8.2.1 电磁辐射监测仪简介
对于煤岩变形破裂电磁辐射现象的研究及监测仪器的研制，最早的是20世纪80年代末至90年代初前苏联矿山测量与地质力学研究院先后研制的“EГ—9”、“BOЛa—1”、“BOЛa—2”等型号的测量仪器，主要是通过测定工作面前方的电磁辐射脉冲数来评价其冲击矿压和煤与瓦斯突出危险性。煤炭科学研究总院重庆分院的马超群等［192］研制了MMT—92型煤与瓦斯突出危险探测仪，该仪器采用点频（57±5 kHz）天线来接收煤岩破裂的电磁辐射，测定指标也是电磁辐射的脉冲数，根据脉冲数的高低来预测工作面突出危险性。上述仪器的一个共同缺点是测定参数只有电磁辐射脉冲数一项指标，且测定的只是单一频率，这与实际煤岩体变形破裂过程电磁辐射参数的特征是不符合的，因而导致其判定结果的不准确性，使其应用受到一定的限制。
KBD-5矿用本安型电磁辐射监测仪是中国矿业大学根据对受载煤岩电磁辐射特征的研究而设计制造的，可用于煤矿井下预测预报冲击矿压、煤与瓦斯突出等煤岩灾害动力现象以及工作面前方应力状态的监测，也可以对金属矿山岩爆危险性以及混凝土构造的隧道安全性等进行监测，是按照GB3836.4～83《爆炸性环境用防爆电器设备通用要求》制造的。该仪器使用宽频带、高灵敏度定向天线，接收电磁辐射参数有电磁辐射强度和脉冲数两个指标。
主要技术参数有：
频率：宽频
天线灵敏度：50μV/m
测试方式：非接触定向测试
报警方式：手动设置预警临界值，超限自动报警
接收机输入信号：Vpp≥2μV
电源：MCDX-III型隔爆本安电源
工作电压：（12±0.5）V
工作电流：不大于500 mA
有效预测距离：7～22 m
防爆形式：Ex ibI，矿用本质安全型
KBD-5矿用本安型电磁辐射监测仪整个系统包括天线、接收机、微机、电源、充电器、天线固定支架和数据处理及分析软件，其中KBD-5电磁辐射监测系统软件是在Windows操作平台上开发而成的，软件功能强，包括文件操作、数据传输、图表显示、数据连接、动态分析及预测预报、结果打印、远程监测及控制、帮助系统，并具有良好的主界面，如图8.6所示。
图8.6 KBD-5电磁辐射监测系统软件操作界面图
KBD-5矿用本安型电磁辐射监测仪的主要特点有：
1）电磁辐射技术及监测实现了非接触、定向、区域及连续预测；
2）电磁辐射信号的采集、转换、处理、存储和报警由监测仪自动完成。
监测仪具有人机对话、定向接收、数据接收和处理、数据存储和查询、数据和图形显示、与PC机通讯和报警等功能。
其电原理图和电磁辐射监测仪测试方式图如图8.7、图8.8所示。
图8.7 KBD-5电磁辐射监测仪电原理图
图8.8 KBD-5电磁辐射监测仪测试方式图
8.2.2 电磁辐射监测技术在煤岩动力灾害预测中的应用［193～196］
目前，煤岩动力灾害如煤与瓦斯突出的预测方法从预测的范围和时间来分有：区域预测和局部预测，前者又称长期预测，主要是确定矿井、煤层区域的危险性；后者的任务是在前者的基础上及时预测局部地点的危险性，又称为日常预测。若根据突出过程及其连续性有静态（静态）预测方法和动态（连续）预测方法，静态预测是指从现场提取煤岩体在某一时刻所处状态的某种量化指标（如钻屑量、钻孔瓦斯涌出初速度法、R指标法等）来确定危险性，动态预测指通过动态连续监测能够综合反映煤岩体所处应力状态的某种指标（如声发射法、电磁辐射法等）来确定待测地点的危险性。其中电磁辐射非接触预测法是近年来发展较快且取得较好效果的预测方法，尽管在实验室研究和仪器的研制方面均取得了显著的成绩，但是在现场煤岩灾害危险区域的确定方面仍然有许多工作要做。
