基于突出強度對突出煤層分級問題的探討

肖 丹

(重慶工程職業技術學院，重慶 401331)

目前，國內外學者雖然已對突出煤層的突出危險程度的進一步分級做過大量研究工作，但研究主要針對“存在突出煤層的礦井”進行。例如，前蘇聯、波蘭采用突出強度指標對突出礦井進行分級，國內部分學者主張采用突出危害性指標和突出危險性指標對突出礦井進行分級[1-9]。我國突出礦井瓦斯賦存及突出危險程度差異性較大，突出強度從幾十噸到幾千噸不等、煤層原始瓦斯壓力介于0.74～9.0 MPa。我國有多達19個省市的煤礦發生過突出事故，但突出危險程度各不相同，據統計，2000—2019年發生的75起重特大突出事故中，有65起是發生在突出危險程度較為嚴重的煤層，占比達85.2%。從過去幾十年煤層發生瓦斯突出事故的記錄來看，有些突出煤層發生過突出事故，而有些煤層雖是突出煤層，但卻從未發生過突出事故。突出煤層分級一方面有助于對突出礦井做出更合理的安全投入決策，另一方面為礦井確定開采程序、防突規劃、采掘接替規劃等提供重要依據。因此有必要對突出煤層進行進一步的級別劃分。

1 突出煤層分級方法

考慮我國突出煤層瓦斯賦存的差異性、煤礦技術人員水平、現有防突措施情況，以及便于監管監察等因素，突出煤層分級應遵從“對象明確、級數合適、方法簡單、效果明顯”的總體原則，提出將突出煤層按突出危險程度初步劃分為“一般突出煤層”和“嚴重突出煤層”。

借鑒突出礦井分級方法對突出煤層進行分級，主要涉及兩大類方法，包括突出危害性指標和突出危險性指標。突出危害性指標主要適用于已經發生過突出事故的礦井，對于沒有發生過突出事故的礦井，主要依據煤層突出危險性指標確定。在突出礦井“突出強度、突出頻度、突出類型比重”等諸多突出危害性指標中，突出強度最能直觀反映煤層突出的危害程度，因此可依據突出強度進行突出煤層分級。

2 基于突出強度分級的指標

采用突出強度進行分級時，將“拋出煤炭量S、噸煤瓦斯涌出量Q0和突出次數N”這3個指標作為突出煤層分級指標。

拋出煤炭量S代表了發生突出時的規模和破壞能力；噸煤瓦斯涌出量Q0則間接反映了煤層瓦斯含量大小、突出時瓦斯解吸能力和破壞煤體能力的大小；突出次數N(多次發生突出)說明突出煤層在現有防突技術措施手段下瓦斯治理很難，煤層始終處于突出危險的高危狀態。但噸煤瓦斯涌出量Q0和突出次數N與煤層突出的嚴重程度沒有必然關系，所以需要根據統計數據進一步確定判定規則。

3 分級指標的來源和測算方法

3.1 指標來源

拋出煤炭量S、噸煤瓦斯涌出量Q0和突出次數N3個指標，主要數據來源為突出事故調查報告，同時也要參考礦井發生突出事故的歷次突出記錄卡片。

3.2 指標測算方法

對于已發生的突出事故，分級指標值只需采用突出卡片或調查報告提供的數據，必要情況下可以對拋出煤炭量S和噸煤瓦斯涌出量Q0進一步核算，力求分級結果準確，核算方法按照現行標準、規范進行；突出次數N主要統計記錄的突出次數即可。

4 判定規則及其指標臨界值

4.1 判定規則

合理的判定規則是提高判定準確率的關鍵之一。當采用突出強度進行判定時，拋出煤炭量S可以單獨作為判定規則，以往對突出礦井分級的研究也是單獨采用該指標，并且我國劃分煤與瓦斯突出危險等級時也單獨采用了該指標；而噸煤瓦斯涌出量Q0不能單獨用于判定，雖然Q0反映了突出地點的煤層瓦斯賦存狀態，但在目前的防突體系下，突出地點基本處于防突措施實施后狀態，而突出煤層分級面對的必須是原始狀態，另外，即使原始瓦斯壓力差不多，但突出后Q0的差別也可能很大。

