【正文】 1 第一 章 煤與瓦斯突出預(yù)測方法 按照煤與瓦斯突出的預(yù)測預(yù)報范圍和時間的不同，國外將預(yù)測方法分為三類，第一是區(qū)域性預(yù)測，它主要是確定煤田、井田、煤層和采掘區(qū)域性的突出危險性，第二是局部預(yù)測，它是在區(qū)域性的基礎(chǔ)上、根據(jù)鉆探、采掘工程等資料，進一步對局部地區(qū) （ 如采區(qū) ） 或地點的突出危險性做出判斷，第三是日常預(yù)測，它是在區(qū)域性預(yù)測、局部預(yù)測的基礎(chǔ)上，根據(jù)突出預(yù)兆的各種異常效應(yīng) （ 如聲、電、磁、震、熱等 ） ，對突出危險發(fā)出警報。 我國將突出危險性預(yù)測只分為區(qū)域突出危險性預(yù)測和工作面突出危險性預(yù)測兩類。區(qū)域突出危險性預(yù)測，簡稱區(qū)域預(yù)測，用于預(yù)測煤層和煤層區(qū)域 （ 包括井田、新水平和新采區(qū) ） 的突出危險性，并在地質(zhì)勘探、新井建設(shè)、新水平和新采區(qū)開拓或準備時進行。工作面預(yù)測也叫點預(yù)測，日常預(yù)測，用于工作面煤層的突出危險性預(yù)測，它包括石門揭煤工作面、煤巷掘進工作面和回采工作面的突出危險性預(yù)測。 區(qū)域性預(yù)測方法 煤與瓦斯突出的區(qū)域性預(yù)測技術(shù)主要有以下幾種預(yù)測方法，即單指標法、綜合指標 D 與 K 法、瓦斯地質(zhì)統(tǒng)計法。 單指標法 采用煤的 破壞類型、瓦斯放散初速度指標 （ ?p） 、煤的堅固性系數(shù) （ f） 和煤層瓦斯壓力 （ p） 作為預(yù)測指標，某煤層只有全部指標達到或超過其臨界值時方可預(yù)測為突出煤層。各種指標的突出危險臨界值應(yīng)根據(jù)實測資料確定，無實測資料可參考下表 所列。 表 預(yù)測煤層突出危險性單項指標臨界值 煤層突出危險性 破壞類型 瓦斯放散初速度指標 ?p（ mmHg） 煤堅固性系數(shù) f 煤層瓦斯壓力 p（ Mpa） 2 突出危險 Ⅲ Ⅳ Ⅴ ≥10 ≤ 無突出危險 Ⅰ Ⅱ 10 煤層突出危險性綜合指標 D 和 K 法 用綜合指標 D 和 K 來預(yù)測煤層的突出危險性，是通過測量及整理計算得出綜合指標 D 和 K，與臨界值相比較直接判斷煤層是否有突出危險。煤炭科學研究總院撫順分院、北票礦務(wù)局與紅衛(wèi)局提出用綜合指標 D 和 K 來預(yù)測煤層的突出危險性，其臨界值參照下列表 所示數(shù)值。 表 綜合指標 D 和 K 預(yù)測煤層突出危險性臨界值 D K 突出危險性 無突出危險 ≥ 15 無突出危險 ≥ ≥15 突出危險 用綜合指標 D 和 K 預(yù)測煤與瓦斯突出危險的核心技術(shù)是瓦斯放散初速度指標 （ ?P） 、煤的堅固性系數(shù) （ f） 和煤層瓦斯壓力 （ p） 的測定。利用所得數(shù)據(jù)通過下式計算綜合指標 D 和 K。 D = ( ?30)（ p?） 式中 D 一煤層突出危險性綜合指標之一 ； H 一煤層開采深度， m； P 一煤層瓦斯壓力，取兩測壓鉆孔實測瓦斯壓力的最大值， Mpa； f 一煤層軟分層的平均堅固性系數(shù)，如打鉆所取煤樣的粒度達不到測試f 值所需求的粒度標準 （ 1015mm） 時，可取粒度為 13mm 煤樣進行 f 值的測定，所得結(jié)果按下式進行換算。 