煤與瓦斯突出風(fēng)險研究范文

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摘要：為了防止煤與瓦斯突出的發(fā)生，利用風(fēng)險界面理論對煤與瓦斯突出的風(fēng)險因素進行分析，得出了煤與瓦斯突出與地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯、煤層性質(zhì)、瓦斯放散初速度、瓦斯涌出初速度、突出征兆、發(fā)生地點、防突措施等因素之間交互作用頻繁，轉(zhuǎn)化為事故的概率極高，需要系統(tǒng)防范。并在此基礎(chǔ)上建立煤與瓦斯突出危險因素魚骨圖，揭示了風(fēng)險與事故的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)險界面理論；煤與瓦斯突出；魚骨圖；風(fēng)險因素

煤與瓦斯突出嚴(yán)重制約著煤礦安全生產(chǎn)。據(jù)國家安全監(jiān)督管理總局?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計，2001年到2017年共發(fā)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(yīng)力增大、水壓增高、地溫增加，直接結(jié)果就是瓦斯壓力大、瓦斯含量高、煤質(zhì)松軟、煤層滲透率低、瓦斯抽采困難，煤與瓦斯突出災(zāi)害將會更加嚴(yán)重。煤與瓦斯突出是一個復(fù)雜的過程，許多學(xué)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(yīng)力、瓦斯、煤的性質(zhì)三者共同作用的結(jié)果，預(yù)抽煤層瓦斯是治理煤與瓦斯突出的根本措施，實現(xiàn)煤與瓦斯共采都在學(xué)術(shù)界和煤礦界得到普遍認可。但是，到目前為止，各種地質(zhì)、開采條件下，煤與瓦斯突出發(fā)生的規(guī)律還沒有完全掌握，而煤礦井工開采過程中發(fā)生煤與瓦斯突出是一種客觀存在，需要利用現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)對其進行系統(tǒng)防范，將風(fēng)險降到最低。風(fēng)險界面理論［1］是一種對事故進行多因素系統(tǒng)分析的理論，該理論基于風(fēng)險控制理論對現(xiàn)場人員、環(huán)境、設(shè)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(yè)場所進行系統(tǒng)風(fēng)險因素分析。基于此，筆者將利用風(fēng)險界面理論對煤與瓦斯突出的風(fēng)險因素進行深入分析，并在此基礎(chǔ)上建立風(fēng)險因素魚骨圖，以此防止煤與瓦斯突出的發(fā)生和災(zāi)害的擴大。

1風(fēng)險界面理論

1.1煤與瓦斯突出的風(fēng)險界面理論的界定風(fēng)險界面理論認為［1］，風(fēng)險總是存在于人員、設(shè)備、環(huán)境的接觸界面。它重點強調(diào)風(fēng)險因素的接觸會導(dǎo)致危險能量的意外釋放，而危險能量的意外釋放則會引發(fā)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(yīng)力、瓦斯壓力是主要的能量攜帶主體，煤的性質(zhì)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(fā)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(yīng)力、瓦斯壓力、煤三者之間交互頻繁。煤與地應(yīng)力、瓦斯與地應(yīng)力、地應(yīng)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(fēng)險接觸的界面，它們可以是現(xiàn)實存在的，也可以是假想界面。3）風(fēng)險的客觀存在性及隱蔽性。瓦斯、地應(yīng)力具有的能量是風(fēng)險存在的客觀原因，它們之間不斷進行著能量、物質(zhì)交換，存在交換即存在接觸，存在接觸即存在風(fēng)險。但是并非每一次接觸都會發(fā)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(fēng)險的可控性。經(jīng)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(fā)生。

