我國煤巖動力災害世界第一

　　煤巖動力災害，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力災害過程，高地應力和高壓瓦斯是能量的主要來源。我國最大的突出災害發生在四川三匯壩一井，在幾鐘內突出煤巖12780噸，噴出瓦斯氣體140萬立方米。沖擊礦壓災害是在高應力作用下，采掘空間周圍的煤巖體失穩破壞并向采掘空間高速運動的動力災害過程，高地應力是主要能量來源。我國最大的沖擊礦壓發生在撫順老虎臺礦，震級達到里氏4.3級。

　　煤巖動力災害除造成人員傷亡外，還嚴重摧毀巷道等采掘空間、破壞保障安全的通風系統。災害過程伴隨礦井瓦斯涌出異常，常誘發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。這類災害嚴重威脅礦井安全，是煤礦重大工程災害。

　　我國是世界上煤巖動力災害最嚴重的國家。截至2010年，我國已備案的煤巖動力災害礦井達1420多個。由于種種原因，還有超過一倍數量的這類礦井沒有備案。據不完全統計，我國已累計發生31000多次動力災害，平均每年死亡近300人。目前，除海南、廣東、福建、浙江、西藏等少數省區外，我國主要采煤省區不同程度地受動力災害的威脅，著名的平頂山、淮南礦區的主力礦井全部為突出礦井，兗州礦區主力礦井受沖擊災害威脅嚴重。

　　隨著煤礦開采深度的不斷增大，災害更為嚴重，預防的難度也在不斷加大。我國煤礦國有重點礦平均采深700米，最深達1365米，煤層最大瓦斯壓力達10兆帕。來自權威部門的統計表明，“十一五”期間，我國煤礦重、特大瓦斯突出事故的起數和死亡人數分別占40%和28.5%;2010年發生的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力災害事故是今后減少煤礦重特大事故的重中之重。

　　煤巖動力災害預防是世界性難題

　　煤礦煤巖動力災害的本質是含有高壓瓦斯的煤巖體在內部能量和損傷積累到一定條件下快速失去穩定性，坍塌并釋放巨大能量的動力災害過程，是一個極其復雜的非線性力學現象。受地質條件、采掘布局、開采技術條件和煤巖性質等多種因素的綜合影響，其預防是世界性難題。世界主要采煤大國，不論是發達國家還是發展中國家，均深受其害。由于預防難度大，無法避免災害造成人員傷亡，世界動力災害嚴重的國家如美國、加拿大、英國、法國、德國、日本和蘇聯基本關閉了具有動力災害，特別是瓦斯突出災害的礦井。

　　我國主要產煤區均受動力災害威脅。煤炭是我國主要能源，2000年以來，煤炭產量以每年超過GDP的速度增加，引領國民經濟發展。為滿足經濟快速發展的需要，受動力災害威脅煤礦仍需長期開采，如平頂山、淮南等。因此，有效預防煤礦煤巖動力災害是我國煤礦必須面對的問題。

　　在我國，煤系地層受多次構造運動作用，地質條件復雜多變，動力災害的預防難度極大、危險高。煤礦瓦斯突出災害預防難度大的另外一個原因是機理不清。長期以來，世界突出預防一直以蘇聯學者霍多特提出的綜合作用定性假說為指導，它表明了突出主要受應力、煤層瓦斯和煤層物理力學性質等三個主要因素影響，但并未揭示這些因素如何耦合并影響災害動態演化過程。機理不清，使得預測準確率低，防治措施針對性不強，導致事故經常發生，嚴重惡化煤礦安全環境。

　　煤巖動力災害是突發性的動力災害，其發生具有很強的時間、空間隨機性和不確定性?，F場實測突出危險參數、預測煤層突出危險性和實施放突措施不僅困難，而且非常危險。我國湖南、江西、貴州、四川、重慶、河南等嚴重突出礦區在預測預報和執行放突措施過程中經常發生突出事故。筆者在研究突出時，也常遇到這樣的情況。在焦作中馬村礦井下實驗時遇到一次突出，當時在工作面前方實施突出危險鉆孔時噴出近一噸煤粉，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，須面臨十分危險的環境，但越是危險的地方，越需要去考察、實測和分析。

　　傳統的檢測方式是通過向煤體打鉆測試鉆屑量、瓦斯參數的方法進行測試，測得的預測信息量少，準確率低，還時常發生低指標突出及高指標不突出的情況，更容易漏報、誤報，造成嚴重后果。而且打預測鉆孔時擾動煤體，常誘發突出事故，具有很大的危險性。

　　針對我國煤巖動力災害預防存在的問題，我們在煤巖動力災害態演化過程及機理、煤巖動力災害監測預警理論與技術等關鍵科學和工程應用難題進行了長期的攻關研究，取得了一些重要進展。

　　突出的流變—突變機理

　　在煤與瓦斯突出現場，筆者的博士導師周世寧院士和筆者發現，突出區域的煤體存在向突出孔洞流動的現象。四川三匯壩特大瓦斯突出地點300米以外的地方有明顯的流動痕跡。受此啟發，我們用流變力學的方法對含瓦斯煤巖的流變破壞規律進行了深入研究。研究發現，含瓦斯煤巖體在高地應力作用下是強流變介質，應力、孔隙氣體壓力越高、吸附性越強，煤巖的流變性越強。根據流變力學理論和實驗研究建立的含瓦斯煤巖三維流變本構方程揭示了應力、瓦斯壓力、煤巖力學特性、時間四大要素之間的非線性演化關系，實現了對含瓦斯煤巖流變破壞過程的本構方程描述。