關(guān)于突出煤層分級(jí)管理問題的探討與思考

劉志偉，何明川

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

我國煤礦煤與瓦斯突出災(zāi)害十分嚴(yán)重，隨著開采深度和開采強(qiáng)度的逐漸增加，地應(yīng)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(jù)統(tǒng)計(jì)，自2000—2018年我國發(fā)生煤與瓦斯突出事故總計(jì)460余起，死亡約3 000人，突出事故涉及區(qū)域多達(dá)19個(gè)省份。由于我國煤層結(jié)構(gòu)、瓦斯及地質(zhì)賦存條件差異較大，因此煤層的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)程度表現(xiàn)出較大不同[3]。2000—2018年發(fā)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(rèn)發(fā)生在礦區(qū)突出危險(xiǎn)程度最為嚴(yán)重的突出煤層或突出區(qū)域，具有突出強(qiáng)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(diǎn)。因此，對(duì)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)程度嚴(yán)重的突出煤層或突出區(qū)域采取強(qiáng)化的管理防治措施是遏制煤與瓦斯突出事故發(fā)生的關(guān)鍵。

多年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)程度如何分級(jí)做了大量的研究工作[4-5]，前蘇聯(lián)、波蘭、西班牙等國家在20世紀(jì)70年代建立了各自的煤層突出危險(xiǎn)程度或礦井突出危險(xiǎn)程度的分級(jí)方法。前蘇聯(lián)將煤層按照突出危險(xiǎn)程度分為四級(jí)，波蘭按瓦斯危險(xiǎn)性將煤層劃分為六級(jí)，前蘇聯(lián)和波蘭均未對(duì)突出礦井進(jìn)行分級(jí)；西班牙按瓦斯危險(xiǎn)程度將礦井劃分為四級(jí)，未對(duì)煤層進(jìn)行分級(jí)。國內(nèi)學(xué)者卞伯綬[5]、于不凡[6]、王佑安[7]、鄒奎業(yè)[8]等提出了突出礦井危險(xiǎn)程度的分級(jí)方法及指標(biāo)；煤炭科學(xué)研究總院重慶分院與平頂山煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司開展突出礦井分級(jí)管理技術(shù)研究，建立了基于突出危害和突出危險(xiǎn)性12項(xiàng)指標(biāo)相結(jié)合的模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判的突出礦井分級(jí)方法[9]。

2010年以來，國家和部分省份出臺(tái)文件對(duì)突出煤層進(jìn)行分類管理，部分省份為強(qiáng)化突出防治工作要求采取單一嚴(yán)格的區(qū)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(shí)施防突工程，對(duì)突出危險(xiǎn)程度低的突出煤層在不同程度上會(huì)造成采掘接替失調(diào)的局面，影響煤礦開展瓦斯防治的積極性，以致于出現(xiàn)抽采達(dá)標(biāo)數(shù)據(jù)和區(qū)域措施效果檢驗(yàn)數(shù)據(jù)造假等情況，造成重大安全隱患。2016年版《煤礦安全規(guī)程》第210條規(guī)定不得將在本巷道施工順煤層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯作為區(qū)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(duì)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(jiān)察局啟動(dòng)2009年版《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》修訂工作，再次提出突出煤層是否分級(jí)及分級(jí)管理等問題，需要進(jìn)一步深入分析及研討。

筆者統(tǒng)計(jì)和分析了2000—2018年發(fā)生的大量突出事故，以及發(fā)生突出事故煤層的瓦斯參數(shù)，對(duì)突出煤層分級(jí)管理等問題進(jìn)行深入探討，提出突出煤層分級(jí)思路及配套措施并進(jìn)行分析和優(yōu)選，以期為突出煤層分級(jí)管理工作提供指導(dǎo)。

1 突出煤層分級(jí)思路

1.1 總體原則

1)對(duì)象明確。針對(duì)開采的區(qū)域或?qū)Σ删蚧顒?dòng)造成威脅的突出煤層或突出區(qū)域進(jìn)行分級(jí)。

2)級(jí)數(shù)適宜。各級(jí)應(yīng)避免模糊，方法便于操作，措施有利于執(zhí)行和監(jiān)管監(jiān)察。

3)方法簡單。分級(jí)指標(biāo)、判定規(guī)則合理可行，能夠準(zhǔn)確反映煤層突出危險(xiǎn)程度。

4)效果明顯。配套防突措施，強(qiáng)化措施管理，緩解采掘接續(xù)緊張程度，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 分級(jí)方案

