第三章煤与瓦斯突出预测技术.doc

第三章 煤与瓦斯突出预测技术 煤与瓦斯突出具有明显的区域性, 即便是在同一采区也不是所有的地点都会发生煤与 瓦斯突出。统计资料表明,突出地点仅占采掘面积的7～15, 为人们研究突出预测预报提供了丰富的想象空间。通常根据预测范围将预测分为区域预测和工作面预测。 20世纪50年代开始进行预测的尝试,1959年从原苏联和引进与研究了△P与f测定方法。从20世纪50 年代到20世纪80年代初的30余年内，我国大多数的研究者从事于区域性预测，并取得了进展。从20世纪80年代开始,煤炭科学研究总院重庆分院 ,就着手研究工作面的预测方法与指标，经过三年的理论探讨与实验室研究, 确定了以测定钻屑瓦斯解吸量与钻屑量为主要方法的工作面预测方法,以判断采掘工作面近10m范围内的突出可能性。为了简化操作,研制出ATY突出预测仪和其改进型WTC 瓦斯突出参数测定仪,装备了我国绝大多数的突出矿井,使我国的防治突出工作上了一个新台阶。该方法已被列入我国“防治煤与瓦斯突出细则“中主要的工作面预测方法之一。与其同时，煤炭科学研究院抚顺分院研制了MD-2型解吸指标测定仪在北票矿务局实验了△h2 工作面预测方法，从多方面多途径开展了工作面预测方法。 第一节 突出危险区域预测 区域预测是对新矿井、新采区或新水平进行突出危险性的分类,将其分为突出危险区、突出威胁区和无突出危险区。 因被预测的煤层还未被揭露,只能通过钻孔、 煤样进行测定煤层中的瓦斯压力和化验煤样的物理力学性质,或用上水平、邻近矿井的瓦斯、地质资料进行类比,得出结论。目前采用的方法有单项指标法（煤的破坏类型、瓦放散初速度指标（ΔP）、煤的固性系数（f）和煤层瓦斯压力）、地质统计法和综合指标法进行区域预测。 近几年来又开展研究用物探的方法对突出煤层进行区域预测。 一、多因素综合预测法 为了进一步用好综合指标法，在“九五”期间，抚顺分院与平顶山煤业集团有限公司合作，在预测区域范围内利用地质动力区划方法，测定出岩体原始应力，“并推标出应力分布状态；测定出瓦斯压力的大小和分布状态；测定出煤的瓦斯压力的大小和分布状态。在此基础上，以始突深度，瓦斯压力、煤的突出危险性综合指标为主要区分指标；以煤层变异系数、泥岩厚度、砂岩厚度、含砂率、软煤厚度作为辅助区分指标，来研究探讨与区域突出危险性的关系，预测煤层的区域突出危险性。见图3-3-1-1。 该方法在平顶山十矿进行了应用，在预测不突出的准确率为100。在预测的突出威胁区内将原来的每前进3.5m预测一次降为每50m进行一次检验性预测。减少了预测预报和防突工程费用90％以上，提高掘进速度50％。 图3-3-1-1 综合法区域预测煤层瓦斯突出危险分布图 二、物探法预测突出构造带与突出危险区 无线电波透视技术应用于探测地质构造，一直受到现场人员欢迎，在探测地质小构造领域取得了较好的成绩。煤炭科学研究总院重庆分院研究的BQT-E型突出煤层电磁波透视系统，由便携式井下WKT-E型无线电波坑道透视仪、WKT-Z型钻孔透视探头和数据系统组成。其特点非接触测量方式、操作简单、费用低、不需要辅助工程、探测精度高。探测仪的有效探测距离达300m以上，探测精度为厚度为2m以下的煤层中能分辨落差大于二分之一煤层厚度的断层，厚度为2m以上的煤层中能分辨落差大于1.5m的断层，分辨平面分布对直径大于20m范围的软分层、冲刷带、煤层厚度变化等地质小构造。探测各种地质小构造精度为75以上，丢失率小于5。能划分出非突出危险区的面积占总预测面积的50以上，采掘速度提高25。发射机全部集成化，数字化，功耗下降14％，输出功率提高30％，增大了透视距离， 接收、发射机解决了同机多频技术，提高了探测精度，研究出全汉化用户平台控制的CT、CAD资料处理系统，建立特殊计算方法，提高了解释精度。 突出煤层与非突出煤层的物理性质不同，电阻率也不同，煤层的电阻率越低，电磁波衰减越厉害，电磁波穿过煤层后损失越厉害。