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煤矿煤岩瓦斯动力灾害预防理论与技术进展1 摘 要煤矿煤岩瓦斯动力灾害包括煤与瓦斯突出、瓦斯（煤尘）爆炸、冲击矿压和大面积 冒顶等，严重威胁着煤矿安全高效生产和矿山工作人员的生命安全。煤矿煤岩瓦斯动力灾害 还没有得到有效预防，急需在理论和技术方面进行研究。叙述了作者在本领域的主要工作。 在应用基础研究方面，开发了煤样高压瓦斯等温吸附装置，设计了进行含瓦斯煤体CT 动态 加载实验装置，进行了加载过程中煤体裂隙扩展的CT 动态探测；研究了煤岩变形破裂过程 的电磁辐射规律，研制了煤岩动力灾害非接触电磁辐射监测预警技术及装备；实验研究多孔 吸波吸能材料抑爆，提出瓦斯多次爆炸和连续爆炸的阻隔爆技术；研制了利用前混合式磨料 水射流进行工作面安全强制放顶和防止上隅角瓦斯积聚的技术及装备；研制了高压脉动注水 防治煤与瓦斯突出的技术及装备。通过上述理论、技术及装备研究可以为煤矿瓦斯和煤岩动 力灾害预防提供基础。 关键词矿井；CT 技术；煤岩动力灾害；煤与瓦斯突出；预防 中图分类号TD713 文献标识码A 1 本课题得到国家自然科学基金50427401, 50874110 、国家重点基础研究发展计划973 计划 2005cb221502、国家“十一五”科技支撑计划2006BAK03B0303、教育部新世纪优秀人才支持计划 NCET-07-0799、北京市科技新星计划2006A081、霍英东高等院校青年教师基金111053和教育部科学技 术重点项目108135的资助。 0 引 言 煤矿是我国的主要能源。据统计，2008 年煤炭产量27.93 亿t，在我国一次性能源结 构中占76.6，在一次能源消费量中占 68.6。我国煤炭主要是井工开采，由于地 质条件复杂，作业场所移动，灾害十分严重， 瓦斯灾害和顶板灾害是造成人员伤亡最多 的灾害，严重制约着矿山生产、安全和经济 效益的提高，威胁着矿井工作人员的人身安 全。近年来，矿井开采深度和强度逐年增加， 据统计，截止2008 年底，全国年产120 万t 以上469 座，产能14.23 亿t，已建成千万t 以上的煤矿24 座，产能达3.3 亿t，规划在 建千万t 以上矿井25 座，产能达3.2 亿t； 大中型煤矿平均开采深度456 m，井深超过 1 000 m 的煤矿有近十座，每年以812 m/a 的速度增长，东部部分矿井以1025 m/a 的 速度增长，因此煤岩瓦斯动力灾害愈发严 重。预测和防治煤岩瓦斯动力灾害是矿山最 主要的安全工作，利用交叉学科理论，从应 用基础理论、技术和设备开发等方面研究有 效可靠的煤岩瓦斯动力灾害预防技术具有 重要的理论和现实意义。 1 煤岩瓦斯动力灾害预防应用 基础研究 1.1 煤样瓦斯吸附常数测定实验系统 及测试方法 瓦斯基本参数和赋存规律测定是掌握 煤矿瓦斯灾害源的基本手段，只有了解了瓦 斯概况，才能够有针对性地开展瓦斯防治工 作。瓦斯基本参数包括煤层瓦斯压力、瓦斯 含量、钻孔自然瓦斯涌出量、百米钻孔瓦斯 涌出衰减系数、煤层透气性系数、煤的工业 -2- 分析、瓦斯吸附常数、煤的孔隙率等。瓦斯 压力测定的关键是封孔技术，最好的技术方 法是胶囊－液压封孔方法，使用中国矿业大 学研制的M-Ⅱ型瓦斯压力测定仪；瓦斯吸 附参数测定是影响瓦斯含量准确性的主要 参数，在对国内外吸附常数测定设备进行调 研的基础上，研制了高压瓦斯等温吸附装置 （图1），大大提高了测定的可靠性和准确 性。要掌握煤层瓦斯赋存规律，最重要的是 需要现场布置足够的测点，煤层赋存越复 杂，需要测定的区域就越多。煤层瓦斯其他 参数测定技术非常成熟，详见其他资料。 图1 煤样高压瓦斯等温吸附装置 Fig. 1 Isotherm adsorption equipment 1.2 含瓦斯煤体动态破坏细观CT 探 测实验 含瓦斯煤体的力学性质是研究煤与瓦 斯突出机理的基础，尤其是对其内部的损伤 及动态破坏过程研究十分重要。