1、专题部分瓦斯管理的关键技术研究第一章 绪 论1.1 课题研究的目的意义煤炭是国民经济建设的动力能源，在我国能源结构中占 70%以上。至2006 年底，全国在册的大小煤矿共有 2.6 万个，均为瓦斯矿井，其中 50%以上属于高瓦斯矿井。煤矿由于受自然地质条件、井下开采条件、矿工技能条件、技术和装备条件的限制，一直存在着安全可靠程度差、安全事故频率高等问题。尤其是瓦斯，其危害更是严重：一是牺牲的人数多。据统计，20 世纪初，在辽宁抚顺煤矿和本溪煤矿分别发生了牺牲矿工 917 人、1549 人的特大瓦斯爆炸事故；1949 年之后，煤矿一次死亡百人以上的事故 95%都是瓦斯事故。19901999 年的
2、十年间，全国煤矿共发生 3 人以上死亡事故 4002 起，共死亡27495 人，其中，瓦斯事故 2767 起，共死亡 20625 人，占死亡人数的 75%。二是经济损失大。井下一旦发生瓦斯爆炸或者瓦斯突出，将产生高温、高压和大量有害气体，并形成破坏力很强的冲击波，产生负传导效应，不仅伤害矿工生命，而且严重地摧毁矿井巷道和设备，甚至还可能引起煤尘爆炸和井下火灾，从而扩大了灾害的损失程度。2005 年辽宁阜新矿务局孙家湾煤矿“2.14” 瓦斯爆炸事故的直接经济损失超过 8000 万元，2004 年陕西铜川矿务局陈家山煤矿“11.28”瓦斯爆炸事故后的一年之中井下正常生产秩序都没有得到恢复。三是社会
3、负面影响恶劣。一方面，每次瓦斯爆炸都会引起全社会的关注，更是给牺牲的矿工亲属带来沉重的精神打击，对煤炭事业健康发展以及矿区和谐社会环境建设都产生了不良的影响。另一方面，我国煤炭安全生产现状与世界一些发达国家或发展中国家相比差距很大。目前我国煤炭产量约占全球煤炭产量的1/3，而死亡人数约占全世界煤矿死亡人数的 4/5。我国煤矿百万吨死亡率（煤矿主要安全考核指标）是美国的 100 倍、俄罗斯的 10 倍、印度的 12 倍。因此，采矿专家范维唐等提出必须大力发展瓦斯治理科学技术，保障煤矿安全生产。瓦斯是无色、无味、无嗅、可以燃烧或爆炸、可以使人窒息死亡的气体，在成煤过程中形成，是煤炭的伴生物。在煤炭
4、开采过程中，瓦斯随煤体的采掘松动而涌出。a. 瓦斯涌出量预测技术。瓦斯是腐植型有机物在成煤过程中生成的，其含量与煤层埋藏深度、煤层与围岩的透气性等多种因素有关，因而难以准确预测。由于不能准确地预测工作面前方的瓦斯涌出量，因此不能及时采取预警和有针对性的防范措施，使得瓦斯管理工作具有较大的盲目性和风险性，增加了瓦斯控制的难度和发生事故的概率。黑龙江宝兴煤矿“11.1”瓦斯爆炸事故、安徽潘三煤矿“11.13”瓦斯爆炸事故、辽宁龙凤煤矿“5.28”瓦斯爆炸事故等都是由于没有准确预测瓦斯而酿成灾难。b. 瓦斯排放过程管理方法。根据科学实验，空气中瓦斯浓度达到5%16%时遇到明火即发生爆炸，瓦斯浓度达到
5、 57%时人员即因为窒息而死亡。据统计，瓦斯事故都是发生在瓦斯从煤体涌出到被安全排放至地面空气的管理过程之中。其中，96%的瓦斯爆炸事故发生在采煤或掘进工作面。因此，在瓦斯从煤体涌出后的排放过程中，如何采取管理措施使得瓦斯不能达到爆炸、燃烧或使人窒息所必须的浓度，又如何采取管理措施使得井下没有瓦斯爆炸必须的火源，从而避免灾难的发生，这是防止瓦斯危机的关键。c. 危机时的最优逃逸路径确定。煤矿井下的地质条件千变万化，矿工技能素质参差不齐，井下工作环境错综复杂，从井口到工作面绵延数十公里，如果万一瓦斯排放过程管理失效而发生事故，事故灾区的人员尽快撤离、逃逸则是防止事故负传导效应、减少灾害损失的唯一
6、选择。井下的巷道很多，如果逃逸路径选择不当，会使得一些矿工失去生存的机会，进而加重灾难的损失和家庭的悲剧。2004 年发生的陕西陈家山煤矿“12.28”瓦斯爆炸中有 127 名矿工（其中包括 43 名伤员）从灾区成功逃逸，而河南大平煤矿“10.22”瓦斯爆炸事故有 56 名矿工牺牲在逃逸的路途中。d. 矿工瓦斯管理技能的提升方法。根据对中国煤矿 19802000 年的统计，在瓦斯事故中，人为的诱发因素占 96.59%（故意违章占 44.89%、管理失误占 44.89%、缺陷设计占 6.90%），其原因是矿工的瓦斯管理技术和操作能力（煤矿称为管理“技能”，本文以下同）相对较低，违章操作、违章管理
