0.   引言

煤瓦斯突出灾害目前仍然是我国煤炭安全事故中的“头号杀手”, 也是世界级的科研难题。尽管世界各国对之十分重视, 制订了各种规章、细则, 管理也非常严密, 但仍然难免重复发生类似的重大矿难, 是当前急需探索且十分紧迫的重大研究课题。作者曾讨论了这一重大课题^[1], 在学习总结各国相关资料和经验后, 本文再次讨论这个问题。

1.   煤瓦斯突出的基本定义和认识

我国2006年出版《煤与瓦斯突出防治技术手册》中指出:“煤瓦斯突出是煤矿生产中遇到的一种极其复杂的矿井瓦斯动力现象。它能在极短的时间内, 由煤体向巷道或采场空间抛出大量的煤炭, 并喷出大量的瓦斯, 不仅会造成人员伤亡, 还会造成国家财产损失”^[2]。因此, 煤瓦斯突出是严重威胁煤矿安全生产的重大自然灾害之一。

中华人民共和国煤炭工业部制定的《防治煤与瓦斯突出细则》(1995年5月起执行, 以下简称《细则》)中指出:“煤瓦斯突出是一种复杂的矿井瓦斯动力现象, 到目前为止, 对各种地质、开采条件下突出发生的规律还没有完全掌握”^[3]。因此, 更须严格执行本《细则》各项规定。

《苏联煤、岩和瓦斯突出危险层安全开采规程》(1989年)中指出:“瓦斯动力现象包括煤和瓦斯突出(突出压出)、煤的突然冒落(倾出)伴随瓦斯涌出、岩石和瓦斯突出等, 煤和瓦斯突出是复杂的瓦斯动力现象”^[4]。

2.   煤瓦斯突出概况

2.1   世界各国煤瓦斯突出概况

根据记录资料, 自1834年法国鲁阿雷煤田阿克矿井发生第一次煤瓦斯突出以来, 先后发生突出灾害的国家有:前苏联、中国、法国、波兰、日本、英国等19个国家和地区(表 1), 据不完全统计已经发生突出总数达4万次左右, 最大的突出发生在1969年前苏联的顿巴斯煤矿, 突出煤(岩)量达1.42万t, 瓦斯涌出量达25万m³, 造成众多人员伤亡, 资产损失严重^{[2, 5~8]}。

表  1  世界各国煤瓦斯突出概况（据李建铭^[2]、于不凡^[4]等资料整编）

Table  1.  Coal and gas outbursts in the world(data from Li Jianming^[2], Yu Bufan^[4] et al.)

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2.2   中国煤瓦斯突出概况

中国是产煤大国, 占全部能源中的70 %以上, 由于世界石油持续涨价, 已经启动“煤炼油”的批量生产, 预示今后将仍有扩大开采的趋势。同时我国也是世界上煤瓦斯突出最严重的国家之一, 据1990年不完全统计已经发生突出约1.5万次, 占世界总数的37 %左右, 强度在千吨以上特大型突出100多次, 最大突煤岩约1.3万t, 涌出瓦斯140万m³。

煤矿是我国各种矿难中死伤人数最多, 财产损失最大的矿种, 据1981~1999年近20年的统计资料表明:每产百万吨煤炭平均死亡6~7.5人, 每年平均死亡5000~7000人, 其中煤瓦斯平均死亡始终保持在每年平均死亡2400~2500人的水平。建国50年来(1949~1999年), 我国煤矿发生一次死亡100人以上特别重大矿难14起, 死亡2300余人, 其中与煤瓦斯相关者占10起、煤尘爆炸3起、电气火灾1起, 可见绝大多数特大型事故均为煤瓦斯灾害, 由此成为我国煤矿生产中的“头号杀手”^[9~11]。

应该特别指出, 建国50年来煤矿死亡率以乡镇煤矿最高, 平均达10.35人/mt, 其次地方国有煤矿平均为6.17人/mt, 国有重点煤矿仅为2.13人/mt。特别是近年来, 村镇小矿违纪开采, 基本处于失控状态, 死亡人数剧增, 甚至无法获得确切统计人数。两年来尽管国家关闭小矿政策执行不力, 但也取得了明显下降效果, 如2006年与2005年相比, 死亡人数减少了20 %左右。

3.   煤瓦斯突出研究的主要内容概述

煤瓦斯突出防治研究已经成为一门分支学科, 其内容十分丰富, 涉及面也很广, 获得了众多基础学科的支持, 特别是已经积累了很多实际材料, 也总结许多规律性认识, 主要由煤炭采矿工作者和煤炭地质工作者为主进行研究, 特别是结合生产实践、安全生产的实地情况, 取得了系统的学科成就, 为经济建设作出了重大贡献^[2]。

