煤与瓦斯突出风险研究范文

摘要：为了防止煤与瓦斯突出的发生，利用风险界面理论对煤与瓦斯突出的风险因素进行分析，得出了煤与瓦斯突出与地质构造、瓦斯、煤层性质、瓦斯放散初速度、瓦斯涌出初速度、突出征兆、发生地点、防突措施等因素之间交互作用频繁，转化为事故的概率极高，需要系统防范。并在此基础上建立煤与瓦斯突出危险因素鱼骨图，揭示了风险与事故的内在关联。

关键词：风险界面理论；煤与瓦斯突出；鱼骨图；风险因素

煤与瓦斯突出严重制约着煤矿安全生产。据国家安全监督管理总局数据统计，2001年到2017年共发生煤与瓦斯突出事故315起，死亡1907人，平均每起死亡6人。随着矿井开采深度的增大，地应力增大、水压增高、地温增加，直接结果就是瓦斯压力大、瓦斯含量高、煤质松软、煤层渗透率低、瓦斯抽采困难，煤与瓦斯突出灾害将会更加严重。煤与瓦斯突出是一个复杂的过程，许多学者对其进行了深入的研究，为防治煤与瓦斯突出提供可靠的理论支撑。煤与瓦斯突出是由地应力、瓦斯、煤的性质三者共同作用的结果，预抽煤层瓦斯是治理煤与瓦斯突出的根本措施，实现煤与瓦斯共采都在学术界和煤矿界得到普遍认可。但是，到目前为止，各种地质、开采条件下，煤与瓦斯突出发生的规律还没有完全掌握，而煤矿井工开采过程中发生煤与瓦斯突出是一种客观存在，需要利用现有的科学技术对其进行系统防范，将风险降到最低。风险界面理论［1］是一种对事故进行多因素系统分析的理论，该理论基于风险控制理论对现场人员、环境、设备等因素交互干扰的影响特性下进行多因素分析，能对危险因素交互频繁的作业场所进行系统风险因素分析。基于此，笔者将利用风险界面理论对煤与瓦斯突出的风险因素进行深入分析，并在此基础上建立风险因素鱼骨图，以此防止煤与瓦斯突出的发生和灾害的扩大。

1风险界面理论

1.1煤与瓦斯突出的风险界面理论的界定风险界面理论认为［1］，风险总是存在于人员、设备、环境的接触界面。它重点强调风险因素的接触会导致危险能量的意外释放，而危险能量的意外释放则会引发事故。该理论需要在3个方面进行界定。1）能量携带主体的界定。煤与瓦斯突出过程中地应力、瓦斯压力是主要的能量携带主体，煤的性质是能量的承受者，外界能量（采动影响和防突措施）的干扰会加剧或防止突出的发生。2）接触界面的界定。煤与瓦斯突出过程的不同阶段起作用的主体不同。地应力、瓦斯压力、煤三者之间交互频繁。煤与地应力、瓦斯与地应力、地应力与瓦斯、瓦斯与煤、防突措施的各个主体之间等都可看作是风险接触的界面，它们可以是现实存在的，也可以是假想界面。3）风险的客观存在性及隐蔽性。瓦斯、地应力具有的能量是风险存在的客观原因，它们之间不断进行着能量、物质交换，存在交换即存在接触，存在接触即存在风险。但是并非每一次接触都会发生事故。煤与瓦斯突出需要三个因素相互耦合以及受外界条件影响，因此又具有一定的隐蔽性。4）风险的可控性。经过几十年煤矿科技人员艰苦不懈的努力，证实“四位一体综合防治措施”可有效防治煤与瓦斯突出的发生。

1.2煤与瓦斯突出对风险界面理论的验证针对煤与瓦斯突出的原因分析，其风险来源包括瓦斯因素（压力、含量、组分）、地应力因素（岩层重力、集中应力、构造应力）、煤的性质（稳定性、透气性、强度）、防突措施的实施效果（防突技术不合理、人员误操作、监测检测失效）等［2］。按照动力现象力学特征分类，突出事故类型分为煤与瓦斯突出、煤与瓦斯的突然压出、煤与瓦斯的突然倾出、岩石与CO2（瓦斯）压出［3］。煤矿井下作业环境狭小阴暗，设备众多，人员密集，存在许多潜在危险源，煤与瓦斯突出一旦发生后果不堪设想，必须采取有效的措施进行治理。总结了近年煤与瓦斯突出发生的原因、地点、后果以及事故的最初发生点等，从各个角度验证风险界面理论适用煤与瓦斯突出风险分析。复杂的地质构造、下山延伸、煤层厚度发生变化等都使地应力、瓦斯所携带能量增大；石门揭煤、掘进工作面、采煤工作面等是主要风险接触界面场所；风险的存在总会有一定的预兆出现如煤质破碎、冲钻、瓦斯浓度超限等但不一定每次预兆都演变为事故；地质调查不可靠、防突措施不到位、钻孔、爆破等是诱导突出的主要外界原因。

