煤矿灾害防治技术现状与发展

　　煤炭工业是关系到国家经济命脉的重要基础产业，煤炭是我国的主要能源。2004年煤炭在我国一次能源生产和消费结构中的比重分别占75.6％和67.7％。“十五”期间，我国煤炭产量由2001年的13.8亿吨已增长到2005年的21.9亿吨，年均增长2.02亿吨，保证了经济和社会发展的需要，支撑着国民经济的快速发展。与此同时，国民经济快速增长对煤炭需求的拉动也带动了煤炭工业的迅速发展。国家对煤矿安全生产高度重视，国务院第81次常务会议专门研究了煤矿安全生产，会议指出，“煤炭行业又是高危行业，高瓦斯和瓦斯突出矿井占一半左右，煤矿安全是整个工业安全生产工作的重中之重。”国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局加强了监察的力度，使煤矿安全生产状况总体稳定，并趋于好转。具体表现为事故发生起数和死亡人数逐年下降。2005年全国煤矿发生的各类灾害事故己下降到3306起，死亡5938人，百万吨死亡率2.81，首次下降至3以下。由于我国正处于经济和社会的转型期，生产力发展水平不均衡，安全生产基础工作薄弱，与经济高速发展的矛盾越来越突出，尤其是煤炭工业。主要表现为生产事故总量居高不下，煤矿安全生产形势依然严峻。2001～2004年全国每年发生各类事故80万起以上，死亡人数超过13万，其中煤矿事故起数和死亡人数分别占全国工矿企业总数的30％和40％。重特大灾害事故虽然有显著减少，但每年仍发生300余起。一次死亡百人以上的特别重大事故的发生频率呈增长趋势，2004年发生了2起，2005年竟发生了4起，造成重大人员伤亡、财产损失和不良的社会影响。与世界先进产煤国相比，我国煤炭产量占世界总产量的31％，但事故死亡人数却占了79％，安全生产水平存在很大差距。煤矿安全生产形势严峻还表现为职业危害严重，截止到2002年全国累计检出尘肺患者58万余例，煤炭行业占49％左右。 把安全工程师站点加入收藏夹
　　一、煤矿灾害概况
　　我国煤矿自然条件差，地质条件复杂。我国大陆是由众多小型地块多幕次汇聚形成的，主要煤田经受了多期次、多方向、强度较大的改造。造成煤田地质条件复杂，伴生的实灾害多。我国煤矿均为有瓦斯涌出的矿井，全国煤矿的年瓦斯涌出量在100亿立方米以上。国有重点煤矿中，高瓦斯和突出矿井占49.8％，煤炭产量占42％；有煤尘爆炸危险的矿井占87.4％；煤层具有自然发火危险的矿井占51.3％；地质条件复杂或极其复杂的煤矿占36％，属简单的占23％；水文地质条件复杂或极其复杂的煤矿占27％，属简单的占34％。在这种复杂的地质条件下，我国的煤矿尤其是瓦斯矿井容易发生灾亊故。对我国煤矿发生的大量灾害事故进行系统分析看出，顶板和瓦斯事故是我国煤矿的主要灾害事故类型。瓦事故已成为煤矿的“第一杀手”，顶板事故的发生频率最高。以2005年数据为例，顶板事故起数占灾害事故总起数的52.9％，死亡人数占事故总死亡人数的33.3％。瓦斯事故的危害性和危险性最大，2005年，瓦斯事故起数占12.13％，但死亡人数达到36.5％；一次死亡3人以上重特大事故中，瓦斯事故占59％；一次死亡10人以上特大事故中，瓦斯事故占69％；建国以来发生的22起一次死亡百人以上的特别重大事故中，20起为瓦斯煤尘事故，事故起数和死亡人数分别占91％和94％。因此，瓦斯灾害事故防治是煤矿安全工作的重中之重。
　　我国煤矿开采深度平均每年增加10～20米，隨采深的增加，地应力、瓦斯压力、地温也越来越高，煤自然灾害的威胁逐步加重，治理的难度也越来越大。煤层瓦斯压力平均每年增加0.1～0.3兆帕，绝对瓦斯涌出量每年增加15亿立方米左右。例如45户重点监控企业中高瓦斯和突出矿井的比例2005年比2004年增加了10％。淮南矿区的绝对瓦斯涌出量由1997年的473m3/min增加到2005年的1000m3/min左右，近三年已有3处矿井升级为突出矿井。此外，受冲击地压和热害威胁的矿井也增多，己有102处矿井发生过程度不同的冲击地压，并有70多处矿井存在热害威胁。
