瓦斯災害治理新技術

[摘 要] 在 03manbetx 煤礦 安全 科技工作現狀和趨勢基礎上，介紹了近年來我國瓦斯災害防治技術研究取得的進展和新成果。通過“十五” 科技攻關項目的研究，提出了瓦斯煤塵爆炸危險性 評價方法，研究出了基於瓦斯地質、地質動力區劃、電磁波探測方法的煤與瓦斯突出區域預測技術和基於AE聲發射、電磁輻射和瓦斯湧出等原理的煤與瓦斯突出非接觸連續預測技術，實驗成功了高瓦斯煤層群開采保護層瓦斯災害綜合防治及順煤層強化抽放等技術，開發了礦井通風係統監測、可靠性 評價 03manbetx 及決策控製技術。另外還 03manbetx 了我國 煤礦 安全所麵臨的挑戰和急需開展的 科技研究工作。
[關鍵詞] 危險性 評價；煤與瓦斯突出；瓦斯抽放；災害治理；新技術
1 概 述
瓦斯是我國 煤礦的主要災害因素之一，瓦斯煤塵爆炸、煤與瓦斯突出等災害嚴重威脅著我國 煤礦的 安全生產。由於災害因素多、治理難度大，礦井瓦斯一直是我國 煤礦 安全工作的重點和難點。目前，我國所有煤礦均為瓦斯礦井，據統計，在100個國有重點煤炭生產企業的609處礦井中，高瓦斯礦井占26．8％，煤與瓦斯突出礦井占17．6％，低瓦斯礦井 占55．6％。國有地方和鄉鎮煤礦中，高瓦斯礦井和煤與瓦斯 突出礦井占15％左右。部分局礦的情況更為嚴重，如淮南礦業集團所屬11對礦井均為突出礦井，平頂山煤業集團所屬 的13對礦井也全部為高瓦斯或突出礦井。
瓦斯災害已成為製約 煤礦安全生產和煤炭工業發展的重要因素，為此，國家煤礦安全監察局實施了“ 科技興安”戰略，並提出了“先抽後采、監測監控、以風定產”的瓦斯治理“十二字方針”，與此同時，我國的各類科技 計劃也逐步加強了瓦斯災害治理技術研究開發的支持力度。“十五”以來，科研院所、高等院校及企業以產學研結合方式開展了攻關研究，在瓦斯煤塵爆炸、煤與瓦斯突出預測、保護層開采、順煤層瓦斯抽放及礦井通風係統監測、 評價與決策控製等方麵取得了重大進展，並獲得了一批重要的科技成果。
2 瓦斯治理技術研究的新成果
2．1 瓦斯煤塵爆炸危險性預測評價技術
瓦斯煤塵爆炸一直是困擾煤礦安全生產的重大災害之一。近年來，我國在煤塵著火機理及瓦斯煤塵爆炸機理研究方麵，建立了粉塵雲著火及燃燒過程簡化模型，得出了粉塵空氣混合物點火過程中慢速導熱燃料模式到快速輻射燃燒模式的轉變具有爆炸特征，試驗係統中點火誘導期與高溫固體顆粒燃料產物的質量分數和燃燒陣麵中的熱輻射有關，在爆炸極限範圍內顆粒相濃度與顆粒點立溫度越低火焰加速效果越明顯，輻射熱損失可能導致燃燒區域的重構，粉塵空氣混合物火焰穩態結構發生明顯變化等重要結論；通過研究得出了瓦斯煤塵共存條件下煤塵雲著火特征參數計算方法，揭示了瓦斯爆炸過程中爆炸波和火焰的變化特征。
在取得上述成果的基礎上，建立了礦井瓦斯煤塵爆炸危險性評價模型，用 02manbetx.com 樹方法 03manbetx 了掘進、采煤工作麵瓦斯煤塵爆炸發生的影響因素擴權重、可能發生 02manbetx.com 的模式和避免爆炸 02manbetx.com 發生所要采取的途徑。確立了礦井采煤工作麵、掘進工作麵瓦斯煤塵爆炸危險性預測評價指標體係，並將指標分為爆炸易發性指標和爆炸後果嚴重性指標。前者包括自然因素、技術因素、 管理因素和經濟因素四方麵指標，後者包括煤塵爆炸指數、沉積煤狀況、隔抑爆方式、隔抑爆用水量、井下作業人員、以往 02manbetx.com 損失及礦山救護能力等。開發出了瓦斯煤塵爆炸危險性預測評價技術和專家係統軟件，並建立了瓦斯煤塵爆炸的危險性評價和防治專家係統。