研究内容可以分为几个方面:①瓦斯的赋存; ②煤瓦斯突出的规律与机理; ③综合防治; ④预防煤瓦斯突出的措施; ⑤煤瓦斯突出典型事故案例分析。

由于篇幅所限, 无法在此一一介绍和评述。下面重点结合煤瓦斯地质规律及其预测问题进行讨论分析。

3.1   煤瓦斯地质理论

我国在建国前后, 已经开始认识到瓦斯地质研究是治理瓦斯灾害的必由之路。20世纪80年代瓦斯地质专业委员会成立; 90年代以来先后出版了一批重大研究成果和相关理论著作^[5]; 高等院校设置了瓦斯地质课程和专业教学研究, 应该说已经进入独立的分支学科发展阶段。

3.1.1   煤瓦斯是特殊的地质体

在煤炭系统多数学者认为瓦斯是气体地质体, 这因为煤矿巷道采场中常常见到的是气体瓦斯。其实在自然界瓦斯有三种存在状态:气体、液体、固体。原始状态的煤层中, 瓦斯是否均以气态赋存, 如果有液态、固态赋存, 则对突出时涌出大量气体可能提供了新的解释的思路和设想; 同时, 在突出机理的认识上, 也可能增加了新的影响因素和假设。

3.1.2   煤瓦斯的形成、运移与赋存

(1) 煤瓦斯是地质作用的产物

煤瓦斯约有20种组成成份:甲烷及其同系烃类气体(乙烷、丙烷、丁烷……等)、二氧化碳、氧、二氧化硫、硫化氢、一氧化碳、稀有气体等, 其中以前三者为主要伴生产物, 是在成煤过程中不断生成的。每吨煤瓦斯累计产生量:褐煤为68m³、肥煤为230m³、瘦煤为330m³、无烟煤为400m³以上。瓦斯生成量不但与煤化过程相关, 在煤层风化带以下, 瓦斯还随着煤的埋藏深度的增加而递增。

正常采煤过程中, 实际瓦斯含量一般不超过20~30m³/t, 由此分析成煤过程中生成的煤瓦斯在煤层中仅仅保存了很小部分, 而绝大部运移到别处赋存起来了, 或是逸散到大气中了。

(2) 煤瓦斯的赋存、运移与集中赋存受控于地质作用

煤化作用生成瓦斯, 经过地质时期的地壳构造变动后, 出现了极其复杂的赋存、运移、集中赋存规律。

其一, 煤层是瓦斯赋存的良好载体, 特别是地下水丰富、地应力条件适合煤层中可以赋存许多瓦斯气体; 局部地质构造条件有可能适合瓦斯以液态、固态赋存在煤层中(目前尚未见到可信证据), 则可在瓦斯突出过程中释放大量瓦斯气体。

其二, 瓦斯的保存条件, 主要决定于地质构造运动过程, 以及煤系地层上覆封闭岩层的完整状态; 其次是煤层风化带的深度。例如同是石炭二叠系煤田, 在山东西部普遍缺失三叠系覆盖岩层, 隆升时代较早, 长期遭受风化剥蚀作用, 瓦斯大量逸散, 风化带深达600~ 700m, 故90 %的矿井都属低瓦斯井; 而在河南西部石炭二叠系煤田, 上覆数千米厚的三叠系, 因此瓦斯保存条件较好, 焦作、鹤壁、郑州、平顶山煤田, 均属高瓦斯、突出矿区。

其三, 通过煤炭开采证实煤层中保存的瓦斯仅占其生成量的少数, 如果上覆岩系厚、封闭条件较好、长期处于沉降状态, 则瓦斯可运移到适合储藏的岩层(如孔隙发能砂岩类中)、构造不整合面的空隙、溶洞中, 以及封闭条件较好的背斜轴部、穹隆构造顶部, ……。推动它们运移、集中赋存的关键因素, 除了岩性、构造条件、地下水运动状态、气体压力平衡条件外, 不同地质时代推动地壳运动的地应力将成为煤层煤气(瓦斯)集中赋存重要决定因素。由此也成为勘探和开发抽排瓦斯气体重要依据, 这项工作原来煤炭系统研究较少, 抽排技术设备也较为落后, 以致于近年来国家发改委提出采煤前先抽排瓦斯的合理措施, 也难以得到落实。而我国天然气勘探开采机构, 则对煤层气的勘探和开采抽排已经积累了保贵的工作经验, 特别是具有先进的设备和使用操作经验, 因此他们的必然成为今后共同合作研究的重要伙伴。

(3) 瓦斯的区域分布规律

煤田、矿区、矿井、采区、采面的瓦斯保存和赋存、突出地点分布规律等都受控于各级地质构造和构造应力场分布规律。有关这方面的研究成果将在下面系统论述。

3.1.3   中国煤瓦斯地质的基本特征与规律

煤瓦斯地质规律是煤瓦斯形成、分布、运移、赋存、聚集、突出等各种特征规律的汇总, 是开发煤层气的基础, 也是煤瓦斯突出的研究基础。中国煤瓦斯地质, 是在我国地质发展演化过程中形成发展起来的, 既有世界的共性, 也有自己特性, 对之深入认识和了解才能正确认识突出规律, 走向预报的正确方向, 合理采矿, 有效减灾防灾, 保证生产正常运行^[5~6]。

