煤与瓦斯突出(简称“突出”)是煤矿井下发生的一种极其复杂的动力灾害，研究历史已有180余年之久，期间国内外大量的科学家和工程技术人员进行了多种研究与尝试，提出了多种假说、预测预警与防治方法[1-2]。随着对突出机理认识的逐渐深入，我国防突体系经历了20世纪90年代初从单一防突措施到预测、检验、安全防护“四位一体”综合防突措施、2009年全面转入“区域防突为主、局部防突为辅”的双“四位一体”综合防突措施两个重要阶段;2019年新修订的《防治煤与瓦斯突出细则》更是在防突预警及过程管控、防突信息化及智能化等多个方面提出了更高的要求。我国煤矿安全生产形势逐年好转，煤矿百万吨死亡率逐年降低，但2019年我国煤矿瓦斯灾害事故不降反升，全年瓦斯灾害事故较2018年增加11起，因此导致的死亡人数同比增加65人，其中突出事故多发生3起。可见，瓦斯仍是我国煤矿安全的“第一杀手”，突出事故仍然频发。
目前，我国煤矿瓦斯抽采坚持“应抽尽抽、多措并举、抽掘采平衡”的原则，抽采达标后方可安排采掘作业，故近年来我国突出事故有相当一部分发生于区域预抽措施作用后的区域，事故呈现出突出瓦斯量小、中小型突出比例增大等新的特点。例如:贵州梓木嘎煤矿“8·6”突出事故突出煤量549 t，瓦斯量1.39万m3，吨煤瓦斯量仅25 m3/t;河南登封市兴峪煤矿“1·4”突出事故突出煤量254 t，瓦斯5 940 m3，吨煤瓦斯量仅23 m3/t。以上现象说明区域预抽对防治突出作用显著，但并不能杜绝突出事故的发生。国内外突出事故案例表明[3-6]:突出多发生于地质构造带或煤层急剧变化处，突出煤层内都发育有一定厚度的构造煤，但并非所有的构造煤区域均具备发生突出的条件;突出发生前大都有预兆，但现场也有相当一些地方出现了预兆后，突出并未随之出现;突出煤层的危险区只占整个开采区域面积的5%～20%;突出预测指标测值高的区域不一定就有突出危险，相反还存在很多低指标区域发生突出的现象。例如:晋城、潞安等矿区煤层瓦斯含量较大、钻屑瓦斯解吸指标测值较高，但其突出灾害并不严重;而阳泉矿区寺家庄煤矿最小突出压力仅为0.23 MPa，豫西重力滑动构造影响区内二1煤突出的最小瓦斯含量仅为4.00 m3/t[7]。由此可见，突出预测作为防治突出的首要环节，预测结果的准确与否直接关系着煤层开采作业安全，目前普遍采用瓦斯参数为主的点预测方法存在“以点代面、以偏概全”的问题，突出预测方法和体系有待进一步完善。
笔者拟通过对煤与瓦斯突出孕育、启动机理和主控因素的分析，厘清突出危险精准辨识思路，结合现场工程实践，探索“超前探测地质结构异常-实时监测煤体突出危险性-随钻测定煤层瓦斯大小”相结合的突出危险精准辨识方法与技术，旨在促进突出预测工作由点预测向面预测、由间断式向连续式、由接触式向接触-非接触式相结合的转变，在提升突出预测效率的同时，确保突出预测的准确性，杜绝应用矿井突出灾害的发生。
1 突出危险精准辨识理论方法的提出
为了指导煤与瓦斯突出预测、预警和防控工作，各国学者从未间断过对突出发生机理的研究，先后提出了多种假说来解释突出发生、发展及停止的内在机制，归纳起来包括瓦斯作用说、地应力作用说、化学本质说和综合作用假说等四类学说[8-9]。20世纪80年代以来，我国学者相继提出了煤与瓦斯突出流变假说[10]、球壳失稳假说[11]、固流耦合失稳理论[12]和力学作用机理[13]等学术观点。伴随着对突出机理研究的逐渐深入，我国防突体系逐步完善，早在2009年就全面强制推广应用了“区域防突为主、局部防突为辅”的两个“四位一体”综合防突措施。《防治煤与瓦斯突出规定》实施以来，我国煤矿因瓦斯灾害死亡人数逐年下降，但是突出事故仍时有发生，且近年来突出事故多发生于局部异常地质结构区和预抽钻孔未有效覆盖的抽采盲区。例如:2018-08-16平煤十三矿发生于己15-1711111回采工作面的突出事故，事故调查过程中勘查得出突出位置附近煤层厚度变化较大，虽然工作面回采前采用顺层钻孔进行了大面积预抽，但由于顺层钻孔钻进未发现煤层厚度变异区、钻孔向顶板发生飘移，造成煤层变厚区内底部煤层瓦斯未抽采达标，回采工作面接近该区时发生了突出煤量301 t、瓦斯量约10 123.33 m3的典型突出事故。
