胡千庭
（煤炭科學研究總院重慶分院 重慶 400037）
摘要 預防煤礦瓦斯災害是世界各采煤國家關註的焦點，論文簡要介紹了包括瓦斯災害易發區域的預測技術、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區域性的以建立本質安全礦井為目的的綜合技術的應用、研究現狀及進展情況。
關鍵詞 煤礦瓦斯災害 預測技術 抽采技術 監測預警技術
Research on New Prevention Technology for Disaster of Coal Gas
Hu Qianting
（Chongqing Branch of Research Institute of Coal Science，Chongqing 400037）
Abstract：It is a universal focus of the world's coal mining countries to prevent disaster of coal gas.This article briefly introduced the study status，progress and applications of several comprehensive technologies including forecast technology for regions prone to gas disaster，assessment technology for effective extraction of gas and extraction effects，technology of monitoring and early-warning for gas disaster，aiming to construction of essential safe coalmines.
Keywords：disaster of coal gas；forecast technology；extraction technique；monitoring and early-warning technologies
預防煤礦瓦斯災害是世界各采煤國家關註的焦點，尤其在我國，瓦斯災害已成為煤礦群死群傷的頭號殺手。2005年，壹次死亡10入以上的特大煤礦事故中，瓦斯事故占70.7%，新中國成立以來發生22起壹次死亡100入以上的煤礦事故中，瓦斯煤塵爆炸事故為20起。
預防煤礦瓦斯災害技術的研究已經從局部性短兵相接的單項技術向區域性的以建立本質安全礦井為目的的綜合技術發展，包括瓦斯災害易發區域的預測技術、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。本文對這些技術的研究作壹簡要介紹。
1 瓦斯災害易發區域預測技術
瓦斯災害與地質構造有密切關系，地質構造復雜的區域通常屬於瓦斯災害易發區域。此外，瓦斯災害易發區通常賦存著較高的瓦斯含量，因此，預測高瓦斯含量區域也是預測瓦斯災害易發區的有效手段。
1.1 地質雷達超前探測地質構造技術
地質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等領域得到廣泛應用。煤炭科學研究總院重慶分院通過多年努力，最新研制出適合煤礦環境使用的本質安全型地質雷達，能夠超前探測采掘工作面20～30m深處煤巖內的隱伏小型構造等地質異常體，通過在西山、淮南、松藻等礦區的試驗，取得了好的效果。2004年12月12日，在西山杜兒坪礦68214尾巷進行了煤層陷落柱探測試驗，發現在煤層中由淺到深雷達波逐漸衰減，而在有陷落柱的地方雷達回波出現強反射，同相軸基本形成壹段弧形曲線，明顯反映了陷落柱和煤層的分界面和陷落柱的大小範圍（見圖1）。
圖1 杜爾平陷落柱探測結果
在西曲礦22502 工作面副巷探測2＃～4＃煤層位置和厚度：探測結果（圖2）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＃煤層在所測範圍內基本穩定，受斷層影響局部有起伏，所測4＃煤層平均厚度為3.35m。
圖2 西曲礦煤層厚度探測結果
在西曲礦28210工作面副巷磺頭超前探測采空區邊界：沿磺頭表面向前方作水平掃描，參見圖3，可見約在前方30m處有壹強反射界面，推測為含水異常區。
圖3 西曲礦采空區邊界探測結果
1.2 P-S 波長距離構造探測技術
P-S波長距離超前構造探測技術主要檢測地震波中反射回來的P 波和S波，用來分析預報地質構造，能方便快捷預報采掘工作面100～150m深處煤巖內的地質異常情況。
