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高维小样本下煤与瓦斯突出集成学习预测模型
1
作者 王超 张绍源 +4 位作者 刘宇 亓帅 金子浚 喻豪 宋大钊 《矿业科学学报》 北大核心 2025年第5期890-899,共10页
煤与瓦斯突出预测数据具有高维、小样本等特征,给预测建模带来巨大挑战。针对这一问题,通过构建包含瓦斯压力、瓦斯含量、煤体破坏类型等7个指标的60组样本数据库,采用排列重要性降维方法进行特征降维,筛选出5个关键特征(瓦斯放散初速... 煤与瓦斯突出预测数据具有高维、小样本等特征,给预测建模带来巨大挑战。针对这一问题,通过构建包含瓦斯压力、瓦斯含量、煤体破坏类型等7个指标的60组样本数据库,采用排列重要性降维方法进行特征降维,筛选出5个关键特征(瓦斯放散初速度、煤层厚度、瓦斯含量、瓦斯压力和煤的坚固系数),以减少弱相关特征对预测建模的影响;选取支持向量机(SVM)、随机森林(RF)、K最近邻(KNN)、逻辑回归(LR)和梯度提升算法(XGBoost)作为基学习器,XGBoost为元学习器构建Stacking集成模型,并结合贝叶斯优化(BO)算法对模型超参数进行全局寻优,构建一种煤与瓦斯突出预测的BO-Stacking集成模型,并采用沙普利加和解释(SHAP)方法对模型预测结果进行可解释性分析。结果表明:经过特征降维后的BO-Stacking模型准确率、F1值、Kappa系数和AUC值分别为92.4%、0.956、0.927和0.969,均优于各单一模型的预测性能;各特征指标对预测结果的影响大小排序为瓦斯放散初速度>瓦斯含量>瓦斯压力>煤的坚固系数>煤层厚度。BO-Stacking集成学习模型具有良好的预测性能和稳定性,为煤与瓦斯突出预测提供了一种新方法。 展开更多
关键词 煤与瓦斯突出预测 特征降维 Stacking集成学习 贝叶斯优化 SHAP可解释性
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煤体倾角突变对煤与瓦斯突出及冲击演化特征影响
2
作者 唐巨鹏 黄磊 +3 位作者 潘一山 张昕 任凌冉 张众华 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第3期18-32,共15页
为进一步探究深部复杂地质构造煤体倾角突变对煤与瓦斯突出及冲击演化特征影响,考虑突出实际情况,设置倾角突变界面,界面上侧为原煤,下侧为型煤,分别用于模拟原生煤体与构造煤体,通过三维应力加载模拟现场真实工况,结合冲击力测试仪、... 为进一步探究深部复杂地质构造煤体倾角突变对煤与瓦斯突出及冲击演化特征影响,考虑突出实际情况,设置倾角突变界面,界面上侧为原煤,下侧为型煤,分别用于模拟原生煤体与构造煤体,通过三维应力加载模拟现场真实工况,结合冲击力测试仪、声发射检测仪、数据采集仪等监测设备,开展不同倾角(煤体倾角突变初始角度θ_(I)、突变角度θ_(M))突变条件下突出模拟试验,分析煤体倾角突变对突出强度及冲击参数(冲击力峰值、负压段最大值、急剧变化段时长)的影响。研究结果表明:(1)在10°<θ_(I)≤20°、10°≤θ_(M)≤20°的范围内存在一个煤体倾角突变临界值θ_(T),当θ_(I)与θ_(M)均大于等于θ_(T)时,易发生低指标突出;当θ_(I)一定时,临界瓦斯压力与θ_(M)成负相关关系,单位突出强度与θ_(M)成正相关关系。(2)冲击力在模拟巷道内的演化过程可划分为3个阶段:急剧变化阶段、波动变化阶段及平稳变化阶段。正压阶段高频脉冲A与负压阶段高频脉冲B的数量与密集度均与θ_(M)密切相关,随θ_(M)的增大,冲击力急剧变化阶段波动越发复杂,高频脉冲A、B在该段内逐渐呈现出高度集中的态势。(3)冲击力峰值和负压段最大值与瓦斯集中系数成负线性关系,急剧变化阶段时长与瓦斯集中系数成正线性关系。冲击气流峰值速度和累计AE能量变化趋势基本一致,均与瓦斯集中系数θ_(I)成负线性关系,两者皆在θ_(M)大于等于θ_(T)时呈现较为显著的变化特征。 展开更多
关键词 深部复杂地质构造 煤体倾角突变 煤与瓦斯突出 煤粉分布 冲击力 突出强度
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煤厚异常区对煤与瓦斯突出影响规律研究
3
作者 唐巨鹏 张众华 +3 位作者 潘一山 任凌冉 张昕 黄磊 《煤炭学报》 北大核心 2025年第6期2988-2999,共12页
煤与瓦斯突出是威胁我国煤矿安全生产最严重的动力灾害,煤厚异常区是影响煤与瓦斯突出发生的重要因素。为揭示煤厚异常区对煤与瓦斯突出影响规律,利用自主研制的真三轴煤与瓦斯突出相似模拟试验系统,以洛阳新安煤矿14151突出煤层为研究... 煤与瓦斯突出是威胁我国煤矿安全生产最严重的动力灾害,煤厚异常区是影响煤与瓦斯突出发生的重要因素。为揭示煤厚异常区对煤与瓦斯突出影响规律,利用自主研制的真三轴煤与瓦斯突出相似模拟试验系统,以洛阳新安煤矿14151突出煤层为研究对象,结合声发射(AE)监测装置,分别模拟了煤厚4、5、6、7m和煤厚变化率1、2、3、4m/dam的煤与瓦斯突出相似模拟试验,结合现场突出事故,对比分析了突出的顶板坍塌情况、临界瓦斯压力、相对突出强度、声发射特征参数等试验结果,结合煤体内部裂纹破裂扩展情况,建立了煤厚异常区与煤与瓦斯突出前兆信息关系指标。结果表明:在相同地应力条件下,煤厚异常区相对突出强度受临界瓦斯压力和煤层稳定性共同影响。相对突出强度与煤厚变化率呈二次函数关系,相对突出强度随煤厚变化率的增加呈现先增大后减小趋势,在2~3m/dam达到峰值。从AE能量角度分析,煤与瓦斯突出过程是一个由低能值的稳定态向高能值的非稳定态发展的演化过程,并提出第一临界点。煤厚相对增加1m,第一临界瓦斯压力减小11.78%、12.82%、11.37%,煤厚变化率相对增大1m/dam,第一临界瓦斯压力减小22.14%、17.54%、21.49%,表明煤层增厚,煤厚变化率增大,均会导致第一临界点越早出现,且煤厚变化率对煤层稳定性影响更为显著。根据不同阶段累计AE能量平均斜率的比值,定义了表征煤与瓦斯突出危险性弱、中、强的量化指标,为煤与瓦斯突出动力灾害防治提供参考。 展开更多
