国内煤矿瓦斯理论_实验及其应用技术研究现状

第29卷第2期2009年4月

山 西 化 工

SHANXICHEMICALINDUSTRY

Vo.l29 No.2

Apr.2009

综述与论坛

国内煤矿瓦斯理论、实验及其应用技术研究现状

王 建, 曹 雄

(中北大学化工与环境学院,山西 太原 030051)

摘要:从瓦斯的理论分析和实验研究、预防煤矿瓦斯灾害新技术的研究动向和煤矿瓦斯的灾害评价3个方面,介绍了国内煤矿瓦斯的研究现状,指出了研究方向。关键词:煤矿瓦斯;瓦斯爆炸;瓦斯治理

中图分类号:TD712 文献标识码:A 文章编号:1004 7050(2009)02 0039 04

煤矿瓦斯作为煤矿生产中的重大安全隐患,历来都受到国家、煤矿企业以及各级安全监察部门的高度

重视,因此对煤矿瓦斯进行研究具有重要的意义。

含量为基础的瓦斯含量法和瓦斯分源计算法。以数理统计为基础的矿山统计法分2步进行:第1步,采用追踪法收集整理历年的通风瓦斯报表资料;第2步,将统计资料输入计算机进行数据滤波整理,并计算出瓦斯梯度和预测深度的涌出量。瓦斯含量法和分源法都是把工作面的瓦斯涌出量分为本层涌出量和邻近层涌出量,分别作出各自的邻近层瓦斯涌出率曲线,进而预测回采、掘进、采区和全矿井的瓦斯涌出量。其不同之处在于,含量法依据煤层瓦斯含量和残余含量来计算,分源法则依据原始含量和涌出系数来计算;两者采用了不同的邻近层瓦斯涌出率方程。其共同点是两者对瓦斯含量资料的准确性要求都比较高。

瓦斯涌出量预测是煤矿安全生产中非常重要的课题之一,国内很多专家学者结合煤矿的实际情况,探讨了许多瓦斯涌出量预测方法。例如,莫亚林等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。此方法依据综合机械化掘进工作面具有采、装、运连续作业的特点和瓦斯涌出的特点,建立了综掘工作面瓦斯涌出量预测模型。李曲等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。袁东升等将三维灰趋势面分析法应用于瓦斯涌出量预测中。在矿井瓦斯涌出量的预测中,可以利用趋势面分析法,从矿井已采区瓦斯涌出量1 我国煤矿瓦斯事故现状

目前,我国重点煤矿的576处矿井中,高瓦斯矿井有277处,占48%,是世界上煤矿瓦斯超标较严重的国家之一。一旦发生瓦斯爆炸事故,将给人民安全造成很大威胁,使国家财产遭受巨大损失,环境也会遭到很大程度的污染。据数据统计,近年来,全国煤矿每年死亡人数为6000人左右,而煤矿瓦斯事故的死亡人数占到煤矿总死亡人数的1/3左右,在特大事故中有80%以上为瓦斯爆炸事故。因此,

[1]

煤矿瓦斯的研究及预防工作倍受各方关注。

2 煤矿瓦斯的理论分析和实验研究

2.1 理论分析

由于煤矿瓦斯涌出量的预测方法研究对实际生产非常有意义,所以国内对煤矿瓦斯的理论分析主要集中在瓦斯涌出量的预测方面。

瓦斯涌出量预测的传统方法大体可归纳为3类

[2]

,即以数理统计为基础的矿山统计法、以瓦斯

收稿日期:2008 11 06

作者简介:王 建,男,1983年出生,中北大学在读硕士研究生,从事

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空间分布规律。付永水通过瓦斯地质规律研究得到了有关瓦斯涌出量的变化规律和主要影响因素,并在此基础上根据矿井已采区域的瓦斯涌出量实测数据和相关地质资料,建立了预测瓦斯涌出量的多变量数学模型。该模型可对矿井未采区域的瓦斯涌出量进行预测,适合于低瓦斯煤层工作面的瓦斯涌出量预测。夏红春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。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,建立了煤层群开采矿井瓦斯涌出量预测模型。人工神经网络以其高度的非线性映射、自组织结构,将影响矿井瓦斯涌出量的诸因素视为输入节点,并通过一定方式连接,对网络进行学习与联想记忆,从而实现矿井瓦斯涌出量预测。莫亚林提出了灰色系统理论瓦斯预测方法,建立了不同深度及掘进过程中的瓦斯预测(GM)模型,对煤矿采掘工作面的瓦斯涌出变化进行了分析。经检验对比,灰色预测精度高于传统预测方法。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的预测。