2．2 煤與瓦斯突出區域預測技術
采用瓦斯地質理論與物探技術相結合的方法進行突出區域預測，一直是國內外的研究方向。“十五” 計劃以來，我國煤與瓦斯突出區域預測技術取得重要成果：
(1)我國采用瓦斯地質方法，建立了瓦斯地質理論與物探技術相結合的多技術(數字地震勘探、無線電波透視和構造軟煤測井曲線識別)集成的多尺度(礦井突出區和工作麵突出帶)瓦斯突出區域預測瓦斯地質新方法；提出了以瓦斯地質單元基礎的由構造軟煤厚度(H)和煤層瓦斯壓力(P)相配套的突出區域預測瓦斯地質指標，初步確定構造軟煤厚度的突出臨界值為0．90m；
(2)開發了具有信息輸入、動態 管理和空間分析功能的瓦斯突出區域預測WebGIS信息平台，實現了瓦斯突出區域瓦斯地質方法的自動化和可視化；
采用地球物理探測技術，形成了一套礦井瓦斯富集部位地震探測技術與方法，建立了由3D3C地震技術、AVO技術、地震反演技術、地震屬性分析技術、地震波形分類技術、瓦斯地質技術等構成的瓦斯富集部位地質—地震預測模式，形成了瓦斯富集部位探測的核心技術；
(3)采用地質動力區劃的方法，確定了活動構造和岩體應力狀態對突出的影響，並劃分出應力升高區、應力降低區和應力梯度。為此開發了突出多因素模式識別概率預測計算機軟件，確定了活動斷裂、最大主應力、應力梯度等8個主要影響因素，並可方便地劃分突出的危險區、威脅區和安全區，開發出了突出區域預測決策分析係統軟件，實現了圖、文、聲和像的可視化；
(4)采用電磁波透視技術，成功研製出了探測煤層瓦斯災害易發區的技術和裝備，建立了電磁波反射和吸收特征數據庫和地質異常體的識別係統，得出了瓦斯災害易發區分布規律，提出了判定瓦斯災害易發區的敏感指標和臨界值，形成一套適於瓦斯災害易發區的判識方法。
這些技術成果的研究和應用，完善並發展了我國煤礦瓦斯突出區域預測技術體係，提高了突出預測的準確性，非突出危險區預測準確性達到100％，突出危險區預測準確性超過70％，最大限度地降低了掘進和回采過程中的瓦斯影響，顯著提高掘進速度和提高回采工作麵產量。
2．3 煤與瓦斯突出動態預測技術
煤與瓦斯突出的非接觸式預測是通過對瓦斯或煤體本身的信號的實時監測而進行的連續動態預測技術。這種方法具有測試簡單、不與生產發生衝突、實時連續監測等優點。因此，非接觸式連續預測是目前突出預測的主要研究方向。在“九五”攻關成果的基礎上，針對掘進工作麵煤與瓦斯突出非接觸動態預測預報的需要，分別研究出了基於動態瓦斯湧出規律原理、AE聲發射原理和電磁輻射原理的工作麵突出危險性連續監測技術與裝備。
通過分析瓦斯湧出動態變化規律與突出危險性的關係、實時監測瓦斯動態湧出特征波形、提取與突出危險性相關的特征指標，建立了煤巷掘進炮後30分鍾的噸煤瓦斯動態湧出量指標、瓦斯湧出變異係數指標、炮後瓦斯湧出最大速率指標等連續預測指標，研究確定了這幾種指標與炮掘工作麵突出危險性的關係及指標臨界值，以此綜合判斷工作麵所處地點的安全狀況以及前方的潛在危險性，實現了炮掘工作麵瓦斯動態湧出預測，為我國煤礦提供了一種新的瓦斯湧出量預測方法和煤與瓦斯突出預測工藝技術；
開發出了一套AE聲發射監測煤與瓦斯突出的技術裝備，提出了AE聲發射濾噪綜合處理技術和方法，通過阻噪、隔噪、抑噪、濾噪和有效AE信號提取等途徑，實現了有效濾噪的目的，取得了曆年來濾噪研究中最有突破性進展的研究成果，研究出了包括傳感器在內的AE聲發射預測工藝技術，分析和 總結了煤岩破壞AE聲發射規律、AE聲發射與瓦斯動力災害的關係；