　　随着煤炭工业经济增长方式的转变，煤矿生产方式和结构发生了大的变化。生产机械化程度的大幅度提高，高产高效矿井生产集中化程度的不断增强。这种新的生产方式也出现了一些新的安全问题，矿井瓦斯涌出量增大，采掘工作面产尘强度剧增，对矿井通风系统的可靠性提出了更高的要求。也就是说，煤矿开采自然条件变化、生产技术的进步和变革都会不断对煤矿安全保障技术提出新的更高的要求。针对煤矿安全生产的实际需求，在国家的支持和引导下，“九五”、“十五”期间都开展了以瓦斯防治技术为重点的科技攻关，取得了系列科技成果。为煤矿灾害防治奠定了良好基础。
　　二、煤矿安全技术的进展
　　我国煤矿生产的发展与煤矿安全技术的进步密不可分，煤矿安全技术进展不断支持着煤矿生产技术的进步和生产水平的提高，对煤炭工业为国民经济发展提供可靠的能源保障起到重要作用。在国家发改委、科技部的支持下，原煤炭工业部、国家煤炭工业局、国家安全生产监督管理总局先后组织了“九五”“十五”煤矿安全技术科技攻关。充分发挥煤科总院、中国矿大等高校、科研院所和示范矿区煤矿企业的整体优势，以产学研相结合的方式，在平顶山煤业集团有限责任公司、阳泉煤业集团有限责任公司、芙蓉矿务局和淮南矿业集团有限责任公司所属矿井进行了科技攻关研究。本着瓦斯灾害治理示范矿井建设和煤矿安全关键技术攻关相结合的宗旨，围绕两个矿区瓦斯灾害防治的实际需要，“九五”期间在平顶山矿区开展了“改善煤矿安全状况综合配套和关键技术研究”。“十五”期间在淮南矿区开展了“矿山重大瓦斯煤尘爆炸事故预防与监控技术研究”。通过科技攻关一是建立“平顶山矿区”和“淮南矿区”两个瓦斯综合治理技术示范工程；二是围绕制约煤矿安全生产的部分关键技术，集中攻关，研究解决具有共性意义的瓦斯防治、防灭火、矿井通风、粉尘控制和应急救援等方面的关键技术。
　　“九五”科技攻关研究取得了一系列成果。在瓦斯防治技术方面，建立了综采机掘工作面瓦斯涌出量预测方法，使预测准确率达到85％；采空区瓦斯抽放和上隅角瓦斯治理技术取得突破，研制成功专门用于釆空区埋管抽放用的菱鎂土抽放管、实时监控抽放管内CH4和CO浓度的监控仪，并提出了安全抽放采空区瓦斯时，对CH4和CO浓度的控制指标，研究成功既能有效抽放采空区瓦斯，又能控制自然发火的工艺技术和配套装备。使采空区瓦斯抽出率达到7％，瓦斯超限次数减少89％；开发的系列风机和抽出装置处理上隅角瓦斯后，使回风瓦斯降低27％，单班产量提高50％；首次对煤与瓦斯突出区域预测预报技术进行了研究并取得初步效果，拫据瓦斯地质、地应力、突出煤特征并结合物探技术，实现了对新水平、新釆区、新区段的宊出危险区进行预测预报。实际应用的两个采区，预测无危险区面积分别达到63％和52％，无危险区预测准确率达到100％，减少措施工程量89％，回釆速度提高13.5％；在防突技术方面，采掘工作面防突措施和装备有了较大进展，研制成功轻便型防突钻机、采煤工作面预裂爆破成套技术取得突破、地质雷达、电磁幅射等物探技术成功用于监测掘进工作面前方突出构造，为防突技术和突出预测技术的实施提供了手段；瓦斯抽放技术和装备取得重大突破，研制成功定向长钻孔施工工艺和强力钻机，成功施工了603.5m的岩石水平长钻孔和865m的煤层水平长钻孔，为抽放邻近层瓦斯提供了技术与装备。试验研究成功高抽巷抽瓦斯技术，研究成功适用于高瓦斯松软突出煤层的强力钻机和顺煤层瓦斯抽放技术，在突出煤层中成功打出孔深超过100m、最深239.6m的顺煤层钻孔，故本煤层瓦斯预抽率大幅度提高，达到28.8～32％，为解决采煤工作面防宊和减少瓦斯涌出量提供了有力的技术手段。
