基于流變本構(gòu)方程和突出現(xiàn)象，提出了煤與瓦斯突出的流變—突變機(jī)理。該機(jī)理說明，突出現(xiàn)象的本質(zhì)是含瓦斯煤體在應(yīng)力、瓦斯、煤層物理力學(xué)性質(zhì)和時(shí)間四大要素作用下的流變—突變破壞過程。含瓦斯煤體流變破壞速度和能量分布是否異常，是突出能否發(fā)生的關(guān)鍵。煤與瓦斯突出災(zāi)害在時(shí)間上，具有突出的孕育準(zhǔn)備、發(fā)動(dòng)、發(fā)展和結(jié)束四個(gè)階段。

　　突出的流變—突變機(jī)理告訴我們，煤與瓦斯突出是含瓦斯煤巖體流變破壞動(dòng)態(tài)演化后發(fā)生突變的結(jié)果，這是有效預(yù)測和防治突出的最根本基礎(chǔ)。要準(zhǔn)確預(yù)測突出，給出早期預(yù)警，必須找到監(jiān)測流變破壞過程的工具。“卸應(yīng)力、抽瓦斯、控流變、防突變”是流變—突變理論昭示的防治突出災(zāi)害的基本原則，已被突出礦井防突工程普遍采用，效果顯著，并被《煤礦防治煤與瓦斯突出規(guī)定》采納。例如，沈煤集團(tuán)紅菱礦12號(hào)煤層突出嚴(yán)重，按照卸應(yīng)力、抽瓦斯、控流變、防突變的原則，開采與之相距16米、厚度僅40厘米的11號(hào)煤層，同時(shí)采一米厚巖石，采后消除了12號(hào)煤層的突出危險(xiǎn)，確保了安全高效開采。

　　該理論的重要理論意義在于，它解釋了以前無法解釋的延期突出、硬煤突出、突出過程瓦斯噴出量遠(yuǎn)大于拋出煤瓦斯含量等突出現(xiàn)象。延期突出是含瓦斯煤流變發(fā)展到突變的結(jié)果;只要條件具備，硬煤也會(huì)發(fā)生突出;突出過程中，整個(gè)流變區(qū)域瓦斯是噴出瓦斯的重要補(bǔ)給源。這對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)煤層突出危險(xiǎn)性、準(zhǔn)確預(yù)測突出危險(xiǎn)區(qū)域具有重要意義。大量現(xiàn)場實(shí)際突出現(xiàn)象驗(yàn)證了流變—突變機(jī)理。如寺河礦2008年“5·20”突出事故等，驗(yàn)證了硬煤突出的結(jié)論;應(yīng)用該理論查明了大平礦“10·20”特大瓦斯事故原因是延期突出。

　　電磁輻射監(jiān)測預(yù)警技術(shù)裝備與方法

　　煤巖動(dòng)力災(zāi)害的本質(zhì)是煤巖體經(jīng)過流變破裂演化過程而發(fā)生的瞬間突變行為。實(shí)現(xiàn)含瓦斯煤巖流變破壞過程及狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)掌握采掘空間含瓦斯煤巖體發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)，是突出災(zāi)害預(yù)防工程、技術(shù)及研究人員的夢(mèng)想，但一直沒有得到很好的解決。

　　筆者在含瓦斯煤巖流變突變破壞實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，流變破壞過程伴隨產(chǎn)生電磁輻射現(xiàn)象，并從1992年起開始專注于這一方向的研究。通過大量的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和煤礦井下工程實(shí)測，發(fā)現(xiàn)電磁輻射是煤巖流變—突變破壞過程中的一種能量輻射形式，它與應(yīng)力、瓦斯壓力密切相關(guān)。應(yīng)力和瓦斯壓力越高，煤巖體變形破裂越強(qiáng)烈，電磁輻射越強(qiáng)。因此，可以用電磁輻射監(jiān)測煤巖體流變—突變形成災(zāi)害的過程，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力災(zāi)害的早期預(yù)警。

　　研究結(jié)果表明，煤巖電磁輻射信號(hào)是頻譜范圍寬、強(qiáng)度弱的脈沖信號(hào)。如何在煤礦井下實(shí)測到這些非常微弱的信號(hào)，面臨著很多難題。一是缺乏專用的工程監(jiān)測儀表;二是地面的監(jiān)測儀表無法直接下井，需要解決儀器防水、防塵和防爆的問題;三是煤礦井下采掘空間也有很多機(jī)電設(shè)備，其工作時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)很強(qiáng)。通過多年的努力，筆者與科研團(tuán)隊(duì)成功發(fā)明了具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、主要由高靈敏度寬頻帶定向接收天線和智能監(jiān)測主機(jī)組成的系列化煤巖流變破壞電磁輻射監(jiān)測裝備，為煤巖流變破壞過程監(jiān)測和煤巖動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警提供了基礎(chǔ)工具和應(yīng)用裝備。該裝備成功解決了抗干擾、防爆、防塵、防水等難題，與軟件配套解決了復(fù)雜信號(hào)濾波、多源信息自動(dòng)處理、生產(chǎn)工藝干擾信號(hào)和有效信號(hào)等自動(dòng)監(jiān)測辨識(shí)問題。該裝備通過了國家相關(guān)機(jī)構(gòu)的檢測檢驗(yàn)和認(rèn)證。

