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煤矿瓦斯防治技术

发布日期:2018-04-08  来源:安全管理网  浏览次数:2277
       矿发生瓦斯灾害事故有诸多方面的影响因素,但归结起来主要有自然条件、管理和技术三方面因素,要控制瓦斯灾害事故,必须从后两方面同时人手,强化管理和监督,提高防灾技术和装备水平。近几年,国家实行关井压产、安全生产责任追究制、建立健全安全生产法规、制定相应的经济制约政策、加强安全监察体系的建立等,主要是从改变管理因素方面着手,取得了好的效果,但仍有一个完善过程。在技术和装备方面,近几年也有长足的进展,形成了一套行之有效的防灾技术体系。

I.煤矿瓦斯防治方针

瓦斯作为煤矿的五大灾害之一,历届国家煤炭工业管理部门都非常重视瓦斯防治工作,特别是近十几年来,把防治瓦斯作为煤矿安全生产的头等大事来抓,先后制定了许多有效的规章制度和配套措施。原煤炭部1993年6月颁布的《关于国有煤矿防治重大瓦斯煤尘事故的规定》,就提出高瓦斯掘进工作面必须实行“三专、两闭锁”措施,煤与瓦斯突出危险的采掘工作面必须实行“四位一体”综合防突措施,并提出瓦斯抽放矿井实行“多钻孔、严封闭、综合抽”的九字方针。1994年9月,以部长令的形式重申了防治国有、地方、乡镇煤矿重大瓦斯事故的“三个十条”规定。1996年6月,原煤炭部专门在山西阳泉、矿务局召开防治瓦斯现场经验交流会,全面推广了阳泉局健全通风、抽放、监控三大系统,坚持先抽后采、以风定产的经验。同时结合淮南局当年发生的“6.23”特大事故,决定在淮南建设瓦斯治理示范工程,坚持先抽后采。1997年4月原煤炭部又专门颁布了《矿井瓦斯抽放管理规范》。1998年1月原煤炭部发布的第1号文件又针对防治瓦斯灾害,提出“六个不准,,的要求。根据我国煤矿安全生产的实际情况,在认真总结借鉴煤矿瓦斯治理工作经验教训的基础上,国家煤矿安全监察局提出了“先抽后采、监测监控、以风定产”的十二字方针。

2.改善煤矿安全状况综合配套和关键技术研究

“改善煤矿安全状况综合配套和关键技术的研究”是“九五”国家重点科技攻关项目,该项目充分发挥了煤炭行业科研院校及示范矿区煤炭企业的整体优势,以平顶山煤业(集团)有限责任公司、阳泉煤业(集团)有限责任公司和煤炭科学研究总院、中国矿业大学等16个产学研单位相结合的方式,通过近5年的集中攻关试验,解决了煤矿安全生产的许多关键技术和共性技术,使我国矿井防灾减灾的总体综合能力在“八五”的基础上得到了进一步的完善配套,并建成了平顶山矿区瓦斯灾害综合治理示范基地和阳泉矿区瓦斯抽放与利用试验基地。据不完全统计,项目在研究试验和实施过程中,已获得直接经济效益1.343亿元,间接经济效益6.124亿元。在瓦斯预测方面,我国研究了地勘钻孔瓦斯解吸与影响因素,确立了统一的较完善的煤层瓦斯含量、矿井瓦斯涌出量的预测方法,实现了从瓦斯含量测定、涌出量预测,到矿井瓦斯地质绘图的微机化、自动化和规范化,其预测准确率达80%一85%。

3.煤与瓦斯突出防治技术

我国的防突技术经历了安全防护、防治技术措施和综合防治阶段。1988年制定并颁布实施的《防治煤与瓦斯突出细则》,把我国综合防突技术总结为预测、防突措施、效果检验和安全防护措施的“四位一体”,经过“八五”“九五”期间的深化,我国的防突技术已达到世界领先水平。

