煤与瓦斯突出：机理剖析、防治技术探究及案例启示

煤与瓦斯突出：机理剖析、防治技术探究及案例启示一、引言1.1研究背景与意义煤炭作为我国重要的基础能源，在能源结构中占据着举足轻重的地位。长期以来，煤炭为我国的工业发展、电力供应等提供了关键支撑，对国民经济的稳定增长发挥了不可替代的作用。然而，在煤炭开采过程中，煤与瓦斯突出事故频发，给煤矿安全生产带来了极大的挑战。煤与瓦斯突出是一种极其复杂且危险的矿井瓦斯动力现象。在极短的时间内，大量的煤和瓦斯混合物会从煤岩体内部向采掘空间突然喷出。这一过程伴随着强大的冲击力，能瞬间摧毁巷道设施，如通风管道、运输轨道、支护结构等，使矿井的正常生产秩序陷入瘫痪；突出产生的高速瓦斯流，携带着煤粉或岩粉，会严重破坏通风系统，导致风流紊乱甚至逆转，使井下的通风环境急剧恶化。同时，喷出的大量瓦斯迅速充斥井巷，极易造成人员因缺氧而窒息死亡；喷出的煤、岩还可能形成煤流，掩埋井下作业人员，造成严重的人员伤亡。此外，突出时产生的动力效应还可能引发冒顶事故，进一步加剧灾害的危害程度，有时甚至会伴生瓦斯燃烧或爆炸，造成更为严重的后果。据相关统计资料显示，我国近20年（2001-2020年）煤与瓦斯突出事故的起数和死亡人数虽呈下降趋势，但突出死亡人数占煤矿事故总死亡人数的比例却呈波动式增长。仅在2021年上半年，就发生了5起煤与瓦斯突出事故。这些事故不仅造成了大量的人员伤亡，也带来了巨大的经济损失，严重影响了煤炭行业的可持续发展。例如，2004年10月20日，河南省郑煤集团大平煤矿发生的特大型煤与瓦斯突出引发的瓦斯爆炸事故，造成148人死亡，32人受伤，直接经济损失高达3935.7万元。2006年1月19日，安阳鑫龙煤业集团龙山煤业有限责任公司11采区11081工作面切眼贯通时发生煤与瓦斯突出事故，虽现场工作人员经自救、互救均脱离危险，但也对生产造成了严重影响。深入研究煤与瓦斯突出机理，能够帮助我们从本质上理解这一灾害发生的原因、条件及其发生、发展过程。这有助于我们准确识别突出危险源，提前采取有效的预防措施，降低事故发生的概率。而对煤与瓦斯突出防治技术的研究，则是直接针对如何预防和控制突出事故的发生。通过研发和应用先进的防治技术，如瓦斯抽采技术、煤层注水技术、开采保护层技术等，可以有效地降低煤层中的瓦斯含量和瓦斯压力，改善煤体的物理力学性质，从而减少突出事故的发生。因此，对煤与瓦斯突出机理及防治技术的研究，对于保障煤矿安全生产、减少人员伤亡和经济损失具有重要的现实意义，同时也有助于推动煤炭行业的可持续发展，为我国的能源安全提供有力保障。1.2国内外研究现状煤与瓦斯突出问题一直是国内外煤炭行业研究的重点和难点，众多学者和科研机构围绕其机理与防治技术展开了大量研究，取得了一系列成果。在煤与瓦斯突出机理研究方面，国外起步相对较早。早期，研究者们提出了多种假说。地应力假说强调地应力分布不均匀是突出的主要原因，认为在地质构造复杂区域，地应力的集中和变化会破坏煤体结构，为瓦斯的突然释放和煤体的抛出创造条件。瓦斯作用假说则注重瓦斯压力对突出的影响，当煤层中瓦斯压力超过煤体的承载能力时，就会引发突出。化学本质假说从煤的化学性质出发，认为煤的某些化学性质可能导致突出，比如煤中某些矿物质与瓦斯发生化学反应，改变了煤体的物理力学性质和瓦斯赋存状态。随着研究的深入，综合作用假说逐渐被广泛接受。前苏联学者B.B.霍多特提出的“能量假说”是综合作用假说的代表性理论，该假说认为突出是由地应力、包含在煤体中的瓦斯及煤体自身物理力学性质等综合作用的结果，较为全面客观地解释了突出现象，得到了广大学者的认可。近年来，国外学者利用先进的实验设备和数值模拟技术，深入研究瓦斯在煤体中的赋存、解吸、扩散特性，以及地应力、瓦斯压力与煤体力学性质之间的耦合关系。例如，通过高精度的核磁共振技术，对瓦斯在煤体孔隙中的赋存状态进行可视化研究，进一步揭示了瓦斯的微观赋存机制；运用大型有限元软件，建立复杂的煤岩力学模型，模拟不同开采条件下煤与瓦斯突出的发生过程，分析各种因素对突出的影响规律。国内对煤与瓦斯突出机理的研究始于上世纪六十年代，学者们开始对“三因素”，即地应力、瓦斯和煤的物理力学性质进行系统研究。通过大量的现场实测、实验室试验和理论分析，取得了丰硕的成果。在瓦斯赋存与运移方面，揭示了瓦斯在不同煤体结构中的赋存规律，以及瓦斯运移受煤体渗透率、孔隙结构等因素的影响机制。在煤体力学性质研究中，深入分析了煤体的变形、破坏特性与突出的关系，建立了考虑瓦斯吸附解吸效应的煤体本构模型。同时，国内学者还关注地质构造对煤与瓦斯突出的控制作用，研究发现断层、褶皱等构造不仅改变了地应力分布和瓦斯赋存状态，还影响煤体的结构和强度，从而增加了突出的危险性。例如，在一些断层附近的矿井，突出事故的发生率明显高于其他区域。近年来，随着多学科交叉融合的发展，国内学者将岩石力学、渗流力学、热力学等学科理论引入煤与瓦斯突出机理研究，建立了煤层瓦斯多场多相耦合模型，从更全面的角度解释突出的发生、发展过程。在煤与瓦斯突出防治技术研究方面，国外研发了一系列先进的技术和设备。瓦斯抽采技术不断创新，采用长钻孔、大直径钻孔等技术提高瓦斯抽采效率，同时，发展了地面钻孔抽采、井下定向钻孔抽采等多种抽采方式，以适应不同地质条件下的瓦斯抽采需求。开采保护层技术在国外得到广泛应用，通过开采保护层，使被保护层煤层卸压、瓦斯排放，从而降低突出危险性。例如，美国的一些煤矿在开采突出煤层时，优先开采保护层，有效减少了突出事故的发生。在监测预警技术方面，国外利用先进的传感器技术和数据分析方法，实现对煤与瓦斯突出的实时监测和预警。如采用微震监测系统，实时监测煤体内部的微小破裂活动，通过分析微震信号的特征，预测突出的可能性。国内在煤与瓦斯突出防治技术方面也取得了显著进展。瓦斯抽采技术不断完善，研发了多种高效的瓦斯抽采工艺，如穿层钻孔预抽、顺层钻孔分段压裂抽采等，提高了瓦斯抽采率。开采保护层技术在国内得到进一步优化，并结合我国煤矿地质条件复杂的特点，提出了联合开采保护层、远距离保护层开采等技术，扩大了保护层开采的适用范围。在局部防突措施方面，发展了水力冲孔、深孔松动爆破、超前钻孔等技术，有效降低了采掘工作面的突出危险性。同时，我国高度重视煤与瓦斯突出的预测及监测预警技术。《防治煤与瓦斯突出细则》明确规定了区域和局部综合防突措施，包括区域突出危险性预测、区域防突措施、区域防突措施效果检验、区域验证，以及工作面突出危险性预测、工作面防突措施、工作面防突措施效果检验、安全防护措施。目前，国内形成了瓦斯地质分析、单指标及综合指标等常规静态预测技术，以及瓦斯动态涌出指标与新兴地球物理技术相结合的多类型交叉预测及监测预警体系。然而，静态预测存在操作繁琐、人为影响大、时空局限性等问题，而瓦斯涌出指标预测虽能反映瓦斯涌出异常，但因研究因素单一，预测准确率有待提高。尽管国内外在煤与瓦斯突出机理及防治技术研究方面取得了众多成果，但仍存在一些不足和待解决的问题。在突出机理方面，目前缺乏可以解释所有突出现象和特征的相对系统完整的理论体系。对于深部地质构造、复杂多变非均匀地层条件及高应力条件下的瓦斯富集与运移释放特性、突出耦合演化过程、低参数突出发生失稳判据、渗透性参数对突出的影响规律与机制、诱突动载源及耦合演化机理等方面的研究还相对较少。在防治技术方面，现有的防治技术在一些复杂地质条件下的适应性有待提高，部分技术的实施成本较高，影响了其推广应用。同时，煤与瓦斯突出预测及监测预警技术的准确性和可靠性仍需进一步提升，以满足煤矿安全生产的需求。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本论文围绕煤与瓦斯突出机理及防治技术展开深入研究，主要涵盖以下几个方面：煤与瓦斯突出机理研究：系统梳理煤与瓦斯突出的各类假说，如地应力假说、瓦斯作用假说、化学本质假说以及综合作用假说等，深入分析各假说的核心观点、理论依据及局限性。