胡嘉英,陳學(xué)習(xí),陳星宇

(華北科技學(xué)院 礦山安全學(xué)院,北京 東燕郊 065201)

0 引言

對于煤與瓦斯突出,國內(nèi)外專家學(xué)者在突出發(fā)生機(jī)理方面進(jìn)行了眾多研究,這些研究基本上可以歸納四個(gè)方面:瓦斯主導(dǎo)作用假說、地應(yīng)力主導(dǎo)假說、化學(xué)本質(zhì)作用假說以及綜合作用假說,其中綜合作用假說得到國內(nèi)外學(xué)者的普遍承認(rèn)[1]。綜合作用假說中具有代表性的研究主要有:動(dòng)力效應(yīng)說(英國-鮑來)、能量假說(蘇聯(lián)-霍多特)、分層分離說(蘇聯(lián)И.М.彼圖霍夫等)等;而國內(nèi)學(xué)者在此基礎(chǔ)上對煤與瓦斯突出的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了進(jìn)一步的豐富和發(fā)展,其中經(jīng)典研究主要有:中心擴(kuò)張學(xué)說,二相流體假說、流變假說、球殼失穩(wěn)假說以及流固耦合失穩(wěn)理論等[2-5],這些理論都極大地推動(dòng)了煤與瓦斯突出的研究,對突出在不同方面的表現(xiàn)進(jìn)行了解釋,指導(dǎo)人們對煤與瓦斯突出災(zāi)害的防治,更多學(xué)者[6-7]也同時(shí)在朝著如何將突出機(jī)理模型化、定量化來揭示突出機(jī)理的方向前進(jìn)。

斷層構(gòu)造帶是煤與瓦斯突出高發(fā)區(qū),如2004年10月20日,大平煤礦軌道下山巖石掘進(jìn)工作面發(fā)生特大型煤與瓦斯突出并引發(fā)爆炸事故,其原因?yàn)榻衣兑粭l落差10m左右的逆斷層,區(qū)域煤體為嚴(yán)重破壞的構(gòu)造煤且煤體內(nèi)部形成了高能瓦斯帶,事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)在距突出位置78m的堆積物中發(fā)現(xiàn)泥巖巖塊,其斷層有明顯摩擦鏡面;此外,在河南安陽龍山礦,曾發(fā)生煤和瓦斯突出80余次,突出主要發(fā)生在向斜和背斜的軸部以及斷層帶附近。此外本文通過文獻(xiàn)調(diào)研和現(xiàn)場資料收集統(tǒng)計(jì)了最近十年來發(fā)生在各省份的20余起煤與瓦斯事故,總結(jié)整理了事故發(fā)生的位置、時(shí)間和直接原因如圖1所示,發(fā)現(xiàn)由于地質(zhì)構(gòu)造原因發(fā)生突出案例23起,占比69.69%,其中因工作面過斷層發(fā)生突出14起,占比42.42%,為占比最多的突出發(fā)生原因。

