[摘 要] 在分析煤礦安全科技工作現(xiàn)狀和趨勢基礎(chǔ)上，介紹了近年來我國瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)研究取得的進展和新成果。通過“十五”科技攻關(guān)項目的研究，提出了瓦斯煤塵爆炸危險性評價方法，研究出了基于瓦斯地質(zhì)、地質(zhì)動力區(qū)劃、電磁波探測方法的煤與瓦斯突出區(qū)域預測技術(shù)和基于AE聲發(fā)射、電磁輻射和瓦斯涌出等原理的煤與瓦斯突出非接觸連續(xù)預測技術(shù)，實驗成功了高瓦斯煤層群開采保護層瓦斯災(zāi)害綜合防治及順煤層強化抽放等技術(shù)，開發(fā)了礦井通風系統(tǒng)監(jiān)測、可靠性評價分析及決策控制技術(shù)。另外還分析了我國煤礦安全所面臨的挑戰(zhàn)和急需開展的科技研究工作。
[關(guān)鍵詞] 危險性評價；煤與瓦斯突出；瓦斯抽放；災(zāi)害治理；新技術(shù)
1 概 述
瓦斯是我國煤礦的主要災(zāi)害因素之一，瓦斯煤塵爆炸、煤與瓦斯突出等災(zāi)害嚴重威脅著我國煤礦的安全生產(chǎn)。由于災(zāi)害因素多、治理難度大，礦井瓦斯一直是我國煤礦安全工作的重點和難點。目前，我國所有煤礦均為瓦斯礦井，據(jù)統(tǒng)計，在100個國有重點煤炭生產(chǎn)企業(yè)的609處礦井中，高瓦斯礦井占26．8％，煤與瓦斯突出礦井占17．6％，低瓦斯礦井 占55．6％。國有地方和鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦中，高瓦斯礦井和煤與瓦斯 突出礦井占15％左右。部分局礦的情況更為嚴重，如淮南礦業(yè)集團所屬11對礦井均為突出礦井，平頂山煤業(yè)集團所屬 的13對礦井也全部為高瓦斯或突出礦井。
瓦斯災(zāi)害已成為制約煤礦安全生產(chǎn)和煤炭工業(yè)發(fā)展的重要因素，為此，國家煤礦安全監(jiān)察局實施了“科技興安”戰(zhàn)略，并提出了“先抽后采、監(jiān)測監(jiān)控、以風定產(chǎn)”的瓦斯治理“十二字方針”，與此同時，我國的各類科技計劃也逐步加強了瓦斯災(zāi)害治理技術(shù)研究開發(fā)的支持力度?！笆濉币詠?，科研院所、高等院校及企業(yè)以產(chǎn)學研結(jié)合方式開展了攻關(guān)研究，在瓦斯煤塵爆炸、煤與瓦斯突出預測、保護層開采、順煤層瓦斯抽放及礦井通風系統(tǒng)監(jiān)測、評價與決策控制等方面取得了重大進展，并獲得了一批重要的科技成果。
2 瓦斯治理技術(shù)研究的新成果
2．1 瓦斯煤塵爆炸危險性預測評價技術(shù)
瓦斯煤塵爆炸一直是困擾煤礦安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一。近年來，我國在煤塵著火機理及瓦斯煤塵爆炸機理研究方面，建立了粉塵云著火及燃燒過程簡化模型，得出了粉塵空氣混合物點火過程中慢速導熱燃料模式到快速輻射燃燒模式的轉(zhuǎn)變具有爆炸特征，試驗系統(tǒng)中點火誘導期與高溫固體顆粒燃料產(chǎn)物的質(zhì)量分數(shù)和燃燒陣面中的熱輻射有關(guān)，在爆炸極限范圍內(nèi)顆粒相濃度與顆粒點立溫度越低火焰加速效果越明顯，輻射熱損失可能導致燃燒區(qū)域的重構(gòu)，粉塵空氣混合物火焰穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化等重要結(jié)論；通過研究得出了瓦斯煤塵共存條件下煤塵云著火特征參數(shù)計算方法，揭示了瓦斯爆炸過程中爆炸波和火焰的變化特征。