中国矿业大 学（ 北京） 购置了美国制造的ACTIS 300-320/225 CT 实验系统，其实物图见图2， 其主要技术参数如下1 空间分辨率（标 准320 KV X 射线系统，微焦点225 KV X 射线系统）为最大300 mm 直径被测件 225 μm；最大150 mm 直径被测件175 μm； 最大100 mm 直径被测件35 μm；最大75 mm 直径被测件150 μm；最大50 mm 直径 被测件30 μm；最大25 mm 直径被测件 15 μm；最大8 mm 直径被测件5 μm。2 CT 密度分辨率与尺寸有关，在直径10 mm 的区域中，可达0.2％分辨率。利用工业CT 技术可以探测到煤岩体内部的动态破坏过 程，但是如何实现在工业CT 实验系统上加 载和实时观测是关键技术难题，对此设计开 发了能够在CT 试验台上进行实时加载的装 置，CT 装置的X 射线能够透射进去并成像， 该套装置可以对尺寸为φ25 mm50 mm 和 25 mm25 mm50 mm 2 种形状的煤岩样进 行远程加载，并能够测试煤样的轴向应变， 还能够对瓦斯在煤体中的吸附引起的煤体 变形进行细观观测[1]。图3 是对某矿煤样实 时加载测试得到的部分结果。从中可以看出 煤样加载过程中的裂纹扩展就孔隙裂隙变 化情况，更详细的动态破坏规律还需要借助 图像处理技术来进行深入分析。 图2 CT 实验系统实物图 Fig. 2 Photo of CT experimental system -3- 没有加载 3.67 MPa 9.52 MPa 15.70 MPa 21.87 MPa 24.06 MPa 30.23 MPa 破坏后 图3 不同应力阶段煤样中间截面CT 扫描图 Fig. 3 CT scanning images of middle section in coal sample under different stress 2 煤岩破坏电磁辐射规律及非 接触电磁辐射监测预警技术 煤岩电磁辐射是煤岩体受载变形破裂 过程中向外辐射电磁能量的一种现象，与煤 岩体的变形破裂过程密切相关[2-4]。煤岩破 坏电磁辐射特征是非接触预测的基础，对受 载煤体电磁辐射的特性进行了大量的研究， 结果证明，受载煤岩体能够产生电磁辐射， 电磁辐射能够反映煤岩体的变形破裂过程， 煤岩变形破裂过程中的电磁辐射是频谱很 宽的脉冲信号，而且电磁辐射的频谱随着载 荷及变形破裂强度的增加而增高；瓦斯、加 载速率等对电磁辐射有较大影响；单轴受载 煤岩体的电磁辐射具有记忆效应。电磁辐射 信息综合反映了冲击矿压、煤与瓦斯突出等 煤岩灾害动力现象的主要影响因素。 根据上述研究成果提出了电磁辐射法 预测煤与瓦斯突出和冲击地压的技术方法， 研制开发了便携式KBD5（图4）和在线式 KBD7（图5）（可与KJ 系列煤矿安全监测 系统联网运行）矿用本安型电磁辐射监测系 统，监测指标是电磁辐射强度和脉冲数，强 度主要反映了煤岩体的受载程度及变形破 裂强度，脉冲数主要反映了煤岩体变形及微 破裂的频次，采用临界值和动态趋势2 种方 法预警。电磁辐射监测预警方法实现了真正 的非接触，无需打钻，可实现定向接收，受 监测区域外围环境和人为干扰较小，大大提 高了预测的准确率和可靠性。 图4 KBD5 便携式电磁辐射监测仪 Fig. 4 Portable EME monitor of type KBD5 图5 KBD7 在线式电磁辐射监测仪 Fig. 5 Networking EME monitor of type KBD7 该技术是在多项国家自然科学基金、国 家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重 点项目、国家“九五”、“十五”科技攻关计划 等项目的资助下完成的，并获得了国家发明 -4- 专利和实用新型专利。该技术及装备已在淮 南、焦作、平顶山、邢台、徐州、新汶、大 屯、沈阳、义马、兖州、皖北、晋城等二十 多个矿区和重庆朝天门隧道进行了推广应 用，较大幅度地提高了矿山煤岩动力灾害预 测、顶板相对应力状态分布及稳定性监测的 准确性和可靠性，提高了生产效率，取得了 显著的社会效益和经济效益。