关于突出煤层分级管理问题的探讨与思考

刘志伟，何明川

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

我国煤矿煤与瓦斯突出灾害十分严重，随着开采深度和开采强度的逐渐增加，地应力和瓦斯压力不断增大，瓦斯突出事故在我国煤矿瓦斯事故中的比例逐渐增大[1-2]。据统计，自2000—2018年我国发生煤与瓦斯突出事故总计460余起，死亡约3 000人，突出事故涉及区域多达19个省份。由于我国煤层结构、瓦斯及地质赋存条件差异较大，因此煤层的煤与瓦斯突出危险程度表现出较大不同[3]。2000—2018年发生的43起重特大煤与瓦斯突出事故中，80%以上煤与瓦斯突出事故均被公认发生在矿区突出危险程度最为严重的突出煤层或突出区域，具有突出强度大、频次高且突出瓦斯量大、煤层松软、瓦斯压力(瓦斯含量)高等特点。因此，对煤与瓦斯突出危险程度严重的突出煤层或突出区域采取强化的管理防治措施是遏制煤与瓦斯突出事故发生的关键。

多年来，国内外学者对煤与瓦斯突出危险程度如何分级做了大量的研究工作[4-5]，前苏联、波兰、西班牙等国家在20世纪70年代建立了各自的煤层突出危险程度或矿井突出危险程度的分级方法。前苏联将煤层按照突出危险程度分为四级，波兰按瓦斯危险性将煤层划分为六级，前苏联和波兰均未对突出矿井进行分级；西班牙按瓦斯危险程度将矿井划分为四级，未对煤层进行分级。国内学者卞伯绶[5]、于不凡[6]、王佑安[7]、邹奎业[8]等提出了突出矿井危险程度的分级方法及指标；煤炭科学研究总院重庆分院与平顶山煤业(集团)有限责任公司开展突出矿井分级管理技术研究，建立了基于突出危害和突出危险性12项指标相结合的模糊数学综合评判的突出矿井分级方法[9]。

2010年以来，国家和部分省份出台文件对突出煤层进行分类管理，部分省份为强化突出防治工作要求采取单一严格的区域防突措施，如河南、安徽、河北等。煤矿需要付出大量人力和物力实施防突工程，对突出危险程度低的突出煤层在不同程度上会造成采掘接替失调的局面，影响煤矿开展瓦斯防治的积极性，以致于出现抽采达标数据和区域措施效果检验数据造假等情况，造成重大安全隐患。2016年版《煤矿安全规程》第210条规定不得将在本巷道施工顺煤层钻孔预抽煤巷条带瓦斯作为区域防突措施的条件，初步建立突出煤层按照不同条件选取不同的防突措施，对我国煤矿突出煤层的瓦斯高效治理和安全开采起到积极作用。2018年，国家煤矿安全监察局启动2009年版《防治煤与瓦斯突出规定》修订工作，再次提出突出煤层是否分级及分级管理等问题，需要进一步深入分析及研讨。

笔者统计和分析了2000—2018年发生的大量突出事故，以及发生突出事故煤层的瓦斯参数，对突出煤层分级管理等问题进行深入探讨，提出突出煤层分级思路及配套措施并进行分析和优选，以期为突出煤层分级管理工作提供指导。