关键词 煤与瓦斯突出 煤厚异常区 声发射 能量演化 前兆信息
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煤层倾角突变区煤与瓦斯突出模拟试验研究
4
作者 唐巨鹏 黄磊 +3 位作者 潘一山 任凌冉 张昕 张众华 《岩土力学》 北大核心 2025年第6期1719-1730,共12页
煤层倾角突变区是深部煤炭采掘过程中极易发生煤与瓦斯突出的复杂地质条件之一。以河南平顶山某矿为研究对象,开展不同倾角突变条件下突出模拟试验研究,设置倾角突变界面,界面上侧为原煤,下侧为型煤,分别用于模拟原生煤层与构造煤层。... 煤层倾角突变区是深部煤炭采掘过程中极易发生煤与瓦斯突出的复杂地质条件之一。以河南平顶山某矿为研究对象,开展不同倾角突变条件下突出模拟试验研究,设置倾角突变界面,界面上侧为原煤,下侧为型煤,分别用于模拟原生煤层与构造煤层。定义煤层倾角突变初始角度θ_(I)、突变角度θ_(M)、突变角临界值θ_(T)、瓦斯在倾角突变区集中系数I_(θ),用以分析煤层倾角突变对突出强度造成的影响。引入单位突出强度IU表征试验过程中的突出强弱,期间利用声发射技术对突出过程中能量演化规律进行监测,并通过内置于试样中的温度传感器记录各区域温度的变化情况。研究结果表明:(1)煤层倾角突变区对突出时临界瓦斯压力及单位突出强度具有显著影响,在10°<θ_(I)≤20°、10°≤θ_(M)≤20°范围内存在煤层倾角突变临界值θ_(T),当θ_(I)与θ_(M)均大于等于θ_(T)时,易发生低指标突出;当θ_(I)或θ_(M)一定时,单位突出强度随瓦斯在倾角突变区集中系数增大而增大。(2)煤层倾角突变初始角度θ_(I)及突变角度θ_(M)与声发射能量峰值及累计声发射能量间呈负相关关系,随着θ_(I)与θ_(M)的增大,煤体达到破裂失稳所需能量逐渐降低,当所处地应力环境相同时,其在低瓦斯压力条件下即可发生突出。(3)突出孕育与激发阶段,煤体内部温度变化存在显著差异,煤层倾角突变区附近温度变化明显高于其余各区域,突出口近端区域煤体温度波动较其他区域表现出了更强的不稳定性。 展开更多
关键词 煤层倾角突变 煤与瓦斯突出 单位突出强度:声发射能量 温度
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基于IDBO-HKELM-Adaboost的煤与瓦斯突出危险性预测方法 被引量：1
5
作者 李曼 徐耀松 +1 位作者 王雨虹 王丹丹 《传感技术学报》 北大核心 2025年第3期477-486,共10页
为实现更加高效准确地完成煤与瓦斯突出危险性预测,提出了一种采用Adaboost算法增强的改进蜣螂算法(IDBO)优化混合核极限学习机(HKELM)的预测模型。首先,在数据降维时采用核主成分分析(KPCA)对影响因素进行处理并提取有效的特征量,得到... 为实现更加高效准确地完成煤与瓦斯突出危险性预测,提出了一种采用Adaboost算法增强的改进蜣螂算法(IDBO)优化混合核极限学习机(HKELM)的预测模型。首先,在数据降维时采用核主成分分析(KPCA)对影响因素进行处理并提取有效的特征量,得到预处理样本数据。将PWLCM混沌映射、非线性递减策略以及邻域学习机制融入到蜣螂算法中,之后,利用IDBO对HKELM的关键参数进行寻优,构建IDBO-HKELM煤与瓦斯突出危险性分类预测模型。最后,使用Adaboost算法对IDBO-HKELM模型进行增强。结合工程实际数据进行验证,验证结果表明:相较于其他模型,基于IDBO-HKELM-Adaboost的预测方法具有更高的预测精度,在提高运算效率的同时满足煤与瓦斯突出预测的精度和可靠性要求,准确率达到97.44%。 展开更多
关键词 煤与瓦斯突出 突出预测 改进蜣螂算法 混合核极限学习机 核主成分分析 预测模型
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基于双重能量约束的煤与瓦斯突出发展及强度分析理论
6
作者 王成浩 程远平 +1 位作者 王亮 蒋静宇 《煤炭学报》 北大核心 2025年第10期4791-4810,共20页
基于“源-耗”关系的能量守恒模型长期主导煤与瓦斯突出的定量化研究,但单式约束在描述具体能量演化路径时存在局限性,注定其研究方法以对比分析为主,难以反映煤与瓦斯突出的动态发展过程。通过揭示突出激发阶段煤体变形能预释放与瓦斯... 基于“源-耗”关系的能量守恒模型长期主导煤与瓦斯突出的定量化研究,但单式约束在描述具体能量演化路径时存在局限性,注定其研究方法以对比分析为主,难以反映煤与瓦斯突出的动态发展过程。通过揭示突出激发阶段煤体变形能预释放与瓦斯膨胀能释放的协同作用机制,构建包含全过程能量判据的新型理论框架。首先,基于煤体拉伸破坏的临界应力-孔隙率耦合关系,推导瓦斯膨胀能阈值的解析表达式,并建立考虑工作面应力和瓦斯非均匀分布特征的突出激发能量判据;然后,将传统的能量守恒式作为突出发展的判别式,建立基于变形等效原理的突出不同阶段煤体搬运功计算模型、基于最小新增面积原理的煤体破碎功计算模型,以完善突出发展的多阶能量约束体系;最后,提出能量链式释放理论,通过“激发—发展”双条件时序约束机制,多阶段动态模拟突出过程。结果表明:随着与工作面距离的增加,煤层储能与突出阈值呈现非线性递增趋势,且突出阈值的超线性增长特性导致二者形成自下而上的交叉点,该临界交点决定了煤体抛出的空间范围;突出初始阶段受激发条件主导,后期转为发展条件控制;经参数敏感性分析,确定能量转化效率为30.5%~66.1%(μ=52.3%±13.1%),该参数使模拟结果与近年来事故案例突出强度数据吻合度较好。研究发现,构造煤(f<0.2)在高地应力(>35 MPa)和低瓦斯压力(<0.52 MPa)条件下仍具备突出潜能,建议将地应力监测提升为煤矿动力灾害防控的核心指标。本研究建立的“激发—发展”全周期能量链式分析体系,为突破难以定量化表征突出过程的瓶颈提供了新范式。 展开更多
