基于钻孔电磁辐射法的煤体应力分布测试＊

时间：2024-07-28

苑广华王恩元沈荣喜潘东伟许金杯

（1.中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市，221116；

2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221116；3.煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏省徐州市，221116）

1 概述

煤岩动力灾害是我国煤矿重大自然灾害之一，尤其是近年来随着煤炭资源开发力度的加大，煤矿开采深度不断延伸，越来越多的矿井易发生冲击地压及煤与瓦斯突出事故。煤岩动力灾害严重束缚我国的煤炭生产效率，威胁广大煤炭工作人员的生命安全。为有效提高煤炭行业的产能，保证煤炭工作人员的生命安全，必须对煤岩动力灾害尤其是冲击地压和煤与瓦斯突出进行监测预防。

理论和实践表明，围岩应力（采动应力和区域构造应力）是导致矿井冲击地压等煤岩动力灾害发生的主要因素。为预防冲击地压和煤与瓦斯突出的发生，前人提出了很多预测预防技术，其中煤层打钻注水软化、深孔预裂预爆和钻孔卸压等效果最为显著，被广泛应用于煤岩动力灾害防治。近年来许多学者认识到，在煤岩变形破坏的过程中会产生各种辐射能，研究煤岩应力变化所产生的各种辐射信息能作为预测冲击地压的手段。研究表明，煤岩体在受载时会产生电磁辐射，电磁辐射是煤岩体在受载变形破裂过程中向外辐射电磁能量，它与煤岩体的性质、受载状况及变形破裂程度具有密切相关性，因此用电磁辐射法测试煤岩的受力状态是合理的。电磁辐射监测技术不仅广泛应用于预测煤与瓦斯突出、冲击地压等煤岩动力灾害，还用于围岩松动圈范围及卸压带区域的测试和爆破卸压效果检验等。王恩元等利用电磁辐射技术在潘三、谢一、张集等矿准确测试出围岩松动圈范围；刘晓斐等利用电磁辐射技术在张集矿、南山矿成功测试到工作面前方卸压带区域；徐文全等利用电磁辐射技术在梁北煤矿成功进行了爆破卸压效果检验。基于上述研究成果，本文提出用电磁辐射法测试工作面前方煤体内应力分布状态。

2 煤体应力分布的电磁辐射法测试

采掘活动改变了煤体的原始应力状态，从煤壁到煤体内部依次存在应力松弛区域、应力集中区域和原始应力区域。由于电磁辐射强度值与煤岩应力状态具有很好的相关性，可根据电磁辐射信号强弱分析煤体应力分布规律。钻孔电磁辐射法测试工作面前方煤体内应力分布，是利用小直径柱状钻孔天线测试煤体内不同深度的电磁辐射信号强度值，根据测试的电磁辐射值的变化情况，定性分析煤体内部应力分布及变化的区域规律，进而得出煤体内应力分布。

测试仪器为中国矿业大学电磁辐射课题组研制的KBD5便携式矿用本安型电磁辐射监测仪和配套的小直径柱状钻孔天线，测试指标为电磁辐射强度值和电磁辐射脉冲数，具体测试流程为：

（1）从工作面前方进风巷、回风巷超前工作面20m 处，每间隔10m 打直径42mm、深度10m的钻孔，进风巷、回风巷钻孔各布置5个，如图1所示。

（2）钻孔形成后，将钻孔天线与KBD5 电磁辐射监测仪主机连接，并设置好电磁辐射测试参数：门限值、测试时间等。

（3）用推拉杆将小直径钻孔天线送入测试钻孔，天线与钻孔底端接触后开始进行测试。

（4）测试时从钻孔底部开始，之后沿钻孔向外每隔0.5m 布置1个测点，逐一开始测试，直至孔口，钻孔施工及天线布置如图2所示。

（5）单个测点的测试时间为60s，整个测试过程的数据记录由KBD5电磁辐射监测仪自动完成，测试结束后将电磁辐射数据传输到计算机进行处理。

3 现场应用

3.1 煤矿概况

测试区位于峻德矿三水平北17＃煤层三、四区一段，煤层赋存稳定，以块状亮煤为主，含少量暗煤，倾角27～32°，煤层厚8.21～12.94 m。煤种为气煤，复合煤层，夹有碳质页岩、凝灰岩及粉砂岩。煤层直接顶为厚4.0～7.0 m 的灰色细砂岩，以石英长石为主，含少量黑色矿物；老顶为厚30～40m 以石英、长石为主的浅灰、灰白色中、细砂岩；底板为厚4.0～7.0 m 的凝灰质粉砂岩。17＃煤层与上覆11＃煤层间距140～170m，与下伏21＃煤层间距60～70m。区内上覆第四系砂层，砂层底板标高232～280 m，砂层水已疏干。开采上限标高为-221.0m，下限标高为-313.3 m，采高3.0m，揭煤时绝对瓦斯涌出量0.36m3／min。