围绕着煤与瓦斯突出孕育和启动需要什么样的特殊地质结构环境？突出煤体有何特殊之处？突出机理研究如何与现场工程条件相结合？能否建立统一的物理模型？等关键科学技术问题，笔者等[14-15]通过对已有研究成果和突出发生处地质结构环境的总结分析，将突出机理研究与现场工程结构相结合，提出了描述突出发生位置工程结构环境特征的关键结构体模型(图1)，并对突出过程进行了剖析，建立了突出启动的力-能判据，初步形成了煤与瓦斯突出的关键结构体致灾机理。其核心观点之一是认为突出发生位置必须具备特殊的地质结构环境，除应关注地应力、瓦斯和煤的物理力学性质3方面的因素外，3者还必须共同作用形成特殊的地质结构环境(即“关键结构体”)，关键结构体是突出得以成功启动的必要条件。
图1 煤与瓦斯突出关键结构体模型[14]
Fig.1 Key structural body model of coal and gas outburst[14]
基于关键结构体模型开展的突出阶段划分认为，突出过程的4个关键环节中，突出准备阶段是一个漫长的过程，始于地质构造运动时构造应力对煤体的改造;突出激发并非等同于突出启动，它隶属于突出准备阶段，直接表现为关键结构体中结构2的突变失稳、破坏、抛出，从而导致突出煤体的暴露，实现对突出的激发;突出启动是结构1暴露失稳这一突变点，而并非以往认识的激发阶段[14]。
通过分析关键结构体中结构2的受力环境(图2)，建立了突出激发阶段受力状态评价指标为
(1)
式中，σs为煤岩体所受的静载应力;σd为采掘扰动或围岩破裂产生的动载应力;σg为煤岩体中的瓦斯压力的等效载荷;σf为结构2失稳破坏的临界荷载。
图2 关键结构体中结构2受力环境示意
Fig.2 Stress conditions and environment of Structure-2 in the key Structure body
建立的突出激发阶段能量耗散评价指标为
(2)
式中，Ur为围岩中存储的弹性潜能;Uc为煤体中存储的弹性潜能;Ug为煤岩体中存储的瓦斯内能;Ud为采掘扰动或围岩破裂输入的能量;Ul为结构2失稳破坏所消耗的能量。
在如图1所示的关键结构体模型中，突出显现形式决定于结构2，结构2突变失稳只是对突出的激发，突出能否成功启动还决定于结构1的受力和蓄能状态。进一步建立的突出启动力学判据Cm为
(3)
式中，Cm为突出启动力学判据;p为煤体内瓦斯压力，MPa;c，φ为煤层的黏聚力与内摩擦角;pa为突出巷道内的环境气体压力;σxt，σyt，σzt分别为煤壁前方的动态应力场中x，y，z方向的应力大小，MPa。
突出启动能量判据Ce为
(4)
式中,Ee为煤体骨架的弹性潜能;Ei为周围煤岩体(如结构3、结构4)对突出煤体所做的功;En贮存在煤体内的瓦斯内能;Wf为煤体粉碎功;Wp为煤岩体抛出功;Wq为诸如煤体发热发声等能量耗散;en为参与突出启动的吨煤瓦斯内能，MJ/t;wf为吨煤粉碎功，MJ/t;wpmin为突出启动时煤的最小抛出功，MJ/t。
煤与瓦斯突出危险区是指具有潜在能量和能量释放危险的、在采掘扰动作用下可能转化为突出事故的区域。根据煤与瓦斯突出关键结构体致灾理论可知，突出危险区的精准辨识除了要及时测定掌握影响突出发生的3因素外，还必须注重对采掘工作面前方潜在地质结构异常区的精细探查。结合式(1)～(4)所示的突出激发和启动力能条件，笔者分析认为[16]:煤层瓦斯压力越大、煤体强度越低，突出危险性越高;地应力大小对突出的影响比较复杂，沿采掘巷道轴向的水平应力越大，突出危险性越高，而垂直于巷道轴向的应力通过控制煤体剪应力大小、煤体破坏程度和强度、煤体渗透率和瓦斯压力梯度等影响着采掘工作面突出危险性大小。针对突出预测和预警工作，笔者认为可分别从超前探测“关键结构体”、实时监测结构2失稳突变的前兆信息和结构1暴露前的瓦斯动态涌出情况、随钻测定结构1的煤层强度和瓦斯大小着手，形成“超前探测-实时监测-随钻测定”相结合的突出综合预测预报技术，必能有效避免突出预测的误报漏报现象[14]。
