矿井灾害多场耦合理论与防控技术

第1章绪论 1.1我国煤炭生产现状与趋势 我国煤炭资源量占世界已探明煤炭资源总量的11.1%，煤炭生产与消费均居世界**位[1]。根据自然资源部公布的数据，截至2020年我国煤炭资源储量为1622.88亿t，1949年至今累计煤炭生产量达960亿t以上。从生产侧来看，我国煤炭生产总量呈持续上升态势，2016年原煤产量达34.1亿t，2021年增至 41.3亿t，同比增长5.7%，创历史新高；从消费侧来看，我国煤炭的能源主体地位仍旧牢固，2016年煤炭消费量为38.8亿t，2021年增至42.2亿t，同比增长4.6%，煤炭消费量占能源消费总量的56.0%[2]。另外，全球气候变暖对地球生命系统造成严重威胁，世界各国就严格控制二氧化碳排放量以*大限度地降低温室气体输出达成了共识。2016年，我国作为批准缔约方加入了《巴黎协定》，并且在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中专门提出，制定2030年前碳排放达峰行动方案，完善能源消费总量和强度双控制度，推动能源清洁低碳安全高效利用。根据国务院发展研究中心资源与环境政策研究所所著的《中国能源革命进展报告（2020）》，2019年中国非化石能源消费占比与世界平均水平基本一致，已超过15.0%；与世界平均煤炭消费占比水平相比，中国从2015年占比的63.7%、高出36个百分点逐步降至高约30个百分点；“十三五”期间每年非化石能源替代煤炭的碳减排量近7亿t二氧化碳，五年累计减排约35亿t二氧化碳[3]。不难预见，未来煤炭行业必将面临史无前例的巨大挑战。 然而，以煤为主的能源资源禀赋和经济社会发展所处阶段，决定了未来相当长一段时间内，我国经济社会发展仍将离不开煤炭。碳达峰碳中和需要长期努力才能实现，在2030年前的近10年碳达峰过程中，以及在2060年前的近40年碳中和过程中，仍需要煤炭发挥基础能源作用，做好经济社会发展的能源兜底保障。客观研判碳达峰碳中和目标下我国能源消费结构和煤炭消费演变趋势，科学规划煤炭生产规模和产量，推动煤炭行业与经济社会同步实现高质量发展，支撑新能源稳定接续以煤为主的化石能源成为主体能源，是实现碳达峰碳中和、能源安全稳定供应双重目标的客观要求[4]。2021年5月，中国煤炭工业协会印发的《煤炭工业“十四五”高质量发展指导意见》（以下简称《意见》）提出，到“十四五”末，全国煤炭产量控制在41亿t左右，全国煤炭消费量控制在42亿t左右，年均消费增长1%左右。《意见》明确了“十四五”发展目标，要求将全国煤矿数量控制在4000处以内，大型煤矿产量占85%以上，大型煤炭基地产量占97%以上；建成煤矿智能化采掘工作面1000处以上；建成千万吨级矿井（露天）数量65处、产能超过10亿t/a。另外，全国矿山安全生产形势持续稳定好转，2021年煤矿发生事故91起、死亡178人，同比分别下降26%和21.9%，煤炭百万吨死亡率降至0.044，同比下降24%①。 综上所述，在国家推动供给侧结构性改革政策措施的指导下，我国煤炭行业整体面貌发生了显著变化，过剩产能得到了有效化解，市场供需实现了基本平衡。煤炭消费占比已由改革开放初期的高于80%下降到2020年的56.8%，预测“十四五”末在我国能源消费中的占比为50%左右，2030年碳达峰时占比为45%左右，对比美国、日本、德国等发达国家，实现碳达峰后煤炭消费仍有10～20年平台期[4]。保证煤炭的绿色安全生产是实现我国煤炭行业健康有序发展的基本保障。 1.2矿井灾害防治理论 1.2.1　矿井灾害概述 我国85%～90%的煤炭资源来自井工开采，受水文地质条件、煤炭赋存条件的影响，煤炭生产的安全具有一定的不确定性，可能会发生灾害事故。我国煤矿主要灾害有瓦斯、顶板事故、冲击地压、火灾、粉尘、尘害、水害、热害、放炮事故、机电运输事故等。