煤礦事故中“安全流變-突變論”的研究

　　1　序言

　　在煤礦生產係統中，存在許多不安全的因素。由於地質條件複雜，機電設備繁多，功率大小懸殊，性能要求甚高，往往引起了多種02manbetx.com 發生的可能性。即使在高科技的今天，重、特大煤礦02manbetx.com 仍屢見不鮮。長期以來，人們對02manbetx.com 的認識隻停留在分散的、統計的和彼此缺乏聯係的水平上，其後果總是02manbetx.com 前提心吊膽，事故後歸納整理。這種狀況遠遠不能適應煤礦生產現代化的發展要求，必須以一種全新的概念和方法來研究煤礦生產中的安全問題，對某一事故中安全與危險矛盾運動規律進行抽象和綜合，提出一套完整的理論體係。何學秋教授提出了災害過程的安全流變-突變論，並初步建立了可以進一步量化的數學模型。這一理論對02manbetx.com 的定性03manbetx 、定量研究和對事故機理的認識具有重要意義，並為事故的進一步03manbetx 提供了新的途徑。

　　2　安全流變-突變論的基本規律

　　從辨證唯物主義的觀點看，安全與危險這一矛盾存在於一切單位、一切係統、一切領域的全過程中，安全是相對的，不安全(危險)是絕對的。任何事物的發生、發展到消亡是一個安全流變-突變過程。某一事物一旦產生，在內、外因素的影響下，損傷就會出現，損傷速度梯度小於0，即如圖1所示的OA段，OA段也可叫作適應段(成型段)。隨著時間的推移，經過關鍵點A後，損傷速度恒定，損傷速度梯度近似等於0，AB段為恒速破損段(成熟段)。經過B點後，由於內、外因的作用，損傷出現加速。損傷速度越來越快，損傷速度梯度大於0，損傷程度隨時間也在不斷聚變，當損傷量達到某個屈服點D後(承壓界)，事物發生安全突變，結果發生事故。這樣，就完成了事物從流變到突變的循環。通過以上03manbetx 可以看出，A、B、D是三個關鍵點，在A點之前即OA段是事物由自身規律與外界條件相作用的適應階段，速度梯度逐漸減小最終趨於0，損傷速度達到一穩定值。人們在此段內，應盡量掌握速度規律，縮短適應期(成型期)，盡早進入穩定工作階段。B點是損傷速度加速的轉折點，通過改變影響它的因素，使B點前移或後置，使事物向有利於人類的方向發展，按常規考慮應延長AB段的有效長段，使事物發生安全突變前完成生產任務。BD段是安全突變段，危險勢快速增加，一旦到達D點，事故就會發生。因此，可以在BD段再設置一C點，C點為報警點，C點一定要達到預測目的，不可太遲，超過C點來不及采取任何措施就會發生事故。下麵就煤礦冒頂、自燃火災和煤岩突出等三大主要災害的典型過程，敘述其安全流變與突變的基本特征。

　　2.1　自燃火災

　　礦井火災是煤礦的主要災害之一。在礦井火災事故中，自燃火災約占70%，故研究煤炭自燃發火規律，及時采取預防措施，對保證煤礦安全生產，保護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生激烈化學反應的過程，常常放熱、發光、生成新物質。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複合物的產生，消耗掉周圍空間的大量氧氣，再由於複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。煤的氧化產熱量和散發熱量大抵相同，氧化速度在A點後幾乎為一恒值，熱量略有所聚積，溫度有所上升。這可能持續一段時間，當溫升達到某一值時(B點後)，煤的氧化速度突然又要加快，產熱多，溫升更高，導致煤的氧化速度越來越快，一旦到達D點就自燃發火，形成自燃火災，完成了煤的自燃突變。突變點B是個關鍵點，也是一個狀態點，可能對應一係列反映發火危險程度的參數。如t≥70°，CO的濃度，煤的幹溜產物量。C點是人為設置的報警點，BC段是處理火災措施段，時間可能很短，卻是處理火災的關鍵時期，如果處理適當，氧化速度可能下降，氧化程度不變，不能形成自燃火災。

