煤與瓦斯突出的預測及防治措施
單曉雲1,2 趙樹果1 高智芳1
（1河北理工大學，河北省唐山市，063009；2中國礦業大學（北京），北京市海澱區學院路，100083）
摘 要 在總結03manbetx 了國內外煤與瓦斯突出機理、突出類型、突出條件、突出一般規律和影響因素的基礎上，重點比較03manbetx 了煤與瓦斯突出預測的各種方法及針對性防治措施，指出神經網絡是預測煤與瓦斯突出非線性問題的最有前景的方法。
關鍵詞 煤與瓦斯突出 預測 防治措施
1 煤與瓦斯突出的機理、類型與一般規律
11 煤與瓦斯突出的機理
許多國家對煤與瓦斯突出機理的研究都很重視，並取得了一定成果，但由於突出機理的複雜性及突出現象的多樣性，目前對突出機理的認識仍處於假說階段。國外對煤與瓦斯突出機理的認識可歸納為4種：地應力假說、瓦斯作用假說、化學本質假說和綜合作用假說。
我國從60年代起就對突出煤層的應力狀態、瓦斯賦存狀態、煤的物理力學性能等開展了一係列的研究，根據現場資料和實驗研究對突出機理進行了探討，提出了新的見解和觀點，概括起來主要有中心擴張學說、流變假說、二相液體假說、固流耦合失穩理論、球殼失穩理論等。此外中國科學院力學研究所從力學角度對突出過程做了大量的研究工作，並提出了突出破壞過程及瓦斯滲流的機製方程。
12 煤與瓦斯突出的類型
煤與瓦斯的突出包括：煤與甲烷突出、岩石與甲烷突出、煤與CO2突出、岩石與CO2突出等。由於突出時的原動力和所表現現象的不同，煤與瓦斯突出可分為突出、傾出、壓出3種情況，各種情況比較見表1。
表1 煤與瓦斯突出類型比較表（略）
13 煤與瓦斯突出的一般規律
（1） 突出的次數和強度隨開采的深度增加而增加；
（2） 突出多發生在地質構造地區，如褶曲、斷層處及岩漿侵入地區；
（3） 煤體破壞程度越嚴重，煤的強度越小，突出危險性越大；
（4） 煤層中的厚度大、傾角大或其厚度和傾角發生變化以及煤層中的軟分層由薄變厚的地區，容易發生突出；
（5） 掘進工作麵應力集中的地區易發生突出；
（6） 在外力衝擊作用下，如放炮或采煤機割煤時煤體受到震動，誘導瓦斯發生突出；
（7） 圍岩的透氣性越差、致密的岩層越厚，煤層的瓦斯含量越高，其突出的危險性也就越大；
（8） 突出多發生在揭煤和煤層掘進工作麵；
（9） 在突出前大都出現預兆。
2 煤與瓦斯突出的預測
21 突出預測方法的分類
按預測預報範圍和時間的不同，預測方法可分為3類：第一是區域性預測，主要是確定煤田、井田、煤層和采掘區域性的突出危險性；第二是局部預測，它是在區域性的基礎上，根據鑽探、采掘工程等資料，進一步對局部地區或要點的突出危險性作出判斷；第三是日常預測，它是在區域性預測、局部預測的基礎上，根據突出預兆的各種異常效應，對突出危險發出警告。
22 國內外煤與瓦斯突出的預測方法
221 微震技術預測突出危險性
研究表明，煤和圍岩受力破壞過程中發生破裂和震動，當從震源傳出震波或聲波的強度和頻率增加到一定數值時，可能出現煤的突然破壞，發生突出。突出是由連續的多起斷裂引起的，而且異常的微震發射通常在斷裂之前5～45s內產生，故微震法作為突出預報方法，有其廣闊的應用前景。俄羅斯在地震聲學預測方法中取得了較好的研究成果。
222 煤層溫度狀況預測突出的危險性
溫度狀況預測突出危險性的理論根據是：瓦斯解吸時吸熱，導致煤層溫度降低。溫度降低越多，說明煤層瓦斯解吸能力越強，則突出危險性越大。
前蘇聯NA雷任科等學者，對采掘工作麵近工作麵地段的煤體溫度狀況進行了考察研究，用於突出危險性日常預測，並對掘進中發生的6次突出全部作出了預報。原蘇聯的另一些學者，采用近工作麵地帶的溫度與煤體原始溫度之差作為突出預測指標，該預測方法被原蘇聯防突委員會推薦使用。
223 煤層中湧出的氦或氡濃度的變化預測突出
研究表明在地震之前不僅有氡的反常湧出現象，而且有氦的反常湧出。前蘇聯學者考察了頓涅茨煤田中2個不突出煤層和4個突出煤層的氦含量後指出：自由釋放的瓦斯中，氦含量高，瓦斯壓力也相應的高。煤中湧出的氦可以作為預測突出的一個指標，該項目正在繼續進行。
224 電磁輻射強度預測突出危險
電磁輻射(EME)是煤岩體受載變形破裂過程中向外輻射電磁能量的過程或物理現象，與煤岩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的優點是：電磁輻射信息綜合反映了煤與瓦斯突出等災害動力現象的主要影響因素；可實現真正的非接觸預測，無需打鑽，對生產影響小，易於實現定向及區域性預測，不受含瓦斯煤體分布不均勻的影響；可實現動態連續監測及預報，能夠反映含瓦斯煤體的動態變化過程；既能探測煤壁附近的突出危險性及突出危險帶的方位，又能檢驗防突措施的效果。
