煤與瓦斯突出電磁輻射的監測及應用
摘要!根據煤與瓦斯突出產生電磁輻射的原理和煤巖破裂電磁輻射信號的特征,設計出了電磁輻射監測儀,并將該監測儀應用于煤與瓦斯突出的預測預報,得到了大量的實驗數據,從中總結出煤與瓦斯突出危險程度與電磁輻射強度和脈沖數的關系,給出了有突出危險時電磁輻射強度和脈沖數的臨界值.實驗證明電磁輻射監測儀在實際應用中效果良好.
關鍵詞!煤巖破裂/煤與瓦斯突出/電磁輻射
中圖分類號!01("'2*/03&""2*4文獻標識碼!5
基金項目!江蘇省自然科學基金)67*##*""4+資助項目.
煤與瓦斯突出是煤礦井下一種極其復雜的動力現象,是礦井生產的重大自然災害之一.據統計,目前我國有突出礦井*($對,突出次數每年已超過萬次.隨著煤炭開采強度的增加和開采規模的擴大,煤與瓦斯突出'礦井沖擊地壓等問題將更加嚴重.突出預測預報是突出防治的重要環節.目前對采掘工作面瓦斯突出危險性的預測預報,主要采用打鉆來測量鉆孔瓦斯涌出量,鉆孔附近取得預測結果僅僅是局部的,并不能完全代表整個預測范圍內煤與瓦斯突出的危險性,并且這種方法需占用作業時間和空間,工作量大,對生產有一定的影響.
電磁輻射)rfgsolemnhkgopsgmpwwpek,ryr+是煤巖體受載變形破裂過程中向外輻射電磁能量的過程,與煤巖體的受載狀況及變形破裂過程密切相關(").采用電磁輻射法預測煤與瓦斯突出等災害動力現象的優點是!快捷有效,可靠性高,對生產沒有影響,并且不受人工等外界因素的干擾.
"煤與瓦斯突出產生電磁輻射理論
"2"受載煤巖破裂電磁輻射規律(*)實驗室及現場測試結果表明,不同類型的煤體破裂過程中都有電磁輻射信號的產生,電磁輻射源于煤巖體的非均質性及煤巖體變形破裂的非均勻
過程,與煤巖體的破裂過程密切相關.
數據采集與處理
!"#瓦斯對煤巖體破裂電磁輻射的影響瓦斯對煤巖體的變形破裂過程有很大影響$在煤與瓦斯突出過程中$瓦斯起了很大的作用%瓦斯氣體的存在將降低煤巖體的強度$使煤巖體的變形過程更加強烈$電磁輻射信號也隨之增強%!"&電磁輻射法預測瓦斯突出原理'&(
煤與瓦斯突出從時間上可分為準備)發動)發展及結束*個階段%預測煤與瓦斯突出就是要在其準備及發動階段$根據前兆信息判斷瓦斯突出的危險程度%根據現場統計實驗得出+電磁輻射和煤的應力狀態及瓦斯狀態有關$應力)瓦斯壓力越大時電磁輻射信號就越強$電磁輻射脈沖就越大%應力和瓦斯壓力越大$突出的危險性就越大%#煤與瓦斯突出電磁輻射信號監測的意義'*(電磁輻射的基礎及應用研究雖然還處于開創階段$但可以看到其應用前景很廣闊+
,!-評定煤巖體的應力狀態%初步的實驗研究表明$煤巖體應力應變狀態的變化能夠引起電磁輻射幅頻特征的變化$因而可以用電磁輻射幅頻值來評估煤巖體或工作面的應力狀態%,#-預測預報煤巖災害動力過程$如煤與瓦斯突出)頂板塌陷)圍巖變形)沖擊礦壓)礦震)滑坡和
地震等%這些過程的發生$均是在應力應變狀態發生改變$或者在它們本身的孕育)準備或發展階段$引起應力應變狀態的改變$這必然會產生電磁輻射信號的某些特征的變化%這些將成為預測預報煤巖體失穩的一種新的前兆%,&-煤巖變形及破壞機理的研究%煤巖體變形
及破壞過程中的電磁輻射來源于煤巖體中微結構的變化$通過對煤巖體變形及破壞過程中的電磁輻射的研究$有助于揭示煤巖材料流變破壞的微觀機理%可見$含瓦斯煤巖電磁輻射的研究及其推廣應用對于改善我國的安全狀況$特別是改善煤礦井下的安全狀況具有重要的現實意義%&基于嵌入式網絡單片機的電磁輻射監測儀的設計&"!監測儀設計'.(該監測儀由天線)前置放大器)低通濾波器)主放大器)/01轉換)網絡單片機)以太網通信接口)存儲器)顯示器和鍵盤等部分組成%
圖!監測儀的硬件基本組成
監測儀硬件主要采用23.#41!55$
67895!:/2和#*8;#.!<位 @ABC
存儲器和#9位6/D$由于采用;EF并行方式及單時鐘周期指令!55DGH晶振振動下指令執行速度可達!55DIE2$該網絡單片機的最大特征是虛擬外設功能%67895!:/2是6JA@
&"#監測儀的軟件設計
監測儀的系統軟件包括主程序和通信程序%主程序含有初始化部分和參數設計等$通信程
序主要完成與地面上位主計算機的快速數據交換$大量的原始數據需要從監測儀傳輸到上位機$由上位機進行數據處理和分析%
通信程序軟件流程如圖!所示"
圖!監測儀通信程序軟件流程圖
#電磁輻射法預測煤與瓦斯突出的
應用
