舒龍勇，朱南南，陳 結(jié)，安 賽，張慧杰

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013; 2.煤炭科學(xué)研究總院 煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013; 3.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

煤與瓦斯突出(簡稱“突出”)是煤礦井下發(fā)生的一種極其復(fù)雜的動(dòng)力災(zāi)害，研究歷史已有180余年之久，期間國內(nèi)外大量的科學(xué)家和工程技術(shù)人員進(jìn)行了多種研究與嘗試，提出了多種假說、預(yù)測預(yù)警與防治方法[1-2]。隨著對突出機(jī)理認(rèn)識的逐漸深入，我國防突體系經(jīng)歷了20世紀(jì)90年代初從單一防突措施到預(yù)測、檢驗(yàn)、安全防護(hù)“四位一體”綜合防突措施、2009年全面轉(zhuǎn)入“區(qū)域防突為主、局部防突為輔”的雙“四位一體”綜合防突措施兩個(gè)重要階段;2019年新修訂的《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》更是在防突預(yù)警及過程管控、防突信息化及智能化等多個(gè)方面提出了更高的要求。我國煤礦安全生產(chǎn)形勢逐年好轉(zhuǎn)，煤礦百萬噸死亡率逐年降低，但2019年我國煤礦瓦斯災(zāi)害事故不降反升，全年瓦斯災(zāi)害事故較2018年增加11起，因此導(dǎo)致的死亡人數(shù)同比增加65人，其中突出事故多發(fā)生3起?？梢?，瓦斯仍是我國煤礦安全的“第一殺手”，突出事故仍然頻發(fā)。

目前，我國煤礦瓦斯抽采堅(jiān)持“應(yīng)抽盡抽、多措并舉、抽掘采平衡”的原則，抽采達(dá)標(biāo)后方可安排采掘作業(yè)，故近年來我國突出事故有相當(dāng)一部分發(fā)生于區(qū)域預(yù)抽措施作用后的區(qū)域，事故呈現(xiàn)出突出瓦斯量小、中小型突出比例增大等新的特點(diǎn)。例如:貴州梓木嘎煤礦“8·6”突出事故突出煤量549 t，瓦斯量1.39萬m3，噸煤瓦斯量僅25 m3/t;河南登封市興峪煤礦“1·4”突出事故突出煤量254 t，瓦斯5 940 m3，噸煤瓦斯量僅23 m3/t。以上現(xiàn)象說明區(qū)域預(yù)抽對防治突出作用顯著，但并不能杜絕突出事故的發(fā)生。國內(nèi)外突出事故案例表明[3-6]:突出多發(fā)生于地質(zhì)構(gòu)造帶或煤層急劇變化處，突出煤層內(nèi)都發(fā)育有一定厚度的構(gòu)造煤，但并非所有的構(gòu)造煤區(qū)域均具備發(fā)生突出的條件;突出發(fā)生前大都有預(yù)兆，但現(xiàn)場也有相當(dāng)一些地方出現(xiàn)了預(yù)兆后，突出并未隨之出現(xiàn);突出煤層的危險(xiǎn)區(qū)只占整個(gè)開采區(qū)域面積的5%～20%;突出預(yù)測指標(biāo)測值高的區(qū)域不一定就有突出危險(xiǎn)，相反還存在很多低指標(biāo)區(qū)域發(fā)生突出的現(xiàn)象。例如:晉城、潞安等礦區(qū)煤層瓦斯含量較大、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)測值較高，但其突出災(zāi)害并不嚴(yán)重;而陽泉礦區(qū)寺家莊煤礦最小突出壓力僅為0.23 MPa，豫西重力滑動(dòng)構(gòu)造影響區(qū)內(nèi)二1煤突出的最小瓦斯含量僅為4.00 m3/t[7]。由此可見，突出預(yù)測作為防治突出的首要環(huán)節(jié)，預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系著煤層開采作業(yè)安全，目前普遍采用瓦斯參數(shù)為主的點(diǎn)預(yù)測方法存在“以點(diǎn)代面、以偏概全”的問題，突出預(yù)測方法和體系有待進(jìn)一步完善。

筆者擬通過對煤與瓦斯突出孕育、啟動(dòng)機(jī)理和主控因素的分析，厘清突出危險(xiǎn)精準(zhǔn)辨識思路，結(jié)合現(xiàn)場工程實(shí)踐，探索“超前探測地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常-實(shí)時(shí)監(jiān)測煤體突出危險(xiǎn)性-隨鉆測定煤層瓦斯大小”相結(jié)合的突出危險(xiǎn)精準(zhǔn)辨識方法與技術(shù)，旨在促進(jìn)突出預(yù)測工作由點(diǎn)預(yù)測向面預(yù)測、由間斷式向連續(xù)式、由接觸式向接觸-非接觸式相結(jié)合的轉(zhuǎn)變，在提升突出預(yù)測效率的同時(shí)，確保突出預(yù)測的準(zhǔn)確性，杜絕應(yīng)用礦井突出災(zāi)害的發(fā)生。

1 突出危險(xiǎn)精準(zhǔn)辨識理論方法的提出

為了指導(dǎo)煤與瓦斯突出預(yù)測、預(yù)警和防控工作，各國學(xué)者從未間斷過對突出發(fā)生機(jī)理的研究，先后提出了多種假說來解釋突出發(fā)生、發(fā)展及停止的內(nèi)在機(jī)制，歸納起來包括瓦斯作用說、地應(yīng)力作用說、化學(xué)本質(zhì)說和綜合作用假說等四類學(xué)說[8-9]。20世紀(jì)80年代以來，我國學(xué)者相繼提出了煤與瓦斯突出流變假說[10]、球殼失穩(wěn)假說[11]、固流耦合失穩(wěn)理論[12]和力學(xué)作用機(jī)理[13]等學(xué)術(shù)觀點(diǎn)。伴隨著對突出機(jī)理研究的逐漸深入，我國防突體系逐步完善，早在2009年就全面強(qiáng)制推廣應(yīng)用了“區(qū)域防突為主、局部防突為輔”的兩個(gè)“四位一體”綜合防突措施。《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》實(shí)施以來，我國煤礦因瓦斯災(zāi)害死亡人數(shù)逐年下降，但是突出事故仍時(shí)有發(fā)生，且近年來突出事故多發(fā)生于局部異常地質(zhì)結(jié)構(gòu)區(qū)和預(yù)抽鉆孔未有效覆蓋的抽采盲區(qū)。例如:2018-08-16平煤十三礦發(fā)生于己15-1711111回采工作面的突出事故，事故調(diào)查過程中勘查得出突出位置附近煤層厚度變化較大，雖然工作面回采前采用順層鉆孔進(jìn)行了大面積預(yù)抽，但由于順層鉆孔鉆進(jìn)未發(fā)現(xiàn)煤層厚度變異區(qū)、鉆孔向頂板發(fā)生飄移，造成煤層變厚區(qū)內(nèi)底部煤層瓦斯未抽采達(dá)標(biāo)，回采工作面接近該區(qū)時(shí)發(fā)生了突出煤量301 t、瓦斯量約10 123.33 m3的典型突出事故。

