CN101858228B - 掘进面瓦斯涌出动态特征突出连续预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿安全技术领域，具体涉及一种掘进面瓦斯涌出动态特征突出连续预测方法，并利用掘进面瓦斯涌出动态特征反应掘进面突出综合假说三因素的发展状态与发展趋势，实现了掘进面煤与瓦斯突出的非接触式、连续预测技术；包括如下步骤：从煤矿瓦斯监控系统获取井下瓦斯传感器的实时瓦斯涌出监控数据，从中提取掘进面瓦斯涌出的动态特征，包括瓦斯涌出监控数据班次均值、瓦斯涌出监控数据班次分钟最大值和瓦斯涌出班次t分钟移动最小值；获取巷道形状设计特征参数、煤层原始可解吸瓦斯含量、风量以及班次时间，由以上数据先后获取掘进面瓦斯涌出量特征指标、瓦斯解吸指标以及瓦斯分源特征指标，并根据三种特征指标的状态以及趋势对工作面突出危险性进行实时预测预报。

Description

掘进面瓦斯涌出动态特征突出连续预测方法

技术领域

本发明涉及煤矿安全技术领域，具体设计一种掘进面瓦斯涌出动态特征突出连续预测方法。

背景技术

突出前瓦斯涌出增大或瓦斯忽大忽小等异常现象一直为煤与瓦斯突出前的主要预兆之一，准确掌握掘进面瓦斯涌出异常信息是预测预报掘进面突出危险性的核心问题之一。

在局部防突措施中，我国防突技术已经建立起了以突出危险性预测、防治突出措施、防突措施的效果检验和安全防护措施为一体的“四位一体”的局部综合防突措施。这在一定程度上减少了突出事故的发生。然而，“四位一体”中的突出预测方法是一种接触式的点预测方法，它主要是通过在煤壁上打钻，测试钻孔或钻屑等瓦斯指标来进行预测。这种方法施工工艺比较简单，在防治突出初期工作中起到了巨大的作用。但是，随着矿井生产工艺的不断进步，传统的预测方法需要较多的预测时间，一般预测一个掘进工作面需要约3个小时左右。较长的作业时间延缓了工作面掘进速度，束缚了矿井生产力的发展。另外，由于它是间断性的点对点预测，不能及时有效的连续预测预报突出危险性，面对延期突出显得无能为力。因此，在掘进工作面中研究一种非接触式、连续预测突出的方法，实时的、不间断的预测预报突出危险性是十分必要的。

在非接触式连续预测突出技术的研究过程中，国内外研究方向主要集中在三个方面：①声发射突出预测技术。②电磁辐射突出预测技术。③瓦斯涌出动态特征突出预测技术。三种非接触式连续突出预测方法中，随着矿井瓦斯监控系统的不断完善以及大面积推广，瓦斯涌出动态特征预测突出方法在硬件准备上是极为充分的，使得我们已经拥有了利用瓦斯涌出动态特征预测突出危险性的软、硬件设施。也为我们快速深入研究利用瓦斯涌出动态特征突出预测技术提供了强有力的支持。另外，前人在瓦斯涌出动态特征预测煤与瓦斯突出领域中的研究所建立的瓦斯涌出指标(包括V₃₀，B以及K_v等)都只是从部分突出前瓦斯涌出外在表现入手，分析建立瓦斯涌出动态特征指标，并没有从突出综合假说三因素与瓦斯涌出主控因素之间的耦合关系出发，从根源上分析瓦斯涌出动态特征预测煤与瓦斯突出技术的可靠性，还无法达到准确预测煤与瓦斯突出的目的。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种掘进面瓦斯涌出动态特征突出连续预测方法，可实现较为准确的掘进面煤与瓦斯突出非接触式、连续预测。

本发明的目的是这样实现的：掘进面瓦斯涌出动态特征突出连续预测方法，包括如下步骤：

1)从煤矿瓦斯监控系统获取井下瓦斯传感器的实时瓦斯涌出监控数据，从中提取掘进面瓦斯涌出的动态特征，包括：

第i班次的瓦斯涌出监控数据班次均值 $\stackrel{\‾}{X_i}=\frac{1}{T}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^T{x}_i;$

