煤與瓦斯突出的預測及防治措施

單曉云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(yè)大學（北京），北京市海淀區(qū)學院路，100083）

　　摘　要　在總結分析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(guī)律和影響因素的基礎上，重點比較分析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(wǎng)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(guī)律

　　11　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，并取得了一定成果，但由于突出機理的復雜性及突出現(xiàn)象的多樣性，目前對突出機理的認識仍處于假說階段。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(tài)、瓦斯賦存狀態(tài)、煤的物理力學性能等開展了一系列的研究，根據(jù)現(xiàn)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(wěn)理論、球殼失穩(wěn)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，并提出了突出破壞過程及瓦斯?jié)B流的機制方程。

　　12　煤與瓦斯突出的類型

　　煤與瓦斯的突出包括：煤與甲烷突出、巖石與甲烷突出、煤與CO2突出、巖石與CO2突出等。由于突出時的原動力和所表現(xiàn)現(xiàn)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）

　　13　煤與瓦斯突出的一般規(guī)律

　?。?） 突出的次數(shù)和強度隨開采的深度增加而增加；

　?。?） 突出多發(fā)生在地質構造地區(qū)，如褶曲、斷層處及巖漿侵入地區(qū)；

　?。?） 煤體破壞程度越嚴重，煤的強度越小，突出危險性越大；

　?。?） 煤層中的厚度大、傾角大或其厚度和傾角發(fā)生變化以及煤層中的軟分層由薄變厚的地區(qū)，容易發(fā)生突出；

　?。?） 掘進工作面應力集中的地區(qū)易發(fā)生突出；

　?。?） 在外力沖擊作用下，如放炮或采煤機割煤時煤體受到震動，誘導瓦斯發(fā)生突出；

　?。?） 圍巖的透氣性越差、致密的巖層越厚，煤層的瓦斯含量越高，其突出的危險性也就越大；

　?。?） 突出多發(fā)生在揭煤和煤層掘進工作面；

　?。?） 在突出前大都出現(xiàn)預兆。

　　2　煤與瓦斯突出的預測

　　21　突出預測方法的分類

　　按預測預報范圍和時間的不同，預測方法可分為3類：第一是區(qū)域性預測，主要是確定煤田、井田、煤層和采掘區(qū)域性的突出危險性；第二是局部預測，它是在區(qū)域性的基礎上，根據(jù)鉆探、采掘工程等資料，進一步對局部地區(qū)或要點的突出危險性作出判斷；第三是日常預測，它是在區(qū)域性預測、局部預測的基礎上，根據(jù)突出預兆的各種異常效應，對突出危險發(fā)出警告。

　　22　國內外煤與瓦斯突出的預測方法

　　221　微震技術預測突出危險性

　　研究表明，煤和圍巖受力破壞過程中發(fā)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(shù)值時，可能出現(xiàn)煤的突然破壞，發(fā)生突出。突出是由連續(xù)的多起斷裂引起的，而且異常的微震發(fā)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。

　　222　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(jù)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(lián)NA雷任科等學者，對采掘工作面近工作面地段的煤體溫度狀況進行了考察研究，用于突出危險性日常預測，并對掘進中發(fā)生的6次突出全部作出了預報。原蘇聯(lián)的另一些學者，采用近工作面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(lián)防突委員會推薦使用。

　　223　煤層中涌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涌出現(xiàn)象，而且有氦的反常涌出。前蘇聯(lián)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后指出：自由釋放的瓦斯中，氦含量高，瓦斯壓力也相應的高。煤中涌出的氦可以作為預測突出的一個指標，該項目正在繼續(xù)進行。

　　224　電磁輻射強度預測突出危險

　　電磁輻射(EME)是煤巖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(xiàn)象，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的優(yōu)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(xiàn)象的主要影響因素；可實現(xiàn)真正的非接觸預測，無需打鉆，對生產影響小，易于實現(xiàn)定向及區(qū)域性預測，不受含瓦斯煤體分布不均勻的影響；可實現(xiàn)動態(tài)連續(xù)監(jiān)測及預報，能夠反映含瓦斯煤體的動態(tài)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。