3.2 电磁辐射测试结果

在峻德矿三水平北17＃煤层三、四区一段进风巷上帮、回风巷下帮超前工作面60m 范围内进行钻孔电磁辐射测试。每隔10m 布置1个测点；钻孔深度设计为10m，但在打孔的过程中由于出现卡钻、不排碴、出水等现象，钻孔深度很难达到预定的10m，现场施工孔深为4～7m；设定电磁辐射监测仪的门限值为50，测量时间为60s，其余参数均为默认值，从钻孔孔底向孔口方向每隔0.5m布置1 个测点，直至孔口；数据记录由KBD5电磁辐射监测仪自动完成，测试结束后将电磁辐射数据传输到计算机，由KBD5 数据分析软件进行处理。

根据测试结果选取进风巷上帮超前工作面30 m、50m 的测点及与之对应的回风巷下帮超前工作面30m、50 m 的测点。进风巷上帮超前30 m、50m 位置钻孔的电磁辐射分布如图3、图4所示，回风巷下帮超前工作面30m、50m 位置钻孔的电磁辐射分布如图5、图6所示。

图6 回风巷超前工作面50m 钻孔电磁辐射分布曲线

3.3 测试结果分析

由图3和图4可知，峻德矿三水平北17＃煤层三、四区一段一分层进风巷钻孔电磁辐射强度值在孔口附近较小，随着深入钻孔内部，虽然出现波动但电磁辐射强度值总体呈增大趋势，在5 m 左右达到峰值，然后开始减小。根据煤岩体受载状态与电磁辐射强度的关系，钻孔电磁辐射峰值与应力峰值位置相对应，电磁辐射强度低的区域为煤体的应力松弛区域，电磁辐射强度高的区域为煤体的应力集中区域，电磁辐射强度呈增长趋势但增长变缓的地方为应力松弛区域与应力集中区域的边界，可判断峻德矿三水平北17＃煤层三、四区一段超前工作面进风巷上帮超前30m 位置处钻孔电磁辐射强度峰值点约位于煤体内5m 处（见图3），超前50m处的峰值约位于煤体内4.5～5.5 m 处（见图4）。煤体内部在0～4.0m 电磁辐射值较低，4m 左右电磁辐射值出现增长变缓，而5 m 后电磁辐射值从一个高值开始迅速下降，可初步判定0～4.0 m为卸压区域，卸压区域边界在4 m 左右位置，原岩应力区应在大于5.5 m 的区域，而在4.0～5.5 m 区域电磁辐射值处于较高的数值，表明这一区域为应力集中区，应力峰值点大致位于5m 处。

由图5和力6可知，回风巷钻孔电磁辐射强度值在孔口附近较小，随着深入钻孔，强度值逐渐增大，但增大幅度较缓慢，直到测试的最大深度也没有出现下降的趋势，这表明回风巷下帮煤体超前工作面应力松弛区比进风巷长，应该在5 m 或更深的区域，而应力集中区和应力峰值位置大于5m。

对比进风巷上帮和回风巷下帮煤体内部的电磁辐射强度值，回风巷上帮的电磁辐射值要高于进风巷上帮，这是因为回风巷邻近采空区，而与进风巷相邻的为实体煤柱，相对进风巷而言回风巷所承受的矿山压力较大，在高应力作用下，煤体被压酥，形成裂隙，在高应力作用下的回风巷所产生的电磁信号要比进风巷强；回风巷下帮30m 处电磁辐射值较低是因为在回采工作面上出口前方实施了深孔预裂预爆措施，使浅层煤体内的应力得到充分释放。对比回风巷和进风巷钻孔电磁辐射曲线可看出，回风巷的应力松弛区明显增长，应力集中区要向煤体深部转移1 m 或更深，这是由于峻德矿采用了煤层打钻注水软化和深孔预裂预爆等防冲措施使煤体应力集中区向煤体深部转移。

从测试结果来看，电磁辐射值与工作面前方煤体应力分布一致，这与理论分析相同。在松弛区，煤体已发生屈服，有大量的裂隙在煤体内部形成，煤体大量破碎，且内部赋存的弹性能大部分得到释放，已不能承受太大的应力作用，因此该区域的应力较低，产生的电磁辐射也较弱。由应力松弛区到应力集中区，煤体所承受的应力逐渐增大，在较高的应力作用下，煤体变形量也较大，电磁辐射信号也越来越强。在应力峰值点，应力达最大值，因此煤体的变形破裂也最强烈，电磁辐射信号最强。越过峰值点后进入原始应力区，煤体所受的应力有所下降，煤体的变形破裂趋于缓和，电磁辐射强度逐渐下降，下降到一定值时趋于稳定。