瓦斯突出

煤礦井下生產過程中，煤層和岩層內的大量瓦斯向採掘空間突然噴射的。

地質構造控制着煤層瓦斯的賦存和構造煤分層破壞程度以及厚度分佈，控制着煤與瓦斯突出；煤與瓦斯突出動力現象是一定規模的瓦斯突出煤體在臨近採掘工作面煤壁時，卸載引起煤體拉張向深部擴展破壞，煤層透氣性高倍增加，同時煤體內大量瓦斯因降壓而快速解吸，靠近煤壁的煤體內瞬間形成高動能的氣、煤顆粒混合體，類似點爆炸藥包，造成煤層嚴重崩塌破壞，發生煤與瓦斯突出 ^[1]  。

（1）突出的煤向外拋出距離較遠，具有分選現象。

（2）拋出的煤堆積角小於煤的自然安息角。

（3）拋出的煤破碎程度高，含有大量的塊煤和手捻無粒感的煤粉。

（4）有明顯的動力效應，破壞支架，推倒礦車，破壞和拋出安裝在巷道內的設施。

（5）有大量的瓦斯湧出，瓦斯湧出量遠遠超過突出煤的瓦斯含量，有時會使風流逆轉。

（6）突出孔洞呈口小腔大的梨形、倒瓶形以及其它分岔形等。

噴出的瓦斯成分一般是沼氣(CH4)，個別是二氧化碳。夾有煤塊的瓦斯突出稱煤和瓦斯突出，夾帶岩石的，稱巖和瓦斯突出。煤(巖)和瓦斯突出破壞巷道、設備，而且常造成人員傷亡。

瓦斯突出預兆主要分為無聲預兆和有聲預兆兩類：（1）無聲預兆：①煤層結構變化，層理紊亂，煤層由硬變軟、由薄變厚，傾角由小變大，煤由濕變幹，光澤暗淡，煤層頂、底板出現斷裂，煤巖嚴重破壞等。②工作面煤體和支架壓力增大，煤壁外鼓、掉碴、煤塊進出等。③瓦斯增大或忽小忽大，煤塵增多。

（2）有聲預兆：煤爆聲、悶雷聲、深部岩石或煤層的破裂聲、支柱折斷等。

多年的生產實踐經驗得知突出前大都有預兆，主要包括3個方面：(1)地壓顯現方面，如煤炮聲、支架聲響、煤壁外鼓等；(2)瓦斯湧出方面，如瓦斯湧出忽大忽小，打鑽時頂鑽、卡鑽等；(3)煤的力學性能與結構方面，如層理紊亂、煤強度鬆軟或軟硬不均等。然而，現場也有相當一些地方出現了上述的突出預兆，但煤與瓦斯突出並未隨之出現，這説明突出發生存在一個能量蓄積和轉移的過程 ^[2]  。

突出的強度與類型：煤(巖)和瓦斯突出的強度，常用一次突出的煤量或岩石量表示。 100噸以下的為一般突出，100～500噸的為嚴重突出，500～1000噸的為大突出，1000噸以上的為特大突出。如1975年8月8日發生在中國四川重慶三匯壩礦區，噴出甲烷1200000立方米，煤和矸石12780噸。1975年6月13日發生在吉林營城煤礦五井，噴出二氧化碳14000立方米及砂岩1005噸。兩次都是少見的特大突出。

瓦斯突出分3種：①突出，在地壓和瓦斯聯合作用下產生，瓦斯參與了煤巖的破碎和運搬過程。拋出的煤有明顯的氣流運搬特徵：煤的堆積角度小於煤堆的安息角，粒度分佈呈分選現象。②壓出，主要由地壓造成，湧出瓦斯和粉煤都較少。③傾出，煤巖傾出後，形成孔洞的軸線與水平交角大於45°，煤的堆積角度與煤堆的安息角相接近。突出最為常見，佔總數的50%以上。

瓦斯突出條件主要有3個：岩層的重力和構造應力；瓦斯的含量和壓力；煤層本身的鬆軟結構。瓦斯在煤層中的賦存狀態分吸附和遊離兩種。煤層吸附量的多少，取決於煤的變質程度、結構和成分，同時與礦壓和圍巖的封閉性有關。煤與瓦斯突出提出過多種假説，主要可歸為4類觀點：瓦斯主導作用假説、地壓主導作用假説、化學本質作用假説和綜合作用假説 ^[3]  。