运用岩石力学、渗流力学等多学科理论，探究地应力、瓦斯压力与煤体物理力学性质之间的耦合关系，明确它们在突出过程中的相互作用机制。通过实验室试验和数值模拟，研究瓦斯在煤体中的赋存、解吸、扩散特性，以及煤体在不同应力条件下的变形、破坏规律，进一步揭示煤与瓦斯突出的发生、发展过程。煤与瓦斯突出防治技术研究：全面分析瓦斯抽采技术，包括地面钻孔抽采、井下定向钻孔抽采、穿层钻孔预抽、顺层钻孔分段压裂抽采等多种方式，研究其在不同地质条件下的适用性和抽采效果，探讨如何提高瓦斯抽采效率和抽采率。深入研究开采保护层技术，结合我国煤矿地质条件复杂的特点，分析联合开采保护层、远距离保护层开采等技术的原理和应用效果，明确其适用范围和关键技术要点。对水力冲孔、深孔松动爆破、超前钻孔等局部防突措施进行研究，分析其作用原理、实施工艺和防突效果，总结在实际应用中存在的问题及改进方向。煤与瓦斯突出预测及监测预警技术研究：详细分析瓦斯地质分析、单指标及综合指标等常规静态预测技术的原理、方法和应用效果，指出其在操作过程中存在的繁琐性、人为影响大以及时空局限性等问题。研究瓦斯动态涌出指标与新兴地球物理技术相结合的多类型交叉预测及监测预警体系，包括瓦斯涌出相关指标（如V30与KV）的变化规律、微震监测系统、声发射监测技术等在突出预测中的应用，探讨如何提高预测及监测预警技术的准确性和可靠性。1.3.2研究方法为确保研究的全面性和深入性，本论文将综合运用多种研究方法：文献研究法：广泛查阅国内外关于煤与瓦斯突出机理及防治技术的相关文献资料，包括学术论文、研究报告、行业标准等，了解该领域的研究现状、发展趋势以及存在的问题，为后续研究提供理论基础和参考依据。案例分析法：收集和分析国内外典型的煤与瓦斯突出事故案例，如河南省郑煤集团大平煤矿“10.20”特大型煤与瓦斯突出引起的瓦斯爆炸事故、安阳鑫龙煤业集团龙山煤业有限责任公司11采区11081工作面切眼贯通时发生的煤与瓦斯突出事故等，深入剖析事故发生的原因、过程和影响，总结经验教训，为突出机理研究和防治技术的改进提供实践支持。理论研究法：运用岩石力学、渗流力学、热力学等多学科理论，建立煤层瓦斯多场多相耦合模型，从理论层面分析地应力、瓦斯压力与煤体物理力学性质之间的耦合关系，以及瓦斯在煤体中的赋存、解吸、扩散特性，推导煤与瓦斯突出的发生条件和演化过程，为研究提供理论依据。实验研究法：设计并开展实验室试验，如煤体瓦斯吸附解吸试验、煤体力学性质试验、煤与瓦斯突出物理模拟试验等，通过对试验数据的分析，获取煤体瓦斯赋存、解吸、扩散特性以及煤体在不同应力条件下的变形、破坏规律等关键信息，验证理论研究结果，为突出机理研究提供实验数据支持。数值模拟法：利用大型有限元软件，如ANSYS、FLAC3D等，建立煤与瓦斯突出的数值模型，模拟不同开采条件下煤与瓦斯突出的发生过程，分析各种因素对突出的影响规律，预测突出的可能性和发展趋势，为防治技术的研究和优化提供参考。二、煤与瓦斯突出概述2.1煤与瓦斯突出的概念与危害煤与瓦斯突出是煤矿井下采掘过程中，在极短的时间内，从煤岩体内部向采掘空间突然喷出大量煤和瓦斯混合物的一种煤体动力现象，是煤矿重大灾害之一。这种现象通常伴随着巨响及气浪，具有突发性和强烈的破坏性。其突出的煤向外抛出距离较远，且具有分选现象；抛出的煤破碎程度高，包含大量块煤和手捻无粒感的煤粉；同时，会有大量瓦斯涌出，瓦斯涌出量远远超过突出煤的瓦斯含量，有时甚至会导致风流逆转。例如，在一些典型的煤与瓦斯突出事故中，突出的煤和瓦斯能瞬间填满巷道，对井下作业环境造成极大破坏。煤与瓦斯突出会对煤矿生产、人员安全和环境等方面造成严重危害：人员伤亡：突出瞬间喷出的大量瓦斯会迅速充斥井巷空间，使氧气含量急剧降低，导致井下作业人员因缺氧而窒息死亡。同时，突出产生的高速煤流和瓦斯流具有强大的冲击力，可能直接撞击人员，造成人员伤亡；喷出的煤、岩还可能形成煤流，掩埋井下作业人员，对人员生命安全构成巨大威胁。据相关统计，在各类煤矿事故中，煤与瓦斯突出事故造成的人员伤亡比例较高，给无数家庭带来了沉重的灾难。生产设备破坏：突出时产生的高速瓦斯流（含煤粉或岩粉）具有强大的冲击力，能够摧毁巷道内的各种设施，如通风管道、运输轨道、支护结构、电气设备等。这些设施的损坏不仅会导致煤矿生产中断，还需要耗费大量的人力、物力和时间进行修复，增加了煤矿的生产成本。例如，在某些突出事故中，大型采掘设备被瓦斯流和煤流严重损坏，维修难度大，维修周期长，严重影响了煤矿的正常生产进度。生产中断：煤与瓦斯突出事故发生后，为了保障救援人员的安全和防止事故扩大，煤矿通常需要立即停止生产作业。救援工作需要投入大量的人力、物力和时间，在救援过程中，还需要对事故现场进行详细的勘查和分析，制定科学合理的救援方案，这都导致煤矿生产长时间中断。生产中断不仅会使煤炭产量下降，还会影响到相关产业链的正常运行，给煤炭企业带来巨大的经济损失。环境污染：突出的瓦斯主要成分是甲烷，这是一种温室气体，其温室效应比二氧化碳更强。大量瓦斯排放到大气中，会加剧全球气候变暖。同时，突出的煤尘和瓦斯在空气中扩散，会对矿区周边的空气质量造成严重污染，影响居民的身体健康；突出的煤和矸石堆积在矿区，还会占用大量土地资源，破坏地表生态环境。例如，一些煤矿在发生煤与瓦斯突出事故后，周边地区的空气质量明显下降，居民出现呼吸道不适等症状，对当地的生态环境和居民生活造成了长期的负面影响。2.2煤与瓦斯突出的分类与特征煤与瓦斯突出按照不同的标准可以进行多种分类，每种类型都具有独特的特征，具体如下：按动力现象的力学特征分类：突出：这是最常见的类型，煤与瓦斯在极短时间内从煤岩体内部向采掘空间突然喷出，具有明显的动力效应。在突出过程中，煤和瓦斯的能量瞬间释放，会从煤体中抛出大量的破碎煤（岩）块，这些煤块通常具有分选现象，即大颗粒的煤块靠近突出源，小颗粒的煤粉分布在较远的地方。同时，会伴有强大的冲击力，能够破坏支架、摧毁设施，打钻时也会出现严重喷孔等现象。抛出的煤破碎程度高，包含大量块煤和手捻无粒感的煤粉，且吨煤瓦斯涌出量是含量的2倍以上，或大于30立方米每吨。例如，在一些典型的突出事故中，突出的煤和瓦斯能瞬间将巷道填满，可见其动力效应之强。压出：压出时，煤与瓦斯主要是在地应力的作用下被压出煤体。压出的煤通常堆积在煤壁附近，堆积角度接近自然安息角。压出的煤体一般整体移动，位移量相对较小，煤的破碎程度相对较低，块度较大。与突出相比，压出的瓦斯涌出量相对较少，一般不会使风流逆转，但仍会对矿井通风系统产生一定影响。在某些地质条件下，当采掘工作面前方的地应力突然增大时，就可能发生煤与瓦斯压出事故。倾出：倾出的煤呈整体位移，位移方向与煤层倾斜方向一致。倾出的煤体一般具有一定的整体性，不像突出那样破碎程度高。倾出的煤堆积在巷道中，其上部多为大块煤，下部为小块煤和煤粉。倾出时瓦斯涌出量相对较小，一般不会造成严重的瓦斯灾害，但如果处理不当，也可能引发其他安全问题。在一些煤层倾角较大的矿井，当采掘活动破坏了煤体的稳定性时，容易发生煤与瓦斯倾出事故。按突出的强度分类：小型突出：突出强度小于50t/次。这类突出的规模相对较小，对矿井的破坏程度相对较轻。突出后，经过几十分钟瓦斯浓度可恢复正常。小型突出虽然规模不大，但如果频繁发生，也会影响矿井的正常生产秩序。在一些瓦斯含量和压力相对较低的煤层区域，容易发生小型突出。中型突出：突出强度在50-99t/次之间。中型突出的影响范围和破坏程度比小型突出更大。突出后，经过一个工作班以上瓦斯浓度可逐渐恢复正常。中型突出可能会对局部巷道设施造成一定破坏，需要及时进行清理和修复。在瓦斯含量和压力适中，且地质条件存在一定变化的区域，可能会发生中型突出。次大型突出：突出强度在100-499t/次之间。