關于突出煤層分級管理問題的探討與思考

劉志偉，何明川

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

我國煤礦煤與瓦斯突出災害十分嚴重，隨著開采深度和開采強度的逐漸增加，地應力和瓦斯壓力不斷增大，瓦斯突出事故在我國煤礦瓦斯事故中的比例逐漸增大[1-2]。據統計，自2000—2018年我國發生煤與瓦斯突出事故總計460余起，死亡約3 000人，突出事故涉及區域多達19個省份。由于我國煤層結構、瓦斯及地質賦存條件差異較大，因此煤層的煤與瓦斯突出危險程度表現出較大不同[3]。2000—2018年發生的43起重特大煤與瓦斯突出事故中，80%以上煤與瓦斯突出事故均被公認發生在礦區突出危險程度最為嚴重的突出煤層或突出區域，具有突出強度大、頻次高且突出瓦斯量大、煤層松軟、瓦斯壓力(瓦斯含量)高等特點。因此，對煤與瓦斯突出危險程度嚴重的突出煤層或突出區域采取強化的管理防治措施是遏制煤與瓦斯突出事故發生的關鍵。

多年來，國內外學者對煤與瓦斯突出危險程度如何分級做了大量的研究工作[4-5]，前蘇聯、波蘭、西班牙等國家在20世紀70年代建立了各自的煤層突出危險程度或礦井突出危險程度的分級方法。前蘇聯將煤層按照突出危險程度分為四級，波蘭按瓦斯危險性將煤層劃分為六級，前蘇聯和波蘭均未對突出礦井進行分級；西班牙按瓦斯危險程度將礦井劃分為四級，未對煤層進行分級。國內學者卞伯綬[5]、于不凡[6]、王佑安[7]、鄒奎業[8]等提出了突出礦井危險程度的分級方法及指標；煤炭科學研究總院重慶分院與平頂山煤業(集團)有限責任公司開展突出礦井分級管理技術研究，建立了基于突出危害和突出危險性12項指標相結合的模糊數學綜合評判的突出礦井分級方法[9]。

2010年以來，國家和部分省份出臺文件對突出煤層進行分類管理，部分省份為強化突出防治工作要求采取單一嚴格的區域防突措施，如河南、安徽、河北等。煤礦需要付出大量人力和物力實施防突工程，對突出危險程度低的突出煤層在不同程度上會造成采掘接替失調的局面，影響煤礦開展瓦斯防治的積極性，以致于出現抽采達標數據和區域措施效果檢驗數據造假等情況，造成重大安全隱患。2016年版《煤礦安全規程》第210條規定不得將在本巷道施工順煤層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯作為區域防突措施的條件，初步建立突出煤層按照不同條件選取不同的防突措施，對我國煤礦突出煤層的瓦斯高效治理和安全開采起到積極作用。2018年，國家煤礦安全監察局啟動2009年版《防治煤與瓦斯突出規定》修訂工作，再次提出突出煤層是否分級及分級管理等問題，需要進一步深入分析及研討。

筆者統計和分析了2000—2018年發生的大量突出事故，以及發生突出事故煤層的瓦斯參數，對突出煤層分級管理等問題進行深入探討，提出突出煤層分級思路及配套措施并進行分析和優選，以期為突出煤層分級管理工作提供指導。

1 突出煤層分級思路

1.1 總體原則

1)對象明確。針對開采的區域或對采掘活動造成威脅的突出煤層或突出區域進行分級。

2)級數適宜。各級應避免模糊，方法便于操作，措施有利于執行和監管監察。

3)方法簡單。分級指標、判定規則合理可行，能夠準確反映煤層突出危險程度。

4)效果明顯。配套防突措施，強化措施管理，緩解采掘接續緊張程度，提高經濟效益。

1.2 分級方案

1)突出煤層分級、突出危險區域不分級。將突出煤層分為嚴重突出煤層和一般突出煤層，突出煤層的突出危險區域不再進行分級。

2)突出煤層不分級、突出危險區域分級。即對突出煤層不進行分級，將突出煤層的突出危險區域分為嚴重突出危險區和一般突出危險區。

3)突出煤層不分級，突出危險區域強化管理。即保持現有突出煤層鑒定和突出危險區域預測的方法，在特定煤層瓦斯賦存條件下采取強化管理的措施。

2 強化管理措施

2.1 部門規章規定

2016年版《煤礦安全規程》第210條規定：有下列條件之一的突出煤層，不得將在本巷道施工順煤層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯作為區域防突措施：