关键词 煤与瓦斯突出 能量判据 突出激发 突出发展 突出强度
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碎煤初期解吸瓦斯对煤与瓦斯突出动力效应影响的试验研究
7
作者 曹偈 胡千庭 +2 位作者 赵旭生 孙海涛 戴林超 《煤炭学报》 北大核心 2025年第9期4260-4276,共17页
煤与瓦斯突出时快速涌出的大量瓦斯是突出冲击波、突出煤−瓦斯两相流等动力效应产生的重要原因,为明确解吸瓦斯对突出动力效应的影响机制,开展了不同气压及吸附/非吸附性气体条件下的突出动力效应物理模拟试验,分析了瓦斯对突出冲击波... 煤与瓦斯突出时快速涌出的大量瓦斯是突出冲击波、突出煤−瓦斯两相流等动力效应产生的重要原因,为明确解吸瓦斯对突出动力效应的影响机制,开展了不同气压及吸附/非吸附性气体条件下的突出动力效应物理模拟试验,分析了瓦斯对突出冲击波、突出煤−瓦斯两相流运移特征参数的影响,定义了可反应突出碎煤颗粒群瓦斯解吸速率的“瓦斯解吸等效粒径”,结合气体扩散动力学理论构建了突出煤初期解吸瓦斯膨胀能模型,从能量来源角度探讨了解吸瓦斯的作用机制。结果表明:由于突出冲击波形成时间极短(几毫秒),煤中解吸瓦斯对冲击波的影响有限;气体压力对突出冲击波的影响较为显著,随气体压力的增加,超压峰值逐渐增大且其沿巷道衰减呈增大趋势;而突出强度随瓦斯压力及气体吸附能力的增大而增大,CO_(2)试验条件下突出煤质量为He试验条件下的1.4倍。将突出动力效应的能量耗散分为破碎功、抛出功及突出冲击波耗散的能量,低气压条件下,能量耗散以破碎功为主(0.3 MPa占比达73.9%);随气体压力增大、吸附能力增强,抛出功所占比例逐渐增大;突出冲击波耗散的能量占比基本小于10%。突出煤的解吸瓦斯对突出动力效应做功的能量贡献率在33%~90%,随气体压力及气体吸附性能的增大而增大。建立了基于瓦斯解吸等效粒径概念的碎煤初期解吸瓦斯膨胀能模型,利用模型计算得到突出煤在突出持续过程的解吸瓦斯膨胀能全部参与了突出动力效应做功。探讨了不同因素对突出煤解吸瓦斯膨胀能的影响:瓦斯解吸等效粒径对突出煤解吸瓦斯膨胀能影响最为显著,突出煤解吸瓦斯膨胀能随等效粒径减小先缓慢增加,当等效粒径减小到0.5 mm后显著增大,由此应力也能通过影响煤岩破碎程度影响瓦斯膨胀能的释放;突出煤解吸瓦斯膨胀能随吸附气体压力、初始扩散系数的增大而增加,增加幅度逐渐减小;随瓦斯含量的增大几乎呈线性增长关系。 展开更多
关键词 煤与瓦斯突出 动力效应 解吸瓦斯 能量 等效粒径
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基于改进DBO优化CNN的煤与瓦斯突出风险预测
8
作者 杜锋 李康楠 +5 位作者 王凯 戴林超 赵明昊 王超杰 蒋立翔 王亮 《矿业科学学报》 北大核心 2025年第5期912-922,F0003,共12页
随着煤矿开采深度的逐步增加,深井围岩压力显著增大,瓦斯释放与积聚的风险也同步加剧,煤与瓦斯突出的发生概率随之升高。基于此,建立了一种基于深度学习的煤与瓦斯突出预测模型。首先,采用局部离群因子(LOF)和链式多重插补法(MICE)预处... 随着煤矿开采深度的逐步增加,深井围岩压力显著增大,瓦斯释放与积聚的风险也同步加剧,煤与瓦斯突出的发生概率随之升高。基于此,建立了一种基于深度学习的煤与瓦斯突出预测模型。首先,采用局部离群因子(LOF)和链式多重插补法(MICE)预处理所采集的数据,运用肯德尔等级相关系数筛选出高度相关的影响因素,并将其作为瓦斯突出的预测指标;然后,搭建卷积神经网络(CNN)模型框架,采用改进正弦算法动态调步长,引入高斯-柯西混合变异强化全局与局部搜索,结合Bernoulli混沌映射提升种群多样性并改进蜣螂搜索算法,得到MSADBO优化模型的超参数,基于MSADBO-CNN建立煤与瓦斯突出预测模型;最后,对比各模型的准确率等评价指标并通过混淆矩阵分析模型预测的安全性。结果表明:MSADBO-CNN模型在训练集上的准确率为98.7%,在验证集和测试集上的准确率为91.67%,实现了更高预测精度,展现出更强鲁棒性与泛化能力,并在安全关键场景中风险更低。 展开更多
关键词 煤与瓦斯突出 数据预处理 预测指标 参数优选 卷积神经网络
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煤与瓦斯突出过程中动力效应及能量耗散特征量化研究
9
作者 杨雪林 文光才 +6 位作者 孙海涛 闫发志 程晓阳 曹偈 杨慧明 郑普方 杨梅 《煤炭学报》 北大核心 2025年第9期4207-4222,共16页