當 f13≤ 時， f=f13 當 f13≤ 時， f=1。 57f130。 14 式中 f13 用粒度為 13mm 煤樣測出的煤堅固性系數(shù)值 k = ?p/f 式中 k煤層突出危險性綜合指數(shù)之一 ； ?p煤層軟分層的瓦斯放散初速度指標 。 3 瓦斯地質(zhì)統(tǒng)計法 瓦斯地質(zhì)統(tǒng)計法，是根據(jù)已開采區(qū)域突出點分布與地質(zhì)構(gòu)造 （ 包括褶皺、斷層、煤層賦存條件變化、火成巖侵入等 ） 的關(guān)系，結(jié)合未開采區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造條件來大致預(yù)測突出可能發(fā)生的范圍。不同礦區(qū)控制突出的地質(zhì)構(gòu)造因素是不同的，某些礦區(qū)的突出主要受斷層控制，另一些礦區(qū)主要受褶皺或煤層厚度變化控制。因此，各礦區(qū)可根據(jù)己采區(qū)域主要控制突出的地質(zhì)構(gòu)造因素，來預(yù)測未采區(qū)域 的 突出危險性。 綜合指標法 俄羅斯斯科欽斯基礦業(yè)研究院提出用綜合指標 B 作為預(yù)測指標， B 按 下式 計算 ： B = X?XOCTVdofXCP (R+) = ++ 式中 X 一煤層瓦斯含量， m3/t； xoct 一該種煤的殘余瓦斯量， m3/t； Xcp 一該種煤的平均瓦斯量， m3/t； vdof 一煤的揮發(fā)分， %； M 一煤層厚度， m； C 一以分層數(shù)目表示的煤層復(fù)雜程度 ； H 一煤層埋藏深度， m； fn 一圍巖特性， MPa； R 一通過煤的破壞性表示的煤層強度， mm。 R = 6∑ mi8i=1∑midi8i=1 式中 mi:粒度的煤粒質(zhì)量 ； di： 粒度的煤粒直徑 ； 當 B≥ 15時煤層有突出危險， B15 時，煤層無突出危險。 4 地質(zhì)指標法 表 地質(zhì)指標臨界值 R5 Kf Kd P 危險性 ≤ 1 ≤ 無危險 過渡性 ≥ ≥ ≥1 危險 地質(zhì)指標法是通過測量和計算煤層圍巖指標 R5（ 5m 含砂巖率 ） 、地質(zhì)構(gòu)造指標 Kf、煤質(zhì)指標 （ Kd = ?p?） 和瓦斯壓力 p 進行綜合判斷。 各指標的臨界值見表 。 多因素綜合預(yù)測法 多因素綜合預(yù)測法是在礦井條件已知或可知情況下，應(yīng)用數(shù)學地質(zhì)理論和方 法來預(yù)測煤與瓦斯突出。根據(jù)預(yù)測任務(wù)和具體地質(zhì)條件將研究區(qū)域劃分為已知區(qū) 域和未知區(qū)域，在已知區(qū)域中建立突出預(yù)測綜合指標與各種地質(zhì)因素之間的定量 關(guān)系，根據(jù)這種定量關(guān)系，向具有相似地質(zhì)條件的未知區(qū)域進行外推，從而達到 預(yù)測未知區(qū)域的目的。 物探法 電磁波衰弱指標可以綜合反映煤體結(jié)構(gòu)、煤中瓦斯和地質(zhì)構(gòu)造破壞帶。由于 突出危險區(qū)域和非突出危險區(qū)域煤體在煤體結(jié)構(gòu)、煤中瓦斯和煤層賦存條件方面 存在不同，因此，可以利用電磁波在突出危險區(qū)域和非突出危險區(qū)域煤體中衰減 的差異，來預(yù)測突出。 