式中T——一个班次作业时间长度，min(以下相同)；

x_i——第i分钟内瓦斯涌出监控均值，％(以下相同)。

第i班次的瓦斯涌出监控数据班次分钟最大值X_i，max＝max[x₁，x₂，…，x_i，…，x_T]；

第i班次的瓦斯涌出班次t分钟移动最小值

$X_{i,t,\min }=\min [\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^t{x}_i}{t},\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=2}^{t+1}{x}_i}{t},\·\·\·,\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=j}^{t+j-1}{x}_i}{t},\·\·\·,\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=T-t+1}^T{x}_i}{t}];$

2)获取巷道形状设计特征参数β、煤层原始可解吸瓦斯含量Q_m，工作面风量Q_f以及班次时间T，其中β＝工作面迎头面积/(新鲜巷道壁面积+工作面迎头面积)；

3)获取瓦斯涌出动态特征值a、b、c，其中：

第i班次瓦斯涌出量特征值 $a_i=\stackrel{\‾}{X_i}-(1-\mathrm{\β})\×X_{i,t,\min };$

第i班次瓦斯涌出解吸特征值b_i＝X_i，max-X_i，t，min；

第i班次瓦斯涌出分源特征值 $c_i=X_{i,t,\min }/\stackrel{\‾}{X_i};$

4)通过瓦斯涌出动态特征值a、b、c获取掘进面瓦斯涌出特征状态指标A₁、B₁、C₁，其中

第i班次瓦斯涌出量特征状态指标 $A_{i,1}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j=i-n}^i(a_j\×T_j)\×Q_f}{M_n\×Q_m};$

式中M_n——掘进面第i-n到第i班次的落煤量，单位为吨；

第i班次瓦斯涌出解吸特征状态指标B_i，1＝b_i；

第i班次瓦斯涌出分源特征状态指标 $C_{i,1}=\frac{X_{i,t,\min }}{\stackrel{\‾}{X_i}}-\frac{1}{t}{\mathrm{\Σ}}_{j=i-t+1}^{j=i}\frac{X_{j,t,\min }}{\stackrel{\‾}{X_j}};$

5)通过分析掘进面瓦斯涌出特征状态指标A₁、B₁、C₁预测掘进面状态突出危险。

进一步，步骤5)中：

当A₁＜0.8时，判定掘进面瓦斯含量发展状态为正常；

当0.8≤A₁＜1时，判定掘进面瓦斯含量发展状态为威胁；

当A₁≥1时，判定掘进面瓦斯含量发展状态为危险；

当炮掘面B₁＜0.6或机掘面B₁＜0.4时，判定掘进面煤体物理力学性质发展状态为正常；

当炮掘面0.6≤B₁＜0.9或机掘面0.4≤B₁＜0.6时，判定掘进面煤体物理力学性质发展状态为威胁；

当炮掘面B₁≥0.9或机掘面B₁≥0.6时，判定掘进面煤体物理力学性质发展状态为危险；

当炮掘面C₁＜-0.03或机掘面C₁＜-0.10时，判定掘进面地应力发展状态为正常；

当炮掘面-0.03≤C₁＜-0.05或机掘面-0.10≤C₁＜-0.15时，判定掘进面地应力发展状态为威胁；

当炮掘面C₁≤-0.05或机掘面C₁≤-0.15时，判定掘进面地应力发展状态为危险；

进一步，步骤4)和步骤5)之间还包括如下步骤：

通过掘进面瓦斯涌出特征状态指标A₁、B₁、C₁获得掘进面瓦斯涌出特征趋势指标A₂、B₂、C₂，其中：

第i班次瓦斯涌出量特征趋势指标 $A_{i,2}=A_{i,1}-\frac{1}{3}{\mathrm{\Σ}}_{j=i-2}^{j=i}{A}_{j,1};$

第i班次瓦斯涌出解吸特趋势态指标 $B_{i,2}=B_{i,1}-\frac{1}{3}{\mathrm{\Σ}}_{j=i-2}^{j=i}{B}_{j,1};$

