瓦斯防治技术现状及趋势

摘要：能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础在我国的自然资源中，基本特点是富煤、贫油、少气，这就决定了煤炭在一次能源中的重要地位。我国煤炭资源总量为5.6万亿吨，其中已探明储量为１万亿吨，占世界总储量的11%。我国是世界第一产煤大国，也是煤炭消费的大国。本文简单介绍了我国的能源利用的背景、我国煤炭生产状况、煤炭生产过程中存在的主要问题以及威胁我国煤炭生产的主要因素。着重从矿井瓦斯涌出量的测定、矿井瓦斯的抽放、 煤与瓦斯突出的防治、上隅角瓦斯积聚的防治、瓦斯煤尘爆炸防治和瓦斯检测系统的发展等方面介绍了世界上主要产煤大国在煤矿瓦斯治理上的技术现状、作用效果及其瓦斯治理的前景和趋势。

关键词：煤矿：瓦斯治理：国内外技术现状：趋势

1 内容背景

能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。纵观人类社会发展的历史，人类文明的每一次重大

进步都伴随着能源的改进和更替。能源的开发利用极大地推进了世界经济和人类社会的发展。

中国是当今世界上最大的发展中国家，发展经济，摆脱贫困，是我我国在相当长一段时期内的主要任务。能源消费增加是经济社会发展的客观必然。20世纪70年代末以来，中国作为世界上发展最快的发展中国家，经济社会发展取得了举世瞩目的辉煌成就，能源在其中扮演了不可或缺的作用。能源供应持续增长，为经济社会发展提供了重要的支撑。

在我国的自然资源中，基本特点是富煤、贫油、少气，这就决定了煤炭在一次能源中的重要地位。我国煤炭资源总量为5.6万亿吨，其中已探明储量为１万亿吨，占世界总储量的11%，而石油仅占2.4%，天然气仅占1.2%。\"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。

我国是世界第一产煤大国，也是煤炭消费的大国。 我国已经形成了煤炭为主体、电力为中心、石油天然气和可再生能源全面发展的能源供应格局，建立了较为完善的能源供应体系。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％。2006年我国原煤产量达23.7亿吨，列世界第一位。

2 我国煤炭生产状况

煤炭是我国的重要的基础能源，在国名经济中具有重要的战略地位。改革开放以来，煤炭工业取得了长足发展，产量持续增长，生产技术逐步提高，安全生产条件有哦所改善，但仍然存在着增长方式粗放，安全事故多发等问题，为我国的发展带来了一系列的政治、经济问题。

近年来我国煤矿瓦斯事故虽然持续下降，但面临的形势依然严峻。随着科技水平的提高和企业管理的规范，我国煤矿安全生产状况从总体上讲，出现了不断好转的局面。在开展机械化生产,原煤产量不断提升的情况下，1949年至2000年全国煤矿百万吨死亡率总体趋于稳步下降态势。

近年我国煤炭百万吨死亡率表2.1

1999年 6.08

煤矿企业2000年发生伤亡事故2863起，死亡5798人;2001共发生死亡事故3082起,死亡5670人;2002年共发生死亡事 故4344起,死亡6995人;2004年全年煤矿企业发生各类伤亡事故3853起,死亡6009人。2003年世界煤炭产量约50亿吨,煤矿事故死亡总数约8000人.当年我国的煤炭产量约占全球的35%,事故死亡人数则占近80%.2003年我国煤矿平均每人每年产煤321吨,全员效率仅为美国的2.2%,南非的8.1%;而百万吨死亡率则是美国的200倍,南非的30倍.2004年全国煤矿百万吨死亡率即使控制在3.1,但与世界上先进

2000年 6.0 2001年 5.85 2002年 5.0 2003年 4.17 2004年 3.10 产煤国家相比,差距仍然不小.美国2004年产煤10亿吨,仅死亡27人,美国已经连续3年煤矿死亡人数在30人以内。