試驗分別於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回風巷和王莊礦630皮帶巷進行了三次探測試驗。
圖4 常村礦陷落柱探測結果
常村礦S3-5皮順巷探測（圖4）結果為：大約55.8～87.5m處反射面較多，巖體破碎，可能為陷落柱影響區。該巷掘至距S3回風下山南幫55m處揭露壹陷落柱。
王莊礦740回風巷探測（圖5）結果為：在掘進面前方13.5m、掘進面前方56.5m處都存在反射界面，在70～120m 範圍內還存在壹些次生的反射界面。實際揭露發現掘進頭前55m處發育F237斷層，斷層性質為正斷層，走向132°，傾向222°，傾角80°，斷層落差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
瓦斯含量Q是指單位質量的煤在20℃和壹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，其表達基準為原煤基。可解吸瓦斯含量Qm的值等於瓦斯損失量 Q1、煤樣瓦斯解吸量 Q2、煤樣粉碎後的瓦斯解吸量 Q3三者之和。
通過向煤層施工取心鉆孔，將煤心從煤層深部取出，及時放入煤樣筒中密封，記錄取心器切割煤心到密封前的時間；然後在井下測量煤樣筒中煤心的瓦斯解吸速度及解吸量，根據解吸速度和損失時間推算瓦斯損失量Q1；把煤樣筒帶到實驗室然後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壹起計算煤心瓦斯解吸量Q2；將煤樣筒中的煤樣裝入密封的粉碎系統加以粉碎，測量在粉碎過程及粉碎後壹段時間所解吸出的瓦斯量（常壓下），並以此計算粉碎瓦斯解吸量Q3；瓦斯損失量、煤心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。然後測定煤樣質量，並測定煤層殘余瓦斯含量，最終求出煤層瓦斯含量。
測試系統由煤樣筒、容量法測量系統、氣體成分測定系統、煤樣粉碎系統和鉆孔取樣系統等組成，見圖6。利用這種方法在淮南礦業集團進行試驗，並與鉆屑法測定可解吸瓦斯含量進行對比，試驗結果見表1。由表1 可知，取心法測定的可解吸瓦斯量精度更高。同時與巷道掘進過程中的瓦斯湧出量進行對比（見圖7），顯然趨勢基本壹致。
圖6 瓦斯含量直接法測定系統
利用這種方法能夠實現大面積大量測定煤層瓦斯含量資料，了解各區域的煤層瓦斯含量分布狀態，以此為基礎便可有效預測瓦斯災害易發區。目前試驗取樣鉆孔深度達到50m，隨著進壹步改進和擴大試驗，預計能夠滿足煤礦生產的實際需要。
圖7 瓦斯含量測定結果對比
表1 鉆屑法測定與取心法測定瓦斯解吸量試驗結果對比
2 高效瓦斯抽采技術
2.1 地面鉆孔抽采采動卸壓區煤層或采空區瓦斯
瓦斯抽采是預防瓦斯災害最根本的手段，借鑒國內外壹些成功的經驗，結合淮南礦區的實際情況，我們對煤礦區地面鉆井抽采采動卸壓區煤層或采空區瓦斯技術進行了試驗研究。
圖8是地面鉆井抽采采動卸壓區煤層或采空區瓦斯的鉆孔結構圖，抽采采動卸壓煤層內的瓦斯時，鉆孔應進入卸壓煤層內。在淮南礦業集團謝橋和張北礦采空區瓦斯抽采的試驗結果表明，鉆孔應布置在距離回風巷30m 以內，鉆孔間距在200～300m之間。圖9是謝橋礦抽采效果圖，表2總結了淮南礦區地面鉆孔抽采采空區瓦斯的流量和濃度。潘壹礦的地面鉆孔抽放采空區瓦斯流量為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瓦斯流量為10～20m3/min，濃度為60%～90%。謝壹礦的壹個地面鉆孔抽放采空區瓦斯量為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 地面鉆孔抽采采空區瓦斯鉆孔結構圖
圖9 謝橋礦地面鉆孔抽采采空區瓦斯效果
通過以上對淮南礦區地面鉆孔抽放采空區瓦斯實施效果的歸納，可以看出：通常情況下，這些鉆孔在正常工作期間，瓦斯抽放量和瓦斯濃度均較高，平均流量為15m3/min，平均瓦斯濃度為80%，抽放效果較好。當工作面推過鉆孔40～100m時，鉆孔瓦斯流量和濃度都增到最大值（見圖10）。
圖10 潘壹礦地面鉆孔抽放采空區瓦斯流量和濃度
2.2 井下順煤層枝狀長鉆孔預抽煤層瓦斯技術
