煤与瓦斯突出机理模型构建与安全管理模式研究*

陈 静 杨永杰 曹庆贵

(1.山东科技大学矿业与安全工程学院;2.矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地)

煤与瓦斯突出机理模型构建与安全管理模式研究*

陈 静1，2杨永杰1，2曹庆贵1，2

(1.山东科技大学矿业与安全工程学院;2.矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地)

根据煤与瓦斯突出事故发展一般规律及主要特点，以牛顿第一定律及力学平衡原理为指导，从新的角度首次形象地构建了煤与瓦斯突出力学平衡演化模型，阐述了突出发生的原因及过程，并用模型全面地解释了突出的各种事故特点，弥补了现有机理不能全面解释煤与瓦斯突出的不足，具有实际参考意义。同时，以模型为依据，综合运用现代信息技术和安全评价方法，从系统学的角度提出了煤与瓦斯突出矿井安全管理模式，实现了突出管理的系统化、全过程化、全方位化，为煤与瓦斯突出矿井的安全管理指明了方向。

力学平衡理论 煤与瓦斯突出机理 安全管理模式

煤炭是我国重要的基础能源，建国以来，伴随着我国经济的快速发展，煤炭行业也取得了长足的进步，但随着近年煤矿逐步向深部开采，矿井开采条件发生变化，开采强度及机械化程度不断加大，越来越多的矿井煤与瓦斯突出灾害开始显现或变得愈发明显，要想针对性地预防煤与瓦斯突出灾害，系统地管理煤与瓦斯突出矿井，认识煤与瓦斯突出灾害的发生机理、影响因素及特点显得尤为重要。本文在前人研究基础上，重点从力学平衡角度出发，研究煤与瓦斯突出过程，并综合运用多种信息技术等手段提出事故的系统化安全管理模式，以更好地指导现场预防及管理。

1 煤与瓦斯突出演化机理研究现状

煤与瓦斯突出(以下简称突出)严格意义上是指在地应力和瓦斯(含二氧化碳)的共同作用下，破碎的煤和瓦斯由煤体内突然喷出到采掘空间的现象。关于其发生机理，国内外众多学者一直在进行广泛研究，提出了如瓦斯主导、地应力主导、化学主导等各种单因素假说，但得到大多数学者认可的是综合了三方面因素考虑的综合作用假说，认为煤与瓦斯突出是由地应力、瓦斯和煤的物理力学性质三者共同作用的结果[1-3]。近年来，在综合作用假说基础上，突出的形成机理又有了新的进展，周士宁和何学秋提出了流变假说[4],蒋承林和俞启香提出球壳失稳假说[5],于不凡提出中心扩张假说等[6]，均从不同层面解释了突出发生的部分事故特点，但真正的形成机理目前国际上尚无定论。在对众多突出事故资料研究及前人提出的假说基础上，从突出最根本的源头出发，围绕牛顿第一定律(力是改变物体运动状态的原因)分析煤与瓦斯突出的演化机理，符合事物发展规律的客观性，具有很重要的现实意义。

2 煤与瓦斯突出演化模型

文献资料显示，突出事故发生一般都具有煤的破碎程度较高，向外抛出距离远，伴有大量瓦斯涌出，有动力效应，形成口小腔大的孔洞，同一地点可能发生第二次、第三次突出等典型特点。因此，根据事故发展一般规律及突出事故主要特点，以牛顿第一定律及力学平衡原理为指导，在“煤体自身是突出发生的重要载体，过程中的受力状态变化是突出形成的重要原因”基础上，运用形象的图形表达方式构建煤与瓦斯突出事故演化模型，见图1。

3 煤与瓦斯突出演化过程分析

由上述模型可以看出，煤体作为突出发生的重要载体，根据其不同阶段的受力情况可以将煤与瓦斯突出划分为4个主要阶段，即煤体原始平衡状态(Ⅰ区)、孕育突出阶段(Ⅱ区)、发生发展阶段(Ⅲ区)、消减停止阶段(Ⅳ区)。

3.1 煤体原始平衡状态

煤体在未开采前或开采巷道支护完好后，主要受到自身重力、煤巷围岩的三维应力、支护应力以及煤体内部所含瓦斯应力等的综合作用而处于力学平衡状态，此时的煤体处于原始安全状态(Ⅰ区)。

