煤矿瓦斯灾害防治新技术研究
(煤炭科学研究总院重庆分院重庆400037)
煤矿瓦斯灾害的防治是世界上所有煤炭开采国家关注的焦点。简要介绍了以创建本质安全型矿井为目标的区域综合技术的应用、研究现状及进展，包括瓦斯灾害易发区预测技术、高效瓦斯抽采效果评价技术、瓦斯灾害监测预警技术。
关键词煤矿瓦斯灾害预测技术；抽放技术；监测预警技术
瓦斯灾害防治新技术研究
胡倩婷
(煤炭科学研究总院重庆分院，重庆400037)
文摘:防治瓦斯灾害是世界各煤矿国家普遍关注的焦点。简要介绍了瓦斯灾害易发区域预测技术、瓦斯有效抽采及抽采效果评价技术、瓦斯灾害监测预警技术等几项综合技术的研究现状、进展及应用，旨在建设本质安全型煤矿。
关键词:瓦斯灾害；预测技术；提取技术；监测和预警技术
煤矿瓦斯灾害的防治是世界上所有煤炭开采国家关注的焦点，特别是在中国，瓦斯灾害已经成为煤矿群伤亡事故的头号杀手。2005年，瓦斯事故占重大煤矿事故的70.7%，死亡人数超过100人。新中国成立以来，共发生死亡人数超过100人的煤矿事故22起，瓦斯煤尘爆炸20起。
煤矿瓦斯灾害防治技术研究已从局部单项技术发展到以创建本质安全型矿井为目标的区域性综合技术，包括瓦斯灾害易发区预测技术、高效瓦斯抽采及抽采效果评价技术、瓦斯灾害监测预警技术等。本文简要介绍了这些技术的研究情况。
1瓦斯灾害易发区预测技术
瓦斯灾害与地质构造密切相关，地质构造复杂的地区通常属于瓦斯灾害易发区。此外，瓦斯灾害易发区通常含有高瓦斯含量，因此预测高瓦斯含量区也是预测瓦斯灾害易发区的有效手段。
地质构造超前探测技术，1.1探地雷达
探地雷达是一种确定地下介质分布的定向高频电磁波反射定位技术。在岩土工程和建筑工程中得到了广泛的应用。煤炭科学研究总院重庆分院通过多年努力，最近研制出一种适用于煤矿环境的本质安全型地质雷达，可提前探测到采掘工作面20 ~ 30m深处煤岩体中的小型隐伏构造等地质异常，并通过在西山、淮南、松藻矿区的实验取得了良好的效果。2004年6月5438+2月65438+2月，西山杜儿坪矿68214尾巷进行了煤层陷落柱探测试验。发现雷达波在煤层中由浅入深逐渐衰减，而雷达回波在有陷落柱的地方反射强烈，同相轴基本形成弧形曲线，清晰地反映了陷落柱与煤层的界面和陷落柱的大小范围(见图650)
图1杜平塌柱检测结果
对西曲煤矿22502工作面辅巷2 # ~ 4 #煤层的位置和厚度进行了探测:探测结果(图2)显示，2 #煤层底板和4 #煤层顶底板位置反映清晰，4 #煤层在测区范围内基本稳定，受断层影响有局部起伏，测得4 #煤层平均厚度为3.35m
图2西曲矿煤层厚度检测结果
在西曲矿28210工作面辅助巷道中，预先用硫磺头探测采空区边界:沿硫磺头表面向前进行水平扫描，如图3所示。可见前方30m左右有一个强反射界面，推测为异常含水区。
图3西曲矿采空区边界探测结果
1.2皮秒波长距离结构探测技术
P-S波长距离超前构造探测技术主要探测地震波反射的P波和S波，用于分析和预测地质构造，可以方便、快速地预测采掘工作面100 ~ 150 m深度的煤、岩中的地质异常。
试验分别于2005年7月9日至6月5日1和9月26日21在潞安常存矿S3-5皮顺巷、740回风巷和630皮带巷进行。
图4常存煤矿陷落柱探测结果
常存矿S3-5皮顺巷勘探(图4)显示，55.8 ~ 87.5 m左右有多个反射面，岩体破碎，可能是陷落柱影响区域。掘进巷道至S3回风山南55m处，暴露一陷落柱。
王庄矿740回风巷探测(图5)表明，掘进工作面前方13.5米和56.5米处有反射界面，70 ~ 120米范围内有部分二次反射界面..实际揭露F237断层发育在掘进头前55m，为正断层，走向132，倾角222，倾角80，落差4.6m
图5王庄矿断层探测结果
1.3煤层瓦斯含量直接测定技术