　　在進(jìn)行電磁輻射監(jiān)測預(yù)警煤巖動(dòng)力災(zāi)害工程驗(yàn)證及工業(yè)性試驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)，同傳統(tǒng)鉆孔檢測技術(shù)一樣，存在著預(yù)警臨界值難以確定和臨界值法預(yù)警準(zhǔn)確率低等問題。通過與鉆孔指標(biāo)、動(dòng)力顯現(xiàn)和實(shí)際發(fā)生的動(dòng)力現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比和統(tǒng)計(jì)確定預(yù)警臨界值是非常困難的，而且周期很長。因此，需要從理論上解決監(jiān)測預(yù)警的指標(biāo)、方法和臨界值確定等問題。

　　我們基于電磁輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律和損傷力學(xué)理論，建立了煤巖流變破壞力—電耦合理論模型。它建立起電磁輻射與應(yīng)力、破裂間的理論對(duì)應(yīng)關(guān)系;基于煤巖動(dòng)力災(zāi)害流變—突變規(guī)律和煤巖力—電耦合模型建立了煤巖動(dòng)力災(zāi)害電磁輻射監(jiān)測預(yù)警準(zhǔn)則，確定了臨界值與動(dòng)態(tài)趨勢相結(jié)合的預(yù)警方法，并得出煤巖動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)臨界條件的無量綱值域，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤巖動(dòng)力災(zāi)害無危險(xiǎn)、危險(xiǎn)和強(qiáng)危險(xiǎn)的三級(jí)預(yù)警，解決了預(yù)警臨界值難以確定的問題，改變了過去只依靠臨界值法預(yù)警而準(zhǔn)確率低的歷史，顯著提高了預(yù)警準(zhǔn)確率。

　　電磁輻射監(jiān)測裝備實(shí)現(xiàn)了非接觸式、定向、實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了煤巖動(dòng)力災(zāi)害全過程及全空間的實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測信息量和準(zhǔn)確率顯著提高，操作非常簡便。該項(xiàng)技術(shù)成果被列入《國家科技成果重點(diǎn)推廣計(jì)劃》和國家《安全生產(chǎn)重點(diǎn)推廣技術(shù)目錄》，在全國近百家礦山獲得應(yīng)用，在全國7所高校用于煤巖電磁輻射實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用研究。已經(jīng)在50%以上的國有重點(diǎn)突出煤礦區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用，在我國90%以上有沖擊礦壓危險(xiǎn)煤礦進(jìn)行了工程應(yīng)用，成為沖擊礦壓的主要監(jiān)測預(yù)警手段，有效預(yù)防了煤礦沖擊礦壓傷亡事故。如在徐州三河尖煤礦，近60%可采煤層區(qū)域受沖擊礦壓威脅，有些采區(qū)因?yàn)闆_擊礦壓災(zāi)害嚴(yán)重，又沒有可靠的檢測預(yù)警手段，礦工不敢下井而被迫停止開采。電磁輻射預(yù)警技術(shù)應(yīng)用到該礦，實(shí)現(xiàn)了可靠預(yù)警，對(duì)有沖擊礦壓危險(xiǎn)區(qū)域采用卸壓措施，消除了沖擊礦壓危險(xiǎn)，保證了安全回采。在該礦沖擊礦壓災(zāi)害最嚴(yán)重的7204工作面回采過程中，電磁輻射監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)成功預(yù)警到了38次沖擊礦壓危險(xiǎn)并被驗(yàn)證。

　　此外，該技術(shù)裝備還被用于隧道穩(wěn)定性評(píng)估。重慶朝天門隧道頂部建有兩座36層大樓，1999年發(fā)現(xiàn)隧道有滲水、開裂等不穩(wěn)定性征兆，采用電磁輻射等技術(shù)實(shí)測評(píng)估圍巖確實(shí)在發(fā)生動(dòng)態(tài)破壞，并確定了危險(xiǎn)位置，后期實(shí)施了加固工程。電磁輻射監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在沖擊礦壓比較嚴(yán)重的波蘭ZOFIOWKA煤礦進(jìn)行了成功的應(yīng)用。在巖爆嚴(yán)重的加拿大IAMGOLD金礦也進(jìn)行了成功的應(yīng)用。

　　電磁輻射監(jiān)測預(yù)警技術(shù)及裝備，為研究煤巖破壞規(guī)律提供了一種新的有效監(jiān)測和辨識(shí)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤巖流變破壞過程的非接觸連續(xù)監(jiān)測，對(duì)實(shí)現(xiàn)煤礦煤巖動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息化、智能化，提高預(yù)警的可靠性具有重要促進(jìn)作用。在礦山和地下工程方面也有廣闊的應(yīng)用前景。

　　煤巖動(dòng)力災(zāi)害非常復(fù)雜，隨著采深加大、地質(zhì)環(huán)境和采礦活動(dòng)的變化，其監(jiān)測預(yù)警難度更大。筆者只是在這一領(lǐng)域做了一些初步的開創(chuàng)性工作，煤巖動(dòng)力災(zāi)害的準(zhǔn)確監(jiān)測預(yù)警和有效防治任重道遠(yuǎn)，還需要更艱苦的研究探索。
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