煤礦事故中“安全流變-突變論”的研究

　　1　序言

　　在煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)中，存在許多不安全的因素。由于地質(zhì)條件復(fù)雜，機(jī)電設(shè)備繁多，功率大小懸殊，性能要求甚高，往往引起了多種事故發(fā)生的可能性。即使在高科技的今天，重、特大煤礦事故仍屢見不鮮。長期以來，人們對事故的認(rèn)識只停留在分散的、統(tǒng)計的和彼此缺乏聯(lián)系的水平上，其后果總是事故前提心吊膽，事故后歸納整理。這種狀況遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)煤礦生產(chǎn)現(xiàn)代化的發(fā)展要求，必須以一種全新的概念和方法來研究煤礦生產(chǎn)中的安全問題，對某一事故中安全與危險矛盾運動規(guī)律進(jìn)行抽象和綜合，提出一套完整的理論體系。何學(xué)秋教授提出了災(zāi)害過程的安全流變-突變論，并初步建立了可以進(jìn)一步量化的數(shù)學(xué)模型。這一理論對煤礦事故的定性分析、定量研究和對事故機(jī)理的認(rèn)識具有重要意義，并為事故的進(jìn)一步分析提供了新的途徑。

　　2　安全流變-突變論的基本規(guī)律

　　從辨證唯物主義的觀點看，安全與危險這一矛盾存在于一切單位、一切系統(tǒng)、一切領(lǐng)域的全過程中，安全是相對的，不安全(危險)是絕對的。任何事物的發(fā)生、發(fā)展到消亡是一個安全流變-突變過程。某一事物一旦產(chǎn)生，在內(nèi)、外因素的影響下，損傷就會出現(xiàn)，損傷速度梯度小于0，即如圖1所示的OA段，OA段也可叫作適應(yīng)段(成型段)。隨著時間的推移，經(jīng)過關(guān)鍵點A后，損傷速度恒定，損傷速度梯度近似等于0，AB段為恒速破損段(成熟段)。經(jīng)過B點后，由于內(nèi)、外因的作用，損傷出現(xiàn)加速。損傷速度越來越快，損傷速度梯度大于0，損傷程度隨時間也在不斷聚變，當(dāng)損傷量達(dá)到某個屈服點D后(承壓界)，事物發(fā)生安全突變，結(jié)果發(fā)生事故。這樣，就完成了事物從流變到突變的循環(huán)。通過以上分析可以看出，A、B、D是三個關(guān)鍵點，在A點之前即OA段是事物由自身規(guī)律與外界條件相作用的適應(yīng)階段，速度梯度逐漸減小最終趨于0，損傷速度達(dá)到一穩(wěn)定值。人們在此段內(nèi)，應(yīng)盡量掌握速度規(guī)律，縮短適應(yīng)期(成型期)，盡早進(jìn)入穩(wěn)定工作階段。B點是損傷速度加速的轉(zhuǎn)折點，通過改變影響它的因素，使B點前移或后置，使事物向有利于人類的方向發(fā)展，按常規(guī)考慮應(yīng)延長AB段的有效長段，使事物發(fā)生安全突變前完成生產(chǎn)任務(wù)。BD段是安全突變段，危險勢快速增加，一旦到達(dá)D點，事故就會發(fā)生。因此，可以在BD段再設(shè)置一C點，C點為報警點，C點一定要達(dá)到預(yù)測目的，不可太遲，超過C點來不及采取任何措施就會發(fā)生事故。下面就煤礦冒頂、自燃火災(zāi)和煤巖突出等三大主要災(zāi)害的典型過程，敘述其安全流變與突變的基本特征。

　　2.1　自燃火災(zāi)