(1)综合防突技术。在综合防突方面,建立了由煤与瓦斯突出危险性预测、防治突出措施、防突效果检验和安全防护组成的“四位一体”的综合防突技术。由瓦斯地质统计法、综合指标法、地质指标法、物探法等构成的突出危险性区域预测技术和由指标法、声发射法、电磁辐射法、瓦斯涌出动态法等构成的工作面突出危险性预测技术,由此形成了具有我国特色的煤与瓦斯突出危险性预测技术体系。研究了突出危险性实时监测技术,完善了大面积预抽瓦斯、开采保护层的区域性防突技术措施的施工工艺研究,提高了大直径卸压孔,配合属骨架、高压水射流扩孔排放瓦斯、排放钻孔排放瓦斯等石门防突措施的技术水平;推广应用了超前钻孔(包括大直径钻孔)卸压排放瓦斯、深孔松动爆破排放瓦斯、水力冲孔、钻掘一体化技术、割掘一体化技术的工作面防突措施;研究了掘进工作面防突综合配套技术,应用地质雷达和电磁辐射技术非接触式探测工作面前方构造和突出危险;完善了震动放炮、长距离放炮等安全防护措施。并研制了BQT—E型突出煤层电磁波透视系统、KJ54监测系统、QFZ一22轻便型防突钻机、KBD5矿用本安型煤与瓦斯突出(冲击矿压)电磁辐射监测仪,QFZ一22轻便型防突钻机集强力钻孔和防治卡钻等功能于一体,解决了原来存在的防突措施与钻机不配套的难题,是实施防突技术措施的理想钻机。该钻机已在平顶山、淮南、韩城、皖北、松藻、鹤壁等十多个局矿推广应用60多台。

(2)区域性防治煤与瓦斯突出技术。随着放顶煤技术的推广应用,区域性防治煤与瓦斯突出技术越来越受到重视。淮南矿业集团属于煤层群开采的矿区,但大部分煤层具有突出危险性,为此试验了多重开采上保护层、远距离下保护层、顺煤层长钻孔强化预抽煤层瓦斯的区域性防治煤与瓦斯突出技术。在新庄孜矿,先行开采上部B8槽煤,然后开采B7b、B7a煤层,实现对具有突出危险的下部B6槽(距B7a煤层约12m)和B4槽煤层(距B6槽约40m)消除突出危险的目的;潘一、潘三矿试验开采B11(厚度约1.8m)煤层实现对上部远距70m以上的C13槽煤消除突出危险性的目的;谢二矿试验顺煤层长钻孔强化预抽煤层瓦斯消除突出危险性,都取得好的效果。潘一、潘三矿正在对被保护区C13槽进行放顶煤开采试验,没有发现任何瓦斯动力迹象;谢二矿试验工作面已利用放顶煤开采工艺全部安全回采。这说明,针对不同情况,采取不同的区域性防治突出技术措施,能够消除煤层突出危险性,实现放顶煤安全回采的目的,但利用保护层措施时,对首采层瓦斯治理、被保护层瓦斯抽放必须给予高度重视;对采取顺煤层长钻孔强化预抽瓦斯措施时,各条块区域的突出危险性预测、预抽工艺,预抽后的效果评价必须给予高度重视。

(3)煤与瓦斯突出危险性的预测预报技术。根据《煤矿安全规程》规定,发生过一次突出的矿井即定为煤与瓦斯突出矿井,发生过突出的煤层即定为突出煤层。但对新建矿井,在矿井设计时煤层尚未开采,这时,矿井瓦斯突出危险性主要根据煤层突出危险性的预测来确定。如果矿井开采的煤层中预测为有突出危险,那么,也应该认定为有突出危险矿井。

我国煤层的突出危险性预测主要根据地质勘探资料进行分析,目前主要根据地质构造、煤层赋存条件、勘探钻孔芯测定的煤层结构、瓦斯压力和瓦斯含量等资料,参照邻近矿井或条件类似矿井反映突出危险性的资料进行统计和类比分析,预测煤层的突出危险性。主要预测指标有煤层坚固性系数,,瓦斯压力、瓦斯含量、构造特征及其分布等。f≥0.5、瓦斯压力不大于0.74MPa、瓦斯含量不大于10m/t的煤层,一般不具有突出危险性,除非在构造破坏带由于相关指标发生显著变化。需要指出的是;根据近几年的研究发现,地勘期间测定的瓦斯压力和含量普遍偏低,因此,在资料分析时要考虑测定数据可能存在的误差,有采掘工程进入煤层时应进行现场测定相关参数予以验证。

对突出危险煤层,各采掘区域的突出危险性同样可根据以上方法和指标进行预测,但测点应加密,测点密度越大,预测准确性越高,此外,还应根据已进行采掘区域突出点分布规律进行类比和统计分析预测,提高预测准确性。近几年,试验了无线电透视法结合采掘工作面瓦斯涌出、动力显现特征、采掘工作面突出危险性预测指标的分布特点和规律进行综合分析预测,能够预测更小块段的突出危险性,预测精度能够满足安全生产的要求。