第i班次瓦斯涌出分源特趋势态指标C_i，2＝n(C_i-n，1…C_i，1≤0)；

进一步，步骤5)中还包括通过分析掘进面瓦斯涌出特征趋势指标A₂、B₂、C₂预测掘进面趋势突出危险的步骤；

进一步，步骤5)中：

当A₂＜0.2时，判定掘进面瓦斯含量发展趋势为正常；

当0.2≤A₂＜0.4时，判定掘进面瓦斯含量发展趋势为威胁；

当A₂≥0.4时，判定掘进面瓦斯含量发展趋势为危险；

当B₂＜0.2时，判定掘进面煤体物理力学性质发展趋势为正常；

当炮掘面0.2≤B₂＜0.4或机掘面0.2≤B₂＜0.3时，判定掘进面煤体物理力学性质发展趋势为威胁；

当炮掘面B₂≥0.4或机掘面B₂≥0.3时，判定掘进面煤体物理力学性质发展趋势为危险；

当C₂＜3时，判定掘进面地应力发展趋势为正常；

当炮掘面3≤C₂＜5时，判定掘进面地应力发展趋势为威胁；

当炮掘面C₂≥5时，判定掘进面地应力发展趋势为危险；

进一步，步骤5)之后还包括如下步骤：

6)根据步骤5)的分析结果，发出相应警示信号。

本发明针对煤矿软、硬件设施的发展现状以及前人在该领域研究的根本性不足，从根源上思考掘进面瓦斯涌出的主控因素，确立了突出综合假说三因素与瓦斯涌出主控因素之间的耦合关系，并利用掘进面瓦斯涌出动态特征反应掘进面突出综合假说三因素的发展状态与发展趋势，实现了掘进面煤与瓦斯突出的非接触式、连续预测技术；其中，掘进面瓦斯涌出量特征反应掘进面煤体瓦斯含量；掘进面瓦斯解吸特征反应掘进面煤体物理力学性质；掘进面瓦斯涌出分源特征反应掘进面前方地应力。本发明还利用瓦斯涌出特征状态及趋势指标A₁、A₂、B₁、B₂、C₁、C₂分别描述掘进面前方煤体瓦斯含量、煤体物理力学性质以及地应力三大突出主控因素的发展状态及发展趋势：掘进面瓦斯涌出量特征状态及趋势指标A₁、A₂分别反应掘进面煤体瓦斯含量的发展状态及发展趋势；掘进面瓦斯解吸特征状态及趋势指标B₁、B₂分别反应掘进面煤体物理力学性质的发展状态及发展趋势；掘进面瓦斯涌出分源特征状态及趋势指标C₁、C₂分别反应掘进面地应力的发展状态及发展趋势。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：

图1掘进面瓦斯涌出动态特征突出连续预测方法原理框架图；

图2掘进面瓦斯涌出量特征指标A试验验证图；

图3瓦斯解吸初速度与瓦斯压力的关系图；

图4解吸初速度与瓦斯含量的关系图；

图5松藻某煤矿掘进进尺统计；

图6掘进面瓦斯涌出解吸特征指标B试验验证图；

图7掘进面瓦斯涌出负分源特征指标C试验验证图。

具体实施方式

以下将对本发明的优选实施例进行详细的描述。

参见图1，本实施例的掘进面瓦斯涌出动态特征突出连续预测方法，包括如下步骤：

1)从现有的煤矿瓦斯监控系统中获取井下瓦斯传感器的实时瓦斯涌出监控数据，从中提取掘进面瓦斯涌出的动态特征，包括：

第i班次的瓦斯涌出监控数据班次均值 $\stackrel{\‾}{X_i}=\frac{1}{T}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^T{x}_i;$

式中T——一个班次作业时间长度，min(以下相同)；

x_i——第i分钟内瓦斯涌出监控均值，％(以下相同)。

第i班次的瓦斯涌出监控数据班次分钟最大值X_i，max＝max[x₁，x₂，…，x_i，…，x_T]；

第i班次的瓦斯涌出班次t分钟移动最小值：

$X_{i,t,\min }=\min [\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^t{x}_i}{t},\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=2}^{t+1}{x}_i}{t},\·\·\·,\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=j}^{t+j-1}{x}_i}{t},\·\·\·,\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=T-t+1}^T{x}_i}{t}];$

