我国煤岩动力灾害世界第一

　　煤岩动力灾害，主要包括煤与瓦斯突出和冲击矿压。突出是采掘工作面周围煤岩向采掘空间高速喷出的一种动力灾害过程，高地应力和高压瓦斯是能量的主要来源。我国最大的突出灾害发生在四川三汇坝一井，在几钟内突出煤岩12780吨，喷出瓦斯气体140万立方米。冲击矿压灾害是在高应力作用下，采掘空间周围的煤岩体失稳破坏并向采掘空间高速运动的动力灾害过程，高地应力是主要能量来源。我国最大的冲击矿压发生在抚顺老虎台矿，震级达到里氏4.3级。

　　煤岩动力灾害除造成人员伤亡外，还严重摧毁巷道等采掘空间、破坏保障安全的通风系统。灾害过程伴随矿井瓦斯涌出异常，常诱发重特大瓦斯爆炸事故，造成群死群伤。2004年郑州大平矿死亡148人的瓦斯突出—瓦斯爆炸事故;2005年辽宁阜新孙家湾矿死亡214人的冲击—瓦斯爆炸事故;2009年黑龙江鹤岗新兴煤矿死亡108人的瓦斯突出—瓦斯爆炸事故。这类灾害严重威胁矿井安全，是煤矿重大工程灾害。

　　我国是世界上煤岩动力灾害最严重的国家。截至2010年，我国已备案的煤岩动力灾害矿井达1420多个。由于种种原因，还有超过一倍数量的这类矿井没有备案。据不完全统计，我国已累计发生31000多次动力灾害，平均每年死亡近300人。目前，除海南、广东、福建、浙江、西藏等少数省区外，我国主要采煤省区不同程度地受动力灾害的威胁，著名的平顶山、淮南矿区的主力矿井全部为突出矿井，兖州矿区主力矿井受冲击灾害威胁严重。

　　随着煤矿开采深度的不断增大，灾害更为严重，预防的难度也在不断加大。我国煤矿国有重点矿平均采深700米，最深达1365米，煤层最大瓦斯压力达10兆帕。来自权威部门的统计表明，“十一五”期间，我国煤矿重、特大瓦斯突出事故的起数和死亡人数分别占40%和28.5%;2010年发生的11起重特大瓦斯事故中，煤与瓦斯突出事故6起，死亡150人，分别占54.5%和68.2%。从煤矿重特大事故看，煤与瓦斯突出事故的比例逐年上升，遏制煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害事故是今后减少煤矿重特大事故的重中之重。

　　煤岩动力灾害预防是世界性难题

　　煤矿煤岩动力灾害的本质是含有高压瓦斯的煤岩体在内部能量和损伤积累到一定条件下快速失去稳定性，坍塌并释放巨大能量的动力灾害过程，是一个极其复杂的非线性力学现象。受地质条件、采掘布局、开采技术条件和煤岩性质等多种因素的综合影响，其预防是世界性难题。世界主要采煤大国，不论是发达国家还是发展中国家，均深受其害。由于预防难度大，无法避免灾害造成人员伤亡，世界动力灾害严重的国家如美国、加拿大、英国、法国、德国、日本和苏联基本关闭了具有动力灾害，特别是瓦斯突出灾害的矿井。

　　我国主要产煤区均受动力灾害威胁。煤炭是我国主要能源，2000年以来，煤炭产量以每年超过GDP的速度增加，引领国民经济发展。为满足经济快速发展的需要，受动力灾害威胁煤矿仍需长期开采，如平顶山、淮南等。因此，有效预防煤矿煤岩动力灾害是我国煤矿必须面对的问题。

　　在我国，煤系地层受多次构造运动作用，地质条件复杂多变，动力灾害的预防难度极大、危险高。煤矿瓦斯突出灾害预防难度大的另外一个原因是机理不清。长期以来，世界突出预防一直以苏联学者霍多特提出的综合作用定性假说为指导，它表明了突出主要受应力、煤层瓦斯和煤层物理力学性质等三个主要因素影响，但并未揭示这些因素如何耦合并影响灾害动态演化过程。机理不清，使得预测准确率低，防治措施针对性不强，导致事故经常发生，严重恶化煤矿安全环境。

　　煤岩动力灾害是突发性的动力灾害，其发生具有很强的时间、空间随机性和不确定性。现场实测突出危险参数、预测煤层突出危险性和实施放突措施不仅困难，而且非常危险。我国湖南、江西、贵州、四川、重庆、河南等严重突出矿区在预测预报和执行放突措施过程中经常发生突出事故。笔者在研究突出时，也常遇到这样的情况。在焦作中马村矿井下实验时遇到一次突出，当时在工作面前方实施突出危险钻孔时喷出近一吨煤粉，眼前什么也看不见，想跑都没法跑，后来喷孔停止了，才躲过一劫。在煤矿井下开展突出和冲击矿压研究，须面临十分危险的环境，但越是危险的地方，越需要去考察、实测和分析。

　　传统的检测方式是通过向煤体打钻测试钻屑量、瓦斯参数的方法进行测试，测得的预测信息量少，准确率低，还时常发生低指标突出及高指标不突出的情况，更容易漏报、误报，造成严重后果。而且打预测钻孔时扰动煤体，常诱发突出事故，具有很大的危险性。

　　针对我国煤岩动力灾害预防存在的问题，我们在煤岩动力灾害态演化过程及机理、煤岩动力灾害监测预警理论与技术等关键科学和工程应用难题进行了长期的攻关研究，取得了一些重要进展。

　　突出的流变—突变机理

　　在煤与瓦斯突出现场，笔者的博士导师周世宁院士和笔者发现，突出区域的煤体存在向突出孔洞流动的现象。四川三汇坝特大瓦斯突出地点300米以外的地方有明显的流动痕迹。受此启发，我们用流变力学的方法对含瓦斯煤岩的流变破坏规律进行了深入研究。研究发现，含瓦斯煤岩体在高地应力作用下是强流变介质，应力、孔隙气体压力越高、吸附性越强，煤岩的流变性越强。根据流变力学理论和实验研究建立的含瓦斯煤岩三维流变本构方程揭示了应力、瓦斯压力、煤岩力学特性、时间四大要素之间的非线性演化关系，实现了对含瓦斯煤岩流变破坏过程的本构方程描述。