□何学秋
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。
基于流变本构方程和突出现象，提出了煤与瓦斯突出的流变—突变机理。该机理说明，突出现象的本质是含瓦斯煤体在应力、瓦斯、煤层物理力学性质和时间四大要素作用下的流变—突变破坏过程。含瓦斯煤体流变破坏速度和能量分布是否异常，是突出能否发生的关键。煤与瓦斯突出灾害在时间上，具有突出的孕育准备、发动、发展和结束四个阶段。
突出的流变—突变机理告诉我们，煤与瓦斯突出是含瓦斯煤岩体流变破坏动态演化后发生突变的结果，这是有效预测和防治突出的最根本基础。要准确预测突出，给出早期预警，必须找到监测流变破坏过程的工具。“卸应力、抽瓦斯、控流变、防突变”是流变—突变理论昭示的防治突出灾害的基本原则，已被突出矿井防突工程普遍采用，效果显著，并被《煤矿防治煤与瓦斯突出规定》采纳。例如，沈煤集团红菱矿12号煤层突出严重，按照卸应力、抽瓦斯、控流变、防突变的原则，开采与之相距16米、厚度仅40厘米的11号煤层，同时采一米厚岩石，采后消除了12号煤层的突出危险，确保了安全高效开采。
该理论的重要理论意义在于，它解释了以前无法解释的延期突出、硬煤突出、突出过程瓦斯喷出量远大于抛出煤瓦斯含量等突出现象。延期突出是含瓦斯煤流变发展到突变的结果；只要条件具备，硬煤也会发生突出；突出过程中，整个流变区域瓦斯是喷出瓦斯的重要补给源。这对于准确评价煤层突出危险性、准确预测突出危险区域具有重要意义。大量现场实际突出现象验证了流变—突变机理。如寺河矿2008年“5·20”突出事故等，验证了硬煤突出的结论；应用该理论查明了大平矿“10·20”特大瓦斯事故原因是延期突出。
电磁辐射监测预警技术装备与方法
煤岩动力灾害的本质是煤岩体经过流变破裂演化过程而发生的瞬间突变行为。实现含瓦斯煤岩流变破坏过程及状态的实时监测，及时掌握采掘空间含瓦斯煤岩体发生动力灾害的危险，是突出灾害预防工程、技术及研究人员的梦想，但一直没有得到很好的解决。
笔者在含瓦斯煤岩流变突变破坏实验过程中发现，流变破坏过程伴随产生电磁辐射现象，并从1992年起开始专注于这一方向的研究。通过大量的实验室实验和煤矿井下工程实测，发现电磁辐射是煤岩流变—突变破坏过程中的一种能量辐射形式，它与应力、瓦斯压力密切相关。应力和瓦斯压力越高，煤岩体变形破裂越强烈，电磁辐射越强。因此，可以用电磁辐射监测煤岩体流变—突变形成灾害的过程，实现动力灾害的早期预警。
研究结果表明，煤岩电磁辐射信号是频谱范围宽、强度弱的脉冲信号。如何在煤矿井下实测到这些非常微弱的信号，面临着很多难题。一是缺乏专用的工程监测仪表；二是地面的监测仪表无法直接下井，需要解决仪器防水、防尘和防爆的问题；三是煤矿井下采掘空间也有很多机电设备，其工作时产生的电磁干扰信号很强。通过多年的努力，笔者与科研团队成功发明了具有完全知识产权的、主要由高灵敏度宽频带定向接收天线和智能监测主机组成的系列化煤岩流变破坏电磁辐射监测装备，为煤岩流变破坏过程监测和煤岩动力灾害监测预警提供了基础工具和应用装备。该装备成功解决了抗干扰、防爆、防尘、防水等难题，与软件配套解决了复杂信号滤波、多源信息自动处理、生产工艺干扰信号和有效信号等自动监测辨识问题。该装备通过了国家相关机构的检测检验和认证。
在进行电磁辐射监测预警煤岩动力灾害工程验证及工业性试验的过程中发现，同传统钻孔检测技术一样，存在着预警临界值难以确定和临界值法预警准确率低等问题。通过与钻孔指标、动力显现和实际发生的动力现象进行对比和统计确定预警临界值是非常困难的，而且周期很长。因此，需要从理论上解决监测预警的指标、方法和临界值确定等问题。
我们基于电磁辐射实验规律和损伤力学理论，建立了煤岩流变破坏力—电耦合理论模型。它建立起电磁辐射与应力、破裂间的理论对应关系；基于煤岩动力灾害流变—突变规律和煤岩力—电耦合模型建立了煤岩动力灾害电磁辐射监测预警准则，确定了临界值与动态趋势相结合的预警方法，并得出煤岩动力灾害危险临界条件的无量纲值域，实现了对煤岩动力灾害无危险、危险和强危险的三级预警，解决了预警临界值难以确定的问题，改变了过去只依靠临界值法预警而准确率低的历史，显著提高了预警准确率。
电磁辐射监测装备实现了非接触式、定向、实时监测与预警，实现了煤岩动力灾害全过程及全空间的实时监测，监测信息量和准确率显著提高，操作非常简便。该项技术成果被列入《国家科技成果重点推广计划》和国家《安全生产重点推广技术目录》，在全国近百家矿山获得应用，在全国7所高校用于煤岩电磁辐射实验及应用研究。已经在50％以上的国有重点突出煤矿区进行了应用，在我国90％以上有冲击矿压危险煤矿进行了工程应用，成为冲击矿压的主要监测预警手段，有效预防了煤矿冲击矿压伤亡事故。如在徐州三河尖煤矿，近60％可采煤层区域受冲击矿压威胁，有些采区因为冲击矿压灾害严重，又没有可靠的检测预警手段，矿工不敢下井而被迫停止开采。电磁辐射预警技术应用到该矿，实现了可靠预警，对有冲击矿压危险区域采用卸压措施，消除了冲击矿压危险，保证了安全回采。在该矿冲击矿压灾害最严重的7204工作面回采过程中，电磁辐射监测预警系统成功预警到了38次冲击矿压危险并被验证。
此外，该技术装备还被用于隧道稳定性评估。重庆朝天门隧道顶部建有两座36层大楼，1999年发现隧道有渗水、开裂等不稳定性征兆，采用电磁辐射等技术实测评估围岩确实在发生动态破坏，并确定了危险位置，后期实施了加固工程。电磁辐射监测预警系统在冲击矿压比较严重的波兰ZOFIOWKA煤矿进行了成功的应用。在岩爆严重的加拿大IAMGOLD金矿也进行了成功的应用。
电磁辐射监测预警技术及装备，为研究煤岩破坏规律提供了一种新的有效监测和辨识方法，实现了对煤岩流变破坏过程的非接触连续监测，对实现煤矿煤岩动力灾害监测预警信息化、智能化，提高预警的可靠性具有重要促进作用。在矿山和地下工程方面也有广阔的应用前景。
煤岩动力灾害非常复杂，随着采深加大、地质环境和采矿活动的变化，其监测预警难度更大。笔者只是在这一领域做了一些初步的开创性工作，煤岩动力灾害的准确监测预警和有效防治任重道远，还需要更艰苦的研究探索。
（作者系中国安全生产科学研究院教授）
《科学时报》 (2011-10-31 A3 深度)
