我國煤巖動(dòng)力災(zāi)害世界第一

　　煤巖動(dòng)力災(zāi)害，主要包括煤與瓦斯突出和沖擊礦壓。突出是采掘工作面周圍煤巖向采掘空間高速噴出的一種動(dòng)力災(zāi)害過程，高地應(yīng)力和高壓瓦斯是能量的主要來源。我國最大的突出災(zāi)害發(fā)生在四川三匯壩一井，在幾鐘內(nèi)突出煤巖12780噸，噴出瓦斯氣體140萬立方米。沖擊礦壓災(zāi)害是在高應(yīng)力作用下，采掘空間周圍的煤巖體失穩(wěn)破壞并向采掘空間高速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力災(zāi)害過程，高地應(yīng)力是主要能量來源。我國最大的沖擊礦壓發(fā)生在撫順老虎臺(tái)礦，震級(jí)達(dá)到里氏4.3級(jí)。

　　煤巖動(dòng)力災(zāi)害除造成人員傷亡外，還嚴(yán)重摧毀巷道等采掘空間、破壞保障安全的通風(fēng)系統(tǒng)。災(zāi)害過程伴隨礦井瓦斯涌出異常，常誘發(fā)重特大瓦斯爆炸事故，造成群死群傷。2004年鄭州大平礦死亡148人的瓦斯突出—瓦斯爆炸事故;2005年遼寧阜新孫家灣礦死亡214人的沖擊—瓦斯爆炸事故;2009年黑龍江鶴崗新興煤礦死亡108人的瓦斯突出—瓦斯爆炸事故。這類災(zāi)害嚴(yán)重威脅礦井安全，是煤礦重大工程災(zāi)害。

　　我國是世界上煤巖動(dòng)力災(zāi)害最嚴(yán)重的國家。截至2010年，我國已備案的煤巖動(dòng)力災(zāi)害礦井達(dá)1420多個(gè)。由于種種原因，還有超過一倍數(shù)量的這類礦井沒有備案。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國已累計(jì)發(fā)生31000多次動(dòng)力災(zāi)害，平均每年死亡近300人。目前，除海南、廣東、福建、浙江、西藏等少數(shù)省區(qū)外，我國主要采煤省區(qū)不同程度地受動(dòng)力災(zāi)害的威脅，著名的平頂山、淮南礦區(qū)的主力礦井全部為突出礦井，兗州礦區(qū)主力礦井受沖擊災(zāi)害威脅嚴(yán)重。

　　隨著煤礦開采深度的不斷增大，災(zāi)害更為嚴(yán)重，預(yù)防的難度也在不斷加大。我國煤礦國有重點(diǎn)礦平均采深700米，最深達(dá)1365米，煤層最大瓦斯壓力達(dá)10兆帕。來自權(quán)威部門的統(tǒng)計(jì)表明，“十一五”期間，我國煤礦重、特大瓦斯突出事故的起數(shù)和死亡人數(shù)分別占40%和28.5%;2010年發(fā)生的11起重特大瓦斯事故中，煤與瓦斯突出事故6起，死亡150人，分別占54.5%和68.2%。從煤礦重特大事故看，煤與瓦斯突出事故的比例逐年上升，遏制煤與瓦斯突出等煤巖動(dòng)力災(zāi)害事故是今后減少煤礦重特大事故的重中之重。

　　煤巖動(dòng)力災(zāi)害預(yù)防是世界性難題

　　煤礦煤巖動(dòng)力災(zāi)害的本質(zhì)是含有高壓瓦斯的煤巖體在內(nèi)部能量和損傷積累到一定條件下快速失去穩(wěn)定性，坍塌并釋放巨大能量的動(dòng)力災(zāi)害過程，是一個(gè)極其復(fù)雜的非線性力學(xué)現(xiàn)象。受地質(zhì)條件、采掘布局、開采技術(shù)條件和煤巖性質(zhì)等多種因素的綜合影響，其預(yù)防是世界性難題。世界主要采煤大國，不論是發(fā)達(dá)國家還是發(fā)展中國家，均深受其害。由于預(yù)防難度大，無法避免災(zāi)害造成人員傷亡，世界動(dòng)力災(zāi)害嚴(yán)重的國家如美國、加拿大、英國、法國、德國、日本和蘇聯(lián)基本關(guān)閉了具有動(dòng)力災(zāi)害，特別是瓦斯突出災(zāi)害的礦井。

