我国煤矿灾害及安全科技发展.ppt

我国煤矿灾害及安全科技发展我国煤矿灾害及安全科技发展 李树刚 西安科技大学 二O一0年十一月十三日 主持4个国家级项目 国家自然科学基金 基于采动裂隙场变化的煤与甲烷共采基础理论 50574072 覆岩采动裂隙场与卸压瓦斯渗流场耦合机理研究 50874089 国家“十一五”科技支撑计划 含硫矿石自燃倾向性实验室鉴定技术研究 2006BAK04B03-01-03 矿井安全生产多源信息融合火灾预警系统的研究 2007BAK29B03 一、前言 二、煤矿主要灾害及危害程度 三、煤矿灾害事故基本特征 四、煤矿灾害事故原因分析 五、煤矿安全科技发展方向 OUTLINE 1. 我国煤炭工业业的地位和作用 煤炭工业业是关系国家经济经济 命脉的重要基础产业础产业 ，支撑着国 民经济经济 持续续高速发发展 煤炭在我国一次能源生产产和消费结费结 构中一直占70%左右， 煤炭提供了76%的发电发电 能源、工业业燃料和动动力、60%的民 用商品能源、70%的化工原料 2008（2009）年煤炭产产量27.2（29.5）亿亿吨，约约占世界煤 炭产产量的42（45）%，其增量占世界80%以上。2010年预预 计产计产 量达到31亿亿吨 我国煤炭资资源占已探明化石能源总总量的96%以上 一、前言 中国煤炭资源一直占 化石能源总量的96%以上 图图1 1 中国化石能源构成图中国化石能源构成图 2. 煤炭在我国能源结结构中的比例 2008年我国能源生产总产总 量260000万tce,其中煤炭占 76.7%，原油占10.4%，天然气占3.9%，水电电、核电电、风风 电电等一次电电力占9.0% 与2002年相比，2008年煤炭产产量增加92%，石油产产量仅仅 增加14% 2008年我国能源消费总费总 量285000万tce，其中煤炭占 68.7%，石油占18.0%，天然气占3.8%，水电电、核电电、风风 电电等一次电电力占9.5% 一、前言 图图2 20082 2008年我国能源生产和消费结构年我国能源生产和消费结构 图图3 20003 2000 20082008年全国煤炭生产情况年全国煤炭生产情况 一、前言 3. 煤炭工业业主要特征 煤炭是不可再生的资资源，煤炭工业业属资资源型、高 危险险性、投资风险资风险 高的行业业，生产环节产环节 复杂杂 煤炭需求持续续增长长，煤炭生产产与消费费逆向布局的 矛盾更加突出 2010年全国煤炭需求总总量为为31亿亿吨, 2020年中国 煤炭需求约为约为 34亿亿吨左右，比目前增加约约5亿亿吨 煤矿矿数量多、分布广，产业产业 集中度较较低 2008年底全国共有各类煤矿17352处（包括改扩建设和新 建矿井），其中国有重点1051处，国有地方和乡镇煤矿 16301处 煤矿在我国26个省（直辖市、自治区）、1260个县均有 分布 煤矿矿自然条件差，井工开采比重大。我国露天矿矿井仅仅占0.3 ，产产能占6左右。美国露天开采比重67，印度80% 生产产力水平发发展不平衡。国有重点煤矿矿的装备备水平和集约约 化程度在不断提高，生产规产规 模在逐步扩扩大；小煤矿矿技术术装 备备水平较较低，开采方法落后，基本上采用非机械开采，缺 乏足够够的安全保障 二、煤矿主要灾害及危害程度 我国是世界上煤矿矿灾害严严重、灾害多 的国家，主要灾害有： 瓦斯灾害、顶顶板灾 害、矿矿井火灾、水害、冲击击地压压、尘尘害、 热热害等 二、煤矿主要灾害及危害程度 1. 