煤矿灾害防治技术现状与发展

煤矿灾害防治技术现状与发展煤矿灾害防治技术现状与发展 煤炭工业是关系到国家经济命脉的重要基础产业 煤炭是 我国的主要能源 2004 年煤炭在我国一次能源生产和消费结构 中的比重分别占 75 6 和 67 7 十五 期间 我国煤炭产量 由 2001 年的 13 8 亿吨已增长到 2005 年的 21 9 亿吨 年均增长 2 02 亿吨 保证了经济和社会发展的需要 支撑着国民经济的 快速发展 与此同时 国民经济快速增长对煤炭需求的拉动也 带动了煤炭工业的迅同样速发展 国家对煤矿安全生产高度重 视 国务院第 81 次常务会议专门研究了煤矿安全生产 会议指 出 煤炭行业又是高危行业 高瓦斯和瓦斯突出矿井占一半左 右 煤矿安全是整个工业安全生产工作的重中之重 2005 年全 国煤矿发生的各类灾害事故己下降到 3306 起 死亡 5938 人 百万吨死亡率 2 81 首次下降至 3 以下 在 2001 2004 年全国 每年发生各类事故中 煤矿事故起数和死亡人数分别占全国工 矿企业总数的 30 和 40 我国煤炭产量占世界总产量的 31 但事故死亡人数却占了 79 安全生产水平存在很大差 距 煤矿安全生产形势严峻还表现为职业危害严重 截止到 2002 年全国累计检出尘肺患者 58 万余例 煤炭行业占 49 左 右 一 煤矿灾害概况一 煤矿灾害概况 我国煤矿自然条件差 地质条件复杂 我国大陆是由众多 小型地块多幕次汇聚形成的 主要煤田经受了多期次 多方向 强度较大的改造 造成煤田地质条件复杂 伴生的实灾害多 我国煤矿均为有瓦斯涌出的矿井 全国煤矿的年瓦斯涌出量在 100 亿立方米以上 国有重点煤矿中 高瓦斯和突出矿井占 49 8 煤炭产量占 42 有煤尘爆炸危险的矿井占 87 4 煤层具有自然发火危险的矿井占 51 3 地质条件复杂或极其 复杂的煤矿占 36 属简单的占 23 水文地质条件复杂或极 其复杂的煤矿占 27 属简单的占 34 在这种复杂的地质条 件下 我国的煤矿尤其是瓦斯矿井容易发生灾事故 对我国煤 矿发生的大量灾害事故进行系统分析看出 顶板和瓦斯事故是 我国煤矿的主要灾害事故类型 瓦事故已成为煤矿的 第一杀手 顶板事故的发生频率最高 以 2005 年数据为例 顶板事故起数占灾害事故总起数的 52 9 死亡人数占事故总死亡人数的 33 3 瓦斯事故的危 害性和危险性最大 2005 年 瓦斯事故起数占 12 13 但死 亡人数达到 36 5 一次死亡 3 人以上重特大事故中 瓦斯事 故占 59 一次死亡 10 人以上特大事故中 瓦斯事故占 69 建国以来发生的 22 起一次死亡百人以上的特别重大事故 中 20 起为瓦斯煤尘事故 事故起数和死亡人数分别占 91 和 94 因此 瓦斯灾害事故防治是煤矿安全工作的重中之重 我国煤矿开采深度平均每年增加 10 20 米 随采深的增加 地应力 瓦斯压力 地温也越来越高 煤自然灾害的威胁逐步 加重 治理的难度也越来越大 煤层瓦斯压力平均每年增加 0 1 0 3 兆帕 绝对瓦斯涌出量每年增加 15 亿立方米左右 例 如 45 户重点监控企业中高瓦斯和突出矿井的比例 2005 年比 2004 年增加了 10 淮南矿区的绝对瓦斯涌出量由 1997 年的 473m3 min 增加到 2005 年的 1000m3 min 左右 近三年已有 