(1) 中国煤瓦斯的分区、分带

1990年原煤炭工业部完成1: 200万《中国煤瓦斯地质图》的编制出版^[11]。煤瓦斯的形成、分布受区域地质构造的控制, 根据煤田、矿区的地质背景、生成条件、保存环境、瓦斯含量、涌出量大小以及突出发生情况, 分为:东北、华北、华南、西北四个大区; 20个瓦斯区(8个高瓦斯区、12个低瓦斯区); 88个瓦斯带(36个高瓦斯带、52个低瓦斯带); 79个突出矿区、274对突出矿井(图 1、表 2)。

图  1  中国煤瓦斯分区、分带和煤瓦斯突出矿区分布图（据张子敏等，2005^[5]）

Figure  1.  Regionalization and zonation of coal and gas and distribution of coal and gas outburst mines in China (after form Zhang et al., 2005^[5])

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表  2  中国煤瓦斯分区、分带及其煤瓦斯地质特征与背景

Table  2.  Divisions of coal and gas outbursts and geological features and setting of coal and gas in China

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(2) 中国不同地质时代的煤瓦斯区域分布特征以及高瓦斯与低瓦斯赋存规律

我国煤炭、瓦斯资源量以石炭一二叠系煤层为主, 其次是侏罗一白垩世的煤层, 其余煤层储量甚少, 前者是主要突出煤系, 特别在华南成为高突出区, 具体情况如下(表 3) ^{[5~6, 9]}。

表  3  中国不同地质时代的煤瓦斯区域分布特征

Table  3.  Regional distribution features of coal and gas in different geological ages in China

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我国高瓦斯煤层与低瓦斯煤层区域分布规律, 主要决定于沉积、煤化作用、岩浆活动、变质状况、瓦斯保存条件、埋深、风化剥蚀作用、构造活动等各种影响因素(表 4、表 5)。

表  4  中国煤层高瓦斯赋存及涌出量的区域分布

Table  4.  Regional distribution of high gas accumulation and outbursts in coal layers in China

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表  5  中国煤层低瓦斯赋存及低涌出量区域分布一览表

Table  5.  Summary of regional distribution of low gas accumulation and outbursts in coal layers in China

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3.1.4   不同级别层次的地质构造与构造力学性质对煤瓦斯突出的影响

通过各种实际地质资料和研究测试成果, 一致证明煤瓦斯突出都受到各级构造的严格控制, 而且构造力学性质也是突出关键影响因素。因此, 分析研究煤瓦斯突出灾害, 必然离不开各级构造的对应研究, 否则就会脱离正确的研究方向^[5~6]。

(1) 构造煤瓦斯突出

构造煤是指煤层中分布的软弱分层, 是构造应力作用下发生破碎或韧、塑性变形或流变的产物。国内外大量观测研究都一致表明:所有瓦斯突出地段都有一定厚度的构造煤。它不仅是地质构造活动的标志, 也是典型瓦斯突出的地质体特征, 更是预测突出重要的标志之一。

《防治煤与瓦斯突出细则》第二章第二节第26、29条规定指出:突出煤层属于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的煤破坏类型, 即分类表中:Ⅲ类煤(强烈破坏煤)、Ⅳ类煤(粉碎煤)、Ⅴ类煤(全粉煤), 而其他Ⅰ、Ⅱ类煤均为非突出煤层(即不是诱发突出的煤层) ^[3]。

《苏联煤、岩和瓦斯突出危险层安全开采规程》中, 也作了类似上述规定和详细说明^[4]。

(2) 中国煤瓦斯突出的煤田、矿区、矿井的区域构造带控制规律

煤瓦斯突出地点在井田中分布极不均匀, 几乎90 %都被构造控制, 如英国、捷克、保加利亚、前苏联、法国、比利时、日本、匈牙利以及我国也都如此。我国南桐矿区464次突出中, 有436次(占94 %)发生在构造带中(表 6)。

表  6  我国构造控制煤瓦斯突出点的典型实例

Table  6.  Typical cases of coal and gas outburst sites controlled by structure in China

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我国突出煤田、矿区、矿井都受区域构造带的控制, 特别是压性的推覆体逆冲构造带、强烈变形带, 尤其是活动构造活动带, 是控制地壳表层构造形变的深部关键因素^[11]。

① 推覆体构造带及强烈形变带是煤瓦斯突出的多发地带

我国发育许多推覆构造, 最大推覆距离达数万米, 也经常是煤瓦斯突出的多发地带。例如:四川孟地西侧龙门山-菁河推覆构造带, 逆冲推覆指向盆地中心, 沿此分布着龙门山、花门山、雅荣高突矿区, 有7对突出矿井; 盆地东侧发育武陵山、华蓥山推覆构造, 也向盆地中心逆冲, 分布松藻、南桐、华蓥山、中梁山高突矿区, 有26对突出矿井; 湘桂、东平-萍乡、浙西的弧形褶断带中, 分布萍乡、丰城、英岗岭、东平等高产矿区, 共63对突出矿井, 已发生2500多次突出, 是我国最严重突出地区之一; 淮南煤田受大别山构造带控制, 区内逆冲推覆构造发育, 有8对突出矿井; 北票煤田处于大型推覆构造部位, 6对均为突出矿井, 也是华北突出强度最大的地区之一; 太行山东麓的焦作、鹤壁、安阳等高突矿区, 挤压强烈, 构造形变显著, 滑脱构造甚多, 该强烈形变带控制着突出带的展布; 东秦岭-大别山形变带控制着平顶山、宜洛、荥巩、偃龙、淮南、黄石煤田, 都具有突出危险性极高的煤田。