　　礦井火災(zāi)是煤礦的主要災(zāi)害之一。在礦井火災(zāi)事故中，自燃火災(zāi)約占70%，故研究煤炭自燃發(fā)火規(guī)律，及時采取預(yù)防措施，對保證煤礦安全生產(chǎn)，保護(hù)煤炭資源有重要意義。煤炭自燃是煤與氧氣兩相組分在空間發(fā)生激烈化學(xué)反應(yīng)的過程，常常放熱、發(fā)光、生成新物質(zhì)。按安全流變論，OA段是煤與氧氣接觸開始氧化階段，煤剛一暴露在空氣中，氧化速度特別快，但隨著熱量的放出和煤氧復(fù)合物的產(chǎn)生，消耗掉周圍空間的大量氧氣，再由于復(fù)合物對深層煤樣的包裹，對煤的氧化過程有一個阻滯作用，所以氧化速度減慢，但氧化程度在不斷增加。煤的氧化產(chǎn)熱量和散發(fā)熱量大抵相同，氧化速度在A點后幾乎為一恒值，熱量略有所聚積，溫度有所上升。這可能持續(xù)一段時間，當(dāng)溫升達(dá)到某一值時(B點后)，煤的氧化速度突然又要加快，產(chǎn)熱多，溫升更高，導(dǎo)致煤的氧化速度越來越快，一旦到達(dá)D點就自燃發(fā)火，形成自燃火災(zāi)，完成了煤的自燃突變。突變點B是個關(guān)鍵點，也是一個狀態(tài)點，可能對應(yīng)一系列反映發(fā)火危險程度的參數(shù)。如t≥70°，CO的濃度，煤的干熘產(chǎn)物量。C點是人為設(shè)置的報警點，BC段是處理火災(zāi)措施段，時間可能很短，卻是處理火災(zāi)的關(guān)鍵時期，如果處理適當(dāng)，氧化速度可能下降，氧化程度不變，不能形成自燃火災(zāi)。

　　2.2　冒頂

　　冒頂也是煤礦常見事故之一。在開巷過程中，破壞了掘巷前圍巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)，巷道圍巖壓力重新分布，出現(xiàn)應(yīng)力集中和巷道周圍的極限平衡區(qū)，新掘出的巷道頂板下沉速度最大，頂?shù)装迦障鄬咏俣葞缀撩字翈资撩撞坏?，但很快掘巷引起的圍巖應(yīng)力趨于穩(wěn)定后，巷道表面圍巖頂板的變形速率也趨于穩(wěn)定。由于煤巖一般都具有流變性質(zhì)，在應(yīng)力不變的情況下，圍巖變形隨時間的延長而不斷增加，頂?shù)装迦障鄬咏俣仍?.5mm以下，但當(dāng)進(jìn)入集中應(yīng)力帶或頂板周期來壓后，壓力高于頂板(支柱)所能承擔(dān)的極限壓力時，頂板(支柱)斷裂下沉，發(fā)生冒頂事故。在安全流變理論中，縱坐標(biāo)為反映冒頂危險程度的量。OA段為剛掘出新巷道變形速度遞減段，減到某一變形速度后，圍巖以一較小的速度變形，當(dāng)穩(wěn)定一段時間后，有圍巖壓力或其它條件發(fā)生變化，危險程度超過B這個屈服點，變形速度加快，發(fā)生冒頂。B點這個狀態(tài)點由下列參數(shù)決定：頂板最大下沉量、頂板的脆性程度、支柱的支撐力和伸縮量，周期來壓應(yīng)力等。通過實驗或?qū)崪y，一旦掌握B點參數(shù)的規(guī)律，就可以對冒頂事故進(jìn)行預(yù)測和控制。

　　2.3　煤與瓦斯突出

　　煤與瓦斯突出是煤礦井下含瓦斯煤體從煤層中向采掘空間急劇運動的一種動力現(xiàn)象。這種強(qiáng)大的動力現(xiàn)象會給煤礦安全生產(chǎn)、特別是煤礦工人的生命安全造成嚴(yán)重威脅。

　　在關(guān)于突出機(jī)理的認(rèn)識中，綜合作用可以說為人們普遍接受。煤與瓦斯突出是地應(yīng)力、瓦斯和煤的物理力學(xué)特性綜合作用的結(jié)果。但假說沒有考慮時間的因素。經(jīng)大量的現(xiàn)場實驗，參與突出的煤巖體的形變是和時間因素緊密相關(guān)的。

