煤与瓦斯突出预测防治技术的发展与展望

煤与瓦斯突出预测防治技术的发展煤与瓦斯突出预测防治技术的发展 与展望与展望 1 综述 我院是我国最早从事瓦斯突出防治研究的专业研究院 研究领 域涉及突出预测 防突出措施 措施效果检验和人身防护安全 措施 突出机理等各方面 在国内首先开展了开采保护层 大 小直径超前钻孔 钻孔水力冲刷 水力冲孔 深孔松动爆破 石门金属骨架等多种防突措施研究 率先在国内开展了煤层与 瓦斯突出区域性预测和工作面预测科研工作 提出了区域预测 煤和瓦斯突出危险性综合指标 p 和 k 煤层突出危险性指标 p 工作面预测钻屑量指标 s 钻屑瓦斯解吸指标 h2 c 及钻 孔瓦斯涌出初速度指标 g 建立了区域预测综合防突技术思想 并在现场投入应用 率先开展了 ae 声发射 瓦斯涌出特征非接 触连续预测突出研究 以及机掘面防突措施研究 20 世纪 50 年代 我院于 1956 1960 年首先在北票 红卫 涟邵 焦作 梅田 六盘水等矿井进行瓦斯突出调查 建立了 全国重点突出矿井卡片 1958 年率先在北票煤田台吉三井 冠 山二井开采保护层 并获得成功 为最初的防突提供了最为有 效的技术手段 1959 年继续在天府磨心坡井推广应用开采保护 层 并结合瓦斯抽放综合防突 20 世纪 60 代初 我院即建立区域预测单项指标 p f 值 1960 年 1965 年进行了全国突出煤层 p f 值普查 1961 年 1963 年在红卫 蛇形山矿进行开采保护层推广 1964 1965 年在红卫煤矿进行 300mm 大直径超前钻孔和水平分层采煤法自 我卸压保护防突研究 并将大直径超前钻孔推广到北票 梅田 等局 1966 1968 年在北票台吉 冠山三宝进行了 13 个煤层 14 个石门的钻孔水力冲刷试验研究 均安全揭开石门 1968 年 在北票三宝矿进行煤巷道水力冲孔防止突出措施工艺研究 1968 年国内率先在北票台吉矿进行深孔松动爆破防突措施研究 1965 1967 年在北票开展震动放炮揭开突出层 将震动放炮 用瞬发雷管发展到毫秒雷管 1967 年我院在北票三宝一井 台 吉矿首次应用煤的破坏类型 瓦斯放散初速度 p 煤的坚固性 f 区域突出危险性预测 提出了煤的突出危险性综合指标 k 20 世纪 70 年代 1974 1975 年 我院应用提出的综合指标 k 结合地质条件 对北票三宝 台吉两个矿各煤层进行区域突 出危险性分类 于 1977 年在北票矿务局试验研究超声波测定煤 层应力 研制了超声波应力测定仪 并初步探索了地震指标与 煤和瓦斯突出的关系 水氡指标及入射性元素放射性强度与突 出关系 20 世纪 80 年代 我院的突出研究工作有了飞跃 1980 1981 年 我院在调查分析了我国一系列突出矿井始突深度 煤层瓦 斯压力 煤的坚固性性系数 f 综合考虑地应力 瓦斯和煤质这 3 项具有决定突出发生的主要因素 在北票 红卫经大量考察 研究 提出了标志煤层突出危险性的综合指标 d 并建立了地 勘 基建和生产矿井预测煤层和区域突出危险性综合指标法 d k 指标 并在系统考察研究煤样暴露时间 破坏类型 瓦斯压力 煤样精度诸因素与瓦斯解吸规律基础上 在国内首 次提出了预测工作面突出危险的钻屑瓦斯解吸指标 h2 衰减 系数 c 和钻屑量指标 s 初步得出了标志突出危险性的钻屑倍 率指标 研制了 md 1 型井下瓦斯解吸仪 首次成功地利用 h2 c s 预测石门揭煤工作面突出危险性 以上预测方法和指 