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基于非线性理论的煤与瓦斯突出预测技术研究 摘要 我国是一个资源大国，但也是地质灾害最严重的国家，煤与瓦斯突出就是其中的一种较普遍的矿井生产自然灾害。我国煤与瓦斯突出矿井数量多，分布范围广且突出事故频繁。尤其是随着矿井开采深度的增大，开采地质条件日益复杂，瓦斯压力不断增大，大大提高了突出的危险性。因此，致力于煤与瓦斯突出预测预报和预处理的方法研究对提高矿井的安全生产有着非常重大的现实意义。 本文采用非线性理论对煤与瓦斯突出机理及危险性预测方法进行了较深入研究，通过分析煤与瓦斯突出非线性机理，以表征地应力大小的声发射指标和表征瓦斯状况的瓦斯浓度指标为影响瓦斯突出的敏感指标。并以此分别对声发射和瓦斯单项指标进行了研究，编制相应的BP 神经网络程序，建立了ANNS 声发射预测模型和ANNC 瓦斯浓度指标预测模型。 在总结和分析煤与瓦斯突出机理及影响因素的数字表征基础上，运用滚动预测法，确定了1 小时声发射频数值和10 分钟瓦斯浓度平均值为样本的输入参数，并探讨了网络模型结构的设计，包括输入输出层单元指标的选取、隐层单元、训练样本的确定以及输入输出数据的处理。在此基础上运用层次分析法得出了声发射1 小时和8 小时6 个指标的权重，从而计算出声发射的综合指标值，最后结合瓦斯浓度指标得出了预测煤与瓦斯突出的综合指标CI，并给出了危险临界值。通过对现场数据进行预测分析，对比常规指标，验证了综合指标在预测工作面前方后续时间段内突出危险状况是准确且可行的。 关键词煤与瓦斯突出；非线性预测；声发射；瓦斯浓度；综合指标 ABSTRACT China is a country with extensive resources, but also is one of the most affected countriesof geological disasters, coal and gas outburst is one of the common natural disasters in mineproduction. Large numbers, wide distribution and the frequent accidents are the characteristicsof coal and gas outburst mine in our country, especially with the increase of mining depth, thegrowing complex geological conditions and the gas pressure increasing constantly, magnitudeof coal and gas outburst is greatly enhanced. Therefore, the research of prediction and pretreatment of coal and gas outburst contributed to improve the safety of mine. In this paper, based on the nonlinear theory mechanism and prediction of coal and gas outburst were further studied. By analyzing the theory, the acoustic emission indexwas used to display the ground stress value and the gas concentration index was used tocharacterize the status of gas, both of the two indices were made as the sensitive indicatorsaffecting the coal and gas outburst. And on this basis, acoustic emission and gas index werestudied, the