1)突出煤層分級(jí)、突出危險(xiǎn)區(qū)域不分級(jí)。將突出煤層分為嚴(yán)重突出煤層和一般突出煤層，突出煤層的突出危險(xiǎn)區(qū)域不再進(jìn)行分級(jí)。

2)突出煤層不分級(jí)、突出危險(xiǎn)區(qū)域分級(jí)。即對(duì)突出煤層不進(jìn)行分級(jí)，將突出煤層的突出危險(xiǎn)區(qū)域分為嚴(yán)重突出危險(xiǎn)區(qū)和一般突出危險(xiǎn)區(qū)。

3)突出煤層不分級(jí)，突出危險(xiǎn)區(qū)域強(qiáng)化管理。即保持現(xiàn)有突出煤層鑒定和突出危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測(cè)的方法，在特定煤層瓦斯賦存條件下采取強(qiáng)化管理的措施。

2 強(qiáng)化管理措施

2.1 部門規(guī)章規(guī)定

2016年版《煤礦安全規(guī)程》第210條規(guī)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(yù)抽煤巷條帶瓦斯作為區(qū)域防突措施：

(一)新建礦井的突出煤層。

(二)歷史上發(fā)生過突出強(qiáng)度大于500 t/次的。

(三)開采范圍內(nèi)煤層堅(jiān)固性系數(shù)小于0.3的；或者煤層堅(jiān)固性系數(shù)為0.3～0.5，且埋深大于500 m的；或者煤層堅(jiān)固性系數(shù)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(yīng)力集中區(qū)的。

2.2 部分省份強(qiáng)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(biāo)，當(dāng)達(dá)到或者超過該指標(biāo)時(shí)必須采取開采保護(hù)層或利用底(頂)板巖巷穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯的區(qū)域防突措施；嚴(yán)禁采用順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯代替區(qū)域防突措施或局部區(qū)域防突措施進(jìn)行補(bǔ)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(biāo)，當(dāng)達(dá)到或者超過該指標(biāo)時(shí)必須采取穿層預(yù)抽措施；嚴(yán)禁采用順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯的區(qū)域防突措施。

河北省對(duì)于煤層瓦斯壓力p≥2.0 MPa、埋深大于800 m且無保護(hù)層開采的礦井，經(jīng)專家論證現(xiàn)有技術(shù)不能滿足該礦井瓦斯防治需要、安全風(fēng)險(xiǎn)不可控的，應(yīng)劃定禁采區(qū)或緩采區(qū)等。

3 分級(jí)方案優(yōu)選

3.1 分級(jí)階段和強(qiáng)化措施

根據(jù)我國防治煤與瓦斯突出的基本流程，新建礦井、生產(chǎn)礦井的防突工作中關(guān)于煤層突出危險(xiǎn)程度分級(jí)階段主要有：建井前或新水平新采區(qū)突出危險(xiǎn)性評(píng)估、建井或生產(chǎn)期間突出鑒定、突出煤層區(qū)域預(yù)測(cè)。

將建井前或新水平新采區(qū)突出危險(xiǎn)性的評(píng)估結(jié)果作為礦井立項(xiàng)、初步(新水平新采區(qū))設(shè)計(jì)和指導(dǎo)建井期間(新水平新采區(qū)開拓工程)揭煤作業(yè)的依據(jù)，主要包括突出礦井巷道布置、保護(hù)層選擇、防突措施選擇等。若將煤層評(píng)估為嚴(yán)重突出煤層，可借鑒我國部分省份關(guān)于強(qiáng)化防突管理的相關(guān)措施，嚴(yán)重突出煤層必須進(jìn)行地面井抽采、開采保護(hù)層或必須采用穿層鉆孔預(yù)抽的區(qū)域防突措施。也可采取降低區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)指標(biāo)臨界值，甚至可將其劃為禁采區(qū)或緩采區(qū)等更為嚴(yán)格的管理措施。

