肖 丹
(重慶工程職業(yè)技術(shù)學院,重慶 401331)
目前,國內(nèi)外學者雖然已對突出煤層的突出危險程度的進一步分級做過大量研究工作,但研究主要針對“存在突出煤層的礦井”進行。例如,前蘇聯(lián)、波蘭采用突出強度指標對突出礦井進行分級,國內(nèi)部分學者主張采用突出危害性指標和突出危險性指標對突出礦井進行分級[1-9]。我國突出礦井瓦斯賦存及突出危險程度差異性較大,突出強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19個省市的煤礦發(fā)生過突出事故,但突出危險程度各不相同,據(jù)統(tǒng)計,2000—2019年發(fā)生的75起重特大突出事故中,有65起是發(fā)生在突出危險程度較為嚴重的煤層,占比達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。突出煤層分級一方面有助于對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)。因此有必要對突出煤層進行進一步的級別劃分。
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,突出煤層分級應(yīng)遵從“對象明確、級數(shù)合適、方法簡單、效果明顯”的總體原則,提出將突出煤層按突出危險程度初步劃分為“一般突出煤層”和“嚴重突出煤層”。
借鑒突出礦井分級方法對突出煤層進行分級,主要涉及兩大類方法,包括突出危害性指標和突出危險性指標。突出危害性指標主要適用于已經(jīng)發(fā)生過突出事故的礦井,對于沒有發(fā)生過突出事故的礦井,主要依據(jù)煤層突出危險性指標確定。在突出礦井“突出強度、突出頻度、突出類型比重”等諸多突出危害性指標中,突出強度最能直觀反映煤層突出的危害程度,因此可依據(jù)突出強度進行突出煤層分級。
采用突出強度進行分級時,將“拋出煤炭量S、噸煤瓦斯涌出量Q0和突出次數(shù)N”這3個指標作為突出煤層分級指標。
拋出煤炭量S代表了發(fā)生突出時的規(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、突出時瓦斯解吸能力和破壞煤體能力的大?。煌怀龃螖?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與煤層突出的嚴重程度沒有必然關(guān)系,所以需要根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)進一步確定判定規(guī)則。
拋出煤炭量S、噸煤瓦斯涌出量Q0和突出次數(shù)N3個指標,主要數(shù)據(jù)來源為突出事故調(diào)查報告,同時也要參考礦井發(fā)生突出事故的歷次突出記錄卡片。
對于已發(fā)生的突出事故,分級指標值只需采用突出卡片或調(diào)查報告提供的數(shù)據(jù),必要情況下可以對拋出煤炭量S和噸煤瓦斯涌出量Q0進一步核算,力求分級結(jié)果準確,核算方法按照現(xiàn)行標準、規(guī)范進行;突出次數(shù)N主要統(tǒng)計記錄的突出次數(shù)即可。
合理的判定規(guī)則是提高判定準確率的關(guān)鍵之一。當采用突出強度進行判定時,拋出煤炭量S可以單獨作為判定規(guī)則,以往對突出礦井分級的研究也是單獨采用該指標,并且我國劃分煤與瓦斯突出危險等級時也單獨采用了該指標;而噸煤瓦斯涌出量Q0不能單獨用于判定,雖然Q0反映了突出地點的煤層瓦斯賦存狀態(tài),但在目前的防突體系下,突出地點基本處于防突措施實施后狀態(tài),而突出煤層分級面對的必須是原始狀態(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,因為嚴重突出煤層的特點就是瓦斯含量高、難治理,發(fā)生突出時強度大、事故等級高、破壞性強,雖然拋出煤炭量S達不到大型突出強度,但若同時噸煤瓦斯涌出量Q0達到一定值,也會把煤炭拋出較遠的距離、甚至發(fā)生瓦斯逆流,煤層突出波及范圍大,會造成大量人員傷亡。
突出次數(shù)N也不能單獨用于突出等級判定,國內(nèi)外雖然在突出礦井分級時都采用這個指標[10],但都沒有單獨使用,而是與拋出煤炭量S組合判定,若某個煤層確實發(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)就判定該煤層是嚴重突出煤層是不科學也不嚴謹?shù)摹?/p>
判定指標臨界值是突出煤層分級的核心內(nèi)容,分級指標臨界值的確定是以2000—2019年發(fā)生的突出事故及突出事故煤層瓦斯資料、大量實驗室瓦斯參數(shù)測定結(jié)果等的統(tǒng)計分析為依據(jù)。
1)拋出煤炭量S臨界值確定
