淺析煤巖瓦斯復合動力災害

崔存海

摘要：煤巖瓦斯復合動力災害是深部礦井開采所面臨的一種由沖擊地壓和煤與瓦斯突出共同作用的動力災害表現形式。將含有瓦斯的煤巖體看作為是瓦斯氣體與煤巖固體組成而成的復合型材料體，同時將沖擊地壓和煤與瓦斯突出，這兩種動力災害作為一個整體，研究這種復合災害發生時的煤巖破裂和破壞過程以及伴隨的瓦斯運移規律，為實現將沖擊礦壓和煤與瓦斯突出作為一個整體，去研究復合型災害的擾動響應失穩理論奠定基礎。

關鍵詞：煤巖；煤與瓦斯突出；沖擊地壓；復合動力災害

1 緒論

煤炭資源是我國現階段重要的戰略儲備資源，在一次性的能源消耗中有著舉足輕重的地位[1]。目前，我國能源消耗的中長期規劃，依然堅持以煤炭資源為主、電力為核心、其他資源為輔以及其它新能源全面發展。在2010～2020 年能源結構中，天然氣資源占比例為30%，石油資源占比例為26%，煤炭資源占比例為 24%，核能資源占比例為8%，其他能源（水力等）占比例為 4%。煤炭資源在我國未來3個10 年一次能源結構中，依然分別保持著 61%、56%和 51%左右。綜上所述，煤炭資源仍然是我國未來主要需求的能源資源。基于我國煤炭資源的賦存條件與開采布局，由于我國煤層地質條件的多樣性和復雜性，煤層埋深比較大，井工開采占礦井開采的90%以上。伴隨采掘面開采擾動，圍巖將會受到不同程度的損傷，由此積聚著一定的能量，當能量發生不可控釋放時，就會引發煤巖動力災害，造成重大的財產損失與人身傷亡。近年來，伴隨著煤炭開采向著集約化和規模化發展的趨勢，煤炭資源開采的強度和深度不斷增加，由此引起的沖擊地壓、煤與瓦斯突出以及復合型煤巖動力災害日趨嚴重，成為危害我國煤炭資源安全高效開采過程中的重要因素，尤其是沖擊地壓和煤與瓦斯突出最為嚴重的兩種動力災。

2 沖擊地壓和煤與瓦斯突出共同點

煤與瓦斯突出和沖擊地壓這兩種動力災害產生的條件較為不同，在淺埋煤層開采中，多體現為單一的動力災害模式，兩者之間影響不大，常規條件一般不會同時發生[2]。因此，大多研究成果對這兩種成災機理、監測預警以及防治等方面的科學研究基本是平行開展的，少有交叉。預測預警以及及防治研究可以分別進行。近年來，隨著煤層采掘水平的加大，開采深度以每年20 m 的速度向深部發展。我國高瓦斯和煤與瓦斯突出的礦井也面臨著發生沖擊地壓的情況，這2種動力災害之間的相互作用已經愈發明顯，這導致采掘面沖擊地壓和煤與瓦斯突出兩種動力災害相互共存、互為影響。尤其是進入深部采煤以后，這兩種動力災害之間的相互影響越來越加劇，表現出復合災害，其產生的機理變得更加錯綜復雜，監測預警以及防治難度更大。很明顯，把沖擊地壓和煤與瓦斯突出這兩種動力災害，分別進行監測預警防護的理念和技術，已不能符合現階段我國深部礦區動力災害防治的要求。在沖擊地壓和煤與瓦斯突出的產生因素中，高應力是共有的且非常重要影響的因素。因此，將深部礦井沖擊地壓和煤與瓦斯突出這兩種動力災害作為一體來研究其變化規律和產生激勵，開展煤炭深部開采中潛在復合型動力災害危險煤層的誘發機理及預警防治研究，提出一體化監測預警和防治減災方案，可為我國深部礦區煤炭資源安全高效的開采提供理論依據，具有重要意義。

3 煤巖瓦斯復合動力災害研究狀況

3.1 復合動力災害擾動響應一體化理論

國際巖石力學局俄羅斯自然科學院院士佩圖霍夫最先提出將沖擊地壓和煤與瓦斯突出這兩種動力災害作為一個整體進行系統的研究。在我國，章夢濤等基于煤巖體變形破壞產生機理和穩定理論，提出了沖擊地壓失穩理論。在此基礎上，結合煤與瓦斯突出失穩理論，提出了將沖擊地壓和煤與瓦斯突出作為一體，并提出了兩種現象的統一失穩理論[3]。這一研究成果，獲得佩圖霍夫教授的認可和高度評價。李鐵、蔡美峰等發現煤礦深部開采中沖擊地壓產生的原因和瓦斯的存在緊密相關，認為高壓瓦斯氣體孕育著沖擊地壓，存在采動卸荷與瓦斯解吸膨脹相互耦合作用的沖擊礦壓。王振等從動力災害的能量來源和破壞模式等方面系統分析了深部含瓦斯礦井發生沖擊地壓和突出的異同點，進而從瓦斯突出和沖擊地壓發生時的煤巖物理力學性質等方面分析了這兩種動力災害的誘發轉化機制。在此基礎上，以實驗室試驗研究、理論分析和數值計算為基礎，提出了沖擊地壓和煤與瓦斯突出動力災害在不同階段的誘發相互作用條件，最終總結出單一型災害在深部演化為復合型煤與瓦斯動力災害的物質條件、動力條件、開采擾動和構造條件，認識到了沖擊地壓和煤與瓦斯突出相互作用復合型災害的3 種成災模式。

3.2 煤巖瓦斯復合動力災害存在的問題

我國深部煤炭開采導致的沖擊地壓和煤與瓦斯突出，這兩種動力災害相互作用，與單一動力災害相比，有其特殊性，其產生機理更加錯綜復雜。其發生時煤巖體應力變化規律和圍巖損傷特征是什么，有什么樣的協同影響機制，如何將兩種理論相融合成統一的發生理論。這兩種動力災害的影響因素繁多，且互相作用，相互影響，如何形成一體化預測和防治體系。上述問題是當前亟待解決的問題。針對深部開采現今構造應力場、殘余構造應力場、巖體自重應力場、采動應力場和瓦斯與水等流體應力場耦合作用下發生的沖擊地壓、礦震、煤與瓦斯突出、瓦斯異常涌出和透水等多災種復合型災害，應用多學科交叉滲透的理論、方法與技術，探索災害形成的機理，研究區域與局部危險性預測和綜合防治技術，收到了良好的防災減災效果。

4 結語

本文簡單分析了國內外學者在深部煤炭資源礦井中，煤巖瓦斯復合動力災害方面的學術觀點和研究結果，并大體總結了沖擊地壓和煤與瓦斯突出兩種復合動力災害的成因至災機理、孕育條件、監測預警以及防治等。基于此，提出了我國深部礦井煤巖瓦斯復合動力災害防控方面仍存在的亟待解決問題。

參考文獻：

[1]高保彬，米翔繁，張瑞林.深部礦井煤巖瓦斯復合動力災害研究現狀與展望[J].煤礦安全，2013，44（11）：175178.

[2]李鐵，蔡美峰，王金安，等.深部開采沖擊地壓與瓦斯的相關性探討[J].煤炭學報，2005， 30（5）：562567.

[3]張福旺，李鐵.深部開采復合型煤與瓦斯動力災害的認識[J].中州煤炭， 2009（4）：7376.