图1 基于“力学平衡”的煤与瓦斯突出演化模型

3.2 孕育突出阶段

煤体原始受力处于平衡状态，由于外界开采扰动等激发因素引起煤体所受原始应力状态失衡，在地应力作用下煤体发生变形或破坏，煤体透气性增大，释放出大量瓦斯，在地应力和瓦斯压力共同作用下煤体裂隙扩展、沟通，煤体强度降低，形成瓦斯压力梯度，煤体逐步剥离破碎落下，内部气体空间扩大，瓦斯浓度增加，压力增大。此过程为煤与瓦斯突出的孕育阶段(Ⅱ区)，具体发展过程：①→②→③→④。在此过程中，煤体会因变形破坏、裂隙扩展、层裂剥落等原因出现劈裂声、嗡嗡声、闷雷声等或大或小的声响；煤体因裂隙扩展瓦斯压力梯度作用而出现破碎；煤体表面附近温度因瓦斯解吸和吸附的交替变化而降低或升高；内部空间瓦斯慢慢积聚，由于煤岩体渗透性，外部表现为瓦斯浓度忽高忽低。

此过程中，如激发因素消失，比如开采扰动停住,开采巷道支护较好(支护应力无变化)等，则内部煤体所受瓦斯压力、地应力及支护强度应力等重新达到力学平衡状态，则活动暂时终止，维持其平衡状态，突出不会发生。

3.3 发生发展阶段

在孕育突出过程中，如激发因素存在但强度较小或巷道因支护不当等原因使支护应力发生潜在变化，则内部活动会进入缓慢的突出潜能积累阶段，地应力增加，瓦斯压力因瓦斯浓度升高而逐步增大，支护应力却在减小，或者激发处应力强度突然变小，均会导致煤体在一定时间之后因受力不平衡，在煤壁薄弱处形成突出口，发生突出。内部高压瓦斯内能瞬间发散，形成高速瓦斯流，将破碎煤体推出并携带前进，释放出的高压瓦斯流会对外部阻力物体造成动力破坏。而内部空间因煤和瓦斯突然涌出，内部壁面所受瓦斯压力迅速减小，围岩内部地应力增大，内壁因受力不平衡而继续剥落，孔洞不断增大。此过程为煤与瓦斯突出的发生发展阶段(Ⅲ区)，具体过程：⑤→⑥。在此过程中，主要表现为大量瓦斯瞬间涌出，携带碎煤向外抛出很远，由于瓦斯内能很大，瞬间涌出对外做功，显示出很强的动力效应，内部空间逐渐扩大，形成口小腔大的孔洞。特别说明的是，该种情况下煤与瓦斯突出的发生往往具有滞后性，滞后时间决定于从激发开始到煤体受力失衡的时间。这对煤与瓦斯突出进行有效预警起到了重要作用，具有很重要的研究意义。

如激发因素存在且强度很大，促使采动应力与构造应力叠加，内部煤体所受力明显失衡，煤体会因受力推着煤壁向外鼓出，则会在很短时间内激发突出。该种情况下，突出发生是伴随激发因素出现的。

3.4 消减停止阶段

随着瓦斯携带碎煤不断涌出，瓦斯内能逐步转化为外部做功，自身内能减小，突出进入消减阶段。随着孔洞围岩内壁剥落逐渐减弱，受力达到新的平衡，突出活动终止，如图1Ⅳ区所示，具体过程：⑦→⑧。突出对外部空间的破坏距离与瓦斯内能有直接关系。

如此处及附近地质构造特殊或连续有新的开采扰动，附近煤层又会进入新的突出准备阶段。当条件具备时，又接连发生第二次、第三次突出，如图1中过程⑨所示。因此，从系统学角度看，突出在一定条件下也是一个可循环过程，这有利于对煤与瓦斯突出的预防和控制。

4 煤与瓦斯突出安全管理模式

4.1 安全管理体系构建

现有大多数矿井对突出的管理都是单一固定地依照国家出台的相关规定照章行事，没有形成较为系统的管理体系，往往因为矿井及煤层的差异性而出现误判,导致突出事故发生，不利于矿井的安全管理。根据煤与瓦斯突出力学平衡演化模型，将突出发生归结为内在机理和外在触发因素的综合作用，可以方便更加有针对性地对突出事故发生进行系统地预防和控制，在做好技术防御的基础上，进而控制突出发生的外在触发因素，最终达到预防突出或最大限度降低事故灾害后果的目的。因此，以上述模型及分析为基础，针对突出过程从预防、控制、跟踪、处理4个系统环节入手，借助监测技术手段，综合运用信息技术及恰当的安全评价方法，系统地对突出进行常态化管理，构建煤与瓦斯突出矿井安全管理体系，该体系从系统学的角度实现突出管理全过程、全方位及常态化。见图2。