3 处矿井升级为突出矿井 此外 受冲击地压和热害威胁的矿井 也增多 己有 102 处矿井发生过程度不同的冲击地压 并有 70 多处矿井存在热害威胁 随着煤炭工业经济增长方式的转变 煤矿生产方式和结构 发生了大的变化 生产机械化程度的大幅度提高 高产高效矿 井生产集中化程度的不断增强 这种新的生产方式也出现了一 些新的安全问题 矿井瓦斯涌出量增大 采掘工作面产尘强度 剧增 对矿井通风系统的可靠性提出了更高的要求 也就是说 煤矿开采自然条件变化 生产技术的进步和变革都会不断对煤 矿安全保障技术提出新的更高的要求 针对煤矿安全生产的实 际需求 在国家的支持和引导下 九五 十五 期间都开展了 以瓦斯防治技术为重点的科技攻关 取得了系列科技成果 为 煤矿灾害防治奠定了良好基础 二 煤矿安全技术的进展二 煤矿安全技术的进展 我国煤矿生产的发展与煤矿安全技术的进步密不可分 煤 矿安全技术进展不断支持着煤矿生产技术的进步和生产水平的 提高 对煤炭工业为国民经济发展提供可靠的能源保障起到重 要作用 在国家发改委 科技部的支持下 原煤炭工业部 国 家煤炭工业局 国家安全生产监督管理总局先后组织了 九五 十五 煤矿安全技术科技攻关 充分发挥煤科总院 中国矿大等 高校 科研院所和示范矿区煤矿企业的整体优势 以产学研相 结合的方式 在平顶山煤业集团有限责任公司 阳泉煤业集团 有限责任公司 芙蓉矿务局和淮南矿业集团有限责任公司所属 矿井进行了科技攻关研究 本着瓦斯灾害治理示范矿井建设和 煤矿安全关键技术攻关相结合的宗旨 围绕两个矿区瓦斯灾害 防治的实际需要 九五 期间在平顶山矿区开展了 改善煤矿安 全状况综合配套和关键技术研究 十五 期间在淮南矿区开展 了 矿山重大瓦斯煤尘爆炸事故预防与监控技术研究 通过科 技攻关一是建立 平顶山矿区 和 淮南矿区 两个瓦斯综合治理技 术示范工程 二是围绕制约煤矿安全生产的部分关键技术 集 中攻关 研究解决具有共性意义的瓦斯防治 防灭火 矿井通 风 粉尘控制和应急救援等方面的关键技术 九五 科技攻关研究取得了一系列成果 在瓦斯防治技术 方面 建立了综采机掘工作面瓦斯涌出量预测方法 使预测准 确率达到 85 采空区瓦斯抽放和上隅角瓦斯治理技术取得突 破 研制成功专门用于采空区埋管抽放用的菱镁土抽放管 实 时监控抽放管内 ch4 和 co 浓度的监控仪 并提出了安全抽放 采空区瓦斯时 对 ch4 和 co 浓度的控制指标 研究成功既能 有效抽放采空区瓦斯 又能控制自然发火的工艺技术和配套装 备 使采空区瓦斯抽出率达到 7 瓦斯超限次数减少 89 开发的系列风机和抽出装置处理上隅角瓦斯后 使回风瓦斯降 低 27 单班产量提高 50 首次对煤与瓦斯突出区域预测预 报技术进行了研究并取得初步效果 根据瓦斯地质 地应力 突出煤特征并结合物探技术 实现了对新水平 新采区 新区 段的突出危险区进行预测预报 实际应用的两个采区 预测无 危险区面积分别达到 63 和 52 无危险区预测准确率达到 100 减少措施工程量 89 回采速度提高 13 5 在防突 技术方面 采掘工作面防突措施和装备有了较大进展 研制成 功轻便型防突钻机 采煤工作面预裂爆破成套技术取得突破 地质雷达 电磁幅射等物探技术成功用于监测掘进工作面前方 突出构造 为防突技术和突出预测技术的实施提供了手段 瓦 斯抽放技术和装备取得重大突破 