
煤与瓦斯突出灾害是我国煤矿井下最严重的自然灾害之一,只有深刻认识煤与瓦斯突出的极端危害性,才能从源头上遏制重特大事故,保障煤矿安全高质量发展。煤与瓦斯突出灾害,包括三部分内容:瓦斯灾害分类、煤与瓦斯突出概述和煤与瓦斯突出灾害特点。煤与瓦斯突出是煤矿采掘过程中,地应力、瓦斯压力与煤体性质共同作用下,破碎煤岩和大量瓦斯突然向采掘空间抛出的异常动力现象,是矿井重大灾害之一。
01 瓦斯灾害分类
我国煤矿事故的统计分类,煤矿瓦斯事故分为煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸、瓦斯燃烧和瓦斯窒息四类,其中前两类发生最多,危害最大。

图1 瓦斯灾害分类
煤与瓦斯突出
煤与瓦斯突出是煤层中存储的瓦斯能和应力能的失稳释放,表现为在极短的时间内向生产空间抛出大量的煤岩和瓦斯并可能诱发破坏性更大的瓦斯爆炸。突出可能发生在钻孔掘进和煤炭开采过程中,突出可能在几十秒内发生,也可能有几分钟至几小时的延迟。随着开采深度的增加,地应力和瓦斯压力不断增加,煤与瓦斯突出灾害日趋严重。
瓦斯爆炸
煤矿瓦斯爆炸是甲烷和空气组成的处于爆炸界限内的混合气体,在火源的引发下发生的一种迅猛的氧化反应。煤矿井下瓦斯爆炸能够导致大量人员伤亡、摧毁井巷设施、破坏矿井通风系统,甚至能够引发煤尘爆炸、火灾、井巷垮塌和顶板垮落等次生灾害。一般认为,煤矿瓦斯爆炸的甲烷浓度界限为5%~15%,理论上爆炸最猛烈的甲烷浓度为9.5%。另外,其他可燃性气体的掺混,引火源温度和环境中氧气浓度变化等可能导致瓦斯爆炸界限的改变。
瓦斯燃烧
煤矿瓦斯燃烧是高浓度的瓦斯从煤层或岩体中涌出,在火源存在的条件下发生的扩散燃烧现象。煤矿瓦斯燃烧可能发生在工作面煤壁,瓦斯抽采管路以及一些专用巷道。瓦斯燃烧产生大量的高温、有毒、有害气体,造成一般事故和较大事故,一般不会直接造成特别重大的伤亡事故。
瓦斯窒息
瓦斯窒息事故多发生在停风的煤巷或不通风的盲巷中。这些地点由于长时间无新鲜风流的供给,加上持续的瓦斯涌出,环境中的氧气浓度逐步降低,人员进入后可能引起窒息事故。正常大气中氧气浓度约为21%,当空气中氧气浓度低于15%时,人的肌肉活动能力将明显下降;降低到10%~14%时,人的判断能力将迅速降低,出现智力混乱现象;降低到6%~10%时,短时间内将会晕倒,甚至死亡。瓦斯窒息一般不会酿成重大以上事故,但仍不容忽视。
02煤与瓦斯突出概述
煤与瓦斯突出是一个世界性的煤矿开采时发生的动力现象,几乎所有的产煤国家都发生过煤与瓦斯突出。目前,世界上共发生30000多次煤与瓦斯突出。世界主要的采煤国家发生的煤与瓦斯突出情况如表1所示。
表1 世界主要采煤国家发生的煤与瓦斯突出情况

突出时的抛出物除了煤以外,还可能是岩石,岩石大多数为砂岩,也有少数为砂质页岩、玢岩等。并且突出的煤种从低变质的褐煤到高变质的无烟煤都有。煤与瓦斯突出通常在一定的深度才发生。世界范围内,发生煤与瓦斯突出的始突深度差别很大。表2为世界主要采煤国家的始突深度统计结果。我国是世界上突出灾害最为严重的国家,近一半的突出发生在我国,因此瓦斯灾害防治工作对我国而言至关重要。
表2 世界主要采煤国家的始突深度统计

03煤与瓦斯突出灾害特点
近年来,煤与瓦斯突出事故起数和死亡人数实现大幅下降,但煤与瓦斯突出仍时有发生,调查分析表明:近几年来发生的煤与瓦斯突出事故呈现一些新的特点。
发生在“达标区域”
煤与瓦斯突出防治措施不到位、突出防治措施不能适应地质条件的变化和区域措施效果检验不能真实反映煤层的突出危险,以至于产生了区域达标的假象,如图2所示。

图2 达标区域瓦斯突出事故示意图
多发生在小构造附近
小构造是指一般未中断煤层的连续性,对工作面布置和开采影响较小且现有物探水平难以准确探测的结构体。

图3 小构造示意图
小构造改变了煤层局部地应力环境,促进了孔隙结构的损伤演化;破碎后的颗粒煤体重新压实,形成了现今的低渗透性构造煤。孔隙结构的变化决定了构造煤体储存瓦斯的能力,原位构造煤体的低运移特性决定了构造煤体的高保存瓦斯的能力,因此小构造结构体通常蕴含着高变形能和瓦斯潜能。

图4 小构造区域瓦斯突出事故示意图
突出的动力作用较小
在实施区域瓦斯治理措施后,虽然未达到消除煤层突出危险性目标,但也在一定程度上降低了应力及煤层瓦斯压力与含量,使得煤与瓦斯突出动力破坏作用不显著。突出物以煤为主,除将突出煤体抛出外,突出的动力作用较小,巷道支护及设施较为完好,仅在突出孔洞附近有锚杆和锚索头部发生弯曲、锚网撕裂等现象。

图5 动力作用较小的瓦斯突出示意图
突出涌出瓦斯量较少
近年来突出事故的涌出瓦斯量相对较少,除个别案例外,每吨突出煤涌出瓦斯量多在30~50 m³,而以往特大型突出的吨煤瓦斯量多在100 m³以上,这显示出在两个四位一体瓦斯治理技术体系下,煤层中的瓦斯含量和瓦斯压力等得到一定程度的降低。

图6 突出煤矿瓦斯涌出量示意图
低瓦斯矿井发生煤与瓦斯突出
低瓦斯矿井随着采掘的深度增加,并叠加构造的作用,使得构造煤发育,构造应力大,煤层瓦斯在低渗带得到长期封存,在低瓦斯矿井局部区域存在瓦斯异常富集区,并具备了煤与瓦斯突出危险性。

图7 低瓦斯矿井瓦斯突出示意图