1 綜述

     我院是我國最早從事瓦斯突出防治研究的專業研究院，研究領域涉及突出預測、防突出措施、措施效果檢驗和人身防護安全措施、突出機理等各方面。在國內首先開展了開采保護層、大、小直徑超前鉆孔、鉆孔水力沖刷、水力沖孔、深孔松動爆破、石門金屬骨架等多種防突措施研究；率先在國內開展了煤層與瓦斯突出區域性預測和工作面預測科研工作，提出了區域預測煤和瓦斯突出危險性綜合指標P和K、煤層突出危險性指標△P、工作面預測鉆屑量指標S、鉆屑瓦斯解吸指標△h2、C及鉆孔瓦斯涌出初速度指標g；建立了區域預測綜合防突技術思想，并在現場投入應用；率先開展了AE聲發射、瓦斯涌出特征非接觸連續預測突出研究，以及機掘面防突措施研究。

    20世紀50年代，我院于1956——1960年首先在北票、紅衛、漣邵、焦作、梅田、六盤水等礦井進行瓦斯突出調查，建立了全國重點突出礦井卡片；1958年率先在北票煤田臺吉三井、冠山二井開采保護層，并獲得成功，為最初的防突提供了最為有效的技術手段；1959年繼續在天府磨心坡井推廣應用開采保護層，并結合瓦斯抽放綜合防突。

    20世紀60代初，我院即建立區域預測單項指標△P、f值，1960年——1965年進行了全國突出煤層△P、f值普查；1961年——1963年在紅衛、蛇形山礦進行開采保護層推廣；1964——1965年在紅衛煤礦進行300mm大直徑超前鉆孔和水平分層采煤法自我卸壓保護防突研究，并將大直徑超前鉆孔推廣到北票、梅田等局；1966——1968年在北票臺吉、冠山三寶進行了13個煤層、14個石門的鉆孔水力沖刷試驗研究，均安全揭開石門；1968年在北票三寶礦進行煤巷道水力沖孔防止突出措施工藝研究；1968年國內率先在北票臺吉礦進行深孔松動爆破防突措施研究；1965——1967年在北票開展震動放炮揭開突出層，將震動放炮用瞬發雷管發展到毫秒雷管；1967年我院在北票三寶一井、臺吉礦首次應用煤的破壞類型、瓦斯放散初速度△P、煤的堅固性f區域突出危險性預測、提出了煤的突出危險性綜合指標K。

    20世紀70年代，1974——1975年，我院應用提出的綜合指標K結合地質條件，對北票三寶、臺吉兩個礦各煤層進行區域突出危險性分類；于1977年在北票礦務局試驗研究超聲波測定煤層應力，研制了超聲波應力測定儀，并初步探索了地震指標與煤和瓦斯突出的關系（水氡指標及入射性元素放射性強度與突出關系）。

    20世紀80年代，我院的突出研究工作有了飛躍，1980——1981年，我院在調查分析了我國一系列突出礦井始突深度、煤層瓦斯壓力、煤的堅固性性系數f，綜合考慮地應力、瓦斯和煤質這3項具有決定突出發生的主要因素，在北票、紅衛經大量考察研究，提出了標志煤層突出危險性的綜合指標D，并建立了地勘、基建和生產礦井預測煤層和區域突出危險性綜合指標法（D、K指標），并在系統考察研究煤樣暴露時間、破壞類型、瓦斯壓力、煤樣精度諸因素與瓦斯解吸規律基礎上，在國內首次提出了預測工作面突出危險的鉆屑瓦斯解吸指標△h2、衰減系數C和鉆屑量指標S。初步得出了標志突出危險性的鉆屑倍率指標，研制了MD-1型井下瓦斯解吸儀，首次成功地利用△h2、C、S預測石門揭煤工作面突出危險性。以上預測方法和指標的提出奠定了我國突出區域預測和工作面預測的理論和工藝技術基礎。