煤与瓦斯突出是一种煤矿开采过程中伴随复杂能量释放的动力灾害。为量化研究其动力效应和能量耗散特征,以龙滩煤矿典型突出煤样为研究对象,利用自主研发的煤与瓦斯突出模拟试验系统,研究了瓦斯压力、装煤量对突出强度的影响规律,并通过... 煤与瓦斯突出是一种煤矿开采过程中伴随复杂能量释放的动力灾害。为量化研究其动力效应和能量耗散特征,以龙滩煤矿典型突出煤样为研究对象,利用自主研发的煤与瓦斯突出模拟试验系统,研究了瓦斯压力、装煤量对突出强度的影响规律,并通过多元线性回归建立了突出煤量的预测模型。结果表明:瓦斯压力的增加显著缩短腔体压力释放时间(从0.789 s降至0.232 s),并提高了突出煤−瓦斯两相流阵面峰值速度(从8.73 m/s增至51.52 m/s),显著加剧了煤体的破碎程度,等效粒径从330μm降至192μm,新增表面积从1.495 m^(2)/kg增至9.662 m^(2)/kg;装煤量的增加延长了压力释放时间(延长51%),同时提升了突出煤量(由25.25 kg增至40.74 kg)。多元线性回归模型表明,突出煤量(B)与初始瓦斯压力(P0)、装煤量(M)呈高度线性关系(拟合系数R2=0.96),回归方程为B=10.146+26.62P0+0.41M。突出过程中煤体吸附瓦斯膨胀能仅有6.5%~15.0%参与了突出做功(用于破煤和抛煤),其他能量以瓦斯的缓慢涌出的形式而耗散。参与突出做功的瓦斯膨胀能中约90%的能量用于煤体破碎,剩余约10%用于煤体抛出。瓦斯压力对膨胀能的转化有决定性作用,随瓦斯压力增大,参与突出做功的吸附瓦斯膨胀能越大,突出煤量增大。而随着装煤量增大,总体吸附膨胀能增大,但参与突出做功的膨胀能占比不变,尽管突出煤量增大,但相对突出强度不变。 展开更多
关键词 煤与瓦斯突出 瓦斯膨胀能 瓦斯压力 突出强度 能量耗散
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基于多区组合煤体的煤与瓦斯突出动力学机制 被引量：4
10
作者 李峰 王琛琛 +3 位作者 王博 荆亚东 闫正旭 张民波 《煤田地质与勘探》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第5期12-24,共13页
煤与瓦斯突出(以下简称“突出”)严重影响煤炭安全开采,其背后涉及的众多科学问题仍未解决。为降低煤体力学性质各向异性对突出研究的困扰,构建多区组合煤体模型;基于上覆岩层应力分布特征及应力波传播机制确定“弱区”煤体位置,将研究... 煤与瓦斯突出(以下简称“突出”)严重影响煤炭安全开采,其背后涉及的众多科学问题仍未解决。为降低煤体力学性质各向异性对突出研究的困扰,构建多区组合煤体模型;基于上覆岩层应力分布特征及应力波传播机制确定“弱区”煤体位置,将研究对象由“突出中心体”具体为“弱区”。由于外部动载扰动是导致突出的激发条件,采用冲击试验研究应力波在层状组合煤岩体中的传播规律,构建组合煤岩体应力-应变本构模型。进而明确卸载波作用下,煤体轴向多层层裂是煤体质点内撞击形成加载冲击波在自由面反射形成拉应力波导致的;煤体径向平面,由于泊松效应形成卸载波追赶塑性加载波的情形,生成多个径向裂隙及环向裂隙,得到煤体层裂片厚度动态演化规律。从而明确在外部动载扰动下,煤体“弱区”最先破坏,轴向产生多层层裂、径向平面产生多个径向及环向裂隙的三维损伤路径。基于此,提出一种基于多区组合煤体的突出动力学机制,将突出划分为准备、启动、发展、终止四个阶段。突出准备阶段,煤体上覆岩层应力转移、集中,高瓦斯压力梯度形成,为后续煤体失稳破坏创造条件;突出启动阶段,煤体受外部动载扰动,轴向“弱区”煤体最先发生破坏、形成多层层裂,径向平面形成多个径向及环向裂隙;突出发展阶段,吸附态瓦斯解吸与游离态瓦斯积聚形成高压瓦斯抛出煤体,导致突出继续向深部煤体发展,形成二次损伤;突出终止阶段,积聚形成的瓦斯压力低于煤体抗拉强度,形成稳定的纺锤形突出腔体,突出终止。该机制初步解释了突出过程中“响煤炮”“口小腔大”突出孔洞等动力现象成因,为矿井防突工作提供了新思路。 展开更多
关键词 煤与瓦斯突出 多区组合煤体模型 弱区 应力波 层裂 突出动力学机制
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1950-2022年中国煤与瓦斯突出事故的时空分布规律 被引量：3
11
作者 范超军 张鑫鹏 +3 位作者 杨雷 富向 杨振华 李胜 《辽宁工程技术大学学报（自然科学版）》 CAS 北大核心 2024年第3期279-287,共9页
为厘清煤与瓦斯突出事故的发生规律,从时间和空间2个维度,对1950-2022年中国煤与瓦斯突出事故进行统计分析并提出防突措施与建议。研究结果表明:1950-2022年中国煤与瓦斯突出事故的时间分布特征可划分为大幅上升时期(1950-1980年)、持... 为厘清煤与瓦斯突出事故的发生规律,从时间和空间2个维度,对1950-2022年中国煤与瓦斯突出事故进行统计分析并提出防突措施与建议。研究结果表明:1950-2022年中国煤与瓦斯突出事故的时间分布特征可划分为大幅上升时期(1950-1980年)、持续好转时期(1981-2000年)和稳定下降时期(2001-2022年)。空间分布特征为范围广、较集中、南多北少、南重北轻。煤与瓦斯突出事故发生次数随时间逐渐减少,死亡人数与煤矿事故总死亡人数之比随时间波动上涨。煤与瓦斯突出矿井的空间分布总体呈南多北少的特点。研究结果为中国煤与瓦斯突出事故防治提供参考。 展开更多
关键词 煤与瓦斯突出 突出矿井 突出事故 灾害防治 时空分布
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煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出事故自动发现与报警方法研究 被引量：8
12
作者 孙继平 程继杰 《工矿自动化》 CSCD 北大核心 2024年第5期1-5,13,共6页
煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出自动感知报警方法是及时发现事故并应急救援,减少人员伤亡,避免或减少瓦斯和煤尘爆炸等次生事故发生,遏制事故迟报、漏报和瞒报的有效措施。煤矿冲击地压事故感知难,目前还没有煤矿冲击地压事故自动发现和报... 煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出自动感知报警方法是及时发现事故并应急救援,减少人员伤亡,避免或减少瓦斯和煤尘爆炸等次生事故发生,遏制事故迟报、漏报和瞒报的有效措施。煤矿冲击地压事故感知难,目前还没有煤矿冲击地压事故自动发现和报警方法,煤矿冲击地压事故主要靠人工发现。目前仅有基于甲烷、风速和风向传感器的煤与瓦斯突出自动报警方法,但存在响应速度慢、甲烷传感器损毁前监测不到甲烷浓度大幅升高等问题。提出了煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出图像感知报警方法:根据煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出温度、颜色、深度、掩埋等图像特征,识别煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出;再根据巷道空间和采掘工作面的甲烷浓度变化,区分冲击地压和煤与瓦斯突出,如果甲烷浓度大面积迅速升高,则判定为煤与瓦斯突出,否则判定为冲击地压。该方法具有直观、响应速度快、非接触、监测范围广、简单可靠等优点,可直观地记录煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出真实情况;当煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出事故报警后,调度室值班人员可以通过录像,立即确认事故,及时进行应急救援。提出了减少煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出抛出的煤岩对图像感知影响的方法:摄像机多点布置,摄像机设置在较高位置,视频数据及时传输,甲烷传感器多点布置等。 展开更多
关键词 冲击地压 煤与瓦斯突出 煤矿事故感知 灾害报警 图像识别
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矿井煤与瓦斯突出事故应急救援能力评估模型 被引量：14
13
作者 祁云 薛凯隆 +3 位作者 汪伟 崔欣超 王宏祥 齐庆杰 《中国安全科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第2期225-230,共6页
为降低煤矿井下煤与瓦斯突出事故中的人员伤亡和财产损失,提高突出事故中的应急救援能力,提出一种麻雀搜索算法(SSA)优化支持向量机(SVM)的煤与瓦斯突出事故应急救援能力评估模型。首先,依据相关文献与研究报告构建包括应急预防能力、... 为降低煤矿井下煤与瓦斯突出事故中的人员伤亡和财产损失,提高突出事故中的应急救援能力,提出一种麻雀搜索算法(SSA)优化支持向量机(SVM)的煤与瓦斯突出事故应急救援能力评估模型。首先,依据相关文献与研究报告构建包括应急预防能力、应急准备能力、应急响应能力和恢复善后能力在内的4项一级指标,其中包括18项二级指标,并以各指标的得分数据作为模型训练数据集;然后,利用网络层次分析法(ANP)与熵权法(EWM)分别确定各评估指标在相互影响下的主客观权重,通过拉格朗日函数将各权重融合得到最优权重,运用SSA算法优化SVM的径向基核参数g和惩罚因子C,将最优权重计算得出的结果作为SSA-SVM模型的输入,期望值作为输出进行线性回归预测;最后,以河北省某矿为例,将SSA-SVM模型与传统SVM、粒子群优化算法(PSO)优化SVM、鲸鱼优化算法(WOA)优化SVM 3种不同模型的预测结果分别与期望值作对比分析。结果表明:SSA-SVM模型的预测结果与实际相符,平均绝对误差相较于其他模型分别下降8.04%、5.15%、4.82%,证明所建模型的优越性,可将其应用于矿山企业实际矿井煤与瓦斯突出事故应急救援能力评估。 展开更多
关键词 煤与瓦斯突出 应急救援能力 评估模型 麻雀搜索算法(SSA) 支持向量机(SVM) 组合赋权
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基于机器学习的煤与瓦斯突出预测研究进展及展望 被引量：22
14
作者 薛生 郑晓亮 +2 位作者 袁亮 来文豪 张玉婷 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第2期664-694,共31页
我国煤矿安全生产形势不断好转,但煤与瓦斯突出事故仍时有发生。煤与瓦斯突出预测不仅能指导防突措施科学的运用、减少防突措施工程量,在一定程度上也可以确保煤矿工人的作业安全。机器学习(Machine Learning, ML)是一门涉及概率论、统... 我国煤矿安全生产形势不断好转,但煤与瓦斯突出事故仍时有发生。煤与瓦斯突出预测不仅能指导防突措施科学的运用、减少防突措施工程量,在一定程度上也可以确保煤矿工人的作业安全。机器学习(Machine Learning, ML)是一门涉及概率论、统计学和计算机学等领域的交叉学科,可以挖掘突出事故和指标间的非线性关系。将机器学习用于煤与瓦斯突出预测,已得到相对广泛的关注,并随着人工智能和计算机技术的快速进步,其在突出预测领域将发挥更大作用。因此,对机器学习在煤与瓦斯突出预测中的研究进行了全面的综述,分析其在突出预测中面临的难点并展望其发展方向。首先,简述煤与瓦斯突出假说、发生机理与预测指标选择的研究现状;介绍机器学习在煤与瓦斯突出预测领域的主要研究进展,包括支持向量机(Support Vector Machines,SVM)、人工神经网络(Artificial Neural Network, ANN)、极限学习机(Extreme Learning Machines,ELM)和集成学习(Ensemble Learning, EL)等算法的应用,以及特征选择和缺失数据填补在数据处理等方面的创新,同时也指出了目前基于机器学习的突出预测研究面临的挑战及存在的问题,例如事故与非事故样本的不平衡、数据的指标缺失和机器学习中的小样本等;最后,展望了基于机器学习的煤与瓦斯突出预测的未来发展方向,包括改进算法性能、优化特征工程和增加样本量等。随着计算机性能的提升,有望开发出更为复杂、精准的模型,以提高对突出事故的准确预测能力。 展开更多