因此很多學(xué)者對斷層帶突出發(fā)生機(jī)制進(jìn)行重點(diǎn)探究,由于煤與瓦斯突出發(fā)生條件的多樣性及斷層構(gòu)造的復(fù)雜性,學(xué)者主要綜合考慮斷層構(gòu)造帶瓦斯運(yùn)移特征、應(yīng)力分布特征以及斷層構(gòu)造物理特征來闡述斷層構(gòu)造對突出的作用規(guī)律及解釋斷層帶發(fā)生突出的原因。郭德勇等[8-10]基于煤與瓦斯突出與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)聯(lián)性,通過摩擦滑動(dòng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了突出過程的粘滑失穩(wěn)現(xiàn)象,基于此提出了煤與瓦斯突出的粘滑失穩(wěn)猜想,并且基于此建立了突出粘滑失穩(wěn)—突變理論預(yù)警模型。潘超[11]研究了開采擾動(dòng)條件下斷層活化誘導(dǎo)突出過程中的斷層活化規(guī)律、斷層及相關(guān)煤層的應(yīng)力分布規(guī)律及變形破壞特征、瓦斯運(yùn)移及突出動(dòng)態(tài)特征,探究了地應(yīng)力和煤層瓦斯賦存及運(yùn)移對斷層影響帶內(nèi)突出的作用,發(fā)現(xiàn)工作面向斷層推進(jìn)時(shí),斷層上盤更易于活化甚至滑移,進(jìn)而揭示了開采擾動(dòng)對斷層活化誘發(fā)突出的作用機(jī)理。如韓軍等[12-14]基于向斜構(gòu)造的應(yīng)力、煤體結(jié)構(gòu)和瓦斯壓力及含量等特征,建立了“多層巖體彎曲滑動(dòng)應(yīng)變系統(tǒng)”,得到煤與瓦斯突出的主要誘因就在于向斜構(gòu)造同時(shí)具備的高地應(yīng)力、高瓦斯壓力(含量)和構(gòu)造煤發(fā)育三個(gè)因素。張浪等[15]研究了斷層應(yīng)力狀態(tài)對突出的影響,分析得到斷層應(yīng)力狀態(tài)與走向特征的關(guān)系,并基于此得到了煤與瓦斯突出發(fā)生的失穩(wěn)條件。Cao等[16]和Li等[17]學(xué)者針對斷層突出發(fā)生的區(qū)域進(jìn)行分析,探究了斷層相關(guān)的特定危險(xiǎn)區(qū)域的構(gòu)造變形及瓦斯含量特征,基于此提出了突出的危險(xiǎn)區(qū)。Li等[18]學(xué)者則將斷層可劃分為斷層核、糜棱化帶和碎裂帶三個(gè)區(qū)域,采用地應(yīng)力測試、數(shù)值模擬等手段得到了主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)和斷層帶應(yīng)力狀態(tài),進(jìn)一步闡述了與應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)的斷層帶滲透率演化特征及煤體破壞特征,來說明斷層對煤與瓦斯突出產(chǎn)生的不利影響。郝富昌等學(xué)者[19]分析了重力滑動(dòng)構(gòu)造對煤層厚度、煤體結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)、煤的變質(zhì)程度、瓦斯賦存等的影響,闡明了重力滑動(dòng)構(gòu)造對煤與瓦斯突出的控制作用。

1 數(shù)據(jù)來源及分析方法

上述介紹了關(guān)于煤與瓦斯突出發(fā)生機(jī)理的主要研究進(jìn)展,并重點(diǎn)闡述了斷層構(gòu)造對瓦斯突出控制作用的一系列研究,其研究重點(diǎn)包括瓦斯地質(zhì)、構(gòu)造物理、巖石及地質(zhì)力學(xué)以及構(gòu)造煤物理結(jié)構(gòu)等多個(gè)方面,可知煤與瓦斯突出領(lǐng)域研究具有學(xué)科交叉程度高、覆蓋范圍廣、考慮因素復(fù)雜及研究方向多等特點(diǎn)。為從整體上更宏觀地明確煤與瓦斯突出領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)及研究前沿,利用CiteSpace軟件構(gòu)建知識圖譜,對相關(guān)研究熱點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行可視化表達(dá),分析瓦斯突出特別是考慮斷層帶突出發(fā)生機(jī)理的研究狀況和發(fā)展方向,為煤與瓦斯突出領(lǐng)域的深入研究提供參考。目前已有學(xué)者認(rèn)識到對研究文獻(xiàn)進(jìn)行知識圖譜和計(jì)量分析的重要性,在煤礦瓦斯安全或瓦斯突出災(zāi)害領(lǐng)域,謝宏等[20-21]學(xué)者進(jìn)行了瓦斯突出或瓦斯災(zāi)害防治方面的可視化分析,學(xué)者徐超[22]進(jìn)行了煤與瓦斯共采領(lǐng)域的知識圖譜分析,但是其數(shù)據(jù)來源都僅局限為CNKI中文文獻(xiàn),本研究中文獻(xiàn)來源將包括CNKI和Web of Science中英文期刊,對煤與瓦斯突出相關(guān)研究進(jìn)行更全面的分析。

結(jié)合本文研究對象,選擇分別以“煤與瓦斯突出”,“煤與瓦斯突出+斷層”和“coal +gas outbursts”,“coal +gas outbursts+ fault”為主題進(jìn)行中英文來源期刊進(jìn)行檢索,經(jīng)過對提取數(shù)據(jù)文獻(xiàn)進(jìn)行不相干內(nèi)容、缺失內(nèi)容等剔除,分別獲取CNKI來源文獻(xiàn)1943篇、417篇,Web of Science數(shù)據(jù)來源文獻(xiàn)1133篇、74篇。

