1. 引言
瓦斯事故是威胁煤矿安全生产的重要灾害之一，日益引起人们的重视，且对矿井煤层进行科学合理的煤与瓦斯突出危险性评价一直是高突矿井的研究课题 [1] - [3] 。2006年，国家安全生产监督管理总局(以下简称国家局)颁布了安全生产行业标准AQ1024-2006《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》(以下简称《鉴定规范》) [4] ；此后国家陆续出台有关加强煤层煤与瓦斯突出(以下简称突出)危险性鉴定的相关文件。2009年开始执行的《防治煤与瓦斯突出规定》(以下简称《防突规定》)第八条至第十三条专门就煤层突出危险性鉴定进行了相关规定 [5] 。因此，开展矿井煤层突出危险性评价技术研究，以便采取针对性防治措施进行治理，是矿井瓦斯防治的重要研究内容 [6] [7] 。
本文依据《防突规定》、《鉴定规范》以及《煤矿安全规程》，分析了81、82采区7煤层瓦斯基本参数，合理地评价了许疃煤矿煤与瓦斯突出危险性，对煤矿安全生产提供了指导与借鉴。
2. 许疃矿81、82采区概况
许疃煤矿位于安徽省蒙城县境内，隶属淮北矿业(集团)公司，其81、82采区位于井田的西翼中段，81采区走向长1600 m，倾斜宽约1400 m，面积约2.24 km2，采区上下限标高分别为−360 m和−500 m。82采区走向长3800 m，倾斜宽1500~2250 m，平均约1850 m，面积约7 km2。采区上限标高为−390 m~−410 m，采区下限标高最低为−660 m。井田采用立井、主要运输石门、分组集中运输大巷开拓。
3. 瓦斯基础参数测试
为了准确合理地评价许疃煤矿7煤层(71, 72)煤与瓦斯突出危险性，本次研究中的瓦斯测定参数包括煤层瓦斯压力、煤层瓦斯含量、瓦斯放散初速度、煤的坚固性系数值以及煤体破坏类型。
3.1. 瓦斯压力统计及预测
煤层瓦斯压力是评价瓦斯特征的最基本参数，瓦斯压力大小主要取决于成煤后瓦斯的排放条件，准确测定煤层瓦斯压力对确定瓦斯含量与涌出量大小具有重要意义 [8] [9] 。
测压地点的选取是直接影响测压是否成功的一个关键因素，选取测压地点时，为了最大限度反映煤层原始状态下的瓦斯压力，需遵循若干原则，包括：(1) 岩层致密完整、无破碎，50 m范围内无断层和大的裂隙；(2) 岩层无淋水，岩柱(垂高)最少大于10 m；(3) 目标煤层周围无采空区，尽量选取在最近几年开拓的岩石巷道；(4) 如果选取顺煤层施工测压孔，钻孔长度应大于70 m，选取构造简单、有利于施工的最近开掘的煤巷；(5) 岩柱应保证距煤层顶板15~20 m。此外，要求测压钻孔直径75~95 mm，钻孔进入煤层底板0.5 m。
研究区在前期开拓及生产中已经积累有瓦斯压力数据，但测定深度有限(表1，编号1~8)，本次研究在矿井深部补充测定了4个点(表1，编号9~12)，获得了深部煤层的瓦斯压力数据。由于71煤层、72煤层距离较近，采用71煤层、72煤层联合测压。
根据瓦斯压力的实测数据，拟合得到研究区瓦斯压力与标高的相关关系(图1)。
根据瓦斯压力实测数据，研究区的81采区、82采区及82下延采区范围内7煤层(71, 72)最大实测瓦斯压力为0.64 MPa (标高为−585 m，表压)；根据瓦斯压力与标高的拟合关系，推测标高为−615 m处的瓦
Figure 1. Correlation between absolute gas pressure and elevation
图1. 绝对瓦斯压力与标高相关关系
Table 1. 7 measured pressure value of gas in coal seam
表1. 7煤层瓦斯实测压力值
斯压力0.72 MPa (表压)，接近突出危险临界值。
3.2. 瓦斯含量计算
煤层瓦斯含量是指在天然条件下，单位质量或体积的煤体中所含的瓦斯量。本次采用间接法测定煤的瓦斯含量 [10] [11] ，计算公式为：
式中：
单位质量煤的孔隙容积，m3/t；
煤层瓦斯压力，MPa；
标准状态下的绝对温度(℃)和压力(MPa)；
瓦斯压缩系数；
煤的极限瓦斯吸附量，m3/t；
吸附常数，MPa−1；
实验室测定煤吸附常数时的实验温度，℃；
煤层温度，℃；
Aad、Mad煤的灰分和水分质量分数，%。
将各参数带入含量计算公式，即可求得瓦斯含量(表2)。
通过计算，在82下延采区标高−585.0 m处，7煤层实测最大瓦斯压力为0.64 MPa，计算的瓦斯含量为6.0 m3/t；82下延采区范围内7煤层标高−615 m以浅，推算出的最大瓦斯含量为6.4 m3/t，煤层瓦斯压力和瓦斯含量均未超过《防突规定》的0.74 MPa和8 m3/t。
3.3. 瓦斯放散初速度测定
煤的瓦斯放散初速度