在山西大寧礦，引進澳大利亞生產的VLD-1000定向千米鉆機，采用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定向鉆機從2003年4月開始在大寧礦調試、運行，到2004年4月末的壹個整年，總***鉆進進尺為78484m，創下了單臺VLD定向鉆機在井下定向鉆進的世界紀錄。到2004年9月底，VLD鉆機已經完成了定向鉆孔160個，總進尺達到了112716m，最長的鉆孔達到了1005m，有20個鉆孔的長度在800m以上，鉆孔布置如圖11所示。
圖11 大寧礦順煤層枝狀長鉆孔
對不同深度鉆孔的抽采效果進行了現場試驗和考察，將鉆孔按深度分為 800m、600m、400m組。不同深度千米鉆機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組的鉆孔總鉆進長度是鉆孔深度400m組的153%，其抽采第1年、第2年及800 d的總累計抽采量是鉆孔深度400m組的133%～139%；鉆孔深度為600m組的鉆孔總鉆進長度是鉆孔深度400m組的145%，其抽采第1年、第2年及800 d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。在煤礦井下實施千米鉆孔後，既可大幅度減少抽采巷道工程量，並能實現大面積預抽。
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800 d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，於2003年開始實施千米鉆機枝狀長鉆孔，鉆孔間距15m左右（***計 12個孔、34個水平分支），鉆孔深度為 500m左右，鉆進總進尺11000m，抽采時間為2.0年。經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抽率為 51.44%；2005年礦井煤層氣湧出量為184.8m3/min，其中抽采量為130m3/min，礦井煤層氣抽采率為70.35%。
表3 不同深度千米鉆機枝狀長鉆孔抽采效果分析表
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控網絡系統兩部分。
3.1 紅外瓦斯傳感器技術
紅外瓦斯傳感器主要是利用瓦斯氣體對某壹特定波長紅外光吸收性能與瓦斯濃度之間存在壹確定關系，通過測定特定波長紅外光被吸收的程度反映瓦斯濃度值的原理進行工作，見圖12。
圖12 紅外瓦斯傳感元件
對研制的紅外傳感器進行的測試結果為：瓦斯濃度為0～5%之間時，最大絕對誤差為0.06%CH4，最大線性度偏離 0.06%，平均響應時間7.8s，0～40℃溫度變化時顯示誤差為±0.02%CH4，為期10d穩定性試驗零點漂移最大為0.01%，在淮北桃園礦試驗近7個月未進行調校，誤差仍然控制在要求範圍之內，顯然具有較好的性能。目前已開發出測量範圍為0～10%和0～40%CH4的紅外瓦斯傳感器。
3.2 寬帶監控系統
KJ90分布式網絡化煤礦綜合監控系統主幹傳輸平臺即采用了基於I P的工業以太網通信技術，將地面以太網技術直接延伸至煤礦井下環境，為礦井構築了先進、可靠、標準、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的各種監控設備、自動化過程控制設備、語音通訊設備、圖像監控設備等都以IP方式接入。並與煤礦企業的Internet/Intranet整體架構實現無縫連接，如圖13。
圖13 寬帶監控系統功能結構圖
4 瓦斯災害預警技術
瓦斯災害的有效預防與礦井管理水平密切相關。然而，瓦斯災害的發生具有許多相關影響因素，且這些因素都是動態變化的，單純靠入來掌握所有相關因素的變化以及可能導致的結果是非常困難的。為此，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，並通過監控系統監測各相關影響因素的變化，利用試驗研究得到的相關模型，實現對瓦斯災害預警，並提出合理的消除瓦斯災害隱患的建議，利用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進行開發，使過程和結果具有直觀性。目前，瓦斯災害預警系統主要具備的功能有：①瓦斯賦存分析及預測；②區域煤與瓦斯突出危險性預測；③采掘工作面煤與瓦斯突出危險性預測；④瓦斯濃度變化實時監控與預測；⑤瓦斯爆炸危險性預測；⑥系統管理、礦圖維護與輸入輸出等功能模塊。而且隨著研究的深入，不斷增加功能，自學習修正模型等。圖14是該系統軟件的壹個界面。
4.1 瓦斯地質及瓦斯賦存分析與預測
