韩云春，任 波，杨理强，陈本良，4，段昌瑞，邓东生，4，李志兵

(1.平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司，安徽 淮南 232000；2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083；3.深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室，安徽 淮南 232000；4.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001)

0 引言

经过长期开采，我国煤炭浅部资源日渐枯竭，开采深度以每年10～25 m的速度增加，平均采深已达700 m左右，中东部地区主要矿井开采深度达800～1 000 m，突出煤层的开采是我国必须面临的重大难题[1]，煤与瓦斯突出的预测与防治工作尤为重要，煤与瓦斯突出监测预警作为突出防治的重要环节，已成为世界性难题和研究热点，也成为我国高瓦斯矿井安全生产亟待解决的科学问题，是国家能源安全的重要战略需求和突破方向[2]。

为实现煤与瓦斯突出的准确预测、预报，国内外学者通过长期深入的研究，在预测指标体系、预测预警方法构建等突出防治核心环节取得了大量成果。

1 突出预测指标

1.1 静态指标和动态指标

在突出预测指标方面，根据突出预测过程及其连续性，可分为静态指标和动态指标两类。目前我国较多采用的是煤的破坏类型、瓦斯放散指数Δp、煤体坚固性系数f、瓦斯压力p、钻屑综合指标、钻孔瓦斯涌出初速度q、R值指标等[3]。随着研究不断深入和研究手段、技术的不断丰富，电磁辐射[4]、声发射[5]、微震监测[6]等可被连续检测的动态预测指标在现实中有了很好的应用。地应力、瓦斯压力和煤的物理力学性质等因素共同影响煤与瓦斯突出的发生，而瓦斯膨胀能是煤与瓦斯突出过程中的主要能量来源。因此，瓦斯膨胀能必然是预测煤与瓦斯突出的重要指标[7]。

1.2 其他技术和指标

煤与瓦斯突出和冲击矿压电磁辐射：采用临界值和趋势法进行综合评判，观察强度和脉冲数两项指标。其中，强度代表煤岩体的受载程度及变形破裂强度；脉冲数表示煤岩体变形及微破裂的频次。何学秋利用煤岩破坏力电耦合模型、煤与瓦斯突出和冲击矿压发生规律及实测数据，研究得出了两种灾害的电磁辐射预警临界值系数和动态变化趋势系数的确定方法。采用脉冲数和强度两个指标同静态临界值和动态趋势相结合的方法进行预警，电磁辐射可以将动力灾害危险分为无危险、弱危险和强危险的3级预警方案。煤与瓦斯突出和冲击矿压电磁辐射预警值域，如图1所示。

图1 煤与瓦斯突出和冲击矿压电磁辐射预警值域

声发射技术：该技术可以对煤岩体中破裂源进行定位，煤炭科学研究总院西安分院根据该原理研制了一套声发射实时监测系统，该系统在平顶山十矿得到了实际应用。

微震监测技术：该技术是利用煤岩破裂产生的微震信号来判别煤岩体结构的在线监测方法，图2为微震监测技术震源定位可靠性评价体系。近年来，微震监测技术在煤与瓦斯突出和煤矿冲击地压监测预警等方面取得了一系列研究成果。

图2 震源定位可靠性综合评价体系示意

初始瓦斯膨胀能：中国矿业大学蒋承林教授提出了初始瓦斯膨胀能的概念，认为初始瓦斯膨胀能是煤体发生突出的重要能量来源，并用煤与瓦斯突出的球壳失稳理论分析了影响煤层突出危险性的因素，提出了“理想石门揭煤”的预测模式，研究了这种预测模式的预测指标。实验证明，采用初始释放瓦斯膨胀能和软煤厚度可以准确地预测“理想石门揭煤”条件下的突出危险性。

2 突出预警方法

在煤与瓦斯突出预测预警方法方面，灰色理论、能量理论和神经网络等理论和方法被应用到预测评价中，并取得了较好的效果。

2.1 灰色理论和神经网络理论的应用

灰色理论：在定量预警方面，伍爱友[8]利用灰色理论中灰色关联分析数学模型，定量分析了6种预测煤与瓦斯突出的指标，并确定了最佳预测指标，为煤与瓦斯突出预测指标的选择提供了定量化依据。张子戌[9]采用模糊聚类分析方法对待预测样本进行模糊模式识别，实现了多指标定量化的预测，提高了预测效果的准确程度。

神经网络理论：苗琦[10]对煤与瓦斯突出影响因素进行灰关联分析，应用改进的BP算法建立了煤与瓦斯突出预测的神经网络模型，以云南恩洪煤矿的煤与瓦斯突出实例作为预测样本进行了验证。

2.2 其他方法

分批估计融合方法：阎馨[11]利用基于均值的分批估计融合方法对判别煤与瓦斯突出指标的多传感器数据进行处理，并利用案例推理方法对煤与瓦斯突出危险性进行快速、准确和动态预测。

果蝇优化算法：孙明[12]利用果蝇优化算法，以“个体嗅觉探测”和“群体视觉靠拢”为指导思想，获得了安全型、危险型和突出型突出危险评估指数的确定方法，计算了不同状态下的危险评估指数，图3为果蝇群体均方根误差收敛趋势。

a-安全型；b-危险型；c-危险型图3 果蝇群体均方根误差收敛趋势

应力敏感元素指标体系：姜波[13]从构造-地球化学角度对原生结构煤和不同变质变形系列构造煤中元素迁移聚集规律进行分析，提炼应力敏感元素，从而建立了煤与瓦斯突出预测的应力敏感元素指标体系。

3 结语

关于煤与瓦斯突出机理和突出危险性预测方面，国内学者做了大量工作，并取得了一定的研究成果。但在预警指标的选择上存在考虑权重的片面性问题，影响煤矿瓦斯事故的因素众多，还有大量临突物理特征信息没有考虑；在预警方法上，由于突出情况异常复杂，每种方法因自身具有的局限性，都存在适应性单一的问题，限制了突出预警的方便性、快速性和准确性。而通过物理模拟试验和室内试验相结合，对突出情况进行真实再现，准确、及时、全面地获取突出前兆物理量，构建科学的突出预警指标体系和方法，对揭示煤与瓦斯突出机理，实现煤与瓦斯突出的预测与防治具有重要理论和现实意义。随着现代科学技术的飞速发展，物理模拟试验和室内试验相结合的方法必然是突破煤与瓦斯突出预测预警准确度的重要方向。