煤與瓦斯突出風險研究范文

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摘要：為了防止煤與瓦斯突出的發生，利用風險界面理論對煤與瓦斯突出的風險因素進行分析，得出了煤與瓦斯突出與地質構造、瓦斯、煤層性質、瓦斯放散初速度、瓦斯涌出初速度、突出征兆、發生地點、防突措施等因素之間交互作用頻繁，轉化為事故的概率極高，需要系統防范。并在此基礎上建立煤與瓦斯突出危險因素魚骨圖，揭示了風險與事故的內在關聯。

關鍵詞：風險界面理論；煤與瓦斯突出；魚骨圖；風險因素

煤與瓦斯突出嚴重制約著煤礦安全生產。據國家安全監督管理總局數據統計，2001年到2017年共發生煤與瓦斯突出事故315起，死亡1907人，平均每起死亡6人。隨著礦井開采深度的增大，地應力增大、水壓增高、地溫增加，直接結果就是瓦斯壓力大、瓦斯含量高、煤質松軟、煤層滲透率低、瓦斯抽采困難，煤與瓦斯突出災害將會更加嚴重。煤與瓦斯突出是一個復雜的過程，許多學者對其進行了深入的研究，為防治煤與瓦斯突出提供可靠的理論支撐。煤與瓦斯突出是由地應力、瓦斯、煤的性質三者共同作用的結果，預抽煤層瓦斯是治理煤與瓦斯突出的根本措施，實現煤與瓦斯共采都在學術界和煤礦界得到普遍認可。但是，到目前為止，各種地質、開采條件下，煤與瓦斯突出發生的規律還沒有完全掌握，而煤礦井工開采過程中發生煤與瓦斯突出是一種客觀存在，需要利用現有的科學技術對其進行系統防范，將風險降到最低。風險界面理論［1］是一種對事故進行多因素系統分析的理論，該理論基于風險控制理論對現場人員、環境、設備等因素交互干擾的影響特性下進行多因素分析，能對危險因素交互頻繁的作業場所進行系統風險因素分析。基于此，筆者將利用風險界面理論對煤與瓦斯突出的風險因素進行深入分析，并在此基礎上建立風險因素魚骨圖，以此防止煤與瓦斯突出的發生和災害的擴大。

1風險界面理論

1.1煤與瓦斯突出的風險界面理論的界定風險界面理論認為［1］，風險總是存在于人員、設備、環境的接觸界面。它重點強調風險因素的接觸會導致危險能量的意外釋放，而危險能量的意外釋放則會引發事故。該理論需要在3個方面進行界定。1）能量攜帶主體的界定。煤與瓦斯突出過程中地應力、瓦斯壓力是主要的能量攜帶主體，煤的性質是能量的承受者，外界能量（采動影響和防突措施）的干擾會加劇或防止突出的發生。2）接觸界面的界定。煤與瓦斯突出過程的不同階段起作用的主體不同。地應力、瓦斯壓力、煤三者之間交互頻繁。煤與地應力、瓦斯與地應力、地應力與瓦斯、瓦斯與煤、防突措施的各個主體之間等都可看作是風險接觸的界面，它們可以是現實存在的，也可以是假想界面。3）風險的客觀存在性及隱蔽性。瓦斯、地應力具有的能量是風險存在的客觀原因，它們之間不斷進行著能量、物質交換，存在交換即存在接觸，存在接觸即存在風險。但是并非每一次接觸都會發生事故。煤與瓦斯突出需要三個因素相互耦合以及受外界條件影響，因此又具有一定的隱蔽性。4）風險的可控性。經過幾十年煤礦科技人員艱苦不懈的努力，證實“四位一體綜合防治措施”可有效防治煤與瓦斯突出的發生。

