(煤炭科學研究總院重慶分院重慶400037)
煤礦瓦斯災害的防治是世界上所有煤炭開采國家關註的焦點。簡要介紹了以創建本質安全型礦井為目標的區域綜合技術的應用、研究現狀及進展，包括瓦斯災害易發區預測技術、高效瓦斯抽采效果評價技術、瓦斯災害監測預警技術。
關鍵詞煤礦瓦斯災害預測技術；抽放技術；監測預警技術
瓦斯災害防治新技術研究
胡倩婷
(煤炭科學研究總院重慶分院，重慶400037)
文摘:防治瓦斯災害是世界各煤礦國家普遍關註的焦點。簡要介紹了瓦斯災害易發區域預測技術、瓦斯有效抽采及抽采效果評價技術、瓦斯災害監測預警技術等幾項綜合技術的研究現狀、進展及應用，旨在建設本質安全型煤礦。
關鍵詞:瓦斯災害；預測技術；提取技術；監測和預警技術
煤礦瓦斯災害的防治是世界上所有煤炭開采國家關註的焦點，特別是在中國，瓦斯災害已經成為煤礦群傷亡事故的頭號殺手。2005年，瓦斯事故占重大煤礦事故的70.7%，死亡人數超過100人。新中國成立以來，共發生死亡人數超過100人的煤礦事故22起，瓦斯煤塵爆炸20起。
煤礦瓦斯災害防治技術研究已從局部單項技術發展到以創建本質安全型礦井為目標的區域性綜合技術，包括瓦斯災害易發區預測技術、高效瓦斯抽采及抽采效果評價技術、瓦斯災害監測預警技術等。本文簡要介紹了這些技術的研究情況。
1瓦斯災害易發區預測技術
瓦斯災害與地質構造密切相關，地質構造復雜的地區通常屬於瓦斯災害易發區。此外，瓦斯災害易發區通常含有高瓦斯含量，因此預測高瓦斯含量區也是預測瓦斯災害易發區的有效手段。
地質構造超前探測技術，1.1探地雷達
探地雷達是壹種確定地下介質分布的定向高頻電磁波反射定位技術。在巖土工程和建築工程中得到了廣泛的應用。煤炭科學研究總院重慶分院通過多年努力，最近研制出壹種適用於煤礦環境的本質安全型地質雷達，可提前探測到采掘工作面20 ~ 30m深處煤巖體中的小型隱伏構造等地質異常，並通過在西山、淮南、松藻礦區的實驗取得了良好的效果。2004年6月5438+2月65438+2月，西山杜兒坪礦68214尾巷進行了煤層陷落柱探測試驗。發現雷達波在煤層中由淺入深逐漸衰減，而雷達回波在有陷落柱的地方反射強烈，同相軸基本形成弧形曲線，清晰地反映了陷落柱與煤層的界面和陷落柱的大小範圍(見圖650)
圖1杜平塌柱檢測結果
對西曲煤礦22502工作面輔巷2 # ~ 4 #煤層的位置和厚度進行了探測:探測結果(圖2)顯示，2 #煤層底板和4 #煤層頂底板位置反映清晰，4 #煤層在測區範圍內基本穩定，受斷層影響有局部起伏，測得4 #煤層平均厚度為3.35m
圖2西曲礦煤層厚度檢測結果
在西曲礦28210工作面輔助巷道中，預先用硫磺頭探測采空區邊界:沿硫磺頭表面向前進行水平掃描，如圖3所示。可見前方30m左右有壹個強反射界面，推測為異常含水區。
圖3西曲礦采空區邊界探測結果
1.2皮秒波長距離結構探測技術
P-S波長距離超前構造探測技術主要探測地震波反射的P波和S波，用於分析和預測地質構造，可以方便、快速地預測采掘工作面100 ~ 150 m深度的煤、巖中的地質異常。
試驗分別於2005年7月9日至6月5日1和9月26日21在潞安常存礦S3-5皮順巷、740回風巷和630皮帶巷進行。
圖4常存煤礦陷落柱探測結果
常存礦S3-5皮順巷勘探(圖4)顯示，55.8 ~ 87.5 m左右有多個反射面，巖體破碎，可能是陷落柱影響區域。掘進巷道至S3回風山南55m處，暴露壹陷落柱。
王莊礦740回風巷探測(圖5)表明，掘進工作面前方13.5米和56.5米處有反射界面，70 ~ 120米範圍內有部分二次反射界面..實際揭露F237斷層發育在掘進頭前55m，為正斷層，走向132，傾角222，傾角80，落差4.6m
圖5王莊礦斷層探測結果
1.3煤層瓦斯含量直接測定技術