次大型突出属于规模较大的突出事故，会对矿井的多个区域产生影响。突出后，经过一天以上瓦斯浓度可逐渐恢复正常。次大型突出可能会导致部分巷道堵塞，通风系统受到较大破坏，需要投入较多的人力、物力进行抢险和恢复生产。在瓦斯含量和压力较高，且地质构造复杂的区域，容易发生次大型突出。大型突出：突出强度在500-999t/次之间。大型突出的危害程度非常高，会对矿井的生产系统造成严重破坏。突出后，经过几天回风系统瓦斯浓度可逐渐恢复正常。大型突出可能会使巷道大面积垮塌，设备严重损坏，人员伤亡风险增大。在一些深部矿井或瓦斯富集区域，一旦发生大型突出，后果不堪设想。特大型突出：突出强度大于1000t/次。特大型突出是极其罕见但危害极大的事故。突出后，需要经过长时间排放瓦斯，回风系统瓦斯浓度才恢复正常。特大型突出可能会导致整个矿井停产，甚至报废，对煤炭企业造成巨大的经济损失。例如，1975年8月8日在天府矿务局三汇坝一矿主平硐(+280m)，震动性放炮揭穿6号煤层时发生的特大型突出，突出煤岩12780t(煤占60％，矸占40％)、甲烷40万m³，给矿井带来了毁灭性的打击。按突出时间分类：瞬间突出：在极短的时间内，通常是几秒到几十秒内完成突出过程。瞬间突出的突发性极强，难以提前预警，对矿井和人员的危害极大。瞬间突出时，煤与瓦斯的能量瞬间释放，会产生强大的冲击力和破坏力。在一些地质条件复杂、瓦斯压力极高的区域，容易发生瞬间突出。延迟突出：从采掘活动诱发突出因素出现到实际发生突出之间存在一定的时间间隔，这个间隔可以从几分钟到数小时甚至数天不等。延迟突出增加了预测和防范的难度，因为在诱发因素出现后，工作人员可能无法及时判断是否会发生突出以及何时发生突出。延迟突出的发生机制较为复杂，可能与煤体的物理力学性质、瓦斯的解吸扩散速度等因素有关。在一些瓦斯含量高、煤体透气性差的煤层，可能会出现延迟突出。2.3煤与瓦斯突出的预兆煤与瓦斯突出前，通常会出现一系列预兆，这些预兆可以分为有声预兆和无声预兆两大类，及时识别这些预兆，对于采取有效的预防措施、避免事故发生具有重要意义。2.3.1有声预兆响煤炮：这是煤与瓦斯突出最常见的有声预兆之一。在煤体深处会发出大小、间隔不同的响声，有的像炒豆声，有的像鞭炮声，有的像机枪连射声，有的像闷雷声。特别是当煤炮声由小到大，由远到近，由稀到密时，往往是突出较危险的信号。例如，在一些煤矿的采掘过程中，工人听到煤炮声逐渐增强且频率加快后不久，就发生了煤与瓦斯突出事故。气体穿过含水裂缝时的吱吱声：当瓦斯气体在压力作用下穿过煤体中的含水裂缝时，会产生一种尖锐的吱吱声。这种声音虽然相对较小，但在安静的采掘环境中仍能被敏锐的工人察觉。它反映了煤体内部瓦斯压力的变化和气体的流动情况，是突出可能发生的一个警示信号。因压力突然增大而出现的支架嘎嘎声，劈裂折断声，煤岩壁开裂声：随着煤与瓦斯突出的临近，地应力和瓦斯压力会急剧增大，这会对巷道内的支架和煤岩壁产生巨大的压力。支架可能会因为承受不住压力而发出嘎嘎声，甚至出现劈裂折断的情况；煤岩壁也会因压力过大而开裂，发出明显的开裂声。这些声音表明煤体和巷道周围的岩体已经处于不稳定状态，突出随时可能发生。在一些矿井中，当听到支架发出异常声响或看到煤岩壁出现裂缝时，及时采取了停止作业、撤离人员等措施，避免了突出事故造成的严重后果。2.3.2无声预兆煤层结构构造方面表现：煤层层理紊乱，原本规则的层理变得杂乱无章，这是煤体受到强烈地应力作用和瓦斯影响的结果；煤变软，煤的硬度明显下降，这使得煤体更容易被破坏；变暗淡、无光泽，煤的外观特征发生改变，失去了原本的光泽；煤层干燥，水分含量减少，这可能会影响煤体的物理力学性质和瓦斯的赋存状态；煤尘增大，在采掘过程中，煤尘的产生量明显增加；煤层受挤压褶曲、变粉碎，煤层的形态发生改变，变得破碎；厚度不均，煤层厚度出现不均匀变化；倾角变化，煤层的倾角也可能发生改变。这些煤层结构构造方面的变化，都是煤与瓦斯突出的重要无声预兆。在某煤矿的开采过程中，通过对煤层的详细观测，发现煤层出现了层理紊乱、煤质变软等现象，随后加强了防突措施，成功避免了突出事故的发生。矿山压力显现方面表现：压力增大使支架变形，支架承受的压力超出其设计承载能力，导致支架出现弯曲、扭曲等变形情况；煤壁外臌，煤壁向外鼓起，这是煤体内部压力增大的直观表现；片帮、冒顶次数增多，煤壁的稳定性变差，容易发生片帮和冒顶现象；底臌严重，巷道底部向上隆起，这也是地应力增大的一种表现；炮眼变形快，装药困难，打炮眼时易顶钻、卡钻、喷钻、垮孔。这些矿山压力显现方面的异常情况，都表明煤体所处的应力环境发生了变化，突出的危险性增加。在一些煤矿的掘进工作面，当发现炮眼变形严重、打钻时频繁出现顶钻等问题后，及时采取了加强支护、卸压等措施，有效降低了突出的风险。其他方面表现：瓦斯涌出量忽大忽小，瓦斯涌出量的不稳定变化，说明煤层中的瓦斯赋存状态和流动情况发生了改变；煤尘增大，如前所述，煤尘的增加与煤体的破碎和瓦斯的作用有关；空气气味异常，有时会闻到类似臭鸡蛋味（硫化氢气体）或其他异常气味，这可能是由于瓦斯中含有其他有害气体；忽冷忽热，突出前，工作面的温度可能会出现异常变化，这与瓦斯的解吸和膨胀等过程有关。这些其他方面的预兆，也需要引起足够的重视。在某矿井中，工人发现瓦斯涌出量突然增大，且空气气味异常，立即停止作业并汇报，随后采取了相应的防突措施，保障了矿井的安全。三、煤与瓦斯突出机理分析3.1煤与瓦斯突出的主要影响因素煤与瓦斯突出是一个极其复杂的动力现象，受到多种因素的综合影响。其中，地应力、瓦斯以及煤的物理力学性质是三个最为关键的因素，它们在突出过程中相互作用、相互影响，共同决定了突出的发生与否以及突出的强度和规模。深入研究这些因素的作用机制，对于揭示煤与瓦斯突出的本质规律，制定有效的防治措施具有重要意义。3.1.1地应力地应力在煤与瓦斯突出中扮演着至关重要的角色，主要体现在以下几个方面：使煤体产生破坏和位移：地应力是煤体变形和破坏的主要驱动力之一。在高应力作用下，煤体内部的微裂纹和孔隙会逐渐扩展、贯通，导致煤体强度降低，最终发生破坏。例如，在深部矿井中，由于上覆岩层的压力较大，地应力水平较高，煤体更容易受到破坏，从而增加了突出的危险性。当采掘活动改变了煤体的应力状态时，如在巷道掘进或采煤过程中，煤体从原有的三向受压状态转变为两向或单向受压状态，应力的重新分布会使煤体产生突然的破坏和位移。这种破坏和位移为瓦斯的释放和突出提供了通道和空间。在一些地质构造复杂的区域，如断层、褶皱附近，地应力分布不均匀，容易形成应力集中区。在这些区域，煤体受到的应力远远超过其自身的承载能力，更容易发生破坏和位移，进而引发煤与瓦斯突出。控制瓦斯压力场：地应力场对瓦斯压力场起着重要的控制作用。围岩中的地应力决定了煤层的瓦斯压力，较高的地应力会使煤层中的瓦斯被压缩，从而形成较高的瓦斯压力。例如，在构造应力作用下，煤层被挤压，孔隙和裂隙变小，瓦斯难以逸散，导致瓦斯压力升高。瓦斯压力梯度是瓦斯流动的驱动力，较高的瓦斯压力梯度有利于瓦斯在煤体中的扩散和运移。当地应力增加时，煤层透气性降低，瓦斯排放困难，使得巷道前方的煤体中积聚了较高的瓦斯压力，形成了较大的瓦斯压力梯度。一旦煤体发生破坏，瓦斯就会在压力梯度的作用下迅速涌出，推动煤体向外抛出，引发突出。影响煤层透气性：地应力与煤层透气性之间存在着密切的关系。当地应力增加时，煤层受到挤压，孔隙和裂隙被压缩，透气性按负指数规律降低。这使得巷道前方的煤体不易排放瓦斯，造成瓦斯积聚，进一步增加了瓦斯压力。而当煤体一旦破坏，地应力得到释放，煤层透气性会瞬间增大，瓦斯放散能力增强。此时，大量的瓦斯能够迅速释放出来，为突出提供了强大的动力。在一些深部矿井中，由于地应力较高，煤层透气性较差，瓦斯抽采难度大。而在进行水力压裂等卸压措施后，地应力得到释放，煤层透气性增大，瓦斯抽采效果得到显著改善。