瓦斯主導作用假説

這類假説認為煤內存儲的高壓瓦斯是突出中起主要作用的因素，包括瓦斯包説、粉煤帶説、煤層透氣性不均勻説、突出波説、瓦斯解吸説等假説。這類假説中“瓦斯包”説佔重要地位，它認為“瓦斯包”是突出的力源。高壓瓦斯突破煤壁，攜帶破碎煤猛烈噴出，形成突出 ^[4]  。

地壓主導作用假説

地應力對煤與瓦斯突出的控制主要體現在3個方面：一是在構造運動時使原生煤體遭受破壞，形成構造煤；二是高應力作用形成了良好的瓦斯圈閉環境；三是在突出準備過程中進一步粉碎構造煤體，為突出後續發展提供固體物質基礎 ^[2]  。

從地質構造情況看，突出多發生在地質構造帶和煤層急劇變化處；從突出地點來看，突出事故多數發生在掘進巷道，其中石門揭煤最為危險；從誘突因素來看，採掘施工是誘發突出的主要原因，其中尤以放炮誘導突出作用最強。多年的瓦斯地質研究發現所有發生突出的煤層都發育有一定厚度的構造煤，但並非所有的構造煤均具有發生突出的條件。對井下煤巖動力災害取得基本共識的是：煤巖瓦斯動力災害的能量來源主要是煤巖彈性勢能和瓦斯內能 ^[2]  。

這種假説認為突出主要是高地應力作用的結果，主要有岩石變形潛能説、應力集中説、剪應力説、振動波説、盈利疊加説等。高地應力包括兩個方面，一方面指自重應力和構造應力，另一方面指工作面前方存在的應力集中。突出的發生是由於積聚在煤層周圍岩石的彈性變形潛能所引起的 ^[4]  。

化學本質作用假説

這類假説認為突出是煤和瓦斯在很大的深度內發生變質時的化學反應引起的。主要有“爆炸的煤”説、重煤説、地球化學説、硝基化合物説等 ^[4]  。

綜合作用假説

綜合作用假説是當前較普遍認同的一種假説，主要有能量説、應力分佈不均勻説、分層分離説、破壞區説等,認為地應力、瓦斯壓力和煤的結構是導致煤與瓦斯突出的三個主要因素 ^[4]  。

綜合各種因素煤層瓦斯含量高是發生突出的基礎；一定厚度的構造煤是發生突出的必要條件；構造應力相對集中地帶是突出發生的主要位置；壓性、壓扭性構造是發生突出的有利地帶。深層構造陡變帶、深層活動斷裂帶、推覆構造帶和強變形帶是發生煤與瓦斯突出的敏感地帶 ^[1]  。

煤與瓦斯突出是由於地應力、瓦斯和煤體物理力學性質3個主要因素所控制。瓦斯突出強度隨着煤體內瓦斯壓力的增大而增大；隨着垂直地應力的增加而增大，且在垂直地應力等幅增長的條件下，突出強度的增長幅度增大；而隨着煤體強度的增加，煤與瓦斯突出強度近似呈線性增加 ^[5]  。

其他影響因素

煤與瓦斯突出的發生與多種因素有關，包括開採深度、巷道類型、作業方式、地質構造、煤體結構、煤層厚度及其變化以及突出預兆，對於這些影響因素具有一定的規律性 ^[4]  。

煤與瓦斯突出與採掘深度的關係：突出次數和強度隨採掘深度的增加而增加是煤與瓦斯突出的普遍規律。對於每個突出礦井、突出煤層都有一個發生突出的最小深度，當少於該深度時不發生突出，簡稱為始突深度。漣邵、白沙、英崗嶺、六枝、重慶等嚴重突出礦區的突出實例表明隨着開採深度的增加，突出強度有增大的趨勢。

煤與瓦斯突出與巷道類型關係：掘進工作面與採煤工作面所進行的工序不同，暴露煤體的受力狀況以及瓦斯條件都有所不同，以及上山下山等情況下瓦斯突出的傾向是不同的，其中石門揭煤的危險性較大。我國的特大型突出事故幾乎都在石門揭煤工作面發生。採煤工作面突出強度最小，而且多數為危害相對較小的壓出型煤與瓦斯突出，但採煤工作面人員密集，容易造成人身傷亡事故，不可忽視。