通常，矿井瓦斯、矿井火灾、矿井粉尘、矿井水害、顶板事故、冲击地压和矿井热害被称为煤矿七大自然灾害。 （1）矿井瓦斯。瓦斯灾害是煤矿*严重的灾害之一，按事故发生的类型可以分为瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、瓦斯燃烧、瓦斯窒息4种。瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出一旦发生，直接摧毁矿井设施，威胁人员生命安全，甚至迫使煤矿停产。 （2）矿井火灾。发生在矿井或井口附近，能威胁到井下安全生产并造成损失的非控制燃烧的火灾，称为矿井火灾。按发生原因划分，矿井火灾可分为外因火灾和内因火灾。外因火灾是由外界热源引起的火灾，内因火灾是由煤炭等易燃物质在空气中氧化发热，并集聚热量而发生的火灾，又称为自燃火灾。 （3）矿井粉尘。矿井粉尘主要是煤尘，是指煤矿在生产过程中生成的直径小于1mm的煤粒，根据其爆炸性，可分为无爆炸危害性煤尘和有爆炸危害性煤尘两种。煤尘是煤炭开采的伴生物，属于呼吸性粉尘，井下作业人员长期吸入煤尘后，会患呼吸道疾病、尘肺病甚至肺癌。 （4）矿井水害。煤矿水害主要是矿井突水（透水）。突水灾害类型主要有顶板突水、底板突水、采空区突水。由于来势凶猛、水量大，一旦防范不力或措施采取不力及排水能力不足，往往会造成严重的经济损失甚至人员伤亡事故。 （5）顶板事故。顶板事故是矿井开采过程的采、掘、维修工作面或是在已掘成的巷道等处所发生的冒顶、片帮、掉矸等人身伤亡和非伤亡生产事故的统称，是煤矿中*常见、*容易发生的事故。 （6） 冲击地压。冲击地压是指煤矿井巷或工作面周围煤（岩）体由于弹性变形势能的瞬时释放而产生的突然、剧烈破坏的动力现象，常伴有煤（岩）体瞬间位移、抛出、巨响及气浪等。随着开采强度和采深的持续增加，冲击地压矿井数量在不断增加、分布范围正日趋扩大，而且灾害日趋严重。 （7）矿井热害。随着开采深度的不断增加，原岩温度不断升高，回采与掘进工作面的高温热害日益严重。热害不但对井下作业人员的健康造成了严重危害，引发机电设备故障，而且使劳动生产效率降低，增加了事故发生率。 顶板事故、冲击地压、矿井水害等与矿井的水文条件、地质构造因素等密切相关，一般属于采矿学科的研究领域范畴。矿井瓦斯、矿井火灾、矿井粉尘等与矿井通风密切相关，属于矿山安全学科的研究领域范畴，通常称为“一通三防”。近年来，我国煤炭资源每年以10～25m的速度向深部扩展，采深逐渐达到800～1000m，甚至有50余对煤矿采深超过1000m[5]。开采深度的增加使得煤层瓦斯压力和瓦斯含量增高，地温梯度增大，导致瓦斯灾害和自燃灾害风险剧增。与此同时，随着井下综合采掘机械化水平的提高，煤炭行业进入了智能化、自动化开采的新时代，以粉尘为主的煤矿职业健康问题不容忽视。 本书主要以矿山安全学科的“一通三防”为研究对象，重点阐述矿井瓦斯、矿井火灾、矿井粉尘三种典型重大灾害的理论基础及其新型防治技术。 1.2.2　矿井瓦斯防治理论 1.煤层瓦斯的赋存规律 煤层瓦斯主要以游离态和吸附态赋存在煤体孔隙中，其中吸附瓦斯又可分为两类：一类吸附在孔隙表面；另一类则是以固溶体形式存在于煤分子之间的空间或芳香族碳的晶体内。煤层瓦斯主要由甲烷、氮气和二氧化碳等组成，且在地质空间上表现出垂直分布的特性，由上向下依次分为二氧化碳—氮气带、氮气带、氮气—甲烷带和甲烷带。在上部的三个带内由于有大气和地表气体的混入，被称为瓦斯风化带；瓦斯风化带下边界以下的煤层区域称为瓦斯带[6]。 宏观上，在煤层瓦斯的赋存方面，研究了地质条件的差异性对煤层瓦斯赋存的影响。结果表明，地质构造（断层、褶曲、岩浆作用）、埋藏深度、煤质及围岩性质、水文地质条件等均会影响煤层瓦斯的赋存[7]。一般情况下，向斜、背斜构造轴部区域更易形成瓦斯富集区；封闭性断层由于本身的透气性差，且割断了煤层与地表间的联络通道，使瓦斯更易积聚。