矿山动力灾害预报论文参考文献

预测预报技术概述

我国的矿产资源十分丰富，在地下资源开采过程中经常发生重大的动力灾害事故，有煤与瓦斯突出冲击矿压（岩爆、矿震）等，而且该问题随着采掘深度的不断延伸和开采规模的不断扩大日益严重，造成了大量的人员伤亡和财产损失，严重威胁着矿井安全生产。由于煤与瓦斯突出或冲击矿压能在一瞬间向采掘工作面空间喷出巨量煤与瓦斯流，不仅严重地摧毁巷道设施，毁坏通风系统，而且使附近区域的井巷全部充满瓦斯与煤粉，造成瓦斯窒息以至煤流埋人，甚至还会造成煤尘与瓦斯爆炸等严重后果，因此，致力于煤与瓦斯突出等煤岩灾害动力现象产生的机制、预测预报以及预处理的理论和方法的研究（特别是预测预报的研究）就十分重要了。

据统计，在全国595处国有重点煤矿中，有高瓦斯突出矿井347处，冲击矿压矿井120余处。针对我国严重的含瓦斯煤岩动力灾害，我们应该结合前人研究成果和其他动力灾害预测的新理论、新方法深入研究煤岩动力灾害的预测预报新技术和方法。

煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害预测的目的和意义在于：为采取合理有效的防突措施提供科学依据，减少防突工程量与时间，保证采掘生产的正常进行，保障井下生命和财产安全。煤与瓦斯突出预测的基础是人们对突出过程及其影响因素的认识。在对煤与瓦斯突出进行研究的一个多世纪中，各国的研究者经过不懈的努力，提出了各种各样的突出预测方法。从突出预测的范围与时间上来分，大致可分为两类：区域预测和局部预测。区域预测又称为长期预测，任务是确定矿井、煤层以及煤层区域的危险性；后者的任务是在前者的基础上，及时预测局部地点即采掘工作面的突出危险性，这种预测又可称为日常预测或工作面预测。根据突出预测过程及其连续性日常预测又可分为钻孔指标法和连续动态两类预测方法。

下面主要对煤与瓦斯突出、冲击矿压等矿山煤岩动力灾害预测预报技术进行介绍。

（1）指标（静态）预测法［26～27］

指标预测是通过钻孔获得一些反映工作面前方瓦斯突出危险性的量化指标来预测突出的危险性。预测时主要考察其中的单个或多个指标是否超过临界值。目前较多采用的指标有钻屑量S，钻孔瓦斯涌出初速度q，钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2，或这些指标的组合。通常，它们是通过钻孔获得的，具有分散和不连续的特点。

钻屑量是反应地应力大小的一个有效指标，首先由德国学者Noack等（1983）提出并得到了广泛的应用。在采掘工作面打预测钻孔，每钻进1 m测量钻屑量，其最大值超过临界值时具有突出危险性。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。

钻孔瓦斯涌出初速度法是前苏联运用最广泛的日常预测法，已被列入前苏联的相关著作《煤、岩石和瓦斯有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。

当前所采用的钻孔（指标）预测方法都是通过钻孔来实现的，是目前我国采用的主要预测方法，对煤与瓦斯突出预测做出了重要的贡献。但是，该方法存在以下缺点：①打钻以及参数测定操作时间长；②工程量通常很大；③预测时间长；④对生产会造成一定影响；⑤费用高；⑥在钻孔附近取得的预测结果仅仅是局部的，并不能完全代表整个预测步长范围内的突出危险性，在预测时刻取得的结果也只是分散的、不连续的，并不能完全代表煤体稳定前整个时期的突出危险性，因为煤体处于动态变化之中，延期突出就是例证。

（2）动态（连续）预测法［28～38］

由于指标（静态）方法的一系列缺点，因此，动态连续预测的研究正日益引起人们的重视。目前，突出的连续预测有以下几种方法：①声发射监测技术；②利用环境监测系统连续监测工作面的瓦斯涌出变化特征，通过分析涌出与突出的关系来预测突出；③目前正在广泛开展的电磁辐射预测方法。

根据瓦斯涌出量预测突出的指标有德国学者提出的V30指标。V30是掘进工作面放炮后30 min内瓦斯涌出量与落煤量的比值。苏文叔根据国内外的研究，综合分析认为，V30与瓦斯涌出变动系数Kv两指标分别反映了工作面单位落煤量、瓦斯涌出量的上升幅值和工作面瓦斯涌出量增大、减小的变化幅度，它们与工作面前方的突出危险性密切相关，可作为瓦斯涌出动态预测法的两项主要指标，用Kv预测延期突出将是一个有希望的技术途径。刘明举则根据工作面瓦斯涌出特征，利用模式识别技术对基于环境监测系统的突出预测系统进行了初步研究，认为，在现有环境监测系统的基础上考虑工作面瓦斯涌出特征，利用计算模式识别技术研究非接触式煤与瓦斯突出预测系统是可行的。