瓦斯灾害 n我国煤矿矿几乎都有瓦斯涌出，年涌出量超过过150亿亿立方米 n国有重点煤矿矿中，高瓦斯突出矿矿井占49.5%左右 n全国煤矿矿中高瓦斯矿矿井4462处处，突出矿矿井911处处，国有重 点煤矿矿中约约250处处突出矿矿井 n我国煤矿矿是世界上煤与瓦斯突出最严严重的国家之一 始突深度最小 瓦斯压压力高，已测测得的数据为为13.8MPa 至2007年底累计计突出16400余次，占世界总总突出次数的40%左右 2001年11月22日山西中阳乔家沟煤矿瓦斯爆炸27人死亡 图图4 4 中国煤层瓦斯含量与煤矿瓦斯区划中国煤层瓦斯含量与煤矿瓦斯区划 煤层瓦斯含量：1. 16m3/t； 6.发生过煤和瓦斯突出的矿区；7.瓦斯大区界线；8.瓦斯带（亚区）界线 遇险矿工的家属们焦急地等待最新消息 参加抢险的工作人员正在运送遇难者的遗体 受伤矿工 二、煤矿主要灾害及危害程度 2. 尘尘害 n采掘工作面产尘产尘 强度大，导导致矿矿工患尘尘肺病 n2007年不完全统计统计 累计尘计尘 肺病例61.3万人，其中煤 矿尘矿尘 肺病例约约占一半 n87.37%的国有重点煤矿矿的煤尘尘存在爆炸危险险性 n煤尘尘与瓦斯共存时时，相互促进进爆炸危险险性 n发发生过过世界上最大的煤尘尘爆炸和瓦斯煤尘尘爆炸事故 煤尘爆炸浓度范围：煤尘爆炸浓度范围：35g/m35g/m3 3 - 2000 g/m - 2000 g/m 3 3 图图7 7 煤尘爆炸现场图 煤尘爆炸现场图 二、煤矿主要灾害及危害程度 3. 煤炭自然发发火 72.05%的大中型煤矿矿、煤层层自然发发火严严重或较严较严 重 51.3%的国有重点煤矿矿存在自然发发火危险险 几乎所有产产煤区都存在自然发发火危险险、重点产产煤区 尤为严为严 重 北方煤田火灾问题问题 突出 露天矿矿也存在自然发发火危险险 图图8 8 中国煤种分布与煤层自燃倾向性区划中国煤种分布与煤层自燃倾向性区划 1.褐煤；2.低变质烟煤；2.炼焦用煤；4.贫煤；5.无烟煤 I-东北褐煤-烟煤自燃区；II-华北烟煤自燃区；III-西北低变质烟煤自燃区； IV-南方高硫煤自燃区 二、煤矿主要灾害及危害程度 4. 水害 我国煤矿矿水文地质质条件比较较复杂杂 大中型煤矿矿中，水文地质质条件属复杂杂或极其复杂杂 类类型的占25.04%，属于简单简单 的仅仅占39.49% 华华北煤田受奥灰岩溶水威胁胁的矿矿井占矿矿井总总数的 80% 采空区、老窑积积水已成为为煤矿矿一大隐隐患 图图9 9 中国煤矿水害分区中国煤矿水害分区 I-东北裂隙水水害区；II-华北奥灰水-裂隙水水害区：东部亚区（IIa），西部亚区（IIb） ；III.-华南岩溶水水害区：江南亚区（IIIa），西南亚区（IIIb）；IV.-西北裂隙-孔隙水水 害区；V.-滇藏裂隙水水害区 二、煤矿主要灾害及危害程度 5. 冲击击地压压 以煤岩急剧剧猛烈破坏为为特征的另一种动动力灾害 102处处煤矿发矿发 生过过程度不同的冲击击地压压 大中型煤矿矿中5%的矿矿井存在冲击击地压压灾害，最大达到了 4.3级级 冲击击地压压容易诱发诱发 其它灾害 二、煤矿主要灾害及危害程度 6. 