圍繞著煤與瓦斯突出孕育和啟動(dòng)需要什么樣的特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)環(huán)境？突出煤體有何特殊之處？突出機(jī)理研究如何與現(xiàn)場工程條件相結(jié)合？能否建立統(tǒng)一的物理模型？等關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，筆者等[14-15]通過對已有研究成果和突出發(fā)生處地質(zhì)結(jié)構(gòu)環(huán)境的總結(jié)分析，將突出機(jī)理研究與現(xiàn)場工程結(jié)構(gòu)相結(jié)合，提出了描述突出發(fā)生位置工程結(jié)構(gòu)環(huán)境特征的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體模型(圖1)，并對突出過程進(jìn)行了剖析，建立了突出啟動(dòng)的力-能判據(jù)，初步形成了煤與瓦斯突出的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體致災(zāi)機(jī)理。其核心觀點(diǎn)之一是認(rèn)為突出發(fā)生位置必須具備特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)環(huán)境，除應(yīng)關(guān)注地應(yīng)力、瓦斯和煤的物理力學(xué)性質(zhì)3方面的因素外，3者還必須共同作用形成特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)環(huán)境(即“關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體”)，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體是突出得以成功啟動(dòng)的必要條件。

圖1 煤與瓦斯突出關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體模型[14]Fig.1 Key structural body model of coal and gas outburst[14]

基于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體模型開展的突出階段劃分認(rèn)為，突出過程的4個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)中，突出準(zhǔn)備階段是一個(gè)漫長的過程，始于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)構(gòu)造應(yīng)力對煤體的改造;突出激發(fā)并非等同于突出啟動(dòng)，它隸屬于突出準(zhǔn)備階段，直接表現(xiàn)為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體中結(jié)構(gòu)2的突變失穩(wěn)、破壞、拋出，從而導(dǎo)致突出煤體的暴露，實(shí)現(xiàn)對突出的激發(fā);突出啟動(dòng)是結(jié)構(gòu)1暴露失穩(wěn)這一突變點(diǎn)，而并非以往認(rèn)識的激發(fā)階段[14]。

通過分析關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體中結(jié)構(gòu)2的受力環(huán)境(圖2)，建立了突出激發(fā)階段受力狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)為

(1)

式中，σs為煤巖體所受的靜載應(yīng)力;σd為采掘擾動(dòng)或圍巖破裂產(chǎn)生的動(dòng)載應(yīng)力;σg為煤巖體中的瓦斯壓力的等效載荷;σf為結(jié)構(gòu)2失穩(wěn)破壞的臨界荷載。

圖2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體中結(jié)構(gòu)2受力環(huán)境示意Fig.2 Stress conditions and environment of Structure-2 in the key Structure body

建立的突出激發(fā)階段能量耗散評價(jià)指標(biāo)為

(2)

式中，Ur為圍巖中存儲的彈性潛能;Uc為煤體中存儲的彈性潛能;Ug為煤巖體中存儲的瓦斯內(nèi)能;Ud為采掘擾動(dòng)或圍巖破裂輸入的能量;Ul為結(jié)構(gòu)2失穩(wěn)破壞所消耗的能量。

在如圖1所示的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體模型中，突出顯現(xiàn)形式?jīng)Q定于結(jié)構(gòu)2，結(jié)構(gòu)2突變失穩(wěn)只是對突出的激發(fā)，突出能否成功啟動(dòng)還決定于結(jié)構(gòu)1的受力和蓄能狀態(tài)。進(jìn)一步建立的突出啟動(dòng)力學(xué)判據(jù)Cm為

(3)

式中，Cm為突出啟動(dòng)力學(xué)判據(jù);p為煤體內(nèi)瓦斯壓力，MPa;c，φ為煤層的黏聚力與內(nèi)摩擦角;pa為突出巷道內(nèi)的環(huán)境氣體壓力;σxt，σyt，σzt分別為煤壁前方的動(dòng)態(tài)應(yīng)力場中x，y，z方向的應(yīng)力大小，MPa。

突出啟動(dòng)能量判據(jù)Ce為

(4)

式中,Ee為煤體骨架的彈性潛能;Ei為周圍煤巖體(如結(jié)構(gòu)3、結(jié)構(gòu)4)對突出煤體所做的功;En貯存在煤體內(nèi)的瓦斯內(nèi)能;Wf為煤體粉碎功;Wp為煤巖體拋出功;Wq為諸如煤體發(fā)熱發(fā)聲等能量耗散;en為參與突出啟動(dòng)的噸煤瓦斯內(nèi)能，MJ/t;wf為噸煤粉碎功，MJ/t;wpmin為突出啟動(dòng)時(shí)煤的最小拋出功，MJ/t。

煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)是指具有潛在能量和能量釋放危險(xiǎn)的、在采掘擾動(dòng)作用下可能轉(zhuǎn)化為突出事故的區(qū)域。根據(jù)煤與瓦斯突出關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體致災(zāi)理論可知，突出危險(xiǎn)區(qū)的精準(zhǔn)辨識除了要及時(shí)測定掌握影響突出發(fā)生的3因素外，還必須注重對采掘工作面前方潛在地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常區(qū)的精細(xì)探查。結(jié)合式(1)～(4)所示的突出激發(fā)和啟動(dòng)力能條件，筆者分析認(rèn)為[16]:煤層瓦斯壓力越大、煤體強(qiáng)度越低，突出危險(xiǎn)性越高;地應(yīng)力大小對突出的影響比較復(fù)雜，沿采掘巷道軸向的水平應(yīng)力越大，突出危險(xiǎn)性越高，而垂直于巷道軸向的應(yīng)力通過控制煤體剪應(yīng)力大小、煤體破壞程度和強(qiáng)度、煤體滲透率和瓦斯壓力梯度等影響著采掘工作面突出危險(xiǎn)性大小。針對突出預(yù)測和預(yù)警工作，筆者認(rèn)為可分別從超前探測“關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體”、實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)構(gòu)2失穩(wěn)突變的前兆信息和結(jié)構(gòu)1暴露前的瓦斯動(dòng)態(tài)涌出情況、隨鉆測定結(jié)構(gòu)1的煤層強(qiáng)度和瓦斯大小著手，形成“超前探測-實(shí)時(shí)監(jiān)測-隨鉆測定”相結(jié)合的突出綜合預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)，必能有效避免突出預(yù)測的誤報(bào)漏報(bào)現(xiàn)象[14]。

為此，本文提出煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的精準(zhǔn)辨識方法(圖3)，用于指導(dǎo)煤礦井下采掘工作面突出危險(xiǎn)的精準(zhǔn)預(yù)測，其包括3個(gè)層次的工作(圖4):① 采用物探和鉆探相結(jié)合的方法，超前探測采掘工作面周圍存在的地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常區(qū);② 采用微震和瓦斯涌出實(shí)時(shí)監(jiān)測相結(jié)合的方法，綜合反映采掘擾動(dòng)條件下采掘工作面周圍煤體結(jié)構(gòu)變化、地應(yīng)力和瓦斯大小變化規(guī)律;③ 采用隨鉆測定相關(guān)特征參數(shù)和預(yù)測指標(biāo)的方法，進(jìn)一步驗(yàn)證超前探測和實(shí)時(shí)監(jiān)測的預(yù)測結(jié)果。通過以上3個(gè)層次的工作，綜合分析采掘工作面周圍地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常變化、煤體結(jié)構(gòu)變化、瓦斯和地應(yīng)力大小變化特征，促進(jìn)突出預(yù)測工作由點(diǎn)預(yù)測向面預(yù)測、由間斷式向連續(xù)式、由接觸式向接觸-非接觸式相結(jié)合的轉(zhuǎn)變，在提升突出預(yù)測效率的同時(shí)，確保突出預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確性，達(dá)到突出危險(xiǎn)“層層遞進(jìn)-精準(zhǔn)辨識”的目的，從而促進(jìn)我國煤礦煤與瓦斯突出防治水平的提升。

圖3 煤與瓦斯突出危險(xiǎn)精準(zhǔn)辨識原理示意Fig.3 Principle of precision identification method for coal and gas outburst hazard

圖4 突出危險(xiǎn)精準(zhǔn)辨識層次化工作Fig.4 Workflows of precision identification method for coal and gas outburst hazard

2 超前探測-連續(xù)監(jiān)測-隨鉆測定相結(jié)合的突出危險(xiǎn)精準(zhǔn)辨識技術(shù)

2.1 異常地質(zhì)結(jié)構(gòu)超前精細(xì)探測技術(shù)

異常地質(zhì)結(jié)構(gòu)超前探測領(lǐng)域常用的技術(shù)主要包括物探和鉆探2個(gè)方面[17]。鉆探是最直接的技術(shù)手段，具有精度高、直觀性強(qiáng)、適用面廣等優(yōu)點(diǎn)，其不足之處是測定周期長、工程量大、“一孔之見”等;而物探具有非接觸無損探測、工程量小成本低、快速便捷、信息量大等顯著優(yōu)勢，但其存在著多解性的顯著缺點(diǎn)。因此，采用物探和鉆探相結(jié)合的方法，能夠充分發(fā)揮物探和鉆探技術(shù)各自優(yōu)勢，提高采掘工作面周圍異常地質(zhì)結(jié)構(gòu)的探測精度和效率。

目前，煤礦井下物探方法主要包括地震類、電法類，工程實(shí)踐中較有效和常用的包括槽波地震勘探、瑞雷波探測、巖體聲波探測、無線電波透視、直流電法、瞬變電磁、音頻電透視、礦井地質(zhì)雷達(dá)等方法[18]。各類物探技術(shù)所反映的介質(zhì)物理特征決定了其適用條件和范圍，例如:地震手段獲得的是折射、反射和透射地震波的旅行時(shí)，反映地層界面物理特征的是決定地震波傳播速度、煤巖體密度、彈性模量等參數(shù);電法主要測量的是井下煤巖體電阻率、電位等電性參數(shù)，反映的是煤巖層的電性特征等。

就當(dāng)下國內(nèi)外物探技術(shù)和裝備水平來說，礦井巷道地震超前預(yù)報(bào)技術(shù)(簡稱MSP)、礦井地質(zhì)雷達(dá)探測、槽波地震探測技術(shù)在采掘工作面異常地質(zhì)結(jié)構(gòu)體探查方面具有較好的發(fā)展和應(yīng)用前景，其中礦井巷道地震超前預(yù)報(bào)技術(shù)和地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)可用于掘進(jìn)工作面地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常區(qū)的超前探測，槽波地震探測技術(shù)可用于回采工作面地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常區(qū)的精細(xì)探查。就防突工作來說，異常地質(zhì)結(jié)構(gòu)的探測更強(qiáng)調(diào)超前性，特別是結(jié)合高瓦斯或突出煤層中施工的大量預(yù)測和抽采鉆孔，可重點(diǎn)發(fā)展孔內(nèi)雷達(dá)或孔內(nèi)地震等精細(xì)探測技術(shù)和裝備。

近年來，筆者所在團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)探索了鉆孔雷達(dá)技術(shù)在采掘工作面異常地質(zhì)結(jié)構(gòu)體超前探測中的應(yīng)用。鉆孔雷達(dá)以寬頻帶短脈沖的形式向介質(zhì)內(nèi)發(fā)射高頻電磁波，當(dāng)其遇到不均勻體(界面)時(shí)會(huì)反射部分電磁波，其反射系數(shù)由介質(zhì)的相對介電常數(shù)決定，通過對雷達(dá)天線所接收的反射信號進(jìn)行處理和圖像解譯，達(dá)到識別隱蔽目標(biāo)物的目的[19]。

(5)