气体含量q是指在20℃和一个大气压下，单位质量煤的气体含量。由可解吸气体含量和残余气体含量组成，单位为m3/t，其表达基准为原煤。解吸瓦斯含量Qm的值等于瓦斯损失Q1、煤样瓦斯解吸量Q2和煤样破碎后瓦斯解吸量Q3之和。
将煤芯钻入煤层构造中，从煤层深部取出煤芯，并及时放入煤样筒中密封，记录从取芯器到密封的时间；然后在井下测量煤样筒中煤芯的瓦斯解吸速度和解吸量，根据解吸速度和损失时间计算瓦斯损失量q 1；将煤样筒拿到实验室，然后测量煤样筒释放的瓦斯量，与井下测量的瓦斯解吸量一起计算煤芯瓦斯解吸量Q2；将煤样筒中的煤样放入密封的破碎系统中进行破碎，测量破碎过程中和破碎后一段时间内解吸的气体量(常压下)，并以此计算破碎解吸的气体量。瓦斯损失、煤芯瓦斯解吸和煤粉瓦斯解吸之和为可解吸瓦斯含量，即Qm=Q1+Q2+Q3。然后测定煤样的质量，并测定煤层中的残余瓦斯含量，最后计算煤层中的瓦斯含量。
测试系统由煤样筒、容积测量系统、气体成分测定系统、煤样破碎系统和钻孔取样系统组成，如图6所示。该方法在淮南矿业集团进行了试验，并与钻屑法测定可解吸气体含量进行了对比。测试结果见表1。从表1可以看出，采用取芯法测得的解吸气精度较高。同时，与巷道掘进过程中的瓦斯涌出量相比(见图7)，趋势明显基本一致。
图6直接法气体含量测定系统
利用该方法可以大面积测量大量的煤层瓦斯含量数据，了解各地区煤层瓦斯含量的分布情况，从而有效预测瓦斯灾害易发区。目前，试验中取样钻孔深度达到50m，随着试验的进一步完善和扩展，有望满足煤矿生产的实际需要。
图7气体含量测定结果对比
表1钻屑法和取芯法测量瓦斯解吸试验结果对比
2高效瓦斯抽采技术
2.1地面钻孔抽采卸压区煤层或采空区瓦斯。
瓦斯抽放是预防瓦斯灾害最根本的手段。在借鉴国内外一些成功经验的基础上，结合淮南矿区的实际情况，我们进行了地面钻采煤层或采空区瓦斯技术的试验研究。
图8是通过地面钻孔从卸压区的煤层或采空区抽采瓦斯的钻孔结构图。从卸压煤层抽采瓦斯时，钻孔应进入卸压煤层。淮南矿业集团谢桥矿和张北矿采空区瓦斯抽放试验结果表明，钻孔应布置在距回风巷30m以内，钻孔间距为200～300m。图9是谢桥煤矿的抽采效果图，表2汇总了淮南矿区地面钻孔抽采采空区瓦斯的流量和浓度。潘一煤矿地面钻孔抽放采空区瓦斯流量为5 ~ 1.5m3/min，浓度为60% ~ 85%。张北煤矿地面钻孔抽放采空区瓦斯流量为10 ~ 25m3/min，浓度为60% ~ 80%。谢桥煤矿地面钻孔抽放采空区瓦斯流量为10～20 m3/min，浓度为60%～90%。谢毅煤矿地面钻孔抽采采空区瓦斯，抽采量为4 ~ 5m3/min，浓度为50%。
表2淮南矿区地面钻孔抽放瓦斯流量和浓度
图8采空区瓦斯抽采地面钻孔结构图
谢桥煤矿地面钻孔抽放采空区瓦斯效果图。
通过以上对淮南矿区地面钻孔实施效果的总结，可以看出:一般情况下，这些钻孔正常工作时，瓦斯抽采量和瓦斯浓度均较高，平均流量为1.5m 3/min，平均瓦斯浓度为80%，抽采效果良好。当工作面推进钻孔40 ~ 100 m时，钻孔内的瓦斯流量和浓度增加到最大值(见图10)。
图10潘一煤矿地面钻孔抽放采空区瓦斯流量和浓度
2.2井下树枝状长钻孔顺层预抽煤层瓦斯技术
山西大宁煤矿引进了澳大利亚生产的VLD-1000型定向钻机，通过导向和纠偏装置调整钻进方向，并根据煤层强度确定排渣方式和参数。VLD定向钻机于2003年4月在大宁煤矿投入使用。截至2004年4月底，总进尺78484米，创下了VLD井下单台定向钻机定向钻进的世界纪录。截至2004年9月底，VLD钻机完成定向钻孔160个，总进尺达到112716m，最长钻孔达到1005m，20个钻孔长度超过800m。钻孔布置见图16544。
图11大宁煤矿顺层树枝状长钻孔