噸煤瓦斯涌出量Q0與拋出煤炭量S組合判定是可行的，因為嚴重突出煤層的特點就是瓦斯含量高、難治理，發生突出時強度大、事故等級高、破壞性強，雖然拋出煤炭量S達不到大型突出強度，但若同時噸煤瓦斯涌出量Q0達到一定值，也會把煤炭拋出較遠的距離、甚至發生瓦斯逆流，煤層突出波及范圍大，會造成大量人員傷亡。

突出次數N也不能單獨用于突出等級判定，國內外雖然在突出礦井分級時都采用這個指標[10]，但都沒有單獨使用，而是與拋出煤炭量S組合判定，若某個煤層確實發生了幾次突出，但拋出煤炭量只有十幾噸或幾十噸，都比較小，沒有造成破壞性或人員傷亡，表明該煤層本身就不具備發生高等級或大型突出事故的屬性，因此僅根據突出次數就判定該煤層是嚴重突出煤層是不科學也不嚴謹的。

4.2 指標臨界值

判定指標臨界值是突出煤層分級的核心內容，分級指標臨界值的確定是以2000—2019年發生的突出事故及突出事故煤層瓦斯資料、大量實驗室瓦斯參數測定結果等的統計分析為依據。

1)拋出煤炭量S臨界值確定

統計2000—2019年全國發生的75起重、特大突出事故(死亡人數≥10人)和202起較大突出事故(死亡人數3～9人)，將拋出煤炭量S分為7個等級，分別以不同強度級別為起點統計其占比情況，結果見表1和表2。

表1 2000—2019年全國重、特大突出事故中拋出煤炭量S占比情況

表2 2000—2019年全國較大突出事故中拋出煤炭量S占比情況

由表1可知，發生重、特大突出事故時的拋出煤炭量S均大于200 t；由表2可知發生較大突出事故時S≥200 t的比例高達72.3%。因此將拋出煤炭量S的臨界值設為200 t是不合適的，因為當S≥200 t時，重、特大事故和較大事故都有可能發生。但根據表2可知，當S≥500 t時，發生較大事故的比例僅為3.0%，而在發生重、特大突出事故時S≥500 t的比例為68.0%。表明當S≥500 t時，發生重、特大突出事故的概率較高，當S<500 t時，發生較大突出事故的概率更高。

綜合考慮我國防突管理和突出礦井分級的研究現狀，確定單一指標拋出煤炭量S臨界值。一是我國按突出強度劃分煤與瓦斯突出危險等級時，將突出強度(拋出煤炭量S)500 t作為大型和較大突出的分界點；二是以往對突出礦井分級的研究也把突出強度(拋出煤炭量S)500 t作為臨界值。

綜上分析，基于判定準確性及便于現有防突管理的角度，將拋出煤炭量S作為單一指標判定嚴重突出煤層時的臨界值確定為500 t。

2)拋出煤炭量S與噸煤瓦斯涌出量Q0組合判定臨界值確定

在表1中統計的75起重、特大突出事故中，拋出煤炭量S都在200 t以上，在表2中統計的較大突出事故中，拋出煤炭量S在200 t以下的僅占27.7%，波蘭的上西里西亞煤田和下西里西亞煤田也把突出強度≥200 t作為最為嚴重的突出礦井判定指標之一，因此把200 t≤S<500 t作為組合判定臨界值。

分別統計2000—2019年發生的重、特大突出事故75起(由表1可知，其中200 t≤S<500 t的重、特大突出事故24起)和較大突出事故93起(202起較大突出事故中可統計噸煤瓦斯涌出量Q0的為93起)，綜合考慮突出事故中拋出煤炭量S和噸煤瓦斯涌出量Q02個指標，將其分為4個檔次，并將200 t≤S<500 t且Q0≥40 m3作為檔次分級起點，統計不同檔次突出事故占比情況，如表3和表4所示。