2基于风险界面理论的煤与瓦斯突出风险研究

2.1煤与瓦斯突出风险因素煤与瓦斯突出是一种在短时间内瓦斯携带着煤粉突然地、连续抛向工作面的一种动力过程。实现突出的基本能源是煤中积聚的高压瓦斯潜能［4］。突出过程一般包括准备阶段、激发阶段、发展阶段、稳定阶段，有的可以明显分清，有的激发阶段很短暂，界限不清。突出发生决定于突出源附近应力的集中状态以及围岩的完整性，如果外界干扰加剧如采矿过程进行的放炮、放顶、移架等都会使该处的应力瞬间提高，从而使处于准备阶段的突出源瞬间激发［5］。煤与瓦斯突出的风险因素包括以下几个方面：

1）突出与地质构造的关系。绝大多数突出发生在地质构造带内，如断层、褶皱、背斜、向斜、扭转和侵入岩区附近等。如郑州大平煤矿突出发生在断层带，平煤平禹四矿突出发生在煤层倒转带内。在同一煤系地层中，处于地质构造附近的地应力比较集中，积聚着大量的能量。如果煤层中有大量瓦斯生成，这种应力生成的裂隙就为瓦斯的储存创造了条件。当含高压瓦斯煤受到采动影响后，能量就会迅速转化为动能形成煤与瓦斯突出。因此，煤与瓦斯突出在同一煤层、同一矿井具有很大的不均衡性，有的工作面突出严重，有的工作面突出不严重或者不突出［6］。

2）突出与瓦斯的关系。煤与瓦斯是相伴相生的，采煤就会有瓦斯产生。瓦斯在煤中存在状态分为吸附瓦斯和游离瓦斯，90％以上的瓦斯以吸附状态存在，只有当煤遭到严重破坏，裂隙增加，煤中的瓦斯才能快速解析、膨胀、瓦斯内能才能迅速释放，成为突出发生、发展的主要能源。瓦斯含量是煤体瓦斯内能最直接的反应，其值大小决定瓦斯内能的大小。瓦斯压力梯度决定着瓦斯突出的难易程度，低透气性煤对瓦斯运移阻力较大，容易形成较大的瓦斯压力梯度，更容易发生突出［7］。因此，瓦斯压力和瓦斯含量是判断煤与瓦斯突出是否发生的重要指标。一般情况下，突出随着瓦斯压力和瓦斯含量增大而增大。《防治煤与瓦斯突出规定》中进行区域预测的临界值瓦斯压力小于074MPa，瓦斯含量小于8m3／t。

3）突出与地应力的关系。地应力包括岩层应力、集中应力和构造应力。主要作用是破坏煤体和发动突出。地应力引起的弹性潜能最先消耗在煤体的破碎上，为煤体内瓦斯能的释放创造了条件。地应力的大小与开采深度有关。深度增加，突出的次数和强度都增加。实践表明，一般在垂深100～200m时才开始发生突出。通常深度每增加100m，瓦斯压力增加1MPa，瓦斯含量增加2～3m3／t，某矿井深度200m时，瓦斯压力1MPa，瓦斯含量8m3／t，开采深度增加到1000m时，瓦斯压力增加到80MPa，瓦斯含量增加到24～32m3／t［8］。

4）突出与煤层性质的关系。煤的孔隙结构是瓦斯的赋存空间。煤的强度、稳定性、透气性决定突出发生的难易程度。一般来说，煤的破坏类型越高，强度越小，突出危险性越大。实践表明，突出首先开始都是在松软煤层或软分层开始。煤层的强度一般用普氏系数f来衡量。《防治煤与瓦斯突出规定》中进行区域预测f的临界值为05［9］。

5）突出与瓦斯放散初速度的关系。瓦斯放散初速度表示煤放散瓦斯的能力，指在常压下吸附瓦斯的能力和吸附瓦斯的速度，是反映煤层突出危险性的一种单项指标［10］。

6）突出与瓦斯涌出初速度的关系。瓦斯涌出初速度是测定钻孔自然涌出瓦斯多少的一个指标。它相当于间接地表明了瓦斯含量、瓦斯压力以及解吸能力等情况［10］。

7）突出与突出征兆的关系。突出煤层在打钻时会出现喷孔、顶钻等现象。所有的突出发生前都有瓦斯涌出量增加、瓦斯压力升高、煤层变软、煤层内响煤炮的现象，有时煤体温度降低，甚至出现冒顶和片帮、夹钻等现象，有时钻孔冒白烟，支架变形损坏、迎头煤体变软，矿压显现明显等［11］。采矿过程中要密切注意这类现象发生，采取必要安全措施。

