浅析煤岩瓦斯复合动力灾害

摘要：煤岩瓦斯复合动力灾害是深部矿井开采所面临的一种由冲击地压和煤与瓦斯突出共同作用的动力灾害表现形式。将含有瓦斯的煤岩体看作为是瓦斯气体与煤岩固体组成而成的复合型材料体，同时将冲击地压和煤与瓦斯突出，这两种动力灾害作为一个整体，研究这种复合灾害发生时的煤岩破裂和破坏过程以及伴随的瓦斯运移规律，为实现将冲击矿压和煤与瓦斯突出作为一个整体，去研究复合型灾害的扰动响应失稳理论奠定基础。

关键词：煤岩；煤与瓦斯突出；冲击地压；复合动力灾害

1 绪论

煤炭资源是我国现阶段重要的战略储备资源，在一次性的能源消耗中有着举足轻重的地位[1]。目前，我国能源消耗的中长期规划，依然坚持以煤炭资源为主、电力为核心、其他资源为辅以及其它新能源全面发展。在2010～2020 年能源结构中，天然气资源占比例为30%，石油资源占比例为26%，煤炭资源占比例为 24%，核能资源占比例为8%，其他能源（水力等）占比例为 4%。煤炭资源在我国未来3个10 年一次能源结构中，依然分别保持着 61%、56%和 51%左右。综上所述，煤炭资源仍然是我国未来主要需求的能源资源。基于我国煤炭资源的赋存条件与开采布局，由于我国煤层地质条件的多样性和复杂性，煤层埋深比较大，井工开采占矿井开采的90%以上。伴随采掘面开采扰动，围岩将会受到不同程度的损伤，由此积聚着一定的能量，当能量发生不可控释放时，就会引发煤岩动力灾害，造成重大的财产损失与人身伤亡。近年来，伴随着煤炭开采向着集约化和规模化发展的趋势，煤炭资源开采的强度和深度不断增加，由此引起的冲击地压、煤与瓦斯突出以及复合型煤岩动力灾害日趋严重，成为危害我国煤炭资源安全高效开采过程中的重要因素，尤其是冲击地压和煤与瓦斯突出最为严重的两种动力灾。

2 冲击地压和煤与瓦斯突出共同点

煤与瓦斯突出和冲击地压这两种动力灾害产生的条件较为不同，在浅埋煤层开采中，多体现为单一的动力灾害模式，两者之间影响不大，常规条件一般不会同时发生[2]。因此，大多研究成果对这两种成灾机理、监测预警以及防治等方面的科学研究基本是平行开展的，少有交叉。预测预警以及及防治研究可以分别进行。近年来，随着煤层采掘水平的加大，开采深度以每年20 m 的速度向深部发展。我国高瓦斯和煤与瓦斯突出的矿井也面临着发生冲击地压的情况，这2种动力灾害之间的相互作用已经愈发明显，这导致采掘面冲击地压和煤与瓦斯突出两种动力灾害相互共存、互为影响。尤其是进入深部采煤以后，这两种动力灾害之间的相互影响越来越加剧，表现出复合灾害，其产生的机理变得更加错综复杂，监测预警以及防治难度更大。很明显，把冲击地压和煤与瓦斯突出这两种动力灾害，分别进行监测预警防护的理念和技术，已不能符合现阶段我国深部矿区动力灾害防治的要求。在冲击地压和煤与瓦斯突出的产生因素中，高应力是共有的且非常重要影响的因素。因此，将深部矿井冲击地压和煤与瓦斯突出这两种动力灾害作为一体来研究其变化规律和产生激励，开展煤炭深部开采中潜在复合型动力灾害危险煤层的诱发机理及预警防治研究，提出一体化监测预警和防治减灾方案，可为我国深部矿区煤炭资源安全高效的开采提供理论依据，具有重要意义。

3 煤岩瓦斯复合动力灾害研究状况

3.1 复合动力灾害扰动响应一体化理论

国际岩石力学局俄罗斯自然科学院院士佩图霍夫最先提出将冲击地压和煤与瓦斯突出这两种动力灾害作为一个整体进行系统的研究。在我国，章梦涛等基于煤岩体变形破坏产生机理和稳定理论，提出了冲击地压失稳理论。在此基础上，结合煤与瓦斯突出失稳理论，提出了将冲击地压和煤与瓦斯突出作为一体，并提出了两种现象的统一失稳理论[3]。这一研究成果，获得佩图霍夫教授的認可和高度评价。李铁、蔡美峰等发现煤矿深部开采中冲击地压产生的原因和瓦斯的存在紧密相关，认为高压瓦斯气体孕育着冲击地压，存在采动卸荷与瓦斯解吸膨胀相互耦合作用的冲击矿压。王振等从动力灾害的能量来源和破坏模式等方面系统分析了深部含瓦斯矿井发生冲击地压和突出的异同点，进而从瓦斯突出和冲击地压发生时的煤岩物理力学性质等方面分析了这两种动力灾害的诱发转化机制。在此基础上，以实验室试验研究、理论分析和数值计算为基础，提出了冲击地压和煤与瓦斯突出动力灾害在不同阶段的诱发相互作用条件，最终总结出单一型灾害在深部演化为复合型煤与瓦斯动力灾害的物质条件、动力条件、开采扰动和构造条件，认识到了冲击地压和煤与瓦斯突出相互作用复合型灾害的3 种成灾模式。

3.2 煤岩瓦斯复合动力灾害存在的问题

我国深部煤炭开采导致的冲击地压和煤与瓦斯突出，这两种动力灾害相互作用，与单一动力灾害相比，有其特殊性，其产生机理更加错综复杂。其发生时煤岩体应力变化规律和围岩损伤特征是什么，有什么样的协同影响机制，如何将两种理论相融合成统一的发生理论。这两种动力灾害的影响因素繁多，且互相作用，相互影响，如何形成一体化预测和防治体系。上述问题是当前亟待解决的问题。针对深部开采现今构造应力场、残余构造应力场、岩体自重应力场、采动应力场和瓦斯与水等流体应力场耦合作用下发生的冲击地压、矿震、煤与瓦斯突出、瓦斯异常涌出和透水等多灾种复合型灾害，应用多学科交叉渗透的理论、方法与技术，探索灾害形成的机理，研究区域与局部危险性预测和综合防治技术，收到了良好的防灾减灾效果。

4 结语

本文简单分析了国内外学者在深部煤炭资源矿井中，煤岩瓦斯复合动力灾害方面的学术观点和研究结果，并大体总结了冲击地压和煤与瓦斯突出两种复合动力灾害的成因至灾机理、孕育条件、监测预警以及防治等。基于此，提出了我国深部矿井煤岩瓦斯复合动力灾害防控方面仍存在的亟待解决问题。

参考文献：

[1]高保彬，米翔繁，张瑞林.深部矿井煤岩瓦斯复合动力灾害研究现状与展望[J].煤矿安全，2013，44（11）：175178.

[2]李铁，蔡美峰，王金安，等.深部开采冲击地压与瓦斯的相关性探讨[J].煤炭学报，2005， 30（5）：562567.

[3]张福旺，李铁.深部开采复合型煤与瓦斯动力灾害的认识[J].中州煤炭， 2009（4）：7376.

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