【正文】 化法進行煤與瓦斯突出危險性預測。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。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)。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。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。 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。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。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)領域中已基本成熟。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)。 （ 8） 工作面瓦斯涌出動態(tài)變化特征預測突出危險性技術(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。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。 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 行預測。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]。 因此，平滑指數(shù)的選擇決定了模型的預測精度。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?。方差越?， 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　Ｓ捎诿号c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。 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(gòu)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。 煤與瓦斯突出預測的發(fā)展趨勢是，利用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)對變形破裂劇烈區(qū)域進行定位，利用電磁輻射監(jiān)測技術(shù)工作面非接觸連續(xù)預測，再結(jié)合現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的瓦斯涌出動態(tài)對煤與瓦斯突出現(xiàn)象進行準確預測，并在綜合研究基礎上，開發(fā)出預測方法的集成監(jiān)測技術(shù)和判識軟件，形成煤與瓦斯突出實時分析專家診斷系統(tǒng)。 南棟詳對具有變量藕合、隨機和突變特性的突出一類復雜系統(tǒng)，提出了用量 子廣義神經(jīng)網(wǎng)絡的方法來預測突出 ； 王敏利用遺傳算法反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡模型來預測預15 報突出強度 。郭德勇等研究團隊將層次分析和模糊綜合評判方法結(jié)合起來應用于突出預測研究中。因此，荷蘭學者 VanLaargoven 于 1983 年提出用三角模糊數(shù)表示模糊比較判斷的方法， 并且應用三角模糊數(shù)的計算方法得到指標權(quán)重的排序。 （ 2） 由專家對評價指標的各個因素進行兩兩比較，并用三角模糊數(shù)構(gòu)造模糊判斷矩陣。 lij、 、 mij、 uij 分別表示因素 xi 相 對于 xj 的重要度的最悲觀估計、最 可 能估計和最樂觀估計。主要包括結(jié)構(gòu)特征和能力特征兩方面 。神經(jīng)網(wǎng)絡內(nèi)在的并行性和分布性使其在信息存儲與處理都是空間上分布、時間上并行。自適應性時指一個系統(tǒng)能 自 身的性能以適應環(huán)境變化的能力。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡按網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)分為前饋型網(wǎng)絡和反饋型網(wǎng)絡。 通過相應的案例討論了煤與瓦斯突出危險性的影響因素，應用三角模糊數(shù)的綜合評價方法確定了影響突出危險性的主控因素，基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡的煤與瓦斯突出危險性的預測實際是前而工作的繼續(xù)，目的在于通過對突出影響因素的分析，將其分析結(jié)果作為網(wǎng)絡訓練時輸入樣本選擇的依據(jù)，預測方案可按以下幾個步驟進行 ： 1） 通過對煤與瓦斯突出影響因素的分析，利用三角模糊數(shù)的綜合評價方法， 確定控制突出的主控因素。 