煤与瓦斯突出区域、区段的地质构造复杂，煤层破坏比较严重，根据全国电测井资料收集总结，未遭到破坏煤层的电阻率平均为1500--5000Ωm，靠近断层破坏带则下降到100--500Ωm，在其它构造破坏带的电阻率也大大低于未破坏带，可见，突出危险区域对电磁波能量的吸收作用大，电磁波衰减系数β就大。同时，突出危险区域地质构造的界面也会对电磁波产生反射、折射现象，造成电磁波能量的损耗，当电磁波穿越原生结构受到严重破坏的煤层时，煤层中存在的各种规则和不规则界面对电磁波产生的影响作用比正常煤层对电磁波吸收造成更大的损失，电磁波能量就会明显减弱或屏蔽掉而形成阴影，阴影区域就是突出危险性较大的区域。因此，借助无线电波透视技术探测瓦斯富集区是可行的。 突出煤层的电磁波透视数据处理技术的关键是找到一种更好的数据处理技术，使探测资料由计算机处理，并能在平面工程图上直接绘出异常带。根据在采煤工作面顺槽获取的场强值的一维投影数据资料，运用ART，BLPT算法和计算机编程技术，在计算机上实现重建在煤层层面上无重叠的二维图象。通过CAD制图，由计算机按任意比例输出成果图。由计算机实现CT成象技术的难点在于煤层的非均匀性及探测数据组成稀疏矩阵。研究表明用Housfield原则同样适应电磁波透视数据处理，但医学、工业探伤等领域的数据处理算法不能照搬。用ART，BLPT法能解决数据量少，计算速度慢和计算机内存小的矛盾，也使电磁波透视计算机成像和应用成为可能。通过现场试验能划分瓦斯突出危险区域。 巷道间探测方式见图3-3-1-2，钻孔间探测方式见图3-3-1-3。 图3-3-1-2 巷道间探测瓦斯富集区探测实例 图3-3-1-3 钻孔间探测 第一次探测，切眼未掘通，工作面内正打瓦斯排放孔的阶段，探测出4个物探异常区，见图3-3-1-4，以切眼为起点,从左到右解释 图3-3-1-4 20150工作面第一次探测CT图 1号异常位置靠近切眼, 粉红区表示，相对衰减场-15dB，可推测为瓦斯、断层、煤层破坏影响所致。断层性质初步推测为逆断层。 2号4号异常位置兰色区表示，相对衰减值－9dB，可推测为断层、煤层破坏影响所致。 第二次探测，工作面内的瓦斯排放孔抽放瓦斯二个月，探测出3个物探异常区，见图3-3-1-5。 粉红色区域表示有较强的电磁波衰减，-15dB。兰颜色区-10dB，可推测为断层、煤层破坏影响所致。其他兰颜色区-10dB，为断层影响所至。 图3-3-1-5 20150工作面第二次探测CT图 三 瓦斯地质法预测煤层的突出危险性 （一）瓦斯突出煤体地质规律研究 焦作工学院等研究单位多年的瓦斯地质研究和实践证明，所有的瓦斯突出都源于突出煤层中严重韧塑性破坏的构造煤体，并把这种有大量瓦斯能和有突出危险厚度的韧塑性破坏煤体称为瓦斯突出煤体（构造煤）。 瓦斯突出煤体是地质成因的客观存在的地质体，有着鲜明的地质规律。运用板块构造的研究成果和区域地质演化理论，研究矿区、井田所处的大地构造位置和背景以及不同级别的构造和构造应力场的历史演化特征；研究含煤地层和煤层在历次构造运动演化过程中的变形特征和形成构造煤的发育规律。从矿区到井田到采掘工作面、从不同级别的断层力学性质演变等分析研究，做到一级级的控制煤层挤压剪切破坏区、破坏带和形成瓦斯突出煤体的范围、层位、厚度大小。 （二）瓦斯突出煤体地球物理特征和探测技术研究 焦作工学院关于瓦斯突出煤体（构造煤）的研究得出瓦斯突出煤体与非突出煤体相比，导电性和介电性存在着明显的差异；瓦斯突出煤体的超声波速小于1000m/s,主要分布在600m/s左右；而非突出煤体的超声波速主要集中在2200 m/s左右；当电磁波穿过瓦斯突出煤体时，能量明显减弱而出现阴影。目前煤矿探测小构造和地质异常带的地球物理方法有无线电波透视法、槽波地震法、地质雷达法、层内电测深法和脉冲超声波法等。焦作工学院在承担国家“九五”攻关子专题“矿井瓦斯突出危险带预测的瓦斯地质技术研究”中应用煤炭科学总院重庆分院生产的WKTF3型无线电波透视仪在平顶山八矿的己15 13190工作面和己15 14081工作面分别探测出构造煤厚0.3-1.0m的3个和9个瓦斯突出危险带。 （三）瓦斯突出煤体空间形态分布规律可视化研究 在前述研究工作的前提下，建立瓦斯突出煤体形成和分布规律的三维地质模型，开发出实现瓦斯突出煤体厚度、形态空间变化规律的可视化软件系统。 第二节 工作面突出危险性预测 工作面突出预测指标分为两类，一是以钻屑量为代表的应力指标，二是瓦斯指标。瓦斯指标分两类一类是钻孔瓦斯涌出初速度（q），另一类是钻屑瓦斯解吸量指标（K1、△h2）。预测效果的好坏取决于应力的集中程度、位置和煤的瓦斯解吸特征和突出危险临界指标值的确定。预测方法早已为大家所熟悉，下面着重介绍煤的瓦斯解吸特征和突出危险临界指标值的确定方法。 一．Δh2临界指标值确定方法 （一）实验室中确定Δh2临界指标值方法 在实验室中对钻屑进行不同吸附压力下的瓦斯解吸指标Δh2测定，根据测定数据得出 Δh2APBKC 3-3-2-1 式中 P吸附平衡压力，Mpa； K煤的突出危险性综合指标，KΔP/f； ΔP煤的瓦斯放散初速度； f煤的坚固性系数； A、B、C煤种的试验常数（实验室中取得）。 有了A、B、C的数值，根据煤层发生突出的最小瓦斯压力Pmin就可式求出Δh2的临界指标值的参考值。如果没有Pmin实测值，可用下式确定 Pmin0.50.085Vgf 3-3-2-2 式中 Vg煤的挥发分，。 3-3-2-1式中K值取法如下 K20 无烟煤种 K15 其它煤种 北票矿区 北票矿区（烟煤）突出最小瓦斯压力Pmin与煤层软分层坚固性系数fmin间关系为 Pmin2.79fmin0.39 3-3-2-3 从（3-3-2-3）式得出突出最小瓦斯压力为0.6MPa（fmin|≥0.1），煤的突出危险综合指标临界值K15，将以上数据和上表中的相应数据带入（3-3-2-1）式，求出Δh2临界值为139Pa。 焦作矿区 对焦作矿区，始突标高的瓦斯压力多在0.6-0.7MPa之间，其中瓦斯压力为0.6-0.7MPa占瓦斯压力大于0.74MPa占据52。据此焦作矿区煤层发生突出的最小瓦斯压力为0.6MPa。而焦作矿区属无烟煤，K20，则可求出焦作矿区Δh2的临界值参考值为350MPa。 利用此的方法初步确定出的北票、焦作煤屑瓦斯解吸指标Δh2临界值参考值在实践中都取得满意的效果。 （二）井下敏感指标和临界值的考查测定 在井下工作面预测初始阶段，可直接利用上述方法给出的单项钻屑解吸指标临界值的参考值进行工作面预测预报和措施效果检验工作，并配合测定钻屑量S和钻孔瓦斯涌出初速度q。直到测定次数达到100次以后（“七五”期间抚顺分院在北票通过325循环测定才确定出敏感指标和临界值），并且发生2-3次实际突出（或发生明显的动力现象）后，采用模糊数学方法，确定出适宜具体突出煤层的单项或综合模糊指标和临界值。该方法经在北票矿区台吉矿、焦作矿区演马庄矿证实是可行的。 利用上述方法，可较科学准确地确定出某一具体突出煤层敏感指标和临界值，这样就可以提高防突效果，降低防突工作的成本，加快了巷道的掘进速度，如在焦作演马庄矿半年试验期间就使月掘进速度从原来平均30m/月提高到62m/月，最后高达94m/月。 二、瓦斯解吸特征k1临界指标值确定方法 K1是一种瓦斯解吸特征指标,由煤炭科学研究总院重庆分院经多年研究得出的。其工作原理是用取煤样后,在5min或10 min内,测量10个点的每g煤的瓦斯解吸量,以及测定前的煤样暴露到大气中的时间, 根据解吸巴雷尔R.M.barrer公式简称平方根公式, 计算出每g煤样自煤体暴露后第一分钟内的瓦斯解吸量。它是反映煤体瓦斯含量和瓦斯解吸特征的综合指标。确定其临界值有以下几种方法。 （一）用瓦斯压力因素确定K1突出临界指标值 仅从瓦斯因素而言，突出时煤层中的瓦斯压力必须达到某一定值，此值就是突出时所需的瓦斯临界压力。确定它的经验公式很多，常用的有以下几种； a.前苏联的经验公式 Pmin3.9fΠ2 （3-3-2-4） b.北票矿务局的经验公式 Pmi n2.79fmin 0.39 （3-3-2-5） c.