【正文】 為廣泛的研究及推廣應(yīng)用。前蘇聯(lián)早在 1923年就開始這方面的研究工作。 20 世紀 70 年代中期在東頓涅茨無煙煤礦區(qū)進行了系統(tǒng)試驗。我國焦作工學(xué)院的湯友誼、陳江峰等學(xué)者 ， 曾以“瓦斯突出煤體無線電波透視探測技術(shù) [3]研究”作為國家“九五”科技攻關(guān)項目 ， 結(jié)合不同礦區(qū)、不同煤種、不同破壞類型的煤體 ， 對突出煤體物性參數(shù)進行了系統(tǒng)的測試研究。同時 ， 針對實際應(yīng)用中的具體問題 ，進行 大量的基礎(chǔ)性研究 ， 取得豐碩的成果。該技術(shù)的應(yīng)用為采煤工作面的高產(chǎn)高效提供了地質(zhì)保障 ， 即預(yù)先探明采煤工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造 ，以 證采煤的順利進行。該技術(shù)在韓城、南桐、陽泉、平頂山等礦務(wù)局應(yīng)用中 ， 多次發(fā)現(xiàn)無線電波透視圈定的斷層、褶曲、產(chǎn)狀變化、力學(xué)性質(zhì)變化等地質(zhì)異常帶是煤與瓦斯突出多發(fā)地帶。研究認為 ， 具有不同結(jié)構(gòu)和含氣條件的構(gòu)造煤體和非構(gòu)造煤體具有明顯不同的電性特征 ， 構(gòu)造煤體中存在各種規(guī)則和不規(guī)則的界面對無線電波傳播產(chǎn)生影響?？梢酝ㄟ^無線電波透視探測出采煤工作面內(nèi)存在的地質(zhì)構(gòu)造破碎帶 ， 來達 到預(yù)測煤與瓦斯突出危險區(qū)域的目的。 （ 3） 利用煤層涌出氡濃度的變化進行煤與瓦斯突出危險性預(yù)測。氡元素是自然界中唯一的放射性氣體元素 ， 是放射性元素鐳和钚衰變過程中的中間產(chǎn)物。雖然它在地層中的含量很微少 ， 存在的時間也很短暫 ， 但含量穩(wěn)定 ， 不易被吸附。在煤層被破壞的突出危險帶 ， 由于氡氣擴散速度要比瓦斯高出許多 ， 氡氣放射強度會先于瓦斯變化而大幅升高。據(jù)國外有關(guān)資料介紹 ， 在無突出危險煤層的工作面中 ， 氡放射強度一般在 30~40q/m3 以下 ， 在有突出危險的煤層中 ， 氡放射強度9 高達 2 500 q/m3， 在煤與瓦斯突出發(fā)生前 ， 氡 放射強度會急劇升高。氡氣 [4,5]的超強擴散能力和易于被檢測的特點 ， 將成為采掘工作面預(yù)測煤與瓦斯突出最有發(fā)展前景的預(yù)測方法 ， 而 HDC 連續(xù)測氡儀可以實現(xiàn)對其的在線檢測。 （ 4） 利用煤層溫度變化法進行煤與瓦斯突出危險性預(yù)測。利用溫度狀況預(yù)測突出危險性的理論依據(jù)是瓦斯解吸時吸熱 ， 導(dǎo)致煤層溫度降低 ， 溫度降低越明顯 ， 說明煤層瓦斯解吸能力越強 ， 則沖擊地壓和突出危險性越大。近年來進行了利用溫度指標(biāo) [5,6]的探測預(yù)報突出的方法研究。王宏圖等進行掘進工作面的突出危險性的研究中 ， 定義了鉆屑溫度 和煤體溫度作為敏感指標(biāo)。原蘇聯(lián)的一些學(xué)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(yù)測指標(biāo) ， 該預(yù)測方法被原蘇聯(lián)防突委員會推薦使用。實踐表明 ， 把突出的溫度變化信息作為突出預(yù)測指標(biāo)之一 ， 并與其它預(yù)測指標(biāo)如電磁輻射強度、聲輻射強度等一起進行非接觸式突出工作面預(yù)測以提高預(yù)測的準(zhǔn)確性是可行的。隨著測溫技術(shù)的發(fā)展 ， 長期困擾煤炭安全生產(chǎn)的煤與瓦斯突出問題將得到更好的解決。 （ 5） 利用電磁輻射強度進行煤與瓦斯突出危險性預(yù)測。電磁輻射預(yù)測的原理是在煤巖層受力變形破壞過程中會產(chǎn)生電磁輻射 ， 電磁輻射強度取決于所受力的大小和 煤巖體的物理力學(xué)性質(zhì)。電磁輻射 [4]與煤的應(yīng)力狀態(tài)及瓦斯?fàn)顟B(tài)有關(guān) ，應(yīng)力越高、瓦斯壓力越大時 ， 電磁輻射信號就越強 ， 電磁輻射脈沖數(shù)就越大。在采掘工作面前方卸壓區(qū)內(nèi) ， 煤體發(fā)生屈服 ， 大量裂隙形成 ， 應(yīng)力及瓦斯壓力降低。由卸壓區(qū)到應(yīng)力集中區(qū) ， 在垂直于煤壁的內(nèi)部方向上單位煤體應(yīng)力及瓦斯壓力升高時的電磁輻射信號也越來越強 ； 在應(yīng)力集中區(qū) ， 應(yīng)力和瓦斯壓力達最大值 ， 煤體的變形破裂過程最強烈 ， 電磁輻射源產(chǎn)生的電磁輻射信號最強 ； 進入原始應(yīng)力區(qū) ，不同 度方向上電磁輻射源產(chǎn)生的電磁輻射的強度將有所下降。煤炭科學(xué)研究總院重慶分院、中國礦業(yè)大 學(xué)相繼利用這一原理研制了沖擊地壓 ， 該儀器采用非接觸式測量方式 ， 并在山東和突出危險探測儀華豐礦、四川芙蓉礦務(wù)局進行了應(yīng)用試驗 ， 取得了一些規(guī)律性的成果。此方法在平頂山八礦也得到了很好的驗證。 （ 6） 利用微震技術(shù)進行煤與瓦斯突出危險性預(yù)測。研究表明 ， 煤和圍巖受力破壞過程中 ， 會發(fā)生破裂和震動。從震源傳出震波或聲波 ， 當(dāng)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。煤巖內(nèi)的震動波可以被安設(shè)在煤體內(nèi)的探測儀器 （ 如地音器或拾震器 ） 所接收 ， 經(jīng)放大并記錄10 下來。然后通過資料分析 ， 進行突出危險性預(yù)測。研究表明 ， 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 4~45min 內(nèi)產(chǎn)生 ， 故微震法 [5]作為突出預(yù)報方法 ， 具有廣闊的應(yīng)用前景。 20 世紀 70 年代初以來 ， 美國礦業(yè)局就用微震技術(shù)研究煤層結(jié)構(gòu)物破壞。同時 ， 采用超聲波技術(shù)來監(jiān)測巖層響聲能量。研究人員利用低頻 （ 10~40kHz） 微震技術(shù)監(jiān)測確定最可能發(fā)生突出的地點 ，利用高頻 （ 40~110kHz） 微震技術(shù)確定突出的時間。 在俄羅斯，以地震聲學(xué)方法為主的彈性波技術(shù)在煤與瓦斯突出危險性預(yù)測領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用已有半個多世紀的歷程， 1965 年地震聲學(xué)預(yù)測方法的判斷準(zhǔn)則問世，該方法隨即成為標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)測方法并迅速得到廣泛的應(yīng)用。在監(jiān)測儀器方面，由最初的 3YA1 型發(fā)展到 3YA6 型，又成功地研制出 CAK1 型自動化地震聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)，從方法上講，目前主要有聲發(fā)射方法和聲學(xué)方法兩種。 據(jù)專家介紹，目前地震聲學(xué)預(yù)測法尚存在許多問題亟待解決，重點應(yīng)著手解決信號源、通信線路和傳感器本身的諸多問題。