② 活动性深断裂带是煤瓦斯突出的高发地带

深层构造控制浅层构造。特别是燕山运动以来, 中国大陆构造活动反映深断裂带的持续活动; 挽近以来活动性深断裂带也是煤瓦斯突出的高发地带。

自图 1、表 2可见, 我国很多活动性深断裂带往往都是煤瓦斯突出带。例如:华北区北缘的阴山燕辽高瓦斯区带; 南缘的下场子高瓦斯区带; 鄂尔多斯西缘高瓦斯带; 太行山东麓高瓦斯区带; 四川龙门山的瓦斯突出带; 华蓥山煤瓦斯强突出带; 赣、湘、粤、桂高瓦斯区中的诸多高突出带; 东北地区牡丹江-鹤岗瓦斯带; 延边和龙二氧化碳突出带; 等等, 都由深断裂控制瓦斯突出地带。

③ 深层构造陡变带是煤瓦斯突出敏感地带

深部地球探测在我国发现许多深层构造陡变带, 是中、新生代以来构造活动最为强烈的地带, 也常是内陆构造活动带, 部分与活动性深断带重合, 具有特殊的地球物理场特征, 经常是煤瓦斯突出的敏感地带。

我国境内深层构造陡变带的方向性很强, 例如:近东西向主要有两条:天山-赤峰陡变带, 分布10余对高突矿井; 华南区的萍乡-郴州深陡变带分布着70多对高突矿井, 已发生突出2000多次。近南北向深层陡变带以贺兰山-龙门山带为代表, 共有11对高突矿井。北北向新华系是我国东部广泛发育的构造带, 其中许多都与深部陡变带重合, 其中部分是高瓦斯涌出带和突出带。

3.2   煤瓦斯突出的发生条件与发展过程

3.2.1   突出的发生条件

地应力、瓦斯、煤岩结构与岩石力学性质是决定突出发生的主要条件^[2]。

(1) 地应力在突出中起三方面作用。使煤体发生突然破坏或位移; 对瓦斯压力起控制作用, 决定煤层透气性, 当围岩内应力增大, 煤体透气性降低, 影响瓦斯排放造成高压, 一旦煤体破坏, 高压瓦斯积极放散, 加剧突出强度; 随着采掘工作面前进, 促使采动应力与构造应力叠加, 激发突出发生。

(2) 游离和吸附状态的瓦斯, 对煤体起三方面的作用。压缩煤体积蓄潜能, 降低煤的强度, 造成瓦斯压力梯度的变化; 突出时潜能释放, 促使煤体破碎移动, 瓦斯的释放进一步加强煤体破碎与移动, 形成强大的瓦斯流, 把碎煤及部分围岩一起抛出; 突出孔洞保持强大地应力和瓦斯压力梯度, 使突出持续发展, 孔洞扩大, 直至地应力和瓦斯压力梯度降低、终止。^[12]

(3) 煤结构及其力学性质是决定突出的第三个重要条件。煤的强度、瓦斯解吸积放散能力、透气性能等因素对发动突出及其发展起重大作用, 软弱破碎的煤层极易首先发生突出, 并沿其发展^[13~14]。

3.2.2   突出的发展过程

煤瓦斯突出可以划分为三个阶段:即发动、发展、终止阶段^[2]。

(1) 发动阶段

由于爆破的外力作用, 突然改变煤体应力状态与环境, 使岩石和煤体的弹性潜能迅速释放, 同时出现各种突出前兆即先听到破裂声、煤层发生压缩变形、瓦斯压力急剧变化升高(达10MPa)以及煤面外鼓、掉碴、煤挤出、支架压力增大、瓦斯量忽大忽小、煤中出现闷雷声等多种前兆。当地应力、瓦斯压力、岩石和煤中能量是够大时, 即破坏煤体, 激发突出。

(2) 发展阶段

岩石和煤体释放的弹性能量与游离瓦斯的膨胀能量使煤体破碎, 强大的瓦斯流把煤粉、碎煤抛出, 此时可见煤体膨胀变形, 突出孔间壁始保持着较大的地应力梯度和瓦斯压力梯度, 使之由突出发动中心向周围和纵深发展, 特别容易沿着裂隙及弱面发展, 并把其两侧的煤体继续破碎和抛出。

由于地应力、瓦斯压力, 煤质变化, 结构形迹……以及通道阻力等变化的不均匀性与变化速率的差异, 突出发展速度的时程也可能是不均匀的, 尤其在喷孔过程中。可以是一次性为主的喷出, 跟随小批量的抛出; 也可以呈现脉冲式多批次的间隔喷出, 特别大型、超大型突出中, 后者更为常见。