統(tǒng)計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個等級,分別以不同強度級別為起點統(tǒng)計其占比情況,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S≥200 t的比例高達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,因為當S≥200 t時,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S≥500 t時,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S≥500 t的比例為68.0%。表明當S≥500 t時,發(fā)生重、特大突出事故的概率較高,當S<500 t時,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的研究現(xiàn)狀,確定單一指標拋出煤炭量S臨界值。一是我國按突出強度劃分煤與瓦斯突出危險等級時,將突出強度(拋出煤炭量S)500 t作為大型和較大突出的分界點;二是以往對突出礦井分級的研究也把突出強度(拋出煤炭量S)500 t作為臨界值。
綜上分析,基于判定準確性及便于現(xiàn)有防突管理的角度,將拋出煤炭量S作為單一指標判定嚴重突出煤層時的臨界值確定為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度≥200 t作為最為嚴重的突出礦井判定指標之一,因此把200 t≤S<500 t作為組合判定臨界值。
分別統(tǒng)計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個指標,將其分為4個檔次,并將200 t≤S<500 t且Q0≥40 m3作為檔次分級起點,統(tǒng)計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2000—2019年發(fā)生重、特大突出事故時拋出煤炭量S和噸煤瓦斯涌出量Q02個數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析可知(見表1和表3),在S和Q0的組合判定當中,認為噸煤瓦斯涌出量Q0為80 m3作為臨界值比較合適。一是表1中拋出煤炭量S作為單一指標判定嚴重突出煤層時的臨界值S≥500 t所占比例為68.0%,相對不算高,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)則所占比例達到了20.0%,兩者相疊加(是不交叉的)則比例高達88.0%,這個比例是合適的;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Q0的臨界值為40或60 m3時重、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Q0的臨界值為80 m3時,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,當200 t≤S<500 t,且噸煤瓦斯涌出量Q0≥80 m3,判定該煤層為嚴重突出煤層。
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,其占比達到了69.8%;另外,通過對一些典型突出事故,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,煤炭堆積長度都達到了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)則判定突出危險程度最為嚴重的礦井。參考我國煤與瓦斯突出事故統(tǒng)計數(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,采用突出次數(shù)N和拋出煤炭量S組合判定時,當200 t≤S<500 t且N≥3時,判定該煤層為嚴重突出煤層。
突出煤層分級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,分級的煤層應(yīng)當以具有獨立生產(chǎn)系統(tǒng)的自然礦井為單位。分級以后的防突措施重點為嚴重突出煤層的防突措施。
根據(jù)經(jīng)驗,對于具有煤層群開采條件的嚴重突出煤層,嚴禁將其作為首采層,必須開采保護層[13-16](單一煤層根據(jù)實際情況采用穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯或開采軟巖作為保護層)。而對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則》《煤礦安全規(guī)程》和相關(guān)標準、規(guī)范的要求。
通過對2000—2019年突出事故、突出礦井分級研究成果的統(tǒng)計與分析,將突出煤層按突出危險程度劃分為“一般突出煤層”和“嚴重突出煤層”,建立了以突出強度(拋出煤炭量S、噸煤瓦斯涌出量Q0、突出次數(shù)N)作為分級指標依據(jù)的突出煤層分級方法。2019年頒布實施的《防治煤與瓦斯突出細則》中新增了突出煤層的認定要求,突出煤層分級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,其對我國突出礦井瓦斯防治體系的進一步細化、完善和提升都有重要的指導(dǎo)意義。