預(yù)防煤礦瓦斯災(zāi)害新技術(shù)的研究動(dòng)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(hào)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(xiàng)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(píng)價(jià)技術(shù)、瓦斯災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)等。本文對(duì)這些技術(shù)的研究動(dòng)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(bào)地質(zhì)構(gòu)造的，能方便快捷預(yù)報(bào)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(gè)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。可解吸瓦斯含量(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(shí)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(jì)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(jì)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(shí)間所解吸出的瓦斯量(常壓下),并以此計(jì)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(shí)與巷道掘進(jìn)過程中瓦斯涌出量進(jìn)行對(duì)比，顯然趨勢(shì)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(jì)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(dòng)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(duì)煤礦區(qū)地面鉆井抽采采動(dòng)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(gè)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(duì)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(shí)，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(gè)整年，總共鉆進(jìn)進(jìn)尺為78484m，創(chuàng)下了單臺(tái)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(gè)，總進(jìn)尺達(dá)到了112,716m，最長的鉆孔達(dá)到了1005m，有20個(gè)鉆孔的長度在800m以上,鉆孔布置如圖11所示。
對(duì)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(jì)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(jì)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(jì)抽采總量也相應(yīng)增加，說明增加鉆孔長度對(duì)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(jì)抽采量與第1年末相比增加了14%～28%，而在800d時(shí)的總累計(jì)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(shí)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(jì)12個(gè)孔、34個(gè)水平分支)，鉆孔深度為500m左右、鉆進(jìn)總進(jìn)尺11000m，抽采時(shí)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(jì)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(shí)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(duì)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(duì)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(shí)，最大絕對(duì)誤差為0.06%CH4，最大線性度偏離0.06%,平均響應(yīng)時(shí)間7秒48，0～40℃溫度變化時(shí)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(tái)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(tái)，使得礦山安全和綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的各種監(jiān)控設(shè)備、自動(dòng)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(dòng)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(duì)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(tái)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(duì)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(jì)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(shí)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(xiǎn)性預(yù)測。區(qū)域煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測主要以繪制突出危險(xiǎn)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(dòng)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(gè)專業(yè)模塊計(jì)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(xiǎn)和嚴(yán)重突出危險(xiǎn)三級(jí)，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(xiǎn)性預(yù)測。采掘工作面煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測主要分為采煤工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測、煤巷掘進(jìn)工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測和石門揭煤工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測三部分內(nèi)容，其預(yù)測數(shù)據(jù)來源有三個(gè)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(dòng)態(tài)指標(biāo)，包括放炮后30(60)分鐘內(nèi)瓦斯涌出變化評(píng)價(jià)指標(biāo)V30(V60)，監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控的工作面瓦斯實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)值)，并主動(dòng)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(chǔ)和顯示，并通過軟件界面接口提供靈活的查詢和統(tǒng)計(jì)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(dòng)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(duì)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(duì)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(chǔ)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(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)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(duì)瓦斯爆炸災(zāi)害發(fā)生的超前預(yù)警，其包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：
一是對(duì)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(shí)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(duì)礦井的地圖對(duì)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(jì)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(duì)象關(guān)系進(jìn)行對(duì)象定義，在維護(hù)地圖對(duì)象時(shí)，不但要求準(zhǔn)確地繪制礦圖及其對(duì)象，還特別要求同時(shí)建立對(duì)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(dòng)態(tài)輸入和歷史數(shù)據(jù)分析;輸出的方式有報(bào)表打印輸出、報(bào)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(jì)研究了災(zāi)害防治措施、專家系統(tǒng)知識(shí)庫等內(nèi)容。
有效預(yù)防瓦斯災(zāi)害是一項(xiàng)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(gè)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(shí)，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(shí)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。