其中，R為反射系數(shù);ε1,ε2為圍巖和有害地質(zhì)體的介電常數(shù)。兩者的介電常數(shù)差異越大，探測效果會(huì)越好。

由于電磁波在特定介質(zhì)中的傳播速度V是一定的，故根據(jù)鉆孔雷達(dá)記錄數(shù)據(jù)中孔壁反射波與異常體反射波的時(shí)間差ΔT，即可根據(jù)下式得出異常體的深度H為

H=VΔT/2

(6)

其中，V為電磁波在地下介質(zhì)中的傳播速度，其大小由下式得出

(7)

式中，C為電磁波在大氣中的傳播速度，約為3×108m/s;ε為相對介電常數(shù)，取決于地下各層構(gòu)成物質(zhì)的介電常數(shù)。

鉆孔雷達(dá)天線通過光纖與主機(jī)相連并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示、處理分析成像?，F(xiàn)場測定過程中，雷達(dá)發(fā)射與接收天線放置于鉆孔中并以一定的速度推進(jìn)自動(dòng)掃描探測成像，它向鉆孔周圍360°空間發(fā)射和接收信號，采用100 MHz的天線可以探測鉆孔周圍10～20 m的反射信號，通過一個(gè)鉆孔探測即可分析計(jì)算出有害地質(zhì)體的距離和規(guī)模，如圖5所示。

圖5 鉆孔周圍地質(zhì)鉆孔雷達(dá)探測成像示意Fig.5 Detection imaging diagram of geological borehole radar around the borehole

2.2 采掘工作面突出危險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)

采掘過程中的微震響應(yīng)特征主要反映工作面周圍煤體結(jié)構(gòu)變化和地應(yīng)力分布差異，可間接表征出煤巖體的受載損傷程度和穩(wěn)定性[20]。現(xiàn)場微震監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，隨著掘進(jìn)面向高應(yīng)力區(qū)的推進(jìn)，微震指標(biāo)先緩慢增加后快速增大，出現(xiàn)微震指標(biāo)的高值異常，驗(yàn)證了室內(nèi)聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性[21-22]。通過對采掘工作面過典型地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常區(qū)模型的數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析[23-24]，發(fā)現(xiàn)煤與瓦斯突出的微震前兆特征主要表現(xiàn)為升高型和前震期型;而采掘作業(yè)過程中的瓦斯涌出量大小能夠間接反映工作面周圍的地應(yīng)力、瓦斯大小和煤體結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，地應(yīng)力通過控制煤體孔隙率和滲透率的變化，影響著深部煤體中的瓦斯運(yùn)移;而采掘工作面周圍的瓦斯大小影響著煤體瓦斯壓力分布及其梯度，決定了瓦斯涌出量大小;落煤瓦斯涌出量也與煤體結(jié)構(gòu)或破碎程度有關(guān)。前人研究表明[25]，煤與瓦斯突出的瓦斯涌出前兆特征主要表現(xiàn)為升高型、波動(dòng)型和先降后升型。

筆者認(rèn)為采掘過程中微震和瓦斯涌出演化特征能夠綜合反映采掘工作面周圍煤體結(jié)構(gòu)變化、地應(yīng)力和瓦斯大小變化規(guī)律，可用于突出危險(xiǎn)性預(yù)測預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)采掘工作面突出危險(xiǎn)的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測。為此，提出分別采用滑動(dòng)平均值、偏離率、離散率和變化特征指數(shù)定量表征微震和瓦斯涌出的異常特征[26]。

微震事件變化特征指數(shù)Im根據(jù)微震事件時(shí)間序列的滑動(dòng)平均值、偏離率和離散率來確定。

滑動(dòng)平均值A(chǔ)(n)t的表達(dá)式為

(8)

式中，n為時(shí)間的長度;at為t時(shí)刻的微震事件數(shù);A(n)t為最近時(shí)間長度n內(nèi)的微震事件滑動(dòng)平均值。

偏離率Y(n)t的表達(dá)式為

(9)

離散率V(n)t的表達(dá)式為

(10)

分別確定正常的微震事件滑動(dòng)平均值e1、偏離率e2和離散率e3，然后分別對微震事件滑動(dòng)平均值賦值為α，偏離率賦值為β，離散率賦值為γ，各指標(biāo)異常時(shí)賦值為1，正常時(shí)賦值為0，綜合判斷微震事件變化特征賦值x=α+β+γ，x={0，1，2，3}。

微震事件變化特征指數(shù)Im的表達(dá)式為

Im=x/3=(α+β+γ)/3

(11)

瓦斯涌出量變化特征指數(shù)Ig根據(jù)瓦斯涌出量時(shí)間序列的滑動(dòng)平均值A(chǔ)(n)′t、偏離率Y(n)′t和離散率V(n)′t來確定。

滑動(dòng)平均值A(chǔ)(n)′t的表達(dá)式為

(12)

式中，ct為t時(shí)刻的瓦斯涌出量;A(n)′t為最近n時(shí)間長度內(nèi)的瓦斯涌出量滑動(dòng)平均值。

偏離率Y(n)′t的表達(dá)式為

(13)

離散率V(n)′t的表達(dá)式為

(14)

分別確定正常的瓦斯涌出量滑動(dòng)平均值e′1、偏離率e′2和離散率e′3，其中瓦斯涌出量的滑動(dòng)平均值賦值為α′，偏離率賦值為β′，離散率賦值為γ′，各指標(biāo)異常時(shí)賦值為1，正常時(shí)賦值為0，綜合判斷瓦斯涌出量變化特征賦值y=α′+β′+γ′，其中y={0，1，2，3}。

瓦斯涌出量變化特征指數(shù)Ig的表達(dá)式為

Ig=y/3=(α′+β′+γ′)/3

(15)

為實(shí)現(xiàn)微震和瓦斯動(dòng)態(tài)涌出特征的綜合分析，基于微震事件變化特征指數(shù)Im和瓦斯涌出量變化特征指數(shù)Ig，構(gòu)建出煤與瓦斯突出模糊綜合評價(jià)模型，提出了突出可能性指數(shù)I，用于判斷煤與瓦斯突出危險(xiǎn)等級:

I(x,y)=w1Im(x)+w2Ig(y)

(16)