　　通过“十五”科技攻关，瓦斯综合治理技术又向前发展了一步。在煤与瓦斯突出区域预测技术方面，采用瓦斯地质方法，建立了瓦斯地质理论与物探技术相结合的多技术（数字地震勘探、无线电波透视和构造软煤测井曲线识别）集成的多尺度（矿井突出区和工作面突出带）瓦斯突出区域预测瓦斯地质新方法。建立了由3D3C地震技术、AVO技术、地震反演技术、地震属性分析技术、地震波形分类技术等构成的瓦斯富集部位探测的核心技术。采用地质动力区划的方法，确定了活动构造和岩体应力状况对突出的影响，并划分应力升高区、应力降低区和应力梯度。为突出危险区、威胁区和安全区的划分奠定了基础。采用电磁波透视技术，成功研制出了探测煤层瓦斯灾害易发区的技术和装备，建立了电磁波反射和吸收特征数据库和地质异常体的识别系统。
　　在煤与瓦斯突出报考预测技术方面，分别研究出了基于报考瓦斯涌出规律、AE声发射原理和电磁辐射原理的工作面突出危险性连续监测技术与装备。建立了煤巷掘进炮后30分钟的吨煤瓦斯报考涌出量指标、瓦斯涌出变异系数指标、炮后瓦斯涌出最大速率指标等连续预测指标，实现了炮掘工作面瓦斯报考预测，为突出预测技术提供了一种新的方法和工艺技术。开发出一套AE声发射监测突出的技术装备，通过阻噪、隔噪、拟噪、滤噪和有效AE信号提取等途径，使滤噪技术有了突破性进展，研究出包括传感器在内的AE声发射工艺技术，为瓦斯动力灾害的预测提供了手段。通过连续监测含瓦斯煤岩流变破坏过程中产生的电磁辐射信号强度和脉冲数及其变化的研究，揭示了电磁辐射与煤与瓦斯突出、冲击地压影响因素间的关系，提出了临界值法与报考趋势法相结合的煤岩动力灾害预警方法，开发成功KBD7型电磁辐射连续监测仪。
　　瓦斯抽放煤矿瓦斯灾害的治本措施，在“九五”攻关的基础上，“十五”技攻关中针对低透气性煤层抽放瓦斯难度大的问题，研究了强化抽放技术和装备。在顺层钻孔瓦斯抽放技术和水射流扩孔技术前期研究基础上，通过高压水射流理论研究、实验室试验和现场试验考查，形成了一套在顺煤层钻孔中运用高压水射流扩孔和钻扩一体化技术和装备，以及石门揭煤抽、排瓦斯钻孔扩孔的工艺技术和方法。扩孔后钻孔直径达到200～300mm，为扩孔前的4.5倍，最大孔径达619.9mm。明显地提高了瓦斯抽放效果，实践证明，用顺层钻孔预抽作为区域性防突措施是可行和有效的。利用这套技术经过3～5个月的抽放瓦斯，可使突出危险区域中煤层的瓦斯预抽率达到30％以上，有效地消除了瓦斯突出危险性。经过强化抽放的煤层，日产煤量提高了40％，吨煤回采成本一低41％。
　　下向钻孔及深孔预裂爆破是提高瓦斯抽放效果的另一项有效的技术途径。试验研究解决了下向孔施工中排渣、排水等技术难题，取得了下向钻孔孔深70.1m的良好成绩，下向孔的瓦斯抽量及抽放效果优于上向孔，抽放量提高了30.5％，科技攻关中，进一步研究完善了适合于高瓦斯低透气性、有突出危险煤层深孔控制预裂爆破强化抽瓦斯技术和石门快速揭煤技术。在淮南潘三矿试验使煤层透气性系数提高了7.1倍，瓦斯抽放率三个月时达到32.4％。石门快速揭煤技术在谢一矿等多个矿井试验和应用的结果表明，揭煤时间比原来缩短了50％。
　　针对单一低透气性突出煤层巷道掘进的瓦斯抽放技术难题，进行了理论和试验研究。发现工作面前方和巷道两帮煤体在松动和原始煤体之间存在隨巷道向前掘进而移动的蠕变“U”形圈，该圈内煤层透气性系数成百倍的增加。据此研究了有效抽放半径、抽放时间、抽放负压和抽放量之间的关系，确定了边抽边掘瓦斯抽放技术参数及工艺。拫据该项技术布置的抽放钻孔，其截流抽放瓦斯率可达到30％以上，并且煤体的强度有较大增加。此外，还研发了高瓦斯突出煤层强化增透技术，研制了新型药管、炸药及其配套装置和预裂爆破工艺，该项技术使边抽边掘钻孔抽放瓦斯量增加2～6倍，回采推进速度可提高4～5倍，保证了安全、高效掘进。