反映了煤在常压下吸附瓦斯的能力和放散瓦斯的速度，表现了煤的微观结构，是反映煤层突出危险性大小的指标之一。本次测定采用WT-1型瓦斯扩散速度测定仪，结果显示，7煤层瓦斯放散初速度最大为11 mmHg，超过了突出临界值10 mmHg (表3)。
3.4. 煤坚固性系数
煤的硬度用坚固性系数f值表示 [12] 。本次测定采用常用的落锤破碎测定法，简称落锤法。测试仪器包括JPT-2型架盘天平、量筒、分样筛和落锤等。坚固性系数实验结果显示，7煤坚固性系数值最小为0.33 (表4)，低于突出临界值0.5。根据坚固性系数与标高的拟合关系，当标高低于−464 m时，坚固性系数即达到突出临界值，煤体较软，可能出现瓦斯突出(图2)。
3.5. 煤体破坏类型
煤的破坏类型是指煤体受构造破坏形成的煤的物理、力学性质和特征的差异。煤的破坏程度越严重，瓦斯突出危险性越大。《防治煤与瓦斯突出细则》中将煤的破坏类型分为I、II、III、IV、V类 [13] - [15] 。
Table 2. Estimated value of maximum gas pressure and gas content
表2. 最大瓦斯压力和瓦斯含量的推算值
通过对82采区及82下采区煤样的观察，对照细则确定7煤层正常区域的破坏类型为II类，7煤层地质破坏带的破坏类型为III~IV类，达到突出煤层单项指标煤体破坏类型的临界值。
4. 评价指标和结果
4.1. 评价结果
通过现场观察与瓦斯基本参数的测定，分析认为许疃煤矿7煤层在鉴定范围内煤体破坏类型在正常区域II类，在地质破坏带为III~IV类，达到突出煤体破坏类型的临界值；7煤层在标高−585 m处实测瓦斯压力为0.64 MPa (表压)，推算标高−615 m最大瓦斯压力为0.72 MPa (表压)，推算标高−620 m处最大瓦斯压力达到突出临界值(表压0.74 MPa)；煤样的最小坚固性系数值为0.33，低于突出临界值0.5，推算标高−464 m以深达到突出临界值；最大瓦斯放散初速度为11 mmHg，大于突出临界值10 mmHg。综合各项单项指标，认为研究区瓦斯突出危险性临界深度应不低于−620 m标高，基于安全考虑，可以−615 m作为生产中采用的瓦斯突出危险性临界深度(表5)。
Table 3. 7 coal seam gas initial velocity determination results
表3. 7煤层瓦斯放散初速度测定结果
Table 4. Test results of F value of the 7 coal seam
表4. 7煤层坚固性系数f值的测试结果
Table 5. Table of coal and gas outburst risk identification in critical depth range
表5. 临界深度范围内煤与瓦斯突出危险性鉴定表
Figure 2. Relationship between solid coefficient and elevation of coal sample
图2. 煤样坚固性系数与标高关系
Table 6. 82 in a mining area yard outburst test results
表6. 82下采区一中车场突出危险性测试成果
4.2. 实例验证
为了验证评价结果的可靠性，82下采区四中岩石集中巷掘进时，在−600 m采用钻屑解吸指标法进行了测试验证，实测7煤层钻屑瓦斯解吸指标最大值为40 Pa和0.08 ml/g∙min−1/2，未超过《防突规定》的临界值160 Pa、0.4/ ml/g∙min−1/2 (表6)，无煤与瓦斯突出危险性，故前文的评价结果可信。
5. 结论
(1) 81采区、82采区及82下延采区范围内，7煤层最大实测瓦斯压力为0.64 MPa (标高为−585 m)，推测标高−620 m达到瓦斯突出临界压力。
(2) 82下延采区范围内7煤层标高−615 m以浅，推算出的瓦斯含量为6.4 m3/t，未超过《防突规定》的8 m3/t；7煤层瓦斯放散初速度实测值最大为11 mmHg，超过了突出临界值。
(3) 7煤坚固性系数值最小为0.33，低于突出临界值，推算当标高为−464 m时，煤坚固性系数达到突出临界值，可能出现瓦斯突出。
(4) 通过对82采区及82下采区煤样的观察，7煤层正常区域的破坏类型为II类，地质破坏带的破坏类型为III~IV类，达到单项指标煤体破坏类型的临界值。
(5)综合各项单项指标，认为研究区瓦斯突出危险性临界深度应不低于−620 m标高，基于安全考虑，建议以−615 m作为生产中采用的瓦斯突出危险性临界深度。
基金项目
国家自然科学基金项目(41430317, 41472134)，中国科学院战略性先导科技专项(XDA05030100)。