适用读者： 煤矿矿长、总工程师、地测副总、防突科长、通风实验室主管、瓦斯抽采队长

作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理｜中国矿业大学煤矿瓦斯防治与动力灾害教育部重点实验室技术合作支持

一、行业痛点与法规严管：构造软分层与微观瓦斯瞬态暴冲危机

在煤与瓦斯突出事故中，地应力、高压瓦斯与煤体微观物理力学结构是决定突出是否启动的“三大控制要素”。

在陕西铜川、韩城、澄合以及山西阳泉、晋城、贵州六盘水等高瓦斯与突出矿区，煤层开采普遍面临“软分层突发喷孔与动力暴冲”的严峻挑战：

  1. 构造煤软分层力学强度极低：受区域构造挤压揉搓，煤层内部普遍发育厚度数十厘米的糜棱煤或碎粒煤软分层，其普氏坚固性系数断崖式下跌至 $f \le 0.3 \sim 0.5$；
  2. 微观开孔隙率高导致瞬态解吸速率极快：破碎构造煤的比表面积与微孔容积急剧扩张，吸附瓦斯在泄压瞬间（$0 \sim 60\text{s}$ 内）发生爆发式解吸放散，放散初速度 $\Delta p$ 激增至 $15 \sim 35\text{ mmHg}$；
  3. 国家安监突出危险性判定的一票否决：国家矿山安全监察局《防治煤与瓦斯突出细则》第八十七条与 AQ 1026-2006 明确规定：新水平、新采区揭煤或采掘工作面推进前，必须由具备法定资质的检验检测机构测定煤层坚固性系数 $f$、瓦斯放散初速度 $\Delta p$、瓦斯压力 $P$ 与瓦斯含量 $W$；当单项或综合指标超标时，必须直接判定为突出危险工作面。
构造挤压破坏煤体微观晶格（形成糜棱煤软分层）
  ├── 煤体宏观抗压破坏强度断崖式暴跌（坚固性系数 f ≤ 0.5）
  └── 微孔容积与比表面积暴增，高压瓦斯瞬态解吸阻力极低（Δp ≥ 10）
        ↓ 采掘截割揭露或爆破扰动触发
      应力集中 + 瓦斯高能膨胀做功（破坏能 > 阻抗能）
        ↓ 诱发煤与瓦斯瞬间突出现象（喷出千吨煤炭与数万立方米瓦斯）
落实《防突细则》与 AQ 1026-2006
  ├── 实验室精准测定 f 与 Δp 指标，计算综合判据 D、K 值
  └── 指导实施顺层定向长钻孔区域预抽与大面积水力割缝防突工程

因此，开展正规的煤层坚固性系数 $f$ 与瓦斯放散初速度 $\Delta p$ 实验室精准测定，是总工程师科学核定煤层突出属性、编制防突专项设计与迎接国家安监局“穿透式”监察的法定基石。

二、微观孔隙扩散动力学与破坏力学模型：$\Delta p$ 与 $f$ 测定物理方程

煤层瓦斯在煤基质中的运移遵循菲克（Fick）分子扩散定律与达西（Darcy）渗流力学。

1. 煤层瓦斯放散初速度 $\Delta p$ 测定与压力差方程

依据行业标准 AQ 1026，将粒径 $0.2 \sim 0.25\text{ mm}$ 的新鲜干燥煤样置于定容脱气室中，抽真空脱气 1.5h 后充入 $0.1\text{ MPa}$ 高纯甲烷气体平衡 1.5h。随后开启连通风门使瓦斯在恒定容积系统中向外放散，分别测定 $10\text{s}$ 与 $75\text{s}$ 时的水银压差：

$$\Delta p = P_{75} - P_{10}$$

式中：$P_{10}$ 为放散 $10\text{s}$ 时水银压差计读数（$\text{mmHg}$）；$P_{75}$ 为放散 $75\text{s}$ 时水银压差计读数（$\text{mmHg}$）。