1 突出煤层分级思路

1.1 总体原则

1)对象明确。针对开采的区域或对采掘活动造成威胁的突出煤层或突出区域进行分级。

2)级数适宜。各级应避免模糊，方法便于操作，措施有利于执行和监管监察。

3)方法简单。分级指标、判定规则合理可行，能够准确反映煤层突出危险程度。

4)效果明显。配套防突措施，强化措施管理，缓解采掘接续紧张程度，提高经济效益。

1.2 分级方案

1)突出煤层分级、突出危险区域不分级。将突出煤层分为严重突出煤层和一般突出煤层，突出煤层的突出危险区域不再进行分级。

2)突出煤层不分级、突出危险区域分级。即对突出煤层不进行分级，将突出煤层的突出危险区域分为严重突出危险区和一般突出危险区。

3)突出煤层不分级，突出危险区域强化管理。即保持现有突出煤层鉴定和突出危险区域预测的方法，在特定煤层瓦斯赋存条件下采取强化管理的措施。

2 强化管理措施

2.1 部门规章规定

2016年版《煤矿安全规程》第210条规定：有下列条件之一的突出煤层，不得将在本巷道施工顺煤层钻孔预抽煤巷条带瓦斯作为区域防突措施：

(一)新建矿井的突出煤层。

(二)历史上发生过突出强度大于500 t/次的。

(三)开采范围内煤层坚固性系数小于0.3的；或者煤层坚固性系数为0.3～0.5，且埋深大于500 m的；或者煤层坚固性系数为0.5～0.8，且埋深大于600 m的；或者煤层埋深大于700 m的；或者煤巷条带位于开采应力集中区的。

2.2 部分省份强化措施

河南省将煤层瓦斯压力p≥0.6 MPa或瓦斯含量W≥6 m3/t作为突出管理指标，当达到或者超过该指标时必须采取开采保护层或利用底(顶)板岩巷穿层钻孔预抽煤层瓦斯的区域防突措施；严禁采用顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯代替区域防突措施或局部区域防突措施进行补充消突。

安徽省将煤层瓦斯压力p≥3.0 MPa作为突出管理指标，当达到或者超过该指标时必须采取穿层预抽措施；严禁采用顺层钻孔预抽煤巷条带瓦斯的区域防突措施。

河北省对于煤层瓦斯压力p≥2.0 MPa、埋深大于800 m且无保护层开采的矿井，经专家论证现有技术不能满足该矿井瓦斯防治需要、安全风险不可控的，应划定禁采区或缓采区等。

3 分级方案优选

3.1 分级阶段和强化措施

根据我国防治煤与瓦斯突出的基本流程，新建矿井、生产矿井的防突工作中关于煤层突出危险程度分级阶段主要有：建井前或新水平新采区突出危险性评估、建井或生产期间突出鉴定、突出煤层区域预测。

将建井前或新水平新采区突出危险性的评估结果作为矿井立项、初步(新水平新采区)设计和指导建井期间(新水平新采区开拓工程)揭煤作业的依据，主要包括突出矿井巷道布置、保护层选择、防突措施选择等。若将煤层评估为严重突出煤层，可借鉴我国部分省份关于强化防突管理的相关措施，严重突出煤层必须进行地面井抽采、开采保护层或必须采用穿层钻孔预抽的区域防突措施。也可采取降低区域防突措施效果检验指标临界值，甚至可将其划为禁采区或缓采区等更为严格的管理措施。

建井或生产期间突出鉴定是决定开采煤层是否被采取两个“四位一体”综合防突措施的重要依据，对煤层的实际采掘作业进行指导。若煤层被鉴定为严重突出煤层，则将面临采掘部署调整，区域防突措施变更等关键问题。

突出煤层区域预测是对突出煤层是否采取区域防突措施的重要依据，用于指导工作面的设计和采掘生产作业。若煤层被预测为严重突出危险区，借鉴我国部分省份关于强化防突管理的相关措施，则需要采取更为严格的区域防突措施，如采取地面井抽采、开采保护层、穿层钻孔预抽等措施，或将其划分为禁采区或缓采区等，其对煤矿突出防治工作有重要指导作用。

3.2 方案对比分析

从我国现有设计规范和标准[10-11]来看，井田内预测、评估或认定有突出危险煤层的，按照突出矿井进行设计。将测算煤层瓦斯原始压力达到3.0 MPa及以上的煤层(通过地面煤层气井预抽能降至3.0 MPa以下的煤层除外)列为禁止开采区域。若将突出煤层划分为一般突出煤层和严重突出煤层，其突出煤层的本质属性没有改变，则均按突出矿井设计，其巷道布置和区域防突措施设计均无明显差异。