    1986年開始國家“七五”攻關，我院就“北票綜合防突措施”、“焦作綜合防突措施”、“瓦斯突出監測系統”進行重點科技攻關。在北票試驗成功了低透氣性煤層網格布孔大面積預抽區域防突措施和鉆孔卸壓煤配合金屬骨架防止石門揭煤突出新工藝，將石門揭煤時間由原來的3~6個月縮短到1~3個月；在煤巷突出預測攻關中，首次在突出礦進行四位一體綜合防突，經1800m巷道跟蹤多參數預測，提出綜合反映鉆屑量、鉆屑量解吸指標的綜合指標F，首次用預測突出率、預測突出準確率、預測非突出準確率來評價突出預測方法適用性指標，并研制了MD-2型瓦斯解吸儀、ZCD-1型鉆孔多級流量計、JN-1型封孔器等，成套工作面突出預測儀表，在全國突出礦井得到了廣泛的應用。在焦作試驗成功工藝簡單、裝備配套的深孔控制卸壓爆破局部防突措施，連續、安全掘進300m，最高月掘進速度達95.2m。在安陽龍山礦試驗研究了AE聲發射非接觸連續預測突出新方法，研制成功IMSC-1型煤礦聲發射測定儀，被收入《中國技術成果大全》第八期（科學技術文獻出版社，1994年）。在完成上述攻關任務的同時，1987年在營城煤礦進行巖石（煤）與二氧化碳突出預測與防治研究；1989年在北票、焦作率先開展利用監測系統預測突出及檢驗防突措施效果和機掘面防突措施研究。

    20世紀90年代，我院瓦斯突出承擔有“工作面預測敏感指標及臨界值的確定”、“機掘面防突措施及配套裝備的研究”、“利用綜合參數連續預測突出方法及裝備”三項國家“八五”重點科技攻關項目，攻關地點在焦作礦務局九里山礦。在工作面敏感指標課題中，利用模糊數學方法確定綜合模糊指標，預測突出準確率達61%，預測不突出準確率達100%；機械防突措施中，研制了JX-2型開卸壓槽裝置，在國內首次利用機械裝置開出連續的卸壓槽，在嚴重突出煤層平均月掘進速度由27m提高到138m；在連續預測課題中，研制了MSZH-1型聲發射指標轉換器及配套的聲發射傳感器，在國內首次成功地將聲發射系統與礦井環境監測系統聯網，初步提出相鄰幫滑移平均小時事件相對變化率預測指標NE；在動態瓦斯涌出研究中，擴展了礦井環境監測系統功能。此外，我院1996年還開發了煤與瓦斯突出專家系統，目前正在開發DSS煤礦工程師決策系統。

    在人身防護安全措施研究領域，我院早于1958年就研制成功了過濾式自救器，并得到普遍應用；1976研制成功AZN-60型4h氧氣呼吸儀；1986年~1991年陸續研制成功AZH-40、AZH-15、AZH-20、AZH-60型系列化學氧自救器；1986~1988年進行了超氧化鉀藥片成型工藝的國家“七五”重點科技攻關，其成果迅速產品化，并遠銷德國；1993年又研制成功OSR系列化學氧自救器。所有上述產品均已商品化、產業化，在煤礦得到廣泛的應用。

    在煤礦瓦斯突出理論研究方面，我院在20世紀50年代就開始突出煤層煤質結構、瓦斯放散特性與煤瓦斯突出關系的研究。1959年我院首次應用壓汞法研究突出煤、非突出煤孔隙、比表面積；1961年率先進行煤的吸附變形測定研究，首次提出煤吸附變形定量關系。20世紀70年代我院系統研究煤層瓦斯重烴組合對突出的影響，1972年提出煤與瓦斯突出最小瓦斯壓力理論及數學模型，1978年提出瓦斯重烴組合成份和煤與瓦斯突出的關系。20世紀80年代我院開始煤與瓦斯突出發生條件的研究，在實驗室系統模擬（物理模擬）了煤的破壞類型、應力、瓦斯壓力、含量等因素和煤與瓦斯突出的關系，系統地進行了突出煤、非突出煤沖擊破碎率試驗研究，在國內首次應用沉降分析技術對突出粉煤顆粒組份進行了突出、非突出煤碘吸附試驗，系統地進行了等壓、非等壓解吸規律的研究。20世紀90年代，我院系統開展了煤吸附瓦斯變形及變形力的研究，得出了吸附變形時變形力與瓦斯壓力的數學關系；首次開展了煤的分形孔隙與瓦斯突出的關系研究。

     2“四位一體”綜合防突措施

     煤與瓦斯突出是極其復雜的礦井瓦斯動力現象，是煤礦井下最為嚴重的地質災害之一。

    原煤炭工業部于1988年頒發了《防治煤與瓦斯突出細則》把我國防突技術工作納入了四位一體綜合防突措施和軌道，使防突措施更加有的放矢，提高了措施的防突效果，提高了經濟效益，取得了良好的效果，使我國的防突工作達到了一個新的階段，形成了我國在煤礦生產中自己的綜合防突措施體系。