所述t优选的取值范围为15-60，最佳为30。

2)获取巷道形状设计特征参数β、煤层原始可解吸瓦斯含量Q_m，工作面风量Q_f以及班次时间T，其中β＝工作面迎头面积/(新鲜巷道壁面积+工作面迎头面积)；

3)获取瓦斯涌出动态特征值a、b、c，其中：

第i班次瓦斯涌出量特征值 $a_i=\stackrel{\‾}{X_i}-(1-\mathrm{\β})\×X_{i,t,\min };$

第i班次瓦斯涌出解吸特征值b_i＝X_i，max-X_i，t，min；

第i班次瓦斯涌出分源特征值 $c_i=X_{i,t,\min }/\stackrel{\‾}{X_i};$

4)通过瓦斯涌出动态特征值a、b、c获取掘进面瓦斯涌出特征状态指标A₁、B₁、C₁，其中

第i班次瓦斯涌出量特征状态指标 $A_{i,1}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j=i-n}^i(a_j\×T_j)\×Q_f}{M_n\×Q_m};$

式中M_n——掘进面第i-n到第i班次的落煤量，单位为吨；

第i班次瓦斯涌出解吸特征状态指标B_1，1＝b_i；

第i班次瓦斯涌出分源特征状态指标 $C_{i,1}=\frac{X_{i,t,\min }}{\stackrel{\‾}{X_i}}-\frac{1}{t}{\mathrm{\Σ}}_{j=i-t+1}^{j=i}\frac{X_{j,t,\min }}{\stackrel{\‾}{X_j}};$

5)通过掘进面瓦斯涌出特征状态指标A₁、B₁、C₁获得掘进面瓦斯涌出特征趋势指标A₂、B₂、C₂，其中：

第i班次瓦斯涌出量特征趋势指标 $A_{i,2}=A_{i,1}-\frac{1}{3}{\mathrm{\Σ}}_{j=i-2}^{j=i}{A}_{j,1};$

第i班次瓦斯涌出解吸特征趋势态指标 $B_{i,2}=B_{i,1}-\frac{1}{3}{\mathrm{\Σ}}_{j=i-2}^{j=i}{B}_{j,1};$

第i班次瓦斯涌出分源特征趋势态指标C_i，2＝n(C_i-n，1…C_i，1≤0)；

6)通过分析掘进面瓦斯涌出特征状态指标A₁、B₁、C₁预测掘进面突出危险状态；通过分析掘进面瓦斯涌出特征趋势指标A₂、B₂、C₂预测掘进面突出危险趋势的步骤；具体如下：