这也从侧面说明了地应力对煤层透气性的影响以及对煤与瓦斯突出的作用。3.1.2瓦斯瓦斯在煤与瓦斯突出中发挥着核心作用，其主要作用如下：压缩煤骨架，增加煤体弹性能：瓦斯以游离状态和吸附状态存在于煤的裂隙和孔隙中。游离瓦斯对煤体骨架产生压力，使煤体受到压缩，从而增加了煤体的弹性能。吸附在微孔表面的瓦斯分子，对微孔起楔子作用，进一步改变了煤体的结构，也促使煤体弹性能增加。当煤体中的瓦斯含量增加时，瓦斯对煤体的压缩作用增强，煤体的弹性能也随之增大。这种弹性能在煤体发生破坏时能够迅速释放，为突出提供能量。降低煤的强度：吸附在煤体微孔表面的瓦斯分子，会削弱煤体内部的分子间作用力，降低煤的强度。煤体吸附瓦斯后，在自由状态下会膨胀，体积变大，导致煤体结构变得更加松散，强度进一步下降。在瓦斯压力较高的区域，煤体的强度明显降低，更容易被破坏。一些研究表明，随着瓦斯含量的增加，煤的抗压强度、抗拉强度等力学参数都会显著下降。这使得煤体在受到地应力和采掘扰动时，更容易发生破裂和变形，为突出创造了条件。提供瓦斯压力梯度，作为突出的主要动力：瓦斯压力梯度是煤与瓦斯突出的主要动力来源。当煤体发生破坏时，瓦斯在压力梯度的作用下迅速涌出，推动破碎的煤体向外抛出。在突出过程中，瓦斯的膨胀能将煤体破碎并搬运到采掘空间，形成突出。突出的瓦斯不仅提供了动力，还参与了煤体的破碎和运移过程。突出时，瓦斯的涌出速度极快，能够携带大量的煤粉和岩粉，对井巷设施造成严重破坏。瓦斯压力梯度的大小与煤层中的瓦斯含量、瓦斯压力以及煤体的透气性等因素密切相关。在瓦斯含量高、压力大且透气性差的煤层中，更容易形成较大的瓦斯压力梯度，从而增加了突出的危险性。3.1.3煤的物理力学性质煤的物理力学性质对煤与瓦斯突出的发生和发展有着重要影响，具体表现为：煤的强度：煤的强度是抵抗外力破坏的能力，它直接影响着突出的难易程度。一般来说，煤越硬、裂隙越小，所需的破坏力越大，要求的地应力和瓦斯压力越高；反之，煤越软，强度越低，在较低的地应力和瓦斯压力下就容易发生破坏。在实际开采中，突出往往发生在软分层的煤中。这是因为软分层煤的强度低，容易受到地应力和瓦斯压力的作用而发生破坏。软分层内裂隙的连通性差，透气性也差，导致瓦斯不易排放，容易形成较高的瓦斯压力梯度，进一步促进了突出的发生。例如，在一些构造煤发育的区域，煤体受到地质构造作用的破坏，强度大幅降低，突出事故频繁发生。煤的透气性：煤的透气性决定了瓦斯在煤体中的流动难易程度。透气性好的煤层，瓦斯容易排放，瓦斯压力梯度较小，突出危险性相对较低；而透气性差的煤层，瓦斯难以排出，容易积聚，形成较高的瓦斯压力梯度，增加了突出的危险性。软分层煤的透气性通常较差，这使得瓦斯在其中积聚，形成了有利于突出发生的条件。地质构造对煤的透气性也有显著影响。在断层、褶皱等构造附近，煤体结构被破坏，透气性发生变化。在一些压性断层附近，煤体被挤压，透气性降低；而在张性断层附近，煤体裂隙发育，透气性增大。了解煤的透气性变化规律，对于预测和防治煤与瓦斯突出具有重要意义。煤的瓦斯解吸与放散能力：煤的瓦斯解吸与放散能力反映了煤中瓦斯释放的速度和程度。解吸与放散能力强的煤，在受到采掘扰动或地应力变化时，能够迅速释放出大量的瓦斯，为突出提供充足的瓦斯动力。煤的瓦斯解吸与放散能力与煤的孔隙结构、瓦斯含量、瓦斯压力等因素有关。一般来说，孔隙率大、孔径分布合理的煤，瓦斯解吸与放散能力较强。煤的变质程度也会影响其瓦斯解吸与放散能力。变质程度高的煤，瓦斯含量相对较低，但瓦斯解吸与放散能力可能更强。在突出煤层中，研究煤的瓦斯解吸与放散特性，对于准确预测突出危险性和制定有效的防突措施具有重要作用。3.2煤与瓦斯突出机理假说煤与瓦斯突出机理的研究是一个复杂且不断发展的过程，多年来，众多学者提出了各种假说，试图解释这一复杂的现象。这些假说大致可分为单因素作用假说和综合作用假说两大类，每一类假说都从不同的角度对煤与瓦斯突出的原因和过程进行了阐述。3.2.1单因素作用假说瓦斯主导作用假说：这类假说认为，煤内存储的高压瓦斯是突出中起主要作用的因素。其中，“瓦斯包”说认为，煤层内存在着可以积聚高压瓦斯的空洞，其压力超过煤层强度减低区的煤体强度极限。当工作面接近这种瓦斯包时，煤壁就会发生破坏，产生突出。粉煤带说主张，由于地质构造或矿山压力的作用，原生煤层被破碎成粉状，这些粉煤极易放出瓦斯。当巷道接近这一地带时，粉煤在较小的瓦斯压力作用下，就能与瓦斯一起喷出。煤孔隙结构不均匀说提出，煤层中有透气性变化剧烈的区域，在这些区域的边缘，瓦斯流动速度变化很大。若透气性小的恰好是坚硬的煤，而透气性大的又是不坚硬的煤，那么当巷道接近这两种煤的边界时，瓦斯潜能就有可能使煤突出。突出波说则认为，瓦斯潜能要比煤的弹性变形能大十倍左右，在煤的强度低的地区，煤的瓦斯压力大于煤的极限破坏强度。当巷道接近这一地区时，在瓦斯压力的作用下，可产生连续的破碎煤体的突出波，引起突出。然而，瓦斯主导作用假说也存在一些局限性。例如，迄今为止在煤层内从未发现过上述的“瓦斯包”或特定的粉煤带；人们在实践中统计的资料表明，突出危险性与煤层瓦斯含量之间没有直接的联系；在突出孔洞周围出现过重复突出；岩石错动的强烈声响往往发生在突出之前的煤体深处；大多数平巷的突出空洞位于上隅角，这些现象瓦斯主导作用假说难以解释。地压主导作用假说：此假说认为突出主要是高地应力作用的结果。岩石变形潜能说提出，突出的发生是由于积聚在煤层周围岩石的弹性变形潜能所引起的。应力叠加说认为，当多种应力叠加达到一定程度时，会导致煤体破坏引发突出。顶板位移不均匀说主张，顶板位移的不均匀会使煤体受力不均，从而引发突出。集中应力说认为，工作面前方存在的应力集中是导致突出的关键因素。塑性变形说则强调，煤体的塑性变形在突出过程中起到重要作用。振动波动说认为，煤体受到振动或波动作用时，会引发突出。放炮突出说认为，放炮产生的冲击力会破坏煤体结构，引发突出。在一些地质构造复杂的区域，地应力集中明显，突出事故发生的频率较高，这在一定程度上支持了地压主导作用假说。但该假说也不能完全解释所有突出现象，比如在一些地应力并不高的区域，也会发生煤与瓦斯突出。化学本质作用假说：化学本质作用假说从煤的化学性质角度出发，认为煤的某些化学性质可能导致突出。瓦斯水化物说认为，煤层中瓦斯水化物的形成与分解会改变煤体的物理力学性质，从而引发突出。地球化学说主张，煤的地球化学特征，如矿物质成分、有机物质结构等，与突出的发生有关。硝基化合物说认为，煤中可能存在的硝基化合物在一定条件下会发生反应，产生能量，引发突出。然而，化学本质作用假说目前还缺乏足够的实验证据和现场观测数据支持，其在解释突出现象方面的应用相对较少。3.2.2综合作用假说综合作用假说是当前较普遍认同的一种假说，认为地应力、瓦斯压力和煤的结构是导致煤与瓦斯突出的三个主要因素。其中，能量说是综合作用假说的重要代表。该假说认为，突出是一个能量转化和释放的过程。地应力使煤体产生弹性变形，积聚弹性能；瓦斯以游离态和吸附态存在于煤体孔隙中，游离瓦斯对煤体骨架产生压力，吸附瓦斯对微孔起楔子作用，都促使煤体弹性能增加。当煤体受到采掘扰动等外界因素影响时，应力状态改变，煤体强度降低。此时，积聚的弹性能和瓦斯膨胀能瞬间释放，使煤体破碎并被抛出，形成突出。在深部矿井中，地应力和瓦斯压力都较高，煤体在开采过程中容易受到扰动，一旦应力平衡被打破，就容易引发煤与瓦斯突出。应力分布不均匀说认为，地应力在煤层中的分布不均匀，会形成应力集中区域。在这些区域，煤体受到的应力超过其强度极限，从而发生破坏。同时，瓦斯压力的分布也会受到地应力的影响，在应力集中区域，瓦斯压力梯度增大。当煤体破坏后，瓦斯在压力梯度的作用下迅速涌出，推动破碎的煤体向外抛出，引发突出。在断层、褶皱等地质构造附近，地应力分布明显不均匀，这些区域往往是煤与瓦斯突出的高发区。