关键词 煤与瓦斯突出 机器学习 突出预测 特征选择
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煤层渗透性对煤与瓦斯突出的影响规律及控制机理 被引量：8
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作者 张超林 刘明亮 +3 位作者 王恩元 王培仲 姜巧真 曾伟 《煤炭学报》 CSCD 北大核心 2024年第12期4842-4854,共13页
煤与瓦斯突出是矿井灾害中一种破坏性巨大的瓦斯动力现象,严重威胁煤矿安全生产。煤层渗透性是综合反映煤层特性的重要参数,利用自主研发的多功能煤与瓦斯突出模拟试验系统,开展了不同渗透率条件下(1.38×10^(−15)、6.69×10^(−... 煤与瓦斯突出是矿井灾害中一种破坏性巨大的瓦斯动力现象,严重威胁煤矿安全生产。煤层渗透性是综合反映煤层特性的重要参数,利用自主研发的多功能煤与瓦斯突出模拟试验系统,开展了不同渗透率条件下(1.38×10^(−15)、6.69×10^(−15)、7.34×10^(−15)和9.10×10^(−15) m^(2))煤与瓦斯突出物理模拟试验。结果表明:随着煤层渗透率的增加,突出两相流运移形态逐渐由栓流演变为分层流和沙丘流,且煤粉运移速度及其峰值逐渐降低,由1.38×10^(−15) m^(2)条件下31.98 m/s减小为9.10×10^(−15) m^(2)条件下20.10 m/s;伴随突出两相流运移产生的冲击波呈现阶段式演化特征,对应负相压区间冲击波超压谷值的最大绝对值大于正相压区间冲击波超压峰值,且在巷道前端随煤层渗透率的增加而下降;4次试验对应相对突出强度分别为75.63%、44.65%、38.01%、10.97%,拟合得到相对突出强度随煤层渗透率增大呈指数下降关系。理论分析认为,瓦斯压力梯度是以渗透力的形式作用于煤体,而煤层渗透性主要是通过影响瓦斯渗透力动态变化,进而影响煤与瓦斯突出强度以及突出两相流运移状态;随着煤层渗透率的增加,瓦斯流动受到的阻力减小,瓦斯压力下降较快,难以形成高瓦斯压力梯度,同时暴露面附近的瓦斯渗透力较低,并快速向远处转移,无法进一步破坏暴露面煤体,导致突出强度下降,甚至不发生突出。最后,从瓦斯压力梯度和瓦斯渗透力的角度系统探讨了煤与瓦斯突出全过程演化特征,得出煤层渗透率在突出各个阶段均占据重要作用,结合我国煤与瓦斯突出预测现状及难题,认为煤层渗透率有望成为突出预测新指标,关键在于如何结合煤矿现场实际条件确定其临界值,分别从试验研究、理论分析和工程实践等方面提出了未来展望。 展开更多
关键词 煤与瓦斯突出 煤层渗透率 突出两相流 瓦斯压力梯度 瓦斯渗透力
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一种新型煤与瓦斯突出物理模拟系统研制与应用 被引量：1
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作者 刘永茜 霍中刚 +5 位作者 李宏艳 舒龙勇 孙中学 汪东 刘学 史兴旺 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期327-339,共13页
物理力学实验模拟是研究煤与瓦斯突出机理和发育规律的重要技术方法之一。研发一种新型煤与瓦斯突出模拟系统,旨在借助现有先进监测技术和装备,结合具体瓦斯地质模拟条件,开发出先进的实验设计方案,实现复杂场景下的煤与瓦斯突出现象模... 物理力学实验模拟是研究煤与瓦斯突出机理和发育规律的重要技术方法之一。研发一种新型煤与瓦斯突出模拟系统,旨在借助现有先进监测技术和装备,结合具体瓦斯地质模拟条件,开发出先进的实验设计方案,实现复杂场景下的煤与瓦斯突出现象模拟,助推煤与瓦斯突出机理研究。本模拟系统由应力加载子系统、实验箱体子系统、动力牵引子系统、气压控制子系统、诱突装备子系统、模拟巷道子系统和测控子系统7部分构成,在各个子系统设计过程中都不同程度地实现了技术方法提升,整个系统形成了标志性创新成果。模拟系统有如下特点:(1)完善了三轴同步连续非均匀加载技术装备的高载荷加/卸载功能。试件加载由X、Y和Z方向的10个独立压头完成,试件尺寸为400 mm×400 mm×1200 mm,载荷强度最大25 MPa,最大密闭气压6.0 MPa,上述10个压头中的任意个体可根据指令独立或同步完成行程内的加/卸载任务,并实现了水平应力分层加卸载。(2)形成了系统制样、装样、密封、加载一体化工艺。实验箱体为新型分体式结构,由动力牵引系统辅助实验箱体完成试件成型、应力加载和模拟材料搬运,且箱体结构平移量控制精准。(3)集成多种诱突技术于同一模拟平台,完成了包括箱体、突出窗口等多项技术装备功能创新,完成了动力诱突、二级爆破片联动诱突、变径钻进诱突等多种诱突技术及装备研制,且在动力诱突和变径钻进诱突技术装备上实现了原始创新,并经过了实验模拟验证。(4)实现了关键装置结构体的设计创新。双层钢板箱体缓解了同步加载的应力集中并提高箱体结构气密性,突出口的内腔设计提高了诱突效率,模拟巷道端头结构与管道“软包硬”结构设计提高了系统安全性,变径钻头结构实现了Rouleauxs triangle理论的工程化应用。(5)多元信息监测及数据融合实现了模拟测试的精准化。采用了先进的数据采集系统(应力、气压、温度等数据)和包括声发射、高速摄像机等监控技术装备,实现了煤与瓦斯突出的多元数据精准监测。(6)工程案例模拟证实了系统应用的可靠性。通过平煤“3·22”突出案例模拟,完成了系统功能的整体检验,并发现了突出过程中断层构造对地应力、气体压力和温度的影响规律,证实了本物理力学模拟系统性能可靠,可为煤与瓦斯突出机理研究提供平台支撑作用。 展开更多