我國煤炭科學(xué)研究總院撫順院在聲發(fā)射法 （ AE） 預(yù)測煤與瓦斯突出方面做過許多工作，國內(nèi)不少學(xué)者也進行了彈性波技術(shù)預(yù)測煤與瓦斯突出方面的研究，但總體上講，該項技術(shù)尚不 成熟，屬于前探性工作。非接觸式預(yù)測是煤與瓦斯突出預(yù)測技術(shù)的一場重大革命，也是煤與瓦斯突出危險性評價技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。目前以地震波為主的彈性波探測技術(shù)在石油勘探開發(fā)中已取得了長足的進展并成為一種不可缺少的檢測方法，以高分辨率三維地震為主的地面綜合探測技術(shù)在煤炭工業(yè)領(lǐng)域中已基本成熟。在優(yōu)化理論和方法、現(xiàn)代分析理論和方法、隨機理論和方法、混沌與分形理論和方法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上，構(gòu)造新的算法以解決彈性波非線性反演中的非弱散射問題，以突破應(yīng)該屬于 21 世紀的地球?qū)游龀上駟栴}，必將使彈性波 CT 預(yù)測煤與瓦斯突出變成現(xiàn)實 。 （ 7） 利用數(shù)學(xué)理論進行煤與瓦斯突出危險性預(yù)測。煤與瓦斯突出的發(fā)生是由地應(yīng)力、高壓瓦斯、煤的結(jié)構(gòu)性能、地質(zhì)構(gòu)造、煤厚變化、煤體結(jié)構(gòu)及圍巖特征等諸多因素決定的。突出災(zāi)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(xué)作用與這些作用所形成的地質(zhì)體 ， 大多數(shù)都處于復(fù)雜的非線性狀態(tài)。一些先進的數(shù)學(xué)方法 [4]的出現(xiàn) ， 為解決這一問題開辟了一條新途徑。目前 ， 先進的理論方法如計算機模擬、模糊數(shù)學(xué)理論、灰色系統(tǒng)理論、人工神經(jīng)11 網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、分形理論和非線性理論、流變與突變理論等已開始應(yīng)用 ， 并取得了一定的研究成果。這些先進數(shù)學(xué)方法的優(yōu)點都是傳統(tǒng)方法無法比擬的。 （ 8） 工作面瓦斯涌出動態(tài)變化特征預(yù)測突出危險性技術(shù) 大量的理論研究和現(xiàn)場觀測表明，采掘工作面前方煤體瓦斯涌出量的動態(tài)變化與煤體的突出危險性相一致，無論瓦斯涌出量上升或上下起伏，都是突出危險的前兆信息。因此，國內(nèi)外廣泛采用與之相關(guān)的瓦斯涌出特征指標(biāo)進行突出預(yù)測，如 V30（ V60） 、 Kv 指標(biāo)及鉆孔瓦斯涌出初速度等，取得了一定效果，但仍未完全實現(xiàn)對突出動態(tài)前兆連續(xù)變化規(guī)律和特征的考察 [7]。 1） V30（ V60） 及 Kv 指標(biāo)法 V30（ 或 V60） 是指掘進煤巷炮后 30min（ 或 60min） 內(nèi)的噸煤瓦斯釋放量。德國研究表明，如果 V30 值達到崩落煤可解析瓦斯量的 40%，則說明存在突出可能性，如果達到 60%，則表示有突出危險。國內(nèi)重慶、撫順院利用 WTC 瓦斯突出參數(shù)儀和礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通過對煤巷掘進工作面瓦斯動態(tài)涌出的連續(xù)觀測和分析，用掘進煤巷炮后 V30（ 或 V60） 來反映出瓦斯涌出量的上升幅值，將其作為一項突出預(yù)測指標(biāo)。