在取得上述成果的基礎(chǔ)上，建立了礦井瓦斯煤塵爆炸危險性評價模型，用事故樹方法分析了掘進、采煤工作面瓦斯煤塵爆炸發(fā)生的影響因素擴權(quán)重、可能發(fā)生事故的模式和避免爆炸事故發(fā)生所要采取的途徑。確立了礦井采煤工作面、掘進工作面瓦斯煤塵爆炸危險性預測評價指標體系，并將指標分為爆炸易發(fā)性指標和爆炸后果嚴重性指標。前者包括自然因素、技術(shù)因素、管理因素和經(jīng)濟因素四方面指標，后者包括煤塵爆炸指數(shù)、沉積煤狀況、隔抑爆方式、隔抑爆用水量、井下作業(yè)人員、以往事故損失及礦山救護能力等。開發(fā)出了瓦斯煤塵爆炸危險性預測評價技術(shù)和專家系統(tǒng)軟件，并建立了瓦斯煤塵爆炸的危險性評價和防治專家系統(tǒng)。
2．2 煤與瓦斯突出區(qū)域預測技術(shù)
采用瓦斯地質(zhì)理論與物探技術(shù)相結(jié)合的方法進行突出區(qū)域預測，一直是國內(nèi)外的研究方向。“十五”計劃以來，我國煤與瓦斯突出區(qū)域預測技術(shù)取得重要成果：
(1)我國采用瓦斯地質(zhì)方法，建立了瓦斯地質(zhì)理論與物探技術(shù)相結(jié)合的多技術(shù)(數(shù)字地震勘探、無線電波透視和構(gòu)造軟煤測井曲線識別)集成的多尺度(礦井突出區(qū)和工作面突出帶)瓦斯突出區(qū)域預測瓦斯地質(zhì)新方法；提出了以瓦斯地質(zhì)單元基礎(chǔ)的由構(gòu)造軟煤厚度(H)和煤層瓦斯壓力(P)相配套的突出區(qū)域預測瓦斯地質(zhì)指標，初步確定構(gòu)造軟煤厚度的突出臨界值為0．90m；
(2)開發(fā)了具有信息輸入、動態(tài)管理和空間分析功能的瓦斯突出區(qū)域預測WebGIS信息平臺，實現(xiàn)了瓦斯突出區(qū)域瓦斯地質(zhì)方法的自動化和可視化；
采用地球物理探測技術(shù)，形成了一套礦井瓦斯富集部位地震探測技術(shù)與方法，建立了由3D3C地震技術(shù)、AVO技術(shù)、地震反演技術(shù)、地震屬性分析技術(shù)、地震波形分類技術(shù)、瓦斯地質(zhì)技術(shù)等構(gòu)成的瓦斯富集部位地質(zhì)—地震預測模式，形成了瓦斯富集部位探測的核心技術(shù)；
(3)采用地質(zhì)動力區(qū)劃的方法，確定了活動構(gòu)造和巖體應(yīng)力狀態(tài)對突出的影響，并劃分出應(yīng)力升高區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)和應(yīng)力梯度。為此開發(fā)了突出多因素模式識別概率預測計算機軟件，確定了活動斷裂、最大主應(yīng)力、應(yīng)力梯度等8個主要影響因素，并可方便地劃分突出的危險區(qū)、威脅區(qū)和安全區(qū)，開發(fā)出了突出區(qū)域預測決策分析系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)了圖、文、聲和像的可視化；
(4)采用電磁波透視技術(shù)，成功研制出了探測煤層瓦斯災(zāi)害易發(fā)區(qū)的技術(shù)和裝備，建立了電磁波反射和吸收特征數(shù)據(jù)庫和地質(zhì)異常體的識別系統(tǒng)，得出了瓦斯災(zāi)害易發(fā)區(qū)分布規(guī)律，提出了判定瓦斯災(zāi)害易發(fā)區(qū)的敏感指標和臨界值，形成一套適于瓦斯災(zāi)害易發(fā)區(qū)的判識方法。
這些技術(shù)成果的研究和應(yīng)用，完善并發(fā)展了我國煤礦瓦斯突出區(qū)域預測技術(shù)體系，提高了突出預測的準確性，非突出危險區(qū)預測準確性達到100％，突出危險區(qū)預測準確性超過70％，最大限度地降低了掘進和回采過程中的瓦斯影響，顯著提高掘進速度和提高回采工作面產(chǎn)量。
2．3 煤與瓦斯突出動態(tài)預測技術(shù)
