煤矿事故中“安全流变-突变论”的研究

　　1　序言

　　在煤矿生产系统中，存在许多不安全的因素。由于地质条件复杂，机电设备繁多，功率大小悬殊，性能要求甚高，往往引起了多种事故发生的可能性。即使在高科技的今天，重、特大煤矿事故仍屡见不鲜。长期以来，人们对事故的认识只停留在分散的、统计的和彼此缺乏联系的水平上，其后果总是事故前提心吊胆，事故后归纳整理。这种状况远远不能适应煤矿生产现代化的发展要求，必须以一种全新的概念和方法来研究煤矿生产中的安全问题，对某一事故中安全与危险矛盾运动规律进行抽象和综合，提出一套完整的理论体系。何学秋教授提出了灾害过程的安全流变-突变论，并初步建立了可以进一步量化的数学模型。这一理论对煤矿事故的定性分析、定量研究和对事故机理的认识具有重要意义，并为事故的进一步分析提供了新的途径。

　　2　安全流变-突变论的基本规律

　　从辨证唯物主义的观点看，安全与危险这一矛盾存在于一切单位、一切系统、一切领域的全过程中，安全是相对的，不安全(危险)是绝对的。任何事物的发生、发展到消亡是一个安全流变-突变过程。某一事物一旦产生，在内、外因素的影响下，损伤就会出现，损伤速度梯度小于0，即如图1所示的OA段，OA段也可叫作适应段(成型段)。随着时间的推移，经过关键点A后，损伤速度恒定，损伤速度梯度近似等于0，AB段为恒速破损段(成熟段)。经过B点后，由于内、外因的作用，损伤出现加速。损伤速度越来越快，损伤速度梯度大于0，损伤程度随时间也在不断聚变，当损伤量达到某个屈服点D后(承压界)，事物发生安全突变，结果发生事故。这样，就完成了事物从流变到突变的循环。通过以上分析可以看出，A、B、D是三个关键点，在A点之前即OA段是事物由自身规律与外界条件相作用的适应阶段，速度梯度逐渐减小最终趋于0，损伤速度达到一稳定值。人们在此段内，应尽量掌握速度规律，缩短适应期(成型期)，尽早进入稳定工作阶段。B点是损伤速度加速的转折点，通过改变影响它的因素，使B点前移或后置，使事物向有利于人类的方向发展，按常规考虑应延长AB段的有效长段，使事物发生安全突变前完成生产任务。BD段是安全突变段，危险势快速增加，一旦到达D点，事故就会发生。因此，可以在BD段再设置一C点，C点为报警点，C点一定要达到预测目的，不可太迟，超过C点来不及采取任何措施就会发生事故。下面就煤矿冒顶、自燃火灾和煤岩突出等三大主要灾害的典型过程，叙述其安全流变与突变的基本特征。

　　2.1　自燃火灾

　　矿井火灾是煤矿的主要灾害之一。在矿井火灾事故中，自燃火灾约占70%，故研究煤炭自燃发火规律，及时采取预防措施，对保证煤矿安全生产，保护煤炭资源有重要意义。煤炭自燃是煤与氧气两相组分在空间发生激烈化学反应的过程，常常放热、发光、生成新物质。按安全流变论，OA段是煤与氧气接触开始氧化阶段，煤刚一暴露在空气中，氧化速度特别快，但随着热量的放出和煤氧复合物的产生，消耗掉周围空间的大量氧气，再由于复合物对深层煤样的包裹，对煤的氧化过程有一个阻滞作用，所以氧化速度减慢，但氧化程度在不断增加。煤的氧化产热量和散发热量大抵相同，氧化速度在A点后几乎为一恒值，热量略有所聚积，温度有所上升。这可能持续一段时间，当温升达到某一值时(B点后)，煤的氧化速度突然又要加快，产热多，温升更高，导致煤的氧化速度越来越快，一旦到达D点就自燃发火，形成自燃火灾，完成了煤的自燃突变。突变点B是个关键点，也是一个状态点，可能对应一系列反映发火危险程度的参数。如t≥70°，CO的浓度，煤的干熘产物量。C点是人为设置的报警点，BC段是处理火灾措施段，时间可能很短，却是处理火灾的关键时期，如果处理适当，氧化速度可能下降，氧化程度不变，不能形成自燃火灾。