     3煤與瓦斯突出國家攻關項目成果簡介

    煤科總院撫順分院在國家“七五”、“八五”、“九五”及煤炭行業的科技攻關中，取得的重要科研成果有如下幾個方面：

    3．1 煤與瓦斯突出危險性工作面預測技術研究

     由撫順分院完成的國家“七五”科技攻關項目“北票綜合防突措施研究”在我國首次提出了在全國普遍適用的工作面突出危險性預測方法，提出了包括利用鉆屑量、鉆屑瓦斯解吸指標、鉆孔瓦斯涌出量等新時期單項指標和綜合指標進行工作面預測較為詳盡的實施方案。該預測方法在《煤礦安全規程》中被確定為工作面突出預測的標準方法之一，在全國得到推廣應用。該成果榮獲煤炭部科技進步三等獎。該項技術的推廣應用，提高了我國煤礦防治與瓦斯突出的能力，使我國的年突出次數大為降低。

    自煤炭部頒發《防治煤與瓦斯突出細則》以后，“四位一體”的綜合防突措施在全國大部分突出礦井得到了較廣泛的應用。在執行綜合防突措施中，工作面突出危險性預測成為防治突出首要的一環。突出預測的正確與否既關系著突出危險煤層開采的作業安全，也涉及到防突措施的實施范圍，與煤礦的生產效率和經濟效益密切相關。國家“七五”攻關中，撫順分院為全國的突出礦井提供了一套廣為適用的預測方法和配套的參數測試儀表。但要求各礦井根據自己的使用情況，采用適合于本礦區的敏感指標和臨界值。為此，撫順分院在國家“八五”科技攻關項目“工作面突出敏感指標及臨界值的確定研究”中，在我國首次提出了煤與瓦斯突出敏感指標及臨界值的確定方法。提出了利用聚類分析技術、模糊數學處理方法，確定突出敏感指標及臨界值，使預測不突出準確率達到100%，預測突出的準確率達到60~70%。該成果在北票、焦作、撫順得到了應用。獲得了煤炭部科技進步二等獎。

    3．2 煤與瓦斯突出動態預測技術研究

     傳統的接觸式突出預測技術一般需要施工鉆孔，占用大量的作業時間，增加了防突費用和噸煤成本，而且是間斷性的點預測方式，經常在非預測時段發生突出，往往會導致人員傷亡事故，所以煤與瓦斯突出連續預測成為近年來的主要研究方向。撫順分院在國家“八五”、“九五”科技攻關中提出了“利用綜合參數連續預測突出方法及裝備”、“聲發射實時跟蹤連續預測突出危險性技術研究”兩項科研課題。利用AE（Acoustic Emssion）聲發射技術和瓦斯動態涌出特征對煤與瓦斯突出危險性進行連續預測取得了較好的效果。研制了能夠與環境監測系統聯網的聲發射突出危險監測系統。提出了聲發射突出危險預測指示及瓦斯動態涌出指標和臨界值，為煤礦的生產應用提供了一整套完整的技術方法。該成果達到國際先進水平。

    3．3 煤與瓦斯突出強度預測技術研究

    國家“九五”科技攻關中，撫順分院完成了“煤與瓦期突出強度預測技術的研究”，在全國首次提出了突出危險強度預測理論和方法，提出了利用相似的理論，在實驗室對煤與瓦斯突出進行三維模擬實驗，通過改變縱向應力、橫向應力、瓦斯壓力、煤體強度等參數，建立了突出強度數學模型，作出了突出強度預測從定性預測到定量預測的一個嘗試，取得了較大的科研價值。該項成果達到了國際領先水平。

    3．4 煤與瓦斯突出預測預報專家系統的研究

    該項課題對我國的主要突出礦井的預測參數值大小、指標、臨界值和瓦斯突出方面的基礎數據進行整理、歸類、組成突出預測專家系統的數據庫，利用計算機輔助決策技術對突出進行預測，形成煤與瓦斯突出預測預報專家系統。該項課題填補了我國在這一領域的空白，使我國的突出預測技術從人工化走向智能化。

    3．5 煤與瓦斯突出防治措施研究

    3．5．1 水力壓裂防突

    撫順分院在全國首次提出了水力壓裂防突技術，并與山西陽泉、湖南紅衛、撫順、焦作煤礦合作，進行了現場試驗，取得了較好的實驗效果。該項成果提出了水力壓裂的一整套實施方法及裝備，確定了煤層水力壓裂工藝的基本參數。