当A₁＜0.8时，判定掘进面瓦斯含量发展状态为正常；

当0.8≤A₁＜1时，判定掘进面瓦斯含量发展状态为威胁；

当A₁≥1时，判定掘进面瓦斯含量发展状态为危险；

当A₂＜0.2时，判定掘进面瓦斯含量发展趋势为正常；

当0.2≤A₂＜0.4时，判定掘进面瓦斯含量发展趋势为威胁；

当A₂≥0.4时，判定掘进面瓦斯含量发展趋势为危险；

当炮掘面B₁＜0.6或机掘面B₁＜0.4时，判定掘进面煤体物理力学性质发展状态为正常；

当炮掘面0.6≤B₁＜0.9或机掘面0.4≤B₁＜0.6时，判定掘进面煤体物理力学性质发展状态为威胁；

当炮掘面B₁≥0.9或机掘面B₁≥0.6时，判定掘进面煤体物理力学性质发展状态为危险；

当B₂＜0.2时，判定掘进面煤体物理力学性质发展趋势为正常；

当炮掘面0.2≤B₂＜0.4或机掘面0.2≤B₂＜0.3时，判定掘进面煤体物理力学性质发展趋势为威胁；

当炮掘面B₂≥0.4或机掘面B₂≥0.3时，判定掘进面煤体物理力学性质发展趋势为危险；

当炮掘面C₁＜-0.03或机掘面C₁＜-0.10时，判定掘进面地应力发展状态为正常；

当炮掘面-0.03≤C₁＜-0.05或机掘面-0.10≤C₁＜-0.15时，判定掘进面地应力发展状态为威胁；

当炮掘面C₁≤-0.05或机掘面C₁≤-0.15时，判定掘进面地应力发展状态为危险；

当C₂＜3时，判定掘进面地应力发展趋势为正常；

当炮掘面3≤C₂＜5时，判定掘进面地应力发展趋势为威胁；

当炮掘面C₂≥5时，判定掘进面地应力发展趋势为危险；

总结各预测指标如以下两表所示：

表1

表2

7)根据步骤6)的分析结果，发出相应警示信号。

重复以上步骤，即可实现掘进面瓦斯涌出动态特征突出的非接触式、连续预测。

以下对本发明的理论原理及验证及说明：

1、瓦斯涌出量特征指标A的计算

这里研究的瓦斯涌出量不是整个工作面的瓦斯涌出量，而是针对工作面煤体(以及落下或即将落下的煤体)的瓦斯涌出量。瓦斯涌出量特征直接反应煤体瓦斯涌出潜能的大小，即突出综合假说的瓦斯因素。

(1)掘进面瓦斯涌出量特征影响因素如下：

①煤体可解吸瓦斯含量

煤体可解吸瓦斯含量是掘进面瓦斯涌出的主要来源，煤体的可解吸瓦斯越多，其在巷道空间内的解吸量可能越大。而正好相反，如果煤体没有可解吸瓦斯，掘进面就不会有瓦斯涌出。这就意味着，煤体可解吸瓦斯含量的多少从根源上控制着掘进面的瓦斯涌出量。因此，煤体的可解吸瓦斯含量实际上就是瓦斯涌出主控因素——煤体瓦斯涌出潜能的直接反应。

②煤体渗透性

煤体渗透性的主控因素是煤体瓦斯涌出的主要流通通道，没有流通通道的煤体，其内部瓦斯是不会被排放的。煤体渗透性越好，煤体内部的瓦斯渗透量也就越大。煤体渗透性对掘进面瓦斯涌出的控制作用主要体现在其对瓦斯涌出时间上或分源上的控制，即延迟瓦斯涌出或将煤壁瓦斯涌出转化为落煤瓦斯涌出等。对瓦斯涌出总量上的控制作用是微乎其微的。这是因为，在掘进速度大致不变的情况下，煤体渗透性好，工作面煤体瓦斯涌出量大，而落煤的瓦斯涌出就自然较小。反之，煤体渗透性差，工作面煤体瓦斯涌出量小，但落煤的瓦斯涌出会变大。这种一正一负的影响有彼此相互抵消作用。即在掘进速度不变的情况下，煤体渗透性对工作面煤体瓦斯涌出总量的影响是较小的。

③落煤的残存瓦斯含量

倘若落煤在掘进空间内停留足够长的时间，落煤的可解吸瓦斯基本上会得到完全的解吸，而不可解吸瓦斯(煤体在0.1Mpa的大气压下，对瓦斯的吸附量)只与煤体的吸附特性有关。倘若停留时间太短，落煤瓦斯还未来得及解吸就已被运出工作面，其运出工作面瞬间的残存瓦斯含量肯定也越多。在井下生产现场，落煤在井下的停留时间差异较大，炮掘工作面一般都在1个小时左右，而机掘工作则较短，一般不超过10分钟。这就使得落煤残存瓦斯含量与落煤的吸附特性、解吸时间以及落煤粒径等相关联。

(2)试验验证

通过对上述三种影响因素对瓦斯涌出量特征影响分析可以发现，在同一条巷道由于其采掘工艺、运煤方式等变化不大，因此瓦斯涌出量特征可以比较有效的单独反应掘进面前方煤体的可解吸瓦斯含量。该发明通过利用瓦斯含量快速测定装置DGC对煤体可解吸瓦斯含量的测试结果对比瓦斯涌出量特征指标A，两者极好的相关性验证了瓦斯涌出量特征反应煤体可解吸瓦斯含量的可靠性。以晋城某矿掘进巷道为例，巷道形状设计特征参数β＝0.94，煤层原始可解吸瓦斯含量Q_m＝9.08m³/t，风量Q_f＝800m³/min以及班次时间T＝480min。工作面前方煤体可解吸瓦斯含量的测试结果对比瓦斯涌出量特征指标A对比结果见附图2。