　　自然界任何過程都是在一定的時空范圍內(nèi)發(fā)生、發(fā)展的，煤與瓦斯突出也不例外。實質(zhì)上含瓦斯煤巖突出，具有流變性質(zhì)。含瓦斯煤體在外力作用下，當(dāng)達(dá)到或超過其屈服載荷時，煤與瓦斯突出，整個過程明顯地表現(xiàn)為三個階段：流變損傷減速增加階段，流變損傷等速增加階段，流變損傷加速增加階段。其中第一、二兩階段對應(yīng)于煤與瓦斯突出的準(zhǔn)備階段，第三階段是煤與瓦斯突出的發(fā)生、發(fā)展階段。突出是含瓦斯煤體快速流變的結(jié)果，如果外加載荷未達(dá)到屈服載荷時，流變具有衰減的特征，將不會發(fā)生突出。流變假說認(rèn)為，所有含瓦斯煤體都具有前述的流變特征，其流變行為的最終表現(xiàn)，取決于其外部的環(huán)境條件和其自身的物理力學(xué)性質(zhì)，不存在突出煤與非突出煤差別，如果條件具備，目前所認(rèn)為的突出煤層也可變?yōu)榉峭怀雒簩?，非突出煤層也可變?yōu)橥怀雒簩?。流變假說較圓滿地闡明了突出機(jī)理，其最大的特點是運用流變學(xué)的觀點，分析了突出過程中含瓦斯煤在應(yīng)力和孔隙氣體作用下的時間和空間過程，從而解釋了煤與瓦斯突出其他作用假說解釋的全部突出現(xiàn)象，而且解釋了其它假說不能解釋的現(xiàn)象，如石門的自行揭開和延時突出等。根據(jù)煤與瓦斯突出的流變特征，完全可以用安全科學(xué)理論的流變模型來描述。煤體損傷形變由四部分構(gòu)成，瞬時形變損傷、減速形變損傷、等速形變損傷、加速形變損傷。

圖1　安全流變-突變

　　如圖1所示，開始段為煤在自重作用下形變損傷，與承載時間關(guān)系不大，是瞬時損傷。

　　OA是煤與瓦斯突出的不穩(wěn)定損傷階段，損傷速度由大逐漸變小，流變損傷曲線上凸。

　　AB是煤與瓦斯突出的穩(wěn)定損傷階段，損傷速度近似為常數(shù)或0，流變曲線為直線。

　　BC是煤與瓦斯突出的加速損傷階段，損傷速度逐漸增加，流變曲線下凹。

　　D點是煤與瓦斯突出的突變發(fā)生階段。流變損傷已到極限，煤與瓦斯的運動開始發(fā)生質(zhì)變。一旦突出發(fā)生后，潛能幾乎降到0，煤巖又回到一個新的安全狀態(tài)，從而形成另一個流突變的起點。

　　3　總結(jié)

　　從上面分析可以看出,煤礦三大主要事故的流變與突變特征，A、B、C是三個關(guān)鍵點。

　　A-最初準(zhǔn)備完成點，對應(yīng)一系列狀態(tài)參數(shù)，但對于不同的問題，特征參數(shù)可能不同，數(shù)值大小也可能不同。

　　B-危險度加速階段轉(zhuǎn)折點，它也是由一系列狀態(tài)參數(shù)組成，一旦獲得就可對預(yù)測、預(yù)報作準(zhǔn)備。

　　C-事故報警點，只要在C點以前，事故就有可能不發(fā)生。BC段是預(yù)防事故的實施階段，在這個階段采取必要措施就可以預(yù)防事故的發(fā)生。

　　在煤礦這三類重大事故中，既然具有流變-突變的特點，就應(yīng)根據(jù)各具體礦井自燃發(fā)火、冒頂和煤與瓦斯突出的資料，明確每個特征點的對應(yīng)參數(shù)，達(dá)到科學(xué)地預(yù)測、預(yù)報，把所有隱患消除在萌芽狀態(tài)。