为此，本文提出煤与瓦斯突出危险的精准辨识方法(图3)，用于指导煤矿井下采掘工作面突出危险的精准预测，其包括3个层次的工作(图4):① 采用物探和钻探相结合的方法，超前探测采掘工作面周围存在的地质结构异常区;② 采用微震和瓦斯涌出实时监测相结合的方法，综合反映采掘扰动条件下采掘工作面周围煤体结构变化、地应力和瓦斯大小变化规律;③ 采用随钻测定相关特征参数和预测指标的方法，进一步验证超前探测和实时监测的预测结果。通过以上3个层次的工作，综合分析采掘工作面周围地质结构异常变化、煤体结构变化、瓦斯和地应力大小变化特征，促进突出预测工作由点预测向面预测、由间断式向连续式、由接触式向接触-非接触式相结合的转变，在提升突出预测效率的同时，确保突出预测结果准确性，达到突出危险“层层递进-精准辨识”的目的，从而促进我国煤矿煤与瓦斯突出防治水平的提升。
图3 煤与瓦斯突出危险精准辨识原理示意
Fig.3 Principle of precision identification method for coal and gas outburst hazard
图4 突出危险精准辨识层次化工作
Fig.4 Workflows of precision identification method for coal and gas outburst hazard
2 超前探测-连续监测-随钻测定相结合的突出危险精准辨识技术
2.1 异常地质结构超前精细探测技术
异常地质结构超前探测领域常用的技术主要包括物探和钻探2个方面[17]。钻探是最直接的技术手段，具有精度高、直观性强、适用面广等优点，其不足之处是测定周期长、工程量大、“一孔之见”等;而物探具有非接触无损探测、工程量小成本低、快速便捷、信息量大等显著优势，但其存在着多解性的显著缺点。因此，采用物探和钻探相结合的方法，能够充分发挥物探和钻探技术各自优势，提高采掘工作面周围异常地质结构的探测精度和效率。
目前，煤矿井下物探方法主要包括地震类、电法类，工程实践中较有效和常用的包括槽波地震勘探、瑞雷波探测、岩体声波探测、无线电波透视、直流电法、瞬变电磁、音频电透视、矿井地质雷达等方法[18]。各类物探技术所反映的介质物理特征决定了其适用条件和范围，例如:地震手段获得的是折射、反射和透射地震波的旅行时，反映地层界面物理特征的是决定地震波传播速度、煤岩体密度、弹性模量等参数;电法主要测量的是井下煤岩体电阻率、电位等电性参数，反映的是煤岩层的电性特征等。
就当下国内外物探技术和装备水平来说，矿井巷道地震超前预报技术(简称MSP)、矿井地质雷达探测、槽波地震探测技术在采掘工作面异常地质结构体探查方面具有较好的发展和应用前景，其中矿井巷道地震超前预报技术和地质雷达探测技术可用于掘进工作面地质结构异常区的超前探测，槽波地震探测技术可用于回采工作面地质结构异常区的精细探查。就防突工作来说，异常地质结构的探测更强调超前性，特别是结合高瓦斯或突出煤层中施工的大量预测和抽采钻孔，可重点发展孔内雷达或孔内地震等精细探测技术和装备。
近年来，笔者所在团队重点探索了钻孔雷达技术在采掘工作面异常地质结构体超前探测中的应用。钻孔雷达以宽频带短脉冲的形式向介质内发射高频电磁波，当其遇到不均匀体(界面)时会反射部分电磁波，其反射系数由介质的相对介电常数决定，通过对雷达天线所接收的反射信号进行处理和图像解译，达到识别隐蔽目标物的目的[19]。
(5)
其中，R为反射系数;ε1,ε2为围岩和有害地质体的介电常数。两者的介电常数差异越大，探测效果会越好。
由于电磁波在特定介质中的传播速度V是一定的，故根据钻孔雷达记录数据中孔壁反射波与异常体反射波的时间差ΔT，即可根据下式得出异常体的深度H为
H=VΔT/2
(6)
其中，V为电磁波在地下介质中的传播速度，其大小由下式得出
(7)
式中，C为电磁波在大气中的传播速度，约为3×108 m/s;ε为相对介电常数，取决于地下各层构成物质的介电常数。
钻孔雷达天线通过光纤与主机相连并进行数据采集、存储、显示、处理分析成像。现场测定过程中，雷达发射与接收天线放置于钻孔中并以一定的速度推进自动扫描探测成像，它向钻孔周围360°空间发射和接收信号，采用100 MHz的天线可以探测钻孔周围10～20 m的反射信号，通过一个钻孔探测即可分析计算出有害地质体的距离和规模，如图5所示。
