 Filtering processing of experimental results a1~a7 is the comparison of the signal before and after filter received by horizontal antenna, b1~ b7 is the comparison of the signal before and after filter received by vertical antenna (a1) θ=0 °；(a2) θ=15 °；(a3) θ=30 °；(a4) θ=45 °；(a5) θ=60 °；(a6) θ=75 °；(a7) θ=90 °； (b1) θ=0 °；(b2) θ=15 °；(b3) θ=30 °；(b4) θ=45 °；(b5) θ=60 °；(b6) θ=75 °；(b7) θ=90 °. |
计算滤波后的信号的能量后，结合式(5)得出模型计算出的磁场源方位，与实测数据对比得出如表1中的结果.
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表1 模型计算结果与实测结果 Table 1 The calculated results of model and measured results |
将表1中采用方向确定模型计算得出的辐射源方向夹角φ同实际测试得出的方向夹角θ对比，对比结果如图10所示.从图中容易看出，天线接收方向与电磁波辐射方向的计算夹角和实测夹角误差在±1.5°范围之内，误差基本可以忽略不计，由此可见采用正交天线接收模型实现辐射源方位确定并进而实现矿震定位是有效的.
 | 图10 方向确定模型的误差分析 Fig.10 Error analysis of direction determination model |
煤岩电磁接收天线在平煤十矿得到了实际应用.平煤十矿位于平顶山矿区的东半部，处于李口向斜西南翼的中偏东部，整个井田受NWW向展布的郭庄背斜、十矿向斜、原十一矿逆断层、牛庄逆断层 等一系列压扭性构造带控制(如图11).郭庄背斜是一个在井田中部强烈突起的褶皱构造，煤层倾角 5°~27°；十矿向斜是一个宽缓的向斜，煤层倾角5 °～10°； 牛庄逆断层和原十一矿逆断层属于构造作用强烈的复杂区.井田内小断层密集发育，构造复杂，煤层破坏强烈，构造煤极为发育.断层、褶皱等地质构造引发的煤层倾角变化、煤体软煤增厚等导致煤岩动力现象更加明显.
 | 图11 平煤十矿构造纲要图 Fig.11 Structure outline map of No. 10 mine of Pingdingshan Tian′an Coal Mining Corp. Ltd. |
测试地点选在己15-24080机巷掘进工作面(如图12)，该区域地质构造比较简单，小断层较为发育.巷道标高-560~-660 m，煤层厚度1.6~2.3 m，煤层倾角8 °~20 °，己15 煤层瓦斯原始压力2.4 MPa 左右，瓦斯含量13～20 m3/t，瓦斯涌出量3.0 m3/min.
图12中红色分界线为己15和己16煤层的合并分叉线，分界面左边为己15和己16两个煤层合并成为一个煤层，右边为单独的两个煤层.己15-24080机巷掘 进过程中经常出现煤炮声响，顶板掉渣，且有明显震感.预抽巷位于己15煤层顶板以上6~8 m层位，机巷掘进前，预抽巷已对己15-24080机巷内的瓦斯实施预抽.井下共布置两组监测传感器，1#传感器距工作面30 m，2#传感器位于机巷和轨道下山交汇处，监测传感器探头水平接收天线沿机巷方向布置.
 | 图12 平煤十矿己15-24080综采面监测天线布置 Fig.12 Monitoring antennas arrangement in Ji15-24080 fully mechanized face of No.10 mine of Pingdingshan Tian′an Coal Mining Corp. Ltd. |
2012年4月6日16点班，己15-24080机巷掘进工作面掘进至距轨道下山971 m处，当班掘进对正进行突出危险性预测钻孔施工，出现严重煤炮声，瓦斯浓度有显著变化，有震感，顶板掉渣.1#监测天线接收到了电磁辐射异常，接收到的异常信号记录如图13所示，2#天线接收信号未发现异常.