放散初速度指标分级判定：

  • $\Delta p < 10$：瓦斯放散速度缓慢，煤体基质微孔扩散阻力大，突出危险性低；
  • $\Delta p \ge 10$（临界临界值）：瓦斯放散初速度快，煤体孔隙结构破坏严重，具备强烈的瓦斯瞬态膨胀释放动能。
瓦斯放散初速度测定装置与坚固性系数落锤原理图
图2：瓦斯放散初速度定容差压测定装置原理、解吸速率曲线与坚固性系数落锤冲击力学模型图

2. 煤的坚固性系数 $f$（普氏系数）落锤冲击破碎方程

坚固性系数测定采用标准质量重锤（$2.4\text{ kg}$）从 $600\text{ mm}$ 高度自由落下冲击捣碎煤样（粒径 $20 \sim 30\text{ mm}$，质量 $50\text{ g}$），捣碎后用 $\Phi 0.5\text{ mm}$ 圆孔筛筛分，筛下煤粉注入计量筒内测定高度 $l$：

$$f = \frac{20 \cdot n}{l}$$

式中：$n$ 为落锤冲击次数（通常为 $3 \sim 5$ 次）；$l$ 为筛下细煤粉（$<0.5\text{ mm}$）在计量筒内被压实后的柱体高度（$\text{mm}$）。

坚固性系数分级：

  • $f > 0.8$：硬煤或中硬煤，抵抗剪切变形能力强；
  • $0.5 \le f \le 0.8$：软煤，受采动扰动易发生塑性流变；
  • $f < 0.5$（临界临界值）：极软糜棱煤，煤体骨架强度极低，突出抵抗力近乎丧失。

三、突出危险性综合指标 $D$ 与 $K$ 值计算方程

在区域突出危险性预测中，为了避免单一指标由于局部地质非均质性造成误判，《防治煤与瓦斯突出细则》引入了综合指标 $D$（综合突出危险指标） 与 $K$（突出强度预测指标）：

1. 综合指标 $D$ 计算模型

$$D = \frac{0.0075 \cdot H}{f} - 3 = \frac{0.0075 \cdot \frac{P}{0.025}}{f} - 3$$

式中：$H$ 为开采深度（$\text{m}$）；$P$ 为煤层实测瓦斯压力（$\text{MPa}$）；$f$ 为煤层软分层实测坚固性系数。

  • 判定准则：当 $D \ge 0.25$ 时，判定该煤层或采掘区域具有突出危险性。

2. 综合指标 $K$ 计算模型

$$K = \frac{P}{f} = \frac{\text{煤层瓦斯压力 (MPa)}}{\text{坚固性系数 } f}$$
  • 判定准则：当 $K \ge 15.0$ 且 $\Delta p \ge 10$ 时，判定该采掘工作面具有强突出危险性。

突出危险性单项与综合判据对照表

预测判据类型 关键技术参数 临界突出危险阈值 综合评价结论与防突管控等级
单项力学指标 煤的坚固性系数 ($f$) $f \le 0.5$ (软分层) 若同时伴有构造破坏，必须采取钻孔超前卸压
单项物性指标 瓦斯放散初速度 ($\Delta p$) $\Delta p \ge 10$ 煤体微孔扩散阻力小，必须实施深孔预抽降压
单项状态指标 煤层原始瓦斯压力 ($P$) $P \ge 0.74\text{ MPa}$ 瓦斯膨胀内能高，达到《细则》强制突出临界线
单项状态指标 煤层原始瓦斯含量 ($W$) $W \ge 8.0\text{ m}^3/\text{t}$ 必须编制区域防突专项设计，实施抽采达标评判
综合评价指标 综合突出指标 ($D$) $D \ge 0.25$ 直接判定为煤与瓦斯突出危险区，严禁违规掘进
综合评价指标 综合突出指标 ($K$) $K \ge 15.0$ 强化石门揭煤与回采前全断面保护层开采或底板穿层预抽
实验室工程师操作落锤测定仪与放散初速度仪实景
图3：地质测试化验员在恒温实验室内操作标准落锤捣碎筒与水银柱压差计进行参数测定

