預(yù)防煤礦瓦斯災(zāi)害新技術(shù)的研究動向
預(yù)防煤礦瓦斯災(zāi)害是世界各采煤國家關(guān)注的焦點(diǎn)，尤其在我國，瓦斯災(zāi)害已成為煤礦群死群傷的頭號殺手，2005年，一次死亡10人以上的特大煤礦事故中，瓦斯事故占70.7%，建國以來發(fā)生22起一次死亡100人以上的煤礦事故中，瓦斯煤塵爆炸事故為20起。
預(yù)防煤礦瓦斯災(zāi)害技術(shù)的研究已經(jīng)從局部性短兵相接的單項技術(shù)向區(qū)域性的以建立本質(zhì)安全礦井為目的的綜合技術(shù)發(fā)展，包括瓦斯災(zāi)害易發(fā)區(qū)域的預(yù)測技術(shù)、高效瓦斯抽采及抽采效果評價技術(shù)、瓦斯災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)等。本文對這些技術(shù)的研究動向作一簡要介紹。
一、瓦斯災(zāi)害易發(fā)區(qū)域預(yù)測技術(shù)
瓦斯災(zāi)害與地質(zhì)構(gòu)造有密切關(guān)系，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的區(qū)域通常屬于瓦斯災(zāi)害易發(fā)區(qū)域。此外，瓦斯災(zāi)害易發(fā)區(qū)通常賦存著較高的瓦斯含量，因此，預(yù)測高瓦斯含量區(qū)域也是預(yù)測瓦斯災(zāi)害易發(fā)區(qū)的有效手段。
1.地質(zhì)雷達(dá)超前探測地質(zhì)構(gòu)造技術(shù)。地質(zhì)雷達(dá)是利用無線電反射原理超前探測地質(zhì)構(gòu)造的一種有效手段，在巖土工程和建筑工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。煤炭科學(xué)研究總院重慶分院通過多年努力，最新研制出適合煤礦環(huán)境使用的本質(zhì)安全型地質(zhì)雷達(dá)，能夠超前探測采掘工作面20～30m深處煤巖內(nèi)的隱伏小型構(gòu)造等地質(zhì)異常體，通過在西山、淮南、松藻等礦區(qū)的試驗(yàn)，取得了好的效果。2004年12月12日，在西山杜兒坪礦68214尾巷進(jìn)行了煤層陷落柱探測試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在煤層中由淺到深雷達(dá)波逐漸衰減，而在有陷落柱的地方雷達(dá)回波出現(xiàn)強(qiáng)反射，同相軸基本形成一段弧形曲線，明顯反映了陷落柱和煤層的分界面和陷落柱的大小范圍。
在西曲礦22502工作面付巷探測2#-4#煤層位置和厚度：探測結(jié)果表明，2#煤層的底板和4#煤層的頂、底板位置反映均較清楚，4#煤層在所測范圍內(nèi)基本穩(wěn)定，受斷層影響局部有起伏，所測4#煤層平均厚度為3.35m。
在西曲礦28210工作面付巷磧頭超前探測采空區(qū)邊界：沿磧頭表面向前方作水平掃描，參見圖3，可見約在前方30m處有一強(qiáng)反射界面，推測為含水異常區(qū)。
2.P-S波長距離構(gòu)造探測技術(shù)。P-S波長距離超前構(gòu)造探測主要檢測地震波中反射回來的P波和S波進(jìn)行分析預(yù)報地質(zhì)構(gòu)造的，能方便快捷預(yù)報采掘工作面100-150m深處煤巖內(nèi)的地質(zhì)異常情況。
試驗(yàn)分別于2005年7月9～10日和9月21日在潞安常村礦S3-5皮順巷、王莊礦740回風(fēng)巷和王莊礦630皮帶巷進(jìn)行了三次探測試驗(yàn)。
常村礦S3-5皮順巷探測結(jié)果為：大約55.8~87.5m(掘進(jìn)面前方0~31.7m)處反射面較多，巖體破碎，可能為陷落柱影響區(qū)。該巷掘至距S3回風(fēng)下山南幫388m位置揭露一陷落柱，王莊礦740回風(fēng)巷探測結(jié)果為：在掘進(jìn)正前方約71m(掘進(jìn)面前方13.5m)和約114m(掘進(jìn)面前方56.5m)處都存在反射界面，在70~120米范圍內(nèi)還存在一些次生的反射界面。實(shí)際揭露發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)頭前55m處發(fā)育F237斷層，斷層性質(zhì)為正斷層、走向1320、傾向2220、傾角800，斷層落差4.6m。
