基于突出強(qiáng)度對(duì)突出煤層分級(jí)問題的探討

肖 丹

(重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 401331)

目前，國內(nèi)外學(xué)者雖然已對(duì)突出煤層的突出危險(xiǎn)程度的進(jìn)一步分級(jí)做過大量研究工作，但研究主要針對(duì)“存在突出煤層的礦井”進(jìn)行。例如，前蘇聯(lián)、波蘭采用突出強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)突出礦井進(jìn)行分級(jí)，國內(nèi)部分學(xué)者主張采用突出危害性指標(biāo)和突出危險(xiǎn)性指標(biāo)對(duì)突出礦井進(jìn)行分級(jí)[1-9]。我國突出礦井瓦斯賦存及突出危險(xiǎn)程度差異性較大，突出強(qiáng)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(dá)19個(gè)省市的煤礦發(fā)生過突出事故，但突出危險(xiǎn)程度各不相同，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000—2019年發(fā)生的75起重特大突出事故中，有65起是發(fā)生在突出危險(xiǎn)程度較為嚴(yán)重的煤層，占比達(dá)85.2%。從過去幾十年煤層發(fā)生瓦斯突出事故的記錄來看，有些突出煤層發(fā)生過突出事故，而有些煤層雖是突出煤層，但卻從未發(fā)生過突出事故。突出煤層分級(jí)一方面有助于對(duì)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(guī)劃、采掘接替規(guī)劃等提供重要依據(jù)。因此有必要對(duì)突出煤層進(jìn)行進(jìn)一步的級(jí)別劃分。

1 突出煤層分級(jí)方法

考慮我國突出煤層瓦斯賦存的差異性、煤礦技術(shù)人員水平、現(xiàn)有防突措施情況，以及便于監(jiān)管監(jiān)察等因素，突出煤層分級(jí)應(yīng)遵從“對(duì)象明確、級(jí)數(shù)合適、方法簡(jiǎn)單、效果明顯”的總體原則，提出將突出煤層按突出危險(xiǎn)程度初步劃分為“一般突出煤層”和“嚴(yán)重突出煤層”。

借鑒突出礦井分級(jí)方法對(duì)突出煤層進(jìn)行分級(jí)，主要涉及兩大類方法，包括突出危害性指標(biāo)和突出危險(xiǎn)性指標(biāo)。突出危害性指標(biāo)主要適用于已經(jīng)發(fā)生過突出事故的礦井，對(duì)于沒有發(fā)生過突出事故的礦井，主要依據(jù)煤層突出危險(xiǎn)性指標(biāo)確定。在突出礦井“突出強(qiáng)度、突出頻度、突出類型比重”等諸多突出危害性指標(biāo)中，突出強(qiáng)度最能直觀反映煤層突出的危害程度，因此可依據(jù)突出強(qiáng)度進(jìn)行突出煤層分級(jí)。

2 基于突出強(qiáng)度分級(jí)的指標(biāo)

采用突出強(qiáng)度進(jìn)行分級(jí)時(shí)，將“拋出煤炭量S、噸煤瓦斯涌出量Q0和突出次數(shù)N”這3個(gè)指標(biāo)作為突出煤層分級(jí)指標(biāo)。

拋出煤炭量S代表了發(fā)生突出時(shí)的規(guī)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(shí)瓦斯解吸能力和破壞煤體能力的大??；突出次數(shù)N(多次發(fā)生突出)說明突出煤層在現(xiàn)有防突技術(shù)措施手段下瓦斯治理很難，煤層始終處于突出危險(xiǎn)的高危狀態(tài)。但噸煤瓦斯涌出量Q0和突出次數(shù)N與煤層突出的嚴(yán)重程度沒有必然關(guān)系，所以需要根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步確定判定規(guī)則。

3 分級(jí)指標(biāo)的來源和測(cè)算方法

3.1 指標(biāo)來源

拋出煤炭量S、噸煤瓦斯涌出量Q0和突出次數(shù)N3個(gè)指標(biāo)，主要數(shù)據(jù)來源為突出事故調(diào)查報(bào)告，同時(shí)也要參考礦井發(fā)生突出事故的歷次突出記錄卡片。

3.2 指標(biāo)測(cè)算方法

對(duì)于已發(fā)生的突出事故，分級(jí)指標(biāo)值只需采用突出卡片或調(diào)查報(bào)告提供的數(shù)據(jù)，必要情況下可以對(duì)拋出煤炭量S和噸煤瓦斯涌出量Q0進(jìn)一步核算，力求分級(jí)結(jié)果準(zhǔn)確，核算方法按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范進(jìn)行；突出次數(shù)N主要統(tǒng)計(jì)記錄的突出次數(shù)即可。

