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安全技术及工程
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煤与瓦斯突出是影响我国煤矿安全生产的主要灾害之一。目前，普遍认为煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯压力以及煤体力学属性及地质构造综合作用的结果[1]。即在高地应力带和地质构造带附近的松软、低透气性、高瓦斯压力煤层更容易引发煤与瓦斯突出事故。采前预抽瓦斯可以降低煤层瓦斯压力，从而降低突出发生的危险性。对于松软低透气性高瓦斯压力突出煤层，必须采取专门的技术措施来提高煤层的透气性[2]。煤层水力冲孔技术既改变了突出煤层的物理力学性质，又达到了煤层增透时消除突出源动力的目的，因此在采掘作业过程中可以用来防治煤与瓦斯突出[3]。目前在煤层水力冲孔增透效果评价方面的使用方法，主要集中在煤层水力冲孔后的瓦斯抽采效果或煤体参数测试，主要有施工钻孔测定煤层钻屑量、残余瓦斯含量、煤体的含水率和考察瓦斯抽采参数变化等。这类方法应用主要集中在煤层水力冲孔后的效果考察，而在水力冲孔期间的破煤效果对瓦斯抽采效果影响评价的应用较少。如果能对水力冲孔期间破煤的动态过程进行有效的监测，可以为水力冲孔后瓦斯抽采效果预评价提供指导。
水力冲孔技术是利用高压水冲击煤体，使煤体破裂，破裂会释放能量[4]。电磁信号作为煤岩体破裂能量释放的一种外在辐射形式[5-6]，与煤岩体受载破裂程度呈正相关，煤体破裂程度越高，电磁辐射信号也越强。OGAWA等[7]认为岩石破裂时会产生新生表面，裂缝的两侧壁面带有正负相反的电荷，它相当于一个偶极子进行充电和放电，从而向外辐射电磁信号。郝锦绮等[8]对双轴压力下的岩石应变与表面电位的研究表明，样品应力突变时自电位均有脉冲状的瞬时变化，并认为是样品表面测量处束缚电荷面密度在应力突变时的变化所产生的瞬间极化电流引起。文献[9-11]对煤样在受载、受热条件下的带电特征进行了研究，结果表明，在整个变形破裂过程中煤体都有表面电位产生，且表面电位大小与载荷的变化趋势呈较好的一致性。从20世纪90年代开始，文献[12-14]建立了受载煤岩电性参数测试系统及煤岩剪切和拉伸电磁辐射试验系统，对煤岩体不同变形破裂过程的电磁辐射效应及其规律进行了研究，结果表明，受载煤岩体变形破裂过程中电磁辐射信号与载荷呈正相关，电磁辐射信号变化可以作为受载破坏煤岩裂隙场动态演化过程的指标。
水力冲孔技术作为一种高效的区域防突措施正在煤炭行业不断地被普及，电磁辐射监测技术也因为其在监测煤岩动力灾害预警中表现优越而被广泛应用。但是，如何将高灵敏度的电磁辐射监测技术与水力冲孔技术相结合来实时动态监测水力冲孔期间煤层的内部破裂程度、应力运移等,具有重要的意义。基于此，笔者以贵州盘江矿区松河煤矿17、18号煤层为研究对象，利用水力冲孔技术对2个近距离煤层卸压增透，并利用电磁辐射信号检测设备对水力冲孔过程中煤岩破碎产生的电磁信号特征进行监测，分析不同煤层水力冲孔破煤过程中煤体变形破裂的电磁辐射响应规律，研究电磁辐射信号在水力冲孔破煤效果评价中的应用。研究结果表明，可以通过使用电磁辐射信号监测技术监控和记录煤体内部的异常状况，为现场作业人员提供危险辨识的参考依据。
贵州松河煤矿位于盘江矿区土城向斜北翼，主采煤层均为突出煤层，矿井属煤与瓦斯突出矿井。根据松河煤矿地质勘探资料，主采的17、18号煤层平均间距为3.4 m，透气性系数为0.26 m2/(MPa2·d)左右。煤层瓦斯参数见表1。