此外,国内研究机构和学者还对煤矿瓦斯其他方面的理论进行了研究分析(例如,对煤与瓦斯突出机理的研究),中国科学院力学研究所从力学角度对突出过程做了大量的研究工作,提出了突出破坏过程及瓦斯渗流的机制方程。同时,对煤矿巷道瓦斯爆轰理论分析和参数计算也进行了大量的研究。其中比较突出的是丁广骥应用C J爆轰理论及质量、动量和能量守恒定律,针对煤矿巷道瓦斯变绝热指数建立了雨贡纽方程和瑞利方程,在此基础上分析了煤矿巷道瓦斯爆炸的条件和可能过程,建立了煤矿巷道瓦斯C J爆轰参数计算公式,提出了激波点燃瓦斯混合气的条件和最小理论马赫数M的表达式,计算了煤矿巷道几种瓦斯浓度情况下爆压、爆温、爆速等爆轰参数和相应的点燃瓦斯混合气的最小理论马赫数M2.2 实验研究

[3,4]

故勘测和阻隔爆设备设计有一定的参考意义。曲明志对掘进巷道的瓦斯爆炸冲击波作用和传播规律也

给出了计算方法和理论模型,并予以实验验证,对掘进巷道的瓦斯爆炸研究进行了良好的补充。林柏泉对瓦斯爆炸动力学特征参数的测定及障碍物对爆炸波的影响有一定的研究,该研究可为瓦斯爆炸救灾决策提供理论上的支持。

随着大量国外数值模拟软件(Fluent、AutoRea Gas及FLACS等)的引进,煤矿瓦斯的数值模拟已经成为必不可少的实验方法之一。司荣军、王春秋以连续相、燃烧、颗粒相数理方程建立了瓦斯煤尘爆炸传播数理模型,并应用连续相、颗粒相计算方法,依据大型巷道瓦斯爆炸、瓦斯煤尘爆炸传播实验数据,借助普遍应用的流场模拟平台,开发了瓦斯、煤尘爆炸数值仿真系统。该系统可以有效地模拟煤矿瓦斯、煤尘的爆炸事故过程,而且对瓦斯爆炸的爆燃转爆轰、煤尘是否参与爆炸、爆炸冲击传播速度、衰减规律以及爆炸灾害的波及范围都能进行较准确的模拟。高尔新、白春华等基于AutoReaGas软件中所给出的均相湍流流时均方程组和k 湍流模型等对瓦斯爆炸过程进行了数值模拟,揭示了煤矿内瓦斯燃爆、爆轰的发生、发展和演化过程,火焰加速机理和燃烧加速过程中流场各参数的变化规律等。居宁江、吴文权则通过建立瓦斯爆炸流场的数学模型,运用TVD格式的有限差分法,模拟了瓦斯爆炸冲击波峰值超压沿井巷的衰减规律,着重反映了冲击波二次反冲过程,其结果对于实际防爆工程设计具有指导意义。

3 煤矿瓦斯灾害预防新技术

目前,预防煤矿瓦斯灾害技术的研究已经从局部性的单项技术发展为区域性、以建设本质安全矿井为目的的综合技术,包括瓦斯灾害易发区域的预测技术、高效瓦斯抽采及抽采效果评价技术、瓦斯灾害监测预警技术等。3.1 瓦斯灾害易发区域预测技术

瓦斯灾害与地质构造有密切关系,地质构造复杂的区域通常属于瓦斯灾害易发区域。此外,瓦斯灾害易发区通常赋存着较高的瓦斯含量。因此,预测高瓦斯含量区域也是预测瓦斯灾害易发区的有效手段。3.1.1 地质雷达超前探测地质构造技术

地质雷达是利用无线电反射原理超前探测地质构造的一种有效手段。最新研制出的适合煤矿环境,[5]

。

对于煤矿瓦斯的实验研究主要基于可燃气体爆炸理论,对瓦斯爆炸进行相关的实验模拟,以期得出瓦斯爆炸的机理、特征、传播规律和影响因素等。徐景德、周心权等对矿井瓦斯爆炸传播规律和爆炸特,