关键词 煤与瓦斯突出 物理模拟 地质构造 诱突技术 控制系统 装备研制
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构造煤变形能及在煤与瓦斯突出中的作用 被引量：13
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作者 程远平 王成浩 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第2期645-663,共19页
煤与瓦斯突出是一种以煤体变形能与瓦斯膨胀能共同驱动的煤岩动力灾害,尽管突出的综合作用假说已被广泛认可,相比于瓦斯膨胀能,煤体变形能在突出中的作用总被忽视。为了确定煤体变形能在突出中是否可以被忽略,对霍多特和郑哲敏的研究(... 煤与瓦斯突出是一种以煤体变形能与瓦斯膨胀能共同驱动的煤岩动力灾害,尽管突出的综合作用假说已被广泛认可,相比于瓦斯膨胀能,煤体变形能在突出中的作用总被忽视。为了确定煤体变形能在突出中是否可以被忽略,对霍多特和郑哲敏的研究(突出能量领域的代表性成果)开展了系统回顾与讨论,认为霍多特提出的突出激发能量判据以煤体变形能为核心,而郑哲敏的数量级对比结果不能作为变形能可以被忽视的证据。大部分煤与瓦斯突出事故发生在构造煤层中,为揭示构造煤变形能在突出中的贡献,开展了煤体循环载荷实验与三轴破坏同步声发射监测实验,实验结果表明:与原生煤的线性、小变形特征不同,构造煤的加卸载曲线具有非线性、大变形的特征,构造煤的变形能与应力不再符合平方关系。基于土力学临界状态模型,构建了适用于构造煤非线性特征的变形能理论计算模型,该模型反映了煤体变形能与应力间的幂函数关系,确定了构造煤的幂指数主要为1.1~1.3,原生煤的幂指数主要为1.7~1.9,进一步表明构造煤的性质与土体更相似,而原生煤的性质更接近理想弹性体。尽管在相同应力水平下,构造煤的变形能更大,但构造煤在失稳后的对外释放能量很低,表现为损伤破碎时几乎不产生声发射信号。构造煤变形能的对外释放能量增加了煤体孔隙率,对内耗散能量为瓦斯快速解吸提供条件,2者综合控制了瓦斯膨胀能的释放。瓦斯膨胀能的研究对象应为参与突出做功的瓦斯,即突出煤体在短时间内的释放瓦斯,进一步的实验与数值分析结果表明,参与突出做功的瓦斯膨胀能与构造煤体变形能数量级相近,为10^(2)~10^(3)kJ/t。煤体变形能与瓦斯膨胀能的释放存在时序性与因果性,在突出孕育–激发阶段,煤体变形能的预先释放是瓦斯膨胀能聚集的必要条件。突出由煤体变形能与瓦斯膨胀能共同控制,煤体变形能与瓦斯膨胀能在突出中具有同等重要的地位。 展开更多
关键词 煤与瓦斯突出 构造煤 煤体变形能 瓦斯膨胀能 释放机制
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基于深度特征的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出图像感知报警方法 被引量：8
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作者 程继杰 刘毅 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第3期245-257,共13页
冲击地压和煤与瓦斯突出容易造成煤矿重特大事故。针对目前煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出事故发生主要靠人工发现,结合灾害造成不同于正常工况下采掘工作面和巷道空间的颜色和深度特征,提出了一种基于深度特征的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突... 冲击地压和煤与瓦斯突出容易造成煤矿重特大事故。针对目前煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出事故发生主要靠人工发现,结合灾害造成不同于正常工况下采掘工作面和巷道空间的颜色和深度特征,提出了一种基于深度特征的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出图像感知报警方法:在煤矿井下巷道顶板、巷帮靠近顶板以及采掘工作面液压支架顶部或靠近顶部等位置多点布置带有补光灯的彩色双目摄像机,实时采集采掘工作面和巷道空间彩色图像和深度图像;以煤矿井下与灾害抛出煤岩有着鲜明颜色差别的生产设备作为背景,监测识别是否出现彩色图像颜色发生较大变化;如果掘进巷道端头、巷道中间、巷道入口,或回采工作面,或进风巷道入口、巷道中间,或回风巷道入口、巷道中间,或主运输、辅助运输大巷等位置彩色双目摄像机监测到图像颜色发生较大变化,则监测彩色图像平均亮度是否小于设定的亮度阈值;如果平均亮度小于设定的亮度阈值,则以与灾害抛出煤岩有鲜明颜色差别的生产设备为背景,监测深度图像是否发生较大变化;如果深度图像发生较大变化,那么监测导致深度图像发生较大变化物体的移动速度是否大于设定的速度阈值(v>13 m/s);当移动速度大于设定速度阈值时,利用多点布置的甲烷传感器监测监视区域内甲烷浓度,当采煤工作面、掘进工作面、进风巷道、回风巷道、总回风巷道等多个不同地点均监测到甲烷浓度大幅升高或达到报警值,那么进行煤与瓦斯突出报警,反之,则进行冲击地压报警。