煤炭科学研究总院重庆分院经验公式 Pmin2.2fmin （3-3-2-6） 式中 Pmin ------- 煤层突出时所需的最小瓦斯压力，Mpa; fΠ ---- 煤层的平均坚固性系数； f min -------- 煤层的最小坚固性系数 前两公式个适用于石门揭穿煤层时使用，第三个公式适用于煤巷掘进中确定煤层突出时所需的最小瓦斯压力。 当确定出突出时最小瓦斯压力后，根据实验室中确定的K1与瓦斯压力P的关系，就可以确定出K1的突出临界指标判断值。 实验室K1的与瓦斯压力符合下列关系式 K1APminB （3-3-2-7） 式中 P-------- 瓦斯压力，Mpa; A，B -----系数 A,B两系数与煤的坚固性系数有关，最好是在实验室中经实验得出，当精度要求不高时，可采用下下列公式确定A，B参数。 A3.352e-2.953f B1.176e-0.864f 应当指出,A,B值,是去掉煤中水分、灰分的影响,所以计算出K1值也是不含水分和灰分煤的K1可燃基计算,在应用上公式应予以注意,需将计算出来的K1 值乘以1-灰分-水分后,方可作为临界指标使用 。 （二）用f值确定K1的突出临界指标值 将判断指标K1引入煤的物理力学性质因素概念,即采用K2K1/f为判断煤层突出危险性的新判断指标, 最初确定突出临界指标值K10.5时的f值为0.2,其K2比值为2.5,当K2 大于2.5时,工作面的就具有突出危险性。但目前尚无现场快速测定煤层的f值的方法,只有间隔一定距离采样在实验室中测定,远不能满足现场快速测定的要求, 因而,在一次测定后,仅适用于某一个区段。其突出时的K1临界值的计算方法为 K1 临 K2f （3-3-2-8） 式中K2 为一常数2.5。 为了确保安全,建议先将测定值降低20使用，,然后在实践中逐步提高。 三、工作面突出预测指标敏感性的选择及其临界值确定方法 突出预测指标敏感性的选择及其临界值的确定是突出预测的关键。由于突出矿井或突出煤层的预测指标及其临界值存在着差异，应用预测技术时，要通过现场试验逐步逼近方法加以确定，这样，难以满足生产要求，并制约了工作面突出预测技术的推广应用。为此，煤炭科学研究总院重庆分院在“八五”期间研究出一套通过理论分析和实验室研究，确定选用预测敏感指标及其临界初值，再进行现场验证的方法。这些指标包括钻屑瓦斯解吸指标K1钻孔瓦斯涌出初速度g及其衰减系数Cg、钻屑量指标S、放炮后30min煤瓦斯涌出量V30指标。 一K1指标敏感性及临界值确定 大量实验室和现场试验数据的分析认为，煤的灰份Aad和瓦斯放散初速度△p同时满足表3-3-2-1条件时，K1指标的敏感性较强。 表3-3-2-1 钻屑瓦斯解吸指标K1预测突出的敏感条件 参数 范 围 Aad ≤4 4～7 7～10 10～13 13～16 16～22 22～25 25～28 Δp ≥8 ≥10 ≥11 ≥12 ≥13 ≥14 ≥15 ≥16 K1指标临界值采用实验室实验确定。实验研究表明钻屑瓦斯解吸指标K1与瓦斯压力P的关系可用下式表示 K1APB 3-3-2-9 式中 K1钻屑瓦斯解吸指标，ml／g．min1/2； P斯压力，MPa； A、B待定常数,0＜B＜1。 模拟突出破碎、抛出煤过程的的试验表明瓦斯对煤的破碎程度与吸附瓦斯压力的关系可用幂函数关系式表示 Y＝aPb 3-3-2-10 式中 Y煤的破碎程度,即破碎煤中粒径小于0.2mm的粉煤质量与煤样总质量之百分比,％； a，b拟合系数。 将煤样破碎到一定程度，即Y达到某一值Yo的瓦斯压力定为突出临界瓦斯压力。YO的取值是确定突出临界瓦斯压力的关键。对已知K1临界值的煤样进行瓦斯解吸和破碎实验，将K1临界值代入（3-3-2-9）式，可得突出临界瓦斯压力；再利用瓦斯破碎实验数据，在（3-3-2-10）式中代入临界瓦斯压力，可得Yo。实验数据表明，实验与计算结果非常一致。由此可以看出Y0为一常量。有了统一的Yo ,对某一待确定K1临界值的煤层，就可取样进行瓦斯解吸和破碎实验，确定煤样对应的A、B、a、b系数，再经过一定的简单数学处理，就可得到其K1临界值。为了便于方法的推广应用，编制了相应的实验数据处理计算机应用软件，可供使用。 