标的提出奠定了我国突出区域预测和工作面预测的理论和工艺 技术基础 1986 年开始国家 七五 攻关 我院就 北票综合防突措施 焦 作综合防突措施 瓦斯突出监测系统 进行重点科技攻关 在 北票试验成功了低透气性煤层网格布孔大面积预抽区域防突措 施和钻孔卸压煤配合金属骨架防止石门揭煤突出新工艺 将石 门揭煤时间由原来的 3 6 个月缩短到 1 3 个月 在煤巷突出预 测攻关中 首次在突出矿进行四位一体综合防突 经 1800m 巷 道跟踪多参数预测 提出综合反映钻屑量 钻屑量解吸指标的 综合指标 f 首次用预测突出率 预测突出准确率 预测非突 出准确率来评价突出预测方法适用性指标 并研制了 md 2 型 瓦斯解吸仪 zcd 1 型钻孔多级流量计 jn 1 型封孔器等 成 套工作面突出预测仪表 在全国突出矿井得到了广泛的应用 在焦作试验成功工艺简单 装备配套的深孔控制卸压爆破局部 防突措施 连续 安全掘进 300m 最高月掘进速度达 95 2m 在安阳龙山矿试验研究了 ae 声发射非接触连续预测突出新方法 研制成功 imsc 1 型煤矿声发射测定仪 被收入 中国技术成果 大全 第八期 科学技术文献出版社 1994 年 在完成上述 攻关任务的同时 1987 年在营城煤矿进行岩石 煤 与二氧化 碳突出预测与防治研究 1989 年在北票 焦作率先开展利用监 测系统预测突出及检验防突措施效果和机掘面防突措施研究 20 世纪 90 年代 我院瓦斯突出承担有 工作面预测敏感指标及 临界值的确定 机掘面防突措施及配套装备的研究 利用综 合参数连续预测突出方法及装备 三项国家 八五 重点科技攻关 项目 攻关地点在焦作矿务局九里山矿 在工作面敏感指标课 题中 利用模糊数学方法确定综合模糊指标 预测突出准确率 达 61 预测不突出准确率达 100 机械防突措施中 研制了 jx 2 型开卸压槽装置 在国内首次利用机械装置开出连续的卸 压槽 在严重突出煤层平均月掘进速度由 27m 提高到 138m 在连续预测课题中 研制了 mszh 1 型声发射指标转换器及配 套的声发射传感器 在国内首次成功地将声发射系统与矿井环 境监测系统联网 初步提出相邻帮滑移平均小时事件相对变化 率预测指标 ne 在动态瓦斯涌出研究中 扩展了矿井环境监测 系统功能 此外 我院 1996 年还开发了煤与瓦斯突出专家系统 目前正在开发 dss 煤矿工程师决策系统 在人身防护安全措施研究领域 我院早于 1958 年就研制成功了 过滤式自救器 并得到普遍应用 1976 研制成功 azn 60 型 4h 氧气呼吸仪 1986 年 1991 年陆续研制成功 azh 40 azh 15 azh 20 azh 60 型系列化学氧自救器 1986 1988 年进行 了超氧化钾药片成型工艺的国家 七五 重点科技攻关 其成果 迅速产品化 并远销德国 1993 年又研制成功 osr 系列化学氧 自救器 所有上述产品均已商品化 产业化 在煤矿得到广泛 的应用 在煤矿瓦斯突出理论研究方面 我院在 20 世纪 50 年代就开始 突出煤层煤质结构 瓦斯放散特性与煤瓦斯突出关系的研究 1959 年我院首次应用压汞法研究突出煤 非突出煤孔隙 比表 面积 1961 年率先进行煤的吸附变形测定研究 首次提出煤吸 附变形定量关系 20 世纪 70 年代我院系统研究煤层瓦斯重烃 组合对突出的影响 1972 年提出煤与瓦斯突出最小瓦斯压力理 论及数学模型 1978 年提出瓦斯重烃组合成份和煤与瓦斯突出 