7、现象比较严重，山西细水煤矿的“3.19”瓦斯爆炸事故、黑龙江新富煤矿“3.14”瓦斯爆炸事故等都是由于矿工违章而引发。我国煤矿有着庞大的 700 万人的矿工队伍，其文化程度相对较低，要提高他们的瓦斯管理技能只能通过不断培训、学习，而要提高培训和学习效果则必须开发和提升矿工的学习力，否则事倍功半。因此，提高矿工瓦斯管理技能能够减少事故发生，而开发和提升矿工的学习力则是提高他们瓦斯管理技能的关键环节。e.保障瓦斯安全的煤矿安全文化建设策略。安全文化能够同化矿工在瓦斯管理方面的安全思维、引导矿工在瓦斯管理方面的安全行为、保障煤矿瓦斯管理安全。但是，煤矿的安全发展战略十分模糊，安全与生产的战略关系长期
8、冲突，煤矿工人违章现象比较严重，煤矿的各类管理制度、各种操作规程得不到很好的执行。辽宁孙家湾“2.14”特大瓦斯爆炸事故后，专家调查组发现该矿安全制度、安全宣传、安全培训都很正常，但管理者重视生产任务的完成而轻视矿工安全，矿工对既有煤矿安全文化的认同程度很低，安全文化与安全战略相脱节。因此，必须建设与煤矿安全战略相一致的、能够得到矿工认同的、对瓦斯安全有保障作用的安全文化。原因，主要是一些现场管理环节比较薄弱。在这些薄弱的现场管理环节中，我国瓦斯管理专家周士宁、采矿专家宋振骐等以及国外采矿界 Panshin J C、Johnson R C 等学者认为煤矿最迫切需要研究和解决的关键管理技术问题主
9、要有上述专家观点以及煤矿瓦斯事故暴露的突出问题都证明了瓦斯预测、排放管理、最优逃逸路径确定、矿工瓦斯管理技能提升以及煤矿安全文化建设等是煤矿瓦斯管理中急需解决的关键技术。这五个关键管理技术是煤矿瓦斯管理系统中相互关联、相互支持的五个方面，其中，预测、排放管理、危机逃逸是瓦斯管理流程中相互连结的三个核心环节：瓦斯预测是瓦斯管理流程的第一步，是排放管理的基础，能使瓦斯排放管理更有针对性；排放管理是瓦斯管理流程的第二步，是瓦斯预测的目的，根据预测结果进行的排放管理具有更高的可靠性；危机逃逸是瓦斯管理流程的第三步，是瓦斯排放管理万一失效的补救措施，是应对危机发生的预案。而提升矿工瓦斯管理技能以及建设煤
10、矿的安全文化是上述预测、排放管理、危机逃逸等管理环节的支撑平台和环境保障。这五个关键管理技术的关联性如图 1.1 所示1.2 国内外研究概况1.2.1 瓦斯涌出量预测技术研究现状国内外传统的预测瓦斯涌出量的方法有两大类一类是建立在数理统计基础之上的矿山统计法。这种预测方法依据瓦斯涌出量随开采深度变化的统计规律，外推到预测的新采区。矿山统计法仅需要瓦斯涌出量的历史数据和对应的开采深度，因而操作简单、预测方便。但在使用矿山统计法时，要求待预测矿井的煤层开采技术条件与已采集历史数据的煤层开采技术条件相同或类似，如果待预测煤层的自然和技术条件不满足上述要求，则瓦斯涌出量预测值与实际值会严重偏离。另一类
11、是以煤层瓦斯含量为基本预测参数的瓦斯含量法。这种方法通过计算井下各涌出源的瓦斯涌出量，得到矿井或某一预测范围的涌出量预测值。目前这类预测方法有近十种，主要有前苏联李金法、德国温特尔法、英国采矿研究所法、重庆煤研所与阳泉矿务局科研所法、列表计算法等，它们之间的基本区别在于确定各涌出源瓦斯涌出率的数学模型不同。由于瓦斯含量计算法以待测煤层瓦斯含量作为预测的基础，因而待测煤层瓦斯含量测定值的可靠性和含量点的分布及密度影响着预测的准确度。近年来，国内外专家学者结合煤矿的实际情况，又探讨了许多新的瓦斯涌出量预测方法。付永水研究了适合于低瓦斯煤层工作面的瓦斯涌出量预测方法，该方法利用瓦斯地质数学模型法建立