一般突出全过程为几十秒, 少数为1~2.5秒; 个别情况例外可延续更长的时间, 特别是脉冲间歇喷出者, 可延续更长的时间。在一般突出过程中, 煤体变形变化延续时间为0.1 ~64秒, 经常只有几秒; 瓦斯压力延续只有2~7秒, 突出的破坏性表现为强大的动力作用, 突出的巨大石块抛出, 滚动数十米、数百米, 碎煤和围岩碎块按距离分选, 煤粉喷出更远, 瓦斯能逆风运动充满矿区, 直达地面。碎坏巷道、钻孔、采矿设备、搬运岩石矿渣等, 表现出强烈的动力效应, 同时造成人员大量伤亡。

(3) 停止阶段

突出能量基本耗尽, 或者已不能继续突出, 或者通道受阻, 地应力和瓦斯压力梯度降至终止的量级, 使突出、煤岩破碎停止, 同时碎煤、粉煤沉降, 但是瓦斯仍然继续大量解吸和散放, 经常相当长的时间才恢复正常水平。

4.   煤瓦斯突出的成因与假说

煤瓦斯突出成因机理迄今尚不完全清楚, 许多认识源自现场统计资料分析以及实验研究成果提出的各种假说。它们只能解释某些现象, 还不能全面有效地解释全部现象, 或者取得完全一致的共识, 因此, 成因机理尚待积累资料和深化研究, 以便取得共识。下面概要介绍煤瓦斯突出的几种假说^[2]。

(1) 瓦斯主导作用的假说

包括瓦斯包说、煤粉带说、煤透气性不均匀说、突出波说、裂隙堵塞说、闭合孔隙瓦斯释放说、瓦斯膨胀应力说、火山瓦斯说、瓦斯解吸说、瓦斯水化合物说、瓦斯-煤固溶体说等。

(2) 地压主导作用假说

岩石变形潜能说、应力集中说、剪切应力说、振动波动说、冲击式移近说、顶板位移不均匀说、应力叠加说等。

(3) 化学本质说

爆炸煤说、重煤说、地球化学说、硝基化合物说等。

(4) 其它假说

能量说、应力分布不均匀说、分层分离说、破坏区说等。

5.   煤瓦斯突出预测预报研究

5.1   运用单项指标进行煤瓦斯突出危险性评价

我国《防治煤与瓦斯突出细则》中, 对突出危险性单项指标大都作了详细的叙述、分析, 并对具体测量方法技术做了明文规定^[3~4]。

5.1.1   煤的破坏类型

细则中将煤的破坏类型分为五种:Ⅰ类(非破坏煤)、Ⅱ类(破坏煤)、Ⅲ类(强烈破坏煤)、Ⅳ类(粉碎煤)、Ⅴ类(全粉煤), 其中Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类煤具有突出危险性。

5.1.2   瓦斯放散初速度(Δp)

细则中规定瓦斯放散初速度(Δp)达到10mm汞柱压差时, 是世界各国突出危险煤的临界值指标。但在同一煤层不同地点测值差别有时很大, 其主要决定于煤的破坏程度和孔隙性质, 因此, 不能完全根据测量数据作出肯定危险性判断, 需各种单项指标综合分析, 可以提高危险性预报的准确率。

5.1.3   煤的坚固性系数(f)

细则中规定煤的坚固性系数(f)的危险性临界值为0.5(单位:n/L, n为每份试样的冲击次数(次), L为每组试样筛下煤粉的计量高度(mm))。

5.1.4   煤瓦斯压力(P)

细则中规定煤瓦斯压力(P)危险性临界指标值为0.74MPa, 国外一般采用1.0MPa, 作为突出危险性标志。

5.1.5   煤层中瓦斯含量

根据世界百余座突出煤田的统计资料, 一般认为煤中瓦斯含量>10m³/t时, 即有突出危险性。

5.1.6   煤层埋藏深度

一般认为随着煤层埋藏深度加大, 突出危险性增大、次数也增多。每个矿井、煤层都有一个发生突出的最小深度, 当小于该深度时不发生突出, 简称始突深度。据我国一些统计资料显示:始突深度一般为70~80m;200m左右较多; 300~400m明显增多; 500~700m平均突出强度增大。此外, 始突深度还与矿井附近的地形地貌关系密切, 与地壳浅表层地应力随深度变化有关, 往往应力卸荷区突出相对较少, 应力集中区和原始应力区突出相对较多, 尤其是应力集中区。