corres ponding BP neural network was programmed, ANNS AE model and ANNC prediction model of gas concentration were established. Based on the summary and analysis of gas outburst mechanism and the number land of influencing factors, using rolling forecast , determined the sample parameters with 1 hour acoustic emission frequency value and 10 minutes gas concentration average, and discussed the design of network model structure, including the selection of or output layer unit index, the determination of hidden layer unit and training sample, and the process of or output data. Based on these above, the weighting of six inds including 1 hour and 8 hours and so on, were obtained by the analytical hierarchy process AHP as well as the acoustic emission comprehensive index. Finally, comprehensive index CI ,used to predict coal and gas outburst, and the critical value of risk were got by synthetically analyzing both the acoustic emission comprehensive index and gas density index. Through analysis of field data to predict the contrast of conventional indicators, we have been validated for the front side indicators in forecasting the follow-up time period outburst situation is accurate and feasible. Keywords Coal and gas outburst Non-linear prediction Acoustic emission Gas concentration Comprehensive index 1 绪论 1.1 选题的背景及研究的意义 据统计，我国能源工业中，煤炭占一次能源生产和消费结构中的70左右，预计到2050年依旧占到50以上。然而，我国煤层客观的地质赋存状况，决定了各类煤矿事故的频繁发生，煤与瓦斯突出就是其中的一种非常严重且比较普遍的矿井生产自然灾害。 煤与瓦斯突出，简称突出，是一种极其复杂的动力现象，它是指煤和瓦斯在极短的时间里向巷道或工作面大量涌出的过程。表现为大量的煤体和瓦斯突然抛向巷道空间，造成煤流埋人、巷道充满瓦斯、使人窒息。这种动力现象发生时间短，煤和瓦斯向空间抛出或放散的速度快，发生突出后人员很难迅速反应并逃生，抛出的瓦斯如若达到爆炸条件，还会伴随瓦斯爆炸、粉尘爆炸等次生灾害的发生，因此一直以来成为煤矿安全生产中的主要制约因素。煤与瓦斯突出不仅对煤矿安全带来很大的威胁，同时对煤矿的生产造成很大的影响，煤与瓦斯突出严重地影响巷道掘进速度和采煤工作面的推进速度，给矿井采掘接替的正常衔接带来了很大的困难。 1834 年3 月22 日，法国的鲁阿雷煤田伊萨克矿井发生了世界上第一次煤与瓦斯突出，使人们首次认识了这种严重的地质灾害。随后，匈牙利、前苏联、澳大利亚等国的煤矿相继发生了突出。