2 研究關(guān)鍵詞及熱點(diǎn)分析

論文關(guān)鍵詞是文章整體內(nèi)容的核心,對關(guān)鍵詞進(jìn)行提煉分析可以反映出本研究領(lǐng)域的熱點(diǎn),選取時(shí)間段為2000～2022年,得到如圖21所示的“煤與瓦斯突出”和“coal +gas outbursts”研究相關(guān)的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖和聚類圖;其中共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖為提取的所有關(guān)鍵詞,其節(jié)點(diǎn)的大小可以直觀地看出關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次,進(jìn)而發(fā)現(xiàn)本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn);而聚類圖則是將關(guān)鍵詞進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析及歸納總結(jié),通過聚類分析將其歸納分類,可看出所研究主題的關(guān)聯(lián)程度和覆蓋范圍。

圖2 煤與瓦斯突出關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖和聚類圖

如圖2(a)(c)分別為中英文期刊文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞共線網(wǎng)絡(luò)圖,表1為中英文文獻(xiàn)的高頻關(guān)鍵詞,煤與瓦斯突出領(lǐng)域研究可大致分為兩個(gè)方面:(1)煤與瓦斯突出機(jī)理,CNKI文獻(xiàn)核心關(guān)鍵詞包括“瓦斯壓力、數(shù)值模擬、構(gòu)造煤、瓦斯地質(zhì)、石門揭煤、地應(yīng)力、臨界值等”;Web of Science文獻(xiàn)核心關(guān)鍵詞包括“methane,model,mechanism,permeability,deformation,desorption,pressure”;(2)煤與瓦斯突出預(yù)測及防治,CNKI文獻(xiàn)核心關(guān)鍵詞包括“預(yù)測、瓦斯抽采、瓦斯地質(zhì)、石門揭煤、臨界值”等;而Web of Science文獻(xiàn)主要集中于機(jī)理研究,對于偏向現(xiàn)場工程實(shí)踐的突出預(yù)測及防治方面研究熱度較低。由關(guān)鍵詞聚類圖2(b)可看出,“構(gòu)造煤”研究關(guān)聯(lián)度最高、覆蓋范圍最為廣泛,與構(gòu)造煤相關(guān)緊密的主題包括“預(yù)測、敏感指標(biāo)、影響因素、預(yù)警方法、突出防治措施、煤礦安全”,其主要集中在突出預(yù)測及防治方面,這是由于突出多發(fā)生在構(gòu)造帶的緣故,因此針對構(gòu)造煤的突出預(yù)測及突出防治的相關(guān)研究成為研究重點(diǎn);其次為瓦斯壓力,說明瓦斯壓力對于突出發(fā)生影響也尤為關(guān)鍵。由關(guān)鍵詞聚類圖2(d)可看出,“gas drainage”研究關(guān)聯(lián)度最高、覆蓋范圍最為廣泛,與構(gòu)造煤相關(guān)緊密的主題包括“gas outburst,long-term sorption,langmuir adsorption,rock failure”,其研究主題主要偏向吸附解吸、煤巖破壞及瓦斯流動(dòng)機(jī)理研究,這是由于近些年來瓦斯抽放成為治理瓦斯災(zāi)害的主要手段,因此與煤滲透率相關(guān)的瓦斯?jié)B流擴(kuò)散機(jī)理成為研究熱點(diǎn),其對提高瓦斯抽采效率防治煤與瓦斯突出具有重要意義。

表1 煤與瓦斯突出熱點(diǎn)關(guān)鍵詞頻率

如圖3所示為主題“煤與瓦斯突出+斷層”和“coal +gas outbursts+ fault”研究相關(guān)的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖和聚類圖;表2為中英文文獻(xiàn)的高頻關(guān)鍵詞?？梢杂蓤D3(a)(b)看出CNKI文獻(xiàn)對于斷層-煤與瓦斯突出研究機(jī)理的研究熱點(diǎn)關(guān)鍵詞主要可以歸類為四個(gè)方面:構(gòu)造煤、瓦斯(瓦斯地質(zhì)、瓦斯賦存、瓦斯含量等)、應(yīng)力(地應(yīng)力)與地質(zhì)因素(地質(zhì)構(gòu)造),而對于突出防治預(yù)測則主要有“主控因素、實(shí)時(shí)預(yù)警、敏感指標(biāo)”。而Web of Science文獻(xiàn)中相關(guān)研究較少,圖3(c)(d)可知其關(guān)鍵詞包括“mine,methane,deformation,mechanism,evolution,basin”,其聚類圖可知其關(guān)聯(lián)性最高的關(guān)鍵詞為“tectonic stress field,particle flow method,methane,coal mining”,可知其研究點(diǎn)也主要落腳于瓦斯(methane)和應(yīng)力(tectonic stress field,mine,deformation)。因此目前對于斷層構(gòu)造—突出發(fā)生機(jī)理的相關(guān)研究,研究內(nèi)容方面斷層帶瓦斯和應(yīng)力特征以及構(gòu)造煤和構(gòu)造特征是主要研究方向,現(xiàn)場預(yù)測防治則依賴于主控因素、敏感指標(biāo)及實(shí)時(shí)預(yù)警方面的探究。