　　2.2　冒頂

　　冒頂也是煤礦常見事故之一。在開巷過程中，破壞了掘巷前圍岩應力的平衡狀態，巷道圍岩壓力重新分布，出現應力集中和巷道周圍的極限平衡區，新掘出的巷道頂板下沉速度最大，頂底板日相對接近速度幾毫米至幾十毫米不等，但很快掘巷引起的圍岩應力趨於穩定後，巷道表麵圍岩頂板的變形速率也趨於穩定。由於煤岩一般都具有流變性質，在應力不變的情況下，圍岩變形隨時間的延長而不斷增加，頂底板日相對接近速度在0.5mm以下，但當進入集中應力帶或頂板周期來壓後，壓力高於頂板(支柱)所能承擔的極限壓力時，頂板(支柱)斷裂下沉，發生冒頂事故。在安全流變理論中，縱坐標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，減到某一變形速度後，圍岩以一較小的速度變形，當穩定一段時間後，有圍岩壓力或其它條件發生變化，危險程度超過B這個屈服點，變形速度加快，發生冒頂。B點這個狀態點由下列參數決定：頂板最大下沉量、頂板的脆性程度、支柱的支撐力和伸縮量，周期來壓應力等。通過實驗或實測，一旦掌握B點參數的規律，就可以對冒頂事故進行預測和控製。

　　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象。這種強大的動力現象會給煤礦安全生產、特別是煤礦工人的生命安全造成嚴重威脅。

　　在關於突出機理的認識中，綜合作用可以說為人們普遍接受。煤與瓦斯突出是地應力、瓦斯和煤的物理力學特性綜合作用的結果。但假說沒有考慮時間的因素。經大量的現場實驗，參與突出的煤岩體的形變是和時間因素緊密相關的。

　　自然界任何過程都是在一定的時空範圍內發生、發展的，煤與瓦斯突出也不例外。實質上含瓦斯煤岩突出，具有流變性質。含瓦斯煤體在外力作用下，當達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、二兩階段對應於煤與瓦斯突出的準備階段，第三階段是煤與瓦斯突出的發生、發展階段。突出是含瓦斯煤體快速流變的結果，如果外加載荷未達到屈服載荷時，流變具有衰減的特征，將不會發生突出。流變假說認為，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，取決於其外部的環境條件和其自身的物理力學性質，不存在突出煤與非突出煤差別，如果條件具備，目前所認為的突出煤層也可變為非突出煤層，非突出煤層也可變為突出煤層。流變假說較圓滿地闡明了突出機理，其最大的特點是運用流變學的觀點，03manbetx 了突出過程中含瓦斯煤在應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象，而且解釋了其它假說不能解釋的現象，如石門的自行揭開和延時突出等。根據煤與瓦斯突出的流變特征，完全可以用安全科學理論的流變模型來描述。煤體損傷形變由四部分構成，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，與承載時間關係不大，是瞬時損傷。

　　OA是煤與瓦斯突出的不穩定損傷階段，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定損傷階段，損傷速度近似為常數或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生階段。流變損傷已到極限，煤與瓦斯的運動開始發生質變。一旦突出發生後，潛能幾乎降到0，煤岩又回到一個新的安全狀態，從而形成另一個流突變的起點。

　　3　總結

　　從上麵分析可以看出,煤礦三大主要事故的流變與突變特征，A、B、C是三個關鍵點。

　　A-最初準備完成點，對應一係列狀態參數，但對於不同的問題，特征參數可能不同，數值大小也可能不同。

　　B-危險度加速階段轉折點，它也是由一係列狀態參數組成，一旦獲得就可對預測、預報作準備。

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

　　在煤礦這三類重大事故中，既然具有流變-突變的特點，就應根據各具體礦井自燃發火、冒頂和煤與瓦斯突出的資料，明確每個特征點的對應參數，達到科學地預測、預報，把所有隱患消除在萌芽狀態。