5） 利用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡訓練得到的非線性映射關(guān)系進行煤與瓦斯突出的危險性 預測。 模糊綜合評判模型的建立 過程： （ 1） 確定因素集 U U = {u1， u2， ? ， un}， 即對工作面突出危險性有影響的因素集。煤與瓦斯突出危險等級還沒有一個明確的界限 ， 根據(jù)對礦區(qū)工作面突出情況的統(tǒng)計 ， 將工作面的突出危險性可以劃分為 3 個等級 ， 即υ 1 為一般突出危險、υ 2 為中等突出危險、υ 3 為嚴重突出危險 。 （ 4） 確定各單因素的模糊權(quán)重集 A A = （ a1， a2， …， am） 在權(quán)重集合中 ： ∑ ai = 1 且 ai ≥ 0mi=1 權(quán)重的確定方法有很多種 ， 如根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計和專家經(jīng)驗、多元回歸分析法、灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度分析法等來確定。因此，近年來 GIS 在地學領域內(nèi)得到了廣泛關(guān)注和迅猛發(fā)展。 （ 1） 評價方法 1） 評價因素的確定。將礦煤與瓦斯21 突出危險性評價因素權(quán)重和隸屬函數(shù)統(tǒng)計。目前，煤礦采掘工程平面圖大多以． dwg 格式存在，利用SuperMap Deskpro 5． 2 對． dwg 文件進行分層轉(zhuǎn)化。將． mdb文件導入 SuperMap Deskpro 5． 2 軟件中，調(diào)用“數(shù)據(jù)集”菜單中“類型轉(zhuǎn)換”的子項“屬性點數(shù)據(jù)集”， SuperMapDeskpro 5． 2 軟件將依據(jù)用戶指定的 x、 y 坐標自動繪制點圖層。在此基礎上，配合各因素權(quán)重進行柵格地圖代數(shù)運算求出各單元的綜合評價值，最終獲得雙柳礦煤與瓦斯突出危險性綜合評價圖。 （ 1） 灰靶決策理論 灰靶基本思想是在一組模式序列中，找出最靠近目標值的數(shù)據(jù)構(gòu)建標準模式，各模式與標準模式構(gòu)成灰靶，標準模式為靶心，每個灰關(guān)聯(lián)差異信息空間中的模式與靶心的灰關(guān)聯(lián)度稱靶心接近度，簡稱靶心度。 有以瓦斯突出 指標為基礎的瓦斯突出預測和以安全管理為目標的預警系統(tǒng) [等 。 研究資料表明 ， 瓦斯涌出特征與工作面前方的突出危險性存在著相關(guān)性 。 大量研究表明 ， 工作面煤體溫度與地應力和瓦斯含量有關(guān) 。 預警指標及其數(shù)學模型如下 。 （ 2） 超 標時間 （ T） 當 Qi≥Q 臨界值 ， Ti=titi1 當 QiQ 臨界值 ， Ti=0 式中 ， ti 和 ti1 分別為甲烷傳感器和溫度傳感器采集的瓦斯?jié)舛群兔后w溫度Qi 和 Qi1 對應的時間 。 （ 3） 方差 （ S） Si = 12[Qi ?QI +Qi?12 ]2+12[Qi?1 ?QI +Qi?12 ]2 樣本方差是衡量樣本波動大小的量 ， 樣本方差越大 ， 樣本數(shù)據(jù)的波動就越大 ，其物理意義是瓦斯?jié)舛群兔后w溫度的波動狀況 。 應用數(shù)量化理論實現(xiàn)煤與瓦斯突出預警 近年來 ， 我國煤與瓦斯突出事故發(fā)生地區(qū)廣、頻率高、損失嚴重 ， 成為相關(guān)人員研究的熱點。這些研究雖然取得了階段性研究成果 ， 但由于煤與瓦斯突出危險區(qū)域預測主要集中在地質(zhì)勘探時期或補充地質(zhì) 勘探時期?；诖?， 從煤與瓦斯突出災害孕育、發(fā)生、 發(fā)展、轉(zhuǎn)化的時間、空間位置和范圍為切入點 ， 考慮煤與瓦斯突出有別于地震、洪水、颶風等自然災害的特點 ， 即它的發(fā)生除了具有自然災害共有的先天性原因 （ 如地質(zhì)條件等因素 ） ， 還受煤礦巷道類型、作業(yè)方式等人為因素影響。 第 2 步 ： 突出危險性預測單元的劃分。在數(shù)量化理論中 ， 將自變量稱為說明變量 ， 將因變量稱為基準變量。一般將主要地質(zhì)構(gòu)造、小構(gòu)造密度、煤厚26 變化 ， 已知突出點的煤層厚度、泥層厚度、煤層變異系數(shù)等作為說明變量。因此，煤與瓦斯突出預警模型應該圍繞煤與瓦斯突出時間影響因素做出，包含煤與瓦斯突出危險性形成的歷史因素、現(xiàn)實因素和實時因素 [16]。 （ 2） 現(xiàn)實影響因素可由統(tǒng)計得來，蔡成功等根據(jù)我國 15 個礦務局的數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：煤與瓦斯突出強度與巷道類型、作業(yè)方式、開采深度等因素有密切關(guān)系”。 27 煤與瓦斯突出預警指標體系的構(gòu)成 依據(jù)預警的邏輯工作過程，預警一般包括明確警義、尋找警源、分析警兆、預報警度以及排除警患五個步驟 j。對預來說，關(guān)鍵在于利用什么因子提前預報警情。 （ 2） 警源指標體系組成 煤與瓦斯突出警源指標是指對煤與瓦斯突出危險性進行客觀描述的指標，是煤與瓦斯突出預警指標體系中最基本的指標。