迄今为止大约有22 个国家和地区发生过煤与瓦斯突出，突出总次数已超过4 万次。其中，中国、法国、俄罗斯、波兰、日本的突出情况最为严重[1]。 我国发生煤与瓦斯突出总次数占世界各国总突出次数的三分之一以上，是世界上发生煤与瓦斯突出最严重、危害性最大的国家之一[2]。自从1950 年5 月2 日，辽源矿务局富国二矿煤巷掘进时发生过有记载的第一次煤与瓦斯突出现象以来，到目前为止，全国发生突出的矿井总数超过270 个，累计突出次数超过15000 万次，占世界突出总次数的35以上。其中，突出强度超过1000t 的突出就多达100 余次。1975 年8 月8 日发生在天府矿务局三汇坝一矿主平硐石门揭煤垂深412m，突出煤量12780t，突出瓦斯量140 万m3，粉煤喷出最远达1100m，是目前所记录的强度最大的一次突出。1968年1 月20 日南桐矿务局鱼田堡煤矿150m 水平1406 大巷发生了突出瓦斯量最大的突出，突出煤量5000t，突出瓦斯量350 万m3。1975 年6 月13 日吉林营城五井在垂深439m 处全岩掘进巷道放炮时发生了第一次砂岩与CO2 突出，突出砂岩1005t，突出CO21.1 万m3[3]。 近年来，虽然我国在煤与瓦斯突出防治方面取得了较大的成就，但突出事故依然频繁，突出强度不断加大。2009 年5 月30 日10 时55 分，松藻煤电公司同华煤矿观音桥三区安稳斜井掘进工作面过煤门时发生煤与瓦斯突出事故，导致77 人受伤，302人死亡。 2009 年11 月21 日2 时30 分，黑龙江龙煤集团鹤岗分公司新兴煤矿，三水平二石门后组15 层探煤道发生煤与瓦斯突出，引起风流逆向，瓦斯随逆向风流进入二段钢带机机头硐室发生爆炸。事故发生导致104 人遇难，成为2009 年世界范围内一次性死亡人数最多的矿难。 根据表1.1，图1.1 对我国国家煤矿安全监察局官方网站近5 年内煤与瓦斯突出事故的统计分析可知，无论是突出事故造成的死亡总人数还是事故平均每次造成的死亡人数都随时间呈现渐进式的增长。 图1.1 我国近5 年煤与瓦斯突出事故趋势分析（数据来源国家煤矿安全监察局官方网 目前我国国有统配煤矿中具有瓦斯灾害的矿井509个，其中高瓦斯矿井163个，煤与瓦斯突出矿井107个。在全国参加瓦斯等级鉴定的15071个煤矿中，高瓦斯矿井个数占到了2859个，其中乡镇煤矿为2469个，煤与瓦斯突出矿井中湖南、贵州、重庆为前三位，如图1.2所示。 以上资料表明，我国煤与瓦斯突出矿井数量多，分布范围广且突出事故频繁。尤其是随着矿井开采深度的增大，开采地质条件的复杂，突出带来的深部矿井安全问题将愈加明显。因此，致力于煤与瓦斯突出的机制、预测预报和预处理的理论及方法的研究特别是预测预报的研究不仅对提高矿井的经济效益，而且对提高矿井的安全和社会效益都有着非常重大的现实意义。 图1.2 全国各地区煤与瓦斯突出矿井数统计图 1.2 煤与瓦斯突出预测技术国内外研究现状 按预测预报范围和时间的不同，国外将预测方法分为三类第一是区域性预测，它主要是确定煤田、井田、煤层和采掘区域性的突出危险性；第二是局部预测，它是在区域性的基础上，根据钻探、采掘工程等资料，进一步对局部地区如采区或地点的突出危险性做出判断；第三是日常预测，它是在区域性预测、局部预测的基础上，根据突出预兆的各种异常效应如声、电、磁、震、热等，对突出危险发出警报。 我国将突出危险性预测只分为区域突出危险性预测和工作面突出危险性预测两类。区域突出危险性预测，用于预测煤层和煤层区域包括井田、新水平和新采区的突出危险性，并在地质勘探、新井建设、新水平和新采区开拓或准备时进行。其预测的依据是查明突出区域性特征，即各区域的突出主要因素地应力、瓦斯和煤的物理力学性质与突出危险性之间的联系。 工作面预测也叫点预测、日常预测，它包括石门揭煤工作面、煤巷掘进工作面和回采工作面的突出危险性预测。其任务是确定工作面附近煤体的突出危险性，即该工作面继续向前推进时，有无突出危险。工作面预测是依据上述三个因素在工作面前方的分布状态及其随工作面推进的变化。 根据人们对瓦斯突出机理的研究，考虑众多影响瓦斯突出的因素，提出不同的观点，这些方法对预测瓦斯突出起到了根本性的作用。主要分以下两大类静态预测点预测 和动态预测连续预测。 