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。
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”。
煤与瓦斯突出机理流变假说[9-10]
煤与瓦斯突出的力学作用过程描述[13]
试验系统构成及煤与瓦斯突出多场耦合致灾机理[28-30]
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。
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。
（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S、钻孔瓦斯涌出初速度q、钻屑瓦斯解吸指标Δh2（或K1）、煤体破坏类型及坚固性系数f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D，K与R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。
（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V30与KV，其中V30为工作面放炮后30min内瓦斯涌出量与爆破落煤量之比，ＫV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。
（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。
煤岩动力灾害声电瓦斯监测系统及应用[67]（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。
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。
（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。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。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。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。
保护层开采及卸压瓦斯强化抽采方法汇总
（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。
定向钻进随钻瓦斯参数动态反演模型[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）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。
①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。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。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 。
②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，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。
液氮循环致裂煤体作用机制[139]③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。
分析相关研究成果可知，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。
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 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 。
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 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f＞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ΔP＜10。煤层突出危险性鉴定指标及主要临界参数已近30a没有变化，但期间煤炭平均采深增加了300～400ｍ，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 、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 融合物联 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。
王恩元，男，1968年生，内蒙古卓资人，教授，博士生导师。中国矿业大学安全工程学院院长，中国矿业大学安全生产检测检验中心（甲级）主任。全国高校安全科学与工程院长联合会副主席，中国职业安全健康协会理事，中国煤炭工业协会动力灾害预警与防治专家委员会专家。国务院政府特殊津贴获得者，新世纪百千万人才工程国家级人选，全国优秀博士学位论文指导教师。主持国家自然科学基金基础研究仪器专项、国家科技成果重点推广计划项目、国家自然科学基金重点项目、国家“973计划”、国家“十五”~“十三五”科技攻关和支撑计划项目专题等国家级项目20余项。获国家科技进步二等奖1项，中国专利优秀奖１项，省部级奖11项。出版专著5部，发表学术论文200余篇，授权国内外发明专利30余项。
研究方向
煤岩动力灾害防控、地球物理监测与多场耦合、安全监测与大数据分析、智能预警等
主要成果
研究揭示了煤岩动力灾害演化机理，创立了煤岩损伤电磁辐射理论，发明了煤岩动力灾害声电监测预警技术及系列装备，发明了煤岩体应力定向监测方法及系统，建立了煤岩动力灾害风险隐患大数据监测与分析预警平台。
王恩元，张国锐，张超林,等. 我国煤与瓦斯突出防治理论技术研究进展与展望［J］. 煤炭学 ,2022,47(1):297-322.
声明：本站部分文章及图片源自用户投稿，如本站任何资料有侵权请您尽早请联系jinwei@zod.com.cn进行处理,非常感谢！