1.2煤與瓦斯突出對風險界面理論的驗證針對煤與瓦斯突出的原因分析，其風險來源包括瓦斯因素（壓力、含量、組分）、地應力因素（巖層重力、集中應力、構造應力）、煤的性質（穩定性、透氣性、強度）、防突措施的實施效果（防突技術不合理、人員誤操作、監測檢測失效）等［2］。按照動力現象力學特征分類，突出事故類型分為煤與瓦斯突出、煤與瓦斯的突然壓出、煤與瓦斯的突然傾出、巖石與CO2（瓦斯）壓出［3］。煤礦井下作業環境狹小陰暗，設備眾多，人員密集，存在許多潛在危險源，煤與瓦斯突出一旦發生后果不堪設想，必須采取有效的措施進行治理。總結了近年煤與瓦斯突出發生的原因、地點、后果以及事故的最初發生點等，從各個角度驗證風險界面理論適用煤與瓦斯突出風險分析。復雜的地質構造、下山延伸、煤層厚度發生變化等都使地應力、瓦斯所攜帶能量增大；石門揭煤、掘進工作面、采煤工作面等是主要風險接觸界面場所；風險的存在總會有一定的預兆出現如煤質破碎、沖鉆、瓦斯濃度超限等但不一定每次預兆都演變為事故；地質調查不可靠、防突措施不到位、鉆孔、爆破等是誘導突出的主要外界原因。

2基于風險界面理論的煤與瓦斯突出風險研究

2.1煤與瓦斯突出風險因素煤與瓦斯突出是一種在短時間內瓦斯攜帶著煤粉突然地、連續拋向工作面的一種動力過程。實現突出的基本能源是煤中積聚的高壓瓦斯潛能［4］。突出過程一般包括準備階段、激發階段、發展階段、穩定階段，有的可以明顯分清，有的激發階段很短暫，界限不清。突出發生決定于突出源附近應力的集中狀態以及圍巖的完整性，如果外界干擾加劇如采礦過程進行的放炮、放頂、移架等都會使該處的應力瞬間提高，從而使處于準備階段的突出源瞬間激發［5］。煤與瓦斯突出的風險因素包括以下幾個方面：

1）突出與地質構造的關系。絕大多數突出發生在地質構造帶內，如斷層、褶皺、背斜、向斜、扭轉和侵入巖區附近等。如鄭州大平煤礦突出發生在斷層帶，平煤平禹四礦突出發生在煤層倒轉帶內。在同一煤系地層中，處于地質構造附近的地應力比較集中，積聚著大量的能量。如果煤層中有大量瓦斯生成，這種應力生成的裂隙就為瓦斯的儲存創造了條件。當含高壓瓦斯煤受到采動影響后，能量就會迅速轉化為動能形成煤與瓦斯突出。因此，煤與瓦斯突出在同一煤層、同一礦井具有很大的不均衡性，有的工作面突出嚴重，有的工作面突出不嚴重或者不突出［6］。

2）突出與瓦斯的關系。煤與瓦斯是相伴相生的，采煤就會有瓦斯產生。瓦斯在煤中存在狀態分為吸附瓦斯和游離瓦斯，90％以上的瓦斯以吸附狀態存在，只有當煤遭到嚴重破壞，裂隙增加，煤中的瓦斯才能快速解析、膨脹、瓦斯內能才能迅速釋放，成為突出發生、發展的主要能源。瓦斯含量是煤體瓦斯內能最直接的反應，其值大小決定瓦斯內能的大小。瓦斯壓力梯度決定著瓦斯突出的難易程度，低透氣性煤對瓦斯運移阻力較大，容易形成較大的瓦斯壓力梯度，更容易發生突出［7］。因此，瓦斯壓力和瓦斯含量是判斷煤與瓦斯突出是否發生的重要指標。一般情況下，突出隨著瓦斯壓力和瓦斯含量增大而增大。《防治煤與瓦斯突出規定》中進行區域預測的臨界值瓦斯壓力小于074MPa，瓦斯含量小于8m3／t。