（1）煤岩开采巷道围岩内部应力区及其电磁辐射监测技术
岩爆、冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害是煤岩体在地应力（包括构造应力）作用下发生变形破坏的过程，发生的结果是煤岩体的快速抛出及瓦斯的大量释放，是煤岩体、瓦斯及地应力共同作用的结果。在掘进或回采空间形成后，工作面煤岩体失去应力平衡，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，即发生流变；煤体中的瓦斯也失去动态平衡，在瓦斯压力梯度的作用下，沿煤体中的裂隙向工作面空间涌出，这两种过程均会引起电磁辐射。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。
采掘空间形成后，采掘工作面前方存在三个区域：松弛区域、应力集中区和原始应力区，并随着工作面的推进而前移。在松弛区，煤体已发生屈服，在煤体内部形成了大量的裂隙，煤体呈破碎状态，煤体已不能承受太大的应力作用。因此，该区域的应力较低。由松弛区到应力集中区，应力及瓦斯压力越来越高，因此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，因此煤体的变形破裂过程也较强烈，该处电磁辐射源产生的电磁辐射信号最强。越过峰值区后进入原始应力区，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。沿着工作面煤体深度方向上不同位置的电磁辐射源产生的电磁辐射有一个类似于应力曲线型的理论曲线（如图8.9）。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，是不同深度煤体的电磁辐射场在测试地点的叠加场的反映，预测范围包含应力松弛区和应力集中区。
图8.9 工作面煤体内电磁辐射（E）和应力（σ）分布示意图
综上所述，电磁辐射和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。应力和瓦斯压力越高，突出危险越大。电磁辐射强度和脉冲数两个参数综合反映了煤体前方应力的集中程度、瓦斯压力的大小和含瓦斯煤体突出危险的程度，因此可用电磁辐射法进行突出预测。煤岩电磁辐射（EME）是煤岩体受载变形破裂过程中向外辐射电磁能量的一种现象，与煤岩体的变形破裂过程密切相关。
同样，在煤岩体中进行钻孔后，由于钻孔周围的煤岩体产生应力的释放，发生变形破裂。钻孔周围的地应力越大，或者说应力集中程度越大，则钻孔周围的煤岩体其变形破裂的程度也越大，因而产生的电磁辐射信号也越强。因此，电磁辐射信号能够反映钻孔过程中煤岩体破坏的程度，由煤岩体钻孔检测的电磁辐射结果也能够确定采掘工作面前方应力区域的范围。
钻孔电磁辐射测定系统包括电容式电磁信号传感器、推拉杆和电磁辐射仪。其工作原理是：首先由电容式信号传感器接收钻孔过程中产生的电磁辐射信号，通过放大器放大，然后由电磁辐射监测仪记录感应电势值。实验时，一般垂直煤岩壁面钻孔，每次钻孔1.0 m后立即用电磁辐射仪测定电磁辐射信号。测定系统布置图如图8.10所示。
图8.10 工作面煤体内钻孔电磁辐射测定示意图
（2）电磁辐射与常规预测指标及突出危险性关系
2002年4月在淮南矿业（集团）有限责任公司潘三矿进行了现场试验，主要进行了以下工作：
