我国煤与瓦斯突出防治理论技术研究进展与展望
2022-02-25王恩元张国锐张超林李忠辉
王恩元，张国锐，张超林，李忠辉
(1.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116；2.煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏 徐州 221116)
煤炭在较长期内仍将是我国的主体能源和基础能源。近年来，虽然煤炭消费量占一次能源消费量的比例逐年降低，2020年为56.8%，但在较长时间内，煤炭产量和消费量依然处于高位，2016年以来我国煤炭产量和消费量仍呈增长态势。随着我国浅部煤炭资源逐渐枯竭，向深部要资源成为必然趋势，煤炭开采深度正以10～25 m/a的速度延伸，现有千米以深矿井47座，最大采深达到1 500 m，未来5～10 a还将新建30余座千米矿井。与此同时，随着开采深度和开采强度的增大，地应力、地温和瓦斯压力不断增加，采场结构越来越复杂，采动影响也越来越大，深部煤炭采掘过程将伴随着更加复杂的煤与瓦斯突出灾害(简称突出)，极易引发重特大事故，严重威胁煤矿安全生产，影响煤炭产能。
为了规范煤与瓦斯突出防治工作，原国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局先后颁布实施了《防治煤与瓦斯突出规定》(2009年)以及现行的《防治煤与瓦斯突出细则》(2019年)，随着我国防突技术的迅猛发展，煤与瓦斯突出事故得到了有效控制，但是至今仍然难以彻底遏制。统计显示，我国近20年(2001—2020年)的突出事故起数、死亡人数均表现为下降趋势，但突出死亡人数占煤矿事故总死亡人数的比例却呈现波动式增长趋势，表明突出事故在煤矿事故中仍处于相对较高水平。仅在2021年上半年，就发生了5起煤与瓦斯突出事故，事故的频发体现了深部开采煤与瓦斯突出的复杂性和现行防突理论与技术的局限性，兼具技术性与难度性的防突工作在今后的煤炭开采中依然任重而道远。如何在落实2个“四位一体”综合防突措施的同时，进一步完善防突理论及技术以及发展新兴技术，将直接关系到我国实现“零突出”目标的时间跨度。基于此，笔者梳理了煤与瓦斯突出机理研究历程，总结了煤与瓦斯突出预测及监测预警技术研究现状，阐述了煤与瓦斯突出防治理论与技术取得的进展，并提出了未来重点发展方向。
1 煤与瓦斯突出发生机理研究现状
煤与瓦斯突出是一种极其复杂的煤岩动力灾害，其发生机理一直是突出灾害研究中最主要、最根本的内容之一，也是突出灾害防治的前提和理论基础。煤与瓦斯突出机理，是指煤与瓦斯突出发生的原因、条件及其发生、发展过程。前人经过大量研究，提出了“综合作用假说”，认为突出是由地应力、包含在煤体中的瓦斯及煤体自身物理力学性质等综合作用的结果，能较为全面客观地解释突出现象，从而被广大学者所接受，其代表性理论为前苏联学者B.B.霍多特提出的煤与瓦斯突出“能量假说”。
我国从20世纪60年代起，通过现场观测和试验研究对煤与瓦斯突出机理进行了大量探索，相继提出了许多新的观点，为突出的有效防控提供了理论依据。何学秋和周世宁通过开展含瓦斯煤三轴力学性质研究，认为当外部载荷超过煤的屈服载荷时，煤体会发生流变行为，从而提出了煤与瓦斯突出的“流变假说”，并首次基于时间因素介绍了不同流变阶段，其中变形衰减阶段和均匀变形阶段对应突出准备阶段，而加速变形阶段对应突出由激发到发展的阶段(图1)，合理地解释了现场延期突出现象；蒋承林和俞启香提出“球壳失稳假说”，认为突出是地应力首先破坏煤体，随后煤体解吸瓦斯使得煤体的裂纹扩张，形成球盖状煤壳，最后瓦斯再次促使煤壳失稳破坏并抛向采掘空间的过程，较好地解释了突出孔洞的形状及形成过程；梁冰等提出了突出“固流耦合失稳理论”，认为突出是含瓦斯煤体在采掘活动影响下，局部发生迅速、突然破坏而生成的现象,该理论建立在煤岩破坏机理的基础上，因此可为利用煤体微破裂信息预报突出的技术提供理论依据；胡千庭等认为突出是一个力学破坏过程，结合已发生的大量突出动力现象的特征和规律，应用力学理论对突出的力学作用机理进行了研究，将突出全过程划分为准备、发动、发展和终止4个阶段(图2)，认为初始失稳条件、破坏的连续性进行条件和能量条件是突出发生的3个必要条件；郑哲敏通过对特大型突出释放能量进行研究，从数量级和量纲分析的角度，发现突出的瓦斯内能要比煤体弹性能高出1～3个数量级；鲜学福等利用演绎法探讨了突出的激发与发生条件，得到了突出的瓦斯临界压力判别式。
图1 煤与瓦斯突出机理流变假说[9-10]Fig.1 Rheological hypothesis of coal and gas outburst mechanism[9-10]
图2 煤与瓦斯突出的力学作用过程描述[13]Fig.2 Phase division of coal and gas outburst based on mechanical action process[13]
