
煤與瓦斯突出災(zāi)害是我國煤礦井下最嚴重的自然災(zāi)害之一,只有深刻認識煤與瓦斯突出的極端危害性,才能從源頭上遏制重特大事故,保障煤礦安全高質(zhì)量發(fā)展。煤與瓦斯突出災(zāi)害,包括三部分內(nèi)容:瓦斯災(zāi)害分類、煤與瓦斯突出概述和煤與瓦斯突出災(zāi)害特點。煤與瓦斯突出是煤礦采掘過程中,地應(yīng)力、瓦斯壓力與煤體性質(zhì)共同作用下,破碎煤巖和大量瓦斯突然向采掘空間拋出的異常動力現(xiàn)象,是礦井重大災(zāi)害之一。
01 瓦斯災(zāi)害分類
我國煤礦事故的統(tǒng)計分類,煤礦瓦斯事故分為煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸、瓦斯燃燒和瓦斯窒息四類,其中前兩類發(fā)生最多,危害最大。

圖1 瓦斯災(zāi)害分類
煤與瓦斯突出
煤與瓦斯突出是煤層中存儲的瓦斯能和應(yīng)力能的失穩(wěn)釋放,表現(xiàn)為在極短的時間內(nèi)向生產(chǎn)空間拋出大量的煤巖和瓦斯并可能誘發(fā)破壞性更大的瓦斯爆炸。突出可能發(fā)生在鉆孔掘進和煤炭開采過程中,突出可能在幾十秒內(nèi)發(fā)生,也可能有幾分鐘至幾小時的延遲。隨著開采深度的增加,地應(yīng)力和瓦斯壓力不斷增加,煤與瓦斯突出災(zāi)害日趨嚴重。
瓦斯爆炸
煤礦瓦斯爆炸是甲烷和空氣組成的處于爆炸界限內(nèi)的混合氣體,在火源的引發(fā)下發(fā)生的一種迅猛的氧化反應(yīng)。煤礦井下瓦斯爆炸能夠?qū)е麓罅咳藛T傷亡、摧毀井巷設(shè)施、破壞礦井通風系統(tǒng),甚至能夠引發(fā)煤塵爆炸、火災(zāi)、井巷垮塌和頂板垮落等次生災(zāi)害。一般認為,煤礦瓦斯爆炸的甲烷濃度界限為5%~15%,理論上爆炸最猛烈的甲烷濃度為9.5%。另外,其他可燃性氣體的摻混,引火源溫度和環(huán)境中氧氣濃度變化等可能導(dǎo)致瓦斯爆炸界限的改變。
瓦斯燃燒
煤礦瓦斯燃燒是高濃度的瓦斯從煤層或巖體中涌出,在火源存在的條件下發(fā)生的擴散燃燒現(xiàn)象。煤礦瓦斯燃燒可能發(fā)生在工作面煤壁,瓦斯抽采管路以及一些專用巷道。瓦斯燃燒產(chǎn)生大量的高溫、有毒、有害氣體,造成一般事故和較大事故,一般不會直接造成特別重大的傷亡事故。
瓦斯窒息
瓦斯窒息事故多發(fā)生在停風的煤巷或不通風的盲巷中。這些地點由于長時間無新鮮風流的供給,加上持續(xù)的瓦斯涌出,環(huán)境中的氧氣濃度逐步降低,人員進入后可能引起窒息事故。正常大氣中氧氣濃度約為21%,當空氣中氧氣濃度低于15%時,人的肌肉活動能力將明顯下降;降低到10%~14%時,人的判斷能力將迅速降低,出現(xiàn)智力混亂現(xiàn)象;降低到6%~10%時,短時間內(nèi)將會暈倒,甚至死亡。瓦斯窒息一般不會釀成重大以上事故,但仍不容忽視。
02煤與瓦斯突出概述
煤與瓦斯突出是一個世界性的煤礦開采時發(fā)生的動力現(xiàn)象,幾乎所有的產(chǎn)煤國家都發(fā)生過煤與瓦斯突出。目前,世界上共發(fā)生30000多次煤與瓦斯突出。世界主要的采煤國家發(fā)生的煤與瓦斯突出情況如表1所示。
表1 世界主要采煤國家發(fā)生的煤與瓦斯突出情況