建井或生產(chǎn)期間突出鑒定是決定開采煤層是否被采取兩個(gè)“四位一體”綜合防突措施的重要依據(jù)，對(duì)煤層的實(shí)際采掘作業(yè)進(jìn)行指導(dǎo)。若煤層被鑒定為嚴(yán)重突出煤層，則將面臨采掘部署調(diào)整，區(qū)域防突措施變更等關(guān)鍵問題。

突出煤層區(qū)域預(yù)測(cè)是對(duì)突出煤層是否采取區(qū)域防突措施的重要依據(jù)，用于指導(dǎo)工作面的設(shè)計(jì)和采掘生產(chǎn)作業(yè)。若煤層被預(yù)測(cè)為嚴(yán)重突出危險(xiǎn)區(qū)，借鑒我國部分省份關(guān)于強(qiáng)化防突管理的相關(guān)措施，則需要采取更為嚴(yán)格的區(qū)域防突措施，如采取地面井抽采、開采保護(hù)層、穿層鉆孔預(yù)抽等措施，或?qū)⑵鋭澐譃榻蓞^(qū)或緩采區(qū)等，其對(duì)煤礦突出防治工作有重要指導(dǎo)作用。

3.2 方案對(duì)比分析

從我國現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)[10-11]來看，井田內(nèi)預(yù)測(cè)、評(píng)估或認(rèn)定有突出危險(xiǎn)煤層的，按照突出礦井進(jìn)行設(shè)計(jì)。將測(cè)算煤層瓦斯原始?jí)毫_(dá)到3.0 MPa及以上的煤層(通過地面煤層氣井預(yù)抽能降至3.0 MPa以下的煤層除外)列為禁止開采區(qū)域。若將突出煤層劃分為一般突出煤層和嚴(yán)重突出煤層，其突出煤層的本質(zhì)屬性沒有改變，則均按突出礦井設(shè)計(jì)，其巷道布置和區(qū)域防突措施設(shè)計(jì)均無明顯差異。

突出煤層分級(jí)是我國煤礦煤與瓦斯突出防治技術(shù)和管理不斷發(fā)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(jìn)展，但在新形勢(shì)下也出現(xiàn)了一系列新情況和新問題，隨著煤礦開采深度和開采強(qiáng)度的不斷增大，以應(yīng)力為主導(dǎo)型的中小型突出事故數(shù)量逐步增加，尤其是一些突出危險(xiǎn)程度低的非突出礦井安全紅線意識(shí)淡薄、缺乏對(duì)煤層突出危險(xiǎn)性的重視，對(duì)突出預(yù)兆認(rèn)識(shí)不清，在具有突出危險(xiǎn)情況下冒然進(jìn)行采掘作業(yè)導(dǎo)致重特大突出事故時(shí)有發(fā)生。因此，我國煤礦突出災(zāi)害的形勢(shì)依然嚴(yán)峻，突出防治工作仍然是我國煤礦安全生產(chǎn)中一項(xiàng)長期而艱巨的任務(wù)。為強(qiáng)化瓦斯零超限、煤層零突出目標(biāo)管理的新理念，堅(jiān)決防范和遏制煤礦煤與瓦斯突出事故，現(xiàn)階段突出煤層暫不能完全實(shí)施分級(jí)管理，在特殊情況下仍需要加強(qiáng)煤礦的防突意識(shí)，強(qiáng)化突出防治管理和措施，不能放松對(duì)突出危險(xiǎn)程度低的突出煤層的監(jiān)管監(jiān)察。

目前我國現(xiàn)有規(guī)范或規(guī)定對(duì)突出煤層已進(jìn)行分區(qū)管理，突出煤層區(qū)域預(yù)測(cè)分為突出危險(xiǎn)區(qū)和無突出危險(xiǎn)區(qū)，對(duì)不同區(qū)域采取科學(xué)合理的區(qū)域瓦斯治理措施，對(duì)緩解礦井采掘接替緊張程度，提高煤礦經(jīng)濟(jì)效益發(fā)揮了重要作用。2016年版《煤礦安全規(guī)程》第210條指出：河南、安徽、河北等省份對(duì)不同條件下的突出煤層采取了強(qiáng)化防突措施進(jìn)行分類管理，對(duì)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(xiǎn)區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步劃分。