1）在潘三矿1452（3）轨顺、1452（3）运顺掘进工作面安装了煤与瓦斯突出电磁辐射监测仪，并确定了电磁辐射监测参数；
2）现场测试掘进工作面煤与瓦斯突出与电磁辐射的关系；
3）现场测试掘进工作面电磁辐射与钻屑量、钻孔瓦斯涌出初速度指标间的关系；
4）测试了工作面不同方位电磁辐射的分布。
下面是测定结果分析，从图8.11中可以看出：
图8.11 潘三矿1452运巷同一地点不同方位电磁辐射与常规预测对比
1）电磁辐射强度和脉冲数平均值在同一监测地点不同方位的测定结果其变化趋势均是一致的，即左前方、右前方和正前方在某一个时刻测定的结果相差不大，但是正前方的值要稍微大于左前方和右前方，此变化规律与本文的力电耦合计算结果是一致的；
2）电磁辐射强度和脉冲数平均值测定结果与常规预测法测试值进行对比，发现二者也具有相同的变化趋势，从而说明煤岩变形破裂过程产生的电磁辐射信号反映了煤岩体内部应力的变化，二者呈现正相关的关系。
（3）煤岩体不同深度电磁辐射的变化
2002年12月在淮南矿业（集团）有限责任公司潘三矿进行了现场钻孔电磁辐射试验，测定实验结果如图8.12和图8.13所示。从图中可见：
1）现场钻孔内不同深度测定的电磁辐射强度是不同的，其一般是随着离孔口的距离的增加，先是逐渐增大，在离孔口大约3～5 m范围内达到峰值，然后又开始降低；基本上呈现出与钻孔应力变化相同的趋势，同时也证明了本文第九章力电耦合计算的合理性；
2）对不同测定位置，发现在正前方测定值要大于左前方，说明正前方同一深度的应力值或应力变化要大于左前方的，这一现场测定结果与前面模拟计算值在巷道深度方向的分布规律是吻合的。
图8.12 EME现场测定幅值与钻孔不同深度的关系
图8.13 EME现场测定脉冲数平均值与钻孔不同深度的关系
8.2.3 煤岩变形破裂电磁辐射临界值的确定
为判断待测煤层的突出危险性，需要对KBD-5型电磁辐射监测仪的两个参数：电磁辐射强度和脉冲数，进行临界值的设定。KBD-5型电磁辐射监测仪主要由高灵敏度宽频带定向接收天线和电磁辐射接收及数据处理主机组成，是通过电磁辐射强度值和脉冲数两个参数指标三个值（电磁辐射强度最大值Emax、电磁辐射强度平均值Eavg和电磁辐射脉冲数N）来监测工作面冲击危险程度的。在应用过程中，发现临界值设定的好坏直接影响预测效果，因此本文对此进行了研究。
（1）临界值确定的步骤
对一般矿区采用临界值法，即当电磁辐射强度或脉冲数超过临界值时，监测仪自动报警，应采取防治措施。不同矿区因其不同的地质情况、煤岩内应力分布、煤岩物性电性参数、煤中瓦斯状态和煤岩含水率等，其电磁辐射水平也各有差异，因此必须设定不同的临界值。煤岩体破裂过程中产生的EME，其影响因素主要有：煤岩电性参数、加载条件、煤岩组分等。电性质是煤岩材料的重要物理性质，也是研究煤岩电磁辐射传播特性的主要参数；对此何学秋、聂百胜［64］等进行了一定程度的研究。本书第4章也对影响电磁波在煤岩介质中的衰减特性进行了分析与研究。
为此，煤岩破裂电磁辐射临界值的主要影响因素分析如下：
1）应力变化率决定裂纹扩展的速度以及煤岩破坏所需的能量，也就决定了破坏过程电磁辐射能量的大小。这与不同矿区不同煤岩具有不同流变突变速率有关，从而影响电磁辐射的幅度和频度。
2）不同变质程度煤体受载下产生的电磁辐射具有不同的幅度和频度特征。
3）煤体电阻率和相对介电常数随应力的变化而变化。因此现场电磁辐射传播在原始煤体和受载煤体中由于电性参数不同而有很大变化，从而造成了电磁辐射幅值的变化，也影响了临界值的确定。