　　我國主要產(chǎn)煤區(qū)均受動(dòng)力災(zāi)害威脅。煤炭是我國主要能源，2000年以來，煤炭產(chǎn)量以每年超過GDP的速度增加，引領(lǐng)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為滿足經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需要，受動(dòng)力災(zāi)害威脅煤礦仍需長期開采，如平頂山、淮南等。因此，有效預(yù)防煤礦煤巖動(dòng)力災(zāi)害是我國煤礦必須面對(duì)的問題。

　　在我國，煤系地層受多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)防難度極大、危險(xiǎn)高。煤礦瓦斯突出災(zāi)害預(yù)防難度大的另外一個(gè)原因是機(jī)理不清。長期以來，世界突出預(yù)防一直以蘇聯(lián)學(xué)者霍多特提出的綜合作用定性假說為指導(dǎo)，它表明了突出主要受應(yīng)力、煤層瓦斯和煤層物理力學(xué)性質(zhì)等三個(gè)主要因素影響，但并未揭示這些因素如何耦合并影響災(zāi)害動(dòng)態(tài)演化過程。機(jī)理不清，使得預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率低，防治措施針對(duì)性不強(qiáng)，導(dǎo)致事故經(jīng)常發(fā)生，嚴(yán)重惡化煤礦安全環(huán)境。

　　煤巖動(dòng)力災(zāi)害是突發(fā)性的動(dòng)力災(zāi)害，其發(fā)生具有很強(qiáng)的時(shí)間、空間隨機(jī)性和不確定性。現(xiàn)場實(shí)測(cè)突出危險(xiǎn)參數(shù)、預(yù)測(cè)煤層突出危險(xiǎn)性和實(shí)施放突措施不僅困難，而且非常危險(xiǎn)。我國湖南、江西、貴州、四川、重慶、河南等嚴(yán)重突出礦區(qū)在預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和執(zhí)行放突措施過程中經(jīng)常發(fā)生突出事故。筆者在研究突出時(shí)，也常遇到這樣的情況。在焦作中馬村礦井下實(shí)驗(yàn)時(shí)遇到一次突出，當(dāng)時(shí)在工作面前方實(shí)施突出危險(xiǎn)鉆孔時(shí)噴出近一噸煤粉，眼前什么也看不見，想跑都沒法跑，后來噴孔停止了，才躲過一劫。在煤礦井下開展突出和沖擊礦壓研究，須面臨十分危險(xiǎn)的環(huán)境，但越是危險(xiǎn)的地方，越需要去考察、實(shí)測(cè)和分析。

　　傳統(tǒng)的檢測(cè)方式是通過向煤體打鉆測(cè)試鉆屑量、瓦斯參數(shù)的方法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得的預(yù)測(cè)信息量少，準(zhǔn)確率低，還時(shí)常發(fā)生低指標(biāo)突出及高指標(biāo)不突出的情況，更容易漏報(bào)、誤報(bào)，造成嚴(yán)重后果。而且打預(yù)測(cè)鉆孔時(shí)擾動(dòng)煤體，常誘發(fā)突出事故，具有很大的危險(xiǎn)性。

　　針對(duì)我國煤巖動(dòng)力災(zāi)害預(yù)防存在的問題，我們?cè)诿簬r動(dòng)力災(zāi)害態(tài)演化過程及機(jī)理、煤巖動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警理論與技術(shù)等關(guān)鍵科學(xué)和工程應(yīng)用難題進(jìn)行了長期的攻關(guān)研究，取得了一些重要進(jìn)展。

　　突出的流變—突變機(jī)理

　　在煤與瓦斯突出現(xiàn)場，筆者的博士導(dǎo)師周世寧院士和筆者發(fā)現(xiàn)，突出區(qū)域的煤體存在向突出孔洞流動(dòng)的現(xiàn)象。四川三匯壩特大瓦斯突出地點(diǎn)300米以外的地方有明顯的流動(dòng)痕跡。受此啟發(fā)，我們用流變力學(xué)的方法對(duì)含瓦斯煤巖的流變破壞規(guī)律進(jìn)行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，含瓦斯煤巖體在高地應(yīng)力作用下是強(qiáng)流變介質(zhì)，應(yīng)力、孔隙氣體壓力越高、吸附性越強(qiáng)，煤巖的流變性越強(qiáng)。根據(jù)流變力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)研究建立的含瓦斯煤巖三維流變本構(gòu)方程揭示了應(yīng)力、瓦斯壓力、煤巖力學(xué)特性、時(shí)間四大要素之間的非線性演化關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)含瓦斯煤巖流變破壞過程的本構(gòu)方程描述。