2、瓦斯涌出解吸特征指标B的计算

(1)掘进面瓦斯涌出解吸特征影响因素如下：

①煤体的吸附特性

吸附理论认为单位暴露面积的煤体解吸速度与煤体的吸附特性以及瓦斯压力有密切的关系。煤体对瓦斯气体的吸附特性主要是指煤体对瓦斯气体的极限吸附量以及煤体对瓦斯气体的脱附活化能。煤体的这些特性都与煤体的变质程度密切相关。但是在井下生产现场，同一工作面，同一区域甚至是同一煤层，煤体整体的变质程度相差不大，因此可以认为在井下生产现场煤体的吸附特性对煤体瓦斯解吸速度的影响十分微小。

②煤体表面的瓦斯压力或瓦斯含量

根据Langmuir理论我们以松藻某矿煤样数据为例，见表3。该煤层极限吸附量a为31.82m³/t、b为1.46Mpa^-1、A_ad为18.9％、M_ad为0.5％煤体的瓦斯含量从8.17m³/t增加到原始煤层瓦斯含量16.07m³/t，其瓦斯压力从0.4Mpa增加到1.8Mpa，增加约4.5倍；而解吸初速度从1.34m³/t·s增加到3.31m³/t·s，增加仅约2.48倍。如附图3与附图4。

表3

③煤体的暴露面积对解吸速度的影响

Langmuir理论是最理想的固体表面吸附理论，其要求固体表面完全暴露，但是无论是在掘进还是实验室试验过程中，煤体暴露都是相对的，不完全的。同一煤样，当煤体暴露面积增加时(粒径减小)，煤体表面的瓦斯初始解吸总量就会相应的增加。即

Q₀＝N·q₀·t

式中Q₀——暴露煤体初始解吸总量，mol；

N——暴露煤体表面积增加的倍率；

t——时间，s；

q₀——单位面积煤体的解吸初始量，mol/s。

煤体落煤量越多，采掘空间内煤体暴露面积也就越大，只是由于井下作业的相对规范化，使得掘进落煤量越来越受到控制或者均衡，以松藻某煤矿为例，矿井一班次放炮落煤一般都在1.2～1.5m左右，如图5。因此我们近似的认为井下掘进落煤量基本保持稳定，其对煤体的暴露面积的影响较小。

而当煤体受到的机械作功一定时，煤体的坚固性系数将是影响煤体表面积增加的主要原因。我们假设在同一条巷道掘进面放炮药量或机械功量基本不变，即炸药或机械对煤体的做功量W恒定。三级煤矿许用乳化炸药冲击波能量约为0.734MJ/kg，气泡能约为2.031MJ/kg。假设冲击波能量损失系数为1.343，每掘进1吨煤体用药约为0.465kg。(潞安某矿炮掘工作面每掘进1m³煤岩体用药0.65kg；松藻某矿煤矿炮掘工作面半煤岩巷每掘进1m³煤岩体用药1.42kg，全煤巷道每掘进1m³煤体用药2.4kg)。按照三级煤矿许用乳化炸药冲击波能量计算，掘进面每千克落煤接受的冲击波能量也高达42.35焦耳。

$W=E_s^{\′}=(\frac{E_s\·G}{1.343}\·\frac{1}{6})/M=\left(\frac{7.34\×{10}^5\×0.465}{1.343\×6}\right)/1000\≈42.35J/\mathrm{kg}$

则煤体落下后，表面积增加倍率可由下式计算得出：

$N=\frac{\mathrm{\ΔA}}{A_0}=\frac{\sqrt[1.22]{W/(84.57\·f^{0.86})}}{A_0}=23.665f^{-0.7049}$

煤体落下后，表面积增加倍率与煤体的坚固性系数关系见附图5。即使坚固性系数为1的煤体，放炮后煤体表面积增加的倍率也超过了20倍。煤体越软，增加的倍率成指数增加的趋势。因此我们认为，影响掘进面落煤瓦斯涌出初速度的主要因素是煤体的瓦斯含量以及煤体的坚固性系数。而煤体坚固性系数对瓦斯解吸初速度影响远远超过瓦斯含量对瓦斯解吸初速度的影响。这就有力的证明了井下落煤瓦斯涌出峰值的主控因素不是前方煤体瓦斯含量增加的结果，而是煤体受功破碎，表面积显著增加的结果。