煤與瓦斯突出的非接觸式預測是通過對瓦斯或煤體本身的信號的實時監(jiān)測而進行的連續(xù)動態(tài)預測技術(shù)。這種方法具有測試簡單、不與生產(chǎn)發(fā)生沖突、實時連續(xù)監(jiān)測等優(yōu)點。因此，非接觸式連續(xù)預測是目前突出預測的主要研究方向。在“九五”攻關(guān)成果的基礎(chǔ)上，針對掘進工作面煤與瓦斯突出非接觸動態(tài)預測預報的需要，分別研究出了基于動態(tài)瓦斯涌出規(guī)律原理、AE聲發(fā)射原理和電磁輻射原理的工作面突出危險性連續(xù)監(jiān)測技術(shù)與裝備。
通過分析瓦斯涌出動態(tài)變化規(guī)律與突出危險性的關(guān)系、實時監(jiān)測瓦斯動態(tài)涌出特征波形、提取與突出危險性相關(guān)的特征指標，建立了煤巷掘進炮后30分鐘的噸煤瓦斯動態(tài)涌出量指標、瓦斯涌出變異系數(shù)指標、炮后瓦斯涌出最大速率指標等連續(xù)預測指標，研究確定了這幾種指標與炮掘工作面突出危險性的關(guān)系及指標臨界值，以此綜合判斷工作面所處地點的安全狀況以及前方的潛在危險性，實現(xiàn)了炮掘工作面瓦斯動態(tài)涌出預測，為我國煤礦提供了一種新的瓦斯涌出量預測方法和煤與瓦斯突出預測工藝技術(shù)；
開發(fā)出了一套AE聲發(fā)射監(jiān)測煤與瓦斯突出的技術(shù)裝備，提出了AE聲發(fā)射濾噪綜合處理技術(shù)和方法，通過阻噪、隔噪、抑噪、濾噪和有效AE信號提取等途徑，實現(xiàn)了有效濾噪的目的，取得了歷年來濾噪研究中最有突破性進展的研究成果，研究出了包括傳感器在內(nèi)的AE聲發(fā)射預測工藝技術(shù)，分析和總結(jié)了煤巖破壞AE聲發(fā)射規(guī)律、AE聲發(fā)射與瓦斯動力災(zāi)害的關(guān)系；
通過連續(xù)監(jiān)測含瓦斯煤巖流變破壞過程中產(chǎn)生的電磁輻射信號強度和脈沖數(shù)及其變化的研究，實現(xiàn)了對煤與瓦斯突出等煤巖動力災(zāi)害現(xiàn)象的預測預報，研究并揭示了電磁輻射與煤與瓦斯突出影響因素間的關(guān)系，提出了臨界值法與動態(tài)趨勢法相結(jié)合的煤巖動力災(zāi)害預警方法，開發(fā)成功了煤巖動力災(zāi)害非接觸電磁輻射連續(xù)監(jiān)測儀，實現(xiàn)了煤巖動力災(zāi)害的非接觸、連續(xù)動態(tài)監(jiān)測及煤與瓦斯突出預警。
2．4 高產(chǎn)高效礦井瓦斯災(zāi)害綜合治理技術(shù)
加強瓦斯災(zāi)害的治理是防止煤礦重特大事故發(fā)生的重要保證。高瓦斯煤層群保護層開采、低透氣性煤層瓦斯強化抽放、巷道邊掘邊抽等技術(shù)是瓦斯治理的有效措施，也一直都是煤礦瓦斯治理的重點和難點。在煤層群保護層開采方面，通過開展了保護層作用機理的研究，利用三維離散單元法對淮南礦區(qū)保護層開采后，采空區(qū)頂、底板煤巖體應(yīng)力重新分布的規(guī)律、頂?shù)装遄冃魏推茐奶卣鬟M行了數(shù)值模擬研究，從理論上計算了保護層開采后卸壓范圍向頂、底板方向發(fā)展的深度，為確定被保護層的保護效果和卸壓范圍提供了可靠的理論依據(jù)。
針對首采保護層開采時，上下高瓦斯突出煤層的瓦斯集中向首采工作面涌出的特點，并考慮到確保和提高防突效果的要求，試驗成功了多種首采層瓦斯綜合治理技術(shù)措施：
保護層底板巷道+上向穿層鉆孔抽放瓦斯技術(shù)、被保護層頂板煤(巖)巷道+下向穿層鉆孔抽放技術(shù)、首采層(保護層)頂板巷道抽放技術(shù)、首采層(保護層)頂板走向鉆孔抽放技術(shù)、首采層(保護層)工作面采空區(qū)埋管抽放技術(shù)、首采層(保護層)掘進工作面邊掘邊抽技術(shù)。在試驗研究中還在實際層間距70m(相對層間距35倍)近水平煤層群的下保護層開采和80-90~急傾斜近距離煤層群的下保護層開采上取得了重大進展；