对突出危险区域的采掘工作面,试验研究了AE声发射、瓦斯涌出动态指标,对采掘工作面周围煤岩体的突出危险性进行实时跟踪预测技术。实验表明,煤岩体在承载达到极限载荷的40%~60%时会产生显著的微破坏声响,通过监测煤岩体中的微破坏声响(AE活动)能够提前预测煤岩体的力学动态;通过监测采掘空间瓦斯涌出动态变化特征,能够预测煤岩体内力学动态引起的瓦斯涌出异常;将两方面信息进行数学处理和综合分析,并结合大量实际监测数据和动力显现特征建立的判识知识库,实现采掘工作面周围煤岩体突出危险性的实时跟踪预测。南桐煤矿、平顶山十二矿、芙蓉白皎矿的试验表明,该技术具有很好的应用前景。

用电磁辐射方法预测煤岩动力现象是继声发射监测方法后的又一新的研究成果。“九五”期间由平煤(集团)公司和中国矿业大学联合研制的电磁辐射法预测突出危险性技术及便携式装备已进行了井下试验,该技术填补了国内空白,实现了便携非接触式连续24小时不间断预测预报。

4.瓦斯抽放技术

瓦斯抽放是控制瓦斯灾害事故最有效的措施之一,根据不同矿区的特点,我国煤矿在“八五”、“九五”期间,形成了本层、邻近层、穿层和采空区等多种瓦斯抽放方法。研究了综采工作面超前强化抽放瓦斯方法及工艺装备,试验成功了200-500m岩石水平长钻孔抽邻近层瓦斯,煤层水平(250m)长钻孔及预裂控制爆破强化抽放本层瓦斯的综合抽放技术等,使工作面瓦斯抽放率提高20%。

(1)顺层长钻孔成孔技术。顺层钻孔抽放瓦斯的关键技术是顺层长钻孔的成孔技术,而在煤层(特别是突出煤层)实施顺煤层钻孔时因喷孑L、卡钻严重,成孔深度往往只有40。70m,不能满足采煤工作面顺层钻孔抽放瓦斯的需要深度。为此,“九五”期间研究了压风排渣工艺、组合钻具和强力钻机(ZSM一250型顺层强力钻机)相结合的长钻孔施工工艺技术和装备,使得钻孔深度普遍提高到100m以上,最深达到239m。压风排渣工艺的关键在于确定合理的风压和风量。为利用压风将钻屑顺利排出,钻孔内排渣的风速通常要求达到20m/s以上,在钻孔内压风通过断面积一定的条件下,满足排渣风速要求的风压和风量主要取决于钻孔深度。组合钻具的主要功能是提高钻孔的定向准确性,同时也能减少钻孔出现垮塌和其他大变形的几率。强力钻机的目的是增加钻进能力,研制的ZSM一250型强力钻机,钻杆直径为63mm,配合风力排渣和组合钻具,能够满足突出松软煤层成孔深度250m的要求。该成套技术与装备在四川省芙蓉矿务局琪泉煤矿进行了井下试验,顺层钻孔深度最大达到239.6m,瓦斯预抽率达到32%,与网格式穿层钻孔相比,可节约吨煤成本4.3~6.2元。既保障了煤矿安全,又节约安全投资,降低了生产成本。目前这套技术和装备正在芙蓉、松藻、丰城、淮南等局推广应用,取得了很好的效果。

(2)岩层水平长钻孔技术。岩层水平长钻孔的主要目的是为了抽放采空区和邻近层的瓦斯,我国许多煤矿原来主要利用顶板巷道满足这一要求,如果利用钻孔代替巷道,将节省大量投资。为此,研究了采场覆岩移动变形理论,以此为基础,确定合理的钻孑L布置层位和平面布置方式,结合MK一6、7型钻机具的研制,试验成功孔深500m以上的顶板岩层水平长钻孔抽放邻近层和采空区瓦斯技术,在阳泉五矿单孔抽出瓦斯量最大23.92m3/min,孔内瓦斯浓度最高90%,平均单孔抽出瓦斯量19m3/rain,平均浓度60%,效果相当显著。利用该技术在晋城寺河矿施工顺煤层钻孔(煤层,值在1以上),成孔深度达500m以上,为煤层气开发提供了可靠的手段。

(3)长钻孔预裂控制爆破技术。该技术是通过对煤层控制预裂爆破,迫使煤体产生裂隙以释放应力和瓦斯,达到提高煤层透气性和防治突出的目的。为了在爆破时使煤层致裂而又不破坏顶板,研究了专门的炸药配方、爆破工艺等。试验表明:研究的低威力炸药,具有起爆速度慢、爆炸峰值不高、作用时间长等特点,对煤层的致裂效果较好;研究的压风喷射装药、双雷管引爆双导爆索、双导爆索传爆三级煤矿许用固体(粉状)乳化炸药,径向和轴向不耦合装药的长钻孔控制爆破技术,效果好、安全可靠,该技术在平顶山和阳泉进行了试验研究,在平顶山十二矿实现了孔深70m左右的控制爆破。

