1　煤與瓦斯突出的機(jī)理、類型與一般規(guī)律

         11　煤與瓦斯突出的機(jī)理

        許多國家對(duì)煤與瓦斯突出機(jī)理的研究都很重視，并取得了一定成果，但由于突出機(jī)理的復(fù)雜性及突出現(xiàn)象的多樣性，目前對(duì)突出機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍處于假說階段。國外對(duì)煤與瓦斯突出機(jī)理的認(rèn)識(shí)可歸納為4種：地應(yīng)力假說、瓦斯作用假說、化學(xué)本質(zhì)假說和綜合作用假說。

       我國從60年代起就對(duì)突出煤層的應(yīng)力狀態(tài)、瓦斯賦存狀態(tài)、煤的物理力學(xué)性能等開展了一系列的研究，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料和實(shí)驗(yàn)研究對(duì)突出機(jī)理進(jìn)行了探討，提出了新的見解和觀點(diǎn)，概括起來主要有中心擴(kuò)張學(xué)說、流變假說、二相液體假說、固流耦合失穩(wěn)理論、球殼失穩(wěn)理論等。此外中國科學(xué)院力學(xué)研究所從力學(xué)角度對(duì)突出過程做了大量的研究工作，并提出了突出破壞過程及瓦斯?jié)B流的機(jī)制方程。

       12　煤與瓦斯突出的類型

        煤與瓦斯的突出包括：煤與甲烷突出、巖石與甲烷突出、煤與CO2突出、巖石與CO2突出等。由于突出時(shí)的原動(dòng)力和所表現(xiàn)現(xiàn)象的不同，煤與瓦斯突出可分為突出、傾出、壓出3種情況，各種情況比較見表1。

       表1　煤與瓦斯突出類型比較表（略）

       13　煤與瓦斯突出的一般規(guī)律

     （1） 突出的次數(shù)和強(qiáng)度隨開采的深度增加而增加；

     （2） 突出多發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造地區(qū)，如褶曲、斷層處及巖漿侵入地區(qū)；

     （3） 煤體破壞程度越嚴(yán)重，煤的強(qiáng)度越小，突出危險(xiǎn)性越大；

     （4） 煤層中的厚度大、傾角大或其厚度和傾角發(fā)生變化以及煤層中的軟分層由薄變厚的地區(qū)，容易發(fā)生突出；

    （5） 掘進(jìn)工作面應(yīng)力集中的地區(qū)易發(fā)生突出；

   （6） 在外力沖擊作用下，如放炮或采煤機(jī)割煤時(shí)煤體受到震動(dòng)，誘導(dǎo)瓦斯發(fā)生突出；

   （7） 圍巖的透氣性越差、致密的巖層越厚，煤層的瓦斯含量越高，其突出的危險(xiǎn)性也就越大；

   （8） 突出多發(fā)生在揭煤和煤層掘進(jìn)工作面；

   （9） 在突出前大都出現(xiàn)預(yù)兆。

     2　煤與瓦斯突出的預(yù)測(cè)

      21　突出預(yù)測(cè)方法的分類

      按預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)范圍和時(shí)間的不同，預(yù)測(cè)方法可分為3類：第一是區(qū)域性預(yù)測(cè)，主要是確定煤田、井田、煤層和采掘區(qū)域性的突出危險(xiǎn)性；第二是局部預(yù)測(cè)，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(jìn)一步對(duì)局部地區(qū)或要點(diǎn)的突出危險(xiǎn)性作出判斷；第三是日常預(yù)測(cè)，它是在區(qū)域性預(yù)測(cè)、局部預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，根據(jù)突出預(yù)兆的各種異常效應(yīng)，對(duì)突出危險(xiǎn)發(fā)出警告。

     22　國內(nèi)外煤與瓦斯突出的預(yù)測(cè)方法

     221　微震技術(shù)預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn)性

     研究表明，煤和圍巖受力破壞過程中發(fā)生破裂和震動(dòng)，當(dāng)從震源傳出震波或聲波的強(qiáng)度和頻率增加到一定數(shù)值時(shí)，可能出現(xiàn)煤的突然破壞，發(fā)生突出。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5～45s內(nèi)產(chǎn)生，故微震法作為突出預(yù)報(bào)方法，有其廣闊的應(yīng)用前景。俄羅斯在地震聲學(xué)預(yù)測(cè)方法中取得了較好的研究成果。