(一)新建礦井的突出煤層。

(二)歷史上發生過突出強度大于500 t/次的。

(三)開采范圍內煤層堅固性系數小于0.3的；或者煤層堅固性系數為0.3～0.5，且埋深大于500 m的；或者煤層堅固性系數為0.5～0.8，且埋深大于600 m的；或者煤層埋深大于700 m的；或者煤巷條帶位于開采應力集中區的。

2.2 部分省份強化措施

河南省將煤層瓦斯壓力p≥0.6 MPa或瓦斯含量W≥6 m3/t作為突出管理指標，當達到或者超過該指標時必須采取開采保護層或利用底(頂)板巖巷穿層鉆孔預抽煤層瓦斯的區域防突措施；嚴禁采用順層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯代替區域防突措施或局部區域防突措施進行補充消突。

安徽省將煤層瓦斯壓力p≥3.0 MPa作為突出管理指標，當達到或者超過該指標時必須采取穿層預抽措施；嚴禁采用順層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯的區域防突措施。

河北省對于煤層瓦斯壓力p≥2.0 MPa、埋深大于800 m且無保護層開采的礦井，經專家論證現有技術不能滿足該礦井瓦斯防治需要、安全風險不可控的，應劃定禁采區或緩采區等。

3 分級方案優選

3.1 分級階段和強化措施

根據我國防治煤與瓦斯突出的基本流程，新建礦井、生產礦井的防突工作中關于煤層突出危險程度分級階段主要有：建井前或新水平新采區突出危險性評估、建井或生產期間突出鑒定、突出煤層區域預測。

將建井前或新水平新采區突出危險性的評估結果作為礦井立項、初步(新水平新采區)設計和指導建井期間(新水平新采區開拓工程)揭煤作業的依據，主要包括突出礦井巷道布置、保護層選擇、防突措施選擇等。若將煤層評估為嚴重突出煤層，可借鑒我國部分省份關于強化防突管理的相關措施，嚴重突出煤層必須進行地面井抽采、開采保護層或必須采用穿層鉆孔預抽的區域防突措施。也可采取降低區域防突措施效果檢驗指標臨界值，甚至可將其劃為禁采區或緩采區等更為嚴格的管理措施。

建井或生產期間突出鑒定是決定開采煤層是否被采取兩個“四位一體”綜合防突措施的重要依據，對煤層的實際采掘作業進行指導。若煤層被鑒定為嚴重突出煤層，則將面臨采掘部署調整，區域防突措施變更等關鍵問題。

突出煤層區域預測是對突出煤層是否采取區域防突措施的重要依據，用于指導工作面的設計和采掘生產作業。若煤層被預測為嚴重突出危險區，借鑒我國部分省份關于強化防突管理的相關措施，則需要采取更為嚴格的區域防突措施，如采取地面井抽采、開采保護層、穿層鉆孔預抽等措施，或將其劃分為禁采區或緩采區等，其對煤礦突出防治工作有重要指導作用。

3.2 方案對比分析

從我國現有設計規范和標準[10-11]來看，井田內預測、評估或認定有突出危險煤層的，按照突出礦井進行設計。將測算煤層瓦斯原始壓力達到3.0 MPa及以上的煤層(通過地面煤層氣井預抽能降至3.0 MPa以下的煤層除外)列為禁止開采區域。若將突出煤層劃分為一般突出煤層和嚴重突出煤層，其突出煤層的本質屬性沒有改變，則均按突出礦井設計，其巷道布置和區域防突措施設計均無明顯差異。