(2)试验验证

通过对解吸特征的描述发现解吸特征就是反应煤体物理力学性质的一个特征指标。而在生产现场，井下落煤整体的坚固性特点是对解吸特征B最好的验证方法。而落煤整体的坚固性系数显然受到软煤厚度或者所占比重的控制，当煤体软分层较厚或软煤所占比重较大时，落煤整体的坚固性系数显然较低。我们在松藻某矿巷道的试验结果也证明了这种的观点。见附图6。

3、瓦斯涌出分源特征指标C的计算

造成掘进面瓦斯涌出存在分源特征改变的根本原因在于煤体瓦斯流通通道的动态改变。当煤壁瓦斯流通通道不畅时，瓦斯倾向于在落煤期间将瓦斯涌出。因此瓦斯涌出这种分源特征就可以比较有效的反应煤体的瓦斯流通通道顺畅情况。为了计算掘进工作面瓦斯涌出分源特征，我们将掘进面瓦斯涌出来源分为工作面煤岩体瓦斯涌出(掘进面已经落下或即将落下的煤岩体)、巷道煤壁瓦斯涌出(掘进面煤壁受采掘影响，但是最终不会落下的煤岩体)、工作面临近煤层或岩体的瓦斯涌出。

Q＝Q_面+Q_壁+Q_临

式中Q——t时间内工作面瓦斯涌出量，m³；

Q_面——t时间内工作面迎头煤壁的瓦斯涌出量，m³；

Q_壁——t时间内瓦斯探头距离工作面煤体间巷道煤壁瓦斯涌出量，m³；

Q_临——t时间内工作面临近煤层或岩层的瓦斯涌出量，m³(一般忽略不计)。

(1)分源特征的影响因素

当煤体的透气性较小，在开采初期，煤体未产生破裂时，工作面前方未形成瓦斯压力梯度，瓦斯并未形成流动。根据以往的研究表明，当渗透性小到一定程度时，存在着启动压力梯度，而且渗透性越小，启动压力梯度越大，突出危险性也就越大。随着透气性的增大，工作面前方的瓦斯压力及瓦斯压力梯度变小，瓦斯扩散速度变快。在瓦斯突出发生的初期直至后期，透气性较小的煤体工作面前方，一直保持着较高的瓦斯压力，由于瓦斯压力较高，煤体中的瓦斯还未来得及扩散，煤体就被破碎抛出。掘进面煤体的渗透性影响因素主要是煤体本身的渗透性和煤体受到的外界压力等。

①煤体本身的渗透性

煤体本身的渗透性是指煤体在成煤、煤体变质或者地层变化后形成了自己特有的渗透性。通常我们依靠煤体钻孔排放半径来确定煤体本身渗透特性。但是煤体本身的渗透影响因素较为复杂，且测定工作较为复杂，这里就不做具体的解释了。

②外界压力

外界压力是指煤体在采掘工程中受到地应力、自重力以及采掘应力等对煤体围压或者轴压产生影响的力。学者在实验室试验证明了当围岩或者轴压增大时，型煤的渗透性会显著降低。

③其他因素

实际上，煤体的渗透性影响因素较多，煤体的温度、瓦斯压力、吸附作用等都会对煤体的渗透性产生一定的影响，只是其影响较小或者井下温度、压力等变化不大，一般可以忽略不计。

(2)试验验证

分源特征的验证工作本身应该是测定工作面煤体的透气性或者地应力等，但是煤体渗透性以及地应力的测定比较复杂，在井下现场的测试更是异常的困难。因此我们利用声发射数据间接验证分源特征反映煤体渗透性或地应力的大小的能力。我们在平煤集团某矿利用声发射试验数据(可反映工作面前方地应力演化规律)验证了煤体渗透性指标C反应前方地应力的可行性。见附图7。

以上所述仅为本发明的优选并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.掘进面瓦斯涌出动态特征突出连续预测方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)从煤矿瓦斯监控系统获取井下瓦斯传感器的实时瓦斯涌出监控数据，从中提取掘进面瓦斯涌出的动态特征，包括：