煤岩变形破坏就是煤岩内部裂隙的产生、发展以及汇合贯通的结果。因此，从煤岩受力破坏的物理力学过程出发，研究煤岩变形破坏这一不可逆的能量耗散过程，以便进一步认识动力灾害发生机理，从而出现了可以表征煤岩动态破坏的综合指标方法——地球物理方法，如声发射和电磁辐射方法就是两种有效的地球物理方法。

在国外，利用声发射对前苏联顿巴斯煤田、英国的南威尔士煤矿以及德国、日本和波兰等国家的煤与瓦斯突出预测进行了许多研究。前苏联用记录声噪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。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——声发射。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。加拿大研究人员研究了多种声发射监测系统，用于岩爆预测。

在我国，此方面的研究起步较晚。王建军就岩石声发射活动kaiser效应的影响因素及其在地应力测量中的应用进行了研究，以及张宝生就煤岩破裂声发射的特性进行了研究。万志军及周楚良将岩石裂纹产生时的声发射源简化为振弦的振动，得到了声发射频率与裂纹长度、声发射振幅与裂纹宽度之间的关系。我国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。声发射方法虽然能够较连续有效地评估煤层边缘的突出危险性，但也存在以下问题：一是仪器结构复杂，信号接收和转换也较复杂；二是压电传感器必须与煤岩壁面良好耦合，这在实际操作过程中是很难控制的。随着突出机理的深入研究，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。

此外，利用神经网络技术以及动力灾害过程中的热效应来进行预测等方面的研究也取得了一定的进展。

煤岩动力灾害电磁辐射预测技术［39～53］

与声发射法相比，利用煤岩变形及破裂过程中产生的电磁辐射预测煤与瓦斯突出等动力灾害现象的电磁辐射法有许多优点：可实现真正的无接触，有效信息的接收、传输等比较简单，且易于实现定向接收；信息较声发射丰富，即使在煤体流变过程（缓慢变形过程）中也有信号产生；大大减少了工作量，不受人工等外界干扰（对于井下机电设备等电磁干扰，则可采取屏蔽或定向接收来排除），可实现连续监测及预报，又能检验防突措施的效果。

目前国内外用电磁辐射方法预测预报矿山煤岩动力灾害现象的研究掀起了高潮。Airuni等研究了煤在外力作用下会伴随有电磁辐射产生。Poturayev等描述了岩石受压下电磁辐射和声发射的研究，它们的联合使用提供了煤岩应力状态的定量测定，使研究地球力学过程和提高岩石监测成为可能；测定和记录了煤、粘土岩、砂岩、花岗岩、石英岩和石灰岩等岩石变形和裂隙扩展形成的电磁辐射和声发射，结果显示利用声发射和电磁辐射的联合特征来监测邻近工作面易突出煤层的应力状态是可能的。Afanasenko等测定了盐矿开采期间天然和工业产生的电磁场，结果表明，从盐层产生的电磁辐射可以用来评价冲击灾害现象。Frid等则在现场研究了煤的物理力学状态（水分含量、孔结构等）、瓦斯对工作面电磁辐射强度的影响，还用谐振频率为100 kHz的天线测定了例如在各种采煤工作面条件下的天然电磁辐射，并用电磁辐射脉冲数指标确定了工作面前方岩石突出的危险程度。中国矿业大学利用电磁辐射监测技术对煤与瓦斯突出、冲击矿压等煤岩动力灾害现象进行预测预报研究已步入国际先进行列。如何学秋等分析了煤与瓦斯突出过程中的能量耗散，提出了电磁辐射是很有前途的非接触预测方法，还研究了煤岩破裂过程中电磁辐射信号的时间序列符合赫斯特统计规律，说明受载煤岩在变形破裂过程中，电磁辐射信号基本呈现逐渐增加的趋势，这对于预测预报煤岩动力灾害现象具有重要意义。何学秋、王恩元等还分析了煤岩体破裂过程中电磁辐射的特征，并列举分析了电磁辐射方法预测预报煤岩动力灾害现象的原理和技术。何学秋、王恩元、窦林名、聂百胜等利用电磁辐射技术对巷道稳定性进行了监测和评价，显示了电磁辐射监测技术在隧道稳定性监测方面的应用前景。

电磁辐射技术还可以对混凝土、岩石材料的变形破裂过程进行识别和监测，对于研究材料的断裂机理具有重要意义。电磁辐射监测技术是一种真正的非接触方法，随着电磁辐射动力灾害的判别方法及技术的日益完善和发展，必将显示出巨大的科学价值和应用前景。

但是，非接触连续预测煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害现象的研究还是很初步的，试验数据还不多，需要做更进一步的研究。