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第 42 卷第 11 期 煤 炭 科 学 技 术 Vol. 42No. 11 2014 年11 月 Coal Science and TechnologyNov．2014 我国煤与瓦斯突出区域预测方法研究现状及展望 牟全斌 中国煤炭科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安710054 摘要 对我国现有的煤与瓦斯突出区域预测方法进行了归纳总结， 重点介绍了指标法、 地质方法、 物 探法和数学物理方法， 简要分析了各类方法存在的主要问题， 并对突出区域预测的发展趋势进行了展 望。指出我国煤与瓦斯突出区域预测的发展趋势是 不断完善现有突出区域预测方法， 提高各类方法 在不同地质条件下的适应性和有效性; 加强瓦斯突出基础理论研究， 充分利用各种现代理论与技术手 段， 全面考虑地应力、 瓦斯和煤体性质等决定突出危险性的基本因素， 构建基于多因素分析的综合突 出区域预测方法体系; 积极探索和研究深部矿井突出灾害演化规律和控制因素， 提出适用于深部煤炭 开采的突出区域预测方法。 关键词 煤与瓦斯突出; 区域预测; 指标预测法; 地质预测方法; 深部矿井 中图分类号 TD713文献标志码 A 文章编号 0253 －2336 2014 11 －0059 －05 Study Status and Prospects for Ｒegional Prediction s of Coal and Gas Outburst in China MOU Quan- bin Xian Ｒesearch Institute Co． ， Ltd． ， China Coal Technology ＆ Engineering Group Corp． ， Ltd． ， Xian710054， China Abstract The paper summarized the existing regional prediction s of coal and gas outburst in China coal mines， emphatically intro- duced the index ， geology ， geophysical prospecting and mathematical physics ， briefly analyzed the main ex- isting problems for all kinds of s， forecasted the development trend about regional prediction of outburst． The author pointed out that the progress trend of regional prediction about coal and gas outburst in our county were constantly improved the existing s of gas outburst regional prediction， improved the adaptability and effectiveness in different geological conditions; strengthened research on basic theory of gas outburst， made full use of various modern theory and technology， comprehensive consider the basic factors of ground stress， gas and coal properties that determined the danger of gas outburst， building － up comprehensive ology system of outburst based on multi- ple factor analysis; actively explored and researched on disaster uation