物理模拟试验是重现煤与瓦斯突出演化过程、探究突出发生机理的重要途径，受到众多学者青睐。2004年，蔡成功等从力学模型入手，结合相似理论研发国内首台煤与瓦斯突出三维模拟试验装置，模拟了不同成型煤体强度、三向应力、瓦斯压力条件下的突出过程，得出了突出强度与上述参数之间的数学模型，研究发现应力与煤的力学性质对突出强度起关键性作用；许江团队研制了多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统(图3)，研究了突出过程中煤层瓦斯场、温度场和应力场的分布特征，分析了巷道内突出两相流的运动形态、冲击力和温度的演化规律，并探讨了突出能量释放问题；王恩元团队发明了突出模拟及声电监测一体化试验系统，实现了突出过程中煤体载荷和瓦斯压力的连续采集及电磁辐射、声发射和电位信号的实时监测，获得了突出演化过程中煤体的声电瓦斯信号时变响应特征，并进一步揭示了煤与瓦斯压出发动的载荷和能量条件(图4)。
程远平团队设计了真三轴突出试验系统，针对构造煤中瓦斯分布不均现象，基于能量原理对突出发生的条件及突出形成机制进行了深入研究；聂百胜等基于中等尺度突出模拟装置，参照现场工作面条件构建顶底板岩层分层布置模型及超前应力集中分布形式，从能量转化、突出传播、粒度分布等角度研究了突出演化规律；文光才等针对千米深井煤层“高地应力、高瓦斯压力、高地温”赋存环境，研发了可真实还原突出过程中煤岩失稳的深井煤岩瓦斯动力灾害模拟试验系统；卢义玉等研制了具备复杂地质条件构建、气体连续供给、自动模拟开挖和试验数据实时监测的深部煤岩工程多功能物理模拟试验系统；李术才和袁亮等研发了大型真三维煤与瓦斯突出定量物理模拟试验系统，巷道掘进采用可视化伺服掘进和自动排渣技术，考虑了不同构造条件、地应力、煤岩体强度、瓦斯压力和施工过程下的突出试验，同时实现了全过程多物理量信息快速获取融合及突出多场演化耦合致灾机理的研究，如图5所示。
图3 多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统[17-20]Fig.3 Multi-field coupling test system for dynamic disaster in coal mine[17-20]
图4 突出演化过程中煤体裂纹及多参数特征变化规律[21-22]Fig.4 Evolution of coal cracks and multi parameters during coal and gas outburst[21-22]
随着计算机技术的发展，数值模拟方法也越来越多地应用于煤与瓦斯突出机理研究。唐春安团队建立了含瓦斯煤岩突出过程固气耦合作用的RFPA2D Flow模型，对石门掘进诱发的含瓦斯煤岩突出进行了数值模拟，揭示了采动影响下煤岩介质渐进破坏诱致突变的非线性本质；胡千庭等提出一种FEM-SPH耦合方法，模拟了煤巷在微小扰动作用下，极限平衡区内的部分煤体失稳破坏并抛出的规律，研究了突出发生的临界条件和能量之间的关系；薛生等基于FLAC 3D与COMET 3开发出了模拟煤与瓦斯突出的耦合模型，分析了突出过程中煤层的变形破坏、瓦斯解吸以及瓦斯与水在煤中的流动规律；王凯团队采用有限体积法(FVM)数值模拟了瓦斯解吸对突出冲击波和瓦斯流动传播特性的影响；卢守青等基于双重孔隙结构的软硬组合煤体气固耦合模型，分析了不同条件下的巷道前方瓦斯压力、应力和塑性破坏的分布规律，进而建立了突出的能量失稳判据(图6)；何学秋团队建立了突出全过程的统一模型，采用拉格朗日积分点有限元法(FEMLIP)模拟了含瓦斯煤的流固耦合规律；魏建平团队基于流固耦合模型研究了受载含瓦斯煤体卸压后的应力分布与演化规律，探讨了地应力在煤与瓦斯突出过程中的作用机理。
综上所述，众多学者针对煤与瓦斯突出机理从实验室试验、理论分析、数值模拟和现场统计等方面开展了大量深入研究，揭示了煤体瓦斯赋存、解吸、扩散特性，建立了煤层瓦斯多场多相耦合模型，获得了煤与瓦斯突出影响因素、发生规律及条件等，提出了煤与瓦斯突出的定性假说或半定量化机理，解释了煤与瓦斯突出现象，取得了显著成果。然而，目前仍然缺乏可以解释所有突出现象和特征的相对系统完整的理论体系，尤其是针对深部地质构造、复杂多变非均匀地层条件及高应力条件下的瓦斯富集与运移释放特性、突出耦合演化过程、低参数突出发生失稳判据、渗透性参数对突出的影响规律与机制、诱突动载源及耦合演化机理等方面的研究还依然较少，今后这些研究的开展将能进一步促进突出发生定量化失稳判据的发展及突出理论体系的完善。
图5 试验系统构成及煤与瓦斯突出多场耦合致灾机理[28-30]Fig.5 Composition of test system and multi-field coupling disaster mechanism of outburst[28-30]
2 煤与瓦斯突出预测及监测预警技术研究现状
我国《防治煤与瓦斯突出细则》明确规定：突出矿井应该结合开采条件，制定、实施区域和局部综合防突措施(简称2个“四位一体”)，即：区域突出危险性预测、区域防突措施、区域防突措施效果检验、区域验证，以及工作面突出危险性预测、工作面防突措施、工作面防突措施效果检验、安全防护措施。其中区域突出危险性预测和工作面突出危险性预测是实施防突措施的重要前提。区域预测的任务是按照矿井、煤层和部分煤层区域3个层次，对突出危险性区域进行划分。主要通过瓦斯地质分析结合瓦斯参数进行预测；工作面(局部)预测的任务是在前者的基础上及时预测采掘工作面、石门等小范围的突出危险性。目前主要分为接触式与非接触式2种。其中接触式预测多属于静态预测，非接触式预测基于动态连续性的特点，也得到了广泛的应用。
2.1 常规静态预测技术
