煤与瓦斯突出预测方法

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1、1第一章 煤与瓦斯突出预测方法按照煤与瓦斯突出的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，简称区域预测，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、

2、新井建设、新水平和新采区开拓或准备时进行。工作面预测也叫点预测，日常预测，用于工作面煤层的突出危险性预测，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。1.1 区域性预测方法煤与瓦斯突出的区域性预测技术主要有以下几种预测方法，即单指标法、综合指标 D 与 K 法、瓦斯地质统计法。1.1.1 单指标法采用煤的破坏类型、瓦斯放散初速度指标（p） 、煤的坚固性系数（f）和煤层瓦斯压力（p）作为预测指标，某煤层只有全部指标达到或超过其临界值时方可预测为突出煤层。各种指标的突出危险临界值应根据实测资料确定，无实测资料可参考下表 1.1 所列。表 1.1 预测煤层突出危险性单项指标临界

3、值煤层突出危险性 破坏类型瓦斯放散初速度指标煤坚固性系数 f煤层瓦斯压力p（Mp a）2p（mmHg ）突出危险 10 0.5 0.74无突出危险 0.5 0.7 0.25 7.4MPa 时就有突出危险性。（2）钻孔瓦斯自喷压力预测法：波兰规定自喷瓦斯压力大于 0.3 大气压（P0.03MPa ）属于中等危险，自喷压力大于 2 个大气压（P0.2MPa ）属于很危险。在其它产煤大国如捷克、日本、英国等国家都根据钻孔瓦斯自喷压力来预报突出。（3）钻孔瓦斯涌出速度预测法：采用钻孔瓦斯涌出初速度指标对采掘工作面前方煤体的突出危险性进行预测的方法。该方法最早由原苏联马凯耶夫煤矿安全工作科学研究所提出。

4、后被波兰、保加利亚、法国、捷克、日本等国广泛推广应用，但各国所用的方法却大同小异，原苏联的的方法是在采掘工作面推进过程中（掘进工作面每推进 Zm，回采工作面每推进 3m）不断打钻孔（孔径43mm、长 3.5m、用机械封孔器封堵离孔底 0.5m 长的一段空间） ，并用 nT-ZMA型仪器测定瓦斯涌出速度，如果瓦斯涌出速度全 5L/min 时就须采取防突措施。（4）煤样瓦斯泄出量预测法：在打钻时取钻粉煤样，放在解吸器中测量一定时间间隔内的瓦斯泄出量。比利时规定，巧分钟内泄出量小于 1.2cm3/g 者不危险，10 分钟内泄出量为 2-3cm3/g 者有危险， 3cm3/g 时很危险。而英国则用封堵

5、煤样中瓦斯泄出的比值为指标，规定正常值为 10mg/g，而将正常值于该煤样泄出量的比值作为危险性的指标，此比值大于 4 时认为有突出危险。相继我6国的秦汝详等，通过对掘进工作面突出前夕煤壁瓦斯浓度变化规律的研究，提出了利用瓦斯浓度变化预报突出的方法，并建立了突出预报数学模型；胡千庭等教授利用新开发的取芯装备直接在井下取芯测定煤层瓦斯含量，采用瓦斯含量指标预测突出危险性。法国、波兰、日本、罗马尼亚、捷克、澳大利亚等国家都采用此法。（5）瓦斯成分预测法：苏联以煤层瓦斯成分缺氦作为无突出危险的指标。日本认为煤层瓦斯成分中重碳氢化合物含量增高是突出危险性指标。（6）钻粉量预测法：这是苏联、西德、日本、

6、比利时、捷克等国家广泛采用的一种简单方法。西德以钻粉量大于正常量的 8 倍作为危险指标，而日本则以钻粉量大于 6L/m 作为危险指标。（7）顶底板靠拢速度预测法：苏联、保加利亚、日本等国家都认为突出前顶底板靠拢速度减缓甚至停滞，常以工作面采煤时和无作业时顶底板靠拢速度的比值 K 来表示突出危险性， K=3-6 时无突出危险性。（8）瓦斯放散初速度（P）预测法：这是苏联矿业研究所规定的表示突出危险性的指标。该指标目前在法国、比利时、保加利亚、捷克、日本、罗马尼亚等国家已得到广泛的应用，而在应用方法上大同小异，一般规定P25 时有危险；但在苏联、比利时等国家也有的非危险区P15P15，危险区P20