在煤矿事故中，瓦斯灾害时最严重的一种灾害之一。瓦斯突出不仅能摧毁巷道设施，破坏矿井通风系统，而且使井巷充满瓦斯和煤（岩）抛出物，造成人员窒息、煤流埋人，甚至引起瓦斯爆炸与火灾事故。瓦斯爆炸不仅造成大量人员死亡，而且会引起煤尘爆炸、矿井火灾、井巷坍塌等二次事故。井下煤矿一次死亡人数多达重大事故主要是瓦斯爆炸事故和瓦斯突出事故。1990-1999年的十年间，我国煤矿共发生3人以上的死亡事故4002次，共死亡27495人，其中瓦斯事故2767次，共死亡20625人，占3人以上死亡事故的69.14%，死亡人数的75.01%。在03、04、05、06年的死亡百人以上的重特大煤矿事故中瓦斯事故又占绝大多数。2007年1-9月份，全国煤矿发生瓦斯事故210起，死亡752人。瓦斯事故死亡人数占煤矿事故死亡总数的比例虽然有所下降，但仍然高达27.8％，全年发生一次死亡3-9人重大瓦斯事故126起、死亡591人，分别占煤矿同等级事故的53.25％和55.1％；一次死亡10人以上的特大和特别重大瓦斯事故26起、死亡490人，分别占煤矿同等级事故的57.78％和50.15％。重特大瓦斯事故多发，仍然是当前煤矿安全领域的突出问题。

3煤矿瓦斯事故频发的原因

我国大多数煤矿地质条件复杂，导致自然灾害多,容易引发重大事故，给安全生产造成极大的困难。我国煤炭资源分布广,煤炭资源分布总体格局是北富南贫，西多东少。全国2300多个县(市)中,有1200多个境内有煤炭资源。煤田总体构造在世界上属于中等偏下，条件较差。我国煤矿特厚煤层少，埋藏深，决定了我国露天煤矿数量少，这与以露天煤矿为主的美国、澳大利亚相比，我国煤矿的安全生产难度较大。我国井工煤矿有像神华大柳塔,兖州济宁三矿这样自然条件非常好的矿井，但大部分煤矿存在着地质构造复杂，倾角大，煤层薄，煤层不稳定，灾害严重等这样或那样的问题,造成我国井工煤矿中高产高效矿井不足 . 我国煤矿绝大多数是井工开采，煤炭总产量中井工矿井产量约占94%。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事故。

我国煤矿开采深度平均每年增加10～20米，随采深的增加，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％。因此，控制瓦斯一直成为煤矿安全的主攻方向之一。

4 世界各产煤国的瓦斯治理技术

瓦斯灾害的防治在世界范围内都是一个难题。这里主要介绍一下世界上主要产煤国在此项工作上的技术措施。

瓦斯的防治主要从一下几个方面着手：1 矿井瓦斯涌出量的测定；2 矿井瓦斯的抽放；3 煤与瓦斯突出的防治；4上隅角瓦斯积聚的防治；5瓦斯煤尘爆炸防治；6 瓦斯检测系统的发展。

4.1 矿井瓦斯涌出量

研究煤层瓦斯的形成和迁移规律，测定煤矿瓦斯含量，是正确预测瓦斯涌出量的基础。

4.1.1煤层瓦斯含量的测定

目前各国主要采用解析法测定煤层瓦斯含量。用解析法测定瓦斯含量包括三个阶段：第一阶段，确定从钻取试样到把试样装入取样器这段时间内的瓦斯损失量Q1;第二阶段，采用野外吸仪测定取样器中的试

样解吸瓦斯量Q2;第三阶段，用粉碎法确定试样的残存瓦斯量Q3 。上述三个瓦斯量相加即得该每样的总瓦斯量。用解析法测定煤样瓦斯含量的成功率可达98％，精度也较高，而且操作简单，成本低，优于其他方法。

4.1.2矿井瓦斯涌出量的测定

生产矿井瓦斯主要来源包括掘进区瓦斯、采煤区瓦斯和采空区瓦斯。在研究瓦斯来源和瓦斯涌出量时，既要考虑瓦斯地质条件，也要分析采矿技术条件。目前瓦斯涌出量预测方法主要有三类：矿山统计法、煤层瓦斯含量法和瓦斯分源法。

a 统计法。对于新矿井新水平的瓦斯涌出量预测，目前大多数煤矿仍采用直线外推的矿井统计预测法。统计法预测方程最早是前苏联于1937年提出的。矿井统计法分两部进行：第一步采用跟踪法搜集历年的通风报表资料；第二步将统计资料输入计算机进行数据滤波处理，并计算瓦斯梯度和预测某一深度的涌出量。

b 瓦斯含量法和分源法。含量法和分源法计算原则基本相同，主要是采用煤层原始瓦斯含量和涌出系数来预测涌出量，但两着临近煤层瓦斯涌出律方程不同。各国根据本国煤层特点和经验提出临近层瓦斯涌出率计算公式。 4.1.3各国矿井瓦斯等级