　　煤层群开采复杂条件下瓦斯综合防治技术是十五科技攻关的重点，开展了保护层作用机理的研究，针对保护层开采时，上下高瓦斯突出煤层的瓦斯集中向首采工作面涌出的特点，试验研究成功多种首采层瓦斯综合治理技术，包括被保护层底板巷道+上向穿层钻孔抽放瓦斯技术、煤层群多重开采下卸压层瓦斯抽放技术、首采层（保护层）顶板巷道抽放技术、保护层顶板走向钻孔抽放技术、保护层工作面采空区埋管抽放技术、保护层掘进工作面边掘边抽技术。这些技术保证了实际层间距70m（相对层间距35m）近水平煤层群的下保护层开采和80～90度急倾斜近距离煤层群下保护层开采关键技术的突破。这些技术在淮南矿区各矿应用后，显著提高了抽放和保护效果，使首采层瓦斯综合抽放率达到了62％。
　　防止工作面上隅角瓦斯积聚也是瓦斯灾害防治的难点，为此，研究了工作面瓦斯涌出构成、采空区瓦斯涌出量及浓度分布规律，确定了抽放采空区瓦斯的工艺方法和最佳抽放位置，研制了抽放瓦斯自动控制装置及配套设备。完善了采空区瓦斯抽放技术，实现立体高效率抽放采空区瓦斯。试验期间共抽出瓦斯2.24Mm3，采空区瓦斯抽放率达到56％，上隅角瓦斯浓度平均降低20％，基本消除瓦斯积聚现象。
　　除上述瓦斯防治技术外，两次科技攻关中还研制成功无电源自动抑爆技术和装置、自产气式自动抑爆装置，开发出瓦斯煤尘爆炸危险性预测评价技术和专家系统软件、建立了矿井瓦斯煤尘爆炸评价模型，确立了预测评价指标体系。开发了与安全监控系统联网的粉尘传感器、呼吸性粉尘采样器。进一步改善了矿用传感器性能，故瓦斯传感器调校周期提高到21天，元件寿命提高到1.5年。研究了光纤连续测温技术和热敏电缆监测温度技术，为长距离胶带输送机巷早期发现火情提供了技术手段。矿井通风是保障安全生产的基础，为此开展了矿井通风系统安全可靠性评价和决策技术研究，建立了通风系统可靠性评价理论体系、评价方法和数学模型，开发了通风系统可靠性评价和决策支持系统软件。在通风系统自动调控方面，研究成功井下自动控制风门及远程控制技术，实现了井下人、车信号分离，有较提高了通风系统可靠性与稳定性。
　　三、“十一五”煤矿安全技术的展望
　　为了尽快扭转煤矿灾害事故多发的严峻形势，保障安全生产，国家采取了一系列措施加强对煤矿生产的监管，并从经济、政策上给煤矿企业以支持，提高企业保障生产安全的能力。2005年组织十一个专家组对462处煤矿进行了为期近三个月的技术会诊。会诊发现，煤矿对以瓦斯为主的灾害防治技术不够是一个突出问题。主要表现在几个方面：一是煤矿安全技术基础薄弱。煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害受地质条件控制，80％以上的动力灾害发生在构造破坏带，但多数构造带并不发生动力灾害。地质构造对灾害的控制机理和规律尚不能认识，停留在“假说”阶段。对灾害发生机理的研究是另星开展的，缺乏系统的、有一定力度的支持。由于煤矿安全的基础理论研究薄弱，对煤与瓦斯突出等灾害的发生机理、灾害的演化过程尚不能全面认识。因此，影响了灾害预测预报技术的发展。如煤与瓦斯突出预测预报技术、瓦斯煤尘爆炸报考预警技术、突水预测预报技术、隐蔽火源探测技术等安全生产急需解决的难题的突破都需要理论支持。二是我国煤矿灾害防治技术中一些技术关键尚未突破，影响了防治效果。如瓦斯检测的黑白元件的稳定性、寿命等方面与国外同类技术还存在较大差距。松软突出煤层的钻孔工艺和钻机尚未完全突破，影响了防突技术的发展。三是我国煤矿分布范围广，地质条件千差万别，生产条件的复杂性、作业埸所的报考性和工艺技术的不可复制性，导致一些先进适用技术和科技攻关成果的推广受到制约。一项灾害防治技术在某一矿井使用时效果良好，当在另一煤矿应用时，受地质、矿井条件变化的影响，可能发挥不出好的效果，必须针对矿井自身条件进行改进再创新。