研制成功定向长钻孔施工工 艺和强力钻机 成功施工了 603 5m 的岩石水平长钻孔和 865m 的煤层水平长钻孔 为抽放邻近层瓦斯提供了技术与装备 试 验研究成功高抽巷抽瓦斯技术 研究成功适用于高瓦斯松软突 出煤层的强力钻机和顺煤层瓦斯抽放技术 在突出煤层中成功 打出孔深超过 100m 最深 239 6m 的顺煤层钻孔 故本煤层瓦 斯预抽率大幅度提高 达到 28 8 32 为解决采煤工作面防 宊和减少瓦斯涌出量提供了有力的技术手段 通过 十五 科技攻关 瓦斯综合治理技术又向前发展了一 步 在煤与瓦斯突出区域预测技术方面 采用瓦斯地质方法 建立了瓦斯地质理论与物探技术相结合的多技术 数字地震勘 探 无线电波透视和构造软煤测井曲线识别 集成的多尺度 矿井突出区和工作面突出带 瓦斯突出区域预测瓦斯地质新 方法 建立了由 3d3c 地震技术 avo 技术 地震反演技术 地震属性分析技术 地震波形分类技术等构成的瓦斯富集部位 探测的核心技术 采用地质动力区划的方法 确定了活动构造 和岩体应力状况对突出的影响 并划分应力升高区 应力降低 区和应力梯度 为突出危险区 威胁区和安全区的划分奠定了 基础 采用电磁波透视技术 成功研制出了探测煤层瓦斯灾害 易发区的技术和装备 建立了电磁波反射和吸收特征数据库和 地质异常体的识别系统 在煤与瓦斯突出动态预测技术方面 分别研究出了基于动 态瓦斯涌出规律 ae 声发射原理和电磁辐射原理的工作面突出 危险性连续监测技术与装备 建立了煤巷掘进炮后 30 分钟的吨 煤瓦斯动态涌出量指标 瓦斯涌出变异系数指标 炮后瓦斯涌 出最大速率指标等连续预测指标 实现了炮掘工作面瓦斯动态 预测 为突出预测技术提供了一种新的方法和工艺技术 开发 出一套 ae 声发射监测突出的技术装备 通过阻噪 隔噪 拟噪 滤噪和有效 ae 信号提取等途径 使滤噪技术有了突破性进展 研究出包括传感器在内的 ae 声发射工艺技术 为瓦斯动力灾害 的预测提供了手段 通过连续监测含瓦斯煤岩流变破坏过程中 产生的电磁辐射信号强度和脉冲数及其变化的研究 揭示了电 磁辐射与煤与瓦斯突出 冲击地压影响因素间的关系 提出了 临界值法与动态趋势法相结合的煤岩动力灾害预警方法 开发 成功 kbd7 型电磁辐射连续监测仪 瓦斯抽放煤矿瓦斯灾害的治本措施 在 九五 攻关的基础 上 十五 技攻关中针对低透气性煤层抽放瓦斯难度大的问题 研究了强化抽放技术和装备 在顺层钻孔瓦斯抽放技术和水射 流扩孔技术前期研究基础上 通过高压水射流理论研究 实验 室试验和现场试验考查 形成了一套在顺煤层钻孔中运用高压 水射流扩孔和钻扩一体化技术和装备 以及石门揭煤抽 排瓦 斯钻孔扩孔的工艺技术和方法 扩孔后钻孔直径达到 200 300mm 为扩孔前的 4 5 倍 最大孔径达 619 9mm 明显 地提高了瓦斯抽放效果 实践证明 用顺层钻孔预抽作为区域 性防突措施是可行和有效的 利用这套技术经过 3 5 个月的抽 放瓦斯 可使突出危险区域中煤层的瓦斯预抽率达到 30 以上 有效地消除了瓦斯突出危险性 经过强化抽放的煤层 日产煤 量提高了 40 吨煤回采成本一低 41 下向钻孔及深孔预裂爆破是提高瓦斯抽放效果的另一项有 效的技术途径 试验研究解决了下向孔施工中排渣 排水等技 术难题 取得了下向钻孔孔深 70 1m 的良好成绩 下向孔的瓦 斯抽量及抽放效果优于上向孔 