大多数国家都划分矿井瓦斯等级，以便采取相应的安全措施。前苏联矿井瓦斯等级，按照平均日产1吨煤涌出的瓦斯量划分为：一级瓦斯矿井，5瓦斯矿井，15

以下；二级瓦斯矿井，5－10

;三级矿井,10-15

；超级

以上。德国所有的烟煤矿井都划分为瓦斯矿井，但《煤矿安全规程》中没有划分瓦斯危

/min时，视为特大瓦斯工作面。我国煤矿瓦斯等级，按照平均

及其以下；高瓦斯矿井，10

以上；煤

险等级。工作面绝对瓦斯涌出两大于20

日产1t煤涌出的瓦斯量和瓦斯涌出形式分为：低瓦斯矿井，10与瓦斯突出矿井。

4.2 矿井瓦斯抽放

当用通风方法不能使回采采工作面涌出的瓦斯稀释到《煤矿大全规程》规定的最高允许浓度时，就必须预先抽放瓦斯。在许多国家，瓦斯抽放已经成为降低工作面瓦斯涌出量和防止突出的一种主要措施。前苏联一年的瓦斯涌出量为23～24

.德国鲁尔、来琛、伊本比伦和萨尔四大硬煤矿区都应用瓦斯抽放措施，

。

平均抽放率大50％，年总抽放量为6亿

回采工作面瓦斯防治瓦斯措施有区域性措施和局部性措施。前苏联、波兰、德国、英国等国采用的区

域性措施主要有：瓦斯抽放、开采保护层、煤层大面积注水等；局部性措施主要有：松动爆破、超前钻孔、水力冲孔、卸压槽等。区域性措施放突效果较好，如果煤层无保护层可采，目前主要是采用瓦斯抽放的方法。

4.2.1瓦斯抽放钻孔布置

煤层内瓦斯抽放钻孔有下向孔、水平孔和上向孔三种布置方式。据前苏联的研究，其抽放率之比为1：1.20：1.35，特别是在薄煤层及自然透气性低及中等的煤层，上向孔抽放效果最好。

前苏联卡拉干达、库兹巴斯和沃尔库塔煤矿采用的钻孔参数为：直径80～100mm，孔深150～200m，孔距10～20m，钻孔密度为12～18m/kt煤，瓦斯抽放率可达30％。在采取人工增大煤层透气性措施的情

况下，抽出率可达55％以上。

针对低透气性煤层难抽问题，前苏联顿巴斯和卡拉干达矿区最先提出并付诸实施了交叉钻孔强化预抽煤层瓦斯的方法。与平行钻孔相比，交叉钻孔的抽放率一般提高1倍，有时可提高三倍，此技术在独联体国家应用广泛。

在开采深度大的条件下，采用大直径钻孔能有效提高抽放效果。日本赤平矿钻孔直径有65mm增大到120mm时，瓦斯抽放量增大3.5倍。增大钻孔直径成为瓦斯抽放的发展趋势。

在顺槽大煤层钻孔的抽放系统，由于与回采工作相干扰，抽放时间短，为延长抽放时间，德国和捷克采用了集中抽放系统，即利用石门布置集中抽放站，向煤层打放射性钻孔。捷克的2MP煤矿、德比扬斯科煤矿和斯特利克煤矿都采用的这种集中抽放系统。

钻孔密封质量的好坏直接关系到抽放瓦斯量和抽放率，是实现高效抽放瓦斯必不可少的环节。德国和日本全面推广应用聚氨酯封孔技术，德国抽放负压为50kpa，配备了风动搅拌压注聚氨酯泵；美国主要用水泥及其相配套的机械装置封孔；俄罗斯用橡胶圈封孔器、快干水泥与相配套的注浆罐封孔；英国用树脂及橡胶圈封孔器。 4.2.2改善煤层透气性

通常采用盐酸处理和水力压裂方法以改善煤层透气性。乌克兰科学院物理有机化学和煤化学研究所研究出新的药剂腐植酸钠，配合水力压裂对煤层进行处理。这种新药剂能更好的渗入煤层，扩散距离达到50～60m，并有方向的改变了煤层结构和物理特性。这种新方法可使抽出率提高到60～75％。 4.2.3瓦斯抽放设备