式中，w1為微震事件特征指數(shù)Im的權(quán)重系數(shù);w2為瓦斯涌出量特征指數(shù)Ig的權(quán)重系數(shù)。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、現(xiàn)場實(shí)測和前人研究成果[27]，將突出危險(xiǎn)定量劃分為4個(gè)等級，即無突出風(fēng)險(xiǎn)、低突出風(fēng)險(xiǎn)、有突出傾向、強(qiáng)突出危險(xiǎn)。實(shí)際應(yīng)用過程中，根據(jù)不同煤層開采條件，賦予w1，w2不同的權(quán)重值，例如應(yīng)力主導(dǎo)型突出礦井理論上w1>w2，而瓦斯主導(dǎo)型礦井w1

表1 煤與瓦斯突出危險(xiǎn)等級劃分Table 1 Classification of danger grade for coal and gas outburst hazard

2.3 煤層突出危險(xiǎn)性隨鉆測定檢驗(yàn)技術(shù)

現(xiàn)階段工作面日常預(yù)測主要采用的是間接反映煤層突出危險(xiǎn)性的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)(Δh2和K1值)、鉆屑量指標(biāo)(S)和鉆孔瓦斯涌出初速度(q)等指標(biāo)。研究表明[15]，在應(yīng)力場環(huán)境和煤體物理力學(xué)性質(zhì)相近的條件下，不同煤層突出啟動(dòng)的臨界瓦斯壓力應(yīng)該是相近的;然而同一瓦斯壓力條件下，不同煤層的瓦斯含量、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)和鉆孔瓦斯涌出初速度卻存在較大差異，這就決定了不同礦井使用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)和鉆孔瓦斯涌出初速度等指標(biāo)進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測時(shí)的臨界值必然存在顯著差異，故《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》仍然明確指出各預(yù)測指標(biāo)的臨界值應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)考察確定。

由突出啟動(dòng)的力學(xué)判據(jù)式(3)來看，煤層瓦斯壓力是突出啟動(dòng)和發(fā)展的主要?jiǎng)恿χ?，直接采用煤層瓦斯壓力指?biāo)進(jìn)行工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測，本質(zhì)上更能反映煤層突出危險(xiǎn)性大小。煤層瓦斯壓力和瓦斯含量作為兩個(gè)最重要的煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)，是煤礦開展區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測工作的重要依據(jù)，目前煤層瓦斯含量和瓦斯壓力的測定均存在操作復(fù)雜、測試周期長、對現(xiàn)場條件要求高、容易受人為因素影響等問題，難以快速準(zhǔn)確獲得煤層瓦斯壓力和含量大小。

基于煤層瓦斯吸附量、解吸速率、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)等與煤層瓦斯壓力正相關(guān)這一基本規(guī)律，結(jié)合前人開展的大量吸附解吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果[28-29]，課題組研發(fā)了CWH200型煤層瓦斯含量與壓力快速測定儀，能夠在煤礦井下10 min內(nèi)快速測得煤層瓦斯壓力p和瓦斯含量W。具體實(shí)現(xiàn)方法是通過快速測定儀測得煤樣不同時(shí)刻的瞬時(shí)瓦斯解吸量，并采用如式(17)所示的瓦斯解吸放散模型進(jìn)行擬合，獲得常壓條件下單位質(zhì)量煤樣的極限可解吸瓦斯含量A。

(17)

式中，v為不同時(shí)刻的瞬時(shí)瓦斯流量(v1，v2，…，vn);m為煤樣罐中的煤粉質(zhì)量;τ為煤樣的暴露時(shí)間(τ1，τ2，…，τn)。

基于事先錄入的煤層瓦斯吸附常數(shù)a,b值和工業(yè)分析等數(shù)據(jù)，可自動(dòng)計(jì)算出單位質(zhì)量煤樣的常壓不可解吸瓦斯含量Xb。單位質(zhì)量煤樣吸附瓦斯含量Xa按式(18)計(jì)算獲得:

Xa=A+Xb

(18)

考慮煤體的水分和灰分影響，根據(jù)式(19)即可快速求得煤層瓦斯壓力

(19)

式中，Ad為煤的灰分，%;Mad為煤的水分，%。

進(jìn)一步計(jì)算獲得單位質(zhì)量煤樣的游離瓦斯含量，并結(jié)合單位質(zhì)量煤樣的吸附瓦斯含量Xa，從而獲得煤層瓦斯含量W。

CWH200型煤層瓦斯含量與壓力快速測定儀已通過現(xiàn)場檢驗(yàn)并獲得了安標(biāo)證書，其顯著特點(diǎn)是操作方便，實(shí)現(xiàn)了煤層瓦斯含量與壓力的隨鉆快速測定，縮短了煤層瓦斯壓力和含量的測定周期，革新了傳統(tǒng)的煤層瓦斯壓力和含量的測定原理及方法，可用于突出危險(xiǎn)性預(yù)測及防突措施效果檢驗(yàn)工作中，進(jìn)一步豐富和完善了突出預(yù)測指標(biāo)體系。

3 探索性工程試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及試驗(yàn)方案

陽泉礦區(qū)位于山西省沁水煤田東北部，煤系地層主要為二疊系山西組和石炭系太原組，是全國瓦斯涌出量最大、突出頻率最高和自然災(zāi)害最嚴(yán)重的礦區(qū)之一。本次試驗(yàn)地點(diǎn)選定為陽泉礦區(qū)某礦31011回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面。試驗(yàn)礦井是陽泉礦區(qū)典型突出礦井之一，區(qū)內(nèi)3號煤層平均厚度2.77 m，實(shí)測最大煤層瓦斯壓力2.44 MPa，最小堅(jiān)固性系數(shù)0.21，最大瓦斯放散初速度21.8，煤層具有突出危險(xiǎn)性。現(xiàn)場試驗(yàn)地點(diǎn)及實(shí)時(shí)監(jiān)測傳感器布設(shè)方案如圖6所示。

現(xiàn)場試驗(yàn)過程中，掘進(jìn)作業(yè)施工前，利用施工的區(qū)域預(yù)測鉆孔開展鉆孔雷達(dá)探測;掘進(jìn)作業(yè)過程中，利用預(yù)先安設(shè)的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析工作面突出危險(xiǎn)性大小;結(jié)合工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測工作，隨鉆測定K1值、Δh2、瓦斯壓力(p)和瓦斯含量(W)大小。試驗(yàn)過程中用到的CWH200型煤層瓦斯含量與壓力快速測定儀、YTC10煤層突出參數(shù)測定儀等儀器設(shè)備實(shí)物如圖7所示。