第i班次的瓦斯涌出监控数据班次均值

式中T--一个班次作业时间长度，min；

x_i--第i分钟内瓦斯涌出监控均值，％；

第i班次的瓦斯涌出监控数据班次分钟最大值X_i，max＝max[x₁，x₂，…，x_i，…，x_T]；

第i班次的瓦斯涌出班次t分钟移动最小值

$X_{i,t,\min }=\min [\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^i{x}_i}{t},\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=2}^{t+1}{x}_i}{t},\·\·\·,\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=j}^{t+j-1}{x}_i}{t},\·\·\·,\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=T-t+1}^T{x}_i}{t}];$

2)获取巷道形状设计特征参数β、煤层原始可解吸瓦斯含量Q_m，工作面风量Q_f以及班次时间T，其中β＝工作面迎头面积/(新鲜巷道壁面积+工作面迎头面积)；

3)获取瓦斯涌出动态特征值a、b、c，其中：

第i班次瓦斯涌出量特征值

第i班次瓦斯涌出解吸特征值

第i班次瓦斯涌出分源特征值

4)通过瓦斯涌出动态特征值a、b、c获取掘进面瓦斯涌出特征状态指标A₁、B₁、C₁，其中

第i班次瓦斯涌出量特征状态指标

式中M_n——掘进面第i-n到第i班次的落煤量，单位为吨；

第i班次瓦斯涌出解吸特征状态指标B_i，1＝b_i；

第i班次瓦斯涌出分源特征状态指标

5)通过分析掘进面瓦斯涌出特征状态指标A₁、B₁、C₁预测掘进面突出危险状态；

步骤5)中：

当A₁＜0.8时，判定掘进面瓦斯含量发展状态为正常；

当0.8≤A₁＜1时，判定掘进面瓦斯含量发展状态为威胁；

当A₁≥1时，判定掘进面瓦斯含量发展状态为危险；

当炮掘面B₁＜0.6或机掘面B₁＜0.4时，判定掘进面煤体物理力学性质发展状态为正常；

当炮掘面0.6≤B₁＜0.9或机掘面0.4≤B₁＜0.6时，判定掘进面煤体物理力学性质发展状态为威胁；

当炮掘面B₁≥0.9或机掘面B₁≥0.6时，判定掘进面煤体物理力学性质发展状态为危险；

当炮掘面C₁＜-0.03或机掘面C₁＜-0.10时，判定掘进面地应力发展状态为正常；

当炮掘面-0.03≤C₁＜-0.05或机掘面-0.10≤C₁＜-0.15时，判定掘进面地应力发展状态为威胁；

当炮掘面C₁≤-0.05或机掘面C₁≤-0.15时，判定掘进面地应力发展状态为危险；

步骤4)和步骤5)之间还包括如下步骤：

通过掘进面瓦斯涌出特征状态指标A₁、B₁、C₁获得掘进面瓦斯涌出特征趋势指标A₂、B₂、C₂，其中：

第i班次瓦斯涌出量特征趋势指标

第i班次瓦斯涌出解吸特征趋势指标

第i班次瓦斯涌出分源特征趋势指标C_i，2＝n(C_i-n，1…C_i，1≤0)；

步骤5)中还包括通过分析掘进面瓦斯涌出特征趋势指标A₂、B₂、C₂预测掘进面突出危险趋势的步骤；

步骤5)中：

当A₂＜0.2时，判定掘进面瓦斯含量发展趋势为正常；

当0.2≤A₂＜0.4时，判定掘进面瓦斯含量发展趋势为威胁；

当A₂≥0.4时，判定掘进面瓦斯含量发展趋势为危险；

当B₂＜0.2时，判定掘进面煤体物理力学性质发展趋势为正常；

当炮掘面0.2≤B₂＜0.4或机掘面0.2≤B₂＜0.3时，判定掘进面煤体物理力学性质发展趋势为威胁；

当炮掘面B₂≥0.4或机掘面B₂≥0.3时，判定掘进面煤体物理力学性质发展趋势为危险；

当C₂＜3时，判定掘进面地应力发展趋势为正常；

当炮掘面3≤C₂＜5时，判定掘进面地应力发展趋势为威胁；

当炮掘面C₂≥5时，判定掘进面地应力发展趋势为危险。

2.如权利要求1所述的掘进面瓦斯涌出动态特征突出连续预测方法，其特征在于：步骤5)之后还包括如下步骤：

6)根据步骤5)的分析结果，发出相应警示信号。

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