1.2煤與瓦斯突出對風(fēng)險界面理論的驗證針對煤與瓦斯突出的原因分析，其風(fēng)險來源包括瓦斯因素（壓力、含量、組分）、地應(yīng)力因素（巖層重力、集中應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力）、煤的性質(zhì)（穩(wěn)定性、透氣性、強度）、防突措施的實施效果（防突技術(shù)不合理、人員誤操作、監(jiān)測檢測失效）等［2］。按照動力現(xiàn)象力學(xué)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(yè)環(huán)境狹小陰暗，設(shè)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(fā)生后果不堪設(shè)想，必須采取有效的措施進行治理。總結(jié)了近年煤與瓦斯突出發(fā)生的原因、地點、后果以及事故的最初發(fā)生點等，從各個角度驗證風(fēng)險界面理論適用煤與瓦斯突出風(fēng)險分析。復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造、下山延伸、煤層厚度發(fā)生變化等都使地應(yīng)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(fēng)險接觸界面場所；風(fēng)險的存在總會有一定的預(yù)兆出現(xiàn)如煤質(zhì)破碎、沖鉆、瓦斯?jié)舛瘸薜鹊灰欢看晤A(yù)兆都演變?yōu)槭鹿剩坏刭|(zhì)調(diào)查不可靠、防突措施不到位、鉆孔、爆破等是誘導(dǎo)突出的主要外界原因。

2基于風(fēng)險界面理論的煤與瓦斯突出風(fēng)險研究

2.1煤與瓦斯突出風(fēng)險因素煤與瓦斯突出是一種在短時間內(nèi)瓦斯攜帶著煤粉突然地、連續(xù)拋向工作面的一種動力過程。實現(xiàn)突出的基本能源是煤中積聚的高壓瓦斯?jié)撃埽?］。突出過程一般包括準(zhǔn)備階段、激發(fā)階段、發(fā)展階段、穩(wěn)定階段，有的可以明顯分清，有的激發(fā)階段很短暫，界限不清。突出發(fā)生決定于突出源附近應(yīng)力的集中狀態(tài)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(yīng)力瞬間提高，從而使處于準(zhǔn)備階段的突出源瞬間激發(fā)［5］。煤與瓦斯突出的風(fēng)險因素包括以下幾個方面：

1）突出與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系。絕大多數(shù)突出發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造帶內(nèi)，如斷層、褶皺、背斜、向斜、扭轉(zhuǎn)和侵入巖區(qū)附近等。如鄭州大平煤礦突出發(fā)生在斷層帶，平煤平禹四礦突出發(fā)生在煤層倒轉(zhuǎn)帶內(nèi)。在同一煤系地層中，處于地質(zhì)構(gòu)造附近的地應(yīng)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(yīng)力生成的裂隙就為瓦斯的儲存創(chuàng)造了條件。當(dāng)含高壓瓦斯煤受到采動影響后，能量就會迅速轉(zhuǎn)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(yán)重，有的工作面突出不嚴(yán)重或者不突出［6］。

2）突出與瓦斯的關(guān)系。煤與瓦斯是相伴相生的，采煤就會有瓦斯產(chǎn)生。瓦斯在煤中存在狀態(tài)分為吸附瓦斯和游離瓦斯，90％以上的瓦斯以吸附狀態(tài)存在，只有當(dāng)煤遭到嚴(yán)重破壞，裂隙增加，煤中的瓦斯才能快速解析、膨脹、瓦斯內(nèi)能才能迅速釋放，成為突出發(fā)生、發(fā)展的主要能源。瓦斯含量是煤體瓦斯內(nèi)能最直接的反應(yīng)，其值大小決定瓦斯內(nèi)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(fā)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(fā)生的重要指標(biāo)。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(guī)定》中進行區(qū)域預(yù)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(yīng)力的關(guān)系。地應(yīng)力包括巖層應(yīng)力、集中應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力。主要作用是破壞煤體和發(fā)動突出。地應(yīng)力引起的彈性潛能最先消耗在煤體的破碎上，為煤體內(nèi)瓦斯能的釋放創(chuàng)造了條件。地應(yīng)力的大小與開采深度有關(guān)。深度增加，突出的次數(shù)和強度都增加。實踐表明，一般在垂深100～200m時才開始發(fā)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(zhì)的關(guān)系。煤的孔隙結(jié)構(gòu)是瓦斯的賦存空間。煤的強度、穩(wěn)定性、透氣性決定突出發(fā)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(shù)f來衡量。《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中進行區(qū)域預(yù)測f的臨界值為05［9］。