提出了彩色双目摄像机感知灾害最佳倾角的确定方法,以及导致深度图像发生较大变化物体移动速度的确定方法。在确保安全性的前提下,简化了灾害模拟试验,设计了一套煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出颜色和深度特征模拟试验装置:采用与煤岩颜色和比重相近的10 mm橡胶球替代灾害抛出煤岩;利用直径315 mmPVC管模拟煤矿井下巷道受限空间以及与抛出煤岩有着鲜明颜色差异的背景设备;利用轴流式高压鼓风机作为动力装置,进行模拟冲击地压和煤与瓦斯突出发生时大量煤岩抛出造成的采掘工作面和巷道空间颜色和深度异常特征;利用3.4 mm焦距、30FPS、71°×55°视场角的彩色双目摄像机,完成对整个灾害模拟过程的监视与彩色双目图像采集。研究分析表明,提出的方法可识别出灾害发生时颜色和深度特征,验证了基于深度特征的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出图像感知报警方法的可行性与有效性。 展开更多
关键词 冲击地压 煤与瓦斯突出 颜色特征 深度特征 速度特征 图像识别
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煤与瓦斯突出的扩容突变机理 被引量：2
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作者 王超杰 李晓伟 《煤炭学报》 CSCD 北大核心 2024年第S2期1007-1024,共18页
煤与瓦斯突出机理作为百年世界性难题,其防治在现阶段已进入瓶颈期。面对突出事故的不间断发生,其背后所涉及的众多科学问题仍难以解答,如地应力与瓦斯压力及煤体力学强度在突出孕育过程中的耦合作用和主控阶段性特征尚未能明晰。为此,... 煤与瓦斯突出机理作为百年世界性难题,其防治在现阶段已进入瓶颈期。面对突出事故的不间断发生,其背后所涉及的众多科学问题仍难以解答,如地应力与瓦斯压力及煤体力学强度在突出孕育过程中的耦合作用和主控阶段性特征尚未能明晰。为此,基于典型突出事故所被触发的力学背景,从采动煤体力学损伤动态响应规律入手,揭示了多变力学行为下含瓦斯煤体损伤过程中的扩容特征,明晰了采动应力与瓦斯压力互馈响应规律,阐明了孕突过程中煤体初始破坏主控机制,进而提出了煤与瓦斯突出的扩容突变机理。结果表明:含瓦斯煤体损伤失稳过程所凸显的扩容特征分为扩容缓增、扩容快增、扩容突增及扩容骤增4个阶段,期间瓦斯压力因地应力作用先后经历作用能力强化增强阶段(扩容缓增阶段)、作用能力强化减弱阶段(扩容快增阶段和扩容突增阶段)及作用能力弱化阶段(扩容快增阶段后或扩容突增阶段后或扩容骤增阶段后)。而煤体原始强度并不能决定实际煤体破坏程度,甚至破坏的难易程度,关键在于应力加卸载路径。突出的本质则是含瓦斯煤岩体在地应力与瓦斯压力主控作用阶段性转变过程中,由煤体发生扩容突变现象引发结构失稳并被抛出的一个具有典型时间属性的突变动力过程(称为突出的“扩容突变机理”)。一次突出的孕育过程可分为3个阶段:首先煤体在以地应力为主导、瓦斯压力协同作用下发生初始损伤(扩容缓增阶段与扩容快增阶段),称为突出孕育的第1阶段;而后煤体在以瓦斯压力为主导、地应力协同作用下发生结构分区层裂化,并产生进一步碎裂(扩容突增阶段和扩容骤增阶段),称为突出孕育的第2阶段;最后层裂煤体在瓦斯压力的作用下发生破碎及粉化(即扩容突变),称为突出孕育的第3阶段。进而破碎煤体在瓦斯压力的作用下被抛出,激发突出。研究成果为煤与瓦斯突出机理认识的深化提供了新的视野,同时可为突出防治技术革新奠定理论基础。 展开更多
关键词 煤与瓦斯突出 突出机理 扩容突变 瓦斯压力作用 煤体损伤
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近10年我国煤与瓦斯突出事故统计规律与动力效应特征分析 被引量：14
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作者 曹偈 《矿业安全与环保》 CAS 北大核心 2024年第3期36-42,49,共8页
挖掘历史事故案例特征可为准确认识煤与瓦斯突出机理及灾害防控预警提供更多支撑。分析近10年发生的煤与瓦斯突出事故统计数据尤其是较大及以上事故案例,探究突出发生规律及动力效应特征。结果表明:近年来重大以上突出事故基本杜绝,但... 挖掘历史事故案例特征可为准确认识煤与瓦斯突出机理及灾害防控预警提供更多支撑。分析近10年发生的煤与瓦斯突出事故统计数据尤其是较大及以上事故案例,探究突出发生规律及动力效应特征。结果表明:近年来重大以上突出事故基本杜绝,但事故死亡人数占煤矿事故总死亡人数的比例仍较高,其平均死亡人数为煤矿事故的2.9倍;事故发生地点以煤层平巷为主,占比为43.2%;综掘机割煤作业时诱导突出事故比例显著上升,近5年占比为57.0%;与其他地质构造相比,断层、煤层厚度变化易导致突出发生,褶曲构造附近的平均突出强度最大,其中38起事故平均突出强度与瓦斯涌出量分别为521.34 t、3.55万m^(3),重大及以上事故突出强度与吨煤瓦斯涌出量均呈波动减小趋势;钻孔喷孔是最为常见的突出预兆,合理利用钻孔信息进行灾害探测及预警是重要的发展方向。证实了突出动力效应在巷道空间发展演化的3个阶段,瓦斯逆流不仅会通过防突风门进入进风巷,也可能会沿回风路线进入其他采掘作业面。 展开更多
关键词 煤与瓦斯突出 事故统计 发生规律 动力效应 事故案例
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