針對(duì)突出煤層的突出危險(xiǎn)區(qū)有無必要進(jìn)行分級(jí)的問題，《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》修訂小組認(rèn)為，在目前煤礦安全形勢(shì)下，突出區(qū)域分級(jí)會(huì)造成煤礦企業(yè)(煤礦)和監(jiān)管監(jiān)察部門的不同理解和認(rèn)識(shí)，可能會(huì)造成煤礦企業(yè)(煤礦)忽視或放松對(duì)一般突出危險(xiǎn)區(qū)的管理而導(dǎo)致突出事故發(fā)生，或者造成監(jiān)管監(jiān)察部門弱化對(duì)一般突出危險(xiǎn)區(qū)的管理、過于強(qiáng)化對(duì)嚴(yán)重突出危險(xiǎn)區(qū)的管理。因此，突出煤層的突出危險(xiǎn)區(qū)不宜再進(jìn)行分區(qū)管理，但對(duì)于災(zāi)害嚴(yán)重的區(qū)域應(yīng)強(qiáng)化防突措施并加強(qiáng)管理。

結(jié)合突出煤層分級(jí)方案、我國及部分省份強(qiáng)化管理措施和我國煤礦安全形勢(shì)的發(fā)展程度，經(jīng)綜合考慮，宜采用“突出煤層不分級(jí)，突出危險(xiǎn)區(qū)域強(qiáng)化管理”的方案，符合我國當(dāng)前煤礦突出防治的新理念和安全監(jiān)管監(jiān)察的新要求。

4 分類指標(biāo)及強(qiáng)化措施探討

4.1 分類指標(biāo)

國內(nèi)外研究學(xué)者曾提出多種關(guān)于突出礦井分級(jí)的指標(biāo)，而以突出危害和突出危險(xiǎn)性的12項(xiàng)指標(biāo)[12-15]在突出煤層采用強(qiáng)化措施時(shí)具有較大的借鑒價(jià)值。例如“突出強(qiáng)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(biāo)，是煤礦在不同時(shí)期、采取不同程度防突措施條件下發(fā)生突出而形成的歷史數(shù)據(jù)，但是自《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》頒布以來，提出了“區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補(bǔ)充”的防突原則，建立了以兩個(gè)“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(xiàn)階段大部分突出礦井未發(fā)生過突出事故。鑒于歷史數(shù)據(jù)與新時(shí)期防突理念的重大改變，其突出危害指標(biāo)在強(qiáng)化措施管理方面適用性較低，不能有效指導(dǎo)現(xiàn)階段突出煤層強(qiáng)化措施的分類管理。

突出煤層強(qiáng)化措施主要針對(duì)部分區(qū)域進(jìn)行，具有區(qū)域分類管理的特性，更類似于區(qū)域預(yù)測(cè)分類管理的概念，對(duì)突出煤層進(jìn)行區(qū)域預(yù)測(cè)主要依據(jù)煤層瓦斯壓力p和煤層瓦斯含量W指標(biāo)。結(jié)合“打鉆時(shí)的動(dòng)力現(xiàn)象、瓦斯壓力、開采深度、地質(zhì)構(gòu)造、鉆孔瓦斯涌出初速度或瓦斯解吸指標(biāo)、堅(jiān)固性系數(shù)”等歷史研究成果，本著能夠準(zhǔn)確反映突出危險(xiǎn)程度、容易獲取和量化、強(qiáng)化措施的可操作性和可執(zhí)行性等原則綜合考慮，認(rèn)為強(qiáng)化措施指標(biāo)宜選用煤層原始瓦斯壓力p、煤層原始瓦斯含量W、煤層堅(jiān)固性系數(shù)f等指標(biāo)比較合適。上述指標(biāo)最能直接反映突出危險(xiǎn)程度，瓦斯壓力(或瓦斯含量)越大、煤體越松軟則突出危險(xiǎn)程度就越高。