表1 煤层瓦斯参数
Table 1 Coal seam gas parameters
煤层编号瓦斯含量/(m3·t-1)瓦斯压力/MPa瓦斯放散初速度煤层坚固性系数破坏类型1714.01.5811.50.44Ⅲ～Ⅳ类1814.71.7210.50.33Ⅲ～Ⅳ类
本次试验选择在松河煤矿二采区内，在12171运输底抽巷施工穿层抽采钻孔，一次性穿过17、18号煤层，并对12171运输巷掘进条带煤层实施水力冲孔卸压增透措施，考虑17、18号煤层属近距离煤层，需同时抽采瓦斯、同时消突，施工时也对18号煤层实施水力冲孔卸压增透措施。冲孔施工位置如图1所示。
图1 水力冲孔试验井下位置示意
Fig.1 Downhole position diagram of hydraulic punch test
水力冲孔施工地点选在图1中红色五角星位置，沿巷道一帮布置1个上行孔作为水力冲孔钻孔，该孔需一次性穿透17、18号煤层。水力冲孔钻孔A孔完成钻孔施工后，在距水力冲孔钻孔A孔旁边施工1个电磁辐射信号监测孔，钻进至17号煤层后停止钻进。水力冲孔钻孔与电磁辐射信号监测孔布置如图2所示，钻孔参数见表2。
表2 钻孔参数
Table 2 Borehole parameters
钻孔倾角/(°)夹角/(°)见煤点穿煤长度孔深/m水力冲孔钻孔390钻进32.5m17号煤层3m35.8电磁信号监测孔380钻进27.1m—27.1
图2 水力冲孔试验井下钻孔布置示意
Fig.2 Schematic diagram of downhole borehole layout in hydraulic punch test
在水力冲孔过程中，进行煤体电磁辐射信号的同步监测，电磁辐射信号检测使用YDD16矿用本安型煤岩动力灾害监测仪(图3)。该监测仪电磁辐射强度指标E输出时以电磁辐射强度、振幅、振铃、时间、脉冲数等参数显示在监测仪的显示屏上，使测试人员在现场直观快捷地掌握所测范围内的电磁辐射信号的强弱，对区域危险性进行判断。
图3 YDD16矿用本安型煤岩动力灾害监测仪
Fig.3 Coal and rock dynamic disaster monitor of YDD16
YDD16矿用本安型煤岩动力灾害监测仪监测步骤如下：①将电磁辐射传感器送入监测孔孔底，距离煤层1～2 m处；②将天线通过连接线与YDD16监测仪连接；③启动YDD16监测仪，检查仪器通信状况，并设置基本参数，测量周围环境的背景值；④背景值测量完成后，开始对水力冲孔钻孔进行水力冲孔作业，冲孔期间，为保证YDD16监测仪的正常使用，确保电量充足，每监测一段时间就关闭仪器，防止耗电量过大，仪器提前停止工作。
水力冲孔持续时间为2 h，前一个小时冲孔17号煤层，后一个小时冲孔18号煤层，YDD16矿用本安型煤岩动力灾害监测仪使用电池供电，在水力冲孔前、水力冲孔过程中共进行了8次电磁辐射信号监测，每次监测时间为300 s，在18号煤层冲孔开始0.5 h左右出现了2次瓦斯喷孔现象，成功采集到喷孔前后电磁辐射信号。水力冲孔之前、17号煤层水力冲孔开始5 min、18号煤层冲孔0.5 h，水力冲孔完成后4个时间段内电磁辐射信号测试结果如图4所示。
从图4a中可以看出，水力冲孔前，电磁辐射信号的脉冲数、能量都处于较低的水平，这是因为冲孔前，周围除了由于环境因素造成的电磁辐射信号干扰外，没有来自煤层内部煤体破裂所产生的电磁辐射信号，因此电磁辐射信号各项指标均比较低，其中脉冲数为20～30，能量为5 000 J左右。所测各项指标即背景值，水力冲孔后的电磁辐射信号值变化规律均可与背景值比较，判断煤层内部煤体破裂过程中的变化情况。