图5 钻孔周围地质钻孔雷达探测成像示意
Fig.5 Detection imaging diagram of geological borehole radar around the borehole
2.2 采掘工作面突出危险实时监测技术
采掘过程中的微震响应特征主要反映工作面周围煤体结构变化和地应力分布差异，可间接表征出煤岩体的受载损伤程度和稳定性[20]。现场微震监测数据表明，随着掘进面向高应力区的推进，微震指标先缓慢增加后快速增大，出现微震指标的高值异常，验证了室内声发射实验的准确性[21-22]。通过对采掘工作面过典型地质结构异常区模型的数值模拟结果和现场微震监测数据分析[23-24]，发现煤与瓦斯突出的微震前兆特征主要表现为升高型和前震期型;而采掘作业过程中的瓦斯涌出量大小能够间接反映工作面周围的地应力、瓦斯大小和煤体结构变化规律，地应力通过控制煤体孔隙率和渗透率的变化，影响着深部煤体中的瓦斯运移;而采掘工作面周围的瓦斯大小影响着煤体瓦斯压力分布及其梯度，决定了瓦斯涌出量大小;落煤瓦斯涌出量也与煤体结构或破碎程度有关。前人研究表明[25]，煤与瓦斯突出的瓦斯涌出前兆特征主要表现为升高型、波动型和先降后升型。
笔者认为采掘过程中微震和瓦斯涌出演化特征能够综合反映采掘工作面周围煤体结构变化、地应力和瓦斯大小变化规律，可用于突出危险性预测预报，实现采掘工作面突出危险的连续实时监测。为此，提出分别采用滑动平均值、偏离率、离散率和变化特征指数定量表征微震和瓦斯涌出的异常特征[26]。
微震事件变化特征指数Im根据微震事件时间序列的滑动平均值、偏离率和离散率来确定。
滑动平均值A(n)t的表达式为
(8)
式中，n为时间的长度;at为t时刻的微震事件数;A(n)t为最近时间长度n内的微震事件滑动平均值。
偏离率Y(n)t的表达式为
(9)
离散率V(n)t的表达式为
(10)
分别确定正常的微震事件滑动平均值e1、偏离率e2和离散率e3，然后分别对微震事件滑动平均值赋值为α，偏离率赋值为β，离散率赋值为γ，各指标异常时赋值为1，正常时赋值为0，综合判断微震事件变化特征赋值x=α+β+γ，x={0，1，2，3}。
微震事件变化特征指数Im的表达式为
Im=x/3=(α+β+γ)/3
(11)
瓦斯涌出量变化特征指数Ig根据瓦斯涌出量时间序列的滑动平均值A(n)′t、偏离率Y(n)′t和离散率V(n)′t来确定。
滑动平均值A(n)′t的表达式为
(12)
式中，ct为t时刻的瓦斯涌出量;A(n)′t为最近n时间长度内的瓦斯涌出量滑动平均值。
偏离率Y(n)′t的表达式为
(13)
离散率V(n)′t的表达式为
(14)
分别确定正常的瓦斯涌出量滑动平均值e′1、偏离率e′2和离散率e′3，其中瓦斯涌出量的滑动平均值赋值为α′，偏离率赋值为β′，离散率赋值为γ′，各指标异常时赋值为1，正常时赋值为0，综合判断瓦斯涌出量变化特征赋值y=α′+β′+γ′，其中y={0，1，2，3}。
瓦斯涌出量变化特征指数Ig的表达式为
Ig=y/3=(α′+β′+γ′)/3
(15)
为实现微震和瓦斯动态涌出特征的综合分析，基于微震事件变化特征指数Im和瓦斯涌出量变化特征指数Ig，构建出煤与瓦斯突出模糊综合评价模型，提出了突出可能性指数I，用于判断煤与瓦斯突出危险等级:
I(x,y)=w1Im(x)+w2Ig(y)
(16)
式中，w1为微震事件特征指数Im的权重系数;w2为瓦斯涌出量特征指数Ig的权重系数。
根据统计学、模糊数学、现场实测和前人研究成果[27]，将突出危险定量划分为4个等级，即无突出风险、低突出风险、有突出倾向、强突出危险。实际应用过程中，根据不同煤层开采条件，赋予w1，w2不同的权重值，例如应力主导型突出矿井理论上w1>w2，而瓦斯主导型矿井w1<w2;当然，实时监测系统也可根据矿井实际突出发生情况和动力现象，借助大数据分析和机器学习算法等手段动态调整权重系数大小。
表1 煤与瓦斯突出危险等级划分