突出煤層分級是我國煤礦煤與瓦斯突出防治技術和管理不斷發展的階段性概念。雖然近年來我國煤礦突出防治工作取得了新進展，但在新形勢下也出現了一系列新情況和新問題，隨著煤礦開采深度和開采強度的不斷增大，以應力為主導型的中小型突出事故數量逐步增加，尤其是一些突出危險程度低的非突出礦井安全紅線意識淡薄、缺乏對煤層突出危險性的重視，對突出預兆認識不清，在具有突出危險情況下冒然進行采掘作業導致重特大突出事故時有發生。因此，我國煤礦突出災害的形勢依然嚴峻，突出防治工作仍然是我國煤礦安全生產中一項長期而艱巨的任務。為強化瓦斯零超限、煤層零突出目標管理的新理念，堅決防范和遏制煤礦煤與瓦斯突出事故，現階段突出煤層暫不能完全實施分級管理，在特殊情況下仍需要加強煤礦的防突意識，強化突出防治管理和措施，不能放松對突出危險程度低的突出煤層的監管監察。

目前我國現有規范或規定對突出煤層已進行分區管理，突出煤層區域預測分為突出危險區和無突出危險區，對不同區域采取科學合理的區域瓦斯治理措施，對緩解礦井采掘接替緊張程度，提高煤礦經濟效益發揮了重要作用。2016年版《煤礦安全規程》第210條指出：河南、安徽、河北等省份對不同條件下的突出煤層采取了強化防突措施進行分類管理，對防范和遏制突出事故起到重要作用，但沒有明確要將突出煤層的突出危險區進行進一步劃分。

針對突出煤層的突出危險區有無必要進行分級的問題，《防治煤與瓦斯突出規定》修訂小組認為，在目前煤礦安全形勢下，突出區域分級會造成煤礦企業(煤礦)和監管監察部門的不同理解和認識，可能會造成煤礦企業(煤礦)忽視或放松對一般突出危險區的管理而導致突出事故發生，或者造成監管監察部門弱化對一般突出危險區的管理、過于強化對嚴重突出危險區的管理。因此，突出煤層的突出危險區不宜再進行分區管理，但對于災害嚴重的區域應強化防突措施并加強管理。

結合突出煤層分級方案、我國及部分省份強化管理措施和我國煤礦安全形勢的發展程度，經綜合考慮，宜采用“突出煤層不分級，突出危險區域強化管理”的方案，符合我國當前煤礦突出防治的新理念和安全監管監察的新要求。

4 分類指標及強化措施探討

4.1 分類指標

國內外研究學者曾提出多種關于突出礦井分級的指標，而以突出危害和突出危險性的12項指標[12-15]在突出煤層采用強化措施時具有較大的借鑒價值。例如“突出強度、瓦斯逆流、噸煤瓦斯涌出量、突出頻度、突出類型比重”等突出危害指標，是煤礦在不同時期、采取不同程度防突措施條件下發生突出而形成的歷史數據，但是自《防治煤與瓦斯突出規定》頒布以來，提出了“區域防突措施先行、局部防突措施補充”的防突原則，建立了以兩個“四位一體”綜合防突措施為核心的防突體系，我國煤與瓦斯突出事故頻次逐年下降，現階段大部分突出礦井未發生過突出事故。鑒于歷史數據與新時期防突理念的重大改變，其突出危害指標在強化措施管理方面適用性較低，不能有效指導現階段突出煤層強化措施的分類管理。

突出煤層強化措施主要針對部分區域進行，具有區域分類管理的特性，更類似于區域預測分類管理的概念，對突出煤層進行區域預測主要依據煤層瓦斯壓力p和煤層瓦斯含量W指標。結合“打鉆時的動力現象、瓦斯壓力、開采深度、地質構造、鉆孔瓦斯涌出初速度或瓦斯解吸指標、堅固性系數”等歷史研究成果，本著能夠準確反映突出危險程度、容易獲取和量化、強化措施的可操作性和可執行性等原則綜合考慮，認為強化措施指標宜選用煤層原始瓦斯壓力p、煤層原始瓦斯含量W、煤層堅固性系數f等指標比較合適。上述指標最能直接反映突出危險程度，瓦斯壓力(或瓦斯含量)越大、煤體越松軟則突出危險程度就越高。