对不同深度钻孔的排水效果进行了试验研究，根据深度将钻孔分为800m、600m和400m三组。1000米不同深度的长树枝状钻孔的排水效果如表3所示。可以看出，钻孔深度为800m的组的总钻孔长度是钻孔深度为400m的组的153%，钻孔深度为400m的组在1年、第二年和第800 d的总累积排水量为133% ~ 139%。钻孔深度600米组的总钻孔长度是钻孔深度400米组的145%，第1年、第2年、第800天的累计排水量是钻孔深度400米组的106% ~ 121%，随着钻孔深度的增加，钻孔累计排水量也相应增加，说明煤矿井下实施千米钻孔后，可大大减少排水巷道工程量，实现大面积预排水。
与1期末相比，第二年末钻孔累计总排水量增加了14% ~ 28%，而800 d期末累计总排水量仅增加了1%左右。由此得出，钻孔合理排水时间为1 ~ 2年。
大宁煤矿首采工作面长500米，宽320米。2003年开始千米钻机分支钻孔，钻孔间距约15m (* * * 12孔，34个水平分支)，钻孔深度约500m，总进尺11000 m，经调查，单孔平均总抽采量为1.0mm3，首采工作面煤层气含量为14m32005年煤层气涌出量为184.8m3/min，其中抽采量为130m3/min，煤层气抽采率为70.35%。
表3不同深度和千米的分支长钻孔排水效果分析表
3瓦斯灾害监测技术
瓦斯灾害监测是及时发现瓦斯灾害隐患的关键手段，主要包括传感器技术和监测网络系统。
3.1红外气体传感器技术
红外气体传感器主要利用一定波长的红外光的吸收性能与气体浓度之间存在确定关系的原理，通过测量一定波长的红外光的吸收程度来反映气体浓度值来工作，如图12所示。
图12红外气体传感元件
研制的红外传感器测试结果表明，当气体浓度在0% ~ 5%之间时，最大绝对误差为0.06%CH4，最大线性偏差为0.06%，平均响应时间为7.8s，温度从0℃变化到40℃时，显示误差为0.02%CH4，10d稳定性测试的最大零点漂移为0.01。目前已研制出量程为0 ~ 10%和0 ~ 40% CH4的红外气体传感器。
3.2宽带监控系统
KJ90分布式网络化煤矿综合监控系统骨干传输平台采用基于I P的工业以太网通信技术，将地面以太网技术直接延伸到煤矿井下环境，为矿井搭建了一个先进、可靠、标准、高速、宽带、双向的综合信息传输平台，使矿井安全及综合自动化系统的各类监控设备、自动化过程控制设备、语音通信设备、图像监控设备通过IP连接起来。并实现与煤矿企业整体Internet/Intranet架构的无缝连接，如图13所示。
图13宽带监控系统功能结构图
4瓦斯灾害预警技术
瓦斯灾害的有效防治与矿井管理水平密切相关。但是，瓦斯灾害的发生有很多相关因素，而且这些因素是动态的，单纯依靠它很难掌握所有相关因素的变化和可能的结果。因此，我们开展了瓦斯灾害预警技术的研究。通过建立大量的信息数据库，通过监测系统监测相关影响因素的变化，利用实验研究得到的相关模型，实现了瓦斯灾害的预警，提出了消除瓦斯灾害隐患的合理化建议，以技术提升矿井安全生产的管理和决策水平。
预警系统基于ARC Infor三维地理信息系统平台开发，使过程和结果直观化。目前，瓦斯灾害预警系统的主要功能有:①瓦斯赋存分析和预测；②区域煤与瓦斯突出危险性预测；③采煤工作面煤与瓦斯突出危险性预测；④实时监测和预测气体浓度变化；⑤瓦斯爆炸危险性预测；⑥系统管理、矿图维护、输入输出等功能模块。而且随着研究的深入，不断增加功能，通过自学习修改模型。图14是系统软件的一个界面。
4.1瓦斯地质及瓦斯赋存分析预测
瓦斯地质与瓦斯赋存分析预测主要以绘制瓦斯压力等值线、瓦斯含量等值线和地质构造对煤与瓦斯突出的影响为目标，研究基于GIS技术的瓦斯地质赋存预测方法和软件计算程序。在该系统中，主要研究开发了地质构造的维护与查询、地质单元的划分与智能识别、地质单元的瓦斯压力等值线绘制、瓦斯含量等值线绘制、等值线分布范围查询、分布图查询等功能。