5.1.7   突出危险性随突出煤层厚度增加而增加

突出煤层愈厚, 危险性愈大, 表现为相对突出次数增多、强度增大、始突深度变浅。

5.1.8   煤体的渗透率

我国提出:当渗透率V_s < 40时, 为非突出危险煤层; 40 < V_s < 60 %为威胁煤层; V_s > 60 %时, 为突出危险煤层。

除上述各项突出危险指标以外, 尚有煤的吸附孔隙特性、煤岩微观结构等多种物理性质、物质结构特征等与突出危险性有一定的联系; 突出与地质环境也有密切关系, 例如地下水的环境条件等; 巷道类别和作业方式也与诱发突出关系密切。由此可见煤瓦斯突出是由多种因素综合发动的, 是由多种综合条件促成和激化的, 所以, 进行综合指标评价更为合理, 提高评价的可靠性。

5.2   运用综合指标进行煤瓦斯突出危险性评价

由于世界各国煤瓦斯突出的具体环境、条件并不完全相同, 研究经验积累也存在一定的差异, 为此提出了各种综合评价指标(表 7) ^[2~10]。

表  7  煤瓦斯突出危险性评价综合指标

Table  7.  Comprehensive indices of coal and gas outburst risk assessments

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综合分析研究方法, 除表 7代表性研究工作以外, 尚有研究者采用多种单项因素记分方法进行综合预测煤瓦斯突出危险性评价。例如:①前苏联伊万诺夫考虑12个因素; ②日本矢野贞考虑11个因素; ③波兰应用综合指标制订经验公式进行评价。

总之, 世界各国按照各自的实践经验, 进行总结和评价, 可靠性也各不相同。

5.3   运用物探技术进行煤瓦斯突出危险性评价

20世纪80年代以来, 国内外逐渐发展以物探技术评价煤层突出危险性的研究工作。例如根据钻孔地球物理测井(如电法、放射性法、热法、声控法等), 综合分析评价煤层的突出危险性^[2~12]。

美国与我国运用地震透射法(CT)、无线电透视、地质雷达探测、槽波透视等探测技术进行煤层突出危险性评价, 拓宽了区域预测研究的领域。近10多年来, 我国对此研究取得了一定的进展, 尽管仍属探索研究阶段, 但对区域突出危险性评价提供了面上的资料, 显示了较好的应用远景。

5.4   编制瓦斯地质图进行煤瓦斯突出危险性评价

煤瓦斯地质图可以了解瓦斯类型赋存规律、分布特征、储量情况、运移条件、涌出量状态及其主要影响因素等等。它不仅是研究煤瓦斯突出危险性的重要资料, 也是预测预报的重要方法手段。同时又是煤层储量计算的依据, 抽排瓦斯气体防止突出灾害最重要基础图件资料^{[2, 9, 11]}。

瓦斯地质图一般由平面图、剖面图、柱状图以及综合分析研究图四个方面组成, 当然也可以编制专门图件用以说明具体问题。编图一般分为小、中、大三种比例尺:小比例尺一般用于全国或省(区)的防治瓦斯灾害规划, 煤层气田开发区划布署等; 中比例尺用于煤田、或矿区研究和开发布署工作; 大比例尺则常用于矿井建设和研究工作。

煤瓦斯地质图主要研究目标是预测和防治突出灾害问题, 因此, 必须考虑以下几方面进行编图:①瓦斯含量高是发生突出的基础; ②煤体结构破坏是发生突出的必要条件; ③地质构造是控制煤瓦斯突出的关键因素; ④构造应力集中地带是突出发生的主要位置, 等等。因此, 它是多种内容综合编图, 用以说明煤瓦斯突出发生时间、地点位置、强度(即时、空、强)规律, 属于预测预报的专门研究图件。尽管目前研究水平还受到限制, 但目标是明确和肯定的, 也是大家共同努力的方向。

1983~1987年全国瓦斯地质编图研究, 完成矿井瓦斯地质图322幅, 矿区瓦斯地质图 125幅, 省图25幅, 以及1: 200万全国煤矿瓦斯地质图。1987年9月通过部级鉴定, 出版发行^[10]。通过编图初步掌握了矿井瓦斯分布规律, 揭示了矿井煤层等高线、瓦斯含量等值线和瓦斯涌出量等量线三者之间的关系, 认识到三者与构造线具有近似平行的特征, 从而为瓦斯突出受地质构造控制提供了定量的科学依据。同时建立了地质构造控制矿井分布规律与应力集中释放的论点。

5.5   关于煤瓦斯突出预测预报中几个问题的说明与讨论

(1) 我国煤瓦斯突出预测预报是从安全生产实际出发, 凡矿井发生一次突出后, 即定为突出危险矿井; 某煤层发生一次突出就划定为突出危险煤层。如果由此采取大面积同样的防治措施, 显然是不合理、不科学的。因为实践证明:突出在区域分布上具有一定的规律; 在矿井中也具有明显分布规律; 同一突出煤层在不同地段突出危险性具有显著差异, 属于潜在突出危险者一般仅占10 %~30 %。

(2) 我国煤瓦斯突出预测一般分为:区域性突出预测(也称长期预测或远期预测)和局部突出预测(也称日常预测, 主要用于采掘面附近突出危险性预报)。区域性突出预测常用以下几种方法:

① 经验统计理论预测(即前述区域煤层突出危险性的综合指标预测方法):由于单项指示评价区域突出危险性, 具有片面性、不完整性, 采用综合指标评价预测显然提高了可靠性, 较为全面的分析研究问题。各种区域研究所掌握的资料内容各不相同, 因此根据各自的经验进行评价判别, 已成为经常采用的研究和预测方法技术。

② 固一流耦合失稳性理论预测:该理论从力学基本原理出发, 讨论煤瓦斯突出在工程失稳状态下发生的动力现象。力学工作者因此引进了能量分析和地应力分析, 同时采用数学地质方法技术, 进行面积矩阵、体积矩阵计算分析等, 推导十分严密, 但在一般应用中难以推广。

③ 弹性应变能理论预测:认为突出是煤层中弹性潜能的释放或转化过程。采用力学理论推导演算, 进行分析预测。

④ 瓦斯地质理论方法预测:区域地质构造是煤瓦斯突出的主要地质背景, 也是重要的物质基础。无论煤田、矿区、井田的突出都受控于煤瓦斯地质条件, 因此进行各个层次的瓦斯地质研究和规律的探索, 是进行预测的有效办法之一。

⑤ 地球物理方法预测:地球物理探测经常可以获得较为系统的数据资料, 对突出预测研究提供重要帮助, 这些都是物性变化的反映, 必需在与实际地质资料核对以后, 才可以放心使用。

(3) 地勘新区煤瓦斯突出的区域性预测:主要目的是在地质勘探期间鉴别煤层突出的危险性, 进而查明突出危险区段, 进行区域性全面的预测和评价, 以便确定采取合理有效措施。相关具体要求办法, 在《细则》中都有详细规定, 概括的讲包括:①查明突出煤层物理结构特征及突出的区域条件; ②测量煤瓦斯压力分布规律及突出危险性评价的区域条件; ③测定突出危险性的基础参数, 进行综合指标评价和预测, 划分危险性等级; ④编制瓦斯地质图, 全面完成区域预测和评估。

(4) 新建井田、采区突出危险性的区域性预测:国内外大量采煤经验证明, 属于危险突出煤层中仅有10 %~30 %的地段具有潜在危险性, 如何确定危险地段, 具有重要实际意义。相关要求也在《细则》作了具体规定。总体分为以下几方面:①瓦斯压力和含量的测定; ②采区突出危险性区域性预测; ③工作面突出危险性预测, 主要采用沿巷道走向不断测量各种突出指标的变化规律, 划出超过临界的地段, 进行危险性预测; ④配合数学地质方法以及数学网络空间分析技术进行突出危险性预测和讨论。

(5) 突出防治:《细则》中对突出防治措施, 规定十分详细具体, 所占篇幅也达1 2以上。在煤瓦斯突出防治技术手册(2006年)中, 叙述更为详细, 所占文字达50万字以上。可见把防治措施作为煤瓦斯突出防治的最重要的环节, 也表明预测预报尚存在严重的不确定性和尚未充分掌握煤瓦斯突出的发生发展规律, 或者说目前预测预报尚存在严重的“漏洞”。

6.   煤瓦斯突出研究思路方法探索与讨论

6.1   煤瓦斯突出灾害属性的界定

6.1.1   煤瓦斯突出是内动地质灾害的特殊类型

煤瓦斯突出属于内动地质灾害, 是现今地壳运动过程中的特殊灾害类型, 是煤矿开采过程中人工采动应力叠加诱发地壳失稳破坏的灾害, 是内、外动力结合诱发地质灾害的典型事例^{[1, 15~17]}。

对中国内动地质灾害类型研究表明, 在现今地壳运动过程中可能发生不同类型的内动力地质灾害。煤瓦斯突出属于地应力与能量集中类型中的一个亚类, 它与坑道变形灾害、钻孔套换变形灾害、部分突水突泥灾害、地震灾害等属一个类型, 各种类型的内动力地质灾害随着地球在宇宙空间的运动规律, 它们都必然具有统一的周斯性运动特征, 与构造体系协调一致的规律^[15]。

6.1.2   煤瓦斯突出是地壳局部失稳状态下发生的动力地质现象

因此采用李四光“安全岛”理论, 进行地壳稳定性(即安全性)分区评价, 将对煤矿安全生产(采煤)具有重大实际意义^[18]。

6.1.3   构造应力、能量集中与采动应力叠加是煤瓦斯突出的根本原因

煤瓦斯突出是在现今构造环境下, 骤然释放地应力和能量的一种表现形式, 随着构造应力与采动应力叠加, 超过煤岩阻力的临界值时, 随即发生突出^[1]。

6.2   研究思路方法

在前人研究成果的基础上, 增加地质力学的研究方法, 借鉴李四光对地震地质的工作经验, 以现今构造活动性研究为先导, 采用岩石力学性质与构造应力场的核心技术, 进行煤瓦斯地质研究, 探索煤瓦斯突出预测预报和减灾防灾^{[1, 15~22]}。具体研究方法与工作程序详见参考文献[1]。