      222　煤層溫度狀況預(yù)測(cè)突出的危險(xiǎn)性

溫度狀況預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn)性的理論根據(jù)是：瓦斯解吸時(shí)吸熱，導(dǎo)致煤層溫度降低。溫度降低越多，說明煤層瓦斯解吸能力越強(qiáng)，則突出危險(xiǎn)性越大。

       前蘇聯(lián)NA雷任科等學(xué)者，對(duì)采掘工作面近工作面地段的煤體溫度狀況進(jìn)行了考察研究，用于突出危險(xiǎn)性日常預(yù)測(cè)，并對(duì)掘進(jìn)中發(fā)生的6次突出全部作出了預(yù)報(bào)。原蘇聯(lián)的另一些學(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(cè)指標(biāo)，該預(yù)測(cè)方法被原蘇聯(lián)防突委員會(huì)推薦使用。

      223　煤層中涌出的氦或氡濃度的變化預(yù)測(cè)突出

       研究表明在地震之前不僅有氡的反常涌出現(xiàn)象，而且有氦的反常涌出。前蘇聯(lián)學(xué)者考察了頓涅茨煤田中2個(gè)不突出煤層和4個(gè)突出煤層的氦含量后指出：自由釋放的瓦斯中，氦含量高，瓦斯壓力也相應(yīng)的高。煤中涌出的氦可以作為預(yù)測(cè)突出的一個(gè)指標(biāo)，該項(xiàng)目正在繼續(xù)進(jìn)行。

        224　電磁輻射強(qiáng)度預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn)

       電磁輻射(EME)是煤巖體受載變形破裂過程中向外輻射電磁能量的過程或物理現(xiàn)象，與煤巖體的受載狀況及變形破裂過程密切相關(guān)。采用電磁輻射法預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出的優(yōu)點(diǎn)是：電磁輻射信息綜合反映了煤與瓦斯突出等災(zāi)害動(dòng)力現(xiàn)象的主要影響因素；可實(shí)現(xiàn)真正的非接觸預(yù)測(cè)，無需打鉆，對(duì)生產(chǎn)影響小，易于實(shí)現(xiàn)定向及區(qū)域性預(yù)測(cè)，不受含瓦斯煤體分布不均勻的影響；可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)，能夠反映含瓦斯煤體的動(dòng)態(tài)變化過程；既能探測(cè)煤壁附近的突出危險(xiǎn)性及突出危險(xiǎn)帶的方位，又能檢驗(yàn)防突措施的效果。

        目前巖石破裂電磁輻射效應(yīng)的研究取得了很多有益的成果，研究表明：在煤巖層受力變形破壞過程中會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，電磁輻射強(qiáng)度取決于所受力的大小和煤巖層的物理力學(xué)性質(zhì)。煤炭科學(xué)研究總院重慶分院利用這一原理研制的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)探測(cè)儀，在四川芙蓉礦務(wù)局進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，取得了較好的效果。

        225　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行突出預(yù)測(cè)

        煤與瓦斯突出，其發(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(gè)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)。

       人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的出現(xiàn)，為解決這一問題開辟了一條新途徑。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有通過樣本來“學(xué)習(xí)”的能力，一方面區(qū)別于傳統(tǒng)的各種預(yù)測(cè)方法，實(shí)際應(yīng)用時(shí)無須做出因素與突出相關(guān)關(guān)系的任何假設(shè)，只需將實(shí)際數(shù)據(jù)直接提供給網(wǎng)絡(luò)來訓(xùn)練；另一方面訓(xùn)練完成后的網(wǎng)絡(luò)能以任何精度逼近真值(只要訓(xùn)練數(shù)據(jù)足夠多)，能夠抽提、捕捉隱藏在歷史數(shù)據(jù)中的規(guī)律，尤其是那些尚未被人類認(rèn)識(shí)和揭示的規(guī)律，這些優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)方法無法比擬的。

       3　煤與瓦斯突出預(yù)兆及其防治

       31　煤與瓦斯突出預(yù)兆

      煤與瓦斯突出前一般都有預(yù)兆，沒有預(yù)兆的突出是極少數(shù)的。突出預(yù)兆伴隨其突出過程按其主要特征大體可分為“三個(gè)階段”，各階段的顯現(xiàn)程度和處理原則各不相同，見表2。