電磁輻射法預測煤與瓦斯突出在平煤集團八礦進行試驗$主要在有突出危險的戊二沿煤下延皮帶下山%己&'(&)&*+機巷,西-%己&'(&)!*+機巷%戊二軌道下山揭煤巷和沒有突出危險的
機巷進行"共完成測試&!+次$預測預報*0次$記錄**'批)*01數據$累計試驗巷道長度#0'2"
#3&不同煤層的電磁輻射測試情況試驗結果表明$對有突出危險的煤層$當有突出危險時$工作面煤體電磁輻射信號較強,如圖),4-所示-$脈沖數較高$或電磁輻射脈沖數隨時間呈增強趨勢,如圖),5-所示-6沒有突出危險時$工作面煤體電磁輻射信號較弱,如圖#,4-所示脈沖數較低,如圖#,5-所示-"對于沒有突出危險的煤層$工作面煤體的電磁輻射信號非常弱$脈沖數幾乎為零,如圖'所示-"
,4-電磁輻射強度變化
,5-電磁輻射脈沖數變化
圖) ,&)&*+機巷-有突出危險時測試結果
,4-電磁輻射強度變化
,5-電磁輻射脈沖數變化
圖# ,&)&*+機巷-沒有突出危險時測定結果
,4-電磁輻射強度變化
,5-電磁輻射脈沖數變化
圖' ,&&&+&機巷-沒有突出危險煤層測試結果
)*第&期張劍英$等7煤與瓦斯突出電磁輻射的監測及應用
測定結果表明!在平煤集團八礦機巷掘進工作面和戊二皮帶下山掘巷電磁輻射強度和脈沖數普遍比 (&'機巷掘面高!說明&'機巷掘進工作面和戊二皮帶下延掘巷的突出危險性比己 (&'機巷掘面大)
*+(煤與瓦斯突出指標臨界值的確定
在采用電磁輻射法監測工作面煤層突出危險性的同時!也用常規的鉆孔預測方法進行了預測比較)結果顯示!電磁輻射強度和脈沖數與鉆孔預測法中瓦斯涌出的初速度和鉆屑瓦斯解吸指標間基本呈正相關)根據測定結果比較分析得到,有突出危險時電磁輻射強度和脈沖數指標的臨界值分別為#"-.和"''次/0)同時也表明!僅測定電磁輻射脈沖數或電磁輻射強度單項指標是無法滿足需要的!電磁輻射強度與電磁輻射脈沖數變化并非嚴格同步!電磁輻射強度較大而脈沖數較低!或電磁輻射強度較小而脈沖數較高時!均有突出危險)電磁輻射強度主要反映了含瓦斯煤體受載程度及其變形破裂強度!而脈沖數主要反映了含瓦斯煤體的變形破裂的頻度!所以只要有一個指標大于這一臨界值就需要采取防突措施)*+%防突措施前后電磁輻射變化情況。有突出危險時!電磁輻射強度和脈沖數較大!采取措施后!電磁輻射強度和脈沖數降低1如圖2!3
所示4)圖2為在"%(&'機巷掘進工作面測定結果!
雖然電磁輻射脈沖數較低!最大為"&次/0!但最大電磁輻射強度為#3-.!已經超限!在工作面前方
154電磁輻射強度變化
164電磁輻射脈沖數變化
圖2有突出危險時打措施孔前測定結果
打了措施孔卸壓!測定結果如圖3所示!此時電磁
輻射脈沖數為'!最大電磁輻射強度為"2-.!表明
采取的措施起到了作用)
電磁輻射強度變化
圖3有突出危險時打措施孔后測定結果
1此時的脈沖數為'4
結束語
煤與瓦斯突出是煤礦生產中的重大自然災害之一!預測預報是防治突出災害的重要環節)本文通過分析煤與瓦斯突出產生電磁輻射的原理!針對煤巖破裂電磁輻射信號的特征!設計出了電磁輻射監測儀!并將該監測儀應用于煤與瓦斯突出的預測預報實驗!得到了大量數據)在與常規鉆孔法的比較中!總結出煤與瓦斯突出危險程度與電磁輻射強度和脈沖數的關系)給出了有突出危險時電磁輻射強度和脈沖數的臨界值分別為#"-.和"''次/0)在實際的監測中發現只要有一個指標大于臨界值就需要采取防突措施)該儀器已應用于實際中!真正實現了無接觸7定時7定向7連續的監測和預報。可靠性和準確性都很高!獲得了較好的預測預報結
果)
參考文獻,
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州,中國礦業大學出版社!"&?:&*<"(3:
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8=9:地球物理學報!('''!*%1"4,"%"9:徐州,中國礦業大學!"&&&:
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炭學報!"&&&!1*4,%&(<%&*:
8#9錢建生!陳治國!張劍英:煤與瓦斯突出電磁輻射在線
監測系統的設計8=9:工礦自動化!(''(!1*4,"<%:
作者簡介,張劍英 女!副教授，研究方向,信號與系
統7電磁場理論及應用
馬姍姍
1"&3J$4!碩士!研究方向,多媒體技術I陳治國1"&3"$4!男!
講師!研究方向,煤礦信息化和自動化)
*&數據采集與處理第"&卷
