陳 靜 楊永杰 曹慶貴

(1.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院;2.礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地)

煤與瓦斯突出機(jī)理模型構(gòu)建與安全管理模式研究*

陳 靜1，2楊永杰1，2曹慶貴1，2

(1.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院;2.礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地)

根據(jù)煤與瓦斯突出事故發(fā)展一般規(guī)律及主要特點(diǎn)，以牛頓第一定律及力學(xué)平衡原理為指導(dǎo)，從新的角度首次形象地構(gòu)建了煤與瓦斯突出力學(xué)平衡演化模型，闡述了突出發(fā)生的原因及過程，并用模型全面地解釋了突出的各種事故特點(diǎn)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有機(jī)理不能全面解釋煤與瓦斯突出的不足，具有實(shí)際參考意義。同時(shí)，以模型為依據(jù)，綜合運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)和安全評(píng)價(jià)方法，從系統(tǒng)學(xué)的角度提出了煤與瓦斯突出礦井安全管理模式，實(shí)現(xiàn)了突出管理的系統(tǒng)化、全過程化、全方位化，為煤與瓦斯突出礦井的安全管理指明了方向。

力學(xué)平衡理論 煤與瓦斯突出機(jī)理 安全管理模式

煤炭是我國(guó)重要的基礎(chǔ)能源，建國(guó)以來，伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤炭行業(yè)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但隨著近年煤礦逐步向深部開采，礦井開采條件發(fā)生變化，開采強(qiáng)度及機(jī)械化程度不斷加大，越來越多的礦井煤與瓦斯突出災(zāi)害開始顯現(xiàn)或變得愈發(fā)明顯，要想針對(duì)性地預(yù)防煤與瓦斯突出災(zāi)害，系統(tǒng)地管理煤與瓦斯突出礦井，認(rèn)識(shí)煤與瓦斯突出災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理、影響因素及特點(diǎn)顯得尤為重要。本文在前人研究基礎(chǔ)上，重點(diǎn)從力學(xué)平衡角度出發(fā)，研究煤與瓦斯突出過程，并綜合運(yùn)用多種信息技術(shù)等手段提出事故的系統(tǒng)化安全管理模式，以更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)防及管理。

1 煤與瓦斯突出演化機(jī)理研究現(xiàn)狀

煤與瓦斯突出(以下簡(jiǎn)稱突出)嚴(yán)格意義上是指在地應(yīng)力和瓦斯(含二氧化碳)的共同作用下，破碎的煤和瓦斯由煤體內(nèi)突然噴出到采掘空間的現(xiàn)象。關(guān)于其發(fā)生機(jī)理，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者一直在進(jìn)行廣泛研究，提出了如瓦斯主導(dǎo)、地應(yīng)力主導(dǎo)、化學(xué)主導(dǎo)等各種單因素假說，但得到大多數(shù)學(xué)者認(rèn)可的是綜合了三方面因素考慮的綜合作用假說，認(rèn)為煤與瓦斯突出是由地應(yīng)力、瓦斯和煤的物理力學(xué)性質(zhì)三者共同作用的結(jié)果[1-3]。近年來，在綜合作用假說基礎(chǔ)上，突出的形成機(jī)理又有了新的進(jìn)展，周士寧和何學(xué)秋提出了流變假說[4],蔣承林和俞啟香提出球殼失穩(wěn)假說[5],于不凡提出中心擴(kuò)張假說等[6]，均從不同層面解釋了突出發(fā)生的部分事故特點(diǎn)，但真正的形成機(jī)理目前國(guó)際上尚無定論。在對(duì)眾多突出事故資料研究及前人提出的假說基礎(chǔ)上，從突出最根本的源頭出發(fā)，圍繞牛頓第一定律(力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因)分析煤與瓦斯突出的演化機(jī)理，符合事物發(fā)展規(guī)律的客觀性，具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 煤與瓦斯突出演化模型

文獻(xiàn)資料顯示，突出事故發(fā)生一般都具有煤的破碎程度較高，向外拋出距離遠(yuǎn)，伴有大量瓦斯涌出，有動(dòng)力效應(yīng)，形成口小腔大的孔洞，同一地點(diǎn)可能發(fā)生第二次、第三次突出等典型特點(diǎn)。因此，根據(jù)事故發(fā)展一般規(guī)律及突出事故主要特點(diǎn)，以牛頓第一定律及力學(xué)平衡原理為指導(dǎo)，在“煤體自身是突出發(fā)生的重要載體，過程中的受力狀態(tài)變化是突出形成的重要原因”基礎(chǔ)上，運(yùn)用形象的圖形表達(dá)方式構(gòu)建煤與瓦斯突出事故演化模型，見圖1。