常规静态预测技术以瓦斯地质分析、单指标及综合指标等方法为主。其中瓦斯地质分析法主要依据已掌握的瓦斯参数及地质构造条件，结合已采区域突出危险分布规律和未采区域的地质赋存条件对突出危险区域进行划分。单指标法通过钻孔施工方式，测试区域及工作面参数指标，结合临界值进行突出危险性判定。目前涉及的指标主要有：钻屑量、钻孔瓦斯涌出初速度、钻屑瓦斯解吸指标Δ(或)、煤体破坏类型及坚固性系数等参数。而综合指标法则主要考虑多个预测指标的敏感性与影响因素，通过一定的法则，综合判定突出危险性，主要包括综合指标,与值等。
静态预测存在一定的局限，例如，预测手段多以施工钻孔形式获取定点及抽检指标，工艺繁琐且人为操作影响较大，不仅在空间上只局限于“点预测”，时间上也难以满足连续预测需求。另外，针对突出孕育发展过程的延期效应等情况也难以及时反映采掘全阶段的突出危险性。而近几十年来，为了提高突出预测的准确率，改善防突技术水平，诸多学者针对突出危险性预测及监测预警方面开展了大量研究，试图实时掌握突出危险情况，至今，从瓦斯动态涌出指标与新兴地球物理技术2个方面，形成了多类型交叉预测及监测预警体系。因其兼具操作测试简单、不影响正常采掘生产、可实时连续监测等优点，成为当前国内突出预测的主流研究方向，同时《防治煤与瓦斯突出细则》也鼓励将其列为辅助预测手段。
图6 煤体采掘失稳及突出过程数值模拟[36]Fig.6 Numerical simulation of coal mining instability and outburst process[36]
2.2 瓦斯涌出指标预测及监测预警方法
长期的开采实践表明，突出危险发生前，往往伴随瓦斯涌出异常的现象。瓦斯涌出量的变化能够反映突出煤层的损伤演化过程，因此可以作为识别煤与瓦斯突出危险的前兆信息。目前瓦斯涌出相关指标主要包括与，其中为工作面放炮后30 min内瓦斯涌出量与爆破落煤量之比，为巷道瓦斯涌出过程不同循环涌出量的变异系数。二者虽反映了一段时间的瓦斯涌出平均值，但由于研究因素单一，预测准确率有待进一步提高。与此同时，张庆华等基于最优化理论结合瓦斯涌出动态特征建立了预警指标及临界值的优选方法，提高了掘进工作面突出危险实时、动态预警的普适性。曹垚林基于大量历史突出事故，分析了瓦斯涌出动态特征及影响因素，结合新型瓦斯动态涌出预测方法及临界值法则，研制了KJ338瓦斯动态监测系统，提高了突出预测的可靠性。然而面对更加复杂的开采条件，通过分析突出前瓦斯涌出规律与其他参数的耦合更有助于提高突出实时预测的效率和准确性。姜福兴等提出了基于应力和瓦斯浓度动态变化特征的掘进工作面突出实时监测预警技术(SMD法)，建立了钻孔应力增量和瓦斯浓度时间序列变化特征相结合的模糊预测模型。关维娟等构建了包括实时瓦斯涌出指标、动态指标、预测和基础指标的多参数预警体系，实现了突出危险性的提前预警。陈亮等研究了瓦斯涌出异常的临界慢化特征，建立了掘进工作面前方的瓦斯含量反演模型，通过融合电磁辐射、声发射等指标创建了实时突出协同耦合预警方法，并在现场得到了很好的验证和应用。
2.3 地球物理监测预警方法
近些年来，突出防治的地球物理监测预警方法发展迅猛，主要包括微震、声发射(地音)、电磁辐射、地质雷达和震动波CT等技术手段。煤岩体材料在受外力或内力作用产生变形或破裂时往往以弹性波形式向外释放应变能，此类现象称为声发射/微震活动。其中微震监测技术是利用煤岩破裂产生的低频率微震信息来研究煤岩结构和稳定性的实时、动态、连续的地球物理方法，广泛应用于煤与瓦斯突出、冲击地压、突水等灾害监测领域。目前学者们针对突出发生过程中的微震活动空间分布与演化、波形特征(幅频、持续时间、频带能量等)、时间序列监测指标和方法等进行了研究，为突出微震监测技术的发展提供了理论基础。唐春安团队基于煤岩破坏过程的微震效应及演化规律发现了微震在研究煤岩体微裂纹、微缺陷演化、力学性质以及局部特征的独特优势，分析了围压、软分层厚度、煤质、瓦斯含量等因素影响下的微震时空分布特征，并依据长短时指标和事件特征建立微震监测系统，实现了突出危险性的动态连续监测。何学秋等提出了突出危险煤层微震区域动态监测新方法，通过频次与能量指标对煤层采掘扰动及地质异常进行了动态连续监测，验证了震动波CT得到的应力场分布特征与理论分布一致，突破了传统区域预测手段在时、空维度上的局限，如图7所示。张浪等针对突出危险区域附近的煤体分布、瓦斯赋存和巷道掘进过程采动应力演化特征3个方面综合分析了突出过程的微震前兆特征，发现了“安全期—前震期—平静期”与软煤渐变梯度影响下的关系。
声发射技术通过监测煤岩体内部破裂及应力卸载下的弹性波活动，实时反映煤岩体及周围的应力破坏状态，进而判断工作面的突出危险性。我国对该项技术的研究相比国外起步较晚。文光才等建立了煤岩体声发射传播理论模型，依据现场试验得出了不同强度煤岩介质中的声发射传播规律，为确定声发射监测煤岩动力灾害的适用条件奠定了基础。邹银辉等研制的AEF-1型声发射监测技术，实现了声发射预测突出的预测及滤噪工艺。胡千庭等利用自行开发的声发射监测系统YSFS(A)对平煤十矿试验工作面的突出动力现象进行现场监测。研究发现突出发生前，随着煤岩体应力增大，裂纹发生扩展，声发射信号具有明显上升趋势，且先于瓦斯浓度变化。
图7 微震事件平面分布及掘进工作面微震信号时序变化[54]Fig.7 Plane distribution of microseismic events and timing change of microseismic signal in headwall area of a driving face[54]