煤與瓦斯突出與作業方式關係：不同的作業方式對突出的誘導作用不同。煤與瓦斯突出除應力、瓦斯、煤質個本質要素外，採掘作業是一種誘導因素。放炮、支護、落煤、打鑽等作業方式都易誘導煤與瓦斯突出，其中震動放炮突出強度最大，放炮最易誘導煤與瓦斯突出。

發生突出的現場條件千差萬別，但突出發生位置一定存在着利於能量蓄積和能量突然釋放的地質結構環境；突出發生時間雖然短暫，但其仍存在自身的發生階段，一般認為會經歷準備、啓動、發展和終止4個階段，突出準備階段主要完成能量的蓄積，突出啓動的直接原因與應力突變有關。從煤礦安全和防治突出的發生條件來看，最好是將突出遏制在最初階段，即遏制在突出啓動階段以前 ^[2]  。

首先通過勘察研究劃定突出區段，然後針對瓦斯突出所在煤層的特點，採取防治措施。具體措施有：①開採解放層。在多煤層礦井中，選擇一個無突出煤層或突出危險性較小的煤層作為解放層，首先開採，使上下鄰近煤層卸壓，從而消除突出危險。這是比較有效的區域性措施。②抽放瓦斯，降低瓦斯壓力，削弱瓦斯在煤層中的作用。③水力衝孔，煤層注水，安設專門支架等措施也有一定效果。④震動性放炮誘發突出。控制振動強度，採用擋欄措施可獲一定效果。

目前瓦斯突出預測方法可以分為傳統的接觸式預測方法、新興的非接觸式預測方法以及現代數學理論方法三大類 ^[4]  。

煤與瓦斯突出接觸式預測：20世紀60年代，楊力生先生結合國內有關瓦斯賦存與地質構造的相關研究提出了從地質構造的角度研究瓦斯治理問題的構想，開創了瓦斯地質研究的新局面。它主要以煤與瓦斯突出機理研究、突出危險性預測、煤層瓦斯含量預測、礦井瓦斯湧出量預測、煤礦瓦斯地質評價和瓦斯災害綜合治理、煤層氣資源可採性評價以及瓦斯地質測試儀表的開發和應用等為主攻方向。瓦斯地質理論在煤與瓦斯突出預測中的應用主要包括地質指標法、地質統計法、瓦斯地質單元法、地質動力區劃方法、構造物理學的理論和方法等。

非接觸式動態預測：目前所採用的靜態工作面突出危險預測方法，都是通過鑽孔來實現的，因此義可稱為靜態的鑽孔法。靜態法打鑽及參數測定需佔用作業時間和空間，工程量很大，預測作業時間也較長，對生產有一定的影響，預測所需費用也較高。而且在鑽孔附近取得的預測結果僅僅是局部的，並不能完全代表整個預測步長範圍內的突出危險性，在預測時刻取得的結果也只是靜態的，並不能完全代表煤體穩定前整個時期內的突出危險性，因為煤體處於動態變化之中，延期突出就是例證。因此，動態連續預測的研究正日益引起人們的重視。目前，突出的連續預測有條途徑：①聲發射監測技術；②無線電波透視監測技術；③電磁輻射監測技術，在這些方面已經取得了一定得進展。

現代數學理論和計算機科學預測煤與瓦斯突出：煤與瓦斯突出機理極為複雜，突出影響因素與突出事件之間相關規律存在一定的不精確性和模糊性。基於經驗的傳統預測技術和基於數學建模的統計預測方法的應用已受到了很大的限制。目前，一些先進的數學理論方法如計算機模擬、模糊數學理論、灰色系統理論、神經網絡、專家系統、分形理論和非線性理論、流變與突變理論等，以及計算機科學中的數據庫、數據挖掘、GIS技術和三維地學模擬技術閲等，己開始應用於煤與瓦斯突出的定量評價與預測中，並取得了一定的研究成果。