3 煤與瓦斯突出演化過程分析

由上述模型可以看出，煤體作為突出發(fā)生的重要載體，根據(jù)其不同階段的受力情況可以將煤與瓦斯突出劃分為4個(gè)主要階段，即煤體原始平衡狀態(tài)(Ⅰ區(qū))、孕育突出階段(Ⅱ區(qū))、發(fā)生發(fā)展階段(Ⅲ區(qū))、消減停止階段(Ⅳ區(qū))。

3.1 煤體原始平衡狀態(tài)

煤體在未開采前或開采巷道支護(hù)完好后，主要受到自身重力、煤巷圍巖的三維應(yīng)力、支護(hù)應(yīng)力以及煤體內(nèi)部所含瓦斯應(yīng)力等的綜合作用而處于力學(xué)平衡狀態(tài)，此時(shí)的煤體處于原始安全狀態(tài)(Ⅰ區(qū))。

圖1 基于“力學(xué)平衡”的煤與瓦斯突出演化模型

3.2 孕育突出階段

煤體原始受力處于平衡狀態(tài)，由于外界開采擾動(dòng)等激發(fā)因素引起煤體所受原始應(yīng)力狀態(tài)失衡，在地應(yīng)力作用下煤體發(fā)生變形或破壞，煤體透氣性增大，釋放出大量瓦斯，在地應(yīng)力和瓦斯壓力共同作用下煤體裂隙擴(kuò)展、溝通，煤體強(qiáng)度降低，形成瓦斯壓力梯度，煤體逐步剝離破碎落下，內(nèi)部氣體空間擴(kuò)大，瓦斯?jié)舛仍黾樱瑝毫υ龃?。此過程為煤與瓦斯突出的孕育階段(Ⅱ區(qū))，具體發(fā)展過程：①→②→③→④。在此過程中，煤體會(huì)因變形破壞、裂隙擴(kuò)展、層裂剝落等原因出現(xiàn)劈裂聲、嗡嗡聲、悶雷聲等或大或小的聲響；煤體因裂隙擴(kuò)展瓦斯壓力梯度作用而出現(xiàn)破碎；煤體表面附近溫度因瓦斯解吸和吸附的交替變化而降低或升高；內(nèi)部空間瓦斯慢慢積聚，由于煤巖體滲透性，外部表現(xiàn)為瓦斯?jié)舛群龈吆龅汀?/p>

此過程中，如激發(fā)因素消失，比如開采擾動(dòng)停住,開采巷道支護(hù)較好(支護(hù)應(yīng)力無變化)等，則內(nèi)部煤體所受瓦斯壓力、地應(yīng)力及支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)力等重新達(dá)到力學(xué)平衡狀態(tài)，則活動(dòng)暫時(shí)終止，維持其平衡狀態(tài)，突出不會(huì)發(fā)生。

3.3 發(fā)生發(fā)展階段

在孕育突出過程中，如激發(fā)因素存在但強(qiáng)度較小或巷道因支護(hù)不當(dāng)?shù)仍蚴怪ёo(hù)應(yīng)力發(fā)生潛在變化，則內(nèi)部活動(dòng)會(huì)進(jìn)入緩慢的突出潛能積累階段，地應(yīng)力增加，瓦斯壓力因瓦斯?jié)舛壬叨鸩皆龃?，支護(hù)應(yīng)力卻在減小，或者激發(fā)處應(yīng)力強(qiáng)度突然變小，均會(huì)導(dǎo)致煤體在一定時(shí)間之后因受力不平衡，在煤壁薄弱處形成突出口，發(fā)生突出。內(nèi)部高壓瓦斯內(nèi)能瞬間發(fā)散，形成高速瓦斯流，將破碎煤體推出并攜帶前進(jìn)，釋放出的高壓瓦斯流會(huì)對(duì)外部阻力物體造成動(dòng)力破壞。而內(nèi)部空間因煤和瓦斯突然涌出，內(nèi)部壁面所受瓦斯壓力迅速減小，圍巖內(nèi)部地應(yīng)力增大，內(nèi)壁因受力不平衡而繼續(xù)剝落，孔洞不斷增大。此過程為煤與瓦斯突出的發(fā)生發(fā)展階段(Ⅲ區(qū))，具體過程：⑤→⑥。在此過程中，主要表現(xiàn)為大量瓦斯瞬間涌出，攜帶碎煤向外拋出很遠(yuǎn)，由于瓦斯內(nèi)能很大，瞬間涌出對(duì)外做功，顯示出很強(qiáng)的動(dòng)力效應(yīng)，內(nèi)部空間逐漸擴(kuò)大，形成口小腔大的孔洞。特別說明的是，該種情況下煤與瓦斯突出的發(fā)生往往具有滯后性，滯后時(shí)間決定于從激發(fā)開始到煤體受力失衡的時(shí)間。這對(duì)煤與瓦斯突出進(jìn)行有效預(yù)警起到了重要作用，具有很重要的研究意義。