基于 各種單項指標或綜合指標來預(yù)測 的方法 根據(jù)對突出有影響的瓦斯、地壓、煤巖結(jié)構(gòu)和力學性質(zhì)等基本因素以及所提出的各種單項指標或綜合指標來預(yù)測突出災(zāi)害發(fā)生可能性的方法。預(yù)測方法歸納如下 [1]： 5 （ 1） 瓦斯壓力預(yù)測法 ： 一般認為煤層瓦斯壓力在 10 個大氣壓 （ 1MPa） 時，具有突出危險性。但是，在波蘭也有瓦斯壓力不超過 2 個大氣壓 （ ） 的區(qū)域發(fā)生瓦斯突出事例，我國《防突規(guī)定》 2022 年版規(guī)定 ： 當煤層瓦斯壓力 P時就有突出危險性。 （ 2） 鉆孔瓦斯自噴壓力預(yù)測法 ： 波蘭規(guī)定自噴瓦斯壓力大于 大氣壓（ P） 屬于中等危險，自噴壓力大于 2 個大氣壓 （ P） 屬于很危險。在其它產(chǎn)煤大國如捷克、日本、英國等國家都根據(jù)鉆孔瓦斯自噴壓力來預(yù)報突出。 （ 3） 鉆孔瓦斯涌出速度預(yù)測法 ： 采用鉆孔瓦斯涌出初速度指標對采掘工作面前方煤體的突出危險性進行預(yù)測的方法。該方法最早由原蘇聯(lián)馬凱耶夫煤礦安全工作科學研究所提出。后被波蘭、保加利 亞、法國、捷克、日本等國廣泛推廣應(yīng)用，但各國所用的方法卻大同小異，原蘇聯(lián)的的方法是在采掘工作面推進過程中 （ 掘進工作面每推進 Zm，回采工作面每推進 3m） 不斷打鉆孔 （ 孔徑 43mm、長 、用機械封孔器封堵離孔底 長的一段空間 ） ，并用 nTZMA 型儀器測定瓦斯涌出速度，如果瓦斯涌出速度全 5L/min 時就須采取防突措施。 （ 4） 煤樣瓦斯泄出量預(yù)測法 ： 在打鉆時取鉆粉煤樣，放在解吸器中測量一定時間間隔內(nèi)的瓦斯泄出量。比利時規(guī)定，巧分鐘內(nèi)泄出量小于 危險， 10 分鐘內(nèi)泄出量為 23cm3/g 者有 危險， 3cm3/g 時很危險。而英國則用封堵煤樣中瓦斯泄出的比值為指標，規(guī)定正常值為 10mg/g，而將正常值于該煤樣泄出量的比值作為危險性的指標，此比值大于 4 時認為有突出危險。相繼我國的秦汝詳?shù)龋ㄟ^對掘進工作面突出前夕煤壁瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律的研究，提出了利用瓦斯?jié)舛茸兓A(yù)報突出的方法，并建立了突出預(yù)報數(shù)學模型 ； 胡千庭等教授利用新開發(fā)的取芯裝備直接在井下取芯測定煤層瓦斯含量，采用瓦斯含量指標預(yù)測突出危險性。法國、波蘭、日本、羅馬尼亞、捷克、澳大利亞等國家都采用此法。 （ 5） 瓦斯成分預(yù)測法 ： 蘇聯(lián)以煤層瓦斯成分 缺氦作為無突出危險的指標。日本認為煤層瓦斯成分中重碳氫化合物含量增高是突出危險性指標。 （ 6） 鉆粉量預(yù)測法 ： 這是蘇聯(lián)、西德、日本、比利時、捷克等國家廣泛采用的一種簡單方法。西德以鉆粉量大于正常量的 8 倍作為危險指標，而日本則以6 鉆粉量大于 6L/m 作為危險指標。 （ 7） 頂?shù)装蹇繑n速度預(yù)測法 ： 蘇聯(lián)、保加利亞、日本等國家都認為突出前頂?shù)装蹇繑n速度減緩甚至停滯，常以工作面采煤時和無作業(yè)時頂?shù)装蹇繑n速度的比值 K 來表示突出危險性， K=36 時無突出危險性。 （ 8） 瓦斯放散初速度 （ △ P） 預(yù)測法 ： 這是蘇聯(lián)礦業(yè)研究所規(guī)定的表示突 出危險性的指標。該指標目前在法國、比利時、保加利亞、捷克、日本、羅馬尼亞等國家已得到廣泛的應(yīng)用，而在應(yīng)用方法上大同小異，一般規(guī)定 ?P10 不危險， ?P25 時有危險 ； 但在蘇聯(lián)、比利時等國家也有的非危險區(qū) ?P15?P15，危險區(qū)△ P2025，并不能嚴格劃分界限。 （ 9） 煤的強度或強度綜合指標預(yù)測法 ： 蘇聯(lián)、保加利亞、日本等國采用煤的強度系數(shù) （ 按普氏指標或插針插入深度 ） 。此外還采用煤的強度系數(shù) （ f） 、篩分系數(shù) （ C） 及瓦斯放散初速度 （ △ P） 的綜合指標 （ e=（ △ Pf） +） ，或其它類型強度綜合指標。保加利亞規(guī)定，當 f= 或更大時屬于不危險層，而當 f= 時則屬于危險區(qū)。 （ 10） 煤層圍巖性質(zhì)預(yù)測法 ： 蘇聯(lián)、日本認為，突出煤層的圍巖應(yīng)是厚而堅硬的巖石 （ 砂巖、石灰?guī)r等 ） ，而緊挨煤層的頁巖墊層厚度應(yīng)小于 2m。 其它還有煤的顯微結(jié)構(gòu)預(yù)測法、大地電阻預(yù)測法，測量順磁中心含量的方法等。 在區(qū)域預(yù)測出的煤層突出危險區(qū)內(nèi)，工作面進行采掘之前，進行工作面預(yù)測，及時發(fā)現(xiàn)采掘工作面前方的突出危險地帶、確保采掘過程中及時采取防突措施、避免發(fā)生煤與瓦斯突出事故。 工作 面突出預(yù)測方法 統(tǒng)計表明，煤巷掘進時發(fā)生的煤與瓦斯突出次數(shù)占礦井突出總數(shù)的首位，因此煤巷掘進工作面是突出預(yù)測的重點。工作面預(yù)測按照其與煤體的關(guān)聯(lián)程度分為接觸式預(yù)測與非接觸式預(yù)測。 接觸式預(yù)測 我國從 20 世紀 70 年代末開始對工作面突出危險性預(yù)測進行研究，至 20 世7 紀 80 年代后期基本形成了以鉆屑量、鉆孔瓦斯涌出初速度和鉆屑瓦斯解析特征等指標進行工作面預(yù)測的方法，另外也有利用鉆屑溫度、鉆孔內(nèi)壁溫度和鉆孔涌出瓦斯中 He、 Ar 同位素含量等參數(shù)預(yù)測的方法，但應(yīng)用不太廣泛。我國現(xiàn)行《細則》中規(guī)定，進行煤巷掘進工作 面突出危險性預(yù)測時可采用鉆孔瓦斯涌出初速度法、 R 值指標法和鉆屑指標法等，由于這些方法都是在向煤層打鉆的基礎(chǔ)上進行的，因此也統(tǒng)稱為鉆孔法。 非接觸式預(yù)測 通過向煤層打鉆孔測定相關(guān)參數(shù)預(yù)測采掘工作面突出危險性技術(shù)，研究了不同突出類型、不同煤層賦存條件、不同工作面類型的突出預(yù)測指標工藝和判斷分析方法，并研究了預(yù)測突出危險較敏感指標的適應(yīng)條件和臨界值確定技術(shù)，已形成了一套較為完整的突出預(yù)測技術(shù)體系，在全國大多數(shù)突出礦井得到普遍推廣應(yīng)用。 