二）q及 Cq指标敏感性及临界值确定 根据非均质煤层瓦斯径向不稳定流动理论，通过数值计算分析得到钻孔瓦斯涌出初速度 q及其衰减指标 Cq可用下式近似表示 q＝ 2.8348f-0.1615σ00.2015λ00。6174p1.4576 3-3-2-11 Cq＝1.3741f0.1871σ0-0.1747 3-3-2-12 式中 f煤的坚固性系数； σ0地应力，MPa； λ0煤层原始透气性系数，m2／MPa2d。 由3-3-2-11式知，影响q指标的主要因素依次为煤体中的原始瓦斯压力、煤层原始透气性系数、煤层中的地应力以及煤的坚固性系数，且瓦斯压力、透气性系数和地应力越大、坚固性系数越小，q指标越大。 由3-3-2-12式知，影响Cq指标的主要因素为煤的坚固性系数和地应力，且地应力越大、坚固性系数越小Cq指标越小。 考虑煤层的不均匀性、测量误差等影响，分析认为，符合以下条件的煤层，采用q和Cq指标预测突出的效果较好 煤层的λ0和P同时满足表3-3-2-2条件 表3-3-2-2 λ0和P需同时满足的条件 参数 范 围 λ0 m2／MPa2．d ≥0.001 0.001～0.005 0.005～0.01 0.01～0.05 0.05～0.10 0.10～0.50 0.50 ～1.0 P MPa ≥9.0 ≥5.0 ≥3.7 ≥1.9 ≥1.4 ≥0.7 ≥0.5 单独使用q指标预测时，煤层原始透气性系数的变化范围不应超过一个数量级，否则应分别确定临界值。 理论研究与现场试验数据分析认为可用下式近拟确定 q和Cq预测指标的临界值 q0＝44.14f0.5409λ00.36250 3-3-2-13 Cq0＝0.44177f-0.1834 3-3-2-14 式中的λ0和f值按表3-3-2-3、表3-3-2-4规则取值。 表3-3-2-3 λ0和f取值规则 m2/MPa2d λ0变化范围 ≤0.01 0.01-0.10 0.10-1.0 λ0取值 0.01 0.05 0.5 表3-3-2-4 f取值规则 f值变化范围 ≤0．2 0.2－0．3 0．3－0．4 0．4－0．5 f取值 0．15 0．2 0．3 0．4 三）Smax指标敏感性及临界值确定 以突出模型为基础，利用园形钻孔周边的力学平衡条件，根据有效应力原理，利用库仓屈服准则、依留申本构方程求得钻孔周边变形量，经数值分析得Smax指标的近似表达式 Smax＝S1＋ O.792 10-4f-2.8724σ02.1418 P0.1364 3-3-2-15 根据发生突出力学条件和钻屑量的表达式3-3-2-21求得Smax临界值S0 的近拟计算式 S0＝SI＋ 5825 f4.4545P－ 4.149 3-3-2-16 式中 SI钻孔直径 42mm时lm钻孔体积内的煤粉重量，kg/m。 经分析认为，Smax指标敏感条件见表3-3-2-5。 表 3-3-2-5 钻屑量指标 Smax敏感条件范围 参数 范 围 f ≤0.15 0.15～0.21 0.21～0.28 0.28～0.34 0.34～0.40 0.40～0.46 0.46～0.52 P（MPa） ≤1.0 ≤1.5 ≤2.0 ≤2.5 ≤3.0 ≤3.5 ≤4.0 σ0（MPa） ≥6.2 ≥9.6 ≥14.2 ≥18.4 ≥22.8 ≥27.5 ≥32.4 四V30指标敏感性及临界值确定 V30指标的大小主要取决于巷道放炮后新增煤壁的瓦斯涌出量以及放炮落煤的瓦斯解吸量。因此，V30指标兼有瓦斯涌出和瓦斯解吸指标的双重特性。对低透气性煤层（λ0≤0.01m2／（ MPa2．d），V30指标预测突出的敏感条件与瓦斯解吸指标相类似；对透气性较高的煤层，V30指标预测突出的敏感条件包含了瓦斯涌出和瓦斯解吸指标的两种敏感条件。 V30指标临界值可由式（3-3-2-17）初步确定 V30＝1.2＋3.5λ00.383十5．4477K10 （3-3-2-17） 式中K10K1指标临界 值得指出的是利用V30指标预测突出时，当V30指标超过临界值时应判定为有突出危险；但当V30由大变小，且这种变化幅度达到某一种极限时也应判定为有突出危险。