突出煤层分级是我国煤矿煤与瓦斯突出防治技术和管理不断发展的阶段性概念。虽然近年来我国煤矿突出防治工作取得了新进展，但在新形势下也出现了一系列新情况和新问题，随着煤矿开采深度和开采强度的不断增大，以应力为主导型的中小型突出事故数量逐步增加，尤其是一些突出危险程度低的非突出矿井安全红线意识淡薄、缺乏对煤层突出危险性的重视，对突出预兆认识不清，在具有突出危险情况下冒然进行采掘作业导致重特大突出事故时有发生。因此，我国煤矿突出灾害的形势依然严峻，突出防治工作仍然是我国煤矿安全生产中一项长期而艰巨的任务。为强化瓦斯零超限、煤层零突出目标管理的新理念，坚决防范和遏制煤矿煤与瓦斯突出事故，现阶段突出煤层暂不能完全实施分级管理，在特殊情况下仍需要加强煤矿的防突意识，强化突出防治管理和措施，不能放松对突出危险程度低的突出煤层的监管监察。

目前我国现有规范或规定对突出煤层已进行分区管理，突出煤层区域预测分为突出危险区和无突出危险区，对不同区域采取科学合理的区域瓦斯治理措施，对缓解矿井采掘接替紧张程度，提高煤矿经济效益发挥了重要作用。2016年版《煤矿安全规程》第210条指出：河南、安徽、河北等省份对不同条件下的突出煤层采取了强化防突措施进行分类管理，对防范和遏制突出事故起到重要作用，但没有明确要将突出煤层的突出危险区进行进一步划分。

针对突出煤层的突出危险区有无必要进行分级的问题，《防治煤与瓦斯突出规定》修订小组认为，在目前煤矿安全形势下，突出区域分级会造成煤矿企业(煤矿)和监管监察部门的不同理解和认识，可能会造成煤矿企业(煤矿)忽视或放松对一般突出危险区的管理而导致突出事故发生，或者造成监管监察部门弱化对一般突出危险区的管理、过于强化对严重突出危险区的管理。因此，突出煤层的突出危险区不宜再进行分区管理，但对于灾害严重的区域应强化防突措施并加强管理。

结合突出煤层分级方案、我国及部分省份强化管理措施和我国煤矿安全形势的发展程度，经综合考虑，宜采用“突出煤层不分级，突出危险区域强化管理”的方案，符合我国当前煤矿突出防治的新理念和安全监管监察的新要求。

4 分类指标及强化措施探讨

4.1 分类指标

国内外研究学者曾提出多种关于突出矿井分级的指标，而以突出危害和突出危险性的12项指标[12-15]在突出煤层采用强化措施时具有较大的借鉴价值。例如“突出强度、瓦斯逆流、吨煤瓦斯涌出量、突出频度、突出类型比重”等突出危害指标，是煤矿在不同时期、采取不同程度防突措施条件下发生突出而形成的历史数据，但是自《防治煤与瓦斯突出规定》颁布以来，提出了“区域防突措施先行、局部防突措施补充”的防突原则，建立了以两个“四位一体”综合防突措施为核心的防突体系，我国煤与瓦斯突出事故频次逐年下降，现阶段大部分突出矿井未发生过突出事故。鉴于历史数据与新时期防突理念的重大改变，其突出危害指标在强化措施管理方面适用性较低，不能有效指导现阶段突出煤层强化措施的分类管理。

突出煤层强化措施主要针对部分区域进行，具有区域分类管理的特性，更类似于区域预测分类管理的概念，对突出煤层进行区域预测主要依据煤层瓦斯压力p和煤层瓦斯含量W指标。结合“打钻时的动力现象、瓦斯压力、开采深度、地质构造、钻孔瓦斯涌出初速度或瓦斯解吸指标、坚固性系数”等历史研究成果，本着能够准确反映突出危险程度、容易获取和量化、强化措施的可操作性和可执行性等原则综合考虑，认为强化措施指标宜选用煤层原始瓦斯压力p、煤层原始瓦斯含量W、煤层坚固性系数f等指标比较合适。上述指标最能直接反映突出危险程度，瓦斯压力(或瓦斯含量)越大、煤体越松软则突出危险程度就越高。