瓦斯抽放孔钻机有旋转式和潜孔式两种。由于各国松软煤层较多，各国均研制了适用与松软煤层的瓦斯抽放钻机。日本在打钻时采用双套管钻进一防治塌孔，已形成一套适用于处理易塌孔、夹钻煤层打钻的工艺措施，特别是往采空区打灭火钻效果显著，但其缺点是不易大深孔，一般只能打20～30m。德国对松软煤层采用双钻头钻机打钻，内钻头逆时针方向采用回转冲击方式钻进。整个钻机采用双油泵，功率为110kw。钻机钻进效果好，但结构复杂、体积大、价格贵。

为提高瓦斯抽放量，在不断完善综合抽放方式的基础上，各国均研究和采用了强化抽放瓦斯，研制了强力钻机，以提高钻进速度和钻进深度。日本研究成功了在高瓦斯长壁工作面顶板大水平钻孔抽放采空区瓦斯的工艺和相应的装备。美国和波兰也在生产和应用抽放能力为200立了瓦斯检测系统。 4.2.4地面抽放

煤层气地面抽放始于上世纪50年代。美国是世界上最早开发煤层气的国家。美国煤层气开发的成功促使其他煤炭资源丰富的国家也开始进行煤层气勘探开发发面的研究和探索。美国的煤层气开发活动主要集中在圣胡安煤田和黑勇士煤田。1993年，美国的煤层气产量达到200亿立方米，其中的120亿立方米产自圣胡安煤田高产富集区的600口裸眼洞穴井，每口井平均投资40万美元，服务年限为10~20年。澳大利亚BHP公司早鲍恩和悉尼盆地实施煤层气开发计划中，在鲍恩盆地北部的布罗德煤多地区实验未开采地区地面钻孔煤层气开发，但由于煤层渗透性差、水力压裂成本高、效率低，使开发在经济上不可行，因此澳大利亚主要在矿井下抽取煤层气。德国、英国、波兰等过都在积极的探索符合本国特点的煤层气开发技术。

4.3煤与瓦斯突出的防治

从世界各国来看，煤矿突出以煤与瓦斯突出为主，个别情况有岩石和二氧化碳突出。突出事故多发生在石门掘进揭煤时或煤巷掘进工作面。突出的防治从以下两个方面进行： 4.3.1突出预测

/min以上的湿、干式抽放泵，建

各国的突出预测的研究围绕地质因素、煤结构应力和瓦斯等方面开展实验室和现场的实验工作，以进行区域性预测和日常预测。计算机的应用提高了速度和精度，使突出预测更加准确和及时。

煤结构的研究。由于地质构造的运动，是突出危险每层的突出危险区媒体结构受到破坏，这是造成危险区内物理力学性质和瓦斯动力特性发生很大变化的主要原因。顿涅茨克工学院研究利用煤体的两个主要变形指标弹性模量E和剪切模量G来确定煤层突出危险性。煤样纵向和横向弹性波传播速度在YK-10Ⅱ超声波检测装置上进行的，并用专门的计算机程序进行数据处理，用回归方法得出无突出危险性煤层的变形指标与煤的变质程度的关系曲线，此曲线为上限分界线。如果煤层的弹性模量和剪切模量分布在此曲线上方，则说明该煤层具有突出危险性。

钻份法。这种方法是在煤层中打一组直径为50~150mm钻孔，在高应力区可能造成钻进困难，并随着应力的释放，产生不成比例的大量钻屑。根据钻孔产生的钻粉量和钻粉瓦斯解吸量来判断突出倾向。据波兰的研究，当钻粉瓦斯的解吸强度大于1.18kpa，钻粉量大于4g/L 时，认为有突出危险（DMC-2型或DMC-3型瓦斯解析仪测量解吸量）。德国对本国突出危险煤层研究得出的钻粉量临界值如下：140mm直径钻孔为90dm3/m，95mm直径钻孔为50dm3/m，50mm直径钻孔为6~8dm3/m。如果超过上述值，说明该区域煤层应力处于危险状态，将会发生突出。

瓦斯泄出速度。煤层中瓦斯泄出速度是突出危险性的一个重要指标。在初步评价时通常适用V30指数，它是按爆破后30min内释放的瓦斯量来确定的，以m3/t表示。德国的研究表明，如果V30值达到解吸瓦斯量的40%，则说明存在突出危险性。如果达到60%，则表示有突出危险。