and controlling factors of outburst in deep mines put forward the s of regional prediction for the outburst which applied to coal mining in deep mine． Key words coal and gas outburst; regional prediction; index prediction ; geological prediction ; deep mine 收稿日期 2014 －05 －01; 责任编辑 赵瑞DOI 10．13199/j． cnki． cst．2014．11．016 基金项目 国家科技重大专项资助项目 2011ZX05040 －003 ; 中国煤炭科工集团西安研究院有限公司科技创新基金资助项目 2014MS008 作者简介 牟全斌 1982 ， 男， 陕西汉中人， 助理研究员， 硕士。Tel 029 －87862508， E － mail muquanbin518126. com 引用格式 牟全斌． 我国煤与瓦斯突出区域预测方法研究现状及展望［J］． 煤炭科学技术， 2014， 42 11 59 －63． MOU Quan- bin． Study Status and Prospects for Ｒegional Prediction s of Coal and Gas Outburst in China［J］ ． Coal Science and Technology， 2014， 42 11 59 －63． 0引言 煤与瓦斯突出 简称“突出” 是一种极具破坏 效应的矿井瓦斯动力现象， 我国是世界上突出灾害 最严重的国家， 据统计， 我国国有重点煤矿中高瓦斯 和突出矿井占 49. 8， 累计发生突出 15 000 余起， 根据 2012 年矿井瓦斯等级鉴定结果， 全国共有突出 矿井 1 191 对。目前我国煤矿开采深度以平均 10 ～ 20 m/a 的速度增加 ［1 －2 ］， 矿井地质条件更加复杂， 特别是在深部高应力的作用下， 煤岩体内部集聚的 大量高能瓦斯气体受采掘扰动影响而急剧释放， 极 易引起煤岩瞬间破坏而发生突出， 导致很多原来浅 部的非突出矿井转化为突出矿井［3 ］， 突出发生的强 度、 规模和复杂程度进一步增强， 严重威胁着矿井的 95 2014 年第 11 期煤 炭 科 学 技 术 第 42 卷 安全高效生产。目前突出机理研究以瓦斯主导作用 假说、 地压主导作用假说、 化学本质假说、 综合假说 为代表， 总体而言尚停留在定性解释和近似定量计 算阶段。而研究和实践表明， 突出是可以预测的， 突 出危险区呈条带状分布， 突出矿井发生突出的区域 仅占全部采掘面积的 10 ～ 20。突出区域预测 的主要任务是确定井田、 煤层和煤层区域的突出危 险性， 其目的和意义在于准确划分出突出危险区和 无突出危险区， 变被动为主动， 提高突出灾害防治的 针对性和有效性， 为矿井瓦斯治理提供科学依据。 基于此， 笔者对我国突出区域预测方法的发展现状 进行归纳总结， 并分析了存在的问题和发展趋势。 1指标预测法 1. 1瓦斯参数指标 高能瓦斯是突出发生的能量来源和基础条件， 每个煤层都存在一个发生突出的最小瓦斯含量和瓦 斯压力。王佑安 ［4 ］通过统计分析认为突出危险煤 层瓦斯含量均大于 10 m3/t 可燃基 ， 俞启香［5 ］提 出了煤层发生突出的最小瓦斯压力估算公式， 胡千 庭等 ［6 ］认为瓦斯含量指标预测突出危险性具有良 好的敏感性， 用瓦斯含量指标预测突出在技术上是 可行的。 袁亮等 ［7 ］探讨了瓦斯含量法预测突出的机理， 研发了基于瓦斯含量预测突出的一整套技术与装 备， 提出了瓦斯含量指标临界值确定程序与方法。 刘明举等 ［8 ］用瓦斯含量指标来划分工作面突出危 险区域， 并利用实验室模拟结合现场分析的方法确 定指标临界值。齐黎明等 ［9 ］分析了瓦斯膨胀能与 瓦斯压力和含量的关系， 认为瓦斯含量对突出的影 响比压力更大， 采用瓦斯含量指标预测突出更加 可靠。 王刚等 ［10 ］研究了发生突出时的能量条件， 计算 出了不同煤体普氏系数 f 和地应力条件下突出时的 临界瓦斯含量。