主要灾害的变变化趋势趋势 我国煤矿矿的平均开采深度456m，最深达到1365m， 每年增加1020m 地应应力、瓦斯压压力、瓦斯涌出量随之增大 煤与瓦斯突出、冲击击地压压危险险增加 热热害成为为煤矿矿新的灾害 容易导导致多种灾害的耦合 图图10 10 中国煤矿热害区划图中国煤矿热害区划图 I-东部高地温-热害区；II-中部中地温-热害区； III-西北低地温热害区；IV-青藏中地温-热害区 三、煤矿灾害事故基本特征 1. 煤矿矿灾害事故现现状 煤矿矿安全生产产形势势在我国工业业企业业中最为严为严 峻；死亡人 数是世界主要采煤国中最高的，长长期以来我国煤矿矿的死亡 人数占世界煤矿矿死亡人数的80% 煤矿矿安全生产产形势势持续续好转转，事故起数和死亡人数大幅下 降。全国煤矿矿死亡人数由2002年的6995人，减少到2008 （2009）年的3215 （2631 ）人，下降了54.05（62.39） %；百万吨死亡率由4.94下降到1.18（0.89），下降76.11 （81.98）% 图图11 11 煤矿事故起数、死亡人数、百万吨死亡率变化趋势煤矿事故起数、死亡人数、百万吨死亡率变化趋势 三、煤矿灾害事故基本特征 2. 煤矿矿灾害事故基本特征 （1）灾害事故类类型多、瓦斯是“第一杀杀手” 存在各类类自然灾害事故（瓦斯、水、火等） 生产产性不安全因素导导致事故（机械伤伤害、触电电等） 灾害事故的主要类类型是顶顶板和瓦斯事故 顶板事故发生频率最高，瓦斯事故死亡人数多 顶板和瓦斯事故起数之和和死亡人数之和均占事 故起数和死亡人数的60%70%左右 图图12 200812 2008年各类型煤矿事故基本情况年各类型煤矿事故基本情况 顶板 ，1032起， 52.8% 瓦斯 ，182 起， 9.3% 机电 ，106起 ， 5.4% 运输 ，348 起， 17.8% 放炮 ， 39起 ， 2.0% 水害 ，59起， 3.0% 火灾 ，11 起， 0.6% 其他 ，177起 ， 9.1% 运输 ，400 人， 12.4% 放炮，55人， 1.7% 顶板，1222人， 38.0% 瓦斯 ，778人， 24.2% 机电 ，109 人， 3.4% 水害 ， 263人， 8.2% 火灾，111人， 3.5% 其他，277人， 8.6% 瓦斯事故危害性大，顶顶板事故发发生率最高 20012006年，一次死亡10人以上的特大（重大）事故 中，瓦斯事故占80%，一次死亡30人以上的特别重大事故 中，瓦斯事故占83% 24起死亡百人以上的特别重大事故中，瓦斯煤尘事故21 起，事故起数和死亡人数分别占88%和90% 顶板事故发生率最高（占事故总起数55%），死亡人数最 多（ 占总事故死亡人数的43%） 瓦斯事故危害性最高（平均每起事故造成3.30人死亡） 顶板事故和瓦斯事故的发生起数和死亡人数占总数的66% 和69% 一次死亡3人以上的事故中，瓦斯、顶板和水害事故占 90%以上 瓦斯不治，矿无宁日 瓦斯不治，局无宁日 瓦斯不治，国无宁日 国务院第81次常委会瓦斯整治七项措施 国务院关于预防煤矿生产安全事故的特别规定 三、煤矿灾害事故基本特征 （2）采掘工作面事故最多 近年来的数据表明，国有煤矿发矿发 生的一次死亡3人的 事故中，采掘工作面事故起数和死亡人数均占75%以 上；其中掘进进工作面事故起数和死亡人数分别别占 40.92%和42.62% 2008年17起重大以上瓦斯事故中，掘进进工作面发发生 11起，占65%；25起较较大煤与瓦斯突出事故中，16 起发发生在掘进进工作面，占64% 三、煤矿灾害事故基本特征 （3）小煤矿矿事故多发发、非法开采矿矿井安全问题严问题严 重 2008年乡镇矿乡镇矿 事故起数和死亡人数分别别占74%和73。