通過連續監測含瓦斯煤岩流變破壞過程中產生的電磁輻射信號強度和脈衝數及其變化的研究，實現了對煤與瓦斯突出等煤岩動力災害現象的預測預報，研究並揭示了電磁輻射與煤與瓦斯突出影響因素間的關係，提出了臨界值法與動態趨勢法相結合的煤岩動力災害預警方法，開發成功了煤岩動力災害非接觸電磁輻射連續監測儀，實現了煤岩動力災害的非接觸、連續動態監測及煤與瓦斯突出預警。
2．4 高產高效礦井瓦斯災害綜合治理技術
加強瓦斯災害的治理是防止煤礦重特大事故發生的重要保證。高瓦斯煤層群保護層開采、低透氣性煤層瓦斯強化抽放、巷道邊掘邊抽等技術是瓦斯治理的有效 措施，也一直都是煤礦瓦斯治理的重點和難點。在煤層群保護層開采方麵，通過開展了保護層作用機理的研究，利用三維離散單元法對淮南礦區保護層開采後，采空區頂、底板煤岩體應力重新分布的規律、頂底板變形和破壞特征進行了數值模擬研究，從理論上計算了保護層開采後卸壓範圍向頂、底板方向發展的深度，為確定被保護層的保護效果和卸壓範圍提供了可靠的理論依據。
針對首采保護層開采時，上下高瓦斯突出煤層的瓦斯集中向首采工作麵湧出的特點，並考慮到確保和提高防突效果的要求，試驗成功了多種首采層瓦斯綜合治理 技術 措施：
保護層底板巷道+上向穿層鑽孔抽放瓦斯技術、被保護層頂板煤(岩)巷道+下向穿層鑽孔抽放技術、首采層(保護層)頂板巷道抽放技術、首采層(保護層)頂板走向鑽孔抽放技術、首采層(保護層)工作麵采空區埋管抽放技術、首采層(保護層)掘進工作麵邊掘邊抽技術。在試驗研究中還在實際層間距70m(相對層間距35倍)近水平煤層群的下保護層開采和80-90~急傾斜近距離煤層群的下保護層開采上取得了重大進展；
在順煤層強化抽放方麵上，通過試驗和理論研究，形成了一套在順煤層鑽孔中運用高壓水射流擴孔和鑽擴一體化技術提高瓦斯抽放效果的成套技術和裝備，以及對石門揭煤抽、排瓦斯鑽孔擴孔的工藝技術和方法。擴孔後鑽孔直徑達到200-300mm，為擴孔前的4．5倍，最大擴孔直徑達619．9mm。擴一個鑽孔的時間相當於施工一個鑽孔時間的1／6，而一個擴孔鑽孔的抽排放瓦斯及防突效果相當於2個以上的鑽孔，明顯提高了瓦斯抽放的效果；
在瓦斯抽放效果評價方麵，研究了根據煤層的最小突出瓦斯壓力、瓦斯含量為依據，合理確定評價預抽防突 措施有效性的預抽率指標和臨界值的方法。下向鑽孔及深孔預裂爆破是提高瓦斯抽放效果的另一重要技術途徑。通過試驗研究，解決了下向鑽孔施工中的排渣、排水等技術難題，取得了下向孔鑽探長度達到70．1m的良好效果。研究中完善了適合於高瓦斯低透氣性、有突出危險煤層深孔控製預裂爆破強化抽放瓦斯技術和石門快速揭煤技術；
對於單一低透氣性突出煤層巷道掘進的瓦斯抽放技術難題，通過理論分析和試驗研究，發現煤層巷道掘進工作麵和巷道兩幫的煤體在鬆動和原始煤體之間存在的隨巷道向前掘進而向前移動的蠕變“u”形圈，在“u”形圈內煤層的透氣係數成百倍地增加；
分析了煤層賦存參數、瓦斯抽放參數對抽放鑽孔抽放瓦斯效果的影響，確定了有效抽放半徑與抽放時間的關係、抽放負壓和抽放量的關係，並據此合理布置邊抽邊掘鑽孔，其截流抽放瓦斯率可達到30％以上，並且煤體的強度有較大增加。
2．5 礦井通風係統安全可靠性評價與決策技術
礦井通風是保障煤礦安全生產的關鍵性環節，合理的通風是防止瓦斯積聚、抑製煤炭自燃和火災蔓延擴大的重要手段，通風係統布置不合理或 管理不當，則是導致瓦斯積聚和自然發火及造成瓦斯、火災事故進一步擴大的主要原因。集約化生產的大型礦井實行一礦一麵已成趨勢，要求通風係統具有更強的穩定性、可靠性和合理性，具有較強的抗災能力。