目前岩石破裂電磁輻射效應的研究取得了很多有益的成果，研究表明：在煤岩層受力變形破壞過程中會產生電磁輻射，電磁輻射強度取決於所受力的大小和煤岩層的物理力學性質。煤炭科學研究總院重慶分院利用這一原理研製的煤與瓦斯突出危險探測儀，在四川芙蓉礦務局進行了實際應用，取得了較好的效果。
225 神經網絡方法進行突出預測
煤與瓦斯突出，其發生是由地應力、高壓瓦斯、煤的結構性能、地質構造、煤厚變化、煤體結構及圍岩特征諸多因素決定的。突出災害的發生是極不規則的，其所處的係統是一個不斷變化的係統，各種力學作用與這些作用所形成的地質體，大多數都處於複雜的非線性狀態。
人工神經網絡方法的出現，為解決這一問題開辟了一條新途徑。神經網絡具有通過樣本來“學習”的能力，一方麵區別於傳統的各種預測方法，實際應用時無須做出因素與突出相關關係的任何假設，隻需將實際數據直接提供給網絡來訓練；另一方麵訓練完成後的網絡能以任何精度逼近真值(隻要訓練數據足夠多)，能夠抽提、捕捉隱藏在曆史數據中的規律，尤其是那些尚未被人類認識和揭示的規律，這些優點是傳統方法無法比擬的。
3 煤與瓦斯突出預兆及其防治
31 煤與瓦斯突出預兆
煤與瓦斯突出前一般都有預兆，沒有預兆的突出是極少數的。突出預兆伴隨其突出過程按其主要特征大體可分為“三個階段”，各階段的顯現程度和處理原則各不相同，見表2。
32 煤與瓦斯突出的防治措施
表2 煤與瓦斯突出預兆比較表（略）
煤與瓦斯突出是一種極其複雜的動力現象，因其具有突發性、不完全的可知性，很難完全防止它的產生。但是如果開展突出預測並采取行之有效的防治措施，仍可做到不發生或減少傷亡02manbetx.com 的發生。目前防治煤與瓦斯突出工作，已不是單一的技術措施，而是一套完整的綜合防治突出的係統工程。
防治突出首先要摸清楚它發生的地區、範圍，采取必要的防治措施，改變其發生突出應具備的基本條件，使其不發生或降低其突出強度，並采取必要的安全防護措施，重點要抓好以下幾點工作。
321 揭煤防突
目前國內大都采用遠距離震動放炮的方法揭開煤層，揭煤防突主要是把好“七關”。
施工關：巷道和抽放鑽孔必須按設計施工，落實到實處；
驗收關：巷道和抽放鑽孔必須有專人驗收，確保質量；
封孔關：凡有礦井係統抽放和局部抽放係統的礦井，應采用新設備、新技術、新工藝、新材料，確保封孔質量，提高抽放效果；
抽放卸壓關：應按表計算，掌握抽放量、抽放率、瓦斯壓力和解突安全抽放期等重要參數；
檢驗關：必須按照頒發的防突細則的有關規定進行效果檢驗，符合要求後方準揭煤；
二次卸壓關：揭煤前可再打一組卸壓孔，進行二次卸壓。
322 煤巷掘進防突
國內外實踐證明，煤與瓦斯突出多發生在煤巷掘進過程中。為了有效地防治煤巷掘進突出，應用超前排放鑽孔、淺孔鬆動爆破、深孔控製爆破、預抽瓦斯以及上述措施與邊掘邊抽相結合的綜合防突措施 。在一般和中等程度突出危險區域，大部分采取打少數超前卸壓鑽孔的方法解突；在嚴重突出危險區域，大都采用超前鑽孔、煤體固化和金屬骨架等多種措施綜合防治。
323 大傾角不穩定煤層防突
在大傾角不穩定煤層中，重點采取超前密集鑽孔和煤層注水防突措施。超前密集鑽孔是通過煤體前方的鑽孔使煤體應力釋放和轉移，鑽孔使煤體前方的高壓瓦斯得以釋放，使掘進頭前方一定範圍內形成低應力、低瓦斯區，達到防突或降低突出強度的目的。
目前國內外都不同程度地應用煤層注水措施來降低或消除瓦斯突出危險性，實驗測試結果表明：濕潤煤的〖JP2〗瓦斯解吸量可達常壓下煤的瓦斯解吸量的17%～27%，當煤樣吸水飽和後，濕煤較幹煤的透氣係數要下降一個數量級。國內外不少礦井煤層注水後的實際結果表明，注水結束後打開鑽孔時幾乎沒有瓦斯湧出現象，在注水進行采掘時，瓦斯湧出量明顯下降，並且放炮後的瓦斯湧出量比較均勻。
參考文獻
1 樊栓保國內外煤與瓦斯突出預測的新方法礦業安全與環保，2000（5）：17
2 魏風清等俄羅斯地震聲學預測方法的研究現狀及發展前景煤礦安全，1999（11）
3 何學秋，劉明舉含瓦斯煤岩電磁輻射動力學徐州：中國礦業大學出版社，1999，15~38，130~132
4 王恩元含瓦斯煤破裂的電磁輻射和聲發射效應及其應用研究徐州：中國礦業大學采礦係，1997
5 王恩元，何學秋煤岩變形破裂電磁輻射的實驗研究地球物理學報，2000（1）：131~137
6 王恩元，何學秋，劉貞堂等煤岩變形破裂電磁輻射規律及其應用研究中國安全科學學報，2000（2）
7 徐為民，童蕪生，吳培稚岩石破裂過程中電磁輻射的實驗研究地球物理學報，1985（2）：181~189
