【正文】 為廣泛的研究及推廣應用。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。我國焦作工學院的湯友誼、陳江峰等學者 ， 曾以“瓦斯突出煤體無線電波透視探測技術 [3]研究”作為國家“九五”科技攻關項目 ， 結合不同礦區(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 ， 針對實際應用中的具體問題 ，進行 大量的基礎性研究 ， 取得豐碩的成果。該技術的應用為采煤工作面的高產(chǎn)高效提供了地質(zhì)保障 ， 即預先探明采煤工作面內(nèi)地質(zhì)構造 ，以 證采煤的順利進行。該技術在韓城、南桐、陽泉、平頂山等礦務局應用中 ， 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 ， 具有不同結構和含氣條件的構造煤體和非構造煤體具有明顯不同的電性特征 ， 構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)構造破碎帶 ， 來達 到預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測煤與瓦斯突出最有發(fā)展前景的預測方法 ， 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測。利用溫度狀況預測突出危險性的理論依據(jù)是瓦斯解吸時吸熱 ， 導致煤層溫度降低 ， 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 [5,6]的探測預報突出的方法研究。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。原蘇聯(lián)的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。實踐表明 ， 把突出的溫度變化信息作為突出預測指標之一 ， 并與其它預測指標如電磁輻射強度、聲輻射強度等一起進行非接觸式突出工作面預測以提高預測的準確性是可行的。隨著測溫技術的發(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測。電磁輻射預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 煤巖體的物理力學性質(zhì)。電磁輻射 [4]與煤的應力狀態(tài)及瓦斯狀態(tài)有關 ，應力越高、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 ， 應力及瓦斯壓力降低。由卸壓區(qū)到應力集中區(qū) ， 在垂直于煤壁的內(nèi)部方向上單位煤體應力及瓦斯壓力升高時的電磁輻射信號也越來越強 ； 在應力集中區(qū) ， 應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。煤炭科學研究總院重慶分院、中國礦業(yè)大 學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、四川芙蓉礦務局進行了應用試驗 ， 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） 利用微震技術進行煤與瓦斯突出危險性預測。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]作為突出預報方法 ， 具有廣闊的應用前景。 20 世紀 70 年代初以來 ， 美國礦業(yè)局就用微震技術研究煤層結構物破壞。同時 ， 采用超聲波技術來監(jiān)測巖層響聲能量。研究人員利用低頻 （ 10~40kHz） 微震技術監(jiān)測確定最可能發(fā)生突出的地點 ，利用高頻 （ 40~110kHz） 微震技術確定突出的時間。 在俄羅斯，以地震聲學方法為主的彈性波技術在煤與瓦斯突出危險性預測領域中的研究與應用已有半個多世紀的歷程， 1965 年地震聲學預測方法的判斷準則問世，該方法隨即成為標準的預測方法并迅速得到廣泛的應用。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)射方法和聲學方法兩種。 據(jù)專家介紹，目前地震聲學預測法尚存在許多問題亟待解決，重點應著手解決信號源、通信線路和傳感器本身的諸多問題。我國煤炭科學研究總院撫順院在聲發(fā)射法 （ AE） 預測煤與瓦斯突出方面做過許多工作，國內(nèi)不少學者也進行了彈性波技術預測煤與瓦斯突出方面的研究，但總體上講，該項技術尚不 成熟，屬于前探性工作。非接觸式預測是煤與瓦斯突出預測技術的一場重大革命，也是煤與瓦斯突出危險性評價技術發(fā)展的必然趨勢。目前以地震波為主的彈性波探測技術在石油勘探開發(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在煤炭工業(yè)領域中已基本成熟。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)學基礎上，構造新的算法以解決彈性波非線性反演中的非弱散射問題，以突破應該屬于 21 世紀的地球?qū)游龀上駟栴}，必將使彈性波 CT 預測煤與瓦斯突出變成現(xiàn)實 。 （ 7） 利用數(shù)學理論進行煤與瓦斯突出危險性預測。煤與瓦斯突出的發(fā)生是由地應力、高壓瓦斯、煤的結構性能、地質(zhì)構造、煤厚變化、煤體結構及圍巖特征等諸多因素決定的。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(zhì)體 ， 大多數(shù)都處于復雜的非線性狀態(tài)。一些先進的數(shù)學方法 [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)學理論、灰色系統(tǒng)理論、人工神經(jīng)11 網(wǎng)絡、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用 ， 并取得了一定的研究成果。這些先進數(shù)學方法的優(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)變化特征預測突出危險性技術 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的瓦斯涌出特征指標進行突出預測，如 V30（ V60） 、 Kv 指標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測指標。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 兩個指標相結合，在部分礦區(qū)進行了突出預測試驗，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，利用模式識別技術對基于礦井監(jiān)測系統(tǒng)的突出預測系統(tǒng)進行了研究，認為在現(xiàn)有礦井監(jiān)測系統(tǒng)基礎上考慮工作面瓦斯涌出特征，利用計算機模式識別技術研究非接觸式煤與瓦斯突出預測系統(tǒng)可行。 國家“十五”科技攻關計劃也將瓦斯動態(tài)涌出判識突出的技術列入了研究內(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系及突出判識技術的深入研究，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測預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)平滑預測模型 a 模型的建立 趨勢類指標通過瓦斯?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系。指數(shù)平滑是利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)的加權平均數(shù)來構造趨勢方程的統(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測精度。 b 最佳平滑系數(shù)的確定 最佳的平滑常數(shù)應使實際瓦斯?jié)舛戎岛皖A測值之間的誤差最小，通常是預測誤差（平均誤差和標準誤差）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?，這里用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 為當前時刻Δ h 為時間長度； x 為 t 時刻的瓦斯?jié)舛戎?，本文中依?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　Ｒ欢〞r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 瓦斯綜合指標是煤與瓦斯突出非線性動力前兆信息表現(xiàn)的評價標準，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，通過數(shù)據(jù)分析及函數(shù)構造建立瓦斯綜合指標的評價模型。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、三維地學模擬技術 1963 年由加拿大測量學家 首先提出的 GIS 技術是集地理學、繪圖學、遙感學、圖 形圖像學以及計算機科學于一身的邊緣學科。 20 世紀 90 年代隨著信息的全球化和標準化， GIS 及有關工具軟件相繼誕生 ， 在許多領域都有了長足的發(fā)展。在礦業(yè)方面， GIS 技術在礦產(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用。 張宏偉結合平頂山礦區(qū)的生產(chǎn)實際，將 GIS 技術引入煤與瓦斯突出區(qū)域預測14 工程中，建立了相應的信息管理系統(tǒng)，對實現(xiàn)區(qū)域預測的定量化、科學化、動態(tài)監(jiān)測，以及多目標、多維方向的發(fā)展有巨大的促進作用，通過地質(zhì)構造劃分、巖體應力狀態(tài)評估，為煤與瓦斯突出區(qū)域預測開辟了一 條新途徑。 國內(nèi)外尚有不少學者依靠 GIS 的技術支持，建立了地質(zhì)災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)災害研究進入