根据白皎矿的试验认为，当V30指标在5m范围内平均每米降低0.6m3／t，且降低到3m3／t以下时，有突出危险。 五）现场验证 上述确定突出预测敏感指标临界值的方法，确定其临界值后，还必须进行现场验证后方可使用。这种方法先后在芙蓉矿务局、松藻矿务局、六枝矿务局、丰城矿务局、韩城矿务局、平顶山煤业（集团）有限责任公司等局矿推广应用。现场实验表明确定的突出预测敏感指标临界值具有较高的可靠性，例如在坪湖3416煤巷实验室得出的K1临界值为0.9原为0.7采用此临界指标值安全掘进了325 m ,没有发生突出动力现象。这表明所取得的临界指标值是符合实际的。 白蛟矿煤的坚固性系数变化范围较大，实验室得出的K1临界指标值有较大的差异，因此，根据其特点，采用了K2K1/f1.75综合指标值进行判断，共验证煤巷155个循环，进尺600m，没有出现异常，取得了安全效益双丰收。 四、声发射预测预报突出 上述工作面预测突出方法除了要占用工作面的作业时间（约占有效掘进时间的1/5）外，取样测试的结果也是间断的，在时间和空间上都不连续。 自20世纪60年代以来，前苏联、波兰等国在研究和应用以声发射（即AE，也称地音、微震，俗称煤炮）监测技术为基础的连续预测方法和监测系统方面做了大量工作。前苏联把AE活动的检测作为工作面突出危险的标准预测方法之一，并列入了有关安全规程。据资料介绍，自1970～1980年间用此法预测出突出危险的工作面从6增加到20.3 ；与目前应用的工作面钻孔参数预测突出危险的方法相比，应用以声发射连续监测为基础的预测方法，具有可以连续监测、及时预报突出危险状态，不影响工作面正常生产作业，不需占用专门的测定时间和空间等明显优点，并可同时作为突出危险性预测预报、执行防突措施过程的保安监视和防突措施效果检验的手段，在有条件的地方便于形成全矿井的防突集中监测系统，提高矿井的安全程度和管理水平。 一技术原理 声发射现象（Acoustic Emission 简称 AE）是当材料承受载荷时，由于内部质点产生的微小位移，或形成的裂纹破坏，以弹性能（微震能或声能）的释放所表现出来的一种形式。岩体的声发射多表现为可被灵敏的地球物理仪器检测到的微小震动，所以亦称微震。实验室试验表明，当在试验机上对煤岩施加载荷时，此种增加最为显著。而在煤矿现场在突出前就会经常出现响“煤炮”的预兆。由于声发射现象与岩体的承载状态和破坏过程的这种联系，自20世纪40年代以来，AE 技术已为世界各国的采矿和建筑部门广泛用于评价地下和地表岩土挖掘工程的稳定性。近年来在监视矿山冲击、预测煤与瓦斯突出的研究中也得到了广泛的应用。 二）系统组成及试验情况 1、声发射监测基本系统的组成 声发射监测系统的基本组成单元包括传感器、前置放大器（和转换器）、信号传输设备、声发射测量仪（计算机分析设备）等，参见示意图3-3-2-1。 图3-3-2-1 声发射监测系统示意图 2、国内声发射监测系统的开发情况 1）KJT 突出预测系统 由煤科总院重庆分院在“八五”期间开发的KJT 型煤与瓦斯突出预测系统主要用于煤与瓦斯突出矿井中突出危险煤层采掘工作面突出危险性的预测，预测煤与瓦斯突出危险应用了包括工作面煤岩体声发射、瓦斯涌出动态和煤壁温度变化等综合参数。可以在已建有安全监测系统的煤矿中和现有系统联机工作，在没有安全监测系统的矿井中也可以单独配置构成独立的监测预测系统。主要由地面主机、井下分站、分站电源箱及各类传感器组成。 煤巷掘进过程中的声发射活动采用统计放炮后30min内AE事件数和能量的方法，既可以避免其他掘进作业的干扰又可以反映工作面因放炮引起的应力重新分布和煤岩体破坏情况，对于预测目前多数发生在放炮过程中的突出现象是一项比较敏感的预测指标。对南桐煤矿5 层的具体条件，将放炮后30min内的AE总事件数超过15、能量超过300作为突出危险的临界值。 2）MSZH - 1 型声发射指标转换器 煤科总院抚顺分院在“八五”期间采用MSZH - 1 型声发射指标转换器及配套的声发射传感器，与环境监测系统构成完整的声发射监测系统。