對(duì)于“打鉆時(shí)的動(dòng)力現(xiàn)象、開采深度、地質(zhì)構(gòu)造、鉆孔瓦斯涌出初速度或瓦斯解吸指標(biāo)”也未被采用，其原因是噴孔頂鉆等動(dòng)力現(xiàn)象、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度、開采深度等指標(biāo)無法量化。在2000—2018年統(tǒng)計(jì)的43起重特大突出事故中突出地點(diǎn)的煤層埋深為152～928 m，埋深數(shù)據(jù)離散性大；鉆孔瓦斯涌出初速度或瓦斯解吸指標(biāo)可以量化，但現(xiàn)場(chǎng)難以測(cè)到突出煤層原始區(qū)域的數(shù)據(jù)。

4.2 強(qiáng)化措施探討

對(duì)2000—2018年43起重特大煤與瓦斯突出事故煤層堅(jiān)固性系數(shù)f值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，事故煤層平均堅(jiān)固性系數(shù)f為0.29，其中f≤0.3的占比為79.1%，即發(fā)生重特大突出事故煤層中絕大部分f≤0.3，因此，把煤層堅(jiān)固性系數(shù)f≤0.3作為指標(biāo)進(jìn)行強(qiáng)化措施是可行的。

對(duì)43起突出事故煤層的原始瓦斯壓力p、原始瓦斯含量W進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可知發(fā)生突出事故的煤層對(duì)應(yīng)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(duì)2000—2018年全國各礦區(qū)447個(gè)煤層中不同瓦斯壓力條件下對(duì)應(yīng)的煤層瓦斯含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)瓦斯壓力為1.5 MPa時(shí)，瓦斯含量平均值為15.89 m3/t；瓦斯壓力為2.0 MPa時(shí)，瓦斯含量平均值為17.31 m3/t。447個(gè)煤層中不同瓦斯壓力條件下對(duì)應(yīng)的瓦斯含量如表2所示。

表2 447個(gè)煤層不同瓦斯壓力條件下對(duì)應(yīng)的瓦斯含量

統(tǒng)計(jì)447個(gè)煤層對(duì)應(yīng)的瓦斯含量數(shù)據(jù)，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(rèn)為突出煤層中瓦斯含量W≥15 m3/t，瓦斯壓力p≥1.5 MPa時(shí)應(yīng)采取強(qiáng)化措施，同時(shí)借鑒河南、安徽、河北等省份的分類管理辦法，結(jié)合我國現(xiàn)有突出煤層瓦斯治理技術(shù)措施和裝備手段，建議對(duì)突出煤層采取如下強(qiáng)化措施：

1)針對(duì)堅(jiān)固性系數(shù)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(qū)域，不得將順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯作為突出煤層區(qū)域防突措施。

2)針對(duì)煤層瓦斯壓力p≥3.0 MPa的區(qū)域，采用地面煤層氣井預(yù)抽煤層瓦斯，開采保護(hù)層，采用遠(yuǎn)程操控鉆機(jī)施工鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯。

5 思考和建議

1)突出煤層分級(jí)是我國煤礦煤與瓦斯突出防治技術(shù)和管理不斷發(fā)展的階段性概念，我國暫不能通過分級(jí)管理弱化對(duì)突出危險(xiǎn)程度低的突出煤層的管理。為保障煤礦安全生產(chǎn)，強(qiáng)化瓦斯零超限、煤層零突出目標(biāo)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(qiáng)管理和采取強(qiáng)化措施。

2)提出的突出煤層強(qiáng)化管理的條件，是通過對(duì)2000—2018年發(fā)生的43起重特大突出事故和我國主要礦區(qū)447個(gè)煤層實(shí)驗(yàn)室參數(shù)統(tǒng)計(jì)得出，雖具有較大的參考價(jià)值，但仍需要進(jìn)一步分析完善。各省份可結(jié)合本地區(qū)突出災(zāi)害實(shí)際條件有選擇性地參考，待積累更多的數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)后，可對(duì)上述條件進(jìn)行修正和完善。

3)突出煤層分級(jí)管理是我國突出防治工作的最終目標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)我國突出礦井對(duì)防突措施和裝備的投入達(dá)到最經(jīng)濟(jì)、合理的目的。隨著我國煤礦突出防治技術(shù)裝備的不斷升級(jí)和完善，將會(huì)繼續(xù)推動(dòng)突出煤層分級(jí)管理的應(yīng)用實(shí)施。