曾获得“国家 科技重点推广产品项目”，该项目相关内容 曾获得国家科技进步二等奖1 项，省部级一、 二等奖5 项。 3 多孔材料对瓦斯爆炸影响特 征及瓦斯多次爆炸阻隔爆技术 长期以来瓦斯煤尘爆炸事故在重特大 事故中所占比例居高不下，据统计，建国以 来我国煤矿共发生一次死亡人数在100以上 的特大事故23 起，其中21 起属于瓦斯（煤 尘爆炸）事故，尤其是近几年重特大瓦斯煤 尘爆炸事故频繁发生，已成为制约煤炭安全 生产的瓶颈，给煤矿安全生产带来了极大的 威胁。井下一次爆炸后经常会伴随连续爆炸 与多次爆炸，大大增加了爆炸带来的伤害， 同时严重威胁救护与抢险人员的生命安全。 目前我国井下抑爆措施是针对一次性爆炸 的，研究能够抑制多次爆炸的新技术是急需 解决的难题。在进行瓦斯爆炸火焰和冲击波 传播规律研究基础上，进一步提出了利用多 孔吸波吸能材料进行抑爆的新方法。实验选 用的多孔泡沫陶瓷见图6，分别是高铝质 Al2O3和碳化硅SiC 2 种不同材质的泡沫 陶瓷产品，实验结果[5]见图7、图8，可以看 出多孔泡沫陶瓷可以削弱和抑制瓦斯爆炸 火焰和冲击波。 图6 Al2O3 和SiC 泡沫陶瓷 Fig. 6 Al2O3 and SiC foam ceramics 图7 Al2O3 陶瓷对瓦斯爆炸超压的影响 Fig. 7 Effect of Al2O3 ceramics on overpressure of gas explosion -5- 图8 SiC 陶瓷对瓦斯爆炸超压的影响 Fig. 8 Effect of SiC ceramics on overpressure of gas explosion 多孔吸波吸能材料抑爆技术可以应用 在瓦斯爆炸及火灾应急救援、瓦斯多次爆炸 抑制、低浓度瓦斯长距离管道安全输运等环 节。在瓦斯爆炸救援过程中，把多孔材料快 速拼接安装实现对火区和爆炸区域的快速 封闭，从而提高救险人员的安全保障能力； 将多孔材料与关键通风设施结合，设置成固 定装置，如采区的主要风门及反向风门、通 往采空区的密闭等。提高这种复合结构承受 爆炸冲击破坏的能力，使巷道和通风设施在 爆炸过程中免遭严重损坏，从而尽量保证井 下巷道和通风系统的完整性，提高对连续或 多次爆炸的抗灾能力。在井下避难硐室采用 这种复合防护结构，可增强灾害发生时避难 硐室的安全性，保证人员的生存机会。或在 已有的阻隔爆措施基础上使用多孔抑爆材 料，抑爆效果会更好。瓦斯抽放过程中被抽 取的低浓度瓦斯在管道内输运，经常因管道 出口外部火源和运输管道中的静电、摩擦冲 击等因素而诱发瓦斯燃烧爆炸事故，导致抽 放系统的严重损坏。利用通透性好的多孔吸 波吸能材料，可以防止该类爆炸或爆燃事故 的扩大。 4 工作面安全强制放顶和防止 上隅角瓦斯积聚技术 在矿井生产过程中，放顶是一项必不可 少的技术工艺。由于煤质坚硬，我国很多煤 矿存在顶煤和顶板难放的问题。工作面经常 会遇到顶煤和顶板无法及时放下、大块煤 （矸）卡住放煤口和转载机头的情况。爆破 放顶方法解决此问题效果较好，但是放炮过 程容易产生火花，引起瓦斯爆炸，尤其是在 高瓦斯矿井和放顶煤工作面。煤矿安全规 程规定“采用放顶煤开采时，必须遵守下 列规定（三）采用预裂爆破对坚硬顶 板或者坚硬顶煤进行弱化处理时，应在工作 面未采动区进行，并制定专门的安全技术措 施。严禁在工作面内采用炸药爆破方法处理 顶煤、顶板及卡在放煤口的大块煤 （矸）。”。而目前现有的技术方法还 不能在工作面出现此类情况时安全有效地 处理此问题。 在进行大量实验室研究基础上，提出了 利用前混合式磨料水射流切割顶煤、顶板或 者锚杆锁具的技术方法，并研制了轻便式液 压做动力矿用装备[6-7]（图9），并申请了发 明专利。该装备能够实现在较低水压下对锁 具的成功切割，诱导上隅角顶板随采煤面推 进自行垮落，大大减小上隅角至采空区的空 间，防止瓦斯的积聚。 5 高压脉动注水防治煤岩动力 灾害技术 我国煤矿由于粉尘引起的灾害主要有 瓦斯煤尘爆炸和由煤尘引起的矿山工作人 员的尘肺、矽肺职业病。