1.2.1 静态预测（点预测） 静态预测的根据就是含瓦斯煤体性质及其赋存条件的某些量化指标。这些指标主要包括瓦斯指标、煤层性质指标、地应力指标或它们的综合指标，预测则是考察其中的单个或同时多个指标是否超过临界值。具体说来，目前较多采用的指标有钻屑量S 、钻孔瓦斯涌出初速度q、瓦斯放散指数ΔP 、煤体坚固性系数f 、瓦斯压力p 。 1 单项指标法。该方法主要用于煤层突出危险性预测，以划分出突出煤层和非突出煤层。该方法的基本思想是根据煤与瓦斯突出机理，用煤的破坏类型、煤的瓦斯放散初速度指标ΔP 、煤的坚固性系数f 以及煤层的瓦斯压力p 4个单项指标来进行预测[4]。表1.2具体给出了这4个单项指标的划分标准。 2D，K 综合指标法。煤炭科学研究总院抚顺分院、北票矿务局与红卫矿提出用 综合指标D与K 来预测煤层的突出危险性[5]， 1.1 ⎩ ⎨ ⎧ Δ f D H f K P / 0.0075 / - 3 p - 0.74 式中，H 开采深度； f 煤层软分层的平均坚固性系数； p 煤层瓦斯压力； ΔP 煤层软分层煤的瓦斯放散初速度指标。 D ，K 综合指标法适用于煤层的区域预测或石门揭煤工作面突出危险性预测，已被 列入我国的防突细则，得到了广泛的应用。其临界值参照表1.3所列数值。 表1.3 4钻孔瓦斯涌出初速度q法和钻屑瓦斯解吸指标 法。该法是前苏联运用最广2 Δh泛的日常预测法，已被列入前苏联的有煤、岩石和瓦斯突出倾向煤层安全采掘规程中。钻孔瓦斯涌出初速度被认为是一个反映煤体物理力学性质、煤层瓦斯和煤层应力状态的综合指标，已被列入我国防治煤与瓦斯突出细则。这两个指标被广泛应用在我国煤与瓦斯突出矿井的突出预测中。 5钻屑量法和钻屑倍率法。钻屑量被认为是反映地应力大小的一个有效指标，首先由德国学者Noack等提出并得到了广泛的应用。在我国，煤炭科学研究总院抚顺研究所对北票矿务局所属煤矿的17个石门进行了钻屑量测量。初步结果表明，钻屑倍率n可作为突出预测指标，当n大于4时有突出危险。煤炭科学研究总院重庆分院在南桐和梅田对煤巷进行了试验，认为钻粉量为正常量的3倍时最易倾出或压出，如果瓦斯压力大就会发生较大的突出。钻屑量指标max S为每米钻孔钻屑量的最大值，其在我国也被广泛采用。 1.2.2 动态预测（连续预测） 当前所采用的静态工作面突出危险预测方法，都是通过钻孔来实现的，因此又可称为静态的钻孔法。静态法打钻及参数测定需占用作业时间和空间，工程量大，预测作业时间较长，对生产有一定的影响，并且这种静态法的准确性也不是很高，易受人工影响。由于煤层或煤体及其内部所含的瓦斯并不均匀分布，煤体也随着开采处于动态变化中，在钻孔附近取得的预测结果仅仅是局部的，预测时刻取得的结果也只是静态，并不能完全代表整个预测步长范围内及煤体稳定前整个时期内的突出危险性。因此，动态连续预测的研究正日益引起人们的重视。 1声发射技术。煤和岩石内部存在大量的裂隙等缺陷，煤岩变形及破坏的结果就是裂隙的产生、扩展、汇合贯通[6]。研究表明，裂隙的产生和扩展都将以弹性波的形式产生能量辐射，这就是声发射。声发射技术可以对破裂源进行定位。早在20世纪40年代初，美国就利用声发射技术监测金属矿井的岩爆。随着计算机技术的应用，该项技术在矿井中的应用更加广泛。近年来，加拿大的研究人员研究了多种声发射监测系统，用于岩爆预测。法国的研究人员也做了很多这方面的研究工作。前苏联的顿巴斯煤田对声发射用于煤与瓦斯突出预测进行了较多研究工作，早在1974年，突出严重的中央区已有121个工作面采用了这项技术。前苏联用记录噪声脉冲数的方法预报煤与瓦斯突出并在顿巴斯煤田进行了推广应用。我国的研究起步较晚，在现场应用也较少。平顶山矿务局从俄罗斯引进了声发射监测系统，并用于煤与瓦斯突出预报试验研究[7]。 我国重庆煤科分院生产了声发射监测系统，“九五”攻关期间在平顶山矿区进行了应用。石显鑫等研究认为，声发射的总事件、大事件和能量参数能较好地反映声发射活动的特征，总事件的频繁增多、大事件的急剧增加，是判别突出的预兆。王恩元在实验室研究发现，尽管煤岩体破裂时的声发射信号非常丰富，但在煤岩体的破坏过程中是阵发性的，表明了煤岩体的变形破坏过程不是连续的，而是阵发性的、不均匀的，因而在进行煤与瓦斯突出预报时需进行连续监测[8]。 