分层分离说强调，煤层中的软分层在突出过程中起着关键作用。软分层的煤强度低、透气性差，瓦斯容易积聚。在采掘活动的影响下，软分层与其他煤层之间的力学平衡被打破，发生分层分离现象。瓦斯在软分层中积聚形成高压，当压力超过软分层煤体的承载能力时，就会导致煤体破碎，瓦斯和煤体一起喷出，形成突出。在实际开采中，很多突出事故都发生在软分层发育的煤层中。破坏区说认为，在采掘工作面前方会形成一个煤体破坏区。地应力和瓦斯压力在这个破坏区内相互作用，使煤体的结构和力学性质发生改变。随着采掘工作的推进，破坏区不断扩大，当破坏区的范围和强度达到一定程度时，就会引发煤与瓦斯突出。通过对一些突出事故现场的分析，可以发现突出发生前，工作面前方的煤体确实存在明显的破坏迹象。综合作用假说虽然得到了广泛的认可，但在具体应用中仍存在一些问题。不同因素在突出过程中的量化关系还不明确，难以准确预测突出的发生。对于一些复杂地质条件下的突出事故，综合作用假说的解释能力也有待进一步提高。3.3煤与瓦斯突出的发展过程煤与瓦斯突出是一个复杂的动力学过程，通常可分为准备阶段、激发阶段、发展阶段和终止阶段，每个阶段都有其独特的特征和作用机制。3.3.1准备阶段在准备阶段，煤体主要经历能量积聚和阻力降低两个关键过程。地应力的形成是能量积聚的重要因素之一。在地质构造运动等作用下，煤层周围的岩体受到挤压、拉伸等作用，使地应力逐渐增大。这种地应力的增大导致煤体产生弹性变形，从而积聚弹性能。煤层在沉积过程中，由于上覆岩层的压力以及地质构造的影响，会使煤层受到压缩，内部的孔隙结构发生变化，瓦斯被压缩在煤体的孔隙和裂隙中，形成较高的瓦斯压力，瓦斯压缩能也随之增高。例如，在一些深部矿井中，地应力和瓦斯压力都较高，煤体在开采前就已经积聚了大量的能量。落煤工序等开采活动会使煤体的应力状态发生改变，从而导致阻力降低。在采煤过程中，煤体从原有的三向受压状态转变为两向甚至单向受压状态。这种应力状态的改变使得煤体的强度突然下降。例如，在掘进巷道时，当煤壁暴露后，煤体的侧向约束减小，其承载能力降低。煤体内部的裂隙和孔隙结构也会在开采活动的影响下发生变化。采煤机的切割、爆破等作业会使煤体产生新的裂隙，或者使原有的裂隙进一步扩展。这些裂隙的产生和扩展为瓦斯的运移提供了通道，同时也降低了煤体的完整性和强度。由于弹性能、压缩能的增高和应力状态的改变，煤体进入不平衡状态。这种不平衡状态在外部表现为多种突出预兆。煤面可能会出现外鼓现象，这是由于煤体内部应力不平衡，导致煤面向巷道空间鼓起；掉渣现象也较为常见，煤体表面的小块煤会因失去约束而脱落；支架压力增大，说明煤体对支架的作用力增加，反映了煤体内部应力的变化；瓦斯忽大忽小，这是因为煤体内部瓦斯的赋存状态和运移情况发生了改变；还可能发出劈裂及闷雷声等有声或无声的各种突出预兆。这些预兆是煤体在准备阶段的外在表现，及时发现和识别这些预兆，对于预防煤与瓦斯突出具有重要意义。3.3.2激发阶段激发阶段的核心特点是地应力状态的突然改变。在采掘活动的影响下，如爆破、打钻等，工作面前方的煤体受到强烈的扰动。当扰动达到一定程度时，极限应力状态的部分煤体突然破坏。在这个过程中，煤体内部的应力平衡被打破，原本积聚的弹性能和瓦斯膨胀能瞬间释放。煤体发生卸载（卸压），并产生巨响和冲击。这种巨响和冲击是能量释放的表现，也是激发阶段的重要特征。随着煤体的破裂，向巷道方向作用的瓦斯压力的推力顿时增加几倍到十几倍。在煤体未破裂之前，瓦斯压力虽然存在，但由于煤体的阻挡，其推力相对较小。一旦煤体破裂，瓦斯压力得以释放，形成强大的推力。例如，在一些突出事故中，煤体破裂后，瓦斯压力瞬间将破碎的煤体推向巷道。裂隙的生成与扩张是激发阶段的另一个重要现象。煤体的破坏会导致大量裂隙的产生，这些裂隙相互连通，形成瓦斯运移的通道。膨胀瓦斯流开始形成，大量吸附瓦斯进入解吸过程而参与突出。吸附在煤体孔隙表面的瓦斯分子，在煤体破裂和瓦斯压力降低的情况下，迅速解吸为游离瓦斯，加入到突出的过程中。在实验室模拟突出实验中，可以观察到煤体破裂后，瓦斯解吸量急剧增加，形成强大的瓦斯流。3.3.3发展阶段在发展阶段，瓦斯的解吸和膨胀起着主导作用。随着煤体的进一步破坏，瓦斯在压力梯度的作用下，以极高的速度从煤体中涌出。瓦斯的涌出推动着破碎的煤体向采掘空间运动。在这个过程中，瓦斯不仅提供了动力，还参与了煤体的破碎和运移。高速的瓦斯流携带着煤粉和岩粉，对井巷设施造成严重破坏。例如，在一些突出事故中，瓦斯流和煤流能够摧毁巷道内的通风管道、运输轨道等设施。突出过程中，煤体的破碎不断向深部发展。由于瓦斯压力梯度和地应力梯度的存在，突出空洞壁始终保持着较高的应力差。这种应力差使得煤体在瓦斯流的作用下不断被破碎。从突出空洞壁向煤体深部，煤体依次经历破碎、移动和抛出的过程。在突出空洞附近，煤体破碎程度较高，形成大量的煤粉；而在煤体深部，煤体的破碎程度相对较低，但也受到瓦斯和地应力的作用，逐渐向突出空洞方向移动。瓦斯和煤体的混合物在涌出过程中，还会对巷道内的风流产生影响。突出的瓦斯和煤体可能会使风流紊乱，甚至导致风流逆转。这会进一步加剧灾害的影响范围和程度。在一些突出事故中，由于风流逆转，瓦斯和煤体被带到其他区域，扩大了事故的影响范围。3.3.4终止阶段终止阶段的发生是由于多种因素的综合作用。当煤体中的瓦斯含量降低到一定程度时，瓦斯提供的动力不足以继续推动煤体的破碎和运移。随着突出的进行，煤体中的瓦斯不断涌出，瓦斯含量逐渐减少。当瓦斯含量降低到无法维持突出所需的动力时，突出就会逐渐停止。地应力的降低也是终止阶段的一个重要因素。在突出过程中，煤体的破坏和移动使得地应力得到释放。当工作面的地应力降低到一定程度时，煤体的破碎和突出就会受到抑制。巷道空间的堵塞也可能导致突出终止。如果突出的煤和瓦斯在巷道中堆积，形成堵塞，会阻碍瓦斯和煤体的进一步涌出。堵塞物会增加瓦斯和煤体涌出的阻力，当阻力大于瓦斯压力和地应力提供的动力时，突出就会停止。在一些突出事故中，巷道被突出的煤和瓦斯完全堵塞，突出也随之终止。当这些因素共同作用，使得突出的动力小于阻力时，煤与瓦斯突出就会终止。但即使突出终止，矿井内仍然存在大量的瓦斯和破碎的煤体，需要进行后续的处理和恢复工作。四、煤与瓦斯突出案例分析4.1河南平煤十二矿“1・12”重大煤与瓦斯突出事故4.1.1事故概况2024年1月12日14时49分许，河南平煤神马集团平顶山天安煤业十二矿（以下简称平煤十二矿）发生一起重大煤与瓦斯突出事故。当日八点班入井人员共603人，井下带班矿领导为生产副矿长张某甲，值班矿领导为防突副矿长张某乙。事故发生前，开拓队33人在己15-31090进风巷外段掘进工作面相关区域，进行掘进、清煤、检修、操作输送机等作业；安装队20人在己15-31090工作面安装液压支架；通风队14人在己14-31110辅助运输巷上平台（位于己15-31090进风巷外段掘进工作面回风巷道中）及附近区域，进行连接水管、铺设喷浆管、维修密闭墙等作业，另有11人在其他地点测风、巡检、维修通风设施；其他单位当班人员也根据安排先后到达井下各自工作地点。12时许，己15-31090进风巷外段掘进工作面实施爆破。13时许，该区域解除爆破警戒，开拓队等人员陆续进入开始清煤等作业。14时49分许，开拓队正在己15-31090进风巷外段迎头使用综掘机清理煤岩时，事故发生。此次事故造成16人遇难、5人受伤，直接经济损失2197.29万元。事故发生后，河南省委书记楼阳生立即作出批示，省长王凯，省委常委、常务副省长孙守刚赶赴现场组织救援，当地市委市政府组织多部门到场展开救援。1月13日，国家矿山安监局局长黄锦生带队的工作组抵达现场展开工作，国务院安委会决定对该起重大事故查处实行挂牌督办。4.1.2事故原因分析直接原因：己15-31090进风巷外段掘进工作面区域煤层具有突出危险性，且埋深大、地应力高，处于保护层工作面停采线外应力集中区。