煤與瓦斯突出事故發生後，開展事故應急救援是降低事故損失的最後關鍵。由於煤與瓦斯突出事故的特殊性，制定的救援方案也應當與其他事故不同。根據煤與瓦斯突出事故應急救援需要，煤與瓦斯突出事故應急救援響應機制可分成四個組成部分 ^[4]  。

事故報警

在煤礦事故救援過程中，報警及時可以使應急救援在事故初發階段啓動，及時控制災害的傳播與加重，也是礦井和人員安全能否得到保障的重要一步。事故初發時，如何快速準確地收集和傳遞災害狀況，是搶險救災的關鍵。在煤與瓦斯突出救援過程中，在事故的開始階段延誤報警很可能會造成災害的擴大。因此發生煤與瓦斯突出的礦井，除了及時通知本單位人員進行自救外，還必須迅速向上級部門報告事故情況。

煤與瓦斯突出應急響應等級機制

煤礦應急救援等級響應機制是國家煤礦應急救援體系運行的基礎。根據事故可能造成的危害程度、事故性質、人員傷亡及企業直接經濟損失等情況進行響應機制等級劃分，以有效展開和防止類似事故重複發生。國家煤礦應急救援體系的運行機制應當建立在國家、省、地區和煤礦企業救援管理部門四級應急救援組織結構的基礎上。從機制響應上，可把煤礦事故響應等級分為四級，從高到低分別為Ⅰ級（國家級）、Ⅱ級（省級）、Ⅲ級（地區級）、Ⅳ級（企業級）四級。

Ⅳ級響應企業級啓動：Ⅳ級響應藍色表示主要是針對礦井災害事故預期可能造成3人以下死亡，或預期造成企業直接經濟損失100萬元以下的非傷亡事故。煤礦企業應當以煤礦事故單位自救為主，並應及時向當地政府和上一級主管部門彙報事故有關情況。

Ⅲ級響應地區級啓動：Ⅲ級響應黃色表示主要是針對礦井事故災害己或預期可能造成3人含死亡以上，或事故已或預期可能造成100萬元財產直接經濟損失，並且事故災情仍有繼續擴大的趨勢，但總體不會超過10人以上死亡，或直接經濟損失不超過200萬元的非傷亡事故。在救援過程中，根據災情發展態勢的變化，可能需要省級礦山救援指揮中心或國家礦山救援指揮中心的援助，請求實施擴大事故應急響應級別。

Ⅱ級響應省級啓動：Ⅱ級響應橙色表示是針對事故己造成或預期200萬元直接經濟損失或煤礦事故已或預期造成10人及以上死亡，並且事故仍有繼續擴大的趨勢，但事故死亡人數不超過30人，以及直接經濟損失不超過500萬元的無人員傷亡事故。在救援過程中，根據災情發展的需要，可請求國家礦山救援指揮中心和有關事故相鄰區域的省礦山救援指揮中心增援，提高事故應急響應級別。

Ⅰ級響應國家級啓動：Ⅰ級響應紅色表示主要是針對礦山事故災害己或預期造成30人含以上，或事故己或預期造成超過500萬元直接經濟損失的非傷亡的事故，並且事故態勢仍具有繼續擴大的趨勢，事故性質惡劣、影響範圍比較廣，事故的救援工作需要國家礦山救援指揮中心或多個事故相鄰區域的省救援指揮中心協助事故搶險救災工作 ^[4]  。

應急避災

井下避災的基本原則：1.積極搶救。煤與瓦斯突出事故發生後，處於災區內以及受波及區域的人員應沉着冷靜，根據災情和現場條件，在保證自身安全的前提下，採取積極有效的方法和措施，及時投入現場搶救，將事故控制在最小範圍，制定和實施預防瓦斯爆炸措施，最大限度地降低事故造成的損失。在搶險過程中，必須保持統一的指揮和嚴密的組織，嚴禁冒險蠻幹和驚慌失措，嚴禁各行其是和單獨行動要採取防止災區條件惡化和保障救援人員安全的措施，特別要提高警惕，避免二次事故的發生。2.安全撤離。當現場不具備事故搶救的條件，或可能危及人員的安全時，井下礦工應由現場負責人或有經驗的老工人帶領，根據礦井災害處理計劃、煤與瓦斯突出事故應急預案中規定的撤退路線和當時的現場實際情況，儘量選擇安全條件最好、距離最近的路線，迅速撤離危險區域。3.妥善避難。如在短時間內無法安全撤退，遇險人員應在災區內進行自救和互救，妥善避難，努力維持和改善自身生存條件，等待救護隊員的救援，切忌盲動。