四、主要测试仪器与化验室设备配置

测定 $\Delta p$ 与 $f$ 必须在具备防爆恒温恒湿条件的专业实验室开展：

差压式瓦斯放散初速度测定仪与标准落锤装置特写
图4：实验室配备的高精度差压式瓦斯放散初速度仪、双管水银压差计与标准落锤装置特写
仪器设备名称 规格型号 核心测试功能 精度与标定指标
差压式瓦斯放散初速度仪 WRT-1 型标准型 测定煤样吸附瓦斯后在 $10\text{s} \sim 75\text{s}$ 内的压差增量 $\Delta p$ 水银柱刻度分辨率 $0.5\text{ mmHg}$，真空系统极限真空度 $\le 10\text{ Pa}$
煤坚固性系数落锤测定装置 LC-1 型标准落锤 测定煤样的抗冲击破坏破碎特征与普氏系数 $f$ 重锤质量 $2.4\text{ kg} \pm 10\text{ g}$，落距 $600\text{ mm} \pm 2\text{ mm}$
精密高压吸附充气脱气台 4 位高压定容脱气箱 为煤样提供高纯甲烷（纯度 $\ge 99.99\%$）等温等压平衡充气 充气压力控制精度 $\pm 0.001\text{ MPa}$，温控精度 $\pm 0.2^\circ\text{C}$
标准分级振动筛分机 $\Phi 200\text{mm}$ 标准圆孔筛 精确分离 $0.2 \sim 0.25\text{ mm}$ 试验煤样与 $<0.5\text{ mm}$ 筛下物 符合 GB/T 6003.1 国家筛网精度标准

五、工程案例复盘与经济造价：韩城某大型高瓦斯突出矿井测定项目

以下结合韩城矿区某年产 240 万吨高瓦斯矿井 3 号煤层防突参数检测项目进行深度对账。

总工程师与防突专家组在综合指标评审会
图5：中国矿业大学瓦斯科研团队与煤矿总工程师在矿区调度室核定防突指标计算结果

1. 工程背景与关键测试数据

  • 采样地点：井下南翼二采区 3201 综采顺槽与 3203 掘进迎头新鲜煤壁（埋深 560m）；
  • 实测物性参数：
  1. 软分层坚固性系数：实测 $f = 0.42$（$<0.5$ 门槛）；
  2. 瓦斯放散初速度：实测 $\Delta p = 22\text{ mmHg}$（远超 10 门槛）；
  3. 煤层原始瓦斯压力：实测 $P = 1.65\text{ MPa}$；
  • 综合指标计算结果：
  • 综合指标 $D = \frac{0.0075 \times 560}{0.42} - 3 = \mathbf{7.0} \quad (\gg 0.25)$；
  • 突出强度指标 $K = \frac{1.65}{0.42} = \mathbf{3.93}$；
  • 法定结论：3 号煤层 3201 工作面属于具有强煤与瓦斯突出危险性的工作面。

2. 项目造价与周期对账（合同金额：6.5 万元）

韩城某矿瓦斯放散初速度、坚固性系数与防突参数测定项目（合同总额：65,000 元）
  ├── 井下多点原状煤样定点密闭取样与软分层物理分选：20,000 元
  ├── 实验室 f 值落锤破碎测定与 Δp 差压放散初速度梯度测试（8 组平行样）：25,000 元
  └── 综合突出指标 D/K 反演计算、防突专项设计建议书与出具 CMA 报告：20,000 元

3. 指导工程落地与安全效益

矿方依据检测报告制订了“顺层大孔径（$\Phi 113\text{mm}$）超长定向钻孔大面积预抽 + 钻屑量法与钻孔瓦斯涌出初速度 $q$ 动态连续预测”防突综合措施，抽采 6 个月后瓦斯压力降至 $0.45\text{ MPa}$，安全掘进 2200m，未发生任何瓦斯动力显现与人员伤亡事故。