在順煤層強化抽放方面上，通過試驗和理論研究，形成了一套在順煤層鉆孔中運用高壓水射流擴孔和鉆擴一體化技術(shù)提高瓦斯抽放效果的成套技術(shù)和裝備，以及對石門揭煤抽、排瓦斯鉆孔擴孔的工藝技術(shù)和方法。擴孔后鉆孔直徑達到200-300mm，為擴孔前的4．5倍，最大擴孔直徑達619．9mm。擴一個鉆孔的時間相當于施工一個鉆孔時間的1／6，而一個擴孔鉆孔的抽排放瓦斯及防突效果相當于2個以上的鉆孔，明顯提高了瓦斯抽放的效果；
在瓦斯抽放效果評價方面，研究了根據(jù)煤層的最小突出瓦斯壓力、瓦斯含量為依據(jù)，合理確定評價預抽防突措施有效性的預抽率指標和臨界值的方法。下向鉆孔及深孔預裂爆破是提高瓦斯抽放效果的另一重要技術(shù)途徑。通過試驗研究，解決了下向鉆孔施工中的排渣、排水等技術(shù)難題，取得了下向孔鉆探長度達到70．1m的良好效果。研究中完善了適合于高瓦斯低透氣性、有突出危險煤層深孔控制預裂爆破強化抽放瓦斯技術(shù)和石門快速揭煤技術(shù)；
對于單一低透氣性突出煤層巷道掘進的瓦斯抽放技術(shù)難題，通過理論分析和試驗研究，發(fā)現(xiàn)煤層巷道掘進工作面和巷道兩幫的煤體在松動和原始煤體之間存在的隨巷道向前掘進而向前移動的蠕變“u”形圈，在“u”形圈內(nèi)煤層的透氣系數(shù)成百倍地增加；
分析了煤層賦存參數(shù)、瓦斯抽放參數(shù)對抽放鉆孔抽放瓦斯效果的影響，確定了有效抽放半徑與抽放時間的關(guān)系、抽放負壓和抽放量的關(guān)系，并據(jù)此合理布置邊抽邊掘鉆孔，其截流抽放瓦斯率可達到30％以上，并且煤體的強度有較大增加。
2．5 礦井通風系統(tǒng)安全可靠性評價與決策技術(shù)
礦井通風是保障煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，合理的通風是防止瓦斯積聚、抑制煤炭自燃和火災(zāi)蔓延擴大的重要手段，通風系統(tǒng)布置不合理或管理不當，則是導致瓦斯積聚和自然發(fā)火及造成瓦斯、火災(zāi)事故進一步擴大的主要原因。集約化生產(chǎn)的大型礦井實行一礦一面已成趨勢，要求通風系統(tǒng)具有更強的穩(wěn)定性、可靠性和合理性，具有較強的抗災(zāi)能力。
我國開展了礦井通風系統(tǒng)安全可靠性評價和決策技術(shù)的研究，建立了基于評價指標體系和網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的兩種礦井通風系統(tǒng)可靠性評價理論體系、評價方法和數(shù)學模型，開發(fā)了智能化、可視化通風系統(tǒng)可靠性評價和決策支持系統(tǒng)軟件。
在災(zāi)變風流動態(tài)模擬及虛擬現(xiàn)實技術(shù)方面，研究并完善了一維動態(tài)模擬技術(shù)，開發(fā)了礦井災(zāi)害風流流動模擬的GIS顯示系統(tǒng)，實現(xiàn)礦井災(zāi)變動態(tài)模擬結(jié)果在礦井通風系統(tǒng)圖各巷道通風參數(shù)的動態(tài)顯示，提高模擬結(jié)果與各巷道的對應(yīng)性，減少礦井災(zāi)害防治及救災(zāi)決策中應(yīng)用災(zāi)變狀態(tài)各參數(shù)的失誤率，提高決策效率。研究出了礦井火災(zāi)區(qū)域內(nèi)煙流流動的三維數(shù)值模擬研究和礦井巷道中火災(zāi)煙流流動的虛擬現(xiàn)實技術(shù)。
在通風系統(tǒng)自動調(diào)控方面，研究成功了井下自動控制風門及遠程控制技術(shù)，研制出了帶有卸壓窗和撞桿自動開啟裝置的遠程自控風門，實現(xiàn)了井下人、車信號分離，采用控制命令分級管理的方法，徹底貫徹了“生產(chǎn)服從救災(zāi)，行人服從行車”的風門管理理念，有效地提高了通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全可靠性。