声发射技术用于矿井已有几十年的历史，其在岩爆监测方面已取得一些成果，尽管很多人认为声发射突出预测系统是一种很有发展前途的预测方法，各国都投入了大量的人力物力进行了广泛的研究，但目前其突出预测的可靠程度与生产实际的需要还有差距。随着大容量、高速度计算机系统的引入和声接收技术的发展，用声发射技术进行突出预测可望获得突破。 2利用V30V60及Kv指标预报突出。V30或V60是指掘进煤巷炮后30min或60min内的吨煤瓦斯释放量。德国研究表明，如果V30值达到崩落煤可解析瓦斯量的40，则说明存在突出可能性，如果达到60，则表示有突出危险。国内重庆、抚顺分院利用WTC瓦斯突出参数仪和矿井环境监测系统，通过对煤巷掘进工作面瓦斯动态涌出的连续观测和分析，用掘进煤巷炮后V30或V60来反映出瓦斯涌出量的上升幅值，将其作为一项突出预测指标。俄罗斯斯阔钦斯基矿业研究院根据连续监测掘进煤巷每个落煤循环的瓦斯涌出量数据，采用相对均方根偏差公式计算瓦斯涌出变动系数Kv表征瓦斯涌出增减的变化幅度[9]。国内V30或V60和Kv两个指标相结合，在部分矿区进行了突出预测试验，并取得了一定的效果。 目前，已采用电子计算机求V30值，爆破后风流中瓦斯浓度曲线的下降段可用幂函数描述，如图1.3。根据放炮后前10min的瓦斯浓度、涌出量及崩落煤量，即可算出V30值，偏差不超过10。 图1.3 煤巷爆破后瓦斯浓度曲线 3电磁辐射监测技术。煤岩体同其他固体材料一样，都是由成千上万的电子、原子等基本粒子组成，当煤岩体受载变形破裂时，电子等带电粒子变速运动就会向外辐射电磁波，这就是电磁辐射现象。我国和前苏联是较早开展此研究的国家，日本、希腊、美国、瑞典、德国等国也开展了这方面的研究。 中国矿业大学经过十多年时间对受载煤岩体及瓦斯解吸流动等情况下的电磁辐射进行了较为深入的研究[1012]，结果表明受载煤岩的变形破裂过程中，电磁辐射信号基本呈逐渐增强的趋势，这对于预测预报煤岩动力灾害现象具有重要意义。他们还开发了KBD5型煤与瓦斯突出电磁辐射监测系统，并在我国二十多个矿井进行了煤与瓦斯突出、冲击矿压的试验及推广。结果显示利用电磁辐射特征来监测工作面易突出煤层的应力状态是可行的，该电磁辐射监测系统进行预测的指标是电磁辐射强度和脉冲数两个指标，这大大提高了预测准确率。重庆煤科分院对煤矿井下掘进工作面前方煤体内电磁辐射进行了测定，考察了掘进过程中电幅度与钻屑量、瓦斯涌出初速度、钻孔排放措施之间的关系，以及突出前后电幅度的变化，他们使用的是电幅度一项指标。 4根据煤层温度状况预测突出的危险性。利用温度状况预测突出危险性的理论根据是瓦斯解吸时吸热，导致煤层温度降低。温度降低越多，说明煤层瓦斯解吸能力越强，则突出危险性越大。实践表明，煤层瓦斯含量越高，这一效应越明显。换句话说，采掘工作引起工作面前方煤体中应力变化，导致瓦斯存在状况变化，当压力降低时吸附瓦斯解吸为游离瓦斯，吸收周围煤体的热量，因而煤体温度降低。煤温降低多少，反映了煤中瓦斯含量大小与应力状态的变化情况。实践还表明，凡是煤温突然大幅度降低，就预示着工作面附近有较大的地质构造煤层突然变厚、变薄、倾角突变等，有发生突出的可能性[13]。有两种测温方法来评价煤层的突出危险性①测量从每段炮眼采集的钻屑的温度；②测量工作面新暴露面的温度。 5利用煤层中涌出的氦体积或氡浓度的变化预测突出。近年来，波兰利用煤层瓦斯中氡浓度进行预测。研究表明，在突出前煤层瓦斯中氡浓度急剧降低，突出后又急剧上升。突出前瓦斯中氡浓度下降的原因可能是开始突出时岩层发生强烈变形，工作面附近煤样中孔隙和裂隙闭合使氡浓度下降，突出后原有裂隙张开并出现新裂缝，氡浓度升高[14]。 1.3 煤与瓦斯突出预测技术的新发展 1.3.1 现代数学理论在煤与瓦斯突出预测中的应用 随着现代数学理论及计算机通讯技术的高速发展，使得人们对海量数据的处理变成了可能。由于煤与瓦斯突出影响因素众多，且机理复杂，突出影响因素与突出随机事件之间的关系很难用一个简单确定的表达式去描述。目前，基于模糊数学理论、灰色系统理论、神经网络、支持向量机、分形理论和小波分析理论等一大批先进的数学方法使得预测煤与瓦斯突出变成了可能，并取得了一定的研究结果。 