电磁辐射法作为一种动态连续突出危险性监测方法，近年来备受关注。中国矿业大学研究发现了煤岩/含瓦斯煤岩损伤电磁辐射效应及规律，建立了煤岩电磁辐射力电耦合模型；提出了电磁辐射预测煤与瓦斯突出原理，发明了便携式煤岩动力灾害电磁辐射监测仪和移动式煤与瓦斯突出监测方法，建立了煤岩动力灾害预警准则，发明了临界值法与趋势法相结合的预警方法；通过实验室试验、现场验证和应用，表明电磁辐射对突出显现、常规预测指标和瓦斯异常涌出等均有明显的超前响应，目前电磁辐射技术已被列入《防治煤与瓦斯突出细则》。为了进一步提高突出监测的可靠性、抗干扰性和适用范围，发明了便携式声电监测仪、声电瓦斯实时监测预警突出方法及在线式声电监测传感器和系统，实现了煤与瓦斯突出的综合、实时、自动监测预警(图8)；开展了声电干扰信号和灾害前兆特征的智能识别研究，建立了瓦斯灾害风险隐患大数据分析与预警平台，应用于贵州省和四川省多个煤矿，多次超前预警突出危险及重大风险隐患。
图8 煤岩动力灾害声电瓦斯监测系统及应用[67]Fig.8 Acoustic electric gas monitoring system for coal rock dynamic disaster and its application[67]
煤体受载破裂过程中的电磁信号来源于煤岩破裂自由电荷的产生与转移，该过程中同样会测试得到电位信号。电位与电磁辐射属于同源异象，其优势在于对煤岩体应力及破裂过程敏感性强、抗干扰能力好。钮月等应用双边反演模型进行了煤层电位测试，识别出了局部应力异常区，与微震监测存在很好的对应关系。基于现场条件研究了煤体掘进过程中的电位响应特征，分析了工作面前方的电位分布与演化规律，研究发现电位信号的时序变化整体上与对应区域的煤体采动应力、煤体变形破裂产生的电磁辐射信号具有良好的对应性，结合点电位反演成像，验证了高值区域与常规指标在空间分布上的一致性，建立了掘进工作面前方的突出危险精细辨识方法，如图9所示。
图9 工作面电位布置及电位反演危险性辨识[68]Fig.9 Potential layout and potential inversion risk identification of working face[68]
2.4 突出危险性数学模型预测方法
煤与瓦斯突出灾害孕育发展过程中的各影响因素呈复杂的非线性特征。尽管目前多种预测指标证实与突出危险性存在很好的契合关系，但仅依靠单一指标难以满足理想的预测准确性需求。为了解决预测指标临界值难以确定和多种指标融合下的综合突出危险性判定问题，近年来，学者们尝试利用各种数学理论模型来提高突出预测的准确性。郭德勇等运用层次分析结合模糊综合评判方法对平顶山典型工作面进行了突出危险性预测，结果表明了该套理论预测突出强度的可行性。师旭超等基于支持向量机(SVM)分类算法，考虑采深、瓦斯压力、瓦斯放散初速度、煤的坚固性系数以及地质破坏程度5个因素，实现了突出危险性程度的细化预测。梁冰等将突出强度与危险性程度进行量化，基于灰色系统理论提出了智能加权灰靶决策模型，将4个单项指标临界值作为灰靶临界点，实现了定性与定量相结合的突出可能性与强度预测。李忠辉等将突出是否发生与多个预测指标现场数据相关联，建立了Logistic回归预测模型，结果表明该方法具有较高的准确度及精度。此外，属性数学理论、未确知测度理论、多元回归分析、距离判别分析、人工及智能神经网络等数学模型均被用于突出危险性评价及预测领域。
目前，突出预测及监测预警技术已经在我国得到了深入的研究与实践，全面实施了基于常规预测指标及其敏感性的突出危险预测，部分矿井实现了实时监测预警。但由于突出演化致灾机理的复杂性及各地区地质条件的差异性，特别是采深、应力、温度和瓦斯等越来越大，突出预测面临着诸多难题亟待解决，如煤层突出危险性的有效鉴定标准及科学分类、不同地区突出差异化预测指标及参数的标准化、工作面前方异常区的精细化探测、深部小构造影响下的突出预测、煤与瓦斯压出等应力主导型突出的预测、动静载耦合条件下的突出预测等。实时监测预警技术还需进一步发展、验证及标准化。新一代信息技术，特别是大数据、人工智能等技术在突出预测和监测预警中的作用还未充分发挥。近年来已经从信息采集、预警指标及模型、数据趋势分析、多参数多指标融合、软件开发等方面开展了大量研究工作，但突出危险预测及监测技术装备技术的自动化、智能化等有待深入发展，特别是智能开采下的煤层突出危险性的精细化区域探测、智能化预测等重大需求急需解决。
3 防治煤与瓦斯突出技术研究现状
《防治煤与瓦斯突出细则》明确指出，始终坚持“区域综合防突措施先行、局部综合防突措施补充”的原则。目前，区域防突措施主要分为保护层开采与大面积预抽煤层瓦斯2类。关于局部防突措施，形成了预抽瓦斯、超前钻孔、水力化措施、松动爆破等成熟的工作面防突技术体系。长期的理论研究与开采实践表明，针对现场不同条件开展系统完善的防突技术，是遏制突出发生的根本保障。
3.1 保护层开采技术
在煤层群条件下，通常优先采用保护层开采措施，该项技术在多煤层有效增透卸压，实现大面积消突效果上具有重要作用。与此同时，学者们针对保护层范围的确定和卸压瓦斯抽采2个方面进行了深入研究。袁亮等提出了利用测定开采前后煤层瓦斯含量结合突出临界值确定被保护层消突范围的方法。刘洪永等探讨了保护层的分类及其判定。我国存在较多的急倾斜突出煤层，利用传统方法划定保护范围通常偏差较大，针对此类难题，王宏图等通过建立瓦斯越流固-气耦合模型，对上保护层卸压保护范围进行了计算。同时基于数值计算及关键层理论，研究了急倾斜煤层有效保护卸压范围及其影响因素，并进行了现场实际应用考察。梁冰等采用试验相似模拟方法，分析了保护层工作面推进过程中的应力分布情况，对远距离薄煤层保护效果有效性进行了论证。