表2 斷層—突出熱點(diǎn)關(guān)鍵詞頻率

圖3 斷層—瓦斯突出關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖和聚類圖

為更明確斷層—煤與瓦斯突出相關(guān)文獻(xiàn)的研究細(xì)節(jié),并探究其研究發(fā)展趨勢和熱點(diǎn)規(guī)律,進(jìn)一步分別展示CNKI和Web of Science來源文獻(xiàn)的“煤與瓦斯突出+斷層”和“coal +gas outbursts+ fault”關(guān)鍵詞時(shí)區(qū)可視化。

如圖4為CNKI文獻(xiàn)中斷層—煤與瓦斯突出相關(guān)研究的關(guān)鍵詞時(shí)序圖,可知其同樣在突出機(jī)理方面可分為構(gòu)造煤、瓦斯(瓦斯地質(zhì)、瓦斯賦存、瓦斯含量、瓦斯參數(shù)、瓦斯涌出量、瓦斯遷移等)、應(yīng)力(地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、應(yīng)力集中區(qū)等)與地質(zhì)因素(地質(zhì)構(gòu)造、構(gòu)造演化、構(gòu)造區(qū)、地質(zhì)控制等)四個(gè)方面;在瓦斯預(yù)測及防治措施方面包括預(yù)測(區(qū)域預(yù)測、預(yù)警技術(shù)、瓦斯涌出量預(yù)測、危險(xiǎn)源等)、指標(biāo)或因素(鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)、敏感地質(zhì)指標(biāo)、主控因素、影響因素等)、措施(保護(hù)層、防突措施、超前探測技術(shù)、井上下聯(lián)合抽采防突)三方面?？傮w而言,近些年來對于斷層帶突出防治措施方面有較大的進(jìn)步,出現(xiàn)了更加系統(tǒng)綜合的突出防治措施及預(yù)測方法;而在突出機(jī)理方面研究在2000～2015年則主要基于構(gòu)造煤及構(gòu)造(應(yīng)力瓦斯及地質(zhì))因素的定量分析,在近些年相關(guān)研究略少。

圖4 斷層—瓦斯突出相關(guān)研究的關(guān)鍵詞時(shí)序圖

如圖5為Web of Science中“coal +gas outbursts+ fault”相關(guān)研究的關(guān)鍵詞時(shí)序圖,可圖可知其研究數(shù)量較少且在部分年份出現(xiàn)內(nèi)容缺失。同樣在突出機(jī)理方面包括“tectonically deformed coal,methane,gas flow,energy,permeability,tensile strength,fault deformation”;在瓦斯預(yù)測及防治措施方面包括預(yù)測“gas drainage,acoustic emission,hydraulic fracturing,acoustic emission,3d seismic migration prediction”。因此可看出其同樣在突出預(yù)測防治方面有明顯發(fā)展,由2012年瓦斯抽采、鉆孔再到近些年來水力壓裂、聲發(fā)射及微震探測技術(shù)的應(yīng)用,突出防治技術(shù)手段更加先進(jìn)且多樣化;但在斷層—突出發(fā)生機(jī)理方面的研究仍主要集中在2000～2018年,近些年相關(guān)研究內(nèi)容較少。

