基于突出强度对突出煤层分级问题的探讨

肖 丹

(重庆工程职业技术学院，重庆 401331)

目前，国内外学者虽然已对突出煤层的突出危险程度的进一步分级做过大量研究工作，但研究主要针对“存在突出煤层的矿井”进行。例如，前苏联、波兰采用突出强度指标对突出矿井进行分级，国内部分学者主张采用突出危害性指标和突出危险性指标对突出矿井进行分级[1-9]。我国突出矿井瓦斯赋存及突出危险程度差异性较大，突出强度从几十吨到几千吨不等、煤层原始瓦斯压力介于0.74～9.0 MPa。我国有多达19个省市的煤矿发生过突出事故，但突出危险程度各不相同，据统计，2000—2019年发生的75起重特大突出事故中，有65起是发生在突出危险程度较为严重的煤层，占比达85.2%。从过去几十年煤层发生瓦斯突出事故的记录来看，有些突出煤层发生过突出事故，而有些煤层虽是突出煤层，但却从未发生过突出事故。突出煤层分级一方面有助于对突出矿井做出更合理的安全投入决策，另一方面为矿井确定开采程序、防突规划、采掘接替规划等提供重要依据。因此有必要对突出煤层进行进一步的级别划分。

1 突出煤层分级方法

考虑我国突出煤层瓦斯赋存的差异性、煤矿技术人员水平、现有防突措施情况，以及便于监管监察等因素，突出煤层分级应遵从“对象明确、级数合适、方法简单、效果明显”的总体原则，提出将突出煤层按突出危险程度初步划分为“一般突出煤层”和“严重突出煤层”。

借鉴突出矿井分级方法对突出煤层进行分级，主要涉及两大类方法，包括突出危害性指标和突出危险性指标。突出危害性指标主要适用于已经发生过突出事故的矿井，对于没有发生过突出事故的矿井，主要依据煤层突出危险性指标确定。在突出矿井“突出强度、突出频度、突出类型比重”等诸多突出危害性指标中，突出强度最能直观反映煤层突出的危害程度，因此可依据突出强度进行突出煤层分级。

2 基于突出强度分级的指标

采用突出强度进行分级时，将“抛出煤炭量S、吨煤瓦斯涌出量Q0和突出次数N”这3个指标作为突出煤层分级指标。

抛出煤炭量S代表了发生突出时的规模和破坏能力；吨煤瓦斯涌出量Q0则间接反映了煤层瓦斯含量大小、突出时瓦斯解吸能力和破坏煤体能力的大小；突出次数N(多次发生突出)说明突出煤层在现有防突技术措施手段下瓦斯治理很难，煤层始终处于突出危险的高危状态。但吨煤瓦斯涌出量Q0和突出次数N与煤层突出的严重程度没有必然关系，所以需要根据统计数据进一步确定判定规则。

3 分级指标的来源和测算方法

3.1 指标来源

抛出煤炭量S、吨煤瓦斯涌出量Q0和突出次数N3个指标，主要数据来源为突出事故调查报告，同时也要参考矿井发生突出事故的历次突出记录卡片。

3.2 指标测算方法

对于已发生的突出事故，分级指标值只需采用突出卡片或调查报告提供的数据，必要情况下可以对抛出煤炭量S和吨煤瓦斯涌出量Q0进一步核算，力求分级结果准确，核算方法按照现行标准、规范进行；突出次数N主要统计记录的突出次数即可。

4 判定规则及其指标临界值

4.1 判定规则

合理的判定规则是提高判定准确率的关键之一。当采用突出强度进行判定时，抛出煤炭量S可以单独作为判定规则，以往对突出矿井分级的研究也是单独采用该指标，并且我国划分煤与瓦斯突出危险等级时也单独采用了该指标；而吨煤瓦斯涌出量Q0不能单独用于判定，虽然Q0反映了突出地点的煤层瓦斯赋存状态，但在目前的防突体系下，突出地点基本处于防突措施实施后状态，而突出煤层分级面对的必须是原始状态，另外，即使原始瓦斯压力差不多，但突出后Q0的差别也可能很大。