3）突出與地應力的關系。地應力包括巖層應力、集中應力和構造應力。主要作用是破壞煤體和發動突出。地應力引起的彈性潛能最先消耗在煤體的破碎上，為煤體內瓦斯能的釋放創造了條件。地應力的大小與開采深度有關。深度增加，突出的次數和強度都增加。實踐表明，一般在垂深100～200m時才開始發生突出。通常深度每增加100m，瓦斯壓力增加1MPa，瓦斯含量增加2～3m3／t，某礦井深度200m時，瓦斯壓力1MPa，瓦斯含量8m3／t，開采深度增加到1000m時，瓦斯壓力增加到80MPa，瓦斯含量增加到24～32m3／t［8］。

4）突出與煤層性質的關系。煤的孔隙結構是瓦斯的賦存空間。煤的強度、穩定性、透氣性決定突出發生的難易程度。一般來說，煤的破壞類型越高，強度越小，突出危險性越大。實踐表明，突出首先開始都是在松軟煤層或軟分層開始。煤層的強度一般用普氏系數f來衡量。《防治煤與瓦斯突出規定》中進行區域預測f的臨界值為05［9］。

5）突出與瓦斯放散初速度的關系。瓦斯放散初速度表示煤放散瓦斯的能力，指在常壓下吸附瓦斯的能力和吸附瓦斯的速度，是反映煤層突出危險性的一種單項指標［10］。

6）突出與瓦斯涌出初速度的關系。瓦斯涌出初速度是測定鉆孔自然涌出瓦斯多少的一個指標。它相當于間接地表明了瓦斯含量、瓦斯壓力以及解吸能力等情況［10］。

7）突出與突出征兆的關系。突出煤層在打鉆時會出現噴孔、頂鉆等現象。所有的突出發生前都有瓦斯涌出量增加、瓦斯壓力升高、煤層變軟、煤層內響煤炮的現象，有時煤體溫度降低，甚至出現冒頂和片幫、夾鉆等現象，有時鉆孔冒白煙，支架變形損壞、迎頭煤體變軟，礦壓顯現明顯等［11］。采礦過程中要密切注意這類現象發生，采取必要安全措施。

8）突出與發生地點的關系。煤巷掘進工作面發生突出最多，在平巷中發生的次數高于上山和下山，回采工作中的突出次之。在不同生產工序中，放炮和割煤工序發生突出次數較多。

9）突出與防突措施的關系。煤與瓦斯突出是可控可防的。隨著多年瓦斯治理經驗總結，目前已形成較為完善的瓦斯綜合治理措施：開采保護層作為首選區域防突措施；地面井預抽煤層瓦斯以及井下穿層鉆孔或順層鉆孔預抽區段煤層瓦斯；穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯；順層鉆孔或穿層鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯；穿層鉆孔預抽石門（含立、斜井等）揭煤區域煤層瓦斯；順層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯。任何一個突出礦井不可能僅采用一種措施就能解決全部瓦斯問題，必須根據礦井的差異性（地質條件和瓦斯賦存）來制定相應的措施［11］。地應力、瓦斯、煤的性質是影響煤與瓦斯突出的客觀因素。構造破壞帶、煤層賦存條件急劇變化、采掘應力疊加的區域，工作面預測過程中出現噴孔、頂鉆等動力現象或其他明顯突出預兆，應視為突出危險工作面加以防治。瓦斯放散初速度、瓦斯涌出初速度、煤的堅固性系數等是檢測煤層是否突出的定量指標。不同生產工序為防突措施地點選擇制定提供依據。保護層開采、底抽巷穿層開采、煤層注水以及卸壓排放、水力化、圍巖強化等防突措施為礦井安全生產提供可靠保障。總之，煤與瓦斯突出防治是一項系統工程，影響因素很多，彼此相互聯系但又各有特點。因此，必須系統分析各風險因素，制定防突措施。