Table 1 Classification of danger grade for coal and gas outburst hazard
突出危险等级突出危险性可能性指数I无突出风险≤0.25II低突出风险0.25～0.50III有突出倾向0.50～0.75IV强突出危险0.75～1.00
2.3 煤层突出危险性随钻测定检验技术
现阶段工作面日常预测主要采用的是间接反映煤层突出危险性的钻屑瓦斯解吸指标(Δh2和K1值)、钻屑量指标(S)和钻孔瓦斯涌出初速度(q)等指标。研究表明[15]，在应力场环境和煤体物理力学性质相近的条件下，不同煤层突出启动的临界瓦斯压力应该是相近的;然而同一瓦斯压力条件下，不同煤层的瓦斯含量、钻屑瓦斯解吸指标和钻孔瓦斯涌出初速度却存在较大差异，这就决定了不同矿井使用钻屑瓦斯解吸指标和钻孔瓦斯涌出初速度等指标进行突出危险性预测时的临界值必然存在显著差异，故《防治煤与瓦斯突出细则》仍然明确指出各预测指标的临界值应根据试验考察确定。
由突出启动的力学判据式(3)来看，煤层瓦斯压力是突出启动和发展的主要动力之一，直接采用煤层瓦斯压力指标进行工作面突出危险性预测，本质上更能反映煤层突出危险性大小。煤层瓦斯压力和瓦斯含量作为两个最重要的煤层瓦斯基础参数，是煤矿开展区域突出危险性预测工作的重要依据，目前煤层瓦斯含量和瓦斯压力的测定均存在操作复杂、测试周期长、对现场条件要求高、容易受人为因素影响等问题，难以快速准确获得煤层瓦斯压力和含量大小。
基于煤层瓦斯吸附量、解吸速率、钻屑瓦斯解吸指标等与煤层瓦斯压力正相关这一基本规律，结合前人开展的大量吸附解吸实验结果[28-29]，课题组研发了CWH200型煤层瓦斯含量与压力快速测定仪，能够在煤矿井下10 min内快速测得煤层瓦斯压力p和瓦斯含量W。具体实现方法是通过快速测定仪测得煤样不同时刻的瞬时瓦斯解吸量，并采用如式(17)所示的瓦斯解吸放散模型进行拟合，获得常压条件下单位质量煤样的极限可解吸瓦斯含量A。
(17)
式中，v为不同时刻的瞬时瓦斯流量(v1，v2，…，vn);m为煤样罐中的煤粉质量;τ为煤样的暴露时间(τ1，τ2，…，τn)。
基于事先录入的煤层瓦斯吸附常数a,b值和工业分析等数据，可自动计算出单位质量煤样的常压不可解吸瓦斯含量Xb。单位质量煤样吸附瓦斯含量Xa按式(18)计算获得:
Xa=A+Xb
(18)
考虑煤体的水分和灰分影响，根据式(19)即可快速求得煤层瓦斯压力
(19)
式中，Ad为煤的灰分，%;Mad为煤的水分，%。
进一步计算获得单位质量煤样的游离瓦斯含量，并结合单位质量煤样的吸附瓦斯含量Xa，从而获得煤层瓦斯含量W。
CWH200型煤层瓦斯含量与压力快速测定仪已通过现场检验并获得了安标证书，其显著特点是操作方便，实现了煤层瓦斯含量与压力的随钻快速测定，缩短了煤层瓦斯压力和含量的测定周期，革新了传统的煤层瓦斯压力和含量的测定原理及方法，可用于突出危险性预测及防突措施效果检验工作中，进一步丰富和完善了突出预测指标体系。
3 探索性工程试验
3.1 试验地点及试验方案
阳泉矿区位于山西省沁水煤田东北部，煤系地层主要为二叠系山西组和石炭系太原组，是全国瓦斯涌出量最大、突出频率最高和自然灾害最严重的矿区之一。本次试验地点选定为阳泉矿区某矿31011回风巷掘进工作面。试验矿井是阳泉矿区典型突出矿井之一，区内3号煤层平均厚度2.77 m，实测最大煤层瓦斯压力2.44 MPa，最小坚固性系数0.21，最大瓦斯放散初速度21.8，煤层具有突出危险性。现场试验地点及实时监测传感器布设方案如图6所示。
现场试验过程中，掘进作业施工前，利用施工的区域预测钻孔开展钻孔雷达探测;掘进作业过程中，利用预先安设的实时监测系统动态分析工作面突出危险性大小;结合工作面突出危险性预测工作，随钻测定K1值、Δh2、瓦斯压力(p)和瓦斯含量(W)大小。试验过程中用到的CWH200型煤层瓦斯含量与压力快速测定仪、YTC10煤层突出参数测定仪等仪器设备实物如图7所示。
图6 试验地点及传感器布设基本情况
Fig.6 Basic information of test site and sensor arrangement
图7 试验设备实物