范喜生等 ［11 ］用可压缩流体力学的 观点分析了突出机理， 采用多相连续介质力学中的 应力分析法建立了瓦斯压力临界值的理论计算式。 文献［ 12］ 探索了不同煤体结构组合下突出发生的 临界瓦斯压力计算方法， 认为临界瓦斯压力与软煤 所占比例关系有较好的规律性。 防治煤与瓦斯突出规定 提出根据试验考察 确定瓦斯压力或瓦斯含量指标临界值， 在未确定前 暂将煤层瓦斯压力小于 0. 74 MPa 且瓦斯含量小于 8 m3/t 的区域划分为无突出危险区， 将其余区域划 分为突出危险区。 1. 2煤体性质指标 与突出相关的煤体性质指标主要有煤体破坏类 型、 普氏系数、 瓦斯放散初速度、 变质程度、 构造煤厚 度、 揉皱系数等， 重点集中在构造煤研究上， 普遍认 为构造煤参与了突出的整个过程， 一定厚度的构造 煤的存在是突出发生的必要条件， 因此， 对构造煤的 物性特征、 厚度及分布状况等方面的研究受到广泛 关注， 成为突出预测的重要指标。目前对煤体破坏 类型的划分方法主要以三类分法、 四类分法、 五类分 法和二类分法为代表 表 1 ， 其中四类分法和二类 分法由于能较好反映煤体突出危险性且简单易行而 被广泛应用， 同时文献［ 13 －14］ 提出了构造煤划分 新方案。 表 1具有代表性的煤体破坏类型分类方法 分类方法煤体破坏类型划分突出危险煤类别提出单位提出时间 三类分法甲、 乙、 丙三类丙类煤中国矿业学院1979 年 四类分法原生结构煤、 碎裂煤、 碎粒煤、 糜棱煤碎粒煤、 糜棱煤焦作矿业学院1990 年 五类分法Ⅰ 非破坏煤 、 Ⅱ 破坏煤 、 Ⅲ 强烈破坏煤 、 Ⅳ 粉碎煤 、 Ⅴ 全粉煤 五类Ⅲ、 Ⅳ、 Ⅴ类煤煤炭工业部1988 年 二类分法硬煤和构造软煤构造软煤河南理工大学2004 年 在构造煤的分布及对突出控制作用研究方面， 邵强等 ［15 ］认为构造煤的区域分布主要受构造控制， 挤压构造带是构造煤的主要分布区， 伸展构造带的 边缘是次要分布区， 构造煤主要发育在厚煤层中， 褶 皱翼部和断层上盘构造煤最为发育。刘咸卫等 ［16 ］ 根据断层、 构造煤与瓦斯突出的关系， 认为构造煤的 发育受断层控制， 而构造煤的发育程度和厚度又控 制了瓦斯突出的危险性。 张玉贵等 ［17 ］认为构造煤分子间的作用力大小 决定了构造煤强度小和吸附能高， 从而控制了突出 灾害的发生。胡广青等 ［18 ］研究了不同类型构造煤 特征及其对瓦斯突出的控制作用， 认为碎粉煤、 鳞片 06 牟全斌 我国煤与瓦斯突出区域预测方法研究现状及展望2014 年第 11 期 煤和糜棱煤发育部位是瓦斯突出的易发地带。赵文 峰等 ［19 ］认为构造煤在不同构造位置、 不同时代及不 同煤层中分布有很大差别， 构造煤分布总体表现出 分区性和选层发育的特点， 研究层滑构造发育规律 可以达到预测突出危险带的目的。屈争辉 ［20 ］认为 不同类型构造煤瓦斯赋存特征和突出危险性存在较 大差异， 并将构造煤划分为非突出构造煤、 突出构造 煤、 弱突出构造煤和强突出构造煤。刘明举等 ［21 ］研 究了突出区域预测的构造软煤厚度指标并探讨了临 界值确定方法。 此外， 于不凡 ［22 ］研究了突出危险性与煤变质程 度之间的关系， 认为突出密度及强度与挥发分 Vdaf 呈抛物线分布形式， 低变质程度的烟煤 Vdaf 36 ～40 和高变质程度的无烟煤 电阻率对数值为 3. 5 突出危险程度较小， 而中等变质程度的烟煤 Vdaf10 ～20 突出危险程度最高。 1. 3埋藏深度指标 突出发生的次数和强度随开采深度延伸而增 加， 但两者并不存在绝对的线性关系。突出矿井 煤层 均存在一个发生突出灾害的临界深度， 通常 采用始突深度作为矿井 煤层 突出深度临界值。 但不同地区矿井 煤层 具有不同的始突深度， 且变 化较大， 不存在一个普遍适用于煤与瓦斯突出区域 预测的深度指标。 1. 4其他指标 以煤体破坏类型、 普氏系数、 瓦斯放散初速度和 煤层瓦斯压力为代表的单项预测指标曾被列入原 防治煤与瓦斯突出细则 。此外， 王佑安 ［4 ］提出了 突出预测综合指标 D 和 K， 在全国得到了广泛应用。 湖南煤炭科学研究所曾提出用煤层围岩指标 Ｒ5 5 m含砂岩率 、 地质构造指标 K4、 煤质指标 Kd和 瓦斯压力 P 进行综合判断来进行煤层突出预测。 