事故災情判斷：1.處於事故附近的人員應在保證自身安全的情況下，通過自身的直觀感覺和可能利用的手段，仔細觀察事故造成的各種異常變化和跡象（如風流狀態等），認真分析判斷事故的性質和發生原因。2.查明事故的發生地點，並對災害可能波及的範圍和危害程度做出正確判斷。3.根據事故的性質和發生地點，結合井下巷道佈置、通風系統、人員分佈等情況，迅速判斷有無誘發和伴生其他災害事故的可能性。4.迅速瞭解和掌握自己所在地點的人員傷亡情況，判斷現場有無可採取的搶救手段和必備條件。5.分析判斷自己所在地點的安全條件，為採取搶險救災或安全避災行動提供依據，做好準備。

避災分析：由於煤與瓦斯突出事故發生具有不確定性，事故發生以後救援人員很短時間難以到達事故現場組織搶救工作。所以煤礦單位開展日常避災工作對事故發生時保證受災人員的安全和控制災情具有重要作用。即使在煤與瓦斯突出事故應急救援的中、後期，只有井下人員能夠正確避災才能提高搶險救災的成功率。1.沿避災路線撤退：煤與瓦斯突出發生後，井下遇險人員應立即佩戴自救器，沿着最佳的避災路線，快速撤退到新鮮風流區域，直至升井避災。避災路線撤退法要求遇險人員熟悉井下通風系統，清楚煤與瓦斯突出源的位置、範圍、事故後通風設施的破壞程度、熟悉井下避災路線和掌握煤與瓦斯突出災害自救方法，才能達到有效避災的目的。2.永久避難酮室避災：在礦並煤與瓦斯突出事故中遇險人員無法撤出或一時難以撤出災區時，永久避難酮室可以供遇險人員暫時避難待救的場所。永久避難銅室避災法就是在巷道上一定地點掘好一些銅室，在避難銅室內預先準備壓風管路等生存必須品，供災變時遇險人員避難。在礦井煤與瓦斯突出時，永久避難銅室避災具有很重要的作用，但由於避難銅室空間較為狹小，且隨着採掘工作面的不斷向前推進，避難銅室距離採掘工作面也越來越遠，需要不斷準備新的避難銅室。3.臨時避難銅室避災：在煤與瓦斯突出事故後，遇險人員一時難以沿着避災路線撤出災區或難以迅速到達避難酮室時，應立即佩戴自救器到附近有壓風管路巷道內的臨時避難地點避災，等待救護隊救援。臨時避難銅室避災具有較好的避災效果，能夠給遇險人員提供臨時避難場所 ^[4]  。

救援行動

應急救援行動是煤與瓦斯突出事故救援的中心任務。救援人員在事故現場應由各自的現場負責人領導，並由指揮部對全部救援活動進行管理和協調。對於井下事故災害的具體清況，則應指派礦山救護隊到井下災區進行偵察，以確定其影響程度和範圍。這種偵察將直接決定煤與瓦斯突出事故所啓動的應急預案的級別和救災的各項措施。

偵察災區和搶救人員：偵察災區是制定煤與瓦斯突出事故救援行動方案的首要環節。救護隊進入災區偵察時，應查清遇險遇難人員數量及分佈情況，通風系統和通風設施破壞情況，突出的位置，突出物堆積狀態，巷道堵塞情況，瓦斯濃度和波及範圍，發現火源立即撲滅，遇到遇險人員，應立即施救。只有通過全面的偵察，才能制定出符合實際情況的處理方案。救護隊在災區偵察過程中，要考慮到如退路被堵等情況應採取的措施。救護隊井下處理煤與瓦斯突出事故時，必須在災區附近的新鮮風流中，選擇安全地點設立井下救護基地，並以小分隊為單位進入災區，進行搶救人員和偵察災情。若偵察區域可能有遇險人員時，應迅速將其救出災區。偵察隊伍返回時應按原路返回，如果不按原路返回時，應經佈置偵察任務的指揮員同意。偵察行進時，應在巷道交叉口設立明顯的路標，防止返回時走錯路線。