的关系 20 世纪 80 年代我院开始煤与瓦斯突出发生条件的研 究 在实验室系统模拟 物理模拟 了煤的破坏类型 应力 瓦斯压力 含量等因素和煤与瓦斯突出的关系 系统地进行了 突出煤 非突出煤冲击破碎率试验研究 在国内首次应用沉降 分析技术对突出粉煤颗粒组份进行了突出 非突出煤碘吸附试 验 系统地进行了等压 非等压解吸规律的研究 20 世纪 90 年代 我院系统开展了煤吸附瓦斯变形及变形力的研究 得出 了吸附变形时变形力与瓦斯压力的数学关系 首次开展了煤的 分形孔隙与瓦斯突出的关系研究 2 四位一体 综合防突措施 煤与瓦斯突出是极其复杂的矿井瓦斯动力现象 是煤矿井下最 为严重的地质灾害之一 原煤炭工业部于 1988 年颁发了 防治煤与瓦斯突出细则 把我 国防突技术工作纳入了四位一体综合防突措施和轨道 使防突 措施更加有的放矢 提高了措施的防突效果 提高了经济效益 取得了良好的效果 使我国的防突工作达到了一个新的阶段 形成了我国在煤矿生产中自己的综合防突措施体系 3 煤与瓦斯突出国家攻关项目成果简介 煤科总院抚顺分院在国家 七五 八五 九五 及煤炭行业的 科技攻关中 取得的重要科研成果有如下几个方面 3 1 煤与瓦斯突出危险性工作面预测技术研究 由抚顺分院完成的国家 七五 科技攻关项目 北票综合防突措施 研究 在我国首次提出了在全国普遍适用的工作面突出危险性预 测方法 提出了包括利用钻屑量 钻屑瓦斯解吸指标 钻孔瓦 斯涌出量等新时期单项指标和综合指标进行工作面预测较为详 尽的实施方案 该预测方法在 煤矿安全规程 中被确定为工 作面突出预测的标准方法之一 在全国得到推广应用 该成果 荣获煤炭部科技进步三等奖 该项技术的推广应用 提高了我 国煤矿防治与瓦斯突出的能力 使我国的年突出次数大为降低 自煤炭部颁发 防治煤与瓦斯突出细则 以后 四位一体 的 综合防突措施在全国大部分突出矿井得到了较广泛的应用 在 执行综合防突措施中 工作面突出危险性预测成为防治突出首 要的一环 突出预测的正确与否既关系着突出危险煤层开采的 作业安全 也涉及到防突措施的实施范围 与煤矿的生产效率 和经济效益密切相关 国家 七五 攻关中 抚顺分院为全国的 突出矿井提供了一套广为适用的预测方法和配套的参数测试仪 表 但要求各矿井根据自己的使用情况 采用适合于本矿区的 敏感指标和临界值 为此 抚顺分院在国家 八五 科技攻关项 目 工作面突出敏感指标及临界值的确定研究 中 在我国首次 提出了煤与瓦斯突出敏感指标及临界值的确定方法 提出了利 用聚类分析技术 模糊数学处理方法 确定突出敏感指标及临 界值 使预测不突出准确率达到 100 预测突出的准确率达到 60 70 该成果在北票 焦作 抚顺得到了应用 获得了煤炭 部科技进步二等奖 3 2 煤与瓦斯突出动态预测技术研究 传统的接触式突出预测技术一般需要施工钻孔 占用大量的作 业时间 增加了防突费用和吨煤成本 而且是间断性的点预测 方式 经常在非预测时段发生突出 往往会导致人员伤亡事故 所以煤与瓦斯突出连续预测成为近年来的主要研究方向 抚顺 分院在国家 八五 九五 科技攻关中提出了 利用综合参数连 续预测突出方法及装备 声发射实时跟踪连续预测突出危险 性技术研究 两项科研课题 利用 ae acoustic emssion 声发 射技术和瓦斯动态涌出特征对煤与瓦斯突出危险性进行连续预 测取得了较好的效果 研制了能够与环境监测系统联网的声发 射突出危险监测系统 