對于“打鉆時的動力現象、開采深度、地質構造、鉆孔瓦斯涌出初速度或瓦斯解吸指標”也未被采用，其原因是噴孔頂鉆等動力現象、地質構造復雜程度、開采深度等指標無法量化。在2000—2018年統計的43起重特大突出事故中突出地點的煤層埋深為152～928 m，埋深數據離散性大；鉆孔瓦斯涌出初速度或瓦斯解吸指標可以量化，但現場難以測到突出煤層原始區域的數據。

4.2 強化措施探討

對2000—2018年43起重特大煤與瓦斯突出事故煤層堅固性系數f值進行統計分析，事故煤層平均堅固性系數f為0.29，其中f≤0.3的占比為79.1%，即發生重特大突出事故煤層中絕大部分f≤0.3，因此，把煤層堅固性系數f≤0.3作為指標進行強化措施是可行的。

對43起突出事故煤層的原始瓦斯壓力p、原始瓦斯含量W進行統計分析，可知發生突出事故的煤層對應的瓦斯壓力平均值為1.99 MPa、瓦斯含量平均值為15.88 m3/t。43起突出事故中f≤0.3條件下不同瓦斯壓力p、瓦斯含量W占比如表1所示。

表1 43起突出事故中f≤0.3條件下不同p、W占比

對2000—2018年全國各礦區447個煤層中不同瓦斯壓力條件下對應的煤層瓦斯含量進行統計分析，當瓦斯壓力為1.5 MPa時，瓦斯含量平均值為15.89 m3/t；瓦斯壓力為2.0 MPa時，瓦斯含量平均值為17.31 m3/t。447個煤層中不同瓦斯壓力條件下對應的瓦斯含量如表2所示。

表2 447個煤層不同瓦斯壓力條件下對應的瓦斯含量

統計447個煤層對應的瓦斯含量數據，在瓦斯壓力為1.5 MPa條件下，瓦斯含量W≥13 m3/t的占82.8%，W≥14 m3/t的占72.0%，W≥15 m3/t的占59.1%；在瓦斯壓力為2.0 MPa條件下，瓦斯含量W≥14 m3/t的占85.1%，W≥15 m3/t的占74.6%，W≥16 m3/t的占63.0%。

分析表1、表2，認為突出煤層中瓦斯含量W≥15 m3/t，瓦斯壓力p≥1.5 MPa時應采取強化措施，同時借鑒河南、安徽、河北等省份的分類管理辦法，結合我國現有突出煤層瓦斯治理技術措施和裝備手段，建議對突出煤層采取如下強化措施：

1)針對堅固性系數f≤0.3，或煤層瓦斯壓力p≥1.5 MPa，或瓦斯含量W≥15 m3/t的區域，不得將順層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯作為突出煤層區域防突措施。

2)針對煤層瓦斯壓力p≥3.0 MPa的區域，采用地面煤層氣井預抽煤層瓦斯，開采保護層，采用遠程操控鉆機施工鉆孔預抽煤層瓦斯。

5 思考和建議

1)突出煤層分級是我國煤礦煤與瓦斯突出防治技術和管理不斷發展的階段性概念，我國暫不能通過分級管理弱化對突出危險程度低的突出煤層的管理。為保障煤礦安全生產，強化瓦斯零超限、煤層零突出目標管理的新理念，有效防范和遏制煤礦煤與瓦斯突出事故，在特殊情況下煤礦仍需要加強管理和采取強化措施。

2)提出的突出煤層強化管理的條件，是通過對2000—2018年發生的43起重特大突出事故和我國主要礦區447個煤層實驗室參數統計得出，雖具有較大的參考價值，但仍需要進一步分析完善。各省份可結合本地區突出災害實際條件有選擇性地參考，待積累更多的數據、經驗后，可對上述條件進行修正和完善。

3)突出煤層分級管理是我國突出防治工作的最終目標，可以實現我國突出礦井對防突措施和裝備的投入達到最經濟、合理的目的。隨著我國煤礦突出防治技術裝備的不斷升級和完善，將會繼續推動突出煤層分級管理的應用實施。