突出時的拋出物除了煤以外,還可能是巖石,巖石大多數(shù)為砂巖,也有少數(shù)為砂質(zhì)頁巖、玢巖等。并且突出的煤種從低變質(zhì)的褐煤到高變質(zhì)的無煙煤都有。煤與瓦斯突出通常在一定的深度才發(fā)生。世界范圍內(nèi),發(fā)生煤與瓦斯突出的始突深度差別很大。表2為世界主要采煤國家的始突深度統(tǒng)計結(jié)果。我國是世界上突出災(zāi)害最為嚴重的國家,近一半的突出發(fā)生在我國,因此瓦斯災(zāi)害防治工作對我國而言至關(guān)重要。
表2 世界主要采煤國家的始突深度統(tǒng)計

03煤與瓦斯突出災(zāi)害特點
近年來,煤與瓦斯突出事故起數(shù)和死亡人數(shù)實現(xiàn)大幅下降,但煤與瓦斯突出仍時有發(fā)生,調(diào)查分析表明:近幾年來發(fā)生的煤與瓦斯突出事故呈現(xiàn)一些新的特點。
發(fā)生在“達標區(qū)域”
煤與瓦斯突出防治措施不到位、突出防治措施不能適應(yīng)地質(zhì)條件的變化和區(qū)域措施效果檢驗不能真實反映煤層的突出危險,以至于產(chǎn)生了區(qū)域達標的假象,如圖2所示。

圖2 達標區(qū)域瓦斯突出事故示意圖
多發(fā)生在小構(gòu)造附近
小構(gòu)造是指一般未中斷煤層的連續(xù)性,對工作面布置和開采影響較小且現(xiàn)有物探水平難以準確探測的結(jié)構(gòu)體。

圖3 小構(gòu)造示意圖
小構(gòu)造改變了煤層局部地應(yīng)力環(huán)境,促進了孔隙結(jié)構(gòu)的損傷演化;破碎后的顆粒煤體重新壓實,形成了現(xiàn)今的低滲透性構(gòu)造煤??紫督Y(jié)構(gòu)的變化決定了構(gòu)造煤體儲存瓦斯的能力,原位構(gòu)造煤體的低運移特性決定了構(gòu)造煤體的高保存瓦斯的能力,因此小構(gòu)造結(jié)構(gòu)體通常蘊含著高變形能和瓦斯?jié)撃堋?/p>

圖4 小構(gòu)造區(qū)域瓦斯突出事故示意圖
突出的動力作用較小
在實施區(qū)域瓦斯治理措施后,雖然未達到消除煤層突出危險性目標,但也在一定程度上降低了應(yīng)力及煤層瓦斯壓力與含量,使得煤與瓦斯突出動力破壞作用不顯著。突出物以煤為主,除將突出煤體拋出外,突出的動力作用較小,巷道支護及設(shè)施較為完好,僅在突出孔洞附近有錨桿和錨索頭部發(fā)生彎曲、錨網(wǎng)撕裂等現(xiàn)象。

圖5 動力作用較小的瓦斯突出示意圖
突出涌出瓦斯量較少
近年來突出事故的涌出瓦斯量相對較少,除個別案例外,每噸突出煤涌出瓦斯量多在30~50 m³,而以往特大型突出的噸煤瓦斯量多在100 m³以上,這顯示出在兩個四位一體瓦斯治理技術(shù)體系下,煤層中的瓦斯含量和瓦斯壓力等得到一定程度的降低。

圖6 突出煤礦瓦斯涌出量示意圖
低瓦斯礦井發(fā)生煤與瓦斯突出
低瓦斯礦井隨著采掘的深度增加,并疊加構(gòu)造的作用,使得構(gòu)造煤發(fā)育,構(gòu)造應(yīng)力大,煤層瓦斯在低滲帶得到長期封存,在低瓦斯礦井局部區(qū)域存在瓦斯異常富集區(qū),并具備了煤與瓦斯突出危險性。

圖7 低瓦斯礦井瓦斯突出示意圖