在这种复杂的地质条件下，该区域未严格落实两个“四位一体”综合防突措施，即突出危险性预测、防治突出措施、防治突出措施的效果检验和安全防护措施。未进行区域抽采达标评判，未消除煤与瓦斯突出危险，仍违规掘进作业。当综掘机清煤过程中，引发了煤与瓦斯突出，大量的煤和瓦斯瞬间涌出，导致了严重的人员伤亡和财产损失。间接原因：安全发展理念不牢固：平煤神马集团在平衡发展和安全关系方面存在不足，过于追求生产进度和经济效益，忽视了安全生产的重要性。缺乏对安全生产长期性、复杂性和艰巨性的深刻认识，没有将安全发展理念贯穿到企业的生产经营全过程。主体责任履行不力：平煤十二矿作为安全生产的责任主体，在安全生产监督管理上存在严重疏忽。未能动态掌握矿井的安全生产情况，对井下作业现场的安全监管不到位，没有及时发现和制止违规掘进作业行为。在防突措施的落实上，缺乏有效的监督和管理，导致防突措施形同虚设。技术管理疏忽：对煤与瓦斯突出危险的研判不足，未能准确把握己15-31090进风巷外段掘进工作面区域的地质条件和突出危险性。在制定和实施防突措施时，缺乏科学的依据和严谨的论证，导致防突措施针对性不强，无法有效消除突出危险。对瓦斯抽采、煤层注水等技术措施的实施效果缺乏有效的监测和评估，不能及时调整和优化防突措施。4.1.3事故教训与启示深刻认识安全生产的重要性：此次事故再次警示我们，安全生产是煤矿企业发展的基石，任何时候都不能放松。企业必须牢固树立安全发展理念，将安全生产放在首位，正确处理好安全与发展、安全与效益的关系。不能为了追求短期的经济利益而忽视安全，要充分认识到安全生产的长期性、复杂性和艰巨性，始终保持高度的警惕性。严格落实安全生产主体责任：煤矿企业要切实履行安全生产主体责任，建立健全安全生产责任制，将安全责任落实到每一个岗位、每一个环节、每一个人。加强对井下作业现场的安全管理，加大安全检查和隐患排查力度，及时发现和消除安全隐患。严格执行各项安全规章制度和操作规程，杜绝违规作业行为。强化煤与瓦斯突出防治工作：要加强对煤与瓦斯突出机理的研究，准确掌握突出的规律和特点，提高防突工作的科学性和针对性。严格落实两个“四位一体”综合防突措施，确保突出危险性预测准确、防治突出措施有效、防治突出措施的效果检验可靠、安全防护措施到位。加强对瓦斯抽采、煤层注水等防突技术措施的实施和管理，提高瓦斯抽采率和抽采效果，降低煤层中的瓦斯含量和瓦斯压力。加强安全技术管理：提高对地质条件的勘查和分析能力，准确掌握煤层的赋存状态、地质构造、瓦斯赋存等情况，为防突工作提供科学依据。加强对防突技术措施的研究和创新，不断改进和优化防突技术方案。加强对技术人员的培训和管理，提高技术人员的业务水平和责任意识，确保防突技术措施的正确实施。提高应急处置能力：煤矿企业要制定完善的应急预案，加强应急演练，提高员工的应急处置能力和自我保护意识。确保在事故发生时，能够迅速、有效地进行救援，减少人员伤亡和财产损失。加强与周边矿山救护队的联系与合作，建立应急救援联动机制，提高应急救援的协同作战能力。4.2云南昭通平顶山煤业有限公司平顶山煤矿“6・7”较大煤与瓦斯突出事故4.2.1事故概况2024年6月7日4时50分，云南省昭通市镇雄县平顶山煤业有限公司平顶山煤矿发生一起较大煤与瓦斯突出事故，造成3人遇难、5人受伤，直接经济损失681万元。平顶山煤矿为民营企业，核定生产能力30万吨/年，2023年被确定为临突矿井，事故发生前按照煤与瓦斯突出矿井管理并开展突出危险性鉴定，可采煤层2层（C5、C6煤层），煤尘均无爆炸危险性。矿井划分为1个水平、2个采区，设有2个采煤工作面、2个掘进工作面。事故地点位于1153运输巷掘进工作面迎头，该工作面设计采用钻屑指标法预测、施工瓦斯抽采钻孔的局部防突措施，设计长度1232米，已掘进485米。其中，2024年5月31日至6月6日，共掘进42.4米，未进行突出危险性预测。6月6日中班掘进作业发生瓦斯动力现象。6月7日零点班（6月6日23时至6月7日7时），当班出勤72人（其中有38人未携带标识卡），带班矿领导为通防副总工程师张某义。6月6日22时40分，张某义召开会议布置当班工作，安排掘进队到1153运输巷掘进工作面施工锚杆锚索、清理浮煤，并安排打钻队在巷道中部施工顺层瓦斯抽采钻孔。23时，张某义带领安全员蒋某军等人率先入井。6月6日23时，掘进队副队长张某明组织开掘进队班前会，安排李某金（班长，遇难者一）、郭某均（遇难者二）、张某（遇难者三）、龙某平、李某田、付某朝、杨某兵7人到1153运输巷掘进工作面支护、清理浮煤。6月7日0时5分，李某金等7人入井作业。6月7日0时10分，张某义、蒋某军到达1153运输巷掘进工作面，2人发现煤体松软，用便携式甲烷传感器检查瓦斯浓度，煤壁瓦斯浓度在0.7%至0.9%之间。0时30分，李某金等7人到达1153运输巷掘进工作面，张某义要求当班不能掘进，安排当班作业人员打锚索、锚杆支护顶板，清理底板浮煤，并要求综掘机司机要把综掘机后退到外面钻场的位置。张某义布置完工作后离开，李某金、郭某均、张某、龙某平4人分两组进行锚索锚杆施工作业，李某田、付某朝和杨某兵做辅助工作，安全员蒋某军和瓦检员刘某春在现场监督。2时30分，刘某春离开迎头到巷道中部填写瓦斯检查牌板。4时20分，施工完5根锚索、2根锚杆后，李某金安排杨某兵、李某田和付某朝3人去开皮带，其中杨某兵负责开第一部皮带，李某田、付某朝负责风门外面的两部皮带；李某金、郭某均、张某、龙某平4人在迎头作业，其中张某负责开综掘机清煤，李某金和郭维军在皮带机尾清理浮煤，龙某平负责整理电缆。此时，安全员蒋某军到1153运输巷距迎头170m处监督钻场施工。4时50分，蒋某军、刘某春、杨某兵等人就听到“砰”的一声响，伴有冲击波，事故发生。4.2.2事故原因分析直接原因：突出点煤层具有突出危险：平顶山煤矿1153运输巷掘进工作面突出点位于向斜轴部的断层尖灭区，地应力大、瓦斯压力大、煤质变软，具备煤与瓦斯突出危险。事故地点埋深440m，原始瓦斯含量为13.14m³/t，瓦斯压力达1.30MPa；突出点位于向斜轴部与F2-1断层尖灭处，煤体破坏类型为Ⅲ～Ⅳ类，煤质变软，受地应力、构造应力影响，具有突出危险性。违规掘进作业诱发突出：煤矿未消除突出点附近的煤层突出危险，1153运输巷第五评价单元顺层钻孔未覆盖事故发生区域，最后1个钻孔仅抽采6天，抽采效果不达标；煤矿为达到允许掘进条件，伪造抽采数据，编制《1153运输巷第五评价单元瓦斯抽采达标评判报告》。5月31日至6月6日，1153运输巷掘进42.4m，未进行突出危险性预测。在未消除突出危险的情况下违规掘进作业，根据工业监控视频，事故发生时综掘机正处于清煤状态，掘进机清煤作业诱导突出，导致事故发生。经推算，本次煤与瓦斯突出事故突出煤岩量163吨，突出瓦斯量为11839m³。间接原因：违章指挥，冒险作业：6月6日中班煤矿井下发生瓦斯高值超限及瓦斯动力现象，调度员上报信息后，煤矿安全管理人员未分析超限原因并下达撤人指令，继续安排6月7日夜班作业人员入井作业。6月7日夜班带班矿领导发现井下有突出征兆以后，仅下达停掘指令，未及时撤出井下作业人员。蓄意造假，逃避监管：煤矿擅自修改甲烷传感器地址信息，上传的1153运输巷掘进工作面T1、T2、T4甲烷传感器数据实为避难硐室内的甲烷传感器数据；井下发生瓦斯超限后，人为挪动甲烷传感器，造成数据失真。部分入井作业人员未携带识别卡或携带不具备定位功能的识别卡，隐瞒真实入井人数。煤矿在安设的通信联络系统中外接线路，实际使用的2台调度电话不具备录音工作。防突制度落空：煤矿实际控制人未认真履行安全管理职责，不按规定带班下井，不掌握煤矿突出危险性鉴定、安全管理人员配备、防突措施落实及掘进工程进度等情况。