图2 煤与瓦斯突出安全管理体系

4.2 安全管理体系的过程分析

4.2.1 灾害先期预防

先期预防主要从地质预先探测、局部预测、实时监测、应急准备4个方面进行。首先，通过综合研究煤与瓦斯突出灾害相关文献资料，地质构造是影响突出发生的主要因素之一，应该作为突出矿井管理的首要考虑对象。运用地质统计法，根据已开采区域确切掌握的煤层赋存和地质构造条件与突出分布的规律，对所在矿区进行煤层突出危险性区域预测，划分出突出危险区域和突出威胁区域。其次，针对正在开采和即将准备开采的煤层，首先实行局部预测;运用钻孔瓦斯涌出初速度法、钻屑指标法等评价该煤层的实际突出危险性，如果无突出危险性，在一般瓦斯治理措施条件下，可以进行回采和掘进，一旦有突出危险性，就要对预测到的可能突出地点、规模、性质以及可能引发的后果等进行综合评估，采取适当的方式防范突出事件的发生和发展;针对采掘工作面，则实行实时监测，即以当前研究状态下普遍认为敏感性较高的煤层瓦斯浓度、煤体温度变化及煤层地应力变化作为敏感指标，应用最新的相关研究技术方法进行综合实时监测。最后，在应急准备方面，提前做好应急救援预案和员工安全教育，使之熟记突出相关重要知识及实际操作规程，并在硬件上建立避难硐室等设施，为事故发生的避灾救灾做好提前准备。

4.2.2 开采过程有效控制

根据上述事故模型，通过国内外多年来对突出现象的统计与分析，突出危险性与开采深度、作业方式及支护强度均有着密切的关系。因此，在实际开采过程中应尽可能地降低开采扰动强度，及时做好支护，并对支护强度变化等情况通过填写安全检查表的方式进行日常检查并形成常态，确保支护强度达到维持应力状态平衡要求。

4.2.3 实时跟踪与及时处理

煤与瓦斯突出矿井应该将突出管理形成常态化机制，采用日常检查、员工教育、定期评价相结合的方式，及时发现生产过程中存在的可能触发突出发生的隐患。建立煤层瓦斯、温度、压力监测预警系统，运用事故树分析,记录安全检查情况等方法设计系统、全面的相关设备和各工作面的安全检查表，用以日常检查，定期对员工进行安全教育及培训，定期委托相关有资质的评价机构对生产现场及煤层状况进行突出危险性评价，并根据评价结果及时对生产做出调整。对于存在的突出隐患，争取早发现、早治理，将隐患消除在萌芽状态，并进行安全评价，以保证工作面安全生产。

5 结 论

(1)以牛顿第一定律及力学平衡原理为指导，首次形象地构建了煤与瓦斯突出力学平衡演化模型，从力学平衡的角度出发，阐述了突出发生的原因及过程，并对突出所表现出的事故特点给予全面合理的解释，具有实际的参考意义，对以后研究突出的预警预防奠定了理论基础。

(2)以煤与瓦斯突出力学平衡演化模型为参考，综合运用现代信息技术、监测技术和安全评价方法，从系统学角度提出了煤与瓦斯突出矿井安全管理模式，实现了突出管理的系统化、全过程化、全方位化，为煤与瓦斯突出矿井的安全管理指明了方向。

[1] 袁 亮，薛 生．煤层瓦斯含量法预测煤与瓦斯突出理论与技术[M]．北京:科学出版社，2014．

[2] 欧建春．煤与瓦斯突出演化过程模拟实验研究[D]．徐州：中国矿业大学，2012．

[3] 邓 明．煤与瓦斯突出早期辨识与实时预警技术研究[D]．淮南：安徽理工大学，2010．

[4] 周世宁，林柏泉．煤矿瓦斯动力灾害防治理论及控制技术[M]．北京:科学出版社，2007．

[5] 俞启香．矿井瓦斯防治[M]．徐州:中国矿业大学出版社，1992．

[6] 于不凡．煤和瓦斯突出机理[M]．北京:煤炭工业出版社，1985．

*国家自然科学基金项目(编号：51379116，51304126)；山东省优秀中青年科学家科研奖励基金项目(编号：BS2013NJ007)。

2014-08-27)

陈 静(1982—)，女，讲师，博士研究生，266590 山东省青岛经济技术开发区前湾港路579号。