微震检测。在突出之前，一般是煤层及其相邻岩层出现应力从新分布，煤和岩层中出现断裂。岩层在断裂发展过程中产生微震。在微震波中，有P波和S波，但主要能量在横波。煤层中声发射的频率极宽，为100Hz~1MHz，但微震事件频率为500~2000Hz，领用传感器可以检测到微震波。美国矿业局从上世纪30年始研究微震，近些年的研究主要在科罗拉多州荷兰沟矿、犹他州桑尼赛德矿和西弗吉尼亚州奥尔加矿，寻音探头按二维或三维布置。三维布置的优点可以确定贞元的精确位置。矿业局的微震检测系统以模拟磁带记录装置为基础，可以记录14哥通道的数据，一个磁带的录音时间为25小时。近年来，美国矿业局试验将岩石突出自动检测系统应用于煤矿。由于煤层中信号频率很低，记录到的微震事件时间误差及对应的距离误差较大。通过适当调整信号放大倍数，一定程度上课提高震源定位的精度，自动检测系统应用于计算机，能处理16个地音探头的数字化信号，采样速度为20000个/s。英国从上世纪80年始微震的研究，并一直在辛海德里煤矿惊醒实验和应用，已经先后在BV15、BV24、BV26等工作面进行微震检测，同时进行地面微震检测，试图找出井下微震活动与地面检测到的突出型微震活动之间的某种对应关系。

4.3.2突出防治技术

采用安全开采法或卸压法，使高应力区的应力重新分布或释放，能有效的防止突出。

安全开采发。当开采煤层群时，开采层是防止突出的最有效措施。英国、德国、前苏联都采用此方法很好的防治了突出。最有效的措施如下：

——选择最有效的开采程序，超前开采矿山压力增高带上部或下部煤层； ——选择开切眼的最佳位置和开采方向，规定煤层开采时间；

——在增高的矿山压力区内的煤层开采时采取预放顶措施，松动煤层间岩层，充填采空区； ——与因压力生成的裂隙方向或垂直打钻孔，抽放瓦斯或注水； ——采用不用人力跟机操作的某些回采机械。

层应开采干净，不留煤柱或残煤，从而不为有突出危险性的煤层创造高侧向支撑压力的条件。波兰新鲁达煤矿于1978年发生的突出事故就是因为层未采干净造成应力集中引起的。

泄压钻孔。在不可能应用开采层方法进行大面积泄压时，常用一种局部卸压法即钻大直径钻孔，来释放岩层压力和瓦斯压力。钻孔直径越大，泄压效果越好。但大直径孔煤排除是有可能诱发突出，要综合考虑现场。德国煤矿成功打出直径95~140mm泄压钻孔，是工作面前5~10m范围内处于泄压状态。法国普罗旺斯煤矿采用该经德国的技术，以2~3m兼具想煤层打直径95mm、长20~25m的钻孔，观察到明显泄压效果，并在钻眼限定的空间内，有诱发了小突出。前苏联、匈牙利一直在实验水力冲孔技术，孔的

最大深度12m，冲出最大煤量为5t。在进行水力冲孔时要加强工作面及航道的支架，以护住煤体。

4.4上隅角瓦斯积聚治理

治理上隅角瓦斯积聚，国外主要采用压风引射器引排法、小型液压风机吹散发、钻孔及埋管抽方法等。进入上世纪90年代后各国井工开采呈现了一矿一井一面的集约化趋势，通风系统比较简单，但尽管瓦斯的平均抽放率已高，但回采工作面上隅角瓦斯积聚和超限问题却仍很突出。各国都广泛应用以无火花风机为核心的直接引排的技术。

波兰开发了具有阻燃、抗静电性能的工程朔料叶轮电动抽出式风机和铜铸叶轮气动抽出式风机。英国开发了软钢叶片，镶铍铜合金环、分岔道电动抽出式风机。前苏联开发了四种动力源（气动、电动、液压、水动力）的处理局部瓦斯积聚的风机，还开发了控制进入风筒的瓦斯浓度自动和检测装置，浓度不超过1.33%的瓦斯风流经过风筒引入回风顺槽稀释。南非开发了液压马达风机，风量250m3/min，有44kw液压泵站驱动。法国洛林矿区圣封彤煤矿（回采工作面相对瓦斯涌出量75m3/t）采用了28~48kw电动抽风机直接引排上隅角瓦斯，风量为300~600m3/min，瓦斯浓度控制在1.5%，最高为2%。德国和前苏联开发了承压8kpa以上的大直径无缝柔性风筒，以适应工作面长、送风距离长的要求。