    3．5．2金屬骨架及擴孔卸煤鉆防突

    在國家“七五”攻關項目“北票綜合防突措施研究”中，撫順分院與北票局協作提出了利用金屬骨架和擴孔卸煤鉆相結合進行石門揭穿突出危險煤層措施，并將該項成果進行完善和推廣，從而使石門揭穿突出危險煤層的時間大為縮短，該項成果在全國得到了廣泛的應用。

    3． 5．3機掘工作面防突

    在國家“八五”攻關課題“機掘面防突措施及配套裝備的研究”中，撫順分院提出了一套利用卸壓槽在綜掘工作面防止煤與瓦斯突出的方法。該方法規范了卸壓槽防突措施的實施條件、開槽角度、深度、槽寬距離等實施工藝，并實現了割掘一體化。該措施在焦作得到應用，使原本60~90m/月的掘進速度達到120m/月，提高了掘進速度，緩解了煤礦緊張的采掘接替形勢，建立了突出危險煤層掘進綜合機械化掘進防突體系。

     4防突對策和技術展望

    （1） 認真貫徹執行“四位一體”防突綜合措施，對防止突出事故來說，有兩大任務：一是防止突出發生，二是防止突出造成人身傷亡事故。綜合措施中的防突措施和安全防護措施分別是為解決上述任務的兩條防線。十多年來，某些突出嚴重的國有重點煤礦應用了綜全防突措施取得了良好的效果，但大多數突出礦井仍未應用。

    （2） 提高突出危險性預測的準確性。結合突出礦井的具體條件，通過科學試驗可確定突出預測敏感指標和標志突出危險的臨界值。在“八五”、“九五”期間科技攻關的基礎上，盡快實現用聲發射、瓦斯涌出動態變化和電磁幅射等指標，對工作面突出危險性進行連續非接觸式預測。

    （3） 提高防突措施的效果。隨著突出礦井機械化程度的提高，試驗研究機采機掘工作面的防突措施。包括從防突觀點出發，盡量減小機械截煤深度，均速推進，改善工作面支撐狀況，使工作面前方煤體應力均衡向前推移，避免形成大的集中應力，將突出危險性降至最小程度。例如，在突出煤層加采面推廣使用刨煤機，在機掘工作面試用帶有超前掏卸壓槽機構的掘進機等。

    （4） 優先推廣使用開采保護層和預抽煤層瓦斯等區域性防突措施。這是當前行之有效的防突治本措施。開采保護層時應結合抽放瓦斯提高保護效果的擴大保護范圍。單一突出危險煤層提高瓦斯抽放率是世界煤礦抽放瓦斯領域又一亟待解決的難題，在這方面我國進行了大量科學試驗工作，先后試驗成功密集大直徑鉆孔、水力割縫、水力壓裂、網絡布孔、定向卸壓爆破和交叉布孔等。但這些方法往往由于工藝復雜，需要大量資金投入，難以在生產中推廣使用。尋求工藝較簡單能適應突出礦井生產條件的提高煤層瓦斯抽放率的方法，仍是防突出工作的一個重大課題。

    （5） 加強突出礦井的瓦斯地質工作。包括礦井地質構造和煤層賦存條件的預測工作，防止誤揭突出煤層；各種地質構造區域煤層瓦斯含量、瓦斯壓力和地應力變化規律及其與突出危險性的關系；各種地質構造對煤層的破壞程度和性質的影響等。

    （6） 加強突出機理研究。當前突出綜合假說已得到世界各國的普遍認同，但該假說只是定性地說明了突出原動力（地應力和瓦斯壓力）和受力體（煤體）之間大致的能量和功的關系，且在許多方面認識上并不一致，例如，突出時釋放的固體彈性變形潛能是主要來源于煤層還是圍巖？何以會突出那么多瓦斯，有特殊瓦斯嗎？構造應力是突出的必要條件，還僅是有利條件？煤體發生連續自發（雪崩式0破壞的具體條件是什么？延期性突出發生的原因何在？等等。上面這些問題僅涉及突出機理的物理本質方面，至于數學描述突出的發生、發展和終止過程，則是突出機理研究方面一個更為復雜的課題。

     防治煤與瓦斯突出是世界煤礦安全技術領域一大難題。經過數十年的科學研究和煤礦生產實踐，現已初步形成我國自己的“四位一體”防突綜合措施的每一個環節上不斷完善提高，使突出預測更加準確，防突措施更加可靠，以保證突出礦井的安全生產。