冲孔开始后，先对17号煤层进行水力冲孔，电磁辐射各信号指标如图4b所示。在刚开始阶段脉冲数、能量都出现上升阶段，表明在此时间段内，煤体内部在高压水射流的作用下出现挤压、滑移直至破裂，且随着时间的推移，这种煤体受载破裂显现越来越明显，电磁辐射脉冲数、能量变化均出现同步变化。在监测的时间窗口后期，各电磁辐射信号指标基本表现稳定，其中脉冲数在60～80；能量在26 000～27 000 J，2项指标的变化规律均表现出良好的类似
状的变化规律，即出现上升、下降、上升、平稳的发展趋势。
图4 水力冲孔破煤电磁辐射信号演化特征
Fig.4 Evolution characteristics of electromagnetic radiation signals in hydraulic punching coal breaking
对17号煤层冲孔1 h后，将钻杆退至18号煤层处，并对18号煤层进行水力冲孔，电磁辐射信号各项指标也趋于稳定，变化规律与17号煤层基本相同。对18号煤层冲孔0.5 h(即总的冲孔时间为1.5 h)出现了2次瓦斯喷孔现象，所测的电磁辐射脉冲数、能量的变化情况，如图4c所示。由于18号煤层的瓦斯含量要比17号煤层大，喷孔时，电磁辐射脉冲数、能量均出现突增，且第2次的喷孔要比第1次的更强烈，此时煤体内部的破裂过程剧烈，且瓦斯涌出量大，反映在电磁辐射信号上是脉冲数、能量的数值更大。从图4c中变化趋势线中还可以看出，在每次喷孔前，都会出现短暂的电磁辐射信号下降的现象，这是因为在该处出现了能量聚集，瓦斯压力过大导致的。图4d为水力冲孔完成后的电磁辐射信号变化规律，水力冲孔完成后煤层内部依然存在蠕变现象，煤体破裂程度远小于冲孔期间，因此产生的电磁辐射信号要远低于冲孔期间的电磁辐射信号，但是却大于冲孔之前。
根据现场所测数据可知，在水力冲孔过程中，可以产生明显的电磁辐射信号，且随着水力冲孔的进行，电磁辐射信号基本呈现不断增长的趋势。为更好地分析水力冲孔各阶段的电磁辐射信号的规律，笔者引用了R/S分析方法。1965年，该方法首先被Hurst提出[14]。R/S分析方法常被用来分析时间序列的分形特点[15]。R/S分析方法的基本原理是通过改变所研究的时间尺度的大小，然后研究其统计特征的变化规律。根据该方法的原理可知，小的时间尺度的变化规律可以应用于大的时间尺度的变化规律，反过来，大的时间尺度的变化特征能用来推测小的时间尺度的变化特征。赫斯特在分析时间序列的统计规律时发现：
R(k)/S(k)∝kH
(1)
式中：R(k)为时间序列的极差；S(k)为时间序列的标准差;H为赫斯特指数；k为序列数量。
Mandelbrot对R/S分析方法进行了改进和完善[16]，证明了lg(R/S)与lg k存在线性关系：
lg(R/S)=b+Hlg k
(2)
因此，该直线的斜率就是赫斯特指数H,其中b表示直线在lg k轴上的截距。当1>H>1/2时，所研究的时间序列与未来的增量成正相关，且随着时间的推移在不断增加；当1/2>H>0时，所研究的时间序列与未来的增量成负相关，且随着时间推移在不断减小。基于这些特征，王恩元等[17]研究了煤体电磁辐射信号也符合R/S统计规律，该研究结果被用于煤岩动力灾害的预测预报。水力冲孔期间的电磁辐射信号的赫斯特统计规律和R/S分析结果，如图5所示。