　　2.2　冒顶

　　冒顶也是煤矿常见事故之一。在开巷过程中，破坏了掘巷前围岩应力的平衡状态，巷道围岩压力重新分布，出现应力集中和巷道周围的极限平衡区，新掘出的巷道顶板下沉速度最大，顶底板日相对接近速度几毫米至几十毫米不等，但很快掘巷引起的围岩应力趋于稳定后，巷道表面围岩顶板的变形速率也趋于稳定。由于煤岩一般都具有流变性质，在应力不变的情况下，围岩变形随时间的延长而不断增加，顶底板日相对接近速度在0.5mm以下，但当进入集中应力带或顶板周期来压后，压力高于顶板(支柱)所能承担的极限压力时，顶板(支柱)断裂下沉，发生冒顶事故。在安全流变理论中，纵坐标为反映冒顶危险程度的量。OA段为刚掘出新巷道变形速度递减段，减到某一变形速度后，围岩以一较小的速度变形，当稳定一段时间后，有围岩压力或其它条件发生变化，危险程度超过B这个屈服点，变形速度加快，发生冒顶。B点这个状态点由下列参数决定：顶板最大下沉量、顶板的脆性程度、支柱的支撑力和伸缩量，周期来压应力等。通过实验或实测，一旦掌握B点参数的规律，就可以对冒顶事故进行预测和控制。

　　2.3　煤与瓦斯突出

　　煤与瓦斯突出是煤矿井下含瓦斯煤体从煤层中向采掘空间急剧运动的一种动力现象。这种强大的动力现象会给煤矿安全生产、特别是煤矿工人的生命安全造成严重威胁。

　　在关于突出机理的认识中，综合作用可以说为人们普遍接受。煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯和煤的物理力学特性综合作用的结果。但假说没有考虑时间的因素。经大量的现场实验，参与突出的煤岩体的形变是和时间因素紧密相关的。

　　自然界任何过程都是在一定的时空范围内发生、发展的，煤与瓦斯突出也不例外。实质上含瓦斯煤岩突出，具有流变性质。含瓦斯煤体在外力作用下，当达到或超过其屈服载荷时，煤与瓦斯突出，整个过程明显地表现为三个阶段：流变损伤减速增加阶段，流变损伤等速增加阶段，流变损伤加速增加阶段。其中第一、二两阶段对应于煤与瓦斯突出的准备阶段，第三阶段是煤与瓦斯突出的发生、发展阶段。突出是含瓦斯煤体快速流变的结果，如果外加载荷未达到屈服载荷时，流变具有衰减的特征，将不会发生突出。流变假说认为，所有含瓦斯煤体都具有前述的流变特征，其流变行为的最终表现，取决于其外部的环境条件和其自身的物理力学性质，不存在突出煤与非突出煤差别，如果条件具备，目前所认为的突出煤层也可变为非突出煤层，非突出煤层也可变为突出煤层。流变假说较圆满地阐明了突出机理，其最大的特点是运用流变学的观点，分析了突出过程中含瓦斯煤在应力和孔隙气体作用下的时间和空间过程，从而解释了煤与瓦斯突出其他作用假说解释的全部突出现象，而且解释了其它假说不能解释的现象，如石门的自行揭开和延时突出等。根据煤与瓦斯突出的流变特征，完全可以用安全科学理论的流变模型来描述。煤体损伤形变由四部分构成，瞬时形变损伤、减速形变损伤、等速形变损伤、加速形变损伤。

图1　安全流变-突变

　　如图1所示，开始段为煤在自重作用下形变损伤，与承载时间关系不大，是瞬时损伤。

　　OA是煤与瓦斯突出的不稳定损伤阶段，损伤速度由大逐渐变小，流变损伤曲线上凸。

　　AB是煤与瓦斯突出的稳定损伤阶段，损伤速度近似为常数或0，流变曲线为直线。

　　BC是煤与瓦斯突出的加速损伤阶段，损伤速度逐渐增加，流变曲线下凹。

　　D点是煤与瓦斯突出的突变发生阶段。流变损伤已到极限，煤与瓦斯的运动开始发生质变。一旦突出发生后，潜能几乎降到0，煤岩又回到一个新的安全状态，从而形成另一个流突变的起点。

　　3　总结

　　从上面分析可以看出,煤矿三大主要事故的流变与突变特征，A、B、C是三个关键点。

　　A-最初准备完成点，对应一系列状态参数，但对于不同的问题，特征参数可能不同，数值大小也可能不同。

　　B-危险度加速阶段转折点，它也是由一系列状态参数组成，一旦获得就可对预测、预报作准备。

　　C-事故报警点，只要在C点以前，事故就有可能不发生。BC段是预防事故的实施阶段，在这个阶段采取必要措施就可以预防事故的发生。

　　在煤矿这三类重大事故中，既然具有流变-突变的特点，就应根据各具体矿井自燃发火、冒顶和煤与瓦斯突出的资料，明确每个特征点的对应参数，达到科学地预测、预报，把所有隐患消除在萌芽状态。