圖6 試驗(yàn)地點(diǎn)及傳感器布設(shè)基本情況Fig.6 Basic information of test site and sensor arrangement

圖7 試驗(yàn)設(shè)備實(shí)物Fig.7 Physical drawing of test equipment

3.2 現(xiàn)場試驗(yàn)效果分析

(1)異常地質(zhì)結(jié)構(gòu)超前精細(xì)探測

借助31011回風(fēng)巷工作面定期施工的區(qū)域預(yù)測鉆孔，開展鉆孔雷達(dá)超前探測跟蹤試驗(yàn)，獲得的鉆孔雷達(dá)探測結(jié)果如圖8所示。

圖8(a)為實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)正常運(yùn)行第10天時(shí)，以每道采集間隔0.2 m進(jìn)行單孔反射探測，經(jīng)濾波、降噪處理后的鉆孔雷達(dá)超前探測結(jié)果。橫軸為鉆孔深度，測試深度41 m左右;縱軸為探測半徑，10 m左右。整體上鉆孔徑向信號衰減正常，無明顯異常反射信號，鉆孔周圍不存在明顯的地質(zhì)構(gòu)造;鉆孔軸向，反射信號顯示無明顯異常界面存在，僅在局部區(qū)域反射信號微弱，存在信號分層現(xiàn)象，后期巷道揭露發(fā)現(xiàn)此處局部發(fā)育有軟分層，煤層整體均質(zhì)性較好，且未見有斷層、陷落柱等構(gòu)造存在。

圖8 31011回風(fēng)巷工作面鉆孔雷達(dá)剖面Fig.8 Borehole radar profile of 31011 return airway head-on

圖8(b)為實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行第18天時(shí)，以每道采集間隔0.2 m進(jìn)行單孔反射探測，經(jīng)濾波、降噪等數(shù)據(jù)處理后的鉆孔雷達(dá)超前探測結(jié)果。橫軸為鉆孔深度，測試深度66 m左右;縱軸為探測半徑，10 m左右。整體上鉆孔徑向信號衰減正常，無明顯異常反射信號，鉆孔周圍無斷層、陷落柱等構(gòu)造;沿鉆孔軸向不同深度處信號衰減差異明顯，后期揭露顯示該區(qū)煤體軟分層發(fā)育，煤體均質(zhì)性較差，整體較破碎，且存在打鉆噴孔現(xiàn)象。

(2)采掘工作面突出危險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測

前文2.2節(jié)中建立的煤與瓦斯突出實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)測模型中包含了滑動(dòng)平均值、偏離率和離散率等指標(biāo)。其中，滑動(dòng)平均值能夠從波動(dòng)離散的數(shù)據(jù)中發(fā)掘出更加直觀的規(guī)律，反映了微震或瓦斯動(dòng)態(tài)涌出原始監(jiān)測數(shù)據(jù)的大小;偏離率反映了原始監(jiān)測數(shù)據(jù)瞬時(shí)值的短時(shí)波動(dòng)性，而離散率則反映了時(shí)間長度n內(nèi)原始監(jiān)測數(shù)據(jù)的長時(shí)波動(dòng)性，兩者分別反映了不同時(shí)間長度的數(shù)據(jù)波動(dòng)特征，既能體現(xiàn)出原始監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，又能體現(xiàn)出其準(zhǔn)確性。

煤與瓦斯突出實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了采掘工作面周圍微震和瓦斯動(dòng)態(tài)涌出數(shù)據(jù)的連續(xù)實(shí)時(shí)采集。圖9，10分別給出了實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)前30 d正常運(yùn)行期間獲得的微震和瓦斯涌出數(shù)據(jù)滑動(dòng)平均值、偏離率和離散率變化情況(時(shí)間長度n取10)。

由圖9可以看出，微震事件率滑動(dòng)平均值總體上呈逐漸增大的趨勢，偏離率變化曲線顯示出整個(gè)巷道掘進(jìn)期間微震事件率均在一定范圍內(nèi)波動(dòng);但從離散率變化可以明顯看出，長時(shí)來看微震事件率越來越離散，特別是第20 d以后(對應(yīng)超前探測的第2階段)，離散率越來越大，說明該區(qū)范圍內(nèi)地應(yīng)力有增大趨勢、煤體破碎程度更加劇烈(與超前探測結(jié)果一致)。

圖9 微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析過程Fig.9 Analysis process of micro-seismic monitoring data

由圖10可以明顯看出，掘進(jìn)工作面進(jìn)入第2階段后(第18天后)，瓦斯體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)明顯增大的趨勢，對應(yīng)的偏離率和離散率也急劇增大，表明該區(qū)煤體瓦斯含量有顯著增大趨勢;后期滑動(dòng)平均值依然有逐漸增大趨勢，而偏離率和離散率均明顯降低并逼近于0，說明隨著巷道的不斷掘進(jìn)，瓦斯體積分?jǐn)?shù)持續(xù)較高，但不再有逐漸增大的趨勢(實(shí)際體積分?jǐn)?shù)保持在0.4%左右，第1階段為0.25%左右)。與超前探測結(jié)果對比可知，以上瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)的變化規(guī)律與第2階段煤體較為破碎、松軟有關(guān)。

圖10 瓦斯體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析過程Fig.10 Analysis process of gas concentration monitoring data

利用前文2.2節(jié)中所建立的方法，分別計(jì)算微震事件變化特征指數(shù)、瓦斯涌出量變化特征指數(shù)和煤與瓦斯突出可能性指數(shù)如圖11所示，從圖11可以看出，巷道進(jìn)入第2階段以后(特別是20～30 d)，微震事件變化特征指數(shù)和瓦斯涌出量變化特征指數(shù)均顯著增大，煤與瓦突出可能性指數(shù)均上升至0.5以上。結(jié)合表1中建立的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)等級劃分原則可知，第1階段(1～20 d)的掘進(jìn)工作面處于無突出危險(xiǎn)和低突出風(fēng)險(xiǎn)區(qū);而第2階段(21～30 d)的煤層突出風(fēng)險(xiǎn)較高，掘進(jìn)工作面處于有突出傾向和強(qiáng)突出風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，應(yīng)該引起足夠的重視。

圖11 實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)特征指數(shù)變化曲線Fig.11 Change curve of characteristic index of real-time monitoring system