4%， 2007年为为72.7%和76.6% 2008年38起重大以上事故中，违违法生产矿产矿 井20起，死亡 361人，分别别占重大以上事故总总量的52.6%和51.1%；非法 矿矿井3起，死亡73人，分别别占重大以上事故总总量的7.9%和 10.3% 三、煤矿灾害事故基本特征 （4）安全生产发产发 展不平衡，存在显显著的区域性差异 2008年26个产产煤省区中，有20个地区死亡人数减少， 6个省 市同比上升 贵贵州、四川、山西、重庆庆、湖南、河南等6个地区煤矿矿死亡率 仍较较高，人数超过过250人，6省市共死亡1925人。死亡人数占 全国总总数的60% 一大批矿矿区百万吨死亡率已降至平均水平以下，神东东、兖兖州 等矿矿区安全生产产达到世界先进进水平 一些矿矿区百万吨死亡率仍然居高不下 图图13 13 中国煤矿百万吨煤死亡率地理分布中国煤矿百万吨煤死亡率地理分布 四、煤矿灾害事故原因分析 1.自然条件差、伴生灾害多，容易引发发事故 我国大陆陆是由众多小型地块块多幕次汇汇集形成，煤盆地 经经受了多期次、多方面、强度较较大的改造，“先天性”条 件较较差 正因为这为这 种地质质构造，造成我国地质质灾害严严重 大地构造的特点决定了煤矿矿地质质条件的复杂杂性，井工 矿矿的生产产条件又增加了安全生产产的难难度 国有重点煤矿矿中地质质构造复杂杂或极其复杂杂的占36%， 地质质构造简单简单 的只占23% 四、煤矿灾害事故原因分析 2. 煤矿矿生产产条件复杂杂 我国煤矿矿以井工矿为矿为 主，占产产能的95%；美国统计资统计资 料 露天矿矿百万吨死亡率为为0.0138、井工矿为矿为 0.0623、后者是 前者的4.54倍 每年以1020m的速度延深，深井数量逐年增加，千米深 井已超过过20个（1365m） 煤矿矿巷道呈管网式的空间间布置，多种致灾因子共存于同一 环环境，一旦发发生灾害事故容易发发生致灾因子作用的耦合， 形成更大灾难难 四、煤矿灾害事故原因分析 3. 生产产力整体水平低 97%97%的煤矿为小煤矿，整体规模小，设施简陋，经的煤矿为小煤矿，整体规模小，设施简陋，经 济增长方式粗放济增长方式粗放 图图 19 19 矿井生矿井生 产规模产规模 与百万与百万 吨死亡吨死亡 率之间率之间 的关系的关系 开采方式落后 采用房柱式或非机械长壁采煤法的矿井百万吨死亡率高 国有重点煤矿非机械长壁采煤的百万吨死亡率分别为普 采、高档普采和综采的2.26倍、4.18倍和6.44倍 矿矿井超能力生产产，系统统超负负荷运转转，采掘失调调，采抽失调调 的现现象普遍 四、煤矿灾害事故原因分析 全国平均采煤机械化程度不到50% 研究表明，采煤机械程度提高，百万吨死亡率下降。装备 水平提高，自然灾害类事故所占比例下降，生产性事故所 占比例上升 国有重点煤矿的自然灾害事故起数约占55%，死亡人数约 占73%，而国有地方分别占78%和75%，乡镇煤矿分别占78% 和86% 机电事故在事故总量中所占比例，国有重点、国有地方、 乡镇煤矿分别为8.71%、2.86%和2.08%，运输事故分别为 24.62%、14.11%和10% 四、煤矿灾害事故原因分析 4. 