3.煤層瓦斯含量直接測定技術(shù)。瓦斯含量(Q)是指單位質(zhì)量的煤在20℃和一個大氣壓條件下所含有的瓦斯量，它由可解吸瓦斯含量和殘存瓦斯含量組成，單位為m3/t，其表達(dá)基準(zhǔn)為原煤基?？山馕咚购?Qm)的值等于瓦斯損失量(Q1)、煤樣瓦斯解吸量Q2、煤樣粉碎后的瓦斯解吸量(Q3)三者之和。
通過向煤層施工取芯鉆孔，將煤芯從煤層深部取出，及時放入煤樣筒中密封;然后測量煤樣筒中煤芯的瓦斯解吸速度及解吸量,并以此來計算瓦斯損失量Q1;把煤樣筒帶到實(shí)驗(yàn)室然后測量從煤樣筒中釋放出的瓦斯量,與井下測量的瓦斯解吸量一起計算煤芯瓦斯解吸量Q2;將煤樣筒中的部分煤樣裝入密封的粉碎系統(tǒng)加以粉碎,測量在粉碎過程及粉碎后一段時間所解吸出的瓦斯量(常壓下),并以此計算粉碎瓦斯解吸量Q3;瓦斯損失量、煤芯瓦斯解吸量和粉碎瓦斯解吸量之和就是可解吸瓦斯含量，即Qm=Q1+Q2+Q3。再根據(jù)試驗(yàn)可測定煤層殘余瓦斯含量，最終求出煤層瓦斯含量。系統(tǒng)和鉆孔取樣系統(tǒng)等組成。利用這種方法在淮南礦業(yè)集團(tuán)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1，同時與巷道掘進(jìn)過程中瓦斯涌出量進(jìn)行對比，顯然趨勢基本一致。利用這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)大面積大量測定煤層瓦斯含量資料，了解各區(qū)域的煤層瓦斯含量分布狀態(tài)，以此為基礎(chǔ)便可有效預(yù)測瓦斯災(zāi)害易發(fā)區(qū)。目前試驗(yàn)取樣鉆孔深度達(dá)到50m，隨著進(jìn)一步改進(jìn)和擴(kuò)大試驗(yàn)，預(yù)計能夠滿足煤礦生產(chǎn)的實(shí)際需要。
二、高效瓦斯抽采技術(shù)
1.地面鉆孔抽采采動卸壓區(qū)煤層或采空區(qū)瓦斯。瓦斯抽采是預(yù)防瓦斯災(zāi)害最根本的手段，借鑒國內(nèi)外一些成功的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合淮南礦區(qū)的實(shí)際情況，我們對煤礦區(qū)地面鉆井抽采采動卸壓區(qū)煤層或采空區(qū)瓦斯技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。
在淮南礦業(yè)集團(tuán)謝橋和張北礦采空區(qū)瓦斯抽采的試驗(yàn)結(jié)果表明，鉆孔應(yīng)布置在距離回風(fēng)巷30m以內(nèi)，鉆孔間距在200～300m之間。潘一礦的地面鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯流量為5～15m3/min，濃度為60～85%。張北礦地面鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯流量為10～25m3/min，濃度為60～80%。謝橋礦地面鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯流量為10～20m3/min，濃度為60～90%。謝一礦的一個地面鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯量為4～5m3/min，濃度為50%。
通過以上對淮南礦區(qū)地面鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯實(shí)施效果的歸納，可以看出：通常情況下，這些鉆孔在正常工作期間，瓦斯抽放量和瓦斯?jié)舛染^高，平均流量為15m3/min，平均瓦斯?jié)舛葹?0%，抽放效果較好。當(dāng)工作面推過鉆孔40～100m時，鉆孔瓦斯流量和濃度都增到最大值。
2.井下順煤層枝狀長鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯技術(shù)。在山西大寧礦，引進(jìn)澳大利亞生產(chǎn)的VLD-1000定向千米鉆機(jī)，采用導(dǎo)向和糾偏裝置調(diào)整鉆進(jìn)方向，并根據(jù)煤層強(qiáng)度確定排渣方式和參數(shù)。VLD定向鉆機(jī)從2003年4月開始在大寧礦調(diào)試、運(yùn)行，到2004年4月末的一個整年，總共鉆進(jìn)進(jìn)尺為78484m，創(chuàng)下了單臺VLD定向鉆機(jī)在井下定向鉆進(jìn)的世界紀(jì)錄。到2004年9月底，VLD鉆機(jī)已經(jīng)完成了定向鉆孔160個，總進(jìn)尺達(dá)到了112,716m，最長的鉆孔達(dá)到了1005m，有20個鉆孔的長度在800m以上,鉆孔布置如圖11所示。