郭德勇等 ［23 ］依据构造物理学理论提出了以构造组 合特征、 构造应力场、 构造煤和煤层构造带瓦斯为主 的综合地质指标。 2地质预测方法 2. 1瓦斯地质方法 瓦斯地质是 20 世纪 70 年代兴起的一门边缘学 科， 认为煤层瓦斯和突出具有不均衡性分布和分区 分带的特点， 地质条件是影响瓦斯和突出分布的主 导因素， 其核心理论是瓦斯地质区划论［24 ］。杨陆武 等 ［25 ］以瓦斯地质区划论为基础提出了瓦斯地质单 元法， 该方法根据地质构造、 煤层厚度及其变化、 煤 体结构和煤层瓦斯等瓦斯地质参数， 将煤层按照突 出危险程度划分为不同的瓦斯地质单元， 从而实现 了突出的区域预测。曹运兴 ［26 ］认为瓦斯突出可通 过构造煤和瓦斯 2 个要素的预测来实现， 并提出了 瓦斯地质单元类型划分方法， 见表 2 根据文献 ［ 26］ ， 略有改动 。 表 2瓦斯地质单元类型 单元类型 单元内煤体结构 特征 四类分法 单元内 瓦斯特征 单元突出 危险性 突出单元突出煤体 Ⅲ、 Ⅳ类煤高瓦斯有突出危险性 非突出单元非突出煤体 Ⅰ、 Ⅱ类煤高瓦斯无突出危险性 非突出单元突出煤体 Ⅲ、 Ⅳ类煤低瓦斯无突出危险性 非突出单元非突出煤体 Ⅰ、 Ⅱ类煤低瓦斯无突出危险性 近年来河南理工大学建立了瓦斯地质理论与物 探相结合的多技术 数字地震勘探、 无线电波透视 和构造软煤测井曲线识别 集成的多尺度 矿井突 出区和工作面突出带 瓦斯突出区域预测瓦斯地质 新方法， 开发了突出区域预测 WebGIS 平台， 提出了 构造软煤厚度和瓦斯含量为主要指标的突出区域预 测方法 ［27 ］， 形成了突出危险区就是构造软煤发育区 和瓦斯富集区叠加区的新认识。张子敏等 ［28 ］将板 块构造、 区域地质演化理论引入瓦斯地质研究， 提出 瓦斯赋存地质构造逐级控制理论， 总结了中国煤矿 瓦斯赋存地质构造逐级控制规律的 10 种类型。通 过实施新一轮的全国煤矿瓦斯地质图编制工作， 揭 示了全国矿区、 矿井瓦斯地质特征， 推广了以瓦斯地 质编图为基础的煤矿瓦斯灾害预测技术， 深化了突 出区域预测的瓦斯地质理论。 2. 2地质动力区划方法 文献［ 29 － 30］将地质动力区划方法应用于岩 体应力状态研究与矿井动力现象区域预测， 地质动 力区划方法以板块构造学说为基础， 根据地形地貌 的基本形态和主要特征决定于地质构造形式这一原 理， 通过对地形地貌的分析， 查明区域断裂的形成与 发展， 综合应用地应力测量、 数值分析 、 “3S” GPS、 GIS、 ＲS 等技术手段， 确定区域地质构造形式、 构造 背景、 岩体应力状态等， 划分地质动力灾害危险 区域。 文献［ 31］在此基础上提出不同矿区、 不同矿 井、 不同煤层、 不同构造和应力条件下矿井动力现象 16 2014 年第 11 期煤 炭 科 学 技 术 第 42 卷 具有不同模式的观点， 建立了多因素模式识别概率 的突出区域预测方法， 这种方法已在淮南、 平顶山等 矿区得到了应用。 3物探法和数学物理预测方法 文光才 ［32 ］应用电磁波透视技术结合统计规律 进行了工作面突出区域预测， 张许良等 ［33 ］在三维地 震技术探测断层的基础上利用构造复杂程度的定量 评价来划分煤层突出危险带， 吕绍林等 ［34 ］研究了无 线电波透视法和槽波地震法为主的突出区域预测方 法， 汤友谊等 ［35 ］利用测井曲线进行计算机识别构造 软煤， 姚军朋等 ［36 ］提出了构造煤的地球物理测井定 量判识指标， 彭苏萍 ［37 ］开展了利用 AVO 技术探测 矿井瓦斯富集区和突出危险区的研究。另外， 模糊 数学、 灰色理论、 数量化理论、 分形几何、 专家系统、 地理信息系统等一些前沿的理论也应用到突出区域 预测中， 拓宽了突出区域预测的研究领域［38 ］。 4存在的主要问题 1 由于目前尚未阐明突出的复杂动力机制， 现 有的预测方法大多建立在数据测试、 资料统计分析 和现场经验的基础上。各种方法所偏重的突出影响 因素不同， 对不同地质条件下方法的适应性和有效 性考虑不足， 普遍存在预测的精度和准确率不高、 预 测周期较长、 获取预测信息途径单一、 时效性较差等 问题。 2 由于不同矿区 矿井 地质条件和开采工艺 的差异性， 加之煤体性质和瓦斯赋存的不均衡性， 使 用指标预测法时现场工程量较大、 成本较高， 预测的 准确程度容易受到数据的覆盖范围和可靠性的影 响， 且指标的临界值差异较大。