      32　煤與瓦斯突出的防治措施

    表2　煤與瓦斯突出預(yù)兆比較表（略）

      煤與瓦斯突出是一種極其復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象，因其具有突發(fā)性、不完全的可知性，很難完全防止它的產(chǎn)生。但是如果開展突出預(yù)測(cè)并采取行之有效的防治措施，仍可做到不發(fā)生或減少傷亡事故的發(fā)生。目前防治煤與瓦斯突出工作，已不是單一的技術(shù)措施，而是一套完整的綜合防治突出的系統(tǒng)工程。

      防治突出首先要摸清楚它發(fā)生的地區(qū)、范圍，采取必要的防治措施，改變其發(fā)生突出應(yīng)具備的基本條件，使其不發(fā)生或降低其突出強(qiáng)度，并采取必要的安全防護(hù)措施，重點(diǎn)要抓好以下幾點(diǎn)工作。

       321　揭煤防突

      目前國內(nèi)大都采用遠(yuǎn)距離震動(dòng)放炮的方法揭開煤層，揭煤防突主要是把好“七關(guān)”。

      設(shè)計(jì)關(guān)：進(jìn)行煤巷道的設(shè)計(jì)時(shí)，要避開地質(zhì)構(gòu)造帶和應(yīng)力集中區(qū)；

      施工關(guān)：巷道和抽放鉆孔必須按設(shè)計(jì)施工，落實(shí)到實(shí)處；

      驗(yàn)收關(guān)：巷道和抽放鉆孔必須有專人驗(yàn)收，確保質(zhì)量；

      封孔關(guān)：凡有礦井系統(tǒng)抽放和局部抽放系統(tǒng)的礦井，應(yīng)采用新設(shè)備、新技術(shù)、新工藝、新材料，確保封孔質(zhì)量，提高抽放效果；

      抽放卸壓關(guān)：應(yīng)按表計(jì)算，掌握抽放量、抽放率、瓦斯壓力和解突安全抽放期等重要參數(shù)；

      檢驗(yàn)關(guān)：必須按照頒發(fā)的防突細(xì)則的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行效果檢驗(yàn)，符合要求后方準(zhǔn)揭煤；

      二次卸壓關(guān)：揭煤前可再打一組卸壓孔，進(jìn)行二次卸壓。

       322　煤巷掘進(jìn)防突

      國內(nèi)外實(shí)踐證明，煤與瓦斯突出多發(fā)生在煤巷掘進(jìn)過程中。為了有效地防治煤巷掘進(jìn)突出，應(yīng)用超前排放鉆孔、淺孔松動(dòng)爆破、深孔控制爆破、預(yù)抽瓦斯以及上述措施與邊掘邊抽相結(jié)合的綜合防突措施 。在一般和中等程度突出危險(xiǎn)區(qū)域，大部分采取打少數(shù)超前卸壓鉆孔的方法解突；在嚴(yán)重突出危險(xiǎn)區(qū)域，大都采用超前鉆孔、煤體固化和金屬骨架等多種措施綜合防治。

      323　大傾角不穩(wěn)定煤層防突

      在大傾角不穩(wěn)定煤層中，重點(diǎn)采取超前密集鉆孔和煤層注水防突措施。超前密集鉆孔是通過煤體前方的鉆孔使煤體應(yīng)力釋放和轉(zhuǎn)移，鉆孔使煤體前方的高壓瓦斯得以釋放，使掘進(jìn)頭前方一定范圍內(nèi)形成低應(yīng)力、低瓦斯區(qū)，達(dá)到防突或降低突出強(qiáng)度的目的。

     目前國內(nèi)外都不同程度地應(yīng)用煤層注水措施來降低或消除瓦斯突出危險(xiǎn)性，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：濕潤煤的〖JP2〗瓦斯解吸量可達(dá)常壓下煤的瓦斯解吸量的17%～27%，當(dāng)煤樣吸水飽和后，濕煤較干煤的透氣系數(shù)要下降一個(gè)數(shù)量級(jí)。國內(nèi)外不少礦井煤層注水后的實(shí)際結(jié)果表明，注水結(jié)束后打開鉆孔時(shí)幾乎沒有瓦斯涌出現(xiàn)象，在注水進(jìn)行采掘時(shí)，瓦斯涌出量明顯下降，并且放炮后的瓦斯涌出量比較均勻。