7、-25，并不能严格划分界限。（9）煤的强度或强度综合指标预测法：苏联、保加利亚、日本等国采用煤的强度系数（按普氏指标或插针插入深度） 。此外还采用煤的强度系数（f） 、筛分系数（C）及瓦斯放散初速度（P）的综合指标（ e=1.5（P-f）+0.7C） ，或其它类型强度综合指标。保加利亚规定，当 f=0.45-0.7 或更大时属于不危险层，而当 f=0.12-0.14 时则属于危险区。（10）煤层围岩性质预测法：苏联、日本认为，突出煤层的围岩应是厚而坚硬的岩石（砂岩、石灰岩等） ，而紧挨煤层的页岩垫层厚度应小于 2m。其它还有煤的显微结构预测法、大地电阻预测法，测量顺磁中心含量的方法等。在区域预

8、测出的煤层突出危险区内，工作面进行采掘之前，进行工作面预7测，及时发现采掘工作面前方的突出危险地带、确保采掘过程中及时采取防突措施、避免发生煤与瓦斯突出事故。1.3 工作面突出预测方法统计表明，煤巷掘进时发生的煤与瓦斯突出次数占矿井突出总数的首位，因此煤巷掘进工作面是突出预测的重点。工作面预测按照其与煤体的关联程度分为接触式预测与非接触式预测。1.3.1 接触式预测我国从 20 世纪 70 年代末开始对工作面突出危险性预测进行研究，至 20 世纪 80 年代后期基本形成了以钻屑量、钻孔瓦斯涌出初速度和钻屑瓦斯解析特征等指标进行工作面预测的方法，另外也有利用钻屑温度、钻孔内壁温度和钻孔涌出瓦斯中

9、 He、Ar 同位素含量等参数预测的方法，但应用不太广泛。我国现行细则中规定，进行煤巷掘进工作面突出危险性预测时可采用钻孔瓦斯涌出初速度法、R 值指标法和钻屑指标法等，由于这些方法都是在向煤层打钻的基础上进行的，因此也统称为钻孔法。1.3.2 非接触式预测通过向煤层打钻孔测定相关参数预测采掘工作面突出危险性技术，研究了不同突出类型、不同煤层赋存条件、不同工作面类型的突出预测指标工艺和判断分析方法，并研究了预测突出危险较敏感指标的适应条件和临界值确定技术，已形成了一套较为完整的突出预测技术体系，在全国大多数突出矿井得到普遍推广应用。根据突出预测过程及其连续性，工作面预测又可以分为静态不连续预测和

10、动态连续预测两种预测方法。实时跟踪预测，即连续动态预测是指通过动态连续地监测能综合反映含瓦斯煤岩体所处（应力或应变）状态的某种指标而确定工作面附近煤层突出危险性的方法。目前突出的连续动态预测有三条途径：一是声发射（AE）监测技术；二是利用环境监测系统连续监测工作面的瓦斯涌出8变化特征，分析瓦斯涌出与突出的关系，从而预测瓦斯突出；三是电磁辐射（EME）监测技术。动态连续不接触预测主要有：（1）利用声发射技术进行煤与瓦斯突出危险性预测。煤和岩石内部存在大量的裂隙等固有缺陷，煤岩变形及破坏的结果就是裂隙的产生、扩展、汇合贯通。研究表明，裂隙的产生和扩展都将以弹性应力波的形式产生能量辐射，这就是声发射

11、。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 2监测金属矿井的岩爆，随着计算技术的应用，该项技术在矿井中的应用更加广泛。 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。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。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。煤炭科学研究总院西安分院也研制了 MJY-1 型声发射实时监测系统， ，并在平顶山十矿进行了现场实验。声