声发射传感器检测的信号，通过指标转换器转换进入环境监测系统，用比较经济的方式达到即时监测的目的。 声发射法突出危险性判定方法及指标，通过井下连续声发射监测数据分析，初步得出以相邻滑动平均小时事件数相对变化率NE 指标作为声发射突出危险性判定指标，采用声发射事件数测定指标和统一的井下声发射安装方法及仪器测定基准，可排除大部分井下噪声的干扰。 3）KJ - 54 矿井安全系统 煤科总院重庆分院在“九五”期间进一步开发了KJ- 54 矿井安全系统，完善了声发射监测突出的功能。在平顶山十二矿试验期间，以日声发射事件数 500为指标，预测突出的准确率达69.6 ，不突出准确率达到100 。 五、瓦斯涌出动态法预测预报突出 （一）煤矿环境监测系统对炮掘工作面的瓦斯涌出变化特征进行监测及预测突出危险性 目前所采用的工作面突出危险性预测方法虽然已较简单实用，但需要一定的工作量（如需打测定孔），对生产有一定影响。因此，“八五”和“九五”期间煤炭科学研究总院重庆分院开展了非接触式连续预测突出危险性的研究工作。利用煤矿环境监测系统对炮掘工作面的瓦斯涌出变化特征进行监测及预测突出危险性是其中的一个重要内容。 1、瓦斯涌出变化特征指标 在没有受到采动影响的巷道掘进中, 放炮后瓦斯涌出来源于爆破落煤, 爆破后新暴露煤壁面和新暴露的煤层顶底板三个部分, 表达式如下 qtq1tq2tq3t （3-3-2-18） 式中 qt─爆破后t时刻巷道因爆破涌出瓦斯速度, m3/min, q1t─爆破后t时刻落煤涌出瓦斯速度, m3/min, q2t─爆破后t时刻新暴露煤壁面涌出瓦斯速度, m3/min, q3t─爆破后t时刻新暴露煤层顶底板煤涌出瓦斯速度, m3/min。 1）落煤瓦斯涌出 НИ乌斯季诺夫通过对采落煤块的瓦斯涌出速度的测定, 得到如下关系式 q1t a1Tq10t-n1 （3-3-2-19） 式中 q10─落煤涌出瓦斯初速度, m3/min.t, t─落煤后时间, min, T─落煤量, t; TmLL1r煤厚m少于巷高时, 其中L1为循环进尺, m, L为巷宽, m, r为煤容重, t/m3, n1─取决于煤物理化学性质的系数, a1─时间的因次系数, 当t以min计时, 其绝对值等于1。 将该式用于爆破落煤时，q10随落煤瓦斯含量W1增加, 落煤块度减小和落煤初次放散瓦斯能力k增大而增加, 在吨煤消耗炸药量和其它工艺条件一定时, 落煤块度随煤的坚固性系数f减少而增加, 因此,q10可用下列函数粗略表示 （3-3-2-20） 假设煤层瓦斯含量与瓦斯压力的平方根成正比, 基本符合抛物线方程, 即 式中 W1─爆落煤块在爆破前瓦斯含量, m3/t, a ─煤层瓦斯含量系数, P1─落煤段瓦斯压力, MPa, 将上式代入3-3-2-25式后代入3-3-2-19得 （3-3-2-21） 2）新暴露煤面的瓦斯涌出 落煤后新暴露煤壁面的瓦斯涌出可近似表述为一维瓦斯流动问题。对于这一类的瓦斯涌出问题，在一定的假设下， 利用达西定律和质量守恒定律，推出了其微分方程并进行了数值解算，在此基础上借助于相似理论，用相似准数作了整理分析结果如下 （3-3-2-29） 式中TN≤0.1时, b0.69, n20.5; 当0.1≤TN≤0.3时, b0.66, n20.52; 当0.3≤TN≤0.6时, b0.577, n20.63; QN─流量准数, TN─时间准数, q─煤面瓦斯涌出速度, m3/m2d, λ2─计算段煤层透气性系数, m2/MPa2d, P2─计算段瓦斯压力, MPa。 整理上式得 那么，爆破后新暴露煤壁面总的涌出瓦斯速度q2t为 （3-3-2-23） 式中 a2─时间的因次系数, S─新暴露煤壁面面积, m2, S2mL1mL。 2、瓦斯涌出变化特征指标 将3-3-2-21式代入3-3-2-18式,并整理得 那么,放炮后30mim内瓦斯涌出总和Q30为 （3-3-2-24） 式中 Q3t为新暴露煤层顶底板在放炮后30min内瓦斯涌出量, m3, 放炮后30min内吨煤瓦斯涌出量V30为 （3-3-2-26） 式中 V3tQ3t/T, m3/t。 