因此，为确定适用于不同矿区煤岩动力灾害危险性电磁辐射预测的临界值，可以在预测初期采用危险性常规预测法和非接触的电磁辐射监测法同步测定，然后通过对比分析和数据处理，以确定合理的幅度和频度（即电磁辐射强度和脉冲数）临界值。确定好临界值后，只需采用电磁辐射方法，就可以真正实现煤与瓦斯突出危险性的动态、连续预测。临界值确定方法的步骤如下：
1）首先了解待测煤层的地质情况、物性电性参数、应力状况、含水率等，并对所取煤样进行受载下电磁辐射的实验研究。
2）采用常规的突出预测方法如钻孔瓦斯涌出初速度qm和钻屑指标（Smax、K1值、Δh2值）进行跟班测定，并对待测煤层的测定数据进行详细记录。
3）采用KBD-5电磁辐射监测仪对同一含瓦斯煤层同一地点进行同步监测，也可进行动态跟踪监测。定点监测就是在巷道中选定某一测点，监测选定区域内煤体在采掘过程中电磁辐射的变化。动态跟踪监测就是随着工作面的进尺，在工作面迎头布置测点，监测进尺后工作面前方煤体的电磁辐射，以预测工作面前方煤体的突出危险程度。如图8.2所示，安装好支架和天线，并连接好主机及电源。然后打开仪器，先根据经验设置初步的临界值、门限值和组数等；按开始键进行测试，测定电磁辐射强度和脉冲数。
4）测试结束后，将便携式监测仪带到井上，将数据传输到微机中，结合常规预测方法的测定数据，进行进一步的趋势分析。
5）通过一定时期的同步测定和数据分析后，不断修正临界值，最后根据分析结果确定一个合理的适用于特定煤层的电磁辐射预测临界值。
（2）现场应用效果
以东庞煤矿2900北辅轨道巷、2900轨道下山的掘进工作面煤与瓦斯突出危险性预测为例。常规预测采用钻孔瓦斯涌出初速度qm、钻屑量S等不连续法进行工作面突出危险性预测，同时采用KBD-5矿用本安型煤与瓦斯突出电磁辐射监测仪进行了同步预测。
根据一定时期的测定和对测定数据的分析表明，电磁辐射强度和电磁辐射脉冲数与钻孔瓦斯涌出初速度qm和钻屑指标（Smax、K1值、Δh2值）之间基本上呈正相关。钻孔瓦斯涌出初速度qm或钻屑指标大的地方，电磁辐射强度或脉冲数也较大（如图8.14，8.15）。试验期间，钻孔瓦斯涌出初速度q、钻屑瓦斯解吸指标Δh2和电磁辐射强度和脉冲数指标的测定结果相对比较一致。根据测定结果和试验地点煤层稳定情况分析，2号煤层钻孔瓦斯涌出初速度q临界指标可暂定为4.0 L/min，钻屑瓦斯解吸指标Δh2临界值可暂定为200 Pa。从图上可以看出一段测定时间内电磁辐射强度最大值的平均值在200 mV左右，脉冲数最大值的平均值在100次/s水平。
图8.14 电磁辐射与钻孔瓦斯涌出初速度关系
图8.15 电磁辐射与钻屑量、Δh2指标间关系
因此分析东庞矿2号煤的实验室和现场实际电磁辐射测定结果、结合其他突出矿井的电磁辐射临界指标，确定东庞煤矿2号煤电磁辐射强度和脉冲数指标的临界值分别为200 mV和100次/s。电磁辐射强度E大于200 mV，或者脉冲数大于100次/s时需采取防突措施。
确定好电磁辐射强度值和脉冲数的临界值后，再利用KBD-5矿用本安型煤与瓦斯突出电磁辐射监测仪对2900北辅轨道巷2901下巷电磁辐射进行测定，测定结果如图8.16～8.17。
试验结果表明，有突出危险时，工作面煤体电磁辐射信号强度较强，脉冲数较高，如图8.16所示；没有突出危险时，工作面煤体电磁辐射信号强度较弱，脉冲数较低，如图8.17所示。
图8.16 2900北辅轨道巷电磁辐射测试结果
图8.17 2901下巷电磁辐射测定结果
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