灾害防治能力不足，防灾系统统不健全 近15%国有煤矿矿超通风风能力生产产 技术术会诊诊的462处处煤矿矿“三量”合理的只占18.19% 存在“剃头头”开采的矿矿井占16.54% 通风风富余系数比较较合理的仅仅占38.32% 矿矿井瓦斯抽放率在20%以上的矿矿井只占40% 大部分矿矿井井下供电线电线 路，机电设备电设备 仍是建井时时期 的 四、煤矿灾害事故原因分析 5. 科技支撑能力不足 煤矿矿安全基础础理论论研究薄弱，对对灾害发发生机理、 演化过过程尚不能全面认识认识 ，导导致治本技术术少，治 表技术术多 灾害防治的许许多技术难题术难题 没有得到突破 先进进适用灾害防治技术术没有得到全面推广应应用 据初步估算，科技进进步对对煤矿矿安全生产贡产贡 献率仅仅 为为25% 四、煤矿灾害事故原因分析 6. 安全管理水平低 管理技术术手段落后，大多停留在事后总结总结 教训训的被动动管 理模式上 现场现场 管理混乱、安全技术术措施不到位、隐隐患未及时时整改 ；劳动组织劳动组织 管理较较乱 安全管理体制有待完善，有效的社会制约约机制急待建位 7. 安全投入不足，安全欠帐帐巨大 安全历历史欠账问题账问题 解决难难度大；遗遗留的安全工程缺口和 设备设备 老化等深层层次问题问题 突出 四、煤矿灾害事故原因分析 8. 行业业技术标术标 准不能满满足安全生产产需要 9. 煤矿矿安全科技创创新体系及运行机制不健全，对对 安全生产产支撑不足 10. 职职工素质质不高、技术术人员匮员匮 乏 11. 煤矿矿基础设础设 施和安全保障能力不能满满足国民 经济经济 高速发发展对对煤炭能源的需求 事故灾害致因理论分析 引发事故的三个基本要素引发事故的三个基本要素 人的不安全行为人的不安全行为 物的不安全状态物的不安全状态 管理缺陷管理缺陷 五、煤矿安全科技发展方向 （一）我国煤矿安全的科技需求 在瓦斯防治技术术方面 我国煤层层透气性差、预预抽瓦斯难难度大，缺乏效果好的抽放技术术 松软软突出煤层钻层钻 孔施工困难难、缺乏钻进钻进 工艺艺技术术和装备备 定向长钻长钻 孔（1000m）钻进钻钻进钻 机与钻钻孔工艺艺缺乏 未全面实现实现 “先抽后采”，采抽比例失调调，采掘部署调调整难难度大 低浓浓度瓦斯利用缺乏安全保障技术术 瓦斯抽放、利用成本较较高，需要政策支持 （一）我国煤矿安全的科技需求 在煤与瓦斯突出防治技术术方面 对对构造煤、瓦斯地质质、地应应力场场等基本问题问题 的研究深度 不够够，煤与瓦斯突出机理未完全认识认识 延期突出发发生次数增加，缺乏有效的技术对术对 策 需要提高突出预预指标临标临 界值值的准确性和指标标的可靠性 保护层护层 开采技术应术应 用条件苛刻，适用范围围受到限制 （一）我国煤矿安全的科技需求 在矿矿井火灾防治方面 煤的自然发发火的致灾机理尚未完全攻克 实际实际 自燃环环境条件下，火灾的预测预测 指标标和方法 煤炭自燃初期识别识别 技术术尚未突破 隐隐蔽火源探测测与定位技术术仍是难题难题 火灾与瓦斯爆炸相互转转化的规规律尚未掌握，缺乏相关 控制手段 （一）我国煤矿安全的科技需求 在粉尘尘防治和防隔爆技术术方面 