蔡成功，侯锦秀以统计数据为依据，应用72 心理极限概念和层次分析法确定各因素权重，采用定性数据定量化方法建立隶属度，采用二级模糊综合评判方法和“加权平均型”评判数学模型，建立了煤与瓦斯突出强度预测模糊综合评判方法，实现了定性问题的定量化分析[15]。 南存全，冯夏庭利用支持向量机构建了煤与瓦斯突出预测模型。按SVM 的二类划分最优分类面和样本混杂区的边界将特征空间细划为3 个区域，由此建立了可将突出危险性划分为突出危险、突出威胁、安全3 个级别的煤与瓦斯突出的SVM 模型，并建立了突出危险判据指标[16]。 赵耀江、王冶基于神经网络建立煤与瓦斯突出预测数学模型，将模拟人脑信息处理机制为基础的非线性动力学系统方法应用于煤与瓦斯突出区域预测，得出了突出规模与瓦斯压力、垂深、放散速度、地质构造、煤坚固性系数的关系，预测大、中、小规模突出[17]。 于洪仕，付兴武针对目前滤噪技术不能很好地使声发射监测得以准确预报的情况，进行了基于小波包变换的去噪研究。该研究利用信号的小波包分析、计算和最优小波包基选取的方法，通过计算机数值计算，模拟了强噪声下声发射信号检测，并通过Sym8小波包与小波变换去噪的比较，证明前者优于后者[18]。 高雷阜提出了基于混沌时间序列重构相空间技术的煤与瓦斯突出的动态反演综合假说，以及煤与瓦斯固流耦合作用突变预测与重构相空间中混沌吸引子性态同构的反演判据，系统的以混沌时间序列理论和方法对煤与瓦斯突出进行了预测分析研究[19]。 郭德勇，范金志等将层次分析和模糊综合评判方法结合起来应用于煤与瓦斯突出预测研究中。运用层次分析法确定了煤与瓦斯突出各影响因素权重系数，采用隶属函数构造了单因素判别矩阵，并运用模糊综合评判法建立了煤与瓦斯突出预测模型[20]。 分形几何理论作为研究非线性问题的有力的理论工具和方法，近几年在煤炭业也得到了广泛的应用。如吕绍林[21]等进行了突出煤体的粒度分形研究，此外，分形几何理论在断层网络复杂程度、煤与瓦斯突出区域分布特征方面的分析应用也比较广泛。 1.3.2 人工智能技术在煤与瓦斯突出预测中的应用 如何把反映突出的各项监测数据快速、准确的从井下采集到井上并进行快速处理，是实现煤与瓦斯突出实时预测的重要前提。随着通信技术和计算机技术的飞速发展，数据的采集、传输、计算、存储都变成了可能，一批相关的预测煤与瓦斯突出诊断系统在现场得到了应用，并取得了比较好的预测效果。 近些年来国内外研制预测突出的专家系统，如英国煤炭公司技术发展部已开发出UPEL 专家系统，该专家系统用于预报井下开采过程中煤与瓦斯突出危险的程序[22]。中国科学院地质研究所也正在研制预测突出的专家系统，该系统被称为GAS-BURST,它根据用户提供的矿区地质构造、地下水、瓦斯、钻孔粉尘、地应力和已经发生突出的资料，由该系统划出煤矿突出危险区、危险带，预测突出危险程度随采深增加的变化趋势，预报突出点的位置；同时，还能在计算机屏幕上显示突出危险区的位置、井下突出点的位置，各次突出间的相互联系等。西安西科测控设备有限责任公司根据瓦斯突出的综合影响因素，以瓦斯涌出量、声发射指标、工作面煤壁温度为基本监测单元，开发了井下、地面、远程三级综合预警分析机制的煤与瓦斯突出专家分析诊断系统，经现场的长期试验及结果表明，该系统预测效果显著[46]。 2 煤与瓦斯突出过程及影响因素分析 大多自然灾害现象都有突发的特征，都存在非连续突变并伴随跳跃过程。煤与瓦斯突出就是发生在矿井煤岩体中的灾害动力现象，是含瓦斯煤岩体的一种剧烈的能量释放形式。从系统的观点来看,突出是含瓦斯煤岩系统在采掘活动扰动下发生的动力灾害现象。从突出孕育到激发以至发展的过程中,系统内部各要素之间及其与外部系统的相互作用具有明显的非线性特征。因此,突出的发生是一个复杂的非线性动力系统在时空演化过程中的灾变行为，深入研究煤与瓦斯突出过程，找出突出影响因素并分析其显现特征，是预测煤与瓦斯突出的前提。 2.1.1 突变理论概述 具有煤与瓦斯突出危险性的工作面力学平衡状态有稳定和不稳定之分，当为不稳定平衡状态时，轻微的开采扰动将使煤岩结构或其组成构件产生很大的变形而最后丧失承载力，这种现象就称为失去稳定性或简称失稳。为了分析工作面力学系统在外荷载作用下的平衡稳定性，较常用两个判别准则以地应力-瓦斯压力为主的静力准则和地应力-瓦斯压力能量准则[3]。 