 | 图13 2012年4月6日1#天线接收到的异常电磁辐射信号 (a)水平方向接收到的电磁异常；(b)垂直方向上接收到的电磁异常. Fig.13 Abnormal electromagnetic radiation signals of 1# antenna on April 6th (a)Electromagnetic anomaly in horizontal direction; (b)Electromagnetic anomaly in vertical direction. |
作者认为无电磁辐射异常时接收天线接收到的电磁信号是环境噪声信号.计算得水平方向电磁接 收天线接收到的环境噪声信号能量为NL=3.919× 10-7 J，垂直方向上为NV=6.451×10-7 J，电磁辐射异常段水平方向上接收到的能量为WL=1.997×10-5 J，垂直方向上接收到的能量为WV=2.880×10-5 J.由式(4)可以得出震源方向与水平方 向夹角θ1与垂直方向夹角θ2存在如式(8)所述关系：
又由于两接收天线是正交关系，可以得出：
θ1+θ2=π/2. (9)
结合式(8)和(9)可以得出θ1为50.2°，θ2为39.8°.那么可以看出震源方向如图12所示.
己15-24080机巷掘进工作面当天工作面突出危险性预测，正常预测布置3个钻孔(图14中1#、2#和3#).为检验预测震源方向上的突出危险性，现场沿推测震源方向补充了一个预测钻孔(图14中4#).四个钻孔均采用采用钻屑量法(S)和钻孔瓦斯涌出初速度(q)两种指标进行突出危险性预测，各孔自1 m位置开始，每测定1 m段的钻屑量(S)时，在暂停钻进后2 min内测定钻孔瓦斯涌出初速度(q).矿方结合《防治煤与瓦斯突出规定》和平煤文件要求，规定了钻孔瓦斯涌出初速度(q)和钻屑量(S)指标的临界值见表2所示.
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表2 平煤十矿工作面煤与瓦斯突出危险性预测指标临界值 Table 2 Critical value of coal and gas outburst prediction index in working face of No. 10 mine of Pingdingshan Tian′an Coal Mining Corp. Ltd. |
 | 图14 工作面突出危险性预测钻孔布置图 Fig.14 Layout of coal and gas outburst prediction boreholes in work face |
四个钻孔钻屑量S和钻孔瓦斯涌出初速度q现场测定结果分别如图15和图16所示.从图15和图16中可以看出，4#钻孔的钻屑量S值明显高于其他三个钻孔，而4#钻孔的钻孔瓦斯涌出初速度q值略高于3#钻孔，明显高于1#和2#钻孔，则4#钻孔所处位置的突出危险性高于其他三个位置.由此可得出利用电磁辐射异常数据分析得出的矿震(辐射源)方位与静态预测法预测突出危险性吻合度高.此外，四个钻孔测试结果S值和q值最大分别为3.5 kg·m-1和3.12 L·min-1.将测试结果和临界值对比分析可知，q值更接近于临界值.究其原因，四个钻孔均位于己15和己16煤层合并区域，煤层突出变厚，瓦斯含量和瓦斯压力也会相应增大，因此钻孔瓦斯初速度q会比钻屑量S更敏感.且4#钻孔距离己15和己16煤层的合并分叉线最近，其预测值会高于其他三个钻孔.
 | 图15 四个钻孔钻屑量(S) Fig.15 Cuttings volume (S) of four boreholes |
 | 图16 钻孔瓦斯涌出初速度(q) Fig.16 Gas emission initial velocity (q) of four boreholes |
根据以上分析可以看出电磁辐射能量法判断矿震方向是有效的，因此制定防突措施时，应将震源预测方向(与水平方向夹角50.2°方向)左右各30°区间范围作为煤岩动力灾害的重点防治区域，对此区域应缩小排放钻孔间距，增大排放钻孔深度和排放时间.
通过对实验室实验及煤矿井下实际信号的监测数据分析，得出如下结论：
(1)煤岩体在静载和动载的作用下均会产生电磁辐射信号，且信号强度随着煤岩体应力变化而变化，这为煤矿利用电磁辐射信号变化特征反映煤岩体应力状态提供依据.
(2)定向接收实验测试方位误差在±1.5 °范围之内，由此认为利用两个正交天线电磁信号能量与其接收夹角余弦的平方的比例关系，可以确定震源的方位.
(3)在平煤十矿己15-24080机巷掘进工作面危险性预测中，电磁信号定位法与静态指标法具有较好的检验一致性，验证了电磁信号震源定位方法的有效性.通过煤体破裂电磁信号进行局部震源定位，可以确定采掘工作面重点灾害区域，使煤岩动力灾害防治措施的更为有效.
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