4 判定規(guī)則及其指標(biāo)臨界值

4.1 判定規(guī)則

合理的判定規(guī)則是提高判定準(zhǔn)確率的關(guān)鍵之一。當(dāng)采用突出強(qiáng)度進(jìn)行判定時(shí)，拋出煤炭量S可以單獨(dú)作為判定規(guī)則，以往對(duì)突出礦井分級(jí)的研究也是單獨(dú)采用該指標(biāo)，并且我國劃分煤與瓦斯突出危險(xiǎn)等級(jí)時(shí)也單獨(dú)采用了該指標(biāo)；而噸煤瓦斯涌出量Q0不能單獨(dú)用于判定，雖然Q0反映了突出地點(diǎn)的煤層瓦斯賦存狀態(tài)，但在目前的防突體系下，突出地點(diǎn)基本處于防突措施實(shí)施后狀態(tài)，而突出煤層分級(jí)面對(duì)的必須是原始狀態(tài)，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?yàn)閲?yán)重突出煤層的特點(diǎn)就是瓦斯含量高、難治理，發(fā)生突出時(shí)強(qiáng)度大、事故等級(jí)高、破壞性強(qiáng)，雖然拋出煤炭量S達(dá)不到大型突出強(qiáng)度，但若同時(shí)噸煤瓦斯涌出量Q0達(dá)到一定值，也會(huì)把煤炭拋出較遠(yuǎn)的距離、甚至發(fā)生瓦斯逆流，煤層突出波及范圍大，會(huì)造成大量人員傷亡。

突出次數(shù)N也不能單獨(dú)用于突出等級(jí)判定，國內(nèi)外雖然在突出礦井分級(jí)時(shí)都采用這個(gè)指標(biāo)[10]，但都沒有單獨(dú)使用，而是與拋出煤炭量S組合判定，若某個(gè)煤層確實(shí)發(fā)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(fā)生高等級(jí)或大型突出事故的屬性，因此僅根據(jù)突出次數(shù)就判定該煤層是嚴(yán)重突出煤層是不科學(xué)也不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/p>

4.2 指標(biāo)臨界值

判定指標(biāo)臨界值是突出煤層分級(jí)的核心內(nèi)容，分級(jí)指標(biāo)臨界值的確定是以2000—2019年發(fā)生的突出事故及突出事故煤層瓦斯資料、大量實(shí)驗(yàn)室瓦斯參數(shù)測(cè)定結(jié)果等的統(tǒng)計(jì)分析為依據(jù)。

1)拋出煤炭量S臨界值確定

統(tǒng)計(jì)2000—2019年全國發(fā)生的75起重、特大突出事故(死亡人數(shù)≥10人)和202起較大突出事故(死亡人數(shù)3～9人)，將拋出煤炭量S分為7個(gè)等級(jí)，分別以不同強(qiáng)度級(jí)別為起點(diǎn)統(tǒng)計(jì)其占比情況，結(jié)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(fā)生重、特大突出事故時(shí)的拋出煤炭量S均大于200 t；由表2可知發(fā)生較大突出事故時(shí)S≥200 t的比例高達(dá)72.3%。因此將拋出煤炭量S的臨界值設(shè)為200 t是不合適的，因?yàn)楫?dāng)S≥200 t時(shí)，重、特大事故和較大事故都有可能發(fā)生。但根據(jù)表2可知，當(dāng)S≥500 t時(shí)，發(fā)生較大事故的比例僅為3.0%，而在發(fā)生重、特大突出事故時(shí)S≥500 t的比例為68.0%。表明當(dāng)S≥500 t時(shí)，發(fā)生重、特大突出事故的概率較高，當(dāng)S<500 t時(shí)，發(fā)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(jí)的研究現(xiàn)狀，確定單一指標(biāo)拋出煤炭量S臨界值。一是我國按突出強(qiáng)度劃分煤與瓦斯突出危險(xiǎn)等級(jí)時(shí)，將突出強(qiáng)度(拋出煤炭量S)500 t作為大型和較大突出的分界點(diǎn)；二是以往對(duì)突出礦井分級(jí)的研究也把突出強(qiáng)度(拋出煤炭量S)500 t作為臨界值。