8）突出与发生地点的关系。煤巷掘进工作面发生突出最多，在平巷中发生的次数高于上山和下山，回采工作中的突出次之。在不同生产工序中，放炮和割煤工序发生突出次数较多。

9）突出与防突措施的关系。煤与瓦斯突出是可控可防的。随着多年瓦斯治理经验总结，目前已形成较为完善的瓦斯综合治理措施：开采保护层作为首选区域防突措施；地面井预抽煤层瓦斯以及井下穿层钻孔或顺层钻孔预抽区段煤层瓦斯；穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯；顺层钻孔或穿层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯；穿层钻孔预抽石门（含立、斜井等）揭煤区域煤层瓦斯；顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯。任何一个突出矿井不可能仅采用一种措施就能解决全部瓦斯问题，必须根据矿井的差异性（地质条件和瓦斯赋存）来制定相应的措施［11］。地应力、瓦斯、煤的性质是影响煤与瓦斯突出的客观因素。构造破坏带、煤层赋存条件急剧变化、采掘应力叠加的区域，工作面预测过程中出现喷孔、顶钻等动力现象或其他明显突出预兆，应视为突出危险工作面加以防治。瓦斯放散初速度、瓦斯涌出初速度、煤的坚固性系数等是检测煤层是否突出的定量指标。不同生产工序为防突措施地点选择制定提供依据。保护层开采、底抽巷穿层开采、煤层注水以及卸压排放、水力化、围岩强化等防突措施为矿井安全生产提供可靠保障。总之，煤与瓦斯突出防治是一项系统工程，影响因素很多，彼此相互联系但又各有特点。因此，必须系统分析各风险因素，制定防突措施。