對不同深度鉆孔的抽采效果進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)和考察，將鉆孔按深度分為800m、600m、400m組。不同深度千米鉆機(jī)枝狀長鉆孔抽采效果如表3所示。由此可以看出，鉆孔深度為800m組的鉆孔總鉆進(jìn)長度是鉆孔深度400m組的153%，其抽采第1年、第2年及800d的總累計抽采量是鉆孔深度400m組的133%～139%;鉆孔深度為600m組的鉆孔總鉆進(jìn)長度是鉆孔深度400m組的145%，其抽采第1年、第2年及800d的總累計抽采量是鉆孔深度400m組的106%～121%。隨著鉆孔深度的增加，鉆孔的累計抽采總量也相應(yīng)增加，說明增加鉆孔長度對提高抽采效果是可行的。在煤礦井下實(shí)施千米鉆孔后，既可大幅度減少抽采巷道工程量，并能實(shí)現(xiàn)大面積預(yù)抽。
鉆孔在第2年末的總累計抽采量與第1年末相比增加了14%～28%，而在800d時的總累計抽采量與第2年末的相比僅增加了1%左右。由此可得出，鉆孔的合理抽采時間以1～2年為宜。
大寧礦首采面長500m、寬320m，于2003年開始實(shí)施千米鉆機(jī)枝狀長鉆孔，鉆孔間距15m左右(共計12個孔、34個水平分支)，鉆孔深度為500m左右、鉆進(jìn)總進(jìn)尺11000m，抽采時間為2.0年。經(jīng)考察單孔平均總抽采量為1.0Mm3。首采面的煤層氣含量為14m3/min，由此計算首采面的預(yù)抽率為51.44%;2005年礦井煤層氣涌出量為184.8m3/min、其中抽采量為130m3/min，礦井煤層氣抽采率為70.35%。
三、瓦斯災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)
瓦斯災(zāi)害監(jiān)測是及時發(fā)現(xiàn)瓦斯災(zāi)害隱患的關(guān)鍵手段，主要包括傳感器技術(shù)和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)兩部分。
1.紅外瓦斯傳感器技術(shù)。紅外瓦斯傳感器主要利用瓦斯氣體對某一特定波長紅外光吸收性能與瓦斯?jié)舛戎g存在一確定關(guān)系，通過測定特定波長紅外光被吸收的程度反映瓦斯?jié)舛戎档脑磉M(jìn)行工作。
對研制的紅外傳感器進(jìn)行的測試結(jié)果為：瓦斯?jié)舛葹?～5%之間時，最大絕對誤差為0.06%CH4，最大線性度偏離0.06%,平均響應(yīng)時間7秒48，0～40℃溫度變化時顯示誤差為±0.02%CH4，為期10天穩(wěn)定性試驗(yàn)零點(diǎn)漂移最大為0.01%，顯然具有較好的性能。實(shí)際上紅外瓦斯傳感器能夠測量0～100%CH4的測量范圍。
2.寬帶監(jiān)控系統(tǒng)。KJ90分布式網(wǎng)絡(luò)化煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)主干傳輸平臺即采用了基于IP的工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)，將地面以太網(wǎng)技術(shù)直接延伸至煤礦井下環(huán)境，為礦井構(gòu)筑了先進(jìn)、可靠、標(biāo)準(zhǔn)、高速、寬帶、雙向的綜合信息傳輸平臺，使得礦山安全和綜合自動化系統(tǒng)的各種監(jiān)控設(shè)備、自動化過程控制設(shè)備、語音通訊設(shè)備、圖象監(jiān)控設(shè)備等都以IP方式接入。并與煤礦企業(yè)的Internet/Intranet整體架構(gòu)實(shí)現(xiàn)無縫連接。
四、瓦斯災(zāi)害預(yù)警技術(shù)