2.2基于魚骨圖法的煤與瓦斯突出事故風險識別魚骨圖又稱因果圖，是日本教授KaoruIshikawa在1960年左右提出的，最初用于川崎重工的過程質量管理［12］。該方法中心是事故，上下部分是造成事故的原因，從淺入深一一挖掘，最終形成一副形狀像魚骨的因果分析圖。由風險界面理論得知，煤與瓦斯突出風險集中在突出源和防突措施兩大塊。突出源由瓦斯、地應力、煤的性質三者共同作用。防突措施包括防突技術、人員、設備、安全防護措施、安全管理制度等。這些因素可以概括為三類，人的不安全行為（A）、物的不安全狀態（B）、安全管理（C），其中，人的不安全行為包括執行操作的人員的具體行為；物的不安全狀態包括防突措施、防突設備、安全防護措施等；安全管理包括安全管理制度、安全監控監測監督、安全人員配備、安全培訓等。第一大塊是造成煤與瓦斯突出的客觀原因，第二大塊是實行防突措施主動防御突出發生。基于風險界面理論，將風險因素類型劃分為兩大類：一類為突出源風險，二類為防突措施風險，兩類之間存在接觸風險。第一大類分為三小類，即瓦斯接觸風險、地應力接觸風險、煤接觸風險。瓦斯（D）、地應力（E）、煤（F）直接影響突出源頭的形成，它們之間是“與”的關系。第二大類分為人的不安全行為風險、物的不安全狀態風險、安全管理風險。三小類風險決定突出事故發生的可能性和嚴重性，它們之間是“或”的關系。一二類風險之間通過突出指標預測風險是否發生。主要有瓦斯壓力、瓦斯含量、瓦斯放散初速度、瓦斯涌出初速度、煤的堅固性系數等。a代表作業環境差，a1代表溫度升高，a2代表抽采系統不可靠，a3代表支護不牢，a4代表瓦斯濃度超標；b代表設備不可靠，b1代表安全防護措施不可靠，b2代表設備隨意擺放，b3代表設備不防爆，b4代表抽采措施不到位；c代表管理不善，c1代表檢查儀器質量不合格，c2代表檢查人員經驗不足，c3代表檢查走形式，c4代表無安全硐室；d代表機構不健全，d1安全管理機構臨時搭建，d2代表安全人員沒有專業知識，d3安全制度不完善，d4安全培訓走形式；e代表違章操作，e1代表不清楚安全防護措施，e2代表故意違章，e3不按設計施工，e4代表設備隨意擺放；f代表安全意識淡薄，f1代表不清楚逃生通道，f2代表煤與瓦斯突出征兆不清楚，f3代表瓦斯治理理念落后；g代表應急管理不善，g1代表煤與瓦斯突出知識欠缺，g2代表應急管理措施不完善，g3代表無應急管理；h代表安全監督，h1代表安全檢查不到位，h2代表四位一體綜合防突措施不到位，h3代表安全制度落實不到位；i代表參數設計繁多，i1代表管路設計，i2代表排水裝置，i3代表負壓調節，i4代表鉆孔參數，i5代表巷道參數，i6代表封孔參數；j代表地質條件惡劣，j1代表瓦斯涌出量大，j2代表煤層賦存復雜，j3代表透氣性差，j4代表地質構造復雜；k代表抽采措施不到位，k1代表抽采管道漏氣，k2代表未及時排水，k3代表封孔不嚴，k4代表不調負壓，k5代表不按設計施工，k6代表成孔后未快速接管；l代表指揮操作失誤，l1代表方案設計失誤，l2代表操作人員技能差，l3代表設計人員經驗不足，l4同f3；m代表拋出煤體，m1代表煤體強度，m2代表瓦斯壓力梯度，m3代表地應力，m4代表瓦斯內能；n代表粉碎煤體，n1同m1，n2代表瓦斯解析程度，n3代表瓦斯含量，n4代表瓦斯壓力，n