12、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）利用无线电波透视探测技术进行煤与瓦斯突出危险性预测。无线电波透视探测技术在国内外都进行了较为广泛的研究及推广应用。前苏联早在 1923年就开始这方面的研究工作。20 世纪 70 年代中期在东顿涅茨无烟煤矿区进行了系统试验。我国焦作工学院的汤友谊、陈江峰等学者，曾以“瓦斯突出煤体

13、无线电波透视探测技术 3研究”作为国家“九五”科技攻关项目，结合不同矿区、不同煤种、不同破坏类型的煤体，对突出煤体物性参数进行了系统的测试研究。同时，针对实际应用中的具体问题，进行大量的基础性研究，取得丰硕的成果。该技术的应用为采煤工作面的高产高效提供了地质保障，即预先探明采煤工作面内地质构造，以证采煤的顺利进行。该技术在韩城、南桐、阳泉、9平顶山等矿务局应用中，多次发现无线电波透视圈定的断层、褶曲、产状变化、力学性质变化等地质异常带是煤与瓦斯突出多发地带。研究认为，具有不同结构和含气条件的构造煤体和非构造煤体具有明显不同的电性特征，构造煤体中存在各种规则和不规则的界面对无线电波传播产生影响。

14、可以通过无线电波透视探测出采煤工作面内存在的地质构造破碎带，来达到预测煤与瓦斯突出危险区域的目的。（3）利用煤层涌出氡浓度的变化进行煤与瓦斯突出危险性预测。氡元素是自然界中唯一的放射性气体元素，是放射性元素镭和钚衰变过程中的中间产物。虽然它在地层中的含量很微少，存在的时间也很短暂，但含量稳定，不易被吸附。在煤层被破坏的突出危险带，由于氡气扩散速度要比瓦斯高出许多，氡气放射强度会先于瓦斯变化而大幅升高。据国外有关资料介绍，在无突出危险煤层的工作面中，氡放射强度一般在 3040q/m3 以下，在有突出危险的煤层中，氡放射强度高达 2 500 q/m3，在煤与瓦斯突出发生前，氡放射强度会急剧升高。氡

15、气 4,5的超强扩散能力和易于被检测的特点，将成为采掘工作面预测煤与瓦斯突出最有发展前景的预测方法，而 HDC 连续测氡仪可以实现对其的在线检测。（4）利用煤层温度变化法进行煤与瓦斯突出危险性预测。利用温度状况预测突出危险性的理论依据是瓦斯解吸时吸热，导致煤层温度降低，温度降低越明显，说明煤层瓦斯解吸能力越强，则冲击地压和突出危险性越大。近年来进行了利用温度指标 5,6的探测预报突出的方法研究。王宏图等进行掘进工作面的突出危险性的研究中，定义了钻屑温度和煤体温度作为敏感指标。原苏联的一些学者采用近工作面地带的温度与煤体原始温度之差作为突出预测指标，该预测方法被原苏联防突委员会推荐使用。实践表明

16、，把突出的温度变化信息作为突出预测指标之一，并与其它预测指标如电磁辐射强度、声辐射强度等一起进行非接触式突出工作面预测以提高预测的准确性是可行的。随着测温技术的发展，长期困扰煤炭安全生产的煤与瓦斯突出问题将得到更好的解决。（5）利用电磁辐射强度进行煤与瓦斯突出危险性预测。电磁辐射预测的原理是在煤岩层受力变形破坏过程中会产生电磁辐射，电磁辐射强度取决于所受力的大小和煤岩体的物理力学性质。电磁辐射 4与煤的应力状态及瓦斯状态有10关，应力越高、瓦斯压力越大时，电磁辐射信号就越强，电磁辐射脉冲数就越大。在采掘工作面前方卸压区内，煤体发生屈服，大量裂隙形成，应力及瓦斯压力降低。由卸压区到应力集中区，在垂直于煤壁的内部方向上单位煤体应力及瓦斯压力升高时的电磁辐射信号也越来越强；在应力集中区，应力和瓦斯压力达最大值，煤体的变形破裂过程最强烈，电磁辐射源产生的电磁辐射信号最强；进入原始应力区，不同度方向上电磁辐射源产生的电磁辐射的强度将有所下降。煤炭科学研究总院重