2009年4月 王 建等,国内煤矿瓦斯理论、实验及其应用技术研究现状

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作面20m~30m深处煤岩内的隐伏小型构造等地质异常体。该技术通过在西山、淮南、松藻等矿区进行试验,取得了好的效果。3.1.2 P S波长距离构造探测技术

P S波长距离超前构造探测主要检测地震波中反射回来的P波和S波,并分析预报地质构造,能方便快捷地预报采掘工作面100m~150m深处煤岩内的地质异常情况。

3.1.3 煤层瓦斯含量直接测定技术

向煤层施工取芯钻孔,将煤芯从煤层深部取出并及时放入煤样筒中密封;测量煤芯的瓦斯解吸速度及解吸量,计算瓦斯损失量;测量从煤样筒中释放出的瓦斯量,与井下测量的瓦斯解吸量一起计算煤芯瓦斯解吸量;将煤样筒中的部分煤样装入密封的粉碎系统,测量在常压下粉碎过程及粉碎后一段时间所解吸出的瓦斯量,计算粉碎瓦斯解吸量,据此计算出可能瓦斯含量;再根据试验测定煤层残余瓦斯含量,最终求出煤层瓦斯含量。目前,试验取样钻孔深度达到50m。利用这种方法能够大面积测定煤层瓦斯含量,了解各区域的煤层瓦斯含量分布状况,

[6]

以此为基础便可有效地预测瓦斯灾害易发区。3.2 高效瓦斯抽采技术3.2.1 地面钻孔抽采

瓦斯抽采是预防瓦斯灾害最根本的手段。对淮南矿区地面钻井抽采采动卸压区煤层或采空区瓦斯技术进行的试验研究表明,钻孔在正常工作期间,瓦斯抽放量和瓦斯浓度均较高,平均流量为15m/min,瓦斯平均体积分数为80%,抽放效果较好。当工作面推过钻孔4m~100m时,钻孔瓦斯流量和浓度都增到最大值。

3.2.2 井下顺煤层枝状长钻孔预抽煤层瓦斯技术

使用澳大利亚VLD 1000定向千米钻机,对不同深度钻孔的抽采效果进行了现场试验和考察,发现随着钻孔深度的增加,钻孔的累计抽采总量也相应增加。说明增加钻孔长度对提高抽采效果是可行的。在煤矿井下实施千米钻孔后,既可大幅度减少抽采巷道工程量,又能实现大面积预抽。对相同深度钻孔抽采量与抽采时间进行比较表明,钻孔的合理抽采时间以1a~2a为宜。3.3 瓦斯灾害监测技术

瓦斯灾害监测是及时发现瓦斯灾害隐患的关键手段,主要包括传感器技术和监控网络系统两部分。3.3.1 红外瓦斯传感器技术

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波长红外光吸收性能与瓦斯浓度之间存在的关系,通过测定特定波长红外光被吸收的程度反映瓦斯浓

度值的原理进行工作。测试结果表明,红外瓦斯传感器对于甲烷的测量范围为0%~100%。3.3.2 宽带监控系统

KJ90分布式网络化煤矿综合监控系统主干传输平台采用了基于IP的工业以太网通信技术,将地面以太网技术直接延伸至煤矿井下环境,为矿井构筑了先进、可靠、标准、高速、宽带、双向的综合信息传输平台,使矿山安全和综合自动化系统的各种监控设备、自动化过程控制设备、语音通讯设备、图像监控设备等都以IP方式接入,并与煤矿企业的因特网整体架构实现无缝连接。3.4 瓦斯灾害预警技术

瓦斯灾害预警技术通过建立大量的信息数据库和监控系统监测各相关影响因素的变化,利用试验研究得到的相关模型,实现对瓦斯灾害预警,并提出合理的消除瓦斯灾害隐患的建议,提升矿井安全生产的管理水平。

预警系统基于ARCInfor三维地理信息系统平台进行开发,使过程和结果具有直观性。预警系统主要具备以下功能:瓦斯赋存分析与预测,区域煤与瓦斯突出危险性预测,采掘工作面煤与瓦斯突出危险性预测,瓦斯变化实时监控与预测,瓦斯爆炸危险性预测及系统管理,矿图维护与输入输出。