根據(jù)突出預(yù)測過程及其連續(xù)性，工作面預(yù)測又可以分為靜態(tài)不連續(xù)預(yù)測和動態(tài)連續(xù)預(yù)測兩種預(yù)測方法。實時跟蹤預(yù)測，即連續(xù)動態(tài)預(yù)測是指通過動態(tài)連續(xù)地監(jiān)測能綜合反映含瓦斯煤巖體所處 （ 應(yīng)力或應(yīng)變 ） 狀態(tài)的某種指標而確定工作面附近煤層突出危險性的方法。目前突出的連續(xù)動態(tài)預(yù)測有三條途徑：一是聲發(fā)射（ AE） 監(jiān)測技術(shù)；二是利用環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測工作面的瓦斯涌出變化特征，分析瓦斯涌出與突出的關(guān)系，從而預(yù)測瓦斯突出；三是電磁輻射 （ EME） 監(jiān)測技術(shù)。 動態(tài)連續(xù)不接觸預(yù)測 主要有： （ 1） 利用聲發(fā)射技術(shù)進行煤與瓦斯突出危險性預(yù)測。煤和巖石內(nèi)部存在大量的裂隙等固有缺陷 ， 煤巖變形及破壞的結(jié)果就是裂隙的產(chǎn)生、擴展、匯合貫通。研究表明 ， 裂隙的產(chǎn)生和擴展都將以彈性應(yīng)力波的形式產(chǎn)生能量輻射 ， 這就是聲發(fā)射。聲發(fā)射技術(shù)可以對破裂源進行定位。早在 20 世紀 40 年代初 ， 美國就利用聲發(fā)射技術(shù) [2]監(jiān)測金屬礦井的巖爆 ， 隨著計算技術(shù)的應(yīng)用 ， 該項技術(shù)在礦井中的應(yīng)用更加廣泛。 前蘇聯(lián)的頓巴斯煤田對聲發(fā)射用于煤與瓦斯突出預(yù)測進行了較多研究工作 ，早在 1974 年 ， 突出嚴重的中央?yún)^(qū)已有 121 個工作面采用了這項技術(shù)。 8 我國的研究起 步較晚 ， 在現(xiàn)場應(yīng)用也較少。平頂山礦務(wù)局從俄羅斯引進了聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng) ， 并用于煤與瓦斯突出預(yù)報試驗研究。我國重慶煤科分院生產(chǎn)了聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng) ， “九五”攻關(guān)期間在平頂山礦區(qū)進行了應(yīng)用。煤炭科學研究總院西安分院也研制了 MJY1 型聲發(fā)射實時監(jiān)測系統(tǒng) ， 并在平頂山十礦進行了現(xiàn)場實驗。聲發(fā)射技術(shù)用于礦井已有幾十年的歷史 ， 其在巖爆監(jiān)測方面已取得一些成果 ， 盡管很多人認為聲發(fā)射突出預(yù)測系統(tǒng)是一種很有發(fā)展前途的預(yù)測方法 ， 各國都投入了大量的人力物力進行了廣泛的研究 ， 但目前其突出預(yù)測的可靠程度與生產(chǎn)實際的需要還有差距 ， 隨著大容量、 高速度計算機系統(tǒng)的引入和聲接收技術(shù)的發(fā)展 ， 用聲發(fā)射技術(shù)進行突出預(yù)測可望獲得突破。 （ 2） 利用無線電波透視探測技術(shù)進行煤與瓦斯突出危險性預(yù)測。無線電波透視探測技術(shù)在國內(nèi)外都進行了較