煤與瓦斯突出內(nèi)部警源是指影響煤與瓦斯突出的先天地質(zhì)條件 —— 瓦斯賦存，即煤與瓦斯突出的歷史因素。通常所說的煤與瓦斯突出的警兆指標是指影響煤與瓦斯突出的實時因素，如噴頂夾28 鉆、瓦斯忽大忽小、片幫掉渣等。警兆指標的選擇思路大致有兩種：一根據(jù)事物現(xiàn)象間的表面聯(lián)系來尋找；二是根據(jù)事物間的因果聯(lián)系來選擇。通過計算機軟件設計煤與瓦斯突出預警指標選擇功能。近年來，國內(nèi)部分高校及科研企業(yè)通過電磁輻射、聲發(fā)射、瓦斯涌出以及瓦斯 地質(zhì)預警等多個方面對工作面突出危險性進行預警，取得了一定的效果，但普遍存在以下問題無法解決：①預警指標單一，應用范圍受限；②井下采掘空間環(huán)境復雜，干擾因素較多，導致預警結(jié)果可靠性差；③許多突出事故是由于人的不規(guī)范操作導致等。多元化綜合預警指標體系如圖 1 所示。完成數(shù)據(jù)的采集后根據(jù)建立的預警指標體系、預警模型進行相應的指標運算，再分析、對照規(guī)則庫確立預警等級，發(fā)布預警結(jié)果。預警系統(tǒng)基于三維地理信息系統(tǒng)的礦井數(shù)字信息庫，分別參考作業(yè)環(huán)境中的瓦斯地質(zhì)賦存分布、涌出特性、鄰近空間應力的相互影響、防突措施 中的重大缺陷以及管理隱患等信息，根據(jù)預警規(guī)則評定現(xiàn)場安全等級，并發(fā)布包括潛在危險隱患在內(nèi)的預警結(jié)果，使防突工作能夠有針對性地進行 [18]。實踐證明，綜合預警系統(tǒng)的運用可在保證礦井工作安全的前提下，提高防突工作的效率，使工作量減少 60％以上。而這種能量積累與增加包括煤體瓦斯能量、煤體地應力能量的增加，以及煤體抵抗突出危險性能力的堅固性降低。影響瓦斯擴散、瓦斯?jié)B流以及瓦斯解吸的因素極多，并會出現(xiàn)相互制約的情況，分析這些因素對瓦斯涌出的單獨影響極為困難。 瓦斯涌出特征預警指標預警效果 瓦斯涌出特征指標在井下實際應用效果分析，主要通過三個方面驗證瓦斯涌出預警指標的可靠性：一是井下日常預測指標超標時，瓦斯涌出特征指標呈威脅及以上狀態(tài)；二是井下地質(zhì)、瓦斯賦存等出現(xiàn)異?，F(xiàn)象時，瓦斯涌出特征指標出現(xiàn)相應的反映；三是井下出現(xiàn)打鉆噴孔等動力現(xiàn)象之前，瓦斯涌出特征指標呈威脅及以上狀態(tài)。 （ 2） 防突措施智能設計及施工效果分析 防突措施智能設計是根據(jù)煤層賦存信息、巷道斷面信息、抽排鉆孔有效半徑、鉆機能力等參數(shù)，自動設計鉆孔施工參數(shù)并繪 制三維、平面鉆孔布置圖，大大減少了技術(shù)人員鉆孔設計及繪圖工作量，提高了工作效率，同時建立了豐富的專家知識庫系統(tǒng)，以國內(nèi)突出礦井多個典型設計案例為指導，使得設計更具有針對性。通過跟蹤考察蘆嶺礦多條首分層煤巷工作面近千米巷道發(fā)現(xiàn)，連續(xù)循環(huán)預測指標以及鄰近巷道相似 范圍內(nèi)多個循環(huán)預測指標的發(fā)展趨勢，可以反應前方一段距離的突出危險狀態(tài)。34 第四章 防突措施有效性驗證 區(qū)域措施效果檢驗 根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》相關(guān)規(guī)定：“經(jīng)開拓后區(qū)域預測為突出危險區(qū)的煤層，必須采取區(qū)域防突措施并進行區(qū)域措施效果檢驗”。 基本思路 根據(jù)煤與瓦斯突出的綜合假說和現(xiàn)場實踐表明，瓦斯因素在突出中發(fā)揮著極其重要的作用，主要表現(xiàn)在：①與地應力配合激發(fā)突出；②在突出的發(fā)展階段瓦斯壓力和地應力配合連續(xù)地剝離破碎煤體使突出向深部傳播；③瓦斯風暴不斷地把破碎的煤運走、加以粉碎，為連續(xù)地剝離煤體準備好必要的條件。因此為進一步保障安全生產(chǎn)，提高效率，在煤巷條帶瓦斯區(qū)域防突措施進行效果檢驗指標方面主要探討反映瓦斯初始解吸強度的瓦斯解吸指標 （ Q Q20/Q30）和瓦斯含量 （ 1） 鉆屑瓦斯解吸指標 Q3 在鉆孔施工過程中，煤鉆屑自煤壁脫落排至孔口，采用容積為 400g 煤樣罐接取煤鉆屑，待煤鉆屑自煤壁脫落卸壓 2min 后，自第 3min 開始，將煤樣罐頂蓋的孔口與瓦斯解吸速度測定儀連接，測定在第 3min 至第 5min 內(nèi)的累計解吸35 量，記作鉆屑瓦斯解吸指標 Q3，單位 mL/hg。 區(qū)域措施的效果檢驗的基本思路是結(jié)合掘進工面地質(zhì)構(gòu)造前探鉆孔，在掘進工作面前方施工 3 個孔深為 60m 的鉆孔，兩幫控制各 15m，鉆進的過程中分別在鉆孔的 30m、 40m、 50m、 60m 測定 Q Q20 或 Q30，當以上指標都不超過臨界值且工作面鉆進工程中沒有異常現(xiàn)象時，認為工作面區(qū)域防突措施有效，如果以上指標任一指標超過臨界值，必須進行瓦斯含量的測定，如果瓦斯含量超過臨界值認為區(qū)域防突措施無效，如果瓦斯含量沒有超過臨界值，且打鉆過程中沒有異常 現(xiàn)象，則認為防突措施有效