瓦斯地質及瓦斯賦存分析及預測主要是以繪制瓦斯壓力等值線、瓦斯含量等值線、地質構造對煤與瓦斯突出的影響等為目標，研究基於地理信息（GIS）技術的瓦斯地質賦存狀況預測方法及軟件計算程序。在本系統中，主要研究開發了地質構造的維護、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及分布圖查詢等功能。
圖14 瓦斯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標，其預測基礎是煤礦實際測定的瓦斯壓力和瓦斯含量等基本參數、地質構造、動力現象等。區域預測的方法包括瓦斯地質法、綜合指標法、鉆孔動力現象判斷法和其他現象的綜合判斷法，區域預測的結果就是各個專業模塊計算結果的並集。區域預測結果分為突出威脅區、突出危險區和嚴重突出危險區三級，結果圖可以進行交互查詢、打印和***享發布。
4.3 采掘工作面煤與瓦斯突出危險性預測
采掘工作面煤與瓦斯突出危險性預測主要分為采煤工作面突出危險性預測、煤巷掘進工作面突出危險性預測和石門揭煤工作面突出危險性預測三部分內容，其預測數據來源有三個方面，壹是鉆孔法日常突出預測數據，包括瓦斯解吸指標K1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內瓦斯湧出變化評價指標V30（V60），監測系統監控的工作面瓦斯實時湧出變化量等；三是地質構造、日常記錄的參數測定點、歷史采掘狀況記錄、歷史突出事故記錄等。
4.4 瓦斯變化實時監控與預測
瓦斯監控信息來源於監測系統，預警服務器的任務是：定時從監控系統服務器讀取需要的信息（主要是瓦斯濃度變化實時值），並主動傳輸到預警服務器上，再根據信息需求進行分類存儲和顯示，並通過軟件界面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進行瓦斯災害動態預警的基礎，所以數據采集服務器程序不但要求其自身具有穩定性、可靠性、靈活性等特征，而且對控件系統服務器不能有任何負面影響。從長遠來看，需要對監控系統和預警系統的數據庫服務器進行合並以減少數據存儲資源的浪費和數據的集中管理。
4.5 瓦斯爆炸危險性預測
瓦斯爆炸危險性預測以礦井監測系統的瓦斯濃度實時監測數據為基礎，對其進行分析處理，綜合其他影響因素研究出瓦斯爆炸災害的預警指標和方法，實現對瓦斯爆炸災害發生的超前預警，其包括兩個方面的內容：
（1）對監測系統數據庫保存的三類數據進行分析和判斷，實現瓦斯爆炸危險性實時預警；
（2）根據煤與瓦斯突出預警結果進行分析和判斷，實現異常情況下瓦斯爆炸危險性預警。
4.6 系統管理、礦圖維護與輸入輸出
系統管理、礦圖維護與輸入輸出是本系統正常運行的基礎。
（1）系統管理。系統管理包括本軟件系統的通用參數設置、顯示風格設置、用戶權限設置、煤礦部門分配及員工設置、日誌管理、系統配置狀態診斷、數據庫備份與恢復等內容，系統管理功能模塊的作用是為預警系統的正常運行提供保障。
（2）礦圖維護。礦圖維護主要是對礦井的地圖對象進行維護，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、保護帶維護、采煤階段維護、采區維護、瓦斯賦存參數維護、地質構造維護等內容。
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進行對象定義，在維護地圖對象時，不但要求準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撲關系及關聯方法。
（3）輸入輸出。輸入輸出功能是預警系統運行和展示預警結果的主要手段。輸入主要通過三種方式進行采集數據，即：日常維護輸入、監測系統動態輸入和歷史數據分析；輸出的方式有報表打印輸出、報表網絡發布、地圖打印輸出、地圖網絡發布等方式。
另外，系統還設計研究了災害防治措施、專家系統知識庫等內容。
5 結束語
有效預防瓦斯災害是壹項長期而又艱巨的任務，面臨的技術難題將越來越復雜。本文介紹的技術是這些年的壹些研究進展情況，部分技術僅在部分礦區進行過試驗，達到大面積推廣還需要壹個過程。尤其是瓦斯災害的預警技術，目前更主要的是搭建了壹個平臺。通過“十壹五”的科技攻關、國家973、國家自然科學基金等項目的研究，進壹步建立和完善預警模型，篩選和完善實用預防技術，並通過現場的試推廣應用和自學習不斷修正，使之具備涉及瓦斯災害動態預警所必需的實用軟硬件技術，真正為提升煤礦安全水平起到中堅作用。