5同m3；o代表突出危險增大，o1同n4，o2代表瓦斯賦存狀態，o3代表開采深度，o4代表瓦斯含量；p代表煤體儲集高壓瓦斯能，p1代表圍巖性質，p2代表煤體裂隙，p3代表煤的變質程度，p4代表地質構造；q代表突出發生，q1代表煤的軟分層厚度，q2代表煤體強度，q3代表煤的透氣性；r代表煤體集聚大量能量，r1同p4，r2代表煤層埋藏深度，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代表突出強度，t1同q2，t2同q3，t3同p4，t4同p3；u代表采掘應力疊加，u1代表回采工序，u2同p4；v代表破壞煤體，v1同q1，v2同q2。23案例分析2004年10月20日22時40分發生在河南鄭州大平煤礦特大煤與瓦斯突出事故引起的瓦斯爆炸事故，造成148人死亡，32人受傷，直接經濟損失39357萬元。礦井有2個生產采區、2個準備采區、2個開拓采區，2個采煤工作面、5個煤巷掘進工作面、3個巖巷掘進工作面，為高瓦斯礦井。事故發生地點為軌道下山巖巷掘進工作面，當班工人接班后完成鉆眼、連線、爆破等工序，通風20min后，瓦檢員檢測了掘進頭瓦斯濃度，瓦斯濃度正常，開始了裝巖和運輸工作。突出前5min，班長發現巖壁有劈啪聲，并伴隨小碎石的滑落，趕快召集工人撤出，隨后工作面發生煤與瓦斯突出事故，此時瓦斯報警器發出警報，在調度室內的調度員聽到報警后給通風科打電話，但電話一直沒有接聽，調度員以為井下局部瓦斯超限，沒有采取任何措施。高濃度瓦斯進入西風井，由于巖石下山回風聯絡巷堆積物料，并設置帶有通風口的風墻，導致突出瓦斯逆流到西大巷新鮮風流中，瓦斯濃度很快提升到95％左右，從副井底架線電機車駛來，產生火花發生瓦斯爆炸，波及整個礦井，造成148人死亡，32人受傷。利用風險界面理論對其進行分析。巖石下山掘進工作面進入礦井深部，屬于地質構造復雜地帶，該礦為高瓦斯礦，對礦井開采深度增加可能帶來的瓦斯等級升高沒有引起足夠的重視，瓦斯地質預報工作不到位，沒有及時預測到巖石下山掘進工作面遇到的逆斷層，在突出煤層頂、底板巖巷掘進過程中必須超前探明，驗證地質資料，及時掌握施工動態、圍巖、瓦斯和地質構造情況，沒有采取相應的安全措施。井下局部通風設施管理混亂，加大煤與瓦斯突出后的瓦斯逆流，高濃度瓦斯進入西大巷新鮮風流，達到爆炸界限，遇到架線式電機車產生火花，發生瓦斯爆炸。根據瓦斯監控系統測定的數據，煤與瓦斯突出距瓦斯爆炸有31min時間，這期間該礦應急處置措施不力，值班人員擅離職守，以致安監系統長時間的報警卻無人理睬，安全管理存在漏洞也是導致事故擴大的重要原因。

3結論

1）煤與瓦斯突出影響因素眾多，相互之間交互頻繁。利用風險界面理論將各個因素演變為危險能量攜帶者的界面進行分析，有助于識別風險的形成，控制事故的發生。2）建立了煤與瓦斯突出危險因素魚骨圖，揭示了風險與事故的內在關聯。3）煤與瓦斯突出治理是一項系統工程，礦方需從技術選擇、規劃設計、措施執行、過程管理、監測監控等方面嚴加把關，實現礦井“健康”發展。

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作者：邢媛媛1，2，張飛飛1，邱黎明2單位：1山西工程技術學院礦業工程系，2中國礦業大學安全工程學院