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，對煤與瓦斯突出危險程度嚴(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(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程度或礦井突出危險程度的分級方法。前蘇聯(lián)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(lián)和波蘭均未對突出礦井進(jìn)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(jìn)行分級。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程度的分級方法及指標(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管理技術(shù)研究，建立了基于突出危害和突出危險性12項(xiàng)指標(biāo)相結(jié)合的模糊數(shù)學(xué)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(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(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及分級管理等問題，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)，對突出煤層分級管理等問題進(jìn)行深入探討，提出突出煤層分級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管理工作提供指導(dǎo)。

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(qū)域或?qū)Σ删蚧顒釉斐赏{的突出煤層或突出區(qū)域進(jìn)行分級。

2)級數(shù)適宜。各級應(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 分級方案

1)突出煤層分級、突出危險區(qū)域不分級。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區(qū)域不再進(jìn)行分級。

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

3)突出煤層不分級，突出危險區(qū)域強(qiáng)化管理。即保持現(xiàn)有突出煤層鑒定和突出危險區(qū)域預(yù)測的方法，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)險不可控的，應(yīng)劃定禁采區(qū)或緩采區(qū)等。

3 分級方案優(yōu)選

3.1 分級階段和強(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)于煤層突出危險程度分級階段主要有：建井前或新水平新采區(qū)突出危險性評估、建井或生產(chǎn)期間突出鑒定、突出煤層區(qū)域預(yù)測。

將建井前或新水平新采區(qū)突出危險性的評估結(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“四位一體”綜合防突措施的重要依據(jù)，對煤層的實(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)測是對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)測為嚴(yán)重突出危險區(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，其對煤礦突出防治工作有重要指導(dǎo)作用。

3.2 方案對比分析

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、評估或認(rèn)定有突出危險煤層的，按照突出礦井進(jìn)行設(shè)計(jì)。將測算煤層瓦斯原始壓力達(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(yù)兆認(rèn)識不清，在具有突出危險情況下冒然進(jìn)行采掘作業(yè)導(dǎo)致重特大突出事故時有發(fā)生。因此，我國煤礦突出災(zāi)害的形勢依然嚴(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)施分級管理，在特殊情況下仍需要加強(qiáng)煤礦的防突意識，強(qiáng)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(jiān)管監(jiān)察。

目前我國現(xiàn)有規(guī)范或規(guī)定對突出煤層已進(jìn)行分區(qū)管理，突出煤層區(qū)域預(yù)測分為突出危險區(qū)和無突出危險區(qū)，對不同區(qū)域采取科學(xué)合理的區(qū)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(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(qū)進(jìn)行進(jìn)一步劃分。

針對突出煤層的突出危險區(qū)有無必要進(jìn)行分級的問題，《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下，突出區(qū)域分級會造成煤礦企業(yè)(煤礦)和監(jiān)管監(jiān)察部門的不同理解和認(rèn)識，可能會造成煤礦企業(yè)(煤礦)忽視或放松對一般突出危險區(qū)的管理而導(dǎo)致突出事故發(fā)生，或者造成監(jiān)管監(jiān)察部門弱化對一般突出危險區(qū)的管理、過于強(qiáng)化對嚴(yán)重突出危險區(qū)的管理。因此，突出煤層的突出危險區(qū)不宜再進(jìn)行分區(qū)管理，但對于災(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的發(fā)展程度，經(jīng)綜合考慮，宜采用“突出煤層不分級，突出危險區(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)于突出礦井分級的指標(biāo)，而以突出危害和突出危險性的12項(xiàng)指標(biāo)[12-15]在突出煤層采用強(qiáng)化措施時具有較大的借鑒價值。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“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)測分類管理的概念，對突出煤層進(jìn)行區(qū)域預(yù)測主要依據(jù)煤層瓦斯壓力p和煤層瓦斯含量W指標(biāo)。結(jié)合“打鉆時的動力現(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(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)場難以測到突出煤層原始區(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2000—2018年全國各礦區(qū)447個煤層中不同瓦斯壓力條件下對應(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，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(yīng)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(yīng)的瓦斯含量

統(tǒng)計(jì)447個煤層對應(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時應(yīng)采取強(qiáng)化措施，同時借鑒河南、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，建議對突出煤層采取如下強(qiáng)化措施：

1)針對堅(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(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，可對上述條件進(jìn)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(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)我國突出礦井對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)裝備的不斷升級和完善，將會繼續(xù)推動突出煤層分級管理的應(yīng)用實(shí)施。