随着保护层工作面的推进，及时对被保护层进行卸压瓦斯抽采才能彻底消除突出危险性，否则待上覆岩层移动稳定后应力恢复，卸压瓦斯重新吸附就难以实现瓦斯排放，达到消突目的。程远平和袁亮等提出了煤层群煤与瓦斯安全高效共采的概念，重点阐述了不同卸压瓦斯流动特点的近程、中程和远程卸压瓦斯抽采方法及实际工程应用实践。表1介绍了保护层开采下的卸压瓦斯抽采方法。随着开采深度的加大，复杂突出煤层群地质条件变得普遍，传统保护层开采适用性明显受限，在没有适宜或非危险突出煤层作为保护层的情况下，首采保护层选择变得更加困难，从而成为防治整个煤层群突出的一大难题。相关学者针对远距离保护层及全岩保护层的应用可行性进行了研究，根据淮北、阳泉等矿区现场实践，证实了远距离保护层开采依然能获得很好的卸压及瓦斯抽采效果。杨威等系统分析了保护煤层开采过程的应力分布、地层变形和渗透性演化规律，揭示了瓦斯流动特征所具有的普遍时空规律，对被保护层卸压瓦斯治理具有指导性意义。综上所述，针对不同条件下的保护层技术进行合理规划，依然将是我国现有区域防突措施的首要途径。
表1 保护层开采及卸压瓦斯强化抽采方法汇总[86]
3.2 预抽煤层瓦斯技术
目前针对单一煤层、保护层本身为突出煤层和被保护层的未被保护区域等开采条件，主要采用预抽煤层瓦斯技术。经过长期的探索和发展，我国煤矿的瓦斯抽采理念先后经历了“局部防突措施为主、先抽后采、抽采达标和区域防突措施先行”等阶段，至今形成了完善的技术体系。《防治煤与瓦斯突出细则》针对区域防突措施提出了地面井预抽煤层瓦斯、井下穿层钻孔或顺层钻孔预抽区段煤层瓦斯、顺层钻孔或者穿层钻孔预抽回采区域瓦斯、穿层钻孔预抽井巷(含立、斜井，石门等)揭煤区域煤层瓦斯、穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯以及定向钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯等多种方式。其中，最为常用的是穿层钻孔瓦斯抽采技术和顺层钻孔瓦斯抽采技术。
为了改善抽采效果，学者们对抽采负压、钻孔密度、封孔材料、封孔长度、始封深度和封孔工艺等参数进行了一系列优化，效果显著。近年来，定向钻进技术由于兼具钻进效率高、控制范围广、抽采效果好等技术优点，在国内瓦斯抽采领域实现了广泛的应用。石智军等通过优化信号传输系统、螺杆钻具结构、钻进工艺参数等，实现了煤矿2 500 m顺层超深定向钻孔，为顺层超深钻孔施工技术和瓦斯超前治理提供了指导作用。姚宁平等基于现场施工经验，开发了新型梳状定向钻进技术装备及工艺，针对松软煤层瓦斯抽采成孔性差、抽采距离短等难题，建立了梳状定向成孔方法，满足了超500 m孔深和钻遇率大于90%的瓦斯抽采施工现场需求。王恩元与汪皓建立了定向钻进条件下受载煤体瓦斯运移气固耦合模型，优化了定向钻孔布孔参数，提出了定向钻进瓦斯涌出量的煤层原位瓦斯压力和含量反演方法，实现了煤层消突效果的高效动态评价，并进行了现场应用与验证(图10)。
图10 定向钻进随钻瓦斯参数动态反演模型[101]Fig.10 Dynamic inversion model of gas parameters during directional drilling[101]
预抽煤层瓦斯作为防突措施中应用最广泛的技术手段，近年来得到了不断的优化。通过优化钻孔布置方式及钻进形式，在一定程度上改善了传统抽采钻孔的施工工程量大、抽采瓦斯浓度低、抽采效果差和抽采时间长等缺点。但实际上瓦斯抽采效果受渗透率等多种复杂因素的影响。而随着采深的增加，煤层透气性必然降低，瓦斯抽采难度也随之加大。因此，对于低透气性松软突出煤层等多种复杂条件，有必要采取人为增透措施，进一步提高煤层瓦斯抽采效果。
3.3 强化瓦斯抽采的增透措施
长期以来，我国矿山安全科研人员以传统钻孔卸压增透为基础，开发引进了一系列煤层增透新技术，其中主要包括：水力化系列措施、无水化措施以及深孔预裂爆破增透等技术。主要目的是降低煤层外在应力和改变煤体自身力学特性，从而改善煤层透气性，实现高效抽采。
..水力化增透关键技术
水力化增透技术通常分为2种形式，一种是向钻孔内注入高压水压裂钻孔，随着煤层原生裂隙的扩大、延伸，为瓦斯的解吸流动提供通道。另一种是通过高压水射流割缝或冲孔将钻孔内部煤体排出，使孔壁周围应力发生转移，孔洞裂隙的贯通会增加煤层的渗透性，提高瓦斯的抽采效果。其中以水力压裂、水力割缝和水力冲孔为主的卸压增透技术，已广泛应用于工程实践。
水力压裂技术通过混有支撑剂的高压水对钻孔周围的煤岩体进行压裂，形成沿着煤层层理和垂直于最小主应力方向的延伸裂隙，来提高煤层渗透性。由于我国突出煤层普遍存在的松软、低透特性，常规水力压裂实际产生的裂隙较少且容易由于增透方向的不确定而导致应力集中以及瓦斯抽采屏障区的出现。为了改善压裂效果，部分学者尝试在压裂液中添加表面活性剂，这在一定程度上能够降低煤体吸附瓦斯的能力，同时通过选择性的溶解煤中矿物质，提高煤体的裂隙通道尺度和渗透率；并先后提出了射孔、预置裂缝、定向孔等方式来控制裂缝的扩展方向，解决了局部压裂不均所引起的致裂效果不佳的难题。为了克服井下压裂作业空间有限的难题，部分学者通过适当降低水力压裂压力来减小装备尺寸，同时结合脉动水力压裂技术避免裂隙的重新闭合。研究发现，高压脉动压裂技术通过高压水激发震荡，不断冲击煤层，由峰值压力与谷底压力构成周期性的脉动波，使煤体裂隙孔隙产生“压缩—膨胀—压缩”的循环作用，进而使煤层弱面的原生裂隙不断贯穿、延伸成新裂隙。在实际应用中，与传统水力压裂技术相比，起裂压力更低，卸压装备尺寸更小，压裂裂缝更多，因此实现了快速卸压增透及抽采效果(图11)。进一步研究还发现变频脉冲比单频脉冲增透效果更好。另外，变排量压裂、复合压裂、重复压裂、分段压裂等多种方法也在实际应用中实现了良好增透效果。