提出了声发射突出危险预测指示及瓦斯 动态涌出指标和临界值 为煤矿的生产应用提供了一整套完整 的技术方法 该成果达到国际先进水平 3 3 煤与瓦斯突出强度预测技术研究 国家 九五 科技攻关中 抚顺分院完成了 煤与瓦期突出强度预 测技术的研究 在全国首次提出了突出危险强度预测理论和方 法 提出了利用相似的理论 在实验室对煤与瓦斯突出进行三 维模拟实验 通过改变纵向应力 横向应力 瓦斯压力 煤体 强度等参数 建立了突出强度数学模型 作出了突出强度预测 从定性预测到定量预测的一个尝试 取得了较大的科研价值 该项成果达到了国际领先水平 3 4 煤与瓦斯突出预测预报专家系统的研究 该项课题对我国的主要突出矿井的预测参数值大小 指标 临 界值和瓦斯突出方面的基础数据进行整理 归类 组成突出预 测专家系统的数据库 利用计算机辅助决策技术对突出进行预 测 形成煤与瓦斯突出预测预报专家系统 该项课题填补了我 国在这一领域的空白 使我国的突出预测技术从人工化走向智 能化 3 5 煤与瓦斯突出防治措施研究 3 5 1 水力压裂防突 抚顺分院在全国首次提出了水力压裂防突技术 并与山西阳泉 湖南红卫 抚顺 焦作煤矿合 作 进行了现场试验 取得了较好的实验效果 该项成果提出 了水力压裂的一整套实施方法及装备 确定了煤层水力压裂工 艺的基本参数 3 5 2 金属骨架及扩孔卸煤钻防突 在国家 七五 攻关项目 北票综合防突措施研究 中 抚顺 分院与北票局协作提出了利用金属骨架和扩孔卸煤钻相结合进 行石门揭穿突出危险煤层措施 并将该项成果进行完善和推广 从而使石门揭穿突出危险煤层的时间大为缩短 该项成果在全 国得到了广泛的应用 3 5 3 机掘工作面防突 在国家 八五 攻关课题 机掘面防突措施及配套装备的研究 中 抚顺分院提出了一套利用卸压槽在综掘工作面防止煤与瓦 斯突出的方法 该方法规范了卸压槽防突措施的实施条件 开 槽角度 深度 槽宽距离等实施工艺 并实现了割掘一体化 该措施在焦作得到应用 使原本 60 90m 月的掘进速度达到 120m 月 提高了掘进速度 缓解了煤矿紧张的采掘接替形势 建立了突出危险煤层掘进综合机械化掘进防突体系 4 防突对策和技术展望 1 认真贯彻执行 四位一体 防突综合措施 对防止突出 事故来说 有两大任务 一是防止突出发生 二是防止突出造 成人身伤亡事故 综合措施中的防突措施和安全防护措施分别 是为解决上述任务的两条防线 十多年来 某些突出严重的国 有重点煤矿应用了综全防突措施取得了良好的效果 但大多数 突出矿井仍未应用 2 提高突出危险性预测的准确性 结合突出矿井的具体条 件 通过科学试验可确定突出预测敏感指标和标志突出危险的 临界值 在 八五 九五 期间科技攻关的基础上 尽快 实现用声发射 瓦斯涌出动态变化和电磁幅射等指标 对工作 面突出危险性进行连续非接触式预测 3 提高防突措施的效果 随着突出矿井机械化程度的提高 试验研究机采机掘工作面的防突措施 包括从防突观点出发 尽量减小机械截煤深度 均速推进 改善工作面支撑状况 使 工作面前方煤体应力均衡向前推移 避免形成大的集中应力 将突出危险性降至最小程度 例如 在突出煤层加采面推广使 用刨煤机 在机掘工作面试用带有超前掏卸压槽机构的掘进机 等 4 优先推广使用开采保护层和预抽煤层瓦斯等区域性防突 措施 这是当前行之有效的防突治本措施 开采保护层时应结 合抽放瓦斯提高保护效果的扩大保护范围 单一突出危险煤层 提高瓦斯抽放率是世界煤矿抽放瓦斯领域又一亟待解