綜上分析，基于判定準(zhǔn)確性及便于現(xiàn)有防突管理的角度，將拋出煤炭量S作為單一指標(biāo)判定嚴(yán)重突出煤層時(shí)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(tǒng)計(jì)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(tǒng)計(jì)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(qiáng)度≥200 t作為最為嚴(yán)重的突出礦井判定指標(biāo)之一，因此把200 t≤S<500 t作為組合判定臨界值。

分別統(tǒng)計(jì)2000—2019年發(fā)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(tǒng)計(jì)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(gè)指標(biāo)，將其分為4個(gè)檔次，并將200 t≤S<500 t且Q0≥40 m3作為檔次分級(jí)起點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)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(duì)2000—2019年發(fā)生重、特大突出事故時(shí)拋出煤炭量S和噸煤瓦斯涌出量Q02個(gè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析可知(見表1和表3)，在S和Q0的組合判定當(dāng)中，認(rèn)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(biāo)判定嚴(yán)重突出煤層時(shí)的臨界值S≥500 t所占比例為68.0%，相對(duì)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(guī)則所占比例達(dá)到了20.0%，兩者相疊加(是不交叉的)則比例高達(dá)88.0%，這個(gè)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(dāng)Q0的臨界值為40或60 m3時(shí)重、特大突出事故或者較大突出事故發(fā)生的概率都比較大；當(dāng)Q0的臨界值為80 m3時(shí)，較大突出事故發(fā)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(zhǔn)確性的角度，應(yīng)用拋出煤炭量S與噸煤瓦斯涌出量Q0組合判定時(shí)，當(dāng)200 t≤S<500 t，且噸煤瓦斯涌出量Q0≥80 m3，判定該煤層為嚴(yán)重突出煤層。

3)突出次數(shù)N與拋出煤炭量S組合判定臨界值確定

據(jù)可統(tǒng)計(jì)的202起較大(死亡人數(shù)≥3人)突出事故中，200 t≤S<500 t的突出事故有141起，其占比達(dá)到了69.8%；另外，通過對(duì)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(fā)現(xiàn)，200 t≤S<500 t的突出事故，煤炭堆積長(zhǎng)度都達(dá)到了40 m以上，在40 m范圍內(nèi)因拋出煤炭掩埋致死的人數(shù)占事故總死亡人數(shù)的79.0%，表明發(fā)生突出的一瞬間煤炭拋出的距離達(dá)到40 m以上，采掘工作面內(nèi)的作業(yè)人員很難逃生。如果200 t≤S<500 t的突出經(jīng)常發(fā)生，總死亡人數(shù)達(dá)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(gè)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(fā)生”作為判定規(guī)則判定突出危險(xiǎn)程度最為嚴(yán)重的礦井。參考我國煤與瓦斯突出事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[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(jīng)驗(yàn)，采用突出次數(shù)N和拋出煤炭量S組合判定時(shí)，當(dāng)200 t≤S<500 t且N≥3時(shí)，判定該煤層為嚴(yán)重突出煤層。

5 分級(jí)管理及措施

突出煤層分級(jí)以后的管理可以借鑒突出煤層(礦井)鑒定的相關(guān)管理辦法，分級(jí)的煤層應(yīng)當(dāng)以具有獨(dú)立生產(chǎn)系統(tǒng)的自然礦井為單位。分級(jí)以后的防突措施重點(diǎn)為嚴(yán)重突出煤層的防突措施。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于具有煤層群開采條件的嚴(yán)重突出煤層，嚴(yán)禁將其作為首采層，必須開采保護(hù)層[13-16](單一煤層根據(jù)實(shí)際情況采用穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯或開采軟巖作為保護(hù)層)。而對(duì)于一般突出煤層的管理，應(yīng)遵循現(xiàn)行《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》《煤礦安全規(guī)程》和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求。

6 結(jié)語

通過對(duì)2000—2019年突出事故、突出礦井分級(jí)研究成果的統(tǒng)計(jì)與分析，將突出煤層按突出危險(xiǎn)程度劃分為“一般突出煤層”和“嚴(yán)重突出煤層”，建立了以突出強(qiáng)度(拋出煤炭量S、噸煤瓦斯涌出量Q0、突出次數(shù)N)作為分級(jí)指標(biāo)依據(jù)的突出煤層分級(jí)方法。2019年頒布實(shí)施的《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》中新增了突出煤層的認(rèn)定要求，突出煤層分級(jí)雖然目前還處在探討階段，但隨著我國突出礦井防突技術(shù)的發(fā)展和管理水平的提升，其對(duì)我國突出礦井瓦斯防治體系的進(jìn)一步細(xì)化、完善和提升都有重要的指導(dǎo)意義。