近年来，瓦斯爆炸 频繁发生，而且大部分的爆炸事故都有煤尘 -6- 参与，煤尘使得爆炸的破坏力增加，造成的 损失加大；煤炭行业有尘肺患者40 多万人， 且每年以8 000 人的速度递增，每年因矽肺 病死亡2 500 人左右。从20 世纪50 年代起， 我国一直将煤层注水作为防突、防冲和防尘 的主要技术措施，现场实施煤层注水一般为 静压注水。近年来，利用注水泵进行动压注 水显示了较好的应用前景。动压注水目前在 煤矿现场利用的比较多，一般水压力基本不 变。 高压脉动注水从以下4 方面降低煤层的 突出危险性1 对煤层的物理力学性质改 变作用具有压裂作用，通过高压压裂可以 使裂隙不断贯通、扩大，扩大润湿半径，并 产生“膨胀－收缩－膨胀”的反复作用，最大 范围地改变煤层的物理力学性质；2 对瓦 斯的驱替作用通过脉动高压注水最大限度 地使水渗入到不同孔径的裂隙、孔隙中，最 大限度地增加煤体的润湿性，会将不同孔内 的瓦斯气体驱替出来；3 改变地应力的分 布规律高压注水可以使得工作面前方应力 通过水压的传递作用变得更加均匀，从而降 低由于应力不均匀分布造成的煤层突出的 危险性。最终多种作用使煤层突出危险性减 低或消除，同时使得煤层水分提高，减少开 采过程中的煤尘。因此，利用脉冲式高压注 水是煤层注水的发展趋势和方向。在国家 “十一五”科技支撑计划项目资助下，对此进 行了深入研究，并开发了相关技术及装备， 见图10。其主要技术特点有1 利用矿井 压风做动力，实现本质安全型，适用于煤矿 使用；2 脉动频率可调，频率调节范围 115 次/min，适用范围广；3 脉动高低压 可调，低压调节范围15 MPa、高压调节范 围1025 MPa；4 高压脉动注水设备具有 节能、快捷的特点，可以同时对2 组孔进行 脉动注水，一组孔为低压时，另一组为高压， 最大限度地利用能量，提高设备效率；5 高 压脉动注水设备可以实现远程操作控制，保 证注水时操作人员的安全。 图9 便携式磨料水射流切割系统 Fig. 9 Portable AWJ cutting system 图10 高压脉动注水设备图 Fig. 10 High pressure pulsed infusion system 6 结 语 近年来通过对煤矿煤岩瓦斯动力灾害 的研究，取得了一些进展。研制了高压瓦斯 等温吸附装置，为测定煤层瓦斯吸附常数奠 定了基础；设计加工了能够在CT 试验台上 进行实时加载的装置，开展了CT 实时观测 煤样破坏过程的实验；进行了煤岩破坏过程 的电磁辐射规律实验研究，研制了非接触电 磁辐射监测预警技术及装备，可以对煤与瓦 斯突出、冲击矿压等煤岩动力灾害进行有效 预警；实验室进行了多孔吸波吸能材料抑爆 的实验，提出了瓦斯多次爆炸和连续爆炸的 阻隔爆技术；研制了利用前混合式磨料水射 流进行工作面安全强制放顶和防止上隅角 瓦斯积聚的技术及装备；研制了高压脉动注 水防治煤岩动力灾害的技术及装备。随着上 述技术及装备的不断推广应用，可以为煤矿 煤岩瓦斯动力灾害预防奠定良好基础。 -7- 参考文献 [1] 聂百胜，刘水文，李祥春，等. 利用CT 技术 探测煤体瓦斯吸附特性初步研究 *[C]//王家臣，傅贵. 采矿与安全科学技术研究论文集. 北京煤炭工业 出版社，2009. 276-282. Nie Baisheng, Liu Shuiwen, Li Xiangchun, et al. Initial Studies on Detection of Gas Absorption Properties in Coal Body by CT Technique [C]//WANG Jiachen, Fu gui. Colloquium on Mining and Safety Science and Technology Research. Beijing Coal Industry Press, 2009. 276-282. in Chinese [2] 聂百胜. 含瓦斯煤岩力电效应及机理的研究 [D]. 