災情的初始估計：災情的初始評估結果直接關係到煤與瓦斯突出事故應急救援能否有效展開。初始評估主要是通過礦山救護隊到井下災區偵察事故發生地點、原因、性質和範圍，尋找遇難人員，並查清其位置、數量和分佈，探明通風設施、有害氣體和瓦斯等情況，救援指揮部根據井下災區偵察的有效信息迅速判斷是否需要煤炭行業的增援，並制定和選擇出災區應急處置方案。

事故控制：1.杜絕災區火源，防止瓦斯爆炸。救護隊進入災區前，必須果斷切斷災區電源。如果發現災區電源沒有切斷時，且電氣設備附近20米範圍內的瓦斯濃度達到爆炸界限時，不得隨意切斷電源，防止切斷電源過程中產生電火花。若搶救工作需要，非停、送電時，應確保人員安全的前提下，進行電氣操作。當瓦斯影響區遍及全礦井時，要慎重考慮停電後會不會造成全礦井被水淹，若不會被水淹，則應在災區以外切斷電源。若有被水淹的危險時，應加強通風，特別是加強電器設備處的通風，做到“送電的設備不停電，停電的設備不送電”。礦山救護隊在處理突出事故時，必須做到①進入災區前，檢查礦燈，並提醒隊員在災區不要扭動礦燈開關或燈蓋。②在突出區域要設專人定時定點用瓦斯檢定器檢查瓦斯含量，並及時向搶險救災指揮部彙報。③設立安全崗哨，禁止不佩戴氧氣呼吸器的人員進入災區，非救護隊人員只能在新鮮風流中工作。④當發現突出點有異常情況，可能發生二次突出時，要立即撤人。2.清除巷道堵塞物，恢復災區通風。煤與瓦斯突出後常常造成巷道堵塞，破壞井下通風系統，影響救護隊員井下偵察和救援，所以要對巷道的堵塞物進行清理。對於巷道堵塞嚴重，短時間內難以清除，但由於救災需要，非清除不可時，救護隊員在清理巷道過程中，應隨時做好救援準備，一旦打通巷道，應立即進入災區搶救遇險人員和偵察災情。災區在沒有火源存在情況下，應迅速修復被破壞的巷道和通風設施，恢復正常通風，排出煤與瓦斯突出所產生的有毒有害氣體。在恢復通風過程中，首先要恢復主要的、容易恢復的通風設施。損壞嚴重且一時難以恢復的通風設施，可採用臨時設施代替。

近年來，隨着我國礦井開採深度的增加，煤與瓦斯突出、衝擊地壓等一系列工程地質災害日益嚴重。目前我國已有47處煤礦開採深度超1000m，突出礦井已達1218處 ^[2]  。

1988年10月16日24時20分，南桐礦務局魚田堡煤礦二水平東翼三採區+20m石門揭4號煤層的施工中，用風鑽打震動炮眼時發生了特大型煤巖與瓦斯突出，突出煤量8765t，岩石61.4m³，瓦斯201萬m³，造成15人死亡，28人受輕傷，經濟損失73.85萬元。發生事故的2一3區是井田東翼最邊界的一個採區，該區走向長700m，傾斜長400~450m，開採煤層4號層和6號層 ^[6]  。

1990年8月3日11時40分，天府礦務局劉家溝礦+70m水平北茅口大巷掘進工作面，誤入地質構造帶，放炮引起特大型煤與瓦斯突出，突出煤矸量5000多t，瓦斯約52萬m³，堆積巷道465m，造成13人死亡，7人輕傷，直接經濟損失約10萬元 ^[6]  。

2004年10月20日，大平煤礦21軌道下山岩石掘進面13m處遇到一條北西向展布的落差約10m的逆斷層，發生了一起延期性特大型煤與瓦斯突出事故。根據現場實際清理統計得到突出煤(巖)總量為1894t，突出瓦斯量25萬m³。突出通道空洞位於工作面的中上方，空洞的軸線方位為NW328°，空洞向上的傾角43°，與斷層面產狀基本一致，這説明突出啓動後主要沿構造軟煤帶發展 ^[2]  。