Fig.7 Physical drawing of test equipment
3.2 现场试验效果分析
(1)异常地质结构超前精细探测
借助31011回风巷工作面定期施工的区域预测钻孔，开展钻孔雷达超前探测跟踪试验，获得的钻孔雷达探测结果如图8所示。
图8(a)为实时监测预警系统正常运行第10天时，以每道采集间隔0.2 m进行单孔反射探测，经滤波、降噪处理后的钻孔雷达超前探测结果。横轴为钻孔深度，测试深度41 m左右;纵轴为探测半径，10 m左右。整体上钻孔径向信号衰减正常，无明显异常反射信号，钻孔周围不存在明显的地质构造;钻孔轴向，反射信号显示无明显异常界面存在，仅在局部区域反射信号微弱，存在信号分层现象，后期巷道揭露发现此处局部发育有软分层，煤层整体均质性较好，且未见有断层、陷落柱等构造存在。
图8 31011回风巷工作面钻孔雷达剖面
Fig.8 Borehole radar profile of 31011 return airway head-on
图8(b)为实时监测预警系统运行第18天时，以每道采集间隔0.2 m进行单孔反射探测，经滤波、降噪等数据处理后的钻孔雷达超前探测结果。横轴为钻孔深度，测试深度66 m左右;纵轴为探测半径，10 m左右。整体上钻孔径向信号衰减正常，无明显异常反射信号，钻孔周围无断层、陷落柱等构造;沿钻孔轴向不同深度处信号衰减差异明显，后期揭露显示该区煤体软分层发育，煤体均质性较差，整体较破碎，且存在打钻喷孔现象。
(2)采掘工作面突出危险实时监测
前文2.2节中建立的煤与瓦斯突出实时监测预测模型中包含了滑动平均值、偏离率和离散率等指标。其中，滑动平均值能够从波动离散的数据中发掘出更加直观的规律，反映了微震或瓦斯动态涌出原始监测数据的大小;偏离率反映了原始监测数据瞬时值的短时波动性，而离散率则反映了时间长度n内原始监测数据的长时波动性，两者分别反映了不同时间长度的数据波动特征，既能体现出原始监测数据的实时性，又能体现出其准确性。
煤与瓦斯突出实时监测系统实现了采掘工作面周围微震和瓦斯动态涌出数据的连续实时采集。图9，10分别给出了实时监测系统前30 d正常运行期间获得的微震和瓦斯涌出数据滑动平均值、偏离率和离散率变化情况(时间长度n取10)。
由图9可以看出，微震事件率滑动平均值总体上呈逐渐增大的趋势，偏离率变化曲线显示出整个巷道掘进期间微震事件率均在一定范围内波动;但从离散率变化可以明显看出，长时来看微震事件率越来越离散，特别是第20 d以后(对应超前探测的第2阶段)，离散率越来越大，说明该区范围内地应力有增大趋势、煤体破碎程度更加剧烈(与超前探测结果一致)。
图9 微震监测数据分析过程
Fig.9 Analysis process of micro-seismic monitoring data
由图10可以明显看出，掘进工作面进入第2阶段后(第18天后)，瓦斯体积分数呈现明显增大的趋势，对应的偏离率和离散率也急剧增大，表明该区煤体瓦斯含量有显著增大趋势;后期滑动平均值依然有逐渐增大趋势，而偏离率和离散率均明显降低并逼近于0，说明随着巷道的不断掘进，瓦斯体积分数持续较高，但不再有逐渐增大的趋势(实际体积分数保持在0.4%左右，第1阶段为0.25%左右)。与超前探测结果对比可知，以上瓦斯浓度呈现的变化规律与第2阶段煤体较为破碎、松软有关。
图10 瓦斯体积分数监测数据分析过程
Fig.10 Analysis process of gas concentration monitoring data
利用前文2.2节中所建立的方法，分别计算微震事件变化特征指数、瓦斯涌出量变化特征指数和煤与瓦斯突出可能性指数如图11所示，从图11可以看出，巷道进入第2阶段以后(特别是20～30 d)，微震事件变化特征指数和瓦斯涌出量变化特征指数均显著增大，煤与瓦突出可能性指数均上升至0.5以上。结合表1中建立的煤与瓦斯突出危险等级划分原则可知，第1阶段(1～20 d)的掘进工作面处于无突出危险和低突出风险区;而第2阶段(21～30 d)的煤层突出风险较高，掘进工作面处于有突出倾向和强突出风险区，应该引起足够的重视。
图11 实时监测系统特征指数变化曲线