氣體含量q是指在20℃和壹個大氣壓下，單位質量煤的氣體含量。由可解吸氣體含量和殘余氣體含量組成，單位為m3/t，其表達基準為原煤。解吸瓦斯含量Qm的值等於瓦斯損失Q1、煤樣瓦斯解吸量Q2和煤樣破碎後瓦斯解吸量Q3之和。
將煤芯鉆入煤層構造中，從煤層深部取出煤芯，並及時放入煤樣筒中密封，記錄從取芯器到密封的時間；然後在井下測量煤樣筒中煤芯的瓦斯解吸速度和解吸量，根據解吸速度和損失時間計算瓦斯損失量q 1；將煤樣筒拿到實驗室，然後測量煤樣筒釋放的瓦斯量，與井下測量的瓦斯解吸量壹起計算煤芯瓦斯解吸量Q2；將煤樣筒中的煤樣放入密封的破碎系統中進行破碎，測量破碎過程中和破碎後壹段時間內解吸的氣體量(常壓下)，並以此計算破碎解吸的氣體量。瓦斯損失、煤芯瓦斯解吸和煤粉瓦斯解吸之和為可解吸瓦斯含量，即Qm=Q1+Q2+Q3。然後測定煤樣的質量，並測定煤層中的殘余瓦斯含量，最後計算煤層中的瓦斯含量。
測試系統由煤樣筒、容積測量系統、氣體成分測定系統、煤樣破碎系統和鉆孔取樣系統組成，如圖6所示。該方法在淮南礦業集團進行了試驗，並與鉆屑法測定可解吸氣體含量進行了對比。測試結果見表1。從表1可以看出，采用取芯法測得的解吸氣精度較高。同時，與巷道掘進過程中的瓦斯湧出量相比(見圖7)，趨勢明顯基本壹致。
圖6直接法氣體含量測定系統
利用該方法可以大面積測量大量的煤層瓦斯含量數據，了解各地區煤層瓦斯含量的分布情況，從而有效預測瓦斯災害易發區。目前，試驗中取樣鉆孔深度達到50m，隨著試驗的進壹步完善和擴展，有望滿足煤礦生產的實際需要。
圖7氣體含量測定結果對比
表1鉆屑法和取芯法測量瓦斯解吸試驗結果對比
2高效瓦斯抽采技術
2.1地面鉆孔抽采卸壓區煤層或采空區瓦斯。
瓦斯抽放是預防瓦斯災害最根本的手段。在借鑒國內外壹些成功經驗的基礎上，結合淮南礦區的實際情況，我們進行了地面鉆采煤層或采空區瓦斯技術的試驗研究。
圖8是通過地面鉆孔從卸壓區的煤層或采空區抽采瓦斯的鉆孔結構圖。從卸壓煤層抽采瓦斯時，鉆孔應進入卸壓煤層。淮南礦業集團謝橋礦和張北礦采空區瓦斯抽放試驗結果表明，鉆孔應布置在距回風巷30m以內，鉆孔間距為200～300m。圖9是謝橋煤礦的抽采效果圖，表2匯總了淮南礦區地面鉆孔抽采采空區瓦斯的流量和濃度。潘壹煤礦地面鉆孔抽放采空區瓦斯流量為5 ~ 1.5m3/min，濃度為60% ~ 85%。張北煤礦地面鉆孔抽放采空區瓦斯流量為10 ~ 25m3/min，濃度為60% ~ 80%。謝橋煤礦地面鉆孔抽放采空區瓦斯流量為10～20 m3/min，濃度為60%～90%。謝毅煤礦地面鉆孔抽采采空區瓦斯，抽采量為4 ~ 5m3/min，濃度為50%。
表2淮南礦區地面鉆孔抽放瓦斯流量和濃度
圖8采空區瓦斯抽采地面鉆孔結構圖
謝橋煤礦地面鉆孔抽放采空區瓦斯效果圖。
通過以上對淮南礦區地面鉆孔實施效果的總結，可以看出:壹般情況下，這些鉆孔正常工作時，瓦斯抽采量和瓦斯濃度均較高，平均流量為1.5m 3/min，平均瓦斯濃度為80%，抽采效果良好。當工作面推進鉆孔40 ~ 100 m時，鉆孔內的瓦斯流量和濃度增加到最大值(見圖10)。
圖10潘壹煤礦地面鉆孔抽放采空區瓦斯流量和濃度
2.2井下樹枝狀長鉆孔順層預抽煤層瓦斯技術
山西大寧煤礦引進了澳大利亞生產的VLD-1000型定向鉆機，通過導向和糾偏裝置調整鉆進方向，並根據煤層強度確定排渣方式和參數。VLD定向鉆機於2003年4月在大寧煤礦投入使用。截至2004年4月底，總進尺78484米，創下了VLD井下單臺定向鉆機定向鉆進的世界紀錄。截至2004年9月底，VLD鉆機完成定向鉆孔160個，總進尺達到112716m，最長鉆孔達到1005m，20個鉆孔長度超過800m。鉆孔布置見圖16544。
圖11大寧煤礦順層樹枝狀長鉆孔