5）突出與瓦斯放散初速度的關(guān)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(biāo)［10］。

6）突出與瓦斯涌出初速度的關(guān)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(biāo)。它相當(dāng)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(guān)系。突出煤層在打鉆時會出現(xiàn)噴孔、頂鉆等現(xiàn)象。所有的突出發(fā)生前都有瓦斯涌出量增加、瓦斯壓力升高、煤層變軟、煤層內(nèi)響煤炮的現(xiàn)象，有時煤體溫度降低，甚至出現(xiàn)冒頂和片幫、夾鉆等現(xiàn)象，有時鉆孔冒白煙，支架變形損壞、迎頭煤體變軟，礦壓顯現(xiàn)明顯等［11］。采礦過程中要密切注意這類現(xiàn)象發(fā)生，采取必要安全措施。

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

9）突出與防突措施的關(guān)系。煤與瓦斯突出是可控可防的。隨著多年瓦斯治理經(jīng)驗總結(jié)，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(qū)域防突措施；地面井預(yù)抽煤層瓦斯以及井下穿層鉆孔或順層鉆孔預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯；穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯；順層鉆孔或穿層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯；穿層鉆孔預(yù)抽石門（含立、斜井等）揭煤區(qū)域煤層瓦斯；順層鉆孔預(yù)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(jù)礦井的差異性（地質(zhì)條件和瓦斯賦存）來制定相應(yīng)的措施［11］。地應(yīng)力、瓦斯、煤的性質(zhì)是影響煤與瓦斯突出的客觀因素。構(gòu)造破壞帶、煤層賦存條件急劇變化、采掘應(yīng)力疊加的區(qū)域，工作面預(yù)測過程中出現(xiàn)噴孔、頂鉆等動力現(xiàn)象或其他明顯突出預(yù)兆，應(yīng)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(shù)等是檢測煤層是否突出的定量指標(biāo)。不同生產(chǎn)工序為防突措施地點選擇制定提供依據(jù)。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(chǎn)提供可靠保障。總之，煤與瓦斯突出防治是一項系統(tǒng)工程，影響因素很多，彼此相互聯(lián)系但又各有特點。因此，必須系統(tǒng)分析各風(fēng)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(fēng)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(zhì)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(fēng)險界面理論得知，煤與瓦斯突出風(fēng)險集中在突出源和防突措施兩大塊。突出源由瓦斯、地應(yīng)力、煤的性質(zhì)三者共同作用。防突措施包括防突技術(shù)、人員、設(shè)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(tài)（B）、安全管理（C），其中，人的不安全行為包括執(zhí)行操作的人員的具體行為；物的不安全狀態(tài)包括防突措施、防突設(shè)備、安全防護措施等；安全管理包括安全管理制度、安全監(jiān)控監(jiān)測監(jiān)督、安全人員配備、安全培訓(xùn)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(fā)生。基于風(fēng)險界面理論，將風(fēng)險因素類型劃分為兩大類：一類為突出源風(fēng)險，二類為防突措施風(fēng)險，兩類之間存在接觸風(fēng)險。第一大類分為三小類，即瓦斯接觸風(fēng)險、地應(yīng)力接觸風(fēng)險、煤接觸風(fēng)險。瓦斯（D）、地應(yīng)力（E）、煤（F）直接影響突出源頭的形成，它們之間是“與”的關(guān)系。第二大類分為人的不安全行為風(fēng)險、物的不安全狀態(tài)風(fēng)險、安全管理風(fēng)險。三小類風(fēng)險決定突出事故發(fā)生的可能性和嚴(yán)重性，它們之間是“或”的關(guān)系。一二類風(fēng)險之間通過突出指標(biāo)預(yù)測風(fēng)險是否發(fā)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(shù)等。