根据图5可知，在研究的时间段内，水力冲孔期间由于煤体破裂产生的电磁辐射信号呈现很好的赫斯特统计规律。所有的赫斯特值H均在[0.5,1]之间，回归系数r在0.96以上。根据显示的R/S分析结果可知，电磁辐射信号与水力冲孔的时间呈现正相关，当时间增加时，水力冲孔范围变大，钻孔内部煤体破裂面积增加，煤体破裂程度加剧，电磁辐射信号也在增加。因此电磁辐射信号可以很好地反映水力冲孔期间煤体的破裂状态。
图5 水力冲孔期间的电磁辐射信号的赫斯特统计分析
Fig.5 Hurst statistical analysis of electromagnetic radiation signals during hydraulic punching
对复杂煤层群进行水力冲孔时，同一煤层的不同阶段，电磁辐射信号强度不同；不同煤层的相同阶段，电磁辐射信号强度受煤层原始瓦斯含量影响程度大，煤层原始瓦斯含量越大，冲孔期间越容易出现喷孔现象，煤体破裂越剧烈，电磁辐射信号突变更明显。根据水力冲孔煤岩的电磁辐射信号强弱可以将煤岩破碎分为微破裂阶段、稳定破碎阶段以及异常破碎阶段，结果如图6所示。
图6 基于电磁辐射信号的水力冲孔煤岩破碎阶段划分
Fig.6 Fragmentation stage division of hydraulic punching coal and rock based on electromagnetic radiation signal
微破裂阶段：水力冲孔刚开始时，水射流首先作用于钻孔内表面的17号煤层的煤体，该煤体在钻孔施工过程中已经发生过屈服、卸压，内部应力得到释放，在破碎区的煤体强度很低，煤体破碎时产生的能量也低，且水力冲孔的范围小，因此电磁辐射强度比较低。随着冲孔时间的推移，冲孔水压的增加，煤层冲孔范围的增加，次生裂纹发展面积扩大，区域内煤体变形破坏严重，并不断地被剥落，电磁辐射信号强度逐渐增加，并出现剧烈的震动。
稳定破碎阶段：水力冲孔状态已经稳定，煤层中原本处于应力平衡状态的煤体在高压水射流作用下，在煤体中迅速产生大量的次生裂纹，裂纹快速扩展、汇聚，使煤体不断的失稳、破裂、并剥落，然后形成新的自由面，在上覆载荷和水流冲击下，持续不断地循环上述过程。此时的煤体快速失稳破坏，破裂面积也越来越大，因此会释放大量的能量，接收到的电磁辐射信号较上一阶段也会更加剧烈。
异常破碎阶段：喷孔过程实际上是由于煤体破裂，引起瓦斯异常解吸，反过来又使煤体异常破裂，导致能量的急剧释放，因此会产生很强的电磁辐射信号，通过记录的信号可知，喷孔产生的电磁辐射脉冲数峰值要明显大于水力冲孔期间其他时间段，具有急促、剧烈而且短暂的特点，一旦出现喷孔现象，现场作业人员要马上解决个人安全防护问题。同时，也证明了通过使用电磁辐射信号监测技术可以监控和记录煤体内部的异常状况，为现场作业人员提供危险辨识的参考依据，为以后安全规定的制定提供数据支持。
实施煤层水力冲孔卸压增透技术时，在煤层内部应力迁移、煤体蠕变过程应用了电磁辐射信号监测技术，监测分析了水力冲孔过程中电磁辐射信号响应特征，得到如下结论：
1)水力冲孔过程中，电磁辐射信号脉冲数在60～80；能量值在26 000～27 000 J，电磁辐射信号慢慢增加，呈现状，有明显的增幅阶段。
2)不同的煤层，水力冲孔煤体破裂产生的电磁辐射信号不同，且煤层瓦斯含量越大，水力冲孔煤体破裂越剧烈，产生的电磁辐射信号突变越明显。
3)水力冲孔期间的电磁辐射信号符合赫斯特统计学规律，根据电磁辐射信号的强弱可以将水力冲孔过程中煤岩破坏过程分为微破裂阶段、稳定破碎阶段以及异常破碎阶段3个不同阶段。
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