图11 煤层高压脉动水力压裂技术原理及应用效果[109]Fig.11 Theory and application of pulse hydraulic fracturing technology[109]
水力割缝技术利用高压水射流沿着钻孔径向切割煤体，形成缝槽，伴随着暴露面积的增大，不仅为煤体提供了变形空间也导致煤体发生损伤而形成裂隙，为煤层的内部卸压及瓦斯流动提供了良好的条件。林柏泉等从突出机理出发，提出了整体卸压理念，开发了高压水射流割缝网格化增透技术及“钻-割-抽”一体化装备，并在实际应用中取得了良好的煤层卸压消突效果。卢义玉等针对近距离多突出煤层的石门揭煤防突技术难题，提出了自激振荡脉冲水射流割缝技术，从而缩短了石门揭煤时间，通过研究供水压力、流量等因素与切槽深度、宽度的关系，优化了自激振荡喷嘴结构及高压脉冲水射流的水力参数，并针对深部煤层地应力高的特点，探讨了地面定向井+水力割缝卸压方法，通过切割造缝利用地应力变化增加煤层孔隙和渗透性(图12)。陆庭侃等提出了顺层钻孔割缝技术，通过分析割缝深度和割缝间距对煤体卸荷增透效果的影响，最终采用高压(40～60 MPa)水射流割缝在宁夏地区煤矿进行应用，使瓦斯抽采效率提高了3～6倍。上述研究大幅拓展了近些年水力割缝技术的应用前景。
图12 地面定向井+水力割缝卸压开发煤层气方法[122]Fig.12 CBM exploitation method combining ground directional well with hydraulic slotting[122]
水力冲孔以煤岩柱为安全屏障向煤层施工穿层钻孔，利用钻具喷嘴喷射的高压水射流作为动力，冲击破坏周围煤体，从而在煤层中形成大直径孔洞。该技术与水力割缝技术较为类似，但也存在明显不同。水力割缝的目的是在四周煤体内产生人工裂隙，因此出煤量较少；而水力冲孔的目的在于构建大尺寸的孔洞，因此出煤量较大。王兆丰等在罗卜安矿的测试结果表明：水力冲孔钻孔等效直径达到0.87 m，抽采孔有效影响半径提高2～3倍，抽采体积分数提高4～5倍，抽采衰减周期提高3倍以上。王凯等根据钻孔周围的瓦斯参数确定了现场钻孔的有效卸压范围，并通过RFPA-Flow对水力冲孔钻孔周围煤体应力及透气性变化规律进行了研究。石必明等进行了水力冲孔后的瓦斯压力考察试验，将水力冲孔后的孔洞区域划分为瓦斯充分排放区、瓦斯排放区、瓦斯压力过渡区和原始瓦斯压力区，并模拟分析了冲孔后煤层裂隙发育的过程及地应力、瓦斯压力的分布规律。刘明举等基于高压水射流的破煤理论，结合在淮南矿区的现场实践情况，将水射流的最佳破煤压力确定为煤层坚固性系数的12～20倍。程远平等提出了新型顺层钻孔水力冲孔的瓦斯抽采技术，并在阳泉矿区进行了工业试验，结果表明该技术是实现软、低渗煤层掘进工作面瓦斯高效抽采和快速掘进的有效方法。同时将水力冲孔技术进一步应用于厚复合构造煤层中，表明在软分层中进行水力冲孔同样可以对硬分层进行卸荷增透。曹佐勇等针对低渗高突煤层群的特殊条件，开展了水力冲孔破煤增透多场耦合效应研究，模拟分析了水力冲孔下瓦斯压力与孔径之间的时空演化规律。王恩元等针对薛湖煤矿煤层瓦斯含量高、吸附性强、透气性低的特点，提出了煤层顺层水力冲孔卸压增透技术并对冲孔参数进行了优化，现场实践表明，顺层水力冲孔后，卸压煤体体积增大6.9倍，瓦斯体积分数提高2.2倍，煤层增透效果显著。同时，基于目前水力冲孔周围煤体多场分布演化规律不清的问题，研究了冲孔孔洞周围煤体应力场与瓦斯场的时空分布及演化规律，如图13所示。
图13 水力冲孔孔洞周围煤体地应力和瓦斯演化[133]Fig.13 Evolution of geostress and gas field around hydraulic punching borehole in coal seam[133]
..无水化致裂增透技术
无水化致裂增透采用非水物质作为煤层致裂增透介质，具有避免水资源污染和煤储层伤害、不会导致含黏性矿物质煤层吸水膨胀堵塞瓦斯运移通道等优点，目前主要涉及液氮致裂和二氧化碳致裂等技术手段。液氮致裂技术早在1971年就被提出，并进行了现场应用。近年来，衍生了一系列增产工艺及结合其他增透技术的双重增产工艺，如液氮和蒸汽致裂煤层的瓦斯抽采方法，通过增强水-冰相变冻胀作用，提高液氮增透效果；液氮循环致裂增透方法，采用液氮循环注入方式实现持续充填不断扩展的裂隙空间，由于冰的不流动性和水冰相变的膨胀性，与其他流体相比有着更高的致裂效率(图14)，在瓦斯抽采中具有很好的应用前景。部分学者还建立了微波、红外热辐射等辅助液氮增透技术，不仅可加热煤体，形成温度梯度。还可以提供能量促进煤体解吸吸附瓦斯。