a代表作業(yè)環(huán)境差，a1代表溫度升高，a2代表抽采系統(tǒng)不可靠，a3代表支護不牢，a4代表瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)；b代表設(shè)備不可靠，b1代表安全防護措施不可靠，b2代表設(shè)備隨意擺放，b3代表設(shè)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(zhì)量不合格，c2代表檢查人員經(jīng)驗不足，c3代表檢查走形式，c4代表無安全硐室；d代表機構(gòu)不健全，d1安全管理機構(gòu)臨時搭建，d2代表安全人員沒有專業(yè)知識，d3安全制度不完善，d4安全培訓(xùn)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(shè)計施工，e4代表設(shè)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(yīng)急管理不善，g1代表煤與瓦斯突出知識欠缺，g2代表應(yīng)急管理措施不完善，g3代表無應(yīng)急管理；h代表安全監(jiān)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(shù)設(shè)計繁多，i1代表管路設(shè)計，i2代表排水裝置，i3代表負壓調(diào)節(jié)，i4代表鉆孔參數(shù)，i5代表巷道參數(shù)，i6代表封孔參數(shù)；j代表地質(zhì)條件惡劣，j1代表瓦斯涌出量大，j2代表煤層賦存復(fù)雜，j3代表透氣性差，j4代表地質(zhì)構(gòu)造復(fù)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(yán)，k4代表不調(diào)負壓，k5代表不按設(shè)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(shè)計失誤，l2代表操作人員技能差，l3代表設(shè)計人員經(jīng)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(yīng)力，m4代表瓦斯內(nèi)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(tài)，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(zhì)，p2代表煤體裂隙，p3代表煤的變質(zhì)程度，p4代表地質(zhì)構(gòu)造；q代表突出發(fā)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(yīng)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(fā)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(jīng)濟損失39357萬元。礦井有2個生產(chǎn)采區(qū)、2個準(zhǔn)備采區(qū)、2個開拓采區(qū)，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(fā)生地點為軌道下山巖巷掘進工作面，當(dāng)班工人接班后完成鉆眼、連線、爆破等工序，通風(fēng)20min后，瓦檢員檢測了掘進頭瓦斯?jié)舛龋咚節(jié)舛日＃_始了裝巖和運輸工作。突出前5min，班長發(fā)現(xiàn)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(fā)生煤與瓦斯突出事故，此時瓦斯報警器發(fā)出警報，在調(diào)度室內(nèi)的調(diào)度員聽到報警后給通風(fēng)科打電話，但電話一直沒有接聽，調(diào)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(fēng)井，由于巖石下山回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷堆積物料，并設(shè)置帶有通風(fēng)口的風(fēng)墻，導(dǎo)致突出瓦斯逆流到西大巷新鮮風(fēng)流中，瓦斯?jié)舛群芸焯嵘?5％左右，從副井底架線電機車駛來，產(chǎn)生火花發(fā)生瓦斯爆炸，波及整個礦井，造成148人死亡，32人受傷。利用風(fēng)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(zhì)構(gòu)造復(fù)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(zhì)預(yù)報工作不到位，沒有及時預(yù)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(zhì)資料，及時掌握施工動態(tài)、圍巖、瓦斯和地質(zhì)構(gòu)造情況，沒有采取相應(yīng)的安全措施。井下局部通風(fēng)設(shè)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(fēng)流，達到爆炸界限，遇到架線式電機車產(chǎn)生火花，發(fā)生瓦斯爆炸。根據(jù)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)測定的數(shù)據(jù)，煤與瓦斯突出距瓦斯爆炸有31min時間，這期間該礦應(yīng)急處置措施不力，值班人員擅離職守，以致安監(jiān)系統(tǒng)長時間的報警卻無人理睬，安全管理存在漏洞也是導(dǎo)致事故擴大的重要原因。

3結(jié)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(fēng)險界面理論將各個因素演變?yōu)槲ｋU能量攜帶者的界面進行分析，有助于識別風(fēng)險的形成，控制事故的發(fā)生。2）建立了煤與瓦斯突出危險因素魚骨圖，揭示了風(fēng)險與事故的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。3）煤與瓦斯突出治理是一項系統(tǒng)工程，礦方需從技術(shù)選擇、規(guī)劃設(shè)計、措施執(zhí)行、過程管理、監(jiān)測監(jiān)控等方面嚴(yán)加把關(guān)，實現(xiàn)礦井“健康”發(fā)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(shù)學(xué)院礦業(yè)工程系，2中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院