4.5瓦斯煤尘爆炸防治

德国和美国通过对移动式隔爆棚进行研究来预防瓦斯煤尘爆炸。移动式隔爆棚在机械化快速掘进巷道中的优点十分突出。美国在莱克林恩实验矿进行了移动式隔爆棚的隔爆实验，实验证明能有效隔绝瓦斯煤尘吧爆炸传播。美国采用的是叠式，德国采用悬挂式。各国还进行研制自动抑爆技术，利用抑爆装置实时快速喷射抑爆剂来抑制迅猛的爆炸灾害。英国研制了以压缩空气推动活塞喷水的MKⅡ型抑爆装置，在180ms内将水扩散到巷道空间。德国研制了利用储压原理的BVS型抑爆装置，形成粉雾时间小于100ms；比利时研制的爆破撒播水雾喷洒器的水雾形成时间小于150ms；美国研制了以爆破抛洒为原理的Cardox型抑爆装置，形成粉雾时间为180~490ms；前苏联研制了实时产气式BПy型抑爆装置，形成粉雾时间为100ms。

4.6瓦斯检测系统

为了避免瓦斯事故，各国都开始研究矿井瓦斯监测系统。当瓦斯检测系统监测到额阿斯超限并报警时，人员课安全撤离并采取安全措施。

英国的MINOS监测系统。MINOS监测系统是英国有代表性的先进监测系统，它能对矿井下环境进行连续监测，包括a 低浓度瓦斯：用BM1瓦斯检测器，测量范围0%—3%ch4；b 高浓度瓦斯：用BM2H瓦斯检测器，测量范围是0%—100%ch4;c 瓦斯抽放系统负压；d 风速：用BA2、BA4、BA5风速检测器，测量范围为0~2m/s、0~5m/s、0~10m/s；e 风压；f 厌恶及粉尘。

德国TF—200瓦斯检测系统。TF—200瓦斯检测系统是YF—4系统的更新产品，功能扩大，传输通道数有24个增加到52个。其技术特征：a 主要传感器：高浓度瓦斯、低浓度瓦斯、co、风速等传感器；b 中心站：系统容量为176哥模拟量，352个开关量；主要设备是计算机、打印机、记录仪、模拟盘。C 传输系统：传输方式为调频，52个信息通道；传输距离为10~24km；条换方式为v/f变换，f=5~15Hz；d 分站：容量为4、8、16个传感器组；供电方式为10~24V。

波兰CMM—20m瓦斯监测系统。适合小煤矿，可配接20个测点，采用循环方式检测各测点的参数，包括瓦斯浓度和风速。

美国SCADA检测系统。SCADA 系统为集中监测系统，有标准型和扩展性两种。

SCADA 系统指标如下表4.1：

项目 标准型 扩展性 分站数 测点总数 中心站内存 I/O接口 调制调解器 处理器 38 575 32k字节 4个串行 1200bit，半双工 LSI-11/12 76 1150 k字节 4个串行 1200bit，半双工 LSI-11/23 国外在不断完善突出跟踪预测基础上，进行研究了瓦斯突出动态预测技术和突出危险区域预测技术。俄罗斯建立了区域预测预报专家系统，将突出煤层划分为突出危险区和非突出危险区。波兰、日本、德国将声发射技术应用与工作面突出预测，达到了实用化程度。

5 国内技术概况

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。\"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，研制成功专门用于采空区埋管抽放用的菱镁土抽放管、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％；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，根据瓦斯地质、地应力、突出煤特征并结合物探技术，实现了对新水平、新采区、新区段的突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％，回采速度提高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。

在煤与瓦斯突出动态预测技术方面，分别研究出了基于动态瓦斯涌出规律、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分钟的吨煤瓦斯动态涌出量指标、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动态预

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，提出了临界值法与动态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，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随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。根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。

6 煤矿瓦斯防治技术的展望

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零星开展的，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、瓦斯煤尘爆炸动态预警技术等安全生产急需解决的难题的突破都需要理论支持。

二是我国瓦斯防治技术中一些技术关键尚未突破，影响了防治效果。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、作业场所的动态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、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：

6.1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。

6.2煤矿瓦斯防治技术研究和试验

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。

参考文献

【1】 张铁岗。矿井瓦斯综合治理技术。北京：煤炭工业出版社，2002

【2】 卢鉴章。煤矿灾害防治技术现状与发展。安全监管总局网站。发布时间：2007-9-20

【3】 周世宁，张铁岗，袁亮，孙茂远，等。煤矿瓦斯治理与利用总体方案《煤矿瓦斯治理与利用总体方案》编写小组。

2005