對不同深度鉆孔的排水效果進行了試驗研究，根據深度將鉆孔分為800m、600m和400m三組。1000米不同深度的長樹枝狀鉆孔的排水效果如表3所示。可以看出，鉆孔深度為800m的組的總鉆孔長度是鉆孔深度為400m的組的153%，鉆孔深度為400m的組在1年、第二年和第800 d的總累積排水量為133% ~ 139%。鉆孔深度600米組的總鉆孔長度是鉆孔深度400米組的145%，第1年、第2年、第800天的累計排水量是鉆孔深度400米組的106% ~ 121%，隨著鉆孔深度的增加，鉆孔累計排水量也相應增加，說明煤礦井下實施千米鉆孔後，可大大減少排水巷道工程量，實現大面積預排水。
與1期末相比，第二年末鉆孔累計總排水量增加了14% ~ 28%，而800 d期末累計總排水量僅增加了1%左右。由此得出，鉆孔合理排水時間為1 ~ 2年。
大寧煤礦首采工作面長500米，寬320米。2003年開始千米鉆機分支鉆孔，鉆孔間距約15m (* * * 12孔，34個水平分支)，鉆孔深度約500m，總進尺11000 m，經調查，單孔平均總抽采量為1.0mm3，首采工作面煤層氣含量為14m32005年煤層氣湧出量為184.8m3/min，其中抽采量為130m3/min，煤層氣抽采率為70.35%。
表3不同深度和千米的分支長鉆孔排水效果分析表
3瓦斯災害監測技術
瓦斯災害監測是及時發現瓦斯災害隱患的關鍵手段，主要包括傳感器技術和監測網絡系統。
3.1紅外氣體傳感器技術
紅外氣體傳感器主要利用壹定波長的紅外光的吸收性能與氣體濃度之間存在確定關系的原理，通過測量壹定波長的紅外光的吸收程度來反映氣體濃度值來工作，如圖12所示。
圖12紅外氣體傳感元件
研制的紅外傳感器測試結果表明，當氣體濃度在0% ~ 5%之間時，最大絕對誤差為0.06%CH4，最大線性偏差為0.06%，平均響應時間為7.8s，溫度從0℃變化到40℃時，顯示誤差為0.02%CH4，10d穩定性測試的最大零點漂移為0.01。目前已研制出量程為0 ~ 10%和0 ~ 40% CH4的紅外氣體傳感器。
3.2寬帶監控系統
KJ90分布式網絡化煤礦綜合監控系統骨幹傳輸平臺采用基於I P的工業以太網通信技術，將地面以太網技術直接延伸到煤礦井下環境，為礦井搭建了壹個先進、可靠、標準、高速、寬帶、雙向的綜合信息傳輸平臺，使礦井安全及綜合自動化系統的各類監控設備、自動化過程控制設備、語音通信設備、圖像監控設備通過IP連接起來。並實現與煤礦企業整體Internet/Intranet架構的無縫連接，如圖13所示。
圖13寬帶監控系統功能結構圖
4瓦斯災害預警技術
瓦斯災害的有效防治與礦井管理水平密切相關。但是，瓦斯災害的發生有很多相關因素，而且這些因素是動態的，單純依靠它很難掌握所有相關因素的變化和可能的結果。因此，我們開展了瓦斯災害預警技術的研究。通過建立大量的信息數據庫，通過監測系統監測相關影響因素的變化，利用實驗研究得到的相關模型，實現了瓦斯災害的預警，提出了消除瓦斯災害隱患的合理化建議，以技術提升礦井安全生產的管理和決策水平。
預警系統基於ARC Infor三維地理信息系統平臺開發，使過程和結果直觀化。目前，瓦斯災害預警系統的主要功能有:①瓦斯賦存分析和預測；②區域煤與瓦斯突出危險性預測；③采煤工作面煤與瓦斯突出危險性預測；④實時監測和預測氣體濃度變化；⑤瓦斯爆炸危險性預測；⑥系統管理、礦圖維護、輸入輸出等功能模塊。而且隨著研究的深入，不斷增加功能，通過自學習修改模型。圖14是系統軟件的壹個界面。
4.1瓦斯地質及瓦斯賦存分析預測
瓦斯地質與瓦斯賦存分析預測主要以繪制瓦斯壓力等值線、瓦斯含量等值線和地質構造對煤與瓦斯突出的影響為目標，研究基於GIS技術的瓦斯地質賦存預測方法和軟件計算程序。在該系統中，主要研究開發了地質構造的維護與查詢、地質單元的劃分與智能識別、地質單元的瓦斯壓力等值線繪制、瓦斯含量等值線繪制、等值線分布範圍查詢、分布圖查詢等功能。