抽放量提高了 30 5 科技攻 关中 进一步研究完善了适合于高瓦斯低透气性 有突出危险 煤层深孔控制预裂爆破强化抽瓦斯技术和石门快速揭煤技术 在淮南潘三矿试验使煤层透气性系数提高了 7 1 倍 瓦斯抽放 率三个月时达到 32 4 石门快速揭煤技术在谢一矿等多个矿 井试验和应用的结果表明 揭煤时间比原来缩短了 50 针对单一低透气性突出煤层巷道掘进的瓦斯抽放技术难题 进行了理论和试验研究 发现工作面前方和巷道两帮煤体在松 动和原始煤体之间存在随巷道向前掘进而移动的蠕变 u 形圈 该圈内煤层透气性系数成百倍的增加 据此研究了有效抽放半 径 抽放时间 抽放负压和抽放量之间的关系 确定了边抽边 掘瓦斯抽放技术参数及工艺 根据该项技术布置的抽放钻孔 其截流抽放瓦斯率可达到 30 以上 并且煤体的强度有较大增 加 此外 还研发了高瓦斯突出煤层强化增透技术 研制了新 型药管 炸药及其配套装置和预裂爆破工艺 该项技术使边抽 边掘钻孔抽放瓦斯量增加 2 6 倍 回采推进速度可提高 4 5 倍 保证了安全 高效掘进 煤层群开采复杂条件下瓦斯综合防治技术是十五科技攻关 的重点 开展了保护层作用机理的研究 针对保护层开采时 上下高瓦斯突出煤层的瓦斯集中向首采工作面涌出的特点 试 验研究成功多种首采层瓦斯综合治理技术 包括被保护层底板 巷道 上向穿层钻孔抽放瓦斯技术 煤层群多重开采下卸压层瓦 斯抽放技术 首采层 保护层 顶板巷道抽放技术 保护层顶 板走向钻孔抽放技术 保护层工作面采空区埋管抽放技术 保 护层掘进工作面边掘边抽技术 这些技术保证了实际层间距 70m 相对层间距 35m 近水平煤层群的下保护层开采和 80 90 度急倾斜近距离煤层群下保护层开采关键技术的突破 这些技术在淮南矿区各矿应用后 显著提高了抽放和保护效果 使首采层瓦斯综合抽放率达到了 62 防止工作面上隅角瓦斯积聚也是瓦斯灾害防治的难点 为 此 研究了工作面瓦斯涌出构成 采空区瓦斯涌出量及浓度分 布规律 确定了抽放采空区瓦斯的工艺方法和最佳抽放位置 研制了抽放瓦斯自动控制装置及配套设备 完善了采空区瓦斯 抽放技术 实现立体高效率抽放采空区瓦斯 试验期间共抽出 瓦斯 2 24mm3 采空区瓦斯抽放率达到 56 上隅角瓦斯浓度 平均降低 20 基本消除瓦斯积聚现象 除上述瓦斯防治技术外 两次科技攻关中还研制成功无电 源自动抑爆技术和装置 自产气式自动抑爆装置 开发出瓦斯 煤尘爆炸危险性预测评价技术和专家系统软件 建立了矿井瓦 斯煤尘爆炸评价模型 确立了预测评价指标体系 开发了与安 全监控系统联网的粉尘传感器 呼吸性粉尘采样器 进一步改 善了矿用传感器性能 故瓦斯传感器调校周期提高到 21 天 元 件寿命提高到 1 5 年 研究了光纤连续测温技术和热敏电缆监 测温度技术 为长距离胶带输送机巷早期发现火情提供了技术 手段 矿井通风是保障安全生产的基础 为此开展了矿井通风 系统安全可靠性评价和决策技术研究 建立了通风系统可靠性 评价理论体系 评价方法和数学模型 开发了通风系统可靠性 评价和决策支持系统软件 在通风系统自动调控方面 研究成 功井下自动控制风门及远程控制技术 实现了井下人 车信号 分离 有较提高了通风系统可靠性与稳定性 三 十一五煤矿安全技术的展望三 十一五煤矿安全技术的展望 为了尽快扭转煤矿灾害事故多发的严峻形势 保障安全生 产 