煤矿未制定防突规划，矿长及总工程师未定期组织专题研究部署防突工作，未开展瓦斯抽采钻孔轨迹测定，防突专业技术人员不掌握防突基础知识；防突管理制度落实不到位。管理混乱，迟报事故：煤矿未认真组织开展风险辨识和隐患排查治理，部分作业人员未经培训或未经考核合格即安排入井作业；事故发生后，未及时主动报告事故，未及时召请专业救护队伍开展救援。中介机构履职不力：中煤科工集团沈阳研究院未按要求开展突出危险性鉴定工作，鉴定项目负责人未按合同约定到平顶山煤矿开展现场参数测定等工作，不掌握突出危险性鉴定地点施工进度和鉴定期间瓦斯治理措施落实情况。地方政府及安全监管部门监管失职：镇雄县能源局开展煤矿领域“打非治违”不力，未能及时查处煤矿安全监控系统造假、瓦斯超限作业等违法违规行为，派驻的驻矿安全监管组对煤矿井下瓦斯防治工作失管失察。昭通市能源局督促镇雄县能源局履行煤矿安全监管职责有差距。镇雄县政府未有效督促镇雄县能源局履行煤矿安全监管职责。4.2.3事故教训与启示强化安全生产意识，杜绝冒险作业：煤矿企业必须将安全生产意识贯穿到每一个工作环节和决策中，不能为了追求生产进度而忽视安全。一旦发现瓦斯高值超限、瓦斯动力现象等异常情况，必须立即停止作业，分析原因并采取有效措施消除隐患，严禁冒险指挥和作业。要加强对员工的安全教育培训，提高员工对煤与瓦斯突出危险性的认识，增强员工的自我保护意识和应急处置能力。加强诚信建设，杜绝造假行为：蓄意造假严重破坏了安全生产的基础，逃避监管行为更是增加了事故发生的风险。煤矿企业要加强诚信建设，树立正确的经营理念，严格遵守安全生产法律法规和规章制度，确保安全监测数据真实可靠，杜绝任何形式的造假行为。监管部门要加大对造假行为的打击力度，提高违法成本，形成有效的震慑。完善并严格执行防突制度：完善的防突制度是预防煤与瓦斯突出事故的重要保障。煤矿企业要制定科学合理的防突规划，矿长及总工程师要切实履行职责，定期组织专题研究部署防突工作。加强对瓦斯抽采钻孔轨迹测定等基础工作的管理，提高防突专业技术人员的业务水平，确保防突管理制度得到有效落实。要建立健全防突工作的监督检查机制，对防突措施的执行情况进行严格考核，及时发现和纠正存在的问题。加强安全管理，提升管理水平：煤矿企业要加强安全管理，认真组织开展风险辨识和隐患排查治理工作，及时发现和消除各类安全隐患。加强对作业人员的管理，确保所有作业人员经过培训并考核合格后上岗作业。建立健全安全管理体系，明确各部门和人员的安全职责，加强协调配合，形成有效的安全管理合力。强化中介机构责任，加强监管：中介机构在煤矿安全生产中起着重要的技术支持作用，必须严格按照要求开展工作。相关部门要加强对中介机构的监管，明确其责任和义务，对不认真履职的中介机构和人员要依法依规进行严肃处理。中介机构要加强自身建设，提高专业水平和职业道德，为煤矿企业提供准确、可靠的技术服务。落实政府及监管部门监管责任：地方政府及安全监管部门要切实履行监管职责，加强对煤矿企业的日常监管和专项检查。加大“打非治违”工作力度，严厉查处各类违法违规行为，对监管失职的部门和人员要严肃问责。建立健全监管工作机制，加强部门之间的协作配合，形成全方位、多层次的监管体系，确保煤矿安全生产。五、煤与瓦斯突出防治技术5.1地质预测与矿压控制技术5.1.1地质预测技术地质预测技术在煤与瓦斯突出防治中起着至关重要的作用，它通过多种方法对煤层和瓦斯层的地质特征进行深入分析，从而预测煤与瓦斯突出的危险性和突出规模，为制定科学合理的防治措施提供依据。地质勘探是地质预测的基础手段之一。通过钻探、坑探等方式获取煤层的岩芯样本，对煤层的厚度、结构、煤质等进行详细分析。通过对岩芯的显微镜观察，可以了解煤的变质程度、煤岩类型等信息，这些信息对于判断煤层的瓦斯含量和瓦斯吸附特性具有重要意义。利用地球物理测井技术，如电阻率测井、自然伽马测井等，获取煤层的物理参数，进一步了解煤层的性质和地质构造。在某煤矿的地质勘探中，通过电阻率测井发现煤层中存在一些低阻异常区域，经进一步分析确定这些区域为瓦斯富集区，为后续的防突工作提供了重要线索。地质测量主要用于获取煤层的空间位置和形态信息。通过测量煤层的走向、倾向、倾角等参数，绘制煤层等高线图，直观地展示煤层的赋存状态。精确的地质测量可以帮助确定采掘工作的合理位置和方向，避免在地质条件复杂、突出危险性高的区域进行采掘作业。在某矿井的开采过程中，通过地质测量发现煤层存在一处褶皱构造，褶皱区域的地应力和瓦斯压力分布复杂，突出危险性较高。因此，在制定采掘方案时，避开了该褶皱区域，有效降低了突出风险。地球物理勘探是一种非接触式的地质预测方法，具有快速、高效、探测范围广等优点。常用的地球物理勘探方法包括地震勘探、瞬变电磁勘探、音频大地电磁测深等。地震勘探利用地震波在不同地质介质中的传播速度和反射特性，探测煤层的地质构造和瓦斯赋存情况。通过分析地震波的反射信号，可以识别出断层、褶皱、陷落柱等地质构造，以及瓦斯富集区的位置和范围。瞬变电磁勘探则是利用地下介质的导电性差异，通过发射和接收瞬变电磁场，探测煤层中的低阻异常区域，这些区域往往与瓦斯富集有关。在某煤矿的地球物理勘探中，采用瞬变电磁勘探技术，发现了一条隐伏断层，该断层附近的煤层瓦斯含量明显升高，为后续的防突措施制定提供了重要依据。通过这些地质预测方法获取的数据，需要进行综合分析和处理。利用地理信息系统（GIS）技术，将地质勘探、测量和地球物理勘探的数据进行整合，建立煤层地质模型。在该模型中，可以直观地展示煤层的地质构造、瓦斯赋存状态以及各种地质参数的空间分布。通过对模型的分析和模拟，可以预测不同采掘条件下煤与瓦斯突出的危险性，为制定针对性的防突措施提供科学依据。在某煤矿的防突工作中，通过建立煤层地质模型，预测了不同采掘区域的突出危险性，并根据预测结果制定了相应的瓦斯抽采和支护方案，取得了良好的防突效果。5.1.2矿压控制措施矿压控制措施是减少矿压对煤与瓦斯突出影响的关键手段，通过合理设置支柱、改变采矿方案等方式，可以有效降低地压，减少突出的风险。合理设置支柱是矿压控制的重要措施之一。支柱的作用是支撑顶板，防止顶板垮落，从而减小对煤层的压力。在选择支柱时，需要根据煤层的厚度、顶板的岩性和矿山压力的大小等因素进行综合考虑。对于厚煤层和顶板较软的情况，应选择承载能力较强的支柱，如液压支架。液压支架具有支护强度高、可伸缩性好等优点，能够根据顶板的下沉情况及时调整支护阻力，有效控制顶板的变形和垮落。在某煤矿的厚煤层开采中，采用了液压支架进行支护，顶板的下沉量得到了有效控制，矿压对煤层的影响明显减小，煤与瓦斯突出的风险也随之降低。对于薄煤层或顶板较硬的情况，可以选择锚杆、锚索等支护方式。锚杆和锚索能够将顶板岩体锚固在一起，形成一个稳定的承载结构，提高顶板的稳定性。在某煤矿的薄煤层开采中，采用了锚杆和锚索联合支护的方式，有效控制了顶板的变形，减少了矿压对煤与瓦斯突出的影响。改变采矿方案也是控制矿压的重要手段。根据煤层的地质条件和矿压分布情况，选择合理的采矿方法，如走向长壁采煤法、倾斜长壁采煤法、放顶煤采煤法等。走向长壁采煤法适用于煤层倾角较小、地质条件较为稳定的情况，该方法采煤工作面沿走向布置，采煤工艺相对简单，能够有效控制矿压。在某煤矿的开采中，由于煤层倾角较小，采用了走向长壁采煤法，矿压得到了较好的控制，煤与瓦斯突出事故的发生率明显降低。倾斜长壁采煤法适用于煤层倾角较大的情况，该方法采煤工作面沿倾斜方向布置，能够充分利用煤层的自然倾角，减少采煤过程中的矿压。放顶煤采煤法适用于厚煤层开采，通过在采煤工作面后部放落顶煤，减少了顶板对煤层的压力。但放顶煤采煤法也存在一些问题，如瓦斯涌出量大、煤尘浓度高等，需要采取相应的措施进行防治。合理安排采煤顺序也能有效控制矿压。在多煤层开采中，应优先开采保护层，通过保护层的开采，使被保护层煤层卸压，降低其瓦斯压力和突出危险性。