　　目前巖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：在煤巖層受力變形破壞過程中會產生電磁輻射，電磁輻射強度取決于所受力的大小和煤巖層的物理力學性質。煤炭科學研究總院重慶分院利用這一原理研制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。

　　225　神經網(wǎng)絡方法進行突出預測

　　煤與瓦斯突出，其發(fā)生是由地應力、高壓瓦斯、煤的結構性能、地質構造、煤厚變化、煤體結構及圍巖特征諸多因素決定的。突出災害的發(fā)生是極不規(guī)則的，其所處的系統(tǒng)是一個不斷變化的系統(tǒng)，各種力學作用與這些作用所形成的地質體，大多數(shù)都處于復雜的非線性狀態(tài)。

　　人工神經網(wǎng)絡方法的出現(xiàn)，為解決這一問題開辟了一條新途徑。神經網(wǎng)絡具有通過樣本來“學習”的能力，一方面區(qū)別于傳統(tǒng)的各種預測方法，實際應用時無須做出因素與突出相關關系的任何假設，只需將實際數(shù)據(jù)直接提供給網(wǎng)絡來訓練；另一方面訓練完成后的網(wǎng)絡能以任何精度逼近真值(只要訓練數(shù)據(jù)足夠多)，能夠抽提、捕捉隱藏在歷史數(shù)據(jù)中的規(guī)律，尤其是那些尚未被人類認識和揭示的規(guī)律，這些優(yōu)點是傳統(tǒng)方法無法比擬的。

　　3　煤與瓦斯突出預兆及其防治

　　31　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(shù)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(xiàn)程度和處理原則各不相同，見表2。

　　32　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復雜的動力現(xiàn)象，因其具有突發(fā)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并采取行之有效的防治措施，仍可做到不發(fā)生或減少傷亡事故的發(fā)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系統(tǒng)工程。

　　防治突出首先要摸清楚它發(fā)生的地區(qū)、范圍，采取必要的防治措施，改變其發(fā)生突出應具備的基本條件，使其不發(fā)生或降低其突出強度，并采取必要的安全防護措施，重點要抓好以下幾點工作。

　　321　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”。

　　設計關：進行煤巷道的設計時，要避開地質構造帶和應力集中區(qū)；

　　施工關：巷道和抽放鉆孔必須按設計施工，落實到實處；

　　驗收關：巷道和抽放鉆孔必須有專人驗收，確保質量；

　　封孔關：凡有礦井系統(tǒng)抽放和局部抽放系統(tǒng)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(shù)；

　　檢驗關：必須按照頒發(fā)的防突細則的有關規(guī)定進行效果檢驗，符合要求后方準揭煤；

　　二次卸壓關：揭煤前可再打一組卸壓孔，進行二次卸壓。

　　322　煤巷掘進防突

　　國內外實踐證明，煤與瓦斯突出多發(fā)生在煤巷掘進過程中。為了有效地防治煤巷掘進突出，應用超前排放鉆孔、淺孔松動爆破、深孔控制爆破、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(qū)域，大部分采取打少數(shù)超前卸壓鉆孔的方法解突；在嚴重突出危險區(qū)域，大都采用超前鉆孔、煤體固化和金屬骨架等多種措施綜合防治。

　　323　大傾角不穩(wěn)定煤層防突

　　在大傾角不穩(wěn)定煤層中，重點采取超前密集鉆孔和煤層注水防突措施。超前密集鉆孔是通過煤體前方的鉆孔使煤體應力釋放和轉移，鉆孔使煤體前方的高壓瓦斯得以釋放，使掘進頭前方一定范圍內形成低應力、低瓦斯區(qū)，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17%～27%，當煤樣吸水飽和后，濕煤較干煤的透氣系數(shù)要下降一個數(shù)量級。國內外不少礦井煤層注水后的實際結果表明，注水結束后打開鉆孔時幾乎沒有瓦斯涌出現(xiàn)象，在注水進行采掘時，瓦斯涌出量明顯下降，并且放炮后的瓦斯涌出量比較均勻。

　　參考文獻

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