俄羅斯斯闊欽斯基礦業(yè)研究院根據(jù)連續(xù)監(jiān)測掘進煤巷每個落煤循環(huán)的瓦斯涌出量數(shù)據(jù)，采用相對均方根偏差公式計算瓦斯涌出變動系數(shù)Kv 表征瓦斯涌出增 減的變化幅度。國內(nèi)將 V30（ 或 V60） 和 Kv 兩個指標(biāo)相結(jié)合，在部分礦區(qū)進行了突出預(yù)測試驗，并取得了一定的效果。 2）瓦斯涌出動態(tài)特征法 根據(jù)工作面瓦斯涌出特征，利用模式識別技術(shù)對基于礦井監(jiān)測系統(tǒng)的突出預(yù)測系統(tǒng)進行了研究，認為在現(xiàn)有礦井監(jiān)測系統(tǒng)基礎(chǔ)上考慮工作面瓦斯涌出特征，利用計算機模式識別技術(shù)研究非接觸式煤與瓦斯突出預(yù)測系統(tǒng)可行。 國家“十五”科技攻關(guān)計劃也將瓦斯動態(tài)涌出判識突出的技術(shù)列入了研究內(nèi)容，隨著對工作面瓦斯涌出狀態(tài)與煤與瓦斯突出危險程度關(guān)系及突出判識技術(shù)的深入研究，可以利用現(xiàn)有瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)對突出進 行預(yù)測。 ①異常信息提取模型 通過對瓦斯動態(tài)涌出特點的分析以及時間序列分析本身的作用進行對比分析，根據(jù)巷道瓦斯涌出情況實現(xiàn)煤與瓦斯突出的動態(tài)趨勢性預(yù)報 ， 由于在一定時段內(nèi)具體掘進工作面的瓦斯?jié)舛葧幱谝欢ǖ乃?，即表現(xiàn)為一定的特征值，這12 樣當(dāng)瓦斯?jié)舛戎灯x次特征值，表現(xiàn)為離群點，這些離群點所表現(xiàn)的異常信息可以作為預(yù)警煤與瓦斯突出的前兆信息。 本文依據(jù)瓦斯?jié)舛茸兓倪@種特征，提出了煤與瓦斯突出預(yù)測預(yù)報的瓦斯單變量時間序列分析模型 ， 即指數(shù)平滑模型和瓦斯涌出變化模型。 A 指數(shù)平滑預(yù)測模型 a 模型的建立 趨勢類指標(biāo)通過瓦斯?jié)舛仍谝欢〞r期內(nèi)的變化狀況 （ 上升、水平走向、下降 ） ，來反映煤層中影響煤與瓦斯突出的各因素與突出的相互關(guān)系。指數(shù)平滑是利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)的加權(quán)平均數(shù)來構(gòu)造趨勢方程的統(tǒng)計方法 [8]。指數(shù)平滑值和平滑系數(shù)是該法的兩個主要參數(shù)。計算公式如下： yl+1 = αyl + （ 1?α） yl 其中 Y1+t 為 t+1 期預(yù)測值， yt 為 t 期平滑值； α 為平滑系數(shù)，其取值決定了模型的含義。當(dāng)觀測數(shù)據(jù)序列呈現(xiàn)不規(guī)則變動，但波動不大 ， 長期趨勢變動緩慢時 ， 一般取α =~，此時指數(shù)平滑模型是“重老信息、輕新信息”的；當(dāng)觀測序 列波動較大，長期趨勢變動明顯時，一般取α =~，此時平滑指數(shù)模型是“輕老信息、重新信息”的 。 因此，平滑指數(shù)的選擇決定了模型的預(yù)測精度。 b 最佳平滑系數(shù)的確定 最佳的平滑常數(shù)應(yīng)使實際瓦斯?jié)舛戎岛皖A(yù)測值之間的誤差最小，通常是預(yù)測誤差（平均誤差和標(biāo)準(zhǔn)誤差）的平方和的平方根（ RMSPE）最小， y 為實際值的均值。 B 瓦斯涌出變化模型 模型的指標(biāo)主要有：偏差和方差。 偏差：一組數(shù)據(jù)偏離其平均數(shù)的值，對于不同的礦井 ， 在使用滑動平均線判斷突出發(fā)生的過程中即使曲線趨勢是一致的 ， 但礦井的煤層瓦斯含量、煤層滲透性系數(shù)等不一樣，監(jiān)控系統(tǒng)所測得的瓦斯?jié)舛纫矔嬖谥顒e。