瓦斯災(zāi)害的有效預(yù)防與礦井管理水平密切相關(guān)。然而，瓦斯災(zāi)害的發(fā)生具有許多相關(guān)影響因素，且這些因素都是動態(tài)變化的，單純靠人來掌握所有相關(guān)因素的變化以及可能到能導(dǎo)致的結(jié)果是非常困難的。為此，我們提出了瓦斯災(zāi)害預(yù)警技術(shù)的研究，通過建立大量的信息數(shù)據(jù)庫，并通過監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測各相關(guān)影響因素的變化，利用試驗(yàn)研究得到的相關(guān)模型，實(shí)現(xiàn)對瓦斯災(zāi)害預(yù)警，并提出合理的消除瓦斯災(zāi)害隱患的建議，利用技術(shù)提升礦井安全生產(chǎn)的管理水平。
預(yù)警系統(tǒng)基于ARCInfor三維地理信息系統(tǒng)平臺進(jìn)行開發(fā)，使過程和結(jié)果具有直觀性。預(yù)警系統(tǒng)主要具備：
1.瓦斯地質(zhì)賦存預(yù)測。瓦斯地質(zhì)賦存預(yù)測主要是以繪制瓦斯壓力等值線、瓦斯含量等值線、地質(zhì)構(gòu)造對煤與瓦斯突出的影響等為目標(biāo)，研究基于地理信息(GIS)技術(shù)的瓦斯地質(zhì)賦存狀況預(yù)測方法及軟件計算程序。在本系統(tǒng)中，主要研究開發(fā)了地質(zhì)構(gòu)造的維護(hù)、查詢，地質(zhì)單元的劃分與智能識別，地質(zhì)單元的瓦斯壓力等值線繪制、瓦斯含量等值線繪制、等值線分范圍查詢及分布圖查詢等功能。
2.區(qū)域煤與瓦斯突出危險性預(yù)測。區(qū)域煤與瓦斯突出危險性預(yù)測主要以繪制突出危險區(qū)域分布圖為目標(biāo)，其預(yù)測基礎(chǔ)是煤礦實(shí)際生產(chǎn)需要而測定的若干瓦斯壓力、瓦斯含量等基本參數(shù)測點(diǎn)。區(qū)域預(yù)測的方法包括瓦斯地質(zhì)法、綜合指標(biāo)法、鉆孔動力現(xiàn)象判斷法和其它現(xiàn)象綜合判斷法，區(qū)域預(yù)測的結(jié)果就是各個專業(yè)模塊計算結(jié)果的并集。區(qū)域預(yù)測結(jié)果分為突出威脅、突出危險和嚴(yán)重突出危險三級，結(jié)果圖可以進(jìn)行交互查詢、打印和共享發(fā)布。
3.采掘工作面煤與瓦斯突出危險性預(yù)測。采掘工作面煤與瓦斯突出危險性預(yù)測主要分為采煤工作面突出危險性預(yù)測、煤巷掘進(jìn)工作面突出危險性預(yù)測和石門揭煤工作面突出危險性預(yù)測三部分內(nèi)容，其預(yù)測數(shù)據(jù)來源有三個方面，一是日常突出預(yù)測數(shù)據(jù)，包括瓦斯解吸指標(biāo)K1值、鉆屑量S、瓦斯涌出初速度q及其衰減指標(biāo)Cq等;二是工作面瓦斯涌出動態(tài)指標(biāo)，包括放炮后30(60)分鐘內(nèi)瓦斯涌出變化評價指標(biāo)V30(V60)，監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控的工作面瓦斯實(shí)時涌出變化量等;三是地質(zhì)構(gòu)造、日常記錄的參數(shù)測定點(diǎn)、歷史采掘狀況記錄、歷史突出事故記錄等。
4.瓦斯變化實(shí)時監(jiān)控與預(yù)測。瓦斯監(jiān)控信息來源于監(jiān)測系統(tǒng)，預(yù)警服務(wù)器的任務(wù)是，定時從監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器讀取需要的信息(主要是瓦斯能讀變化實(shí)時值)，并主動傳輸?shù)筋A(yù)警服務(wù)器上，再根據(jù)信息需求進(jìn)行分類存儲和顯示，并通過軟件界面接口提供靈活的查詢和統(tǒng)計分析功能。
由于監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)是進(jìn)行瓦斯災(zāi)害動態(tài)預(yù)警的基礎(chǔ)，所以數(shù)據(jù)采集服務(wù)器程序不但要求其自身具有穩(wěn)定性、可靠性、靈活性等特征，而且對控件系統(tǒng)服務(wù)器不能有任何負(fù)面影響。從長遠(yuǎn)來看，需要對監(jiān)控系統(tǒng)和預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行合并以減少數(shù)據(jù)存儲資源的浪費(fèi)和數(shù)據(jù)的集中管理。