12、的工作面瓦斯涌出量数学模型来预测未采区工作面瓦斯涌出量。曲方提出了基于煤壁瓦斯涌出初速度的综掘工作面瓦斯涌出量预测方法，该方法根据综合机械化掘进工作面（综掘工作面）具有采、装、运连续作业的特点和瓦斯涌出的特点，以此为基础建立了综掘工作面瓦斯涌出量预测模型。李曲将基因表达式程序设计方法应用于采煤工作面瓦斯涌出量预测中，建立了采煤工作面瓦斯涌出量的预测模型。夏红春提出了基于最小二乘法的矿井深部区域瓦斯涌出量预测方法，该方法运用最小二乘法建立了工作面开采深度与相对瓦斯涌出量之间的一元线性回归方程，利用此方程对深部区域的瓦斯涌出量进行预测。陈富勇将数值分析应用于矿井未开采区瓦斯涌出量预测中，用数值分析
13、对已有瓦斯涌出量和深度的离散数据进行拟合分析，可寻找到瓦斯涌出量和开采深度的近似函数，从而实现对未开采区瓦斯涌出量预测的目的。曾勇进行了矿井瓦斯涌出量预测的模糊分形神经网络研究，将模糊控制技术、分形理论中的时间序列分析方法与神经网络技术有机地结合起来，并运用于矿井瓦斯涌出量的预测中；通过对矿井瓦斯涌出量数据进行分形处理，根据结构分维值的大小并结合神经网络，自适应地调整模糊控制参数，最终建立矿井瓦斯涌出量的模糊分形神经网络预测模型，对矿井瓦斯涌出量做出预测。刘新喜提出了基于BP人工神经网络的矿井瓦斯涌出量预测方法，该方法应用BP人工神经网络模型和算法，建立了煤层群开采矿井瓦斯涌出量预测模型。目前
14、，这些瓦斯涌出量的预测方法都还存在预测精度有待进一步提高的问题，都还没有被煤矿推广应用。由于影响瓦斯生成含量和涌出量因素的复杂性，瓦斯涌出量与各影响因素之间、以及各种影响因素自身之间存在的非线性关系，迄今为止，仍然没有一种有效的方法能够准确预测瓦斯涌出量。1.2.2 瓦斯排放管理方法研究现状国内外对瓦斯从煤体涌出后排放到地面大气之中的过程管理都是采用综合防治技术，主要管理方法包括： a. 瓦斯检查员专职管理。国内外煤矿都设有专职瓦斯检查员（煤矿简称为“瓦斯员”），负责瓦斯的测量、检查工作。瓦斯员使用便携式瓦斯检查仪，按照规定时间、地点进行瓦斯监测，发现瓦斯异常及时报警或采取相关措施处置。瓦斯员
15、队伍归总工程师领导，对采煤、掘进等生产活动中的瓦斯情况进行监督，并建立了工作区域负责制、现场图表督察制、现场交接班制、班中汇报制等管理制度。专业人员技术熟练，处置经验丰富，但专业队伍人数有限，难以覆盖煤矿井下生产流程的全过程和每一个工作地点。同时，其他矿工没有管理瓦斯的责任，也没有相互之间监督安全行为的管理责任，造成了瓦斯管理责任缺失，因此，容易产生违章行为而诱发瓦斯事故。 b. 监控系统辅助管理。国内外煤矿都设立瓦斯监测装置对井下工作地点和主要巷道的瓦斯浓度进行自动监测，英国的 MINOS 监测系统、德国的 TF-200 监测系统、波兰的 CMM-20 系统、美国的 SCADA 监测系统、我
16、国自行研制的 KJ 型系列安全监测系统都在煤矿得到了有效地推广和应用，对及时发现瓦斯浓度超限起到了监督作用。但是，自动检测装置普遍存在灵敏度不稳定、经常发生误报等问题，有时瓦斯超限时，由于瓦斯自动监测装置可靠性差而不能按规定自动切断井下电源。1.2.3 最优逃逸路径确定方法研究现状 目前，煤矿在确定井下危机发生的逃逸路径时，都是遵循“逆新鲜风流逃逸”的原则（即“顶风逃逸”）。在制定逃逸预案时，都是采用“图上作业法”。具体办法是：工程技术人员在采矿平面图上标注危机发生时的逃逸路径，假定井下工作面发生瓦斯危机时，立即逆新鲜风流的方向，向井口安全地点逃逸。这是由于一旦发生瓦斯爆炸、燃烧、突出（大量瓦斯从煤体中瞬间喷出）等事故，回风流中瓦斯浓度会更高，所以必须逆风而逃。这种图上作业法操作简单、易于矿工掌握，但没有考虑逃逸路径的距离长短，容易造成因逃逸路径太长而意外伤亡。在逃逸路径的理论研究方面，煤矿安全专家王德明、王省身作了矿井火灾时期井巷可通行性及最佳救灾与避灾路线研究，提出避灾路线的选择与灾情