2.2基于鱼骨图法的煤与瓦斯突出事故风险识别鱼骨图又称因果图，是日本教授KaoruIshikawa在1960年左右提出的，最初用于川崎重工的过程质量管理［12］。该方法中心是事故，上下部分是造成事故的原因，从浅入深一一挖掘，最终形成一副形状像鱼骨的因果分析图。由风险界面理论得知，煤与瓦斯突出风险集中在突出源和防突措施两大块。突出源由瓦斯、地应力、煤的性质三者共同作用。防突措施包括防突技术、人员、设备、安全防护措施、安全管理制度等。这些因素可以概括为三类，人的不安全行为（A）、物的不安全状态（B）、安全管理（C），其中，人的不安全行为包括执行操作的人员的具体行为；物的不安全状态包括防突措施、防突设备、安全防护措施等；安全管理包括安全管理制度、安全监控监测监督、安全人员配备、安全培训等。第一大块是造成煤与瓦斯突出的客观原因，第二大块是实行防突措施主动防御突出发生。基于风险界面理论，将风险因素类型划分为两大类：一类为突出源风险，二类为防突措施风险，两类之间存在接触风险。第一大类分为三小类，即瓦斯接触风险、地应力接触风险、煤接触风险。瓦斯（D）、地应力（E）、煤（F）直接影响突出源头的形成，它们之间是“与”的关系。第二大类分为人的不安全行为风险、物的不安全状态风险、安全管理风险。三小类风险决定突出事故发生的可能性和严重性，它们之间是“或”的关系。一二类风险之间通过突出指标预测风险是否发生。主要有瓦斯压力、瓦斯含量、瓦斯放散初速度、瓦斯涌出初速度、煤的坚固性系数等。a代表作业环境差，a1代表温度升高，a2代表抽采系统不可靠，a3代表支护不牢，a4代表瓦斯浓度超标；b代表设备不可靠，b1代表安全防护措施不可靠，b2代表设备随意摆放，b3代表设备不防爆，b4代表抽采措施不到位；c代表管理不善，c1代表检查仪器质量不合格，c2代表检查人员经验不足，c3代表检查走形式，c4代表无安全硐室；d代表机构不健全，d1安全管理机构临时搭建，d2代表安全人员没有专业知识，d3安全制度不完善，d4安全培训走形式；e代表违章操作，e1代表不清楚安全防护措施，e2代表故意违章，e3不按设计施工，e4代表设备随意摆放；f代表安全意识淡薄，f1代表不清楚逃生通道，f2代表煤与瓦斯突出征兆不清楚，f3代表瓦斯治理理念落后；g代表应急管理不善，g1代表煤与瓦斯突出知识欠缺，g2代表应急管理措施不完善，g3代表无应急管理；h代表安全监督，h1代表安全检查不到位，h2代表四位一体综合防突措施不到位，h3代表安全制度落实不到位；i代表参数设计繁多，i1代表管路设计，i2代表排水装置，i3代表负压调节，i4代表钻孔参数，i5代表巷道参数，i6代表封孔参数；j代表地质条件恶劣，j1代表瓦斯涌出量大，j2代表煤层赋存复杂，j3代表透气性差，j4代表地质构造复杂；k代表抽采措施不到位，k1代表抽采管道漏气，k2代表未及时排水，k3代表封孔不严，k4代表不调负压，k5代表不按设计施工，k6代表成孔后未快速接管；l代表指挥操作失误，l1代表方案设计失误，l2代表操作人员技能差，l3代表设计人员经验不足，l4同f3；m代表抛出煤体，m1代表煤体强度，m2代表瓦斯压力梯度，m3代表地应力，m4代表瓦斯内能；n代表粉碎煤体，n1同m1，n2代表瓦斯解析程度，n3代表瓦斯含量，n4代表瓦斯压力，n5同m3；o代表突出危险增大，o1同n4，o2代表瓦斯赋存状态，o3代表开采深度，o4代表瓦斯含量；p代表煤体储集高压瓦斯能，p1代表围岩性质，p2代表煤体裂隙，p3代表煤的变质程度，p4代表地质构造；q代表突出发生，q1代表煤的软分层厚度，q2代表煤体强度，q3代表煤的透气性；r代表煤体集聚大量能量，r1同p4，r2代表煤层埋藏深度，r3同q2；s同q，s1同r2，s2同p1，s3同q2，s4同q1，s5同p3，s6同p4；t代表突出强度，t1同q2，t2同q3，t3同p4，t4同p3；u代表采掘应力叠加，u1代表回采工序，u2同p4；v代表破坏煤体，v1同q1，v2同q2。23案例分析2004年10月20日22时40分发生在河南郑州大平煤矿特大煤与瓦斯突出事故引起的瓦斯爆炸事故，造成148人死亡，32人受伤，直接经济损失39357万元。矿井有2个生产采区、2个准备采区、2个开拓采区，2个采煤工作面、5个煤巷掘进工作面、3个岩巷掘进工作面，为高瓦斯矿井。事故发生地点为轨道下山岩巷掘进工作面，当班工人接班后完成钻眼、连线、爆破等工序，通风20min后，瓦检员检测了掘进头瓦斯浓度，瓦斯浓度正常，开始了装岩和运输工作。突出前5min，班长发现岩壁有劈啪声，并伴随小碎石的滑落，赶快召集工人撤出，随后工作面发生煤与瓦斯突出事故，此时瓦斯报警器发出警报，在调度室内的调度员听到报警后给通风科打电话，但电话一直没有接听，调度员以为井下局部瓦斯超限，没有采取任何措施。高浓度瓦斯进入西风井，由于岩石下山回风联络巷堆积物料，并设置带有通风口的风墙，导致突出瓦斯逆流到西大巷新鲜风流中，瓦斯浓度很快提升到95％左右，从副井底架线电机车驶来，产生火花发生瓦斯爆炸，波及整个矿井，造成148人死亡，32人受伤。利用风险界面理论对其进行分析。岩石下山掘进工作面进入矿井深部，属于地质构造复杂地带，该矿为高瓦斯矿，对矿井开采深度增加可能带来的瓦斯等级升高没有引起足够的重视，瓦斯地质预报工作不到位，没有及时预测到岩石下山掘进工作面遇到的逆断层，在突出煤层顶、底板岩巷掘进过程中必须超前探明，验证地质资料，及时掌握施工动态、围岩、瓦斯和地质构造情况，没有采取相应的安全措施。井下局部通风设施管理混乱，加大煤与瓦斯突出后的瓦斯逆流，高浓度瓦斯进入西大巷新鲜风流，达到爆炸界限，遇到架线式电机车产生火花，发生瓦斯爆炸。根据瓦斯监控系统测定的数据，煤与瓦斯突出距瓦斯爆炸有31min时间，这期间该矿应急处置措施不力，值班人员擅离职守，以致安监系统长时间的报警却无人理睬，安全管理存在漏洞也是导致事故扩大的重要原因。

3结论

1）煤与瓦斯突出影响因素众多，相互之间交互频繁。利用风险界面理论将各个因素演变为危险能量携带者的界面进行分析，有助于识别风险的形成，控制事故的发生。2）建立了煤与瓦斯突出危险因素鱼骨图，揭示了风险与事故的内在关联。3）煤与瓦斯突出治理是一项系统工程，矿方需从技术选择、规划设计、措施执行、过程管理、监测监控等方面严加把关，实现矿井“健康”发展。

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作者：邢媛媛1，2，张飞飞1，邱黎明2单位：1山西工程技术学院矿业工程系，2中国矿业大学安全工程学院