韓云春，任 波，楊理強，陳本良，4，段昌瑞，鄧東生，4，李志兵

(1.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責任公司，安徽 淮南 232000；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；3.深部煤炭開采與環(huán)境保護國家重點實驗室，安徽 淮南 232000；4.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

經(jīng)過長期開采，我國煤炭淺部資源日漸枯竭，開采深度以每年10～25 m的速度增加，平均采深已達700 m左右，中東部地區(qū)主要礦井開采深度達800～1 000 m，突出煤層的開采是我國必須面臨的重大難題[1]，煤與瓦斯突出的預(yù)測與防治工作尤為重要，煤與瓦斯突出監(jiān)測預(yù)警作為突出防治的重要環(huán)節(jié)，已成為世界性難題和研究熱點，也成為我國高瓦斯礦井安全生產(chǎn)亟待解決的科學(xué)問題，是國家能源安全的重要戰(zhàn)略需求和突破方向[2]。

為實現(xiàn)煤與瓦斯突出的準確預(yù)測、預(yù)報，國內(nèi)外學(xué)者通過長期深入的研究，在預(yù)測指標體系、預(yù)測預(yù)警方法構(gòu)建等突出防治核心環(huán)節(jié)取得了大量成果。

1 突出預(yù)測指標

1.1 靜態(tài)指標和動態(tài)指標

在突出預(yù)測指標方面，根據(jù)突出預(yù)測過程及其連續(xù)性，可分為靜態(tài)指標和動態(tài)指標兩類。目前我國較多采用的是煤的破壞類型、瓦斯放散指數(shù)Δp、煤體堅固性系數(shù)f、瓦斯壓力p、鉆屑綜合指標、鉆孔瓦斯涌出初速度q、R值指標等[3]。隨著研究不斷深入和研究手段、技術(shù)的不斷豐富，電磁輻射[4]、聲發(fā)射[5]、微震監(jiān)測[6]等可被連續(xù)檢測的動態(tài)預(yù)測指標在現(xiàn)實中有了很好的應(yīng)用。地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤的物理力學(xué)性質(zhì)等因素共同影響煤與瓦斯突出的發(fā)生，而瓦斯膨脹能是煤與瓦斯突出過程中的主要能量來源。因此，瓦斯膨脹能必然是預(yù)測煤與瓦斯突出的重要指標[7]。

1.2 其他技術(shù)和指標

煤與瓦斯突出和沖擊礦壓電磁輻射：采用臨界值和趨勢法進行綜合評判，觀察強度和脈沖數(shù)兩項指標。其中，強度代表煤巖體的受載程度及變形破裂強度；脈沖數(shù)表示煤巖體變形及微破裂的頻次。何學(xué)秋利用煤巖破壞力電耦合模型、煤與瓦斯突出和沖擊礦壓發(fā)生規(guī)律及實測數(shù)據(jù)，研究得出了兩種災(zāi)害的電磁輻射預(yù)警臨界值系數(shù)和動態(tài)變化趨勢系數(shù)的確定方法。采用脈沖數(shù)和強度兩個指標同靜態(tài)臨界值和動態(tài)趨勢相結(jié)合的方法進行預(yù)警，電磁輻射可以將動力災(zāi)害危險分為無危險、弱危險和強危險的3級預(yù)警方案。煤與瓦斯突出和沖擊礦壓電磁輻射預(yù)警值域，如圖1所示。

圖1 煤與瓦斯突出和沖擊礦壓電磁輻射預(yù)警值域

聲發(fā)射技術(shù)：該技術(shù)可以對煤巖體中破裂源進行定位，煤炭科學(xué)研究總院西安分院根據(jù)該原理研制了一套聲發(fā)射實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在平頂山十礦得到了實際應(yīng)用。

微震監(jiān)測技術(shù)：該技術(shù)是利用煤巖破裂產(chǎn)生的微震信號來判別煤巖體結(jié)構(gòu)的在線監(jiān)測方法，圖2為微震監(jiān)測技術(shù)震源定位可靠性評價體系。近年來，微震監(jiān)測技術(shù)在煤與瓦斯突出和煤礦沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警等方面取得了一系列研究成果。