吨煤瓦斯涌出量Q0与抛出煤炭量S组合判定是可行的，因为严重突出煤层的特点就是瓦斯含量高、难治理，发生突出时强度大、事故等级高、破坏性强，虽然抛出煤炭量S达不到大型突出强度，但若同时吨煤瓦斯涌出量Q0达到一定值，也会把煤炭抛出较远的距离、甚至发生瓦斯逆流，煤层突出波及范围大，会造成大量人员伤亡。

突出次数N也不能单独用于突出等级判定，国内外虽然在突出矿井分级时都采用这个指标[10]，但都没有单独使用，而是与抛出煤炭量S组合判定，若某个煤层确实发生了几次突出，但抛出煤炭量只有十几吨或几十吨，都比较小，没有造成破坏性或人员伤亡，表明该煤层本身就不具备发生高等级或大型突出事故的属性，因此仅根据突出次数就判定该煤层是严重突出煤层是不科学也不严谨的。

4.2 指标临界值

判定指标临界值是突出煤层分级的核心内容，分级指标临界值的确定是以2000—2019年发生的突出事故及突出事故煤层瓦斯资料、大量实验室瓦斯参数测定结果等的统计分析为依据。

1)抛出煤炭量S临界值确定

统计2000—2019年全国发生的75起重、特大突出事故(死亡人数≥10人)和202起较大突出事故(死亡人数3～9人)，将抛出煤炭量S分为7个等级，分别以不同强度级别为起点统计其占比情况，结果见表1和表2。

表1 2000—2019年全国重、特大突出事故中抛出煤炭量S占比情况

表2 2000—2019年全国较大突出事故中抛出煤炭量S占比情况

由表1可知，发生重、特大突出事故时的抛出煤炭量S均大于200 t；由表2可知发生较大突出事故时S≥200 t的比例高达72.3%。因此将抛出煤炭量S的临界值设为200 t是不合适的，因为当S≥200 t时，重、特大事故和较大事故都有可能发生。但根据表2可知，当S≥500 t时，发生较大事故的比例仅为3.0%，而在发生重、特大突出事故时S≥500 t的比例为68.0%。表明当S≥500 t时，发生重、特大突出事故的概率较高，当S<500 t时，发生较大突出事故的概率更高。

综合考虑我国防突管理和突出矿井分级的研究现状，确定单一指标抛出煤炭量S临界值。一是我国按突出强度划分煤与瓦斯突出危险等级时，将突出强度(抛出煤炭量S)500 t作为大型和较大突出的分界点；二是以往对突出矿井分级的研究也把突出强度(抛出煤炭量S)500 t作为临界值。

综上分析，基于判定准确性及便于现有防突管理的角度，将抛出煤炭量S作为单一指标判定严重突出煤层时的临界值确定为500 t。

2)抛出煤炭量S与吨煤瓦斯涌出量Q0组合判定临界值确定

在表1中统计的75起重、特大突出事故中，抛出煤炭量S都在200 t以上，在表2中统计的较大突出事故中，抛出煤炭量S在200 t以下的仅占27.7%，波兰的上西里西亚煤田和下西里西亚煤田也把突出强度≥200 t作为最为严重的突出矿井判定指标之一，因此把200 t≤S<500 t作为组合判定临界值。

分别统计2000—2019年发生的重、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)和较大突出事故93起(202起较大突出事故中可统计吨煤瓦斯涌出量Q0的为93起)，综合考虑突出事故中抛出煤炭量S和吨煤瓦斯涌出量Q02个指标，将其分为4个档次，并将200 t≤S<500 t且Q0≥40 m3作为档次分级起点，统计不同档次突出事故占比情况，如表3和表4所示。