Fig.11 Change curve of characteristic index of real-time monitoring system
(3)煤层突出危险性随钻快速检测
采用CWH200型煤层瓦斯含量与压力快速测定仪和YTC10瓦斯突出参数测定仪同时在31011回风巷开展煤层突出危险性参数跟踪测试。实时监测预警系统前30 d正常运行期间的突出预测指标K1值、Δh2、瓦斯压力(p)和瓦斯含量(W)的测试结果变化曲线如图12所示。数据表明，K1值、Δh2、瓦斯压力(p)和瓦斯含量(W)4个指标表现出较强的相关性，均表现出逐渐增大的整体趋势，且在巷道掘进的第2阶段(21～30 d)，K1值、Δh2、瓦斯压力(p)和瓦斯含量(W)总体均相对较大。第26天，K1值达到最大值0.39 mL/(g·min1/2)，瓦斯压力(p)逼近0.74 MPa。第30天，Δh2值达到最大值210 Pa，瓦斯含量(W)达到最大值8.02 m3/t。此外，第26天现场施工预测钻孔时发生了喷孔现象。可见，随钻快速测定结果很好地验证了超前探测和实时监测预测准确性。
图12 31011回风巷突出危险性指标测试结果
Fig.12 Test results of coal and gas outburst indicators of 31011 return airway
4 分析与讨论
突出发生位置必须具备特殊的地质结构环境，关键结构体是突出得以成功启动的必要条件，故异常结构体超前探测就显得尤为重要。借助突出或高瓦斯煤层施工的大量预测和抽采钻孔，基于围岩介质电性参数差异引起电磁波反射的原理，借助钻孔雷达的手段，能够精细探测出钻孔周围一定范围内的小型构造、煤体结构和煤层厚度变化等地质结构异常。对于100 MHz天线的钻孔雷达，煤层中径向探测距离10～20 m，探测精度能够达到0.5 m左右，且由于软分层作为典型的耗散介质，信号衰减快。因此，100 MHz天线的钻孔雷达能够精细探测出掘进面前方的巷道及其两帮20～40 m宽度的小型构造、隐伏构造、软分层、煤层厚度突变和区域构造煤等异常地质结构，满足掘进工作面防突工作的需求;对于回采工作面，可以借助施工的顺层或穿层预抽钻孔开展钻孔雷达探测工作，精查出工作面范围内存在的异常地质结构。试想一下，本文引言中提到的平煤十三矿己15-1711111回采工作面范围内煤层赋存不稳定，煤层厚度变化大，若借助钻孔雷达探测技术，利用回采工作面范围内施工的大量顺层钻孔开展精细探查工作，便能超前掌握煤层厚度突变带的位置，进而有针对性地制定抽采措施，“8·16”突出事故是完全可以避免的。当然，目前钻孔雷达单孔探测成像结果并不能很好地指示出异常地质结构的方位，也仍然存在多解性等问题，今后的研究工作应重点予以关注与改进。当然，诸如电磁波CT、钻孔地震和槽波地震等探测技术也存在服务于采掘工作面周围异常地质结构精细探测的潜力，值得进一步深入研究和工程试验。
基于微震监测和瓦斯动态涌出相结合的突出危险实时监测技术虽能定性反映出采掘工作面前方地应力、瓦斯大小和煤体结构的变化情况，现场试验结果也表明文中所建立的突出可能性指数I能够较准确地反映出前方煤体突出危险性。但是模型中滑动平均值、偏离率和离散率的临界值、时间长度n、微震事件变化特征指数和瓦斯涌出量变化特征指数的权重系数以及突出可能性指数的等级划分原则等均受人为因素影响，今后应用过程中，应基于大量的现场监测数据并结合实际的突出危险情况，通过引入大数据分析和机器学习算法等方式，动态分析和科学确定预警模型中包含的滑动平均值、偏离率和离散率的正常值、时间长度n、微震事件变化特征指数和瓦斯涌出量变化特征指数的权重系数以及突出可能性指数的等级划分临界值等参数;同时可以深入分析煤与瓦斯突出的微震、瓦斯涌出等信号的前兆特征信息和波形变化特征，进一步研究和完善突出危险性综合判识模型，以便逐步提高实时监测系统判识结果的准确性。