稳定的静力准则在满足静力平衡条件下具有煤与瓦斯突出危险性的工作面结构体系中，当受到微小的采动影响使其偏离原来的平衡位置时，若因此在该体系上产生一个指向原来平衡位置的力正恢复力，当此扰动去除后能使该体系迅速回复到原来位置时，则原来的平衡状态是稳定的，或称稳定平衡，此时瓦斯压力和地应力虽能对煤体产生影响，但却不足以产生突出；若产生背向原来平衡位置的力负恢复力，促使偏离愈来愈大，则原来的平衡状态是不稳定的，或称不稳定平衡，此时地应力与瓦斯压力超出了煤岩的力学性质，就有发生突出的危险；若受扰动后不产生任何作用于该体系的力，当扰动去除后，既不能恢复原来的平衡位置又不能继续增大偏离，则为中性平衡，使结构处于中性平衡状态的荷载称为临界荷载Pcr，此时地应力-瓦斯压力-煤体三者又达到了新的平衡，若没有外界的扰动就不会发生突出危险。 稳定的能量准则由地应力-瓦斯压力-煤体组成的结构体系的平衡稳定可以用体系的总势能Π来判别。总势能Π是结构体系内的应变能和外荷载势能两者的代数和。如果体系受到微小扰动而变形，体系的总势能Π是增加的，则原来的平衡状态是稳定的；假如总势能Π是减少的，则原来的平衡状态是不稳定的；假如总势能Π保持不变，则为中性平衡。也就是说，当体系最初总势能Π是极小值时，为稳定平衡；是极大值时，为不稳定平衡。 2.2 煤与瓦斯突出的影响因素 煤与瓦斯突出是在地应力以及包含在煤中的瓦斯及结构力学性质综合作用下产生的动力现象。在突出过程中，地应力、瓦斯压力是发动与发展突出的动力，煤结构及力学性质是阻碍突出发生的因素。因此，在研究突出发生条件时，地应力、瓦斯与煤结构条件是必须首先讨论的。 2.2.1 地应力 地应力在突出中的作用有以下三种[24] 1围岩或煤层的弹性变形潜能做功，使煤体产生突然破坏和位移； 2地应力场对瓦斯压力场起控制作用，围岩中的地应力决定了煤层的高瓦斯压力，从而促进了瓦斯压力梯度在破坏煤体中的作用； 3煤层透气性也取决于地应力状态，当地应力增加时，煤层透气性按负指数规律降低。因此，围岩中增高的地应力，也决定了煤层的低透气性，使巷道前方的煤体不易排放瓦斯，而造成较高的瓦斯压力梯度。煤体一旦破坏，又有较高的瓦斯放散能力，这对突出是十分有利的。 从上述分析可以看出，具有较高的地应力是发生煤与瓦斯突出的第一个必要条件。当应力状态突然改变时，围岩或煤层才能释放足够的弹性变形潜能，使煤体产生突然破坏而激发突出。可以认为，发生突出的充要条件是煤层和围岩具有较高的地应力和瓦斯压力，并且在近工作面地带煤层的应力状态发生突然变化，从而使得潜能有可能突然释放。 应力状态的突然变化一般有下述几个原因 1巷道进入地质破坏区； 2石门揭开煤层时； 3工作面迅速推进时，如放炮、打钻等； 4巷道从硬煤带进入软煤带； 5煤层突然加载，如巷道顶板下沉等； 6煤层突然卸压，如悬臂梁的突然断裂； 7煤的冒落。 2.2.2 瓦斯作用 以游离状态和吸附状态存在于煤裂隙和孔隙中的瓦斯，对于煤体有三方面的作用 1全面压缩煤的骨架促使煤体中产生潜能； 2吸附在微孔表面的瓦斯分子，对微孔起楔子作用，因而降低煤的温度； 3具有很大的瓦斯压力梯度，从而造成作用于压力降低方向的力。因此，无论游离瓦斯、还是吸附瓦斯，都参与突出的发展。突出时，依靠潜能的释放，使煤体破碎并发生移动，瓦斯的解吸使破碎和移动进一步加强。并由瓦斯流不断地把破碎煤抛出，使突出孔洞壁始终保持着一个较大的地应力梯度和瓦斯压力梯度，致使煤的破碎不断向深部发展。因此，突出过程的继续发展或终止，在某种程度上将决定突通道是否畅通，即破碎煤被瓦斯搬走的程度。 煤与瓦斯突出发展的另一个充要条件是有足够的瓦斯流把碎煤抛出，并且突出孔 道要畅通，以在孔洞壁形成较大的地应力和瓦斯压力梯度，从而使煤的破碎向深部扩展。 2.2.3 煤结构和力学性质 煤结构和力学性质，与发生突出的关系很大，因为煤体和煤的强度性质抵抗破碎的能力、瓦斯解吸和放散能力、透气性能等，都对突出的发动与发展起着重要作用。一般来说，煤愈硬、裂隙愈小，所需的破坏功愈大，要求的地应力和瓦斯压力愈高；反之亦然。因此，在地应力和瓦斯压力为一定值时，软煤分层易被破坏，突出往往只沿软煤分层发展。尽管在软煤分层中，裂隙丛生，但裂隙的连通性差，因而煤体透气性差，易于在软煤分层引起大的瓦斯压力梯度，又促进了突出的发生。同时，根据断裂力学的观点，煤层中薄弱地点如裂隙交汇处、裂隙端部等最易引起应力集中，所以煤体的破坏将从这里开始，而后在沿整个软煤分层发展[25]。 