圖2 震源定位可靠性綜合評價體系示意

初始瓦斯膨脹能：中國礦業(yè)大學(xué)蔣承林教授提出了初始瓦斯膨脹能的概念，認為初始瓦斯膨脹能是煤體發(fā)生突出的重要能量來源，并用煤與瓦斯突出的球殼失穩(wěn)理論分析了影響煤層突出危險性的因素，提出了“理想石門揭煤”的預(yù)測模式，研究了這種預(yù)測模式的預(yù)測指標。實驗證明，采用初始釋放瓦斯膨脹能和軟煤厚度可以準確地預(yù)測“理想石門揭煤”條件下的突出危險性。

2 突出預(yù)警方法

在煤與瓦斯突出預(yù)測預(yù)警方法方面，灰色理論、能量理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等理論和方法被應(yīng)用到預(yù)測評價中，并取得了較好的效果。

2.1 灰色理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的應(yīng)用

灰色理論：在定量預(yù)警方面，伍愛友[8]利用灰色理論中灰色關(guān)聯(lián)分析數(shù)學(xué)模型，定量分析了6種預(yù)測煤與瓦斯突出的指標，并確定了最佳預(yù)測指標，為煤與瓦斯突出預(yù)測指標的選擇提供了定量化依據(jù)。張子戌[9]采用模糊聚類分析方法對待預(yù)測樣本進行模糊模式識別，實現(xiàn)了多指標定量化的預(yù)測，提高了預(yù)測效果的準確程度。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論：苗琦[10]對煤與瓦斯突出影響因素進行灰關(guān)聯(lián)分析，應(yīng)用改進的BP算法建立了煤與瓦斯突出預(yù)測的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以云南恩洪煤礦的煤與瓦斯突出實例作為預(yù)測樣本進行了驗證。

2.2 其他方法

分批估計融合方法：閻馨[11]利用基于均值的分批估計融合方法對判別煤與瓦斯突出指標的多傳感器數(shù)據(jù)進行處理，并利用案例推理方法對煤與瓦斯突出危險性進行快速、準確和動態(tài)預(yù)測。

果蠅優(yōu)化算法：孫明[12]利用果蠅優(yōu)化算法，以“個體嗅覺探測”和“群體視覺靠攏”為指導(dǎo)思想，獲得了安全型、危險型和突出型突出危險評估指數(shù)的確定方法，計算了不同狀態(tài)下的危險評估指數(shù)，圖3為果蠅群體均方根誤差收斂趨勢。

a-安全型；b-危險型；c-危險型圖3 果蠅群體均方根誤差收斂趨勢

應(yīng)力敏感元素指標體系：姜波[13]從構(gòu)造-地球化學(xué)角度對原生結(jié)構(gòu)煤和不同變質(zhì)變形系列構(gòu)造煤中元素遷移聚集規(guī)律進行分析，提煉應(yīng)力敏感元素，從而建立了煤與瓦斯突出預(yù)測的應(yīng)力敏感元素指標體系。

3 結(jié)語

關(guān)于煤與瓦斯突出機理和突出危險性預(yù)測方面，國內(nèi)學(xué)者做了大量工作，并取得了一定的研究成果。但在預(yù)警指標的選擇上存在考慮權(quán)重的片面性問題，影響煤礦瓦斯事故的因素眾多，還有大量臨突物理特征信息沒有考慮；在預(yù)警方法上，由于突出情況異常復(fù)雜，每種方法因自身具有的局限性，都存在適應(yīng)性單一的問題，限制了突出預(yù)警的方便性、快速性和準確性。而通過物理模擬試驗和室內(nèi)試驗相結(jié)合，對突出情況進行真實再現(xiàn)，準確、及時、全面地獲取突出前兆物理量，構(gòu)建科學(xué)的突出預(yù)警指標體系和方法，對揭示煤與瓦斯突出機理，實現(xiàn)煤與瓦斯突出的預(yù)測與防治具有重要理論和現(xiàn)實意義。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，物理模擬試驗和室內(nèi)試驗相結(jié)合的方法必然是突破煤與瓦斯突出預(yù)測預(yù)警準確度的重要方向。