表3 2000—2019年重、特大突出事故中不同档次占比情况

表4 2000—2019年较大突出事故中不同档次占比情况

通过对2000—2019年发生重、特大突出事故时抛出煤炭量S和吨煤瓦斯涌出量Q02个数据的统计分析可知(见表1和表3)，在S和Q0的组合判定当中，认为吨煤瓦斯涌出量Q0为80 m3作为临界值比较合适。一是表1中抛出煤炭量S作为单一指标判定严重突出煤层时的临界值S≥500 t所占比例为68.0%，相对不算高，但表3中200 t≤S<500 t且吨煤瓦斯涌出量Q0≥80 m3这一判定规则所占比例达到了20.0%，两者相叠加(是不交叉的)则比例高达88.0%，这个比例是合适的；二是分析2000—2019年较大突出事故中不同档次占比情况(见表4)，在 200 t≤S<500 t的情况下，当Q0的临界值为40或60 m3时重、特大突出事故或者较大突出事故发生的概率都比较大；当Q0的临界值为80 m3时，较大突出事故发生的概率为18.2%，取Q0的临界值为80 m3是可以接受的。

综上分析，基于判定准确性的角度，应用抛出煤炭量S与吨煤瓦斯涌出量Q0组合判定时，当200 t≤S<500 t，且吨煤瓦斯涌出量Q0≥80 m3，判定该煤层为严重突出煤层。

3)突出次数N与抛出煤炭量S组合判定临界值确定

据可统计的202起较大(死亡人数≥3人)突出事故中，200 t≤S<500 t的突出事故有141起，其占比达到了69.8%；另外，通过对一些典型突出事故，比如重庆三汇三矿“8·30”事故、贵州政忠煤矿“8·11”事故、河北陶二煤矿“4·20”事故等分析发现，200 t≤S<500 t的突出事故，煤炭堆积长度都达到了40 m以上，在40 m范围内因抛出煤炭掩埋致死的人数占事故总死亡人数的79.0%，表明发生突出的一瞬间煤炭抛出的距离达到40 m以上，采掘工作面内的作业人员很难逃生。如果200 t≤S<500 t的突出经常发生，总死亡人数达到10人以上的可能性是极高的，韩城下峪口煤矿3#煤层突出就是个典型的例子，这是不被允许的。波兰把“抛出煤炭量S≥200 t且频繁发生”作为判定规则判定突出危险程度最为严重的矿井。参考我国煤与瓦斯突出事故统计数据[11-12]，将N≥3次确定为组合判定临界值。

综合以上分析并借鉴国外的经验，采用突出次数N和抛出煤炭量S组合判定时，当200 t≤S<500 t且N≥3时，判定该煤层为严重突出煤层。

5 分级管理及措施

突出煤层分级以后的管理可以借鉴突出煤层(矿井)鉴定的相关管理办法，分级的煤层应当以具有独立生产系统的自然矿井为单位。分级以后的防突措施重点为严重突出煤层的防突措施。

根据经验，对于具有煤层群开采条件的严重突出煤层，严禁将其作为首采层，必须开采保护层[13-16](单一煤层根据实际情况采用穿层钻孔预抽瓦斯或开采软岩作为保护层)。而对于一般突出煤层的管理，应遵循现行《防治煤与瓦斯突出细则》《煤矿安全规程》和相关标准、规范的要求。

6 结语

通过对2000—2019年突出事故、突出矿井分级研究成果的统计与分析，将突出煤层按突出危险程度划分为“一般突出煤层”和“严重突出煤层”，建立了以突出强度(抛出煤炭量S、吨煤瓦斯涌出量Q0、突出次数N)作为分级指标依据的突出煤层分级方法。2019年颁布实施的《防治煤与瓦斯突出细则》中新增了突出煤层的认定要求，突出煤层分级虽然目前还处在探讨阶段，但随着我国突出矿井防突技术的发展和管理水平的提升，其对我国突出矿井瓦斯防治体系的进一步细化、完善和提升都有重要的指导意义。