国家采取了一系列措施加强对煤矿生产的监管 并从经济 政策上给煤矿企业以支持 提高企业保障生产安全的能力 2005 年组织十一个专家组对 462 处煤矿进行了为期近三个月的 技术会诊 会诊发现 煤矿对以瓦斯为主的灾害防治技术不够 是一个突出问题 主要表现在几个方面 一是煤矿安全技术基 础薄弱 煤与瓦斯突出 冲击地压等动力灾害受地质条件控制 80 以上的动力灾害发生在构造破坏带 但多数构造带并不发 生动力灾害 地质构造对灾害的控制机理和规律尚不能认识 停留在 假说 阶段 对灾害发生机理的研究是另星开展的 缺 乏系统的 有一定力度的支持 由于煤矿安全的基础理论研究 薄弱 对煤与瓦斯突出等灾害的发生机理 灾害的演化过程尚 不能全面认识 因此 影响了灾害预测预报技术的发展 如煤 与瓦斯突出预测预报技术 瓦斯煤尘爆炸动态预警技术 突水 预测预报技术 隐蔽火源探测技术等安全生产急需解决的难题 的突破都需要理论支持 二是我国煤矿灾害防治技术中一些技 术关键尚未突破 影响了防治效果 如瓦斯检测的黑白元件的 稳定性 寿命等方面与国外同类技术还存在较大差距 松软突 出煤层的钻孔工艺和钻机尚未完全突破 影响了防突技术的发 展 三是我国煤矿分布范围广 地质条件千差万别 生产条件 的复杂性 作业场所的动态性和工艺技术的不可复制性 导致 一些先进适用技术和科技攻关成果的推广受到制约 一项灾害 防治技术在某一矿井使用时效果良好 当在另一煤矿应用时 受地质 矿井条件变化的影响 可能发挥不出好的效果 必须 针对矿井自身条件进行改进再创新 国家高度重视这些问题 科技部 国家安全生产监督管理 总局组织并实施了煤矿安全科技专项科技行动 科技行动分为 三个领域 1 开展基础研究 针对煤矿瓦斯灾害严重 灾害致灾机理不能完全认识并且 影响到灾害防治技术进步的实际 国家科技部已经把煤矿安全 的基础科学问题纳入国家重大基础研究 973 计划 批准了由煤 炭科学研究总院及重庆分院 抚顺分院 西安分院 中国矿业 大学 河南理工大学 重庆大学 辽宁工程大学和上海交通大 学等共同承担 预防煤矿瓦斯动力灾害的基础研究 项目 课题 组将在煤矿瓦斯灾害的地质构造作用基理 采动裂隙场时空演 化与瓦斯流场耦合效应 煤岩瓦斯动力灾害演化机制及地球物 理响应规律和瓦斯煤尘爆炸动力学演化及预防机制等四个方面 开展研究 通过研究有望建立有效预防煤矿瓦斯灾害的基础理 论体系 解决煤矿瓦斯灾害防治中的关键科学问题为预防和控 制技术的研究奠定基础 2 煤矿瓦斯防治技术集成和示范 为了尽快扭转煤矿事故多发的局面 全面提高煤矿预防和 控制灾害事故的技术能力 科技部和国家安全生产监督管理总 局启动了煤矿瓦斯治理技术与示范项目 首先对我国煤矿瓦斯 防治技术和先进治理经验进行分析研究 筛选出先进适用的瓦 斯治理技术与装备 基本构建我国煤矿瓦斯治理体系 为煤矿 企业治理瓦斯提供技术支持 同时 对煤与瓦斯突出 瓦斯抽 放 安全监测监控等关键技术进行集成创新 提高瓦斯防治技 术在不同矿区的适应性和有效性 为了促进瓦斯灾害治理长效 机制的形成 对急需的瓦斯管理规范和技术标准进行制修订 完善煤矿安全技术标准体系 为了使煤矿灾害防治技术在一个 示范矿井充分发挥减灾防灾的作用 起到示范引领的作用 将 针对不同典型灾害在五个煤矿进行技术示范 在重庆松藻煤电 有限责任公司进行严重突出矿井瓦斯综合治理技术推广与应用 示