图14 液氮循环致裂煤体作用机制[139]Fig.14 Action mechanism for cyclic fracturing coal seams by liquid nitrogen[139]
液态二氧化碳相变致裂技术不仅能对煤层结构进行改造，同时其较强的吸附性对瓦斯具有驱替作用，有效提高了瓦斯的抽采效果，起到防突目的。王兆丰等基于现场试验研究了高瓦斯低透气性煤层中的液态CO增透机理和消突效果以及布孔方式的影响。张东明等提出了低渗煤层液态CO相变定向射孔致裂增透方法，可有效改善煤体内部孔隙结构及渗流能力，提高瓦斯抽采纯流量9～12倍，降低抽采流量衰减系数92%。而针对单一注入形式或储液管瞬时加热爆破形式，可能引起流体随裂隙扩展运移所导致的起裂压力不足等问题。翟成团队开展了液态CO循环致裂研究，发现利用循环机制能够促进煤基质内多尺度孔裂隙结构的扩容及延伸，裂隙间的贯通率和渗透性大幅提升，基于现场工况液态CO循环冲击致裂应用表明，液态CO介质的循环热应力、相变高压及疲劳劣化耦合机制可实现煤层的高效致裂。
..深孔预裂爆破技术
深孔预裂爆破是通过远距离爆破所发生的冲击在煤层中产生径向和切向裂隙的损伤破坏，从而造成煤层卸压增透的技术。近年来，在应用过程中，研究学者主要针对爆破孔间距、爆破致裂效果等问题进行了优化和改进。石必明等分析了突出煤层实行松动爆破时的煤与瓦斯耦合裂隙衍生机理，开展了控制松动爆破的相关理论研究，分析了爆破过程中含瓦斯煤的致裂机理，确定了贯穿裂隙的生成条件以及控制孔和爆破孔间距的制定依据。刘泽功等基于煤层爆破损伤模型，利用数值分析再现了动压冲击震裂、应力波传播、叠加和气体驱动裂纹扩展机制，通过研究控制孔与爆破孔对卸压增透效果的影响，提出了深孔预裂爆破的合理间距在5～6 m。而基于常规深孔松动爆破粉碎圈范围大但断裂带半径小的缺陷，郭德勇等提出了深孔聚能爆破方法，对该项技术从理论机理到布置改进进行了深入研究，分析了多孔及微差聚能爆破的裂隙贯通机制及增透效果(图15)，对有效致裂范围进行了探讨，按照裂隙类型及数量将炮孔周围分为裂隙密集区和主裂隙扩展区，结果表明深孔预裂爆破针对突出危险性较小的工作面以及坚固性系数较大的煤体卸压增透效果显著。
综上所述，国内学者对煤层瓦斯抽采技术、煤层卸压增透技术的系列研究促进了其在突出矿井的广泛应用，解决了众多瓦斯灾害防治难题。但面对煤层及瓦斯赋存的显著非均匀性、深部突出灾害的复杂性等，复杂多变煤层瓦斯条件的均匀消突措施、不同卸压增透技术的有效边界确定、定向长钻孔测试反演及抽采达标的标准化、不同措施消突效果的考察判定方法等难题，还有待深入研究解决。今后还需要结合我国深部高瓦斯矿井的开采特点，特别是智化开采的需求，形成更具科学性及针对性的深部煤层瓦斯高效协同治理理论及技术方法，并进一步发展煤层突出危险性远程、区域性、智能防控技术与体系。
图15 煤层深孔聚能爆破增透试验钻孔及各个观察孔的平均瓦斯体积分数对比[151]Fig 15 Layout of boreholes for deep-hole cumulative basting test in a coal seam and comparison of average gas volume fractions[151]
4 瓦斯-突出灾害风险管控研究现状
我国针对煤矿瓦斯突出灾害风险管控的研究起步相对较晚，《防治煤与瓦斯突出细则》第四十四条已明确指出鼓励突出矿井进行防突信息系统的建立，实施完善信息化管理。然而，由于煤矿井下环境恶劣、监测信号非常复杂，导致瓦斯相关的信息数据有时是不准确的，甚至是错误的；同时瓦斯相关信息数据量是巨大的，瓦斯相关各种信息与瓦斯安全状况之间呈非线性关系，这将给煤矿瓦斯-突出灾害风险管控增加难度。采用数据挖掘、深度学习和大数据分析技术等进行煤矿瓦斯-突出灾害风险隐患智能识别，可以有效提升工作质量和效率，提高对异常信息及风险隐患识别的准确率。高晓旭等采用熵权-灰色关联度评价方法评价了煤矿风险数据，借助FP-Growth算法挖掘了隐患数据在多个维度间的关联关系，优化了煤矿风险预控流程和隐患闭环管理流程。文光才等研究了突出预警指标体系及技术实现流程，开发了包括预警综合数据库、地质测量管理、瓦斯地质动态分析、动态防突管理分析、采掘生产进度管理、瓦斯涌出动态分析、突出预警管理等多个子系统实现了突出危险性的智能实时预警。冀少军基于多传感器数据融合技术，在具体分析煤矿瓦斯赋存状态基础上，将多传感器数据融合理论及算法与矿井瓦斯赋存状况相结合，建立了瓦斯风险的预警管控机制。张庆华等为进一步提高煤矿瓦斯灾害区域的风险分级管控能力，研究了瓦斯灾害区域安全态势预警管控技术。根据我国煤矿监察行政管理模式，将预警区域划分成全国区域、省市区域、煤监分局管辖区域、地级行政区域4个层级，并制定了不同风险程度分级。设计开发的瓦斯灾害区域安全态势预警软件系统，实现了数据的动态采集与存储、综合分析和实时预警。王恩元团队针对影响瓦斯灾害的各类风险隐患自动识别难题，以煤矿安全监测监控系统和瓦斯抽采系统实时监测数据为基础，采用大数据分析方法研发了煤矿安全监测监控预警分析平台，实现了对各类风险隐患的自动识别、分级预警以及分级推送。平台已在某市139个煤矿进行了现场应用，并多次对瓦斯灾害现象有提前响应，有效避免了灾害事故发生，保障了煤矿安全生产。