如激發(fā)因素存在且強(qiáng)度很大，促使采動(dòng)應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力疊加，內(nèi)部煤體所受力明顯失衡，煤體會(huì)因受力推著煤壁向外鼓出，則會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)激發(fā)突出。該種情況下，突出發(fā)生是伴隨激發(fā)因素出現(xiàn)的。

3.4 消減停止階段

隨著瓦斯攜帶碎煤不斷涌出，瓦斯內(nèi)能逐步轉(zhuǎn)化為外部做功，自身內(nèi)能減小，突出進(jìn)入消減階段。隨著孔洞圍巖內(nèi)壁剝落逐漸減弱，受力達(dá)到新的平衡，突出活動(dòng)終止，如圖1Ⅳ區(qū)所示，具體過程：⑦→⑧。突出對(duì)外部空間的破壞距離與瓦斯內(nèi)能有直接關(guān)系。

如此處及附近地質(zhì)構(gòu)造特殊或連續(xù)有新的開采擾動(dòng)，附近煤層又會(huì)進(jìn)入新的突出準(zhǔn)備階段。當(dāng)條件具備時(shí)，又接連發(fā)生第二次、第三次突出，如圖1中過程⑨所示。因此，從系統(tǒng)學(xué)角度看，突出在一定條件下也是一個(gè)可循環(huán)過程，這有利于對(duì)煤與瓦斯突出的預(yù)防和控制。

4 煤與瓦斯突出安全管理模式

4.1 安全管理體系構(gòu)建

現(xiàn)有大多數(shù)礦井對(duì)突出的管理都是單一固定地依照國(guó)家出臺(tái)的相關(guān)規(guī)定照章行事，沒有形成較為系統(tǒng)的管理體系，往往因?yàn)榈V井及煤層的差異性而出現(xiàn)誤判,導(dǎo)致突出事故發(fā)生，不利于礦井的安全管理。根據(jù)煤與瓦斯突出力學(xué)平衡演化模型，將突出發(fā)生歸結(jié)為內(nèi)在機(jī)理和外在觸發(fā)因素的綜合作用，可以方便更加有針對(duì)性地對(duì)突出事故發(fā)生進(jìn)行系統(tǒng)地預(yù)防和控制，在做好技術(shù)防御的基礎(chǔ)上，進(jìn)而控制突出發(fā)生的外在觸發(fā)因素，最終達(dá)到預(yù)防突出或最大限度降低事故災(zāi)害后果的目的。因此，以上述模型及分析為基礎(chǔ)，針對(duì)突出過程從預(yù)防、控制、跟蹤、處理4個(gè)系統(tǒng)環(huán)節(jié)入手，借助監(jiān)測(cè)技術(shù)手段，綜合運(yùn)用信息技術(shù)及恰當(dāng)?shù)陌踩u(píng)價(jià)方法，系統(tǒng)地對(duì)突出進(jìn)行常態(tài)化管理，構(gòu)建煤與瓦斯突出礦井安全管理體系，該體系從系統(tǒng)學(xué)的角度實(shí)現(xiàn)突出管理全過程、全方位及常態(tài)化。見圖2。

圖2 煤與瓦斯突出安全管理體系

4.2 安全管理體系的過程分析

4.2.1 災(zāi)害先期預(yù)防

先期預(yù)防主要從地質(zhì)預(yù)先探測(cè)、局部預(yù)測(cè)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、應(yīng)急準(zhǔn)備4個(gè)方面進(jìn)行。首先，通過綜合研究煤與瓦斯突出災(zāi)害相關(guān)文獻(xiàn)資料，地質(zhì)構(gòu)造是影響突出發(fā)生的主要因素之一，應(yīng)該作為突出礦井管理的首要考慮對(duì)象。運(yùn)用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法，根據(jù)已開采區(qū)域確切掌握的煤層賦存和地質(zhì)構(gòu)造條件與突出分布的規(guī)律，對(duì)所在礦區(qū)進(jìn)行煤層突出危險(xiǎn)性區(qū)域預(yù)測(cè)，劃分出突出危險(xiǎn)區(qū)域和突出威脅區(qū)域。其次，針對(duì)正在開采和即將準(zhǔn)備開采的煤層，首先實(shí)行局部預(yù)測(cè);運(yùn)用鉆孔瓦斯涌出初速度法、鉆屑指標(biāo)法等評(píng)價(jià)該煤層的實(shí)際突出危險(xiǎn)性，如果無突出危險(xiǎn)性，在一般瓦斯治理措施條件下，可以進(jìn)行回采和掘進(jìn)，一旦有突出危險(xiǎn)性，就要對(duì)預(yù)測(cè)到的可能突出地點(diǎn)、規(guī)模、性質(zhì)以及可能引發(fā)的后果等進(jìn)行綜合評(píng)估，采取適當(dāng)?shù)姆绞椒婪锻怀鍪录陌l(fā)生和發(fā)展;針對(duì)采掘工作面，則實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，即以當(dāng)前研究狀態(tài)下普遍認(rèn)為敏感性較高的煤層瓦斯?jié)舛?、煤體溫度變化及煤層地應(yīng)力變化作為敏感指標(biāo)，應(yīng)用最新的相關(guān)研究技術(shù)方法進(jìn)行綜合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。最后，在應(yīng)急準(zhǔn)備方面，提前做好應(yīng)急救援預(yù)案和員工安全教育，使之熟記突出相關(guān)重要知識(shí)及實(shí)際操作規(guī)程，并在硬件上建立避難硐室等設(shè)施，為事故發(fā)生的避災(zāi)救災(zāi)做好提前準(zhǔn)備。