7.   小结与认识

(1) 煤炭系统对煤瓦斯突出研究, 经过近200年的长期资料和经验的积累, 已经取得重大进展, 为煤炭安全生产做出了重大贡献。但到目前为止, 对各种地质、开采条件下突出发生的规律还没有完全掌握(《细则》第一章第一条)。自2000年以来, 平均每年突出死亡达2400人左右, 煤瓦斯特别重大死亡事故, 呈现上升趋势, 虽然近两年强制关闭小煤矿, 但仍有执行不力的情况。采矿中的违章、违规、违纪现象特别严重, 许多煤矿长期以来对安全设施欠账太多, 急于采矿获利, 安全隐患仍然严重。

(2) 自近200年煤炭进入工艺开采时代和世界上1834年法国伊阿克煤矿首次发生煤瓦斯突出以来, 煤瓦斯突出研究发展历史可以初步总结为以下几个特点:

① 前100多年科学水平较低, 尚没有专门研究煤瓦斯突出的科技队伍, 主要由采矿工作者考虑突出灾害的问题。近几十年来, 世界各国对采煤防突进行了大量研究, 并取得了明显成效。我国1995年颁发《防治煤与瓦斯突出细则》, 前苏联1989年颁布《苏联煤、岩和瓦斯突出危险层安全开采规程》, 标志着对煤瓦斯突出研究进入了科学研究的新阶段。开始主要是由采矿人员研究突出防治, 后来煤田地质工作者相继组成了研究突出灾害的专业队伍。

② 煤瓦斯物质成份突出研究阶段:长期以来从采煤实际情况出发, 按矿井设计目标, 重点研究瓦斯释放对通风换气的要求等; 进而发展研究突出的煤岩条件(构造破碎煤的研究与分级)、瓦斯赋存和运移状态、各种单项突出指标等; 最后发展到综合指标的经验性评价系统。

③ 煤瓦斯地质研究阶段:经过长期的采煤实践, 发现地下突出地点受构造控制的规律。特别二十世纪八十年代我国对瓦斯地质研究取得新进展, 明确地质构造控制全国、煤田、矿区、矿井(井田)四级瓦斯地质规律以来, 已经从单纯从物质成份的研究思路, 发展到结合地质构造控制煤瓦斯突出的综合研究思路。

④ 地质构造控制煤瓦斯突出的规律, 是从矿井采煤发现突出地点, 经常受小构造控制, 如向斜、桡曲、断层等; 继而发现煤瓦斯突出受区域构造、深部构造、活动性断裂等控制的规律; 近年来又强调新构造、活动构造对煤瓦斯突出的控制规律。但还没有人提出现今活动构造对煤瓦斯突出的控制规律。

⑤ 煤瓦斯突出既受构造控制, 又是动力地质现象, 因此很容易联系到地应力集中与突出发生的相互关系, 很多著作、论文对此十分重视。弹性变形理论、能量学说随之而来, 矿井中实测地应力手段的应用、构造应力场模拟研究都成为突出研究的内容, 也成为解释突出的理论依据, 各种数学地质分析方法也有广泛的应用。

值得重视的是, 煤矿许多地应力测值往往没有说明测量的地层层位和岩石名称, 例如苏联顿巴斯, 很可能忽视了岩石力学性质对测值的影响。我国煤矿的一些地应力测值也有类似情况。由于对岩石力学性质的影响考虑较少, 测值对比的可信性相对也较低, 虽认识到应力集中与突出相关, 但不能做出具体、详细、肯定的结论, 所以经常出现较为概略评估的现象。应该说煤矿地应力测量与构造应力场研究, 在煤瓦斯突出预报中的应用还处于初始起步状态, 有关地应力测量与构造应力场研究在煤瓦斯突出预报中应用的前提、条件、需要考虑的影响因素、理论分析准则、煤瓦斯突出预测判据等需要通过实践逐步厘定。

(3) 世界各国对煤瓦斯突出进行了大量研究、现场测试, 取得了显著成效。我国发布了《煤矿安全规程》(2004年)、《防治煤与瓦斯突出细则》(1995年), 总结出版了《煤与瓦斯出突防治技术手册》(2006年), 长期采取预测、防突、效验、安全防护等“四位一体”的综合措施后, 研究和生产水平都得到极大提高, 目前已达到世界先进水平, 甚至有人认为综合防突技术已进入世界领先水平。然而突出问题并没有彻底解决, 重大突出事故照旧频繁发生, 单个事故死亡人数继续居高不下, 近年来我国报导瓦斯爆炸矿难接连不断。为此, 我们对其研究方向、方法、技术、思路提出重新思考, 希望在学习已有研究和工作成果基础上, 探索新的科研途径, 补充新的研究方法, 为减灾防灾尽点地质力学工作者的责任和爱心^[15~22]。为了探索煤瓦斯突出尚未完全掌握的规律, 采用李四光创建的地质力学理论方法进行研究, 具有一定的优势, 加强学科技术的交流与互相渗透, 相信会对解决这一世界性难题有所帮助。

最后对地质力学学报编辑部的邓乃恭研究员、杨农研究员等所提出的宝贵建议表示衷心感谢!