对于“打钻时的动力现象、开采深度、地质构造、钻孔瓦斯涌出初速度或瓦斯解吸指标”也未被采用，其原因是喷孔顶钻等动力现象、地质构造复杂程度、开采深度等指标无法量化。在2000—2018年统计的43起重特大突出事故中突出地点的煤层埋深为152～928 m，埋深数据离散性大；钻孔瓦斯涌出初速度或瓦斯解吸指标可以量化，但现场难以测到突出煤层原始区域的数据。

4.2 强化措施探讨

对2000—2018年43起重特大煤与瓦斯突出事故煤层坚固性系数f值进行统计分析，事故煤层平均坚固性系数f为0.29，其中f≤0.3的占比为79.1%，即发生重特大突出事故煤层中绝大部分f≤0.3，因此，把煤层坚固性系数f≤0.3作为指标进行强化措施是可行的。

对43起突出事故煤层的原始瓦斯压力p、原始瓦斯含量W进行统计分析，可知发生突出事故的煤层对应的瓦斯压力平均值为1.99 MPa、瓦斯含量平均值为15.88 m3/t。43起突出事故中f≤0.3条件下不同瓦斯压力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条件下不同p、W占比

对2000—2018年全国各矿区447个煤层中不同瓦斯压力条件下对应的煤层瓦斯含量进行统计分析，当瓦斯压力为1.5 MPa时，瓦斯含量平均值为15.89 m3/t；瓦斯压力为2.0 MPa时，瓦斯含量平均值为17.31 m3/t。447个煤层中不同瓦斯压力条件下对应的瓦斯含量如表2所示。

表2 447个煤层不同瓦斯压力条件下对应的瓦斯含量

统计447个煤层对应的瓦斯含量数据，在瓦斯压力为1.5 MPa条件下，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%；在瓦斯压力为2.0 MPa条件下，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，认为突出煤层中瓦斯含量W≥15 m3/t，瓦斯压力p≥1.5 MPa时应采取强化措施，同时借鉴河南、安徽、河北等省份的分类管理办法，结合我国现有突出煤层瓦斯治理技术措施和装备手段，建议对突出煤层采取如下强化措施：

1)针对坚固性系数f≤0.3，或煤层瓦斯压力p≥1.5 MPa，或瓦斯含量W≥15 m3/t的区域，不得将顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯作为突出煤层区域防突措施。

2)针对煤层瓦斯压力p≥3.0 MPa的区域，采用地面煤层气井预抽煤层瓦斯，开采保护层，采用远程操控钻机施工钻孔预抽煤层瓦斯。

5 思考和建议

1)突出煤层分级是我国煤矿煤与瓦斯突出防治技术和管理不断发展的阶段性概念，我国暂不能通过分级管理弱化对突出危险程度低的突出煤层的管理。为保障煤矿安全生产，强化瓦斯零超限、煤层零突出目标管理的新理念，有效防范和遏制煤矿煤与瓦斯突出事故，在特殊情况下煤矿仍需要加强管理和采取强化措施。

2)提出的突出煤层强化管理的条件，是通过对2000—2018年发生的43起重特大突出事故和我国主要矿区447个煤层实验室参数统计得出，虽具有较大的参考价值，但仍需要进一步分析完善。各省份可结合本地区突出灾害实际条件有选择性地参考，待积累更多的数据、经验后，可对上述条件进行修正和完善。

3)突出煤层分级管理是我国突出防治工作的最终目标，可以实现我国突出矿井对防突措施和装备的投入达到最经济、合理的目的。随着我国煤矿突出防治技术装备的不断升级和完善，将会继续推动突出煤层分级管理的应用实施。