在某煤矿的多煤层开采中，首先开采了上部的保护层，使下部被保护层煤层的瓦斯压力降低了50%以上，突出危险性得到了有效控制。在同一煤层开采中，应采用合理的采煤顺序，避免形成应力集中区。可以采用跳采、对采等方式，使采空区均匀分布，减小矿压的集中程度。在某煤矿的开采中，采用了跳采的方式，有效避免了应力集中，减少了煤与瓦斯突出的发生。加强对矿压的监测和分析也是矿压控制的重要环节。通过安装压力传感器、位移计等监测设备，实时监测矿压的变化情况。根据监测数据，及时调整支护参数和采矿方案，确保矿压始终处于可控范围内。在某煤矿的开采过程中，通过对矿压的实时监测，发现某区域的矿压突然升高，及时采取了加强支护和调整采煤顺序的措施，避免了煤与瓦斯突出事故的发生。5.2通风与瓦斯抽放技术5.2.1通风系统设计与优化通风系统在煤矿安全生产中起着至关重要的作用，合理的通风系统设计与优化是减少瓦斯积聚、降低煤与瓦斯突出风险的关键措施。在通风系统设计过程中，需充分考虑矿井的地质条件、开采规模、采煤方法以及瓦斯涌出量等多方面因素。根据矿井的开拓布局和采煤工作面的布置，合理确定通风方式。常见的通风方式有中央式、对角式和混合式。中央式通风方式适用于井田走向长度较短、瓦斯涌出量较小的矿井，其优点是通风系统简单，管理方便，但存在通风线路长、阻力大等缺点。对角式通风方式则适用于井田走向长度较大、瓦斯涌出量较大的矿井，它能有效缩短通风线路，降低通风阻力，提高通风效果。混合式通风方式结合了中央式和对角式的优点，适用于井田范围大、地质条件复杂、瓦斯涌出量大的矿井。风量的准确计算和合理分配是通风系统设计的核心内容之一。根据矿井的瓦斯涌出量、井下作业人数、气候条件以及设备散热等因素，运用科学的方法计算出各个用风地点所需的风量。采用风量分配软件，结合矿井通风网络的实际情况，对风量进行优化分配，确保每个采掘工作面、硐室等用风地点都能得到充足的新鲜空气，同时避免风量的浪费。在某煤矿的通风系统设计中，通过精确计算和优化分配，使采煤工作面的风量增加了20%，有效降低了瓦斯浓度，保障了安全生产。通风系统的优化是一个持续的过程，需要根据矿井生产的变化和实际运行情况进行动态调整。定期对通风系统进行阻力测定，了解通风网络中各条巷道的阻力分布情况。根据阻力测定结果，对通风系统进行优化改造。对于通风阻力较大的巷道，可以采取扩大巷道断面、清理巷道积尘、修复巷道支护等措施，降低通风阻力。对通风设施进行定期检查和维护，确保风门、风桥、密闭等通风设施的完好性，减少漏风现象。在某煤矿的通风系统优化过程中，通过对通风阻力较大的巷道进行扩修，使通风系统的总阻力降低了30%，通风效率显著提高。随着科技的不断进步，智能化通风系统逐渐成为通风系统优化的发展方向。智能化通风系统利用传感器、自动化控制技术和计算机技术，实现对通风系统的实时监测和自动控制。通过安装在井下各个位置的瓦斯传感器、风速传感器、温度传感器等，实时采集通风系统的运行数据。这些数据被传输到地面的监控中心，经过分析处理后，自动调整通风机的转速、风门的开度等，实现通风系统的按需供风。智能化通风系统还可以与矿井的安全监测系统、生产调度系统等进行集成，实现信息共享和协同工作。某煤矿引入智能化通风系统后，通风系统的响应速度明显加快，瓦斯浓度得到了更有效的控制，同时降低了通风系统的能耗。5.2.2瓦斯抽放技术瓦斯抽放技术是防治煤与瓦斯突出的重要手段之一，通过将煤层中的瓦斯抽出，可以有效降低瓦斯浓度和压力，减少突出危险。瓦斯抽放的原理是利用瓦斯泵对煤体中瓦斯的负压抽吸作用，将瓦斯通过抽吸管抽放至地面。瓦斯在煤层中主要以游离态和吸附态存在，游离瓦斯占据煤体孔隙和裂隙空间，吸附瓦斯则附着在煤体表面。当采用瓦斯抽放设备在煤层中形成负压时，游离瓦斯首先在压力差的作用下向抽放钻孔流动，然后被抽出。随着游离瓦斯的减少，吸附瓦斯逐渐解吸为游离瓦斯，继续向抽放钻孔扩散，从而实现瓦斯的持续抽放。瓦斯抽放方法按瓦斯来源不同，可分为开采煤层瓦斯抽放、邻近煤层瓦斯抽放和采空区瓦斯抽放三类。开采煤层瓦斯抽放是在开采煤层之前或开采过程中，对本煤层的瓦斯进行抽放。常用的方法有钻孔预抽瓦斯、边采边抽等。钻孔预抽瓦斯是在煤巷掘进前，从底板岩石巷道打钻穿透煤层，钻孔中插入钢管并将孔口周围密封，瓦斯从插管中抽出，这种方法可使采掘工作减少瓦斯威胁。邻近煤层瓦斯抽放在多煤层矿井中应用广泛，当用长壁工作面回采时，顶底板岩层和煤层（包括可采层与不可采层）卸压，瓦斯流动性增加，大量涌入工作面，危害生产。通常在回采前打钻孔到顶板或底板的邻近煤层，回采后瓦斯大量流入钻孔，通过孔口插管，将瓦斯抽出。采空区瓦斯抽放则是针对采空区大量涌出瓦斯的情况，在采空区周围密闭墙上插入钢管，或从巷道向采空区打钻孔，抽放瓦斯。在条件适宜时，还可从地面钻孔抽放瓦斯，其优点是不受井下采煤工作的限制和干扰，钻孔抽放工作可超前于采掘工作，抽放时间较充裕，但缺点是钻孔较深，需排除孔内积水。瓦斯抽放设备主要包括瓦斯泵、抽放管路、钻孔封孔材料及设备等。瓦斯泵是瓦斯抽放系统的核心设备，常用的瓦斯泵有水环式瓦斯泵、回转式（罗茨）瓦斯泵和离心式瓦斯泵等。水环式瓦斯泵真空度高，结构简单，运转可靠，工作叶轮内有水环，没有爆炸危险，主要适用于瓦斯抽出量较小、管路较长、需要抽放负压较高、瓦斯浓度变化较大的矿井或区域。回转式（罗茨）瓦斯泵抽放流量不受阻力变化的影响，运营稳定，效率较高，便于维护保养，但检修工艺要求高，叶轮之间以及与机壳之间间隙必须合适，否则易出现摩擦发烧、漏气大等问题，适用于流量要求稳定而阻力变化大和负压较高的抽放瓦斯矿井。离心式瓦斯泵运转可靠，不易出故障，运营稳定，供气较均匀，磨损小，寿命长，流量高，噪音低，但价格高、效率低，两台瓦斯泵并联运转性能较差，合用于瓦斯抽出量大(30～1200m³／min)、管道阻力不高(4～5kPa)的瓦斯抽放矿井。抽放管路负责将抽出的瓦斯输送至地面，应具有良好的密封性和耐压性。钻孔封孔材料及设备则用于保证钻孔的密封性，防止瓦斯泄漏，常用的封孔材料有水泥砂浆、聚氨酯等。瓦斯抽放对降低瓦斯浓度和压力、减少突出危险具有显著作用。通过瓦斯抽放，可以将煤层中的瓦斯含量降低到安全水平，有效减少瓦斯积聚和突出的风险。在某煤矿的瓦斯抽放实践中，经过一段时间的抽放，煤层瓦斯含量降低了50%以上，瓦斯压力也明显下降。在后续的采掘作业中，瓦斯涌出量大幅减少，煤与瓦斯突出的危险得到了有效控制。瓦斯抽放还可以实现瓦斯的综合利用，如用于发电、供暖、化工原料等，不仅减少了瓦斯对环境的污染，还创造了一定的经济效益。5.3固煤与支护技术5.3.1支护材料与方式选择在煤矿开采中，支护材料与方式的选择对于保障巷道稳定、防止煤与瓦斯突出起着至关重要的作用。不同的支护材料具有各自独特的特点，适用于不同的地质条件和开采环境。钢支撑是一种常用的支护材料，具有强度高、承载能力大、耐久性好等优点。在深部矿井或地应力较大的区域，钢支撑能够有效地抵抗地压，防止巷道变形和垮塌。常见的钢支撑形式有工字钢支架、U型钢支架等。工字钢支架结构简单，安装方便，适用于顶板较为稳定、压力较小的巷道。U型钢支架则具有良好的可缩性，能够适应巷道围岩的变形，在顶板压力较大、围岩变形明显的巷道中应用广泛。在某深部煤矿的巷道支护中，采用了U型钢支架，成功地控制了巷道的变形，保障了开采的安全进行。然而，钢支撑也存在一些缺点，如成本较高、重量较大、安装和拆卸相对复杂等。在一些对成本控制较为严格的小型煤矿，钢支撑的应用可能会受到一定限制。木支撑是一种传统的支护材料，具有成本低、重量轻、加工和安装方便等优点。在一些地质条件相对稳定、压力较小的浅部矿井或临时巷道中，木支撑仍然被广泛应用。木支撑的材质通常为松木、杉木等，这些木材具有一定的强度和韧性，能够满足一定的支护要求。在一些小型煤矿的开拓巷道中，采用木支撑进行临时支护，既降低了成本，又能