5.瓦斯爆炸預(yù)測。瓦斯爆炸預(yù)測是以礦井監(jiān)測系統(tǒng)的瓦斯?jié)舛葘?shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對其進(jìn)行分析處理，綜合其它影響因素研究出瓦斯爆炸災(zāi)害的預(yù)警指標(biāo)和方法實(shí)現(xiàn)對瓦斯爆炸災(zāi)害發(fā)生的超前預(yù)警，其包括兩個方面的內(nèi)容：
一是對監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫保存的三類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷，實(shí)現(xiàn)瓦斯爆炸實(shí)時預(yù)警;
二是根據(jù)煤與瓦斯突出預(yù)警結(jié)果進(jìn)行分析和判斷，實(shí)現(xiàn)異常情況下瓦斯爆炸預(yù)警。
6.系統(tǒng)管理、礦圖維護(hù)與輸入輸出。系統(tǒng)管理、礦圖維護(hù)與輸入輸出是本系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。
一是系統(tǒng)管理。系統(tǒng)管理包括本軟件系統(tǒng)的通用參數(shù)設(shè)置、顯示風(fēng)格設(shè)置、用戶權(quán)限設(shè)置、煤礦部門分配及員工設(shè)置、日志管理、系統(tǒng)配置狀態(tài)診斷、數(shù)據(jù)庫備份與恢復(fù)等內(nèi)容，系統(tǒng)管理功能模塊的作用是為預(yù)警系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供保障。
二是礦圖維護(hù)。礦圖維護(hù)主要是對礦井的地圖對象進(jìn)行維護(hù)，包括設(shè)施設(shè)備維護(hù)、傳感器維護(hù)、巷道維護(hù)、掘進(jìn)工作面維護(hù)、采煤工作面維護(hù)、工作面預(yù)測測點(diǎn)維護(hù)、突出事故點(diǎn)維護(hù)、采空區(qū)維護(hù)、保護(hù)帶維護(hù)、采煤階段維護(hù)、采區(qū)維護(hù)、瓦斯賦存參數(shù)維護(hù)、地質(zhì)構(gòu)造維護(hù)等內(nèi)容。
礦圖維護(hù)模塊的設(shè)計不同于傳統(tǒng)的圖形繪制方法，為了嚴(yán)格按照預(yù)警系統(tǒng)的對象關(guān)系進(jìn)行對象定義，在維護(hù)地圖對象時，不但要求準(zhǔn)確地繪制礦圖及其對象，還特別要求同時建立對象之間的拓?fù)潢P(guān)系及關(guān)聯(lián)方法。
三是輸入輸出。輸入輸出功能是預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行和展示預(yù)警結(jié)果的主要手段。輸入主要通過三種方式進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，即：日常維護(hù)輸入、監(jiān)測系統(tǒng)動態(tài)輸入和歷史數(shù)據(jù)分析;輸出的方式有報表打印輸出、報表網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、地圖打印輸出、地圖網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等方式。
另外，系統(tǒng)還設(shè)計研究了災(zāi)害防治措施、專家系統(tǒng)知識庫等內(nèi)容。
有效預(yù)防瓦斯災(zāi)害是一項長期而又艱巨的任務(wù)，面臨的技術(shù)難題將越來越復(fù)雜。本文介紹的技術(shù)是這些年的一些研究進(jìn)展情況，部分技術(shù)僅在部分礦區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，達(dá)到大面積推廣還需要一個過程。還有許多新的技術(shù)等待我們?nèi)パ芯?，還有許多規(guī)律需要我們?nèi)フJ(rèn)識，還有許多問題需要我們?nèi)ソ鉀Q。有效預(yù)防瓦斯災(zāi)害需要大量新的技術(shù)、需要大量有效手段，需要不斷地認(rèn)識問題、尋找規(guī)律，因此需要許多人作出艱辛的努力，才能逐步解決相關(guān)難題。