作為配套技術(shù)研究，將礦井通風系統(tǒng)安全可靠性評價和決策技術(shù)、礦井災(zāi)變風流動態(tài)模擬及虛擬現(xiàn)實技術(shù)和井下風門遠程控制技術(shù)等有機整合成一體，開發(fā)了軟件平臺，初步實現(xiàn)了礦井通風系統(tǒng)從監(jiān)測、分析、決策到控制等各環(huán)節(jié)的閉環(huán)運行。
3 存在的問題和急需開展的研究
煤炭是我國國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)能源，煤礦安全是煤炭工業(yè)走新型工業(yè)化道路、可持續(xù)發(fā)展的前提和保證。瓦斯災(zāi)害治理是煤礦安全工作的重點。對煤礦瓦斯災(zāi)害進行監(jiān)測監(jiān)控、預警防治等瓦斯綜合治理技術(shù)措施，是減少煤礦傷亡事故，提高安全生產(chǎn)水平的重要手段。目前，煤礦安全工作面臨兩大的挑戰(zhàn)：
一是產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，生產(chǎn)高效集約化程度的提高，瓦斯涌出量倍增，產(chǎn)塵強度大幅度上升，通風壓力增大，瓦斯煤塵爆炸、煤與瓦斯突出等災(zāi)害事故的預防難度增大；
二是礦井生產(chǎn)水平的逐年延伸，地應(yīng)力增大，瓦斯涌出量也增大、煤與瓦斯突出和沖擊地壓危險性增加，惡化了煤礦生產(chǎn)條件，增大了生產(chǎn)中的不安全性。為此，煤礦安全技術(shù)也需從兩個方面開展攻關(guān)研究：
(1)根據(jù)礦區(qū)煤層條件不同、瓦斯賦特征不同、生產(chǎn)條件的變化，采用新的科技手段進一步完善提高現(xiàn)有瓦斯災(zāi)害治理技術(shù)體系并進行適應(yīng)性研究，如采用現(xiàn)代通訊技術(shù)、自控技術(shù)、計算機技術(shù)和傳感技術(shù)，解決我國現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)相互不兼容、無法互聯(lián)互通的技術(shù)難題；
(2)不斷解決瓦斯治理技術(shù)研究中出現(xiàn)的新問題，如伴隨我國東部深井開采帶來了“三高”和深部礦井的延期突出問題，松軟低透氣性煤層長鉆孔瓦斯抽放技術(shù)難題。這些問題急需開展科技攻關(guān)加以解決。
4 結(jié) 論
瓦斯災(zāi)害治理新技術(shù)在淮南礦區(qū)進行了試驗和應(yīng)用，取得了經(jīng)濟、社會、安全環(huán)境的多重效益。這些研究成果對我國煤礦生產(chǎn)條件和瓦斯災(zāi)害特點具有很強的針對性和適應(yīng)性，具體成果表現(xiàn)為：
(1)瓦斯煤塵爆炸危險性預測評價技術(shù)在淮南潘三礦、張集礦應(yīng)用表明，評價結(jié)果準確可靠，具有很強的操作性和實用性，為預防煤礦瓦斯煤塵爆炸提供了重要技術(shù)支撐。
(2)瓦斯地質(zhì)、動力區(qū)劃和地球物理探測方法的煤與瓦斯突出預測技術(shù)是經(jīng)實踐證明是有效的，是減小防突工程量、提高防突效果的保障技術(shù)措施。
(3)AE聲發(fā)射、電磁輻射等非接觸連續(xù)監(jiān)測技術(shù)取得了突破性進展，并進入實用化和產(chǎn)業(yè)化階段。
(4)保護開采、顧煤層瓦斯強化抽放技術(shù)在聯(lián)合攻關(guān)，取得了理論、技術(shù)和試驗研究的重大進展，是淮南礦區(qū)治理瓦斯的有效技術(shù)途徑。
(5)通風系統(tǒng)的監(jiān)測、可靠性評價技術(shù)隨著礦井集約化水平的提高會越來越突現(xiàn)其基礎(chǔ)作用，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)要達到應(yīng)用階段仍需開展大量工作。