煤矿井下煤层瓦斯含量与压力快速测定技术丰富和完善了以往的突出预测指标体系，现场试验结果也说明CWH200型煤层瓦斯含量与压力快速测定仪测值能够用于指导现场防突工程实践。煤层瓦斯压力作为突出启动的直接动力，便是进行突出危险性预测最直接的指标。大量的室内实验和工程实践已经证明:同一吸附平衡压力条件下，不同煤样的吸附瓦斯量大小和解吸曲线存在较大差异;同一瓦斯压力水平条件下不同煤层的瓦斯含量、钻屑瓦斯解吸指标、钻孔瓦斯涌出初速度等预测指标的临界值也存在较大差异。因此，直接采用煤层瓦斯压力指标进行工作面突出危险性预测，本质上更能反映煤层突出危险性大小，利用煤层瓦斯含量与压力快速测定技术会使得突出预测结果更加直接、快速、可靠。当然，包括上述煤层瓦斯含量与压力快速测定技术在内的突出预测方法均未真正实现随钻测定，普遍存在“以点代面、以偏概全”的问题，即点预测不能连续立体地反映采掘工作面前方煤体中各指标变化情况，单个指标也只是反映影响突出发生的某一方面因素。高瓦斯和突出矿井中各种钻孔钻进过程蕴含着大量反映孔底煤体突出危险性的信息有待挖掘，诸如钻孔瓦斯涌出量、钻进参数和钻屑量等随钻测定技术，以及能综合反映地应力、煤层瓦斯大小和煤体物理力学性质变化的随钻突出预测方法值得进一步深入研究。
本文提出的“超前探测-实时监测-随钻测定”相结合的突出危险辨识技术理论上能够综合反映采掘工作面周围地质结构异常变化、煤体结构变化、瓦斯地应力和变化特征，能够确保突出预测工作的准确性，实现采掘工作面突出危险性“层层递进-精准辨识”的目的。针对新版《防治煤与瓦斯突出细则》提出的多元信息“综合预警、快速响应和有效处理”总体要求，今后可重点发展“钻探和物探相结合超前探测地质结构异常，实时监测采掘工作面微震信号和瓦斯涌出时序变化，随钻测定各种特征参数和预测指标”为核心的综合预警技术和系统，结合大数据分析和机器学习算法等先进技术，有望实现煤与瓦斯突出灾害多元信息综合监测与智能预警。
5 结论与展望
(1)“超前探测地质结构异常-实时监测煤体突出危险性-随钻测定煤层瓦斯大小”相结合的突出危险精准辨识方法能够综合反映采掘工作面周围地质结构异常变化、煤体结构变化、瓦斯和地应力大小变化特征，可促进突出预测工作由点预测向面预测、由间断式向连续式、由接触式向接触-非接触式相结合的转变，在提升突出预测效率的同时，确保突出预测工作的准确性，达到突出危险“层层递进-精准辨识”的目的。
(2)突出发生位置必须具备特殊的地质结构环境，关键结构体是突出得以成功启动的必要条件，故采掘工作面前方异常地质结构精细探测是当前防突工作的重中之重;借助突出或高瓦斯煤层施工的大量预测和抽采钻孔，结合钻孔雷达、钻孔地震和槽波探测等物探方法，发展物探和钻探相结合的精细探测技术，能够充分发挥物探和钻探技术优势，提高采掘工作面周围异常地质结构的探测精度与效率，对防突工作意义重大。
(3)采掘过程中的微震和瓦斯涌出演化特征能实时动态表征采掘工作面周围煤体结构变化、地应力和瓦斯大小变化特征，实现采掘工作面突出危险的连续实时监测;但现有突出危险判识模型中变化特征指数的权重系数以及突出可能性指数的等级划分临界值等参数，需要基于大量的现场监测数据并结合实际的突出危险情况进行动态分析和科学确定，更需要考虑引入大数据分析和机器学习算法不断训练综合预测模型，以便更好地实现突出危险实时监测效果。
(4)通过进一步发展物探和钻探相结合的精细探测技术，引入大数据分析和机器学习算法等训练综合判识模型，开发以“超前探测异常地质结构，实时监测采掘工作面微震信号和瓦斯涌出时序变化特征，随钻测定各种特征参数和预测指标”为核心的综合预警系统，有望实现突出灾害多元信息综合监测和智能预警，更好地服务于煤矿井下煤与瓦斯突出防治工作。
本文重点提出“超前探测地质结构异常-实时监测煤体突出危险性-随钻测定各种特征参数和预测指标”这一煤与瓦斯突出危险“层层递进-精准辨识”技术思路和方法，相关的技术和配套设备需要在今后的科研工作中不断完善，文中技术探索部分更多的是想抛砖引玉，相信国内外各科研院所、研究机构和企业会不断发展出新型的技术实现手段和配套设备。
致谢 文中现场试验和数据采集工作主要由朱南南牵头组织实施，期间得到了阳煤集团相关领导和技术人员的大力支持和帮助，在此一并表示感谢！
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