(4)水力扩孔技术。孔径越大,钻孔煤壁暴露面积越大,越有利于应力释放和瓦斯排放,单大直径钻孔施工面临着垮孔严重、排渣困难、成孔长度短以及钻机负荷呈几何倍数增大等诸多技术问题。水力扩孔是先利用钻机打成小孔径钻孔,再利用可喷出高压水射流又能自行旋转的高压水射流器对钻孔周围的煤体进行旋转式切割,通过钻头沿钻孔轴向的运动形成对整个钻孔的径向连续扩孔。随着钻孔直径的扩大,煤层暴露面积的增加,更多煤炭的排出,煤层卸压范围进一步增大,对于加大钻孔的单孑L抽(排)瓦斯量有着显著的作用。在中梁山北矿,扩孔后瓦斯抽放量提高0.6~1.0倍;在松藻矿务局,扩孔后瓦斯抽放量提高l倍以上,效果非常明显。

(5)采空区瓦斯抽放技术。对采空区主要采用密闭插管和地面钻孔抽放的办法,但对有自然发火危险的煤层,应加强火灾标志气体或温度的监测,目前正在研制监测火灾标志气体并自动控制调节抽放负压和流量的装置,解决瓦斯抽放与自燃的矛盾。

开采工作面采空区抽放主要采用埋管抽放、采空区靠开切眼侧密闭抽放、地面、顶板、底板钻孔抽放等方法。针对采空区抽放瓦斯浓度较低的特点,研制了CJK型自动抽排切换器。其原理为:通过抽放点抽放管路瓦斯浓度、矿井瓦斯抽放系统瓦斯浓度及排放段环境瓦斯浓度的监测,实现在低浓度抽放中抽放点浓度或系统浓度有一个不低于设定值时,由抽放系统进行抽放。当两值均低于设定值时则自动切换为压气引射器引射状态,由引射器引排至排放段通风稀释;当排放处环境浓度超限则自动停止引排,以此实现在不使系统瓦斯浓度低于设定值、保证安全的条件下,对被抽放点瓦斯进行低浓度强化抽排。该装置在阳泉煤业集团五矿综放工作面初采期开放式采空区瓦斯强化抽放中得到了应用,效果非常明显。

5.瓦斯煤尘爆炸防治技术

目前瓦斯粉尘爆炸是我国煤矿最重大的事故。为此,我国建立了大型实际规模模拟巷道及爆炸试验基地,开展了各种粉尘爆炸机理、特性及防隔爆措施的试验研究,在对我国主要煤田煤尘样爆炸特性试验的基础上,开展了瓦斯、煤尘共存条件下爆炸特性的研究,着重探讨了采掘机械切齿摩擦火花引燃引爆瓦斯煤尘问题,初步提出切齿结构与材质等防止切割摩擦火花引爆的综合措施。

为治理回采工作面上隅角瓦斯积聚而引发瓦斯爆炸事故,在研究上隅角瓦斯涌出规律的基础上,在无火花风机引排上隅角瓦斯技术及配套装置方面,风机叶片采用高强度抗静电阻燃塑料加工,使旋转件与外壳之间不产生摩擦火花;风机用电动机驱动,电动机与抽出风流完全隔绝,避免电机火花点燃高瓦斯风流。风机人口安装有瓦斯浓度监测传感器以及掺新风自动调节装置,确保风筒内瓦斯浓度不超过规定值。试验研究表明,使用该装置处理上隅角瓦斯具有较高安全性能。

研究中进一步完善了被动式隔爆水槽、水袋的性能、吊挂工艺及布置方式,XGS型隔爆水棚也能隔绝弱爆炸的传播,扩大了隔爆的有效范围(距爆源20~24m)且安装移动方便。BJK—S型自动抑爆系统可实现远距离对回采工作面或有爆炸危险场所的瓦斯、煤尘浓度、沉积煤尘强度连续监控、超限报警并控制作业设备的断电;可将瓦斯燃烧、弱爆炸等就地扑灭,有效地控制瓦斯煤尘爆炸。近年开发的YBW型无电源触发式抑爆装置,采用光电器导爆索爆破喷洒水质抑爆剂,最佳水雾形成时间小于150ms,水雾存在时间超过500ms,具有良好的成雾性能和日常维护工作量小、安装应用方便的优点。

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