六、矿长与总工防突迎检自查清单

总工程师在组织迎检或开展全矿井防突合规检查时，必须核验以下 6 项核心指标：

  • 法定 CMA 瓦斯参数测定报告原件：具备国家认证资质检测检验机构出具的 $f$ 值、$\Delta p$ 值与突出综合指标报告。
  • 工作面突出危险性预测与效果检验单：采掘迎头各班次测定的钻屑量 $S$、钻孔瓦斯涌出初速度 $q$ 或 $R$ 指标台账。
  • 煤层软分层厚度与分布剖面图：地测部门实测标注的煤层软分层发育厚度、分层层位与构造挤压带图件。
  • 石门揭煤与采掘区域防突专项安全技术措施：经集团公司总工程师正式批准并由安监局备案的防突措施方案。
  • 防突专用仪器校验与标定台账：井下防突预测仪、差压计、取样装置完好率 $100\%$ 及计量检定证书。
  • 压风自救系统与避难硐室管理：回采面与掘进迎头按《细则》要求每隔 50m 设置的压风自救袋完好率 $100\%$。

    • 七、常见问题深度解答 (FAQ)

    Q1：为什么煤层坚固性系数 $f$ 必须针对软分层进行取样测定？

    答： 煤层通常由亮煤、暗煤与构造软分层（糜棱煤、碎粒煤）复合构成。在采掘扰动下，突出动力灾害总是首先在抗剪强度最低、储能最高的软分层处萌生启动。如果混合取样，硬煤成分会大幅拉高平均坚固性系数 $f$，掩盖局部软分层的极度脆弱性，导致危险预测严重失真，诱发灾难性漏判。

    Q2：瓦斯放散初速度 $\Delta p$ 与煤的变质程度有什么关联？

    答： 煤的变质程度越高（从褐煤、烟煤到无烟煤），煤体微观孔隙由大孔、中孔向微孔与超微孔过渡，比表面积显著增大；同时在高地质构造应力作用下，煤体遭受强烈揉搓粉碎形成构造煤，微孔连通性变好，导致吸附甲烷在压力跌落时以极高的初速度瞬态解吸，因此焦煤、瘦煤与贫煤阶段构造煤的 $\Delta p$ 值普遍偏高。

    Q3：测定 $f$ 和 $\Delta p$ 需要多长时间完成？

    答： 煤样由井下采集密闭送达实验室后，煤样分选与低温真空干燥需 1 天，落锤法破碎与筛分称重需 1 天，恒温脱气与甲烷平衡吸附放散测试需 2 天，数据复核与出具正式 CMA 报告需 1 天，全流程通常在 5~7 个工作日 内完成交付。

    参考依据与标准规范

    1. AQ 1026-2006《煤矿瓦斯抽采基本指标》
    2. AQ 1047-2007《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》
    3. 防治煤与瓦斯突出细则（2019版），国家煤矿安全监察局
    4. 煤矿安全规程（2025版），国家矿山安全监察局
    5. GB/T 19560-2008《高压等温吸附试验测定煤的甲烷吸附量判定方法》
    6. GB 40880-2021《煤矿瓦斯等级鉴定规范》

    关于作者与中矿天智服务承接

    张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理，长期服务陕北榆林、神木、铜川、韩城，山西及内蒙古各煤矿企业。

    检验检测与技术服务依托 中国矿业大学煤矿瓦斯防治与动力灾害教育部重点实验室，具备国家法定资质认证。

    承接业务范围：

    • 煤层瓦斯放散初速度 $\Delta p$、坚固性系数 $f$、等温吸附常数 $a, b$ 实验室测定；
    • 煤矿瓦斯压力 $P$、瓦斯含量 $W$ 现场直接测定与抽采达标评判；
    • 矿井突出危险性鉴定、瓦斯等级鉴定与重大灾害综合风险评估；
    • 区域顺层长钻孔水力割缝、保护层开采与充填防突顶层规划。

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    声明：文中技术参数与案例数据已依法进行脱敏处理，具体矿井防突工作需结合现场实际地质赋存专项设计。