矿矿井粉尘尘的高效除尘尘技术术、粉尘尘在线监测线监测 技术术装备备 仍需提高 被动动式隔爆棚的正确应应用；解决棚架快速、方便移设设 的方法；提高自动动抑爆装备备抗干扰扰能力和进进一步减小 动动作滞后时间时间 在矿矿井水防治方面 矿矿井水害形成机理认识认识 不清；对对老窑水和奥灰岩溶水 的分布规规律和富水性尚未掌握，缺乏有效探测测技术术 （二）我国煤矿安全的技术对策 建立示范点、推广先进进适用技术术 突破灾害防治关键键技术术，实现实现 支撑发发展 加强防灾基础础研究，引领领防灾技术发术发 展 强化技术术基础础性工作，支撑煤矿矿安全监监管监监察 （二）我国煤矿安全的技术对策 1. 建立示范点、重点推广先进进适用技术术 瓦斯抽放技术术，开采保护层护层 技术术，突出预测预报预测预报 技术术 煤矿矿安全监监控系统统，合理配置监监控系统统功能，有条件的矿矿 区，地区实现联实现联 网，促进进信息共享 推广自然发发火早期预测预报预测预报 技术术、注浆浆、阻化剂剂、凝胶、 氮气等综综合防灭灭火技术术 全面采用被动动式隔爆技术术，提高安全保障能力 （二）我国煤矿安全的技术对策 2. 突破灾害防治关键键技术术、实现实现 支撑发发展 提高热热催化元件的寿命和稳稳定性，开发红发红 外，光纤纤等原 理的新型CH4、CO、CO2测测定仪仪和传传感器 尽快突破宽带宽带 网络络型煤矿矿安全监监控系统统的技术术关键键，研 究处处理能力强，智能化程度高的煤矿矿灾害预预警技术术，提高 监监控系统对统对 瓦斯等灾害的预预警能力 研究适合高地应应力、高瓦斯、松软软突出煤层层条件的钻钻机和 钻进钻进 工艺艺及瓦斯抽放技术术 研究超长长定向水平钻钻孔钻钻机与钻进钻进 工艺艺及预预抽瓦斯技术术 研究井下、地面采煤采气协调协调 开发发技术术，把高瓦斯 煤层转层转 化为为低瓦斯煤层实现层实现 安全生产产的技术术与装 备备 研究探测矿测矿 井小构造和瓦斯富集区的地球物理方法 及装备备 完善煤与瓦斯突出预测预报预测预报 技术术，提高预报预报 准确 性；研究延期突出的预测预测 和预预防技术术 突破煤层层自然发发火初期的预测预预测预 警技术术，研究基 于气味检测检测 技术术的早期预测预测 方法 研究矿矿井隐隐伏导导水构造长长距离精细细探查查与空间间定 位技术术与装备备；研究探测测老空区的空间间展布、位置 、深度、富水状态态等关键键信息的高精度物探技术术 研究应对应对 煤矿矿突发发瓦斯异常涌出的技术对术对 策，提 高处处置因冲击击地压压、初次放顶顶等引发发瓦斯涌出异 常的能力 研究煤矿矿安全产产品与装备备的安全检测检验检测检验 关键键技 术术，提高安全装备备的保障能力 突破煤矿抢险矿抢险 救灾、事故调查调查 、物证证分析、模拟拟 验证验证 等关键键技术术，提高煤矿矿事故应应急救援能力 （二）我国煤矿安全的技术对策 3.加强防灾基础础研究，引领领防灾技术发术发 展 研究煤与瓦斯突出、冲击击地压压等煤岩动动力灾害发发生机理 研究构造煤的成因、分布规规律、物化特性等科学问题问题 系统统研究煤层层瓦斯赋赋存、运移及涌出规规律 研究瓦斯煤尘尘爆炸特性及其演化、传传播规规律 研究冲击击地压压等煤岩动动力灾害与瓦斯异常涌出的相关性， 以及多种致灾因子藕合发发生继发继发 性灾害的机理 研究煤矿隐矿隐 蔽火源特性及探测测技术术 研究大埋深快速机械化采煤条件