瓦斯地质方法与突 出机理结合不够紧密。地质动力区划方法实质是基 于煤岩体应力分布的突出预测， 没有考虑瓦斯、 煤体 结构对突出的影响作用。用物探法预测突出尚处于 探索阶段， 应用的矿区还较少， 与地质综合分析结合 不够紧密， 同时存在结果的多解性等问题， 其技术的 普遍适应性尚待进一步研究， 而传统的数学物理方 法难以描述突出及其影响因素之间存在的复杂的非 线性关系。此外， 现行的 防治煤与瓦斯突出规定 对开拓前区域预测和开拓后区域预测 2 个阶段的界 定和预测方法的时效性缺乏详细的规定， 给现场技 术人员应用带来一定的困难。 3 深部煤炭开采是我国煤炭能源发展的大趋 势， 随着矿井开采深度和强度的不断增加， 其应力分 布及演化的力学环境日趋复杂， 瓦斯高度聚集， 影响 突出的主要因素 瓦斯、 煤体性质、 地应力等 都与 浅部发生明显变化。开采过程中突出灾害发生条件 和发生机理都发生本质改变， 一些深部矿井在突出 方面存在许多用现有理论无法解释的现象， 原有的 适用于浅部的突出预测方法已不能完全适应深部矿 井突出灾害预测。目前对开采扰动下的深部矿井突 出机理和导致突出灾害的多种因素耦合与互馈、 深 部瓦斯赋存状态、 深部瓦斯参数原位精确测定、 深部 地应力分布规律、 深部突出诱发条件及演化机理等 研究成果较少， 对深部矿井的瓦斯突出规律和控制 因素认识不足， 尤其缺乏对深部复杂地质条件下突 出预测指标及其临界值确定方法的研究。总体来 看， 现有突出区域预测理论与技术不能满足深部煤 炭开采地质安全保障的需要。 5结语与展望 我国煤矿煤与瓦斯突出灾害严重， 现有的各类 突出区域预测方法在矿井瓦斯突出灾害防治方面发 挥了积极作用， 但由于突出的发生是一个极其复杂 的动力灾害演化过程， 加之现有认识水平和技术的 局限性， 使得目前难以对各种突出现象做出全面、 科 学、 完整的解释， 总体来看单一预测指标所反映的突 出危险因素较为有限， 在实际应用过程中各种预测 方法针对不同煤田地质条件的差异性考虑不足， 存 在一些亟待改进的地方。同时， 近年来随着我国煤 炭开采逐步进入深部阶段， 对深部矿井特殊地质条 件下突出区域预测方法的需求极为迫切。 因此我国煤与瓦斯突出区域预测研究的发展趋 势集中体现在以下 3 个方面 ①不断完善现有突出 区域预测方法， 克服各类预测方法在实际应用中的 不足之处， 综合考虑不同矿井地质类型的差异性， 不 断提高各类方法在不同地质条件下的适应性和有效 性; ②进一步加强瓦斯突出灾害基础理论研究， 特别 是加强对瓦斯突出机理研究和多因素耦合条件下突 出灾害演化规律研究， 同时应充分利用各种现代理 论与探测技术手段， 在全面考虑地应力、 瓦斯和煤体 性质等多种有关决定突出危险性的基本因素的基础 上， 构建基于多因素分析的综合突出区域预测方法 体系; ③针对我国深部煤炭资源开发的特殊背景， 积 极探索和研究深部矿井突出灾害演化规律和控制因 素， 研究深部复杂地质条件下突出区域预测的基本 26 牟全斌 我国煤与瓦斯突出区域预测方法研究现状及展望2014 年第 11 期 原则、 操作步骤及指标体系， 最终提出适用于深部煤 炭开采的突出区域预测方法。 参考文献 ［ 1］卢鉴章， 刘见中． 煤矿灾害防治技术现状与发展［J］ ． 煤炭科学 技术， 2006， 34 5 1 －5． ［ 2］林柏泉， 高亚斌， 沈春明． 基于高压射流割缝技术的单一低透 煤层瓦斯治理［ J］． 煤炭科学技术， 2013， 41 9 53 －57． ［ 3］谢和平， 周宏伟， 薛东杰， 等． 煤炭深部开采与极限开采深度的 研究与思考［J］． 煤炭学报， 2012， 37 4 535 －542． ［ 4］王佑安． 煤与瓦斯突出危险性预测方法［J］． 煤矿安全， 1984， 15 4 1 －7． ［ 5］俞启香． 矿井瓦斯防治［M］． 徐州 中国矿业大学出版社， 1992． ［ 6］胡千庭， 邹银辉， 文光才， 等． 瓦斯含量法预测突出危险新技术 ［J］ ． 煤炭学报， 2007， 32 3 276 －280． ［ 7］袁亮， 薛生， 谢军． 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