图14气体压力等值线输出结果
4.2区域煤与瓦斯突出危险性预测
区域煤与瓦斯突出危险性预测主要以绘制突出危险区域分布图为目的，其预测依据是煤矿实测的瓦斯压力、瓦斯含量、地质构造、动力现象等基础参数。区域预测的方法有瓦斯地质法、综合指数法、钻孔动态现象判断法和其他现象综合判断法，区域预测的结果是各专业模块计算结果的并集。区域预报结果分为突出威胁区、突出危险区和严重突出危险区三个等级，结果图可交互查询、打印和发布。
4.3采煤工作面煤与瓦斯突出危险性预测
采煤工作面煤与瓦斯突出危险性预测主要分为三部分:采煤工作面煤与瓦斯突出危险性预测、煤巷掘进工作面煤与瓦斯突出危险性预测和石门揭煤工作面煤与瓦斯突出危险性预测。预测数据来源于三个方面:一是日常的钻法突出预测数据，包括瓦斯解吸指标K1的值、钻屑量S、瓦斯涌出初速度Q及其衰减指标Cq等。二是工作面瓦斯涌出动态指标，包括放炮后30(60)min内瓦斯涌出量变化的评价指标V30(V60)，监测系统监测到的工作面实时瓦斯涌出量变化等。三、地质构造、日报表参数测点、历史开采条件记录、历史突出事故记录。
4.4实时监测和预测气体变化
瓦斯监测信息来自于监测系统，预警服务器的任务是定时从监测系统服务器读取所需信息(主要是瓦斯浓度变化的实时值)，并主动传输给预警服务器，然后根据信息要求进行存储和显示，并通过软件接口提供灵活的查询和统计分析功能。
由于监控系统数据是瓦斯灾害动态预警的基础，数据采集服务器程序既要求自身具有稳定性、可靠性和灵活性的特点，又不能对控制系统服务器产生任何负面影响。从长远来看，有必要将监测系统和预警系统的数据库服务器合并，以减少数据存储资源的浪费和数据的集中管理。
4.5气体爆炸风险预测
瓦斯爆炸危险性预测是以矿井监控系统实时监测的瓦斯浓度数据为基础，经过分析处理，综合其他影响因素，研究瓦斯爆炸灾害的预警指标和方法，实现瓦斯爆炸灾害的预警，包括两个方面:
(1)对监控系统数据库中存储的三种数据进行分析判断，实现瓦斯爆炸危险实时预警；
(2)根据煤与瓦斯突出预警结果进行分析判断，实现异常情况下的瓦斯爆炸危险性预警。
4.6系统管理、矿图维护和输入/输出
系统管理、矿图维护和输入输出是本系统正常运行的基础。
(1)系统管理。系统管理包括通用参数设置、显示风格设置、用户权限设置、煤矿部门分配和人员设置、日志管理、系统配置状态诊断、数据库备份和恢复等。系统管理的功能模块是为预警系统的正常运行提供保障。
(2)矿图维护。矿井图维护主要是维护矿井的图件对象，包括设施设备维护、传感器维护、巷道维护、掘进工作面维护、采煤工作面维护、工作面预测测点维护、突出事故点维护、采空区维护、防护带维护、采煤阶段维护、采区维护、瓦斯赋存参数维护、地质构造维护等。
矿图维护模块的设计不同于传统的图形绘制方法。为了严格按照预警系统的对象关系定义对象，在维护地图对象时，不仅要求准确绘制矿图及其对象，还要求建立对象之间的拓扑关系和关联方法。
(3)输入输出。输入输出功能是预警系统运行和显示预警结果的主要手段。输入主要通过三种方式收集数据，即:日常维护输入、监控系统动态输入和历史数据分析；输出方式包括报表打印输出、报表在线发布、地图打印输出和地图在线发布。
此外，系统还设计和研究了防灾措施和专家系统知识库。
5结束语
有效防治瓦斯灾害是一项长期而艰巨的任务，其面临的技术问题将越来越复杂。本文介绍的技术是近年来的一些研究进展。有些技术只是在部分矿区进行了试验，要实现大规模推广还需要一个过程。尤其是瓦斯灾害预警技术，目前更重要的是搭建平台。通过“十一五”科技攻关、国家973计划和国家自然科学基金的研究，进一步建立和完善预警模型，筛选和完善实用预防技术，通过现场试应用和自我学习，使其具备瓦斯灾害动态预警所必需的实用软硬件技术，真正为提高煤矿安全水平发挥关键作用。