在成煤过程和历次地质构造运动中，造成了煤结构和力学性质沿煤层走向和倾斜方向的不均质性，这种不均质性，不但给工作面附近煤体应力状态突然变化创造了有利条件，并且还影响着突出的发展速度和突出孔洞的形状及尺寸。 2.3 煤与瓦斯突出的发展过程 煤与瓦斯突出的发展过程，一般可分为4个阶段，即准备、发动、发展和停止阶段，如图2.2所示[2629]。 1准备阶段 在此阶段，煤体经历着两个过程一是能量积聚的过程，例如地应力的形成使其弹性能增加，孔隙压缩使瓦斯压缩能增高等；二是阻力降低过程，例如落煤工序使煤体由三向受压状态转变为两向甚至单向受压状态，煤的强度突然下降等。由于弹性能、压缩能的增高和应力状态的改变，煤体进入不平衡状态，外部表现为煤面外鼓、掉渣、瓦斯忽大忽小、发出劈裂及闷雷声等有声或无声的各种突出预兆。 2发动阶段 在准备阶段的基础上，处于极限应力状态的部分煤体突然破碎卸压，发出巨响和冲击，使瓦斯作用在煤体上的推力向巷道自由方向瞬时增加几倍至几十倍，膨胀瓦斯流开始形成，大量吸附瓦斯进入解吸过程加强了流速。 3发展阶段 这一阶段也称为煤和瓦斯的抛出阶段。在此阶段中，突然破碎的煤在高速瓦斯流中呈悬浮状态流动，这些煤在煤的内外瓦斯压力差的作用下被破碎成更小的粒度，撞击与摩擦也加大了煤的粉化程度，煤的粉化又加速了吸附瓦斯的解吸作用，增加了瓦斯风暴的搬运力。与此同时，随着破碎煤的被抛出和瓦斯的快速喷出，突出孔壁内的地应力与瓦斯压力分布进一步发生变化，煤体瓦斯排放、瓦斯压力下降，致使地应力增加，导致破碎区域连续向煤体深部扩展，构成后续的瓦斯气体和破碎煤所组成的混合两相流。 4停止阶段 当突出孔发展到一定程度时，由于堆积的突出物的堵塞和地压的分布满足了成拱静力平衡条件，导致突出停止。但此时虽然煤的突出停止了，而从突出孔周围卸压区突出煤炭中涌出瓦斯的过程并没有完全停止，异常的瓦斯涌出还要持续相当长的时间。这就造成了突出的瓦斯量大大超过了煤的瓦斯含量的现象。有的突出实例可以观察到上述突出过程的几次重复，形成突出煤岩轮回性堆积的现象。 2.4.1 煤岩体声发射产生机理 煤体的破坏形式包括3 种一是微裂隙破坏，二是微孔隙破坏，三是前二者的组合破坏。在这三种破坏中，孔隙和裂隙中存在的瓦斯压力增强了有效正应力，更有利于这种破坏的产生。 一般而言，煤岩的破坏过程包括原生裂隙的闭合阶段、新裂隙的产生、扩展及断裂。在煤岩的变形和破裂过程中，AE 声发射的产生可能来自于以下几个方面 1煤岩集团或颗粒之间是靠各种桥键连接的，其键能远小于金属等材料的键能，在外力作用下，当大分子集团和原子的位错、滑移引起桥键的断裂时会产生声发射现象； 2煤岩大分子集团之间存在的各种矿物质和胶结物也是靠分子键连接的，其断裂时也会产生声发射； 3一部分原生裂隙的扩展和新生裂纹的产生及扩展中也会产生大量的声发射现象； 4在裂纹的发展中，彼此之间会产生摩擦和碰撞等，此时也会产生声发射现象； 5在裂纹扩展到一定程度，引起断裂时，产生的声发射活动会更大、更集中。 声发射的产生与煤岩材料微观结构对外力的承受程度有关，随着外力的增加，煤岩集团之间、裂纹之间、矿物质之间和组成化学元素之间都可能发生滑移、位错。 当能量足够高时，克服煤岩内部的分子键、原子键、共价键的键能，产生新的裂纹。这些滑移、位错乃至裂纹的产生、发展是不可逆的，这种过程反映了煤岩损伤的发展演变。在同等条件下，声发射能量的大小表征了煤岩损伤程度的大小。 声发射信号是一种脉冲式波形信号，如图2.3。该波形信号时谱信号不能直接使用，必须对其进行特征参数的提取，根据提取后的参数值大小及其变化情况进行灾害预测或评价。一般情况下，常用的AE 信号特征参数包括事件数、大事件、能量、振幅和频率等。 典型的煤样声发射事件数与应力的关系曲线分为三个阶段 1第一个阶段为煤样原生裂隙闭合，声发射活动的事件数保持较低的增长率； 2第二个阶段应力达到极限应力的30时，出现了微破裂现象，声发射事件数保持较第一阶段较高的增长率增长； 3第三个阶段从应力达到极限应力的80左右开始，声发射活动急剧增加，直到试样完全破坏。 在矿井中发生煤与瓦斯突出时，前兆信息超前时间有几分钟到1 小时不等，这就足以使我们能够预测预报，以便撤出人员和采取相应的解危措施。