4.2.2 開采過程有效控制

根據(jù)上述事故模型，通過國(guó)內(nèi)外多年來對(duì)突出現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)與分析，突出危險(xiǎn)性與開采深度、作業(yè)方式及支護(hù)強(qiáng)度均有著密切的關(guān)系。因此，在實(shí)際開采過程中應(yīng)盡可能地降低開采擾動(dòng)強(qiáng)度，及時(shí)做好支護(hù)，并對(duì)支護(hù)強(qiáng)度變化等情況通過填寫安全檢查表的方式進(jìn)行日常檢查并形成常態(tài)，確保支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到維持應(yīng)力狀態(tài)平衡要求。

4.2.3 實(shí)時(shí)跟蹤與及時(shí)處理

煤與瓦斯突出礦井應(yīng)該將突出管理形成常態(tài)化機(jī)制，采用日常檢查、員工教育、定期評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式，及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中存在的可能觸發(fā)突出發(fā)生的隱患。建立煤層瓦斯、溫度、壓力監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，運(yùn)用事故樹分析,記錄安全檢查情況等方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)、全面的相關(guān)設(shè)備和各工作面的安全檢查表，用以日常檢查，定期對(duì)員工進(jìn)行安全教育及培訓(xùn)，定期委托相關(guān)有資質(zhì)的評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)及煤層狀況進(jìn)行突出危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果及時(shí)對(duì)生產(chǎn)做出調(diào)整。對(duì)于存在的突出隱患，爭(zhēng)取早發(fā)現(xiàn)、早治理，將隱患消除在萌芽狀態(tài)，并進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，以保證工作面安全生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

(1)以牛頓第一定律及力學(xué)平衡原理為指導(dǎo)，首次形象地構(gòu)建了煤與瓦斯突出力學(xué)平衡演化模型，從力學(xué)平衡的角度出發(fā)，闡述了突出發(fā)生的原因及過程，并對(duì)突出所表現(xiàn)出的事故特點(diǎn)給予全面合理的解釋，具有實(shí)際的參考意義，對(duì)以后研究突出的預(yù)警預(yù)防奠定了理論基礎(chǔ)。

(2)以煤與瓦斯突出力學(xué)平衡演化模型為參考，綜合運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)、監(jiān)測(cè)技術(shù)和安全評(píng)價(jià)方法，從系統(tǒng)學(xué)角度提出了煤與瓦斯突出礦井安全管理模式，實(shí)現(xiàn)了突出管理的系統(tǒng)化、全過程化、全方位化，為煤與瓦斯突出礦井的安全管理指明了方向。

[1] 袁 亮，薛 生．煤層瓦斯含量法預(yù)測(cè)煤與瓦斯突出理論與技術(shù)[M]．北京:科學(xué)出版社，2014．

[2] 歐建春．煤與瓦斯突出演化過程模擬實(shí)驗(yàn)研究[D]．徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2012．

[3] 鄧 明．煤與瓦斯突出早期辨識(shí)與實(shí)時(shí)預(yù)警技術(shù)研究[D]．淮南：安徽理工大學(xué)，2010．

[4] 周世寧，林柏泉．煤礦瓦斯動(dòng)力災(zāi)害防治理論及控制技術(shù)[M]．北京:科學(xué)出版社，2007．

[5] 俞啟香．礦井瓦斯防治[M]．徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1992．

[6] 于不凡．煤和瓦斯突出機(jī)理[M]．北京:煤炭工業(yè)出版社，1985．

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51379116，51304126)；山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎(jiǎng)勵(lì)基金項(xiàng)目(編號(hào)：BS2013NJ007)。

2014-08-27)

陳 靜(1982—)，女，講師，博士研究生，266590 山東省青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)前灣港路579號(hào)。