(3)煤層突出危險(xiǎn)性隨鉆快速檢測

采用CWH200型煤層瓦斯含量與壓力快速測定儀和YTC10瓦斯突出參數(shù)測定儀同時(shí)在31011回風(fēng)巷開展煤層突出危險(xiǎn)性參數(shù)跟蹤測試。實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)前30 d正常運(yùn)行期間的突出預(yù)測指標(biāo)K1值、Δh2、瓦斯壓力(p)和瓦斯含量(W)的測試結(jié)果變化曲線如圖12所示。數(shù)據(jù)表明，K1值、Δh2、瓦斯壓力(p)和瓦斯含量(W)4個(gè)指標(biāo)表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性，均表現(xiàn)出逐漸增大的整體趨勢，且在巷道掘進(jìn)的第2階段(21～30 d)，K1值、Δh2、瓦斯壓力(p)和瓦斯含量(W)總體均相對較大。第26天，K1值達(dá)到最大值0.39 mL/(g·min1/2)，瓦斯壓力(p)逼近0.74 MPa。第30天，Δh2值達(dá)到最大值210 Pa，瓦斯含量(W)達(dá)到最大值8.02 m3/t。此外，第26天現(xiàn)場施工預(yù)測鉆孔時(shí)發(fā)生了噴孔現(xiàn)象。可見，隨鉆快速測定結(jié)果很好地驗(yàn)證了超前探測和實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)測準(zhǔn)確性。

圖12 31011回風(fēng)巷突出危險(xiǎn)性指標(biāo)測試結(jié)果Fig.12 Test results of coal and gas outburst indicators of 31011 return airway

4 分析與討論

突出發(fā)生位置必須具備特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)環(huán)境，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體是突出得以成功啟動(dòng)的必要條件，故異常結(jié)構(gòu)體超前探測就顯得尤為重要。借助突出或高瓦斯煤層施工的大量預(yù)測和抽采鉆孔，基于圍巖介質(zhì)電性參數(shù)差異引起電磁波反射的原理，借助鉆孔雷達(dá)的手段，能夠精細(xì)探測出鉆孔周圍一定范圍內(nèi)的小型構(gòu)造、煤體結(jié)構(gòu)和煤層厚度變化等地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常。對于100 MHz天線的鉆孔雷達(dá)，煤層中徑向探測距離10～20 m，探測精度能夠達(dá)到0.5 m左右，且由于軟分層作為典型的耗散介質(zhì)，信號衰減快。因此，100 MHz天線的鉆孔雷達(dá)能夠精細(xì)探測出掘進(jìn)面前方的巷道及其兩幫20～40 m寬度的小型構(gòu)造、隱伏構(gòu)造、軟分層、煤層厚度突變和區(qū)域構(gòu)造煤等異常地質(zhì)結(jié)構(gòu)，滿足掘進(jìn)工作面防突工作的需求;對于回采工作面，可以借助施工的順層或穿層預(yù)抽鉆孔開展鉆孔雷達(dá)探測工作，精查出工作面范圍內(nèi)存在的異常地質(zhì)結(jié)構(gòu)。試想一下，本文引言中提到的平煤十三礦己15-1711111回采工作面范圍內(nèi)煤層賦存不穩(wěn)定，煤層厚度變化大，若借助鉆孔雷達(dá)探測技術(shù)，利用回采工作面范圍內(nèi)施工的大量順層鉆孔開展精細(xì)探查工作，便能超前掌握煤層厚度突變帶的位置，進(jìn)而有針對性地制定抽采措施，“8·16”突出事故是完全可以避免的。當(dāng)然，目前鉆孔雷達(dá)單孔探測成像結(jié)果并不能很好地指示出異常地質(zhì)結(jié)構(gòu)的方位，也仍然存在多解性等問題，今后的研究工作應(yīng)重點(diǎn)予以關(guān)注與改進(jìn)。當(dāng)然，諸如電磁波CT、鉆孔地震和槽波地震等探測技術(shù)也存在服務(wù)于采掘工作面周圍異常地質(zhì)結(jié)構(gòu)精細(xì)探測的潛力，值得進(jìn)一步深入研究和工程試驗(yàn)。

基于微震監(jiān)測和瓦斯動(dòng)態(tài)涌出相結(jié)合的突出危險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)雖能定性反映出采掘工作面前方地應(yīng)力、瓦斯大小和煤體結(jié)構(gòu)的變化情況，現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果也表明文中所建立的突出可能性指數(shù)I能夠較準(zhǔn)確地反映出前方煤體突出危險(xiǎn)性。但是模型中滑動(dòng)平均值、偏離率和離散率的臨界值、時(shí)間長度n、微震事件變化特征指數(shù)和瓦斯涌出量變化特征指數(shù)的權(quán)重系數(shù)以及突出可能性指數(shù)的等級劃分原則等均受人為因素影響，今后應(yīng)用過程中，應(yīng)基于大量的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)并結(jié)合實(shí)際的突出危險(xiǎn)情況，通過引入大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法等方式，動(dòng)態(tài)分析和科學(xué)確定預(yù)警模型中包含的滑動(dòng)平均值、偏離率和離散率的正常值、時(shí)間長度n、微震事件變化特征指數(shù)和瓦斯涌出量變化特征指數(shù)的權(quán)重系數(shù)以及突出可能性指數(shù)的等級劃分臨界值等參數(shù);同時(shí)可以深入分析煤與瓦斯突出的微震、瓦斯涌出等信號的前兆特征信息和波形變化特征，進(jìn)一步研究和完善突出危險(xiǎn)性綜合判識模型，以便逐步提高實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)判識結(jié)果的準(zhǔn)確性。