岩浆作用对煤层瓦斯赋存规律的影响包括两大类，一是以机械破坏、吞蚀熔化、接触变质等作用将全部或一部分煤层熔化，造成煤层消失或厚度异常的区域，瓦斯含量往往较低；二是侵入影响区域煤层在热演化作用和局部构造双重作用下，往往成为瓦斯的异常富集区。埋深越大会使应力增加，从而导致煤岩体的透气性变差，并且瓦斯向地表运移的距离增加，瓦斯更易封存。煤层及其围岩透气性越好，瓦斯更易流失，此外在地下水交换活跃地区，瓦斯含量通常较低。微观上，在煤吸附瓦斯的理论模型方面，建立了单分子层吸附、多分子层吸附和微孔容积充填模型[8]。在煤吸附瓦斯的影响因素方面，研究了煤孔隙结构、变质程度、煤有机显微组分、水分等对瓦斯吸附性能的影响规律[9]，煤的变质程度直接影响煤体的孔隙结构，瓦斯极限吸附量随变质程度的升高呈“U”形变化，煤种镜质组的含量越高，瓦斯吸附性能越强，而水分对瓦斯的吸附性能有抑制作用。 2.煤层瓦斯的流动理论 在原始煤层中，游离瓦斯和吸附瓦斯始终处于一种动平衡状态，在采动影响下原有平衡状态被打破，煤体内部的瓦斯会发生运移。瓦斯运移包括解吸、扩散、渗流三个过程[10]。为了准确描述瓦斯在煤体中的运移规律，国内外学者先后发展了扩散理论、渗流理论、扩散-渗流理论、地球物理场耦合理论等理论。 扩散理论认为瓦斯在煤孔隙中的运移以菲克扩散为主，并基于菲克定律建立瓦斯解吸扩散的数学模型，如均匀孔隙模型、双孔隙扩散模型、多孔隙扩散模型等[11]。此外，发现瓦斯的解吸扩散会受到煤体内部结构的影响，如变质程度、粒径、外部环境压力、温度、水分等因素的影响[12]。渗流理论的发展经历了线性渗流理论和非线性渗流理论两个阶段，线性渗流理论认为煤层中瓦斯的流动符合达西定律。随着对瓦斯运移理论研究的不断深入，国内外学者发现受瓦斯分子和离子效应、瓦斯吸附作用的影响，煤体内瓦斯的流动并不完全符合达西定律，非线性渗流理论应运而生，其更符合现场实际[13]。近年来，国内外学者逐渐形成了一种新的认识，即煤层内瓦斯的运移并不是单独的扩散或者渗流过程，而是包含扩散和渗流的混合流动过程，在煤基质内部存在大量孔隙，在基质内部瓦斯运移是以浓度梯度为主导的扩散过程；在煤基质之间则存在大量裂隙，在基质之间瓦斯运移是以压力梯度为主导的渗流过程，即瓦斯的扩散-渗流理论[14]。 地应力场、地温场和地电场等地球物理场会对瓦斯的运移产生影响。我国学者针对地球物理场对煤体渗透特性和变形的影响进行了研究，推导了受地应力、温度、地电效应影响的煤层瓦斯渗流方程，以及多煤层系统瓦斯越流的固气耦合模型等，使物理模型更能反映客观事实，进一步完善了瓦斯运移理论[15]。应用多物理场耦合的观点丰富和完善煤层瓦斯流动理论，是矿山安全学科理论研究的前沿课题。 3.煤与瓦斯突出机理 煤与瓦斯突出是一种极其复杂的煤岩动力灾害，其发生机理一直是突出灾害研究中*主要、*根本的内容之一，也是突出灾害防治的理论基础。国内外先后出现了“瓦斯主导假说”“地应力主导假说”“化学本质假说”“综合作用假说”来解释煤与瓦斯突出发生的原因、条件及其发生和发展过程。其中，“综合作用假说”考虑了地应力、瓦斯、煤体的影响，能较为全面客观地解释突出现象，被学者广泛接受。围绕该假说，我国学者开展了大量探索工作，相继提出了各种新观点[16]，具有代表性的成果有：①“流变假说”，解释了现场延期突出现象；②“球壳失稳假说”，揭示了突出孔洞的形状及形成过程；③“固流耦合失稳理论”，认为突出是含瓦斯煤体在采掘活动影响下，局部发生突然破坏而生成的现象；④“力学作用理论”，将突出划分为准备、发动、发展和终止四个过程。这些新进展为煤与瓦斯突出的有效防控提供了理论依据。 物理模拟试验是研究煤与瓦斯突出机理和演化过程的重要手段，近年来国内学者在这方面取得了一些进展。中国矿业大学、重庆大学、河南理工大学等研发了多种规格的煤与瓦斯突出三维模拟试验装置，试验验证了不同条件下的突出过程[17，18]。在国家重大科研仪器研制项目的资助下，袁亮院士团队研发了以巷道掘进诱突为目