圖5 “coal +gas outbursts+ fault”研究的關(guān)鍵詞時(shí)序圖

因此,關(guān)于斷層帶突出發(fā)生機(jī)理的研究主要集中于構(gòu)造煤、瓦斯、應(yīng)力和構(gòu)造特征方面,這四個(gè)方面也是煤系斷層帶與突出發(fā)生相關(guān)的顯著要素;但是近些年在現(xiàn)場突出預(yù)測及防治措施方面取得了較大進(jìn)步,卻在斷層突出發(fā)生機(jī)理方面的研究涉及較少。究其原因,筆者認(rèn)為在以往對斷層帶突出發(fā)生機(jī)理的研究中,更側(cè)重于強(qiáng)調(diào)斷層帶的單一或某些要素對突出的影響,這是由于斷層構(gòu)造賦存多樣化且復(fù)雜化,特別是富含瓦斯煤系斷層,瓦斯賦存分布及運(yùn)移特征往往呈現(xiàn)非線性、弱規(guī)律特征,因此對斷層帶物理力學(xué)、瓦斯運(yùn)移及構(gòu)造特征的統(tǒng)一、定量表征成為難點(diǎn),這也成為斷層控制突出發(fā)生機(jī)理研究的關(guān)鍵問題。

綜上所述,通過對突出發(fā)生機(jī)理以及斷層對突出控制作用方面的研究現(xiàn)狀介紹,并采用CiteSpace軟件進(jìn)行知識圖譜可視化對相關(guān)研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢進(jìn)行梳理,可知對于中英文文獻(xiàn)在煤與瓦斯突出發(fā)生機(jī)理的研究關(guān)鍵詞都集中于瓦斯、應(yīng)力與構(gòu)造煤方面,且CNKI和Web of Science文獻(xiàn)中關(guān)鍵詞覆蓋范圍最廣的分別是構(gòu)造煤和瓦斯抽采(gas drainage),前者是基于突出高發(fā)區(qū)域因素的理論研究,后者是側(cè)重于突出防治的技術(shù)手段。而對于斷層與突出發(fā)生關(guān)聯(lián)方面,中英文文獻(xiàn)相關(guān)研究內(nèi)容也都基于構(gòu)造煤、應(yīng)力、瓦斯和構(gòu)造特征方面;且其研究發(fā)展趨勢都類似,即主要在突出防治預(yù)測及技術(shù)手段方面,而在機(jī)理方面卻大多定性分析并且在近些年研究逐漸減少。因此,雖然目前斷層帶作為突出高發(fā)區(qū)域,斷層控制突出發(fā)生機(jī)理亟待闡明,但近年來相關(guān)研究內(nèi)容數(shù)量有限且仍有待進(jìn)一步深入,特別是需要進(jìn)一步明確斷層構(gòu)造與突出發(fā)生的關(guān)聯(lián)因素,建立簡化的斷層統(tǒng)一物理模型描述采掘擾動(dòng)下斷層構(gòu)造—應(yīng)力—瓦斯耦合機(jī)制,最后定量闡明采掘擾動(dòng)下斷層對突出發(fā)生的影響并解釋斷層控制突出發(fā)生機(jī)制,對煤礦現(xiàn)場突出防治、保證安全生產(chǎn)具有重要意義。

3 結(jié)論

(1) 通過對2000～2022年煤與瓦斯突出領(lǐng)域研究知識圖譜分析發(fā)現(xiàn),煤與瓦斯突出領(lǐng)域研究可大致分為煤與瓦斯突出機(jī)理與瓦斯突出預(yù)測及防治,其中針對構(gòu)造煤的突出預(yù)測及突出防治的相關(guān)研究為研究重點(diǎn),其次為瓦斯壓力、瓦斯抽放。

(2) 斷層構(gòu)造—突出發(fā)生機(jī)理的相關(guān)研究主要集中于斷層帶瓦斯和應(yīng)力特征以及構(gòu)造煤和構(gòu)造特征,以定性分析為主,在近些年研究逐漸減少。斷層構(gòu)造—突出防治預(yù)測及技術(shù)手段在近年逐漸成為研究熱點(diǎn)。

(3) 斷層控制突出發(fā)生機(jī)理相關(guān)研究內(nèi)容數(shù)量有限且仍有待進(jìn)一步深入,需明確斷層構(gòu)造與突出發(fā)生的關(guān)聯(lián)因素,建立采掘擾動(dòng)下斷層構(gòu)造—應(yīng)力—瓦斯耦合機(jī)制,定量闡明采掘擾動(dòng)下斷層對突出發(fā)生的影響并解釋斷層控制突出發(fā)生機(jī)制,為煤與瓦斯突出領(lǐng)域的深入研究提供參考。