目前，我国全面实施了煤矿风险分级管控和隐患排查治理工作，但在突出矿井的实施效果与实际需求还有一定差距。针对瓦斯灾害风险隐患的实时监测及精准管控研究工作还处于不断发展阶段。高瓦斯及突出矿井依据自身地质采矿特征所涉及的模糊因素相对难以确定，瓦斯突出风险隐患管理系统平台的集成化程度普遍较低，单一平台的功能仍然存在一些缺陷，风险管控效率较低，多数系统仅局限于单指标临界预警，存在信息化与专业性结合不够的问题。瓦斯突出灾害风险隐患实时全方位监测、识别与预警技术及其在安全管理、安全监管和安全监察中的作用还未充分发挥。针对实际矿井现场错综复杂的耦合影响因素、突出灾害动态演化过程及不同矿区的差异性，风险隐患的共性与差异化特征、风险隐患智能识别技术、风险隐患精准管控技术及体系等难题仍需深入研究解决。
5 煤与瓦斯突出防治发展趋势和研究展望
国内外学者对煤与瓦斯突出机理、危险性鉴定、预测、监测、防治和防护等理论与技术进行了大量的研究，取得了很多创新性成果，解决了大量理论和技术难题，成效较为显著。然而，时有发生的突出灾害事故也表明，突出防控理论与技术仍有很大的发展需求。我国各产煤区域的地层条件、地质构造及瓦斯赋存差异很大，甚至同一区域不同矿井、不同采区的条件也差异较大；煤炭资源的赋存特性和逐渐深入的开采方式决定了向深部要资源是必然趋势，但随着开采深度和开采范围的增大，应力、温度和瓦斯也在不断增大，煤与瓦斯耦合致灾危险性也越来越高；随着矿井智能化工作的推进，对煤矿瓦斯治理和突出预防也提出了智能化的要求；随着经济社会发展和安全水平的不断提高，国家对煤矿安全生产的要求也越来越高，超前进行风险管控成为必然；随着多场耦合理论研究的进展及信息化、定向钻进等技术的发展，煤与瓦斯突出防治理论与技术突破成为可能。基于煤与瓦斯突出防治现状和需求，提出发展趋势、建议和展望。
(1)煤与瓦斯突出耦合演化机理研究。近年来煤厚变化、小构造及采动应力叠加引发突出及复合煤岩动力灾害占较大比例，今后应致力于深部复杂多变的地层条件、地质构造、煤层物理力学性质、瓦斯、采动影响瓦斯卸压抽采措施及效果等多因素耦合、时空演化过程的研究分析，开发基于不同地质、开采、结构面及边界条件下的突出耦合演化模拟分析方法与软件系统，建立多因素耦合演化灾变模型，探讨突出启动发生的定量化机制，为提高对突出的认识和防控效果奠定理论基础。
(2)煤层突出危险性适应性鉴定技术研究。近年来低参数突出时有发生、应力主导型压出性突出越来越多已经表明，目前的煤层突出危险性鉴定技术已经不能满足实践需求，坚固性系数>0.5、破坏类型<Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ的非破碎煤也能发生突出，两淮、重庆和平顶山地区部分高突煤层的瓦斯放散初速度Δ<10。煤层突出危险性鉴定指标及主要临界参数已近30 a没有变化，但期间煤炭平均采深增加了300～400 m，地应力随采深增加而增大，煤层渗透性也降低。构造区是突出的高发区，但鉴定要求所有测点要避开构造影响区。分析及实践表明，透气性系数对煤层突出危险性影响也很大。我国不同地区的煤层瓦斯赋存及突出瓦斯特征差异很大。事实上，目前深部矿井鉴定时，瓦斯压力处于临界值下附近的，鉴定机构很难判定其突出危险性。因此，我国应综合考虑煤层瓦斯赋存主要特征参数、煤体强度及破坏类型、构造及采动影响等，科学研究并制定判定标准，实施分区(不同地区)、分类(有危险、有威胁和无危险)进行突出危险性科学鉴定非常必要。
(3)煤层瓦斯参数精细化测试技术研究。我国多数煤层瓦斯赋存极不均匀，有时候差异很大，煤层突出危险性也呈现很强的分区特征。少量、散点式取样测试不能完全满足煤层瓦斯资源量精准计算、瓦斯精准抽采、科学防突和抽采达标精准评判的要求。进一步发展煤层瓦斯参数精细化探测和随钻精准测试反演技术、准确划定突出危险区域并制定相关标准是非常必要的。
(4)工作面突出危险性精准探测/预测/监测预警技术研究与应用。深部开采情况下小构造、煤厚变化及采动应力叠加区易多发突出，但缺乏相应的探测/预测/监测预警技术。智能化采掘工作面对此也有更高的要求。因此，有必要进一步研究工作面前方煤层及瓦斯赋存异常精细化、自动探测与智能识别技术，发展基于常规预测指标的趋势法预测技术，发展各类工作面突出危险性综合实时监测与智能预警技术，研究基于物联网、大数据分析和人工智能识别技术，结合煤岩层赋存、地质构造和实时监测大数据的突出危险性智能识别与预警技术，进一步验证并制定相应的标准和规范。
(5)发展煤层突出危险性远程、区域性、智能防控技术。我国防突工作坚持“区域综合防突措施先行、局部综合防突措施补充”的原则。不同煤岩层定向钻进技术、智能钻进技术的突破和煤层瓦斯参数随钻测试反演技术的发展，为进一步发展煤层突出危险性远程区域性精准防控技术奠定了基础。需要发展煤层突出危险性远程区域防控智能设计技术、智能远程钻进技术，研究不同煤岩层条件的远程高效卸压增透技术，卸压增透效果、瓦斯抽采达标、消突效果远程监测或评判技术等突出危险性远程区域性精准防控技术。
(6)进一步发展并推广瓦斯灾害风险隐患大数据分析与预警平台。安全大数据分析在安全管理、安全监管、安全监察和应急救援等方面能够发挥更大的作用。应基于多网融合物联网技术和大数据、云技术，完善瓦斯灾害监测预警与风险隐患管控技术，建立分别适应于安全管理、安全监管、安全监察和应急管理的平台，智能识别瓦斯灾害危险性和各类风险、隐患，进行分级预警，并针对性提出管控措施，分类、分级别推送相关技术和管理人员，提高我国瓦斯灾害风险隐患管控能力和瓦斯治理水平。
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