我國開展了礦井通風係統安全可靠性評價和決策技術的研究，建立了基於評價指標體係和網絡仿真技術的兩種礦井通風係統可靠性評價理論體係、評價方法和數學模型，開發了智能化、可視化通風係統可靠性評價和決策支持係統軟件。
在災變風流動態模擬及虛擬現實技術方麵，研究並完善了一維動態模擬技術，開發了礦井災害風流流動模擬的GIS顯示係統，實現礦井災變動態模擬結果在礦井通風係統圖各巷道通風參數的動態顯示，提高模擬結果與各巷道的對應性，減少礦井災害防治及救災決策中應用災變狀態各參數的失誤率，提高決策效率。研究出了礦井火災區域內煙流流動的三維數值模擬研究和礦井巷道中火災煙流流動的虛擬現實技術。
在通風係統自動調控方麵，研究成功了井下自動控製風門及遠程控製技術，研製出了帶有卸壓窗和撞杆自動開啟裝置的遠程自控風門，實現了井下人、車信號分離，采用控製命令分級 管理的方法，徹底貫徹了“生產服從救災，行人服從行車”的風門管理理念，有效地提高了通風係統的穩定性和安全可靠性。
作為配套技術研究，將礦井通風係統安全可靠性評價和決策技術、礦井災變風流動態模擬及虛擬現實技術和井下風門遠程控製技術等有機整合成一體，開發了軟件平台，初步實現了礦井通風係統從監測、分析、決策到控製等各環節的閉環運行。
3 存在的問題和急需開展的研究
煤炭是我國國民經濟發展的基礎能源，煤礦安全是煤炭工業走新型工業化道路、可持續發展的前提和保證。瓦斯災害治理是煤礦安全工作的重點。對煤礦瓦斯災害進行監測監控、預警防治等瓦斯綜合治理 技術 措施，是減少煤礦傷亡事故，提高安全生產水平的重要手段。目前，煤礦安全工作麵臨兩大的挑戰：
一是產業結構的調整，生產高效集約化程度的提高，瓦斯湧出量倍增，產塵強度大幅度上升，通風壓力增大，瓦斯煤塵爆炸、煤與瓦斯突出等災害事故的預防難度增大；
二是礦井生產水平的逐年延伸，地應力增大，瓦斯湧出量也增大、煤與瓦斯突出和衝擊地壓危險性增加，惡化了煤礦生產條件，增大了生產中的不安全性。為此，煤礦 安全技術也需從兩個方麵開展攻關研究：
(1)根據礦區煤層條件不同、瓦斯賦特征不同、生產條件的變化，采用新的科技手段進一步完善提高現有瓦斯災害治理技術體係並進行適應性研究，如采用現代通訊技術、自控技術、計算機技術和傳感技術，解決我國現有煤礦安全監測係統相互不兼容、無法互聯互通的技術難題；
(2)不斷解決瓦斯治理技術研究中出現的新問題，如伴隨我國東部深井開采帶來了“三高”和深部礦井的延期突出問題，鬆軟低透氣性煤層長鑽孔瓦斯抽放技術難題。這些問題急需開展科技攻關加以解決。
4 結 論
瓦斯災害治理新技術在淮南礦區進行了試驗和應用，取得了經濟、社會、安全環境的多重效益。這些研究成果對我國煤礦生產條件和瓦斯災害特點具有很強的針對性和適應性，具體成果表現為：
(1)瓦斯煤塵爆炸危險性預測評價技術在淮南潘三礦、張集礦應用表明，評價結果準確可靠，具有很強的操作性和實用性，為預防煤礦瓦斯煤塵爆炸提供了重要技術支撐。
(2)瓦斯地質、動力區劃和地球物理探測方法的煤與瓦斯突出預測技術是經實踐證明是有效的，是減小防突工程量、提高防突效果的保障 技術措施。
(3)AE聲發射、電磁輻射等非接觸連續監測技術取得了突破性進展，並進入實用化和產業化階段。
(4)保護開采、顧煤層瓦斯強化抽放技術在聯合攻關，取得了理論、技術和試驗研究的重大進展，是淮南礦區治理瓦斯的有效技術途徑。
(5)通風係統的監測、可靠性評價技術隨著礦井集約化水平的提高會越來越突現其基礎作用，而虛擬現實技術要達到應用階段仍需開展大量工作。