徐州中国矿业大学, 2001. Nie Baisheng. Research on the Stress-Electric Effect of Coal or Rock Containing gases and Its Mechanism [D]. Xuzhou China University of Mining and Technology, 2001. in Chinese [3] 聂百胜. 煤岩电磁效应规律及其应用研究[R]. 北京中国矿业大学（北京）, 2003. Nie Baisheng. Research on the Electromagnetic Effect Rule of Coal or Rock and Its Application [R]. Beijing China University of Mining and Technology Beijing, 2003. in Chinese [4] 何学秋，王恩元，聂百胜，等. 煤岩流变电磁 动力学[M]. 北京科学出版社，2003. He Xueqiu, Wang Enyuan, Nie Baisheng, et al. Electromagnetic Dynamics of Coal or Rock Rheology [M]. Beij high-pressure gas isothermal adsorption device for coal samples was developed and dynamic loading apparatus for coal containing gases was manufactured and cracks propagation in loaded coal samples was measured with real-time computerized tomography CT technology. The rules of electromagnetic emission EME during the deation and fracture process of coal or rock was studied, and the non-contact EME technology and equipment for forecasting dynamic disasters in coal were developed. The experiments of gas explosion suppression by porous materials were carried out and technology of suppressing and isolating continuous and multiple gas explosions was put forward. The pre-mixed abrasive water jet AWJ cutting technology and equipment were developed and used for safe top-caving at the working face and preventing gas accumulation in the upper corner. In addition, the technology and equipment of high-pressure pulse water injection which can prevent coal and gas outburst were developed. These researches provide foundations for preventing coal-gas dynamic disasters in coal mines. Keywords mine; computerized tomography technology; coal dynamic disasters; coal and gas outburst; prevention