　　国家高度重视这些问题，科技部、国家安全生产监督管理总局组织并实施了煤矿安全科技专项科技行动。科技行动分为三个领域：
　　（1）开展基础研究
　　针对煤矿瓦斯灾害严重，灾害致灾机理不能完全认识并且影响到灾害防治技术进步的实际，国家科技部已经把煤矿安全的基础科学问题纳入国家重大基础研究973计划。批准了由煤炭科学研究总院及重庆分院、抚顺分院、西安分院、中国矿业大学、河南理工大学、重庆大学、辽宁工程大学和上海交通大学等共同承担“预防煤矿瓦斯动力灾害的基础研究”项目。课题组将在煤矿瓦斯灾害的地质构造作用基理、采动裂隙场时空演化与瓦斯流场耦合效应、煤岩瓦斯动力灾害演化机制及地球物理响应规律和瓦斯煤尘爆炸动力学演化及预防机制等四个方面开展研究。通过研究有望建立有效预防煤矿瓦斯灾害的基础理论体系，解决煤矿瓦斯灾害防治中的关键科学问题为预防和控制技术的研究奠定基础。
　　（2）煤矿瓦斯防治技术集成和示范
　　为了尽快扭转煤矿事故多发的局面，全面提高煤矿预防和控制灾害事故的技术能力。科技部和国家安全生产监督管理总局启动了煤矿瓦斯治理技术与示范项目。首先对我国煤矿瓦斯防治技术和先进治理经验进行分析研究，筛选出先进适用的瓦斯治理技术与装备，基本构建我国煤矿瓦斯治理体系，为煤矿企业治理瓦斯提供技术支持。同时，对煤与瓦斯突出、瓦斯抽放、安全监测监控等关键技术进行集成创新，提高瓦斯防治技术在不同矿区的适应性和有效性。为了促进瓦斯灾害治理长效机制的形成，对急需的瓦斯管理规范和技术标准进行制修订，完善煤矿安全技术标准体系。为了使煤矿灾害防治技术在一个示范矿井充分发挥减灾防灾的作用，起到示范引领的作用，将针对不同典型灾害在五个煤矿进行技术示范。在重庆松藻煤电有限责任公司进行严重突出矿井瓦斯综合治理技术推广与应用示范；在沈阳煤业集团有限责任公司进行极薄保护层开采瓦斯治理及综合防突技术研究与示范；在鹤岗矿业集团有限责任公司进行煤与瓦斯突出、易自燃厚煤层群适用放顶煤开采的瓦斯综合防治技术示范；在郑州煤炭工业集团有限责任公司进行“三软”不稳定突出煤层防突技术示范；在铜川矿务局进行高瓦斯油气伴生自燃厚煤层放顶煤开采瓦斯治理技术集成与示范。通过示范提高五个示范点的瓦斯治理技术水平，有效控制重特大瓦斯事故的发生。同时通过示范矿推进我国煤矿治理瓦斯的水平，全面提高煤矿安全保障能力，有效控制重特大瓦斯事故的发生。
　　（3）开展科技攻关，突破关键技术
　　根据煤矿安全生产的重大科技需求，科技发展的新形势，经济和社会发展的新要求，在总结煤矿安全科技攻关成果和积累的经验基础上，以全面保障煤矿安全生产为目的，“十一五”期间将按照重大灾害防治、事故应急救援、煤矿安全管理与监察技术、典型灾害矿井灾害治理技术集成与示范工程的总体思路开展研究。重点围绕煤矿安全生产中的瓦斯、火灾、水害及冲击地压等主要灾害类型，开展煤矿灾害事故预测预警防控关键技术及装备的研究与开发，攻克煤矿安全生产与管理中的重大技术难题，为构建本质安全型煤矿提供科学基础与技术支持。技术创新与成果集成相结合，解决安全生产中新的技术问题，建立不同灾害类型具有典型性的技术示范矿井（区），提高示范点的防灾抗灾能力；研究煤矿应急救援的实用技术与装备，开发煤矿安全监察和检测检验的技术与装备，为煤矿安全监察技术水平的提高、事故应急处置能力的提高提供技术支撑；研究煤矿安全生产技术条件，完善煤矿安全技术标准体系，为规范企业生产行为、夯实行业技术基础提供技术支持。在国家的支持下，通过产学研相结合，在科技攻关的引领下，显著提升全国煤矿安全技术与装备水平，为遏制煤矿灾害事故的发生、促进安全生产形势根本好转打下坚实基础。