煤礦井下煤層瓦斯含量與壓力快速測定技術(shù)豐富和完善了以往的突出預(yù)測指標(biāo)體系，現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果也說明CWH200型煤層瓦斯含量與壓力快速測定儀測值能夠用于指導(dǎo)現(xiàn)場防突工程實(shí)踐。煤層瓦斯壓力作為突出啟動(dòng)的直接動(dòng)力，便是進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測最直接的指標(biāo)。大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐已經(jīng)證明:同一吸附平衡壓力條件下，不同煤樣的吸附瓦斯量大小和解吸曲線存在較大差異;同一瓦斯壓力水平條件下不同煤層的瓦斯含量、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)、鉆孔瓦斯涌出初速度等預(yù)測指標(biāo)的臨界值也存在較大差異。因此，直接采用煤層瓦斯壓力指標(biāo)進(jìn)行工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測，本質(zhì)上更能反映煤層突出危險(xiǎn)性大小，利用煤層瓦斯含量與壓力快速測定技術(shù)會(huì)使得突出預(yù)測結(jié)果更加直接、快速、可靠。當(dāng)然，包括上述煤層瓦斯含量與壓力快速測定技術(shù)在內(nèi)的突出預(yù)測方法均未真正實(shí)現(xiàn)隨鉆測定，普遍存在“以點(diǎn)代面、以偏概全”的問題，即點(diǎn)預(yù)測不能連續(xù)立體地反映采掘工作面前方煤體中各指標(biāo)變化情況，單個(gè)指標(biāo)也只是反映影響突出發(fā)生的某一方面因素。高瓦斯和突出礦井中各種鉆孔鉆進(jìn)過程蘊(yùn)含著大量反映孔底煤體突出危險(xiǎn)性的信息有待挖掘，諸如鉆孔瓦斯涌出量、鉆進(jìn)參數(shù)和鉆屑量等隨鉆測定技術(shù)，以及能綜合反映地應(yīng)力、煤層瓦斯大小和煤體物理力學(xué)性質(zhì)變化的隨鉆突出預(yù)測方法值得進(jìn)一步深入研究。

本文提出的“超前探測-實(shí)時(shí)監(jiān)測-隨鉆測定”相結(jié)合的突出危險(xiǎn)辨識技術(shù)理論上能夠綜合反映采掘工作面周圍地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常變化、煤體結(jié)構(gòu)變化、瓦斯地應(yīng)力和變化特征，能夠確保突出預(yù)測工作的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)采掘工作面突出危險(xiǎn)性“層層遞進(jìn)-精準(zhǔn)辨識”的目的。針對新版《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》提出的多元信息“綜合預(yù)警、快速響應(yīng)和有效處理”總體要求，今后可重點(diǎn)發(fā)展“鉆探和物探相結(jié)合超前探測地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常，實(shí)時(shí)監(jiān)測采掘工作面微震信號和瓦斯涌出時(shí)序變化，隨鉆測定各種特征參數(shù)和預(yù)測指標(biāo)”為核心的綜合預(yù)警技術(shù)和系統(tǒng)，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法等先進(jìn)技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯突出災(zāi)害多元信息綜合監(jiān)測與智能預(yù)警。

5 結(jié)論與展望

(1)“超前探測地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常-實(shí)時(shí)監(jiān)測煤體突出危險(xiǎn)性-隨鉆測定煤層瓦斯大小”相結(jié)合的突出危險(xiǎn)精準(zhǔn)辨識方法能夠綜合反映采掘工作面周圍地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常變化、煤體結(jié)構(gòu)變化、瓦斯和地應(yīng)力大小變化特征，可促進(jìn)突出預(yù)測工作由點(diǎn)預(yù)測向面預(yù)測、由間斷式向連續(xù)式、由接觸式向接觸-非接觸式相結(jié)合的轉(zhuǎn)變，在提升突出預(yù)測效率的同時(shí)，確保突出預(yù)測工作的準(zhǔn)確性，達(dá)到突出危險(xiǎn)“層層遞進(jìn)-精準(zhǔn)辨識”的目的。

(2)突出發(fā)生位置必須具備特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)環(huán)境，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體是突出得以成功啟動(dòng)的必要條件，故采掘工作面前方異常地質(zhì)結(jié)構(gòu)精細(xì)探測是當(dāng)前防突工作的重中之重;借助突出或高瓦斯煤層施工的大量預(yù)測和抽采鉆孔，結(jié)合鉆孔雷達(dá)、鉆孔地震和槽波探測等物探方法，發(fā)展物探和鉆探相結(jié)合的精細(xì)探測技術(shù)，能夠充分發(fā)揮物探和鉆探技術(shù)優(yōu)勢，提高采掘工作面周圍異常地質(zhì)結(jié)構(gòu)的探測精度與效率，對防突工作意義重大。

(3)采掘過程中的微震和瓦斯涌出演化特征能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)表征采掘工作面周圍煤體結(jié)構(gòu)變化、地應(yīng)力和瓦斯大小變化特征，實(shí)現(xiàn)采掘工作面突出危險(xiǎn)的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測;但現(xiàn)有突出危險(xiǎn)判識模型中變化特征指數(shù)的權(quán)重系數(shù)以及突出可能性指數(shù)的等級劃分臨界值等參數(shù)，需要基于大量的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)并結(jié)合實(shí)際的突出危險(xiǎn)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和科學(xué)確定，更需要考慮引入大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法不斷訓(xùn)練綜合預(yù)測模型，以便更好地實(shí)現(xiàn)突出危險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測效果。

(4)通過進(jìn)一步發(fā)展物探和鉆探相結(jié)合的精細(xì)探測技術(shù)，引入大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法等訓(xùn)練綜合判識模型，開發(fā)以“超前探測異常地質(zhì)結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)監(jiān)測采掘工作面微震信號和瓦斯涌出時(shí)序變化特征，隨鉆測定各種特征參數(shù)和預(yù)測指標(biāo)”為核心的綜合預(yù)警系統(tǒng)，有望實(shí)現(xiàn)突出災(zāi)害多元信息綜合監(jiān)測和智能預(yù)警，更好地服務(wù)于煤礦井下煤與瓦斯突出防治工作。

本文重點(diǎn)提出“超前探測地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常-實(shí)時(shí)監(jiān)測煤體突出危險(xiǎn)性-隨鉆測定各種特征參數(shù)和預(yù)測指標(biāo)”這一煤與瓦斯突出危險(xiǎn)“層層遞進(jìn)-精準(zhǔn)辨識”技術(shù)思路和方法，相關(guān)的技術(shù)和配套設(shè)備需要在今后的科研工作中不斷完善，文中技術(shù)探索部分更多的是想拋磚引玉，相信國內(nèi)外各科研院所、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)會(huì)不斷發(fā)展出新型的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段和配套設(shè)備。

致謝文中現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集工作主要由朱南南牽頭組織實(shí)施，期間得到了陽煤集團(tuán)相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)人員的大力支持和幫助，在此一并表示感謝！