圖14氣體壓力等值線輸出結果
4.2區域煤與瓦斯突出危險性預測
區域煤與瓦斯突出危險性預測主要以繪制突出危險區域分布圖為目的，其預測依據是煤礦實測的瓦斯壓力、瓦斯含量、地質構造、動力現象等基礎參數。區域預測的方法有瓦斯地質法、綜合指數法、鉆孔動態現象判斷法和其他現象綜合判斷法，區域預測的結果是各專業模塊計算結果的並集。區域預報結果分為突出威脅區、突出危險區和嚴重突出危險區三個等級，結果圖可交互查詢、打印和發布。
4.3采煤工作面煤與瓦斯突出危險性預測
采煤工作面煤與瓦斯突出危險性預測主要分為三部分:采煤工作面煤與瓦斯突出危險性預測、煤巷掘進工作面煤與瓦斯突出危險性預測和石門揭煤工作面煤與瓦斯突出危險性預測。預測數據來源於三個方面:壹是日常的鉆法突出預測數據，包括瓦斯解吸指標K1的值、鉆屑量S、瓦斯湧出初速度Q及其衰減指標Cq等。二是工作面瓦斯湧出動態指標，包括放炮後30(60)min內瓦斯湧出量變化的評價指標V30(V60)，監測系統監測到的工作面實時瓦斯湧出量變化等。三、地質構造、日報表參數測點、歷史開采條件記錄、歷史突出事故記錄。
4.4實時監測和預測氣體變化
瓦斯監測信息來自於監測系統，預警服務器的任務是定時從監測系統服務器讀取所需信息(主要是瓦斯濃度變化的實時值)，並主動傳輸給預警服務器，然後根據信息要求進行存儲和顯示，並通過軟件接口提供靈活的查詢和統計分析功能。
由於監控系統數據是瓦斯災害動態預警的基礎，數據采集服務器程序既要求自身具有穩定性、可靠性和靈活性的特點，又不能對控制系統服務器產生任何負面影響。從長遠來看，有必要將監測系統和預警系統的數據庫服務器合並，以減少數據存儲資源的浪費和數據的集中管理。
4.5氣體爆炸風險預測
瓦斯爆炸危險性預測是以礦井監控系統實時監測的瓦斯濃度數據為基礎，經過分析處理，綜合其他影響因素，研究瓦斯爆炸災害的預警指標和方法，實現瓦斯爆炸災害的預警，包括兩個方面:
(1)對監控系統數據庫中存儲的三種數據進行分析判斷，實現瓦斯爆炸危險實時預警；
(2)根據煤與瓦斯突出預警結果進行分析判斷，實現異常情況下的瓦斯爆炸危險性預警。
4.6系統管理、礦圖維護和輸入/輸出
系統管理、礦圖維護和輸入輸出是本系統正常運行的基礎。
(1)系統管理。系統管理包括通用參數設置、顯示風格設置、用戶權限設置、煤礦部門分配和人員設置、日誌管理、系統配置狀態診斷、數據庫備份和恢復等。系統管理的功能模塊是為預警系統的正常運行提供保障。
(2)礦圖維護。礦井圖維護主要是維護礦井的圖件對象，包括設施設備維護、傳感器維護、巷道維護、掘進工作面維護、采煤工作面維護、工作面預測測點維護、突出事故點維護、采空區維護、防護帶維護、采煤階段維護、采區維護、瓦斯賦存參數維護、地質構造維護等。
礦圖維護模塊的設計不同於傳統的圖形繪制方法。為了嚴格按照預警系統的對象關系定義對象，在維護地圖對象時，不僅要求準確繪制礦圖及其對象，還要求建立對象之間的拓撲關系和關聯方法。
(3)輸入輸出。輸入輸出功能是預警系統運行和顯示預警結果的主要手段。輸入主要通過三種方式收集數據，即:日常維護輸入、監控系統動態輸入和歷史數據分析；輸出方式包括報表打印輸出、報表在線發布、地圖打印輸出和地圖在線發布。
此外，系統還設計和研究了防災措施和專家系統知識庫。
5結束語
有效防治瓦斯災害是壹項長期而艱巨的任務，其面臨的技術問題將越來越復雜。本文介紹的技術是近年來的壹些研究進展。有些技術只是在部分礦區進行了試驗，要實現大規模推廣還需要壹個過程。尤其是瓦斯災害預警技術，目前更重要的是搭建平臺。通過“十壹五”科技攻關、國家973計劃和國家自然科學基金的研究，進壹步建立和完善預警模型，篩選和完善實用預防技術，通過現場試應用和自我學習，使其具備瓦斯災害動態預警所必需的實用軟硬件技術，真正為提高煤礦安全水平發揮關鍵作用。