表3 2000—2019年重、特大突出事故中不同檔次占比情況

表4 2000—2019年較大突出事故中不同檔次占比情況

通過對2000—2019年發生重、特大突出事故時拋出煤炭量S和噸煤瓦斯涌出量Q02個數據的統計分析可知(見表1和表3)，在S和Q0的組合判定當中，認為噸煤瓦斯涌出量Q0為80 m3作為臨界值比較合適。一是表1中拋出煤炭量S作為單一指標判定嚴重突出煤層時的臨界值S≥500 t所占比例為68.0%，相對不算高，但表3中200 t≤S<500 t且噸煤瓦斯涌出量Q0≥80 m3這一判定規則所占比例達到了20.0%，兩者相疊加(是不交叉的)則比例高達88.0%，這個比例是合適的；二是分析2000—2019年較大突出事故中不同檔次占比情況(見表4)，在 200 t≤S<500 t的情況下，當Q0的臨界值為40或60 m3時重、特大突出事故或者較大突出事故發生的概率都比較大；當Q0的臨界值為80 m3時，較大突出事故發生的概率為18.2%，取Q0的臨界值為80 m3是可以接受的。

綜上分析，基于判定準確性的角度，應用拋出煤炭量S與噸煤瓦斯涌出量Q0組合判定時，當200 t≤S<500 t，且噸煤瓦斯涌出量Q0≥80 m3，判定該煤層為嚴重突出煤層。

3)突出次數N與拋出煤炭量S組合判定臨界值確定

據可統計的202起較大(死亡人數≥3人)突出事故中，200 t≤S<500 t的突出事故有141起，其占比達到了69.8%；另外，通過對一些典型突出事故，比如重慶三匯三礦“8·30”事故、貴州政忠煤礦“8·11”事故、河北陶二煤礦“4·20”事故等分析發現，200 t≤S<500 t的突出事故，煤炭堆積長度都達到了40 m以上，在40 m范圍內因拋出煤炭掩埋致死的人數占事故總死亡人數的79.0%，表明發生突出的一瞬間煤炭拋出的距離達到40 m以上，采掘工作面內的作業人員很難逃生。如果200 t≤S<500 t的突出經常發生，總死亡人數達到10人以上的可能性是極高的，韓城下峪口煤礦3#煤層突出就是個典型的例子，這是不被允許的。波蘭把“拋出煤炭量S≥200 t且頻繁發生”作為判定規則判定突出危險程度最為嚴重的礦井。參考我國煤與瓦斯突出事故統計數據[11-12]，將N≥3次確定為組合判定臨界值。

綜合以上分析并借鑒國外的經驗，采用突出次數N和拋出煤炭量S組合判定時，當200 t≤S<500 t且N≥3時，判定該煤層為嚴重突出煤層。

5 分級管理及措施

突出煤層分級以后的管理可以借鑒突出煤層(礦井)鑒定的相關管理辦法，分級的煤層應當以具有獨立生產系統的自然礦井為單位。分級以后的防突措施重點為嚴重突出煤層的防突措施。

根據經驗，對于具有煤層群開采條件的嚴重突出煤層，嚴禁將其作為首采層，必須開采保護層[13-16](單一煤層根據實際情況采用穿層鉆孔預抽瓦斯或開采軟巖作為保護層)。而對于一般突出煤層的管理，應遵循現行《防治煤與瓦斯突出細則》《煤礦安全規程》和相關標準、規范的要求。

6 結語

通過對2000—2019年突出事故、突出礦井分級研究成果的統計與分析，將突出煤層按突出危險程度劃分為“一般突出煤層”和“嚴重突出煤層”，建立了以突出強度(拋出煤炭量S、噸煤瓦斯涌出量Q0、突出次數N)作為分級指標依據的突出煤層分級方法。2019年頒布實施的《防治煤與瓦斯突出細則》中新增了突出煤層的認定要求，突出煤層分級雖然目前還處在探討階段，但隨著我國突出礦井防突技術的發展和管理水平的提升，其對我國突出礦井瓦斯防治體系的進一步細化、完善和提升都有重要的指導意義。