偏差反映實時瓦斯?jié)舛绕圃搮^(qū)域瓦斯?jié)舛忍卣髦档牧浚@里用Δ h 時長內(nèi)的瓦斯?jié)舛然瑒悠骄鶃泶嫱咚節(jié)舛忍卣髦怠? 13 y(?h)t =xt ?A（ ?h） tA（ ?h） t 式中 A（ ?h） t = 1?h∑ xt?i=1?hi=1 （ 最近Δ h 時長內(nèi)的瓦斯?jié)舛然瑒悠骄?） ； t 為當(dāng)前時刻Δ h 為時間長度； x 為 t 時刻的瓦斯?jié)舛戎担疚闹幸罁?jù)“三八”制掘進方式選用Δ h=8 來對實時值和特征值進行偏差分析。 方差：統(tǒng)計學(xué)中的方差最能描述瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r。因為一方面 ， 它反映的是序列的離散程度，也即各值偏離均值的程度。方差越大 ， 數(shù)據(jù)序列波動性越大，即瓦斯?jié)舛茸兓仍酱?；方差越?， 瓦斯?jié)舛茸兓仍叫?。一定時間步長的瓦斯?jié)舛戎档姆讲畋砻髁送咚褂砍龅淖兓潭取? = 1 ∑xttt=1 2 = 1 ?1∑(x t ? )21t=1 式中：μ為序列的樣本均值； s2 為序列的樣本方差； t 為時間步長，本文選用時間步長為 1h 來體現(xiàn)實時監(jiān)測值的波動情況。 ② 瓦斯項綜合指標(biāo) 瓦斯綜合指標(biāo)是煤與瓦斯突出非線性動力前兆信息表現(xiàn)的評價標(biāo)準(zhǔn)，以往的瓦斯評價停留在瓦斯曲線分析，通常通過觀察的方式來實現(xiàn)，即通過瓦斯?jié)舛绕x平均值的程度和偏離幅度值的大小來觀察，瓦斯涌出變化模型中的偏差和方差就是這兩項內(nèi)容的體現(xiàn)，所以以此為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)分析及函數(shù)構(gòu)造建立瓦斯綜合指標(biāo)的評價模型。由于煤與瓦斯突出的非線性特征，并觀察正常掘進過程中的偏差 方差散點圖形狀特 點。 （ 9） GIS 技術(shù)、三維地學(xué)模擬技術(shù) 1963 年由加拿大測量學(xué)家 首先提出的 GIS 技術(shù)是集地理學(xué)、繪圖學(xué)、遙感學(xué)、圖 形圖像學(xué)以及計算機科學(xué)于一身的邊緣學(xué)科。 20 世紀 90 年代隨著信息的全球化和標(biāo)準(zhǔn)化， GIS 及有關(guān)工具軟件相繼誕生 ， 在許多領(lǐng)域都有了長足的發(fā)展。在礦業(yè)方面， GIS 技術(shù)在礦產(chǎn)資源評價、礦區(qū)瓦斯含量分布規(guī)律探討、安全生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)的建立等方面都有較為成功的應(yīng)用。 張宏偉結(jié)合平頂山礦區(qū)的生產(chǎn)實際，將 GIS 技術(shù)引入煤與瓦斯突出區(qū)域預(yù)測14 工程中，建立了相應(yīng)的信息管理系統(tǒng)，對實現(xiàn)區(qū)域預(yù)測的定量化、科學(xué)化、動態(tài)監(jiān)測，以及多目標(biāo)、多維方向的發(fā)展有巨大的促進作用，通過地質(zhì)構(gòu)造劃分、巖體應(yīng)力狀態(tài)評估，為煤與瓦斯突出區(qū)域預(yù)測開辟了一 條新途徑。 國內(nèi)外尚有不少學(xué)者依靠 GIS 的技術(shù)支持，建立了地質(zhì)災(zāi)害勘察綜合地球物理信息管理與解釋系統(tǒng)，其強大的空間信息管理和分析功能使地質(zhì)災(zāi)害研究進入