尽管煤与瓦斯突出机理目前还未十分清楚，但容易发生突出的危险状态还是存在的。其实质是煤巷掘进过程中，煤体应力状态、瓦斯压力和煤体对突出的抵抗力等因素相互间的内在联系和相关演变构成的动态平衡的不稳定性，这也就是突出预测预报的主要对象，显然，工作面前方煤体应力和瓦斯压力较大而煤的坚固性系数f较小时,这种动态平衡容易被爆破落煤而诱发成突出。 从3-3-2-23式可以看出,在一定条件下,随工作面前方瓦斯压力， 透气性系数，煤的强度，煤的放散能力K， 落煤量和煤层顶底板瓦斯涌出量的增大而增加，这些因素中，有些与突出危险性关系密切，有些与突出危险性关系不大，因此，Q30在一定程度上反映了煤层的突出危险性，也可以作为一个预测突出的辅助指标。从3-3-2-26式可以看出，V30消除了落煤量对Q30的影响，比较Q30来说，V30的大小反映了工作面前方煤体的突出危险性，可作为一个预测指标。 此外，掘进工作面放炮后30min瓦斯涌出变化系数Kv 也可作为一个指标,其表达式如下 （3-3-2-27） 式中 Qi─第i循环落煤时30min内涌出瓦斯量, m3, Q─在支承范围内落煤时涌出的平均瓦斯量, m3, n─落煤的循环次数。 3、瓦斯涌出变化特征指标的应用 在均质煤体中，随着工作面等速推进时，近工作面煤体的应力曲线和瓦斯压力曲线也平行地向前推移（图3-3-2-2），这样， 放炮后瓦斯涌出比较均匀，一般也不会发生突出。实质上，掘进工作面向前掘进过程中，应力分布曲线和瓦斯压力曲线的变化是复杂的，不规则的。这是由于煤质的不均衡性和煤层产状的变化，以及煤层所处力学环境的变化所决定的潜在的应力分布和瓦斯压力分布的不均匀性，加上掘进工作面作业带来的附加应力的大小和性质的不规律性所致。 当这些因素引起应力曲线和瓦斯压力变化曲线向有利于突出的发生方面发展时，放炮后瓦斯涌出变化较大，也容易发生突出。详见图3-3-2-3、3-3-2-4。 图3-3-2-2 工作面前方应力δ、瓦斯压力P、透气性系数λ变化示意图 图3-3-2-3 212风巷“5.28”突出前V30曲线 图3-3-2-4 2212风巷“5.28”突出前KV曲线 从图中可以看出, 在巷道0～38m范围内, Q30、V30和Kv值一直在某一范围内波动, 例V30在2.2～9.4m3/t波动, 平均5.8m3/t, 也没有发生突出, 在巷道38～43m内, Q30、V30和Kv值先是逐渐升高， 后降低，再就发生了突出。因此，可以认为当V30＞9m3/t左右或Kv≥0.72左右时，工作面前方2～5m左右范围内有突出危险性。 从白皎矿20112瓦斯道突出前实测数据，同样也证实了上述结论。详见图3-3-2-5、3-3-2-6。不同的是，突出前没有瓦斯涌出降低点，而是一直上升，直至突出。这可能是突出前所遇构造类型的缘故。 图3-3-2-5 20112瓦斯巷突出前V30曲线 图3-3-2-6 20112瓦斯巷突出前Q30曲线 2212风道突出点离即将碰到的正断层近20m， 突出点处于该正断层的下盘，下盘派生了许多逆断层，使煤层增厚，层理紊乱。突出前一次循环放炮时，工作面煤层紊乱，强度降低；但煤层顶底板完整，瓦斯涌出很小。而20112瓦斯道突出前，掘进工作面正逐渐进入小倾角逆断层，煤层顶板虽稳定，但底板破碎，放炮后很可能从破碎底板中涌出逆断层下盘的瓦斯，使突出前瓦斯涌出量一直上升。 20112瓦斯道在突出前几个循环的预测和措施效果考察数据中， 钻屑量指标值一直在1.5～2.6kg/m之间，均属正常值；而钻孔瓦斯涌出初速度q值除7.5m段达15.2L/min.m并喷孔0.4m外，其余指标均在正常值范围内，尤其是突出孔洞附近q值均不大于2L/min.m。 虽然每个循环都采取了小直径钻孔排放措施，但由于煤厚在0.3m左右，突出前第一、二循环仅有2～3个排放钻孔超过5M，而且措施效果检查指标均在正常值范围内，因此，在煤较薄而又