4 煤矿瓦斯的灾害评价

4.1 瓦斯煤尘爆炸危险性预测评价技术

瓦斯爆炸一直是困扰煤矿安全生产的重大灾害之一。近年来,我国在煤尘着火机理及瓦斯煤尘爆炸机理研究方面,建立了粉尘云着火及燃烧过程简化模型,得出了粉尘空气混合物点火过程中慢速导热燃料模式到快速辐射燃烧模式的转变具有爆炸特征、试验系统中点火诱导期与高温固体颗粒燃料产物的质量分数和燃烧阵面中的热辐射有关、在爆炸极限范围内颗粒相浓度与颗粒点立温度越低火焰加速效果越明显、辐射热损失可能导致燃烧区域的重构、粉尘空气混合物火焰稳态结构发生明显变化等重要结论。通过研究还得出了瓦斯煤尘共存条件下煤尘云着火特征参数计算方法,揭示了瓦斯爆炸过程中爆炸波和火焰的变化特征。

在取得上述成果的基础上,建立了矿井瓦斯煤尘爆炸危险性评价模型,用事故树方法分析了掘进、

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可能发生事故的模式和避免爆炸事故发生所要采取的措施,确立了矿井采煤工作面、掘进工作面瓦斯煤尘爆炸危险性预测评价指标体系,并将指标分为爆炸易发性指标和爆炸后果严重性指标。前者包括自然因素、技术因素、管理因素和经济因素,后者包括煤尘爆炸指数、沉积煤状况、隔抑爆方式、隔抑爆用水量、井下作业人员、以往事故损失及矿山救护能力等。开发出了瓦斯煤尘爆炸危险性预测评价技术和专家系统软件,并建立了瓦斯煤尘爆炸的危险性评价和防治专家系统。

进行瓦斯煤尘爆炸危险性预测评价,不仅可以减少和控制生产过程中的危险源,降低事故发生风险,提高本质安全程度和保障安全生产,而且还可以为企业建立职业安全健康管理体系奠定良好的基础和提供科学依据。

4.2 矿井通风系统安全可靠性评价与决策技术矿井通风是保障煤矿安全生产的关键性环节,合理的通风是防止瓦斯积聚、抑制煤炭自燃和火灾蔓延扩大的重要手段。通风系统布置不合理或管理不当,是导致瓦斯积聚和自燃发火及造成瓦斯、火灾事故进一步扩大的主要原因。集约化生产的大型矿井实行一矿一面已成趋势,这就要求通风系统具有更强的稳定性、可靠性和合理性以及较强的抗灾能力。我国开展了矿井通风系统安全可靠性评价和决策技术的研究,建立了基于评价指标体系和网络仿真技术的两种矿井通风系统可靠性评价理论体系、评价方法和数学模型,开发了智能化、可视化通风系统可靠性评价和决策支持系统软件。

在灾变风流动态模拟及虚拟现实技术方面,研究并完善了一维动态模拟技术,开发了矿井灾害风流流动模拟的GIS显示系统,实现了矿井灾变动态模拟结果在矿井通风系统图各巷道通风参数的动态显示,提高了模拟结果与各巷道的对应性,减少了矿井灾害防治及救灾决策中应用灾变状态各参数的失误率,提高了决策效率。研究出了矿井火灾区域内烟流流动的三维数值模拟和矿井巷道中火灾烟流流动的虚拟现实技术。在通风系统自动调控方面,研

究成功了井下自动控制风门及远程控制技术,研制出了带有卸压窗和撞杆自动开启装置的远程自控风门,实现了井下人、车信号分离,采用控制命令分级管理的方法,彻底贯彻了 生产服从救灾,行人服从行车!的风门管理理念,有效地提高了通风系统的稳定性和安全可靠性。

作为配套技术研究,将矿井通风系统安全可靠性评价和决策技术、矿井灾变风流动态模拟及虚拟现实技术、井下风门远程控制技术等有机整合成一体,开发了软件平台,初步实现了矿井通风系统从监测、分析、决策到控制等各环节的闭环运行。

5 结束语

几十年来,我国在煤矿瓦斯方面的研究取得了可喜的成绩,国家和各部门也给予了一定的重视。2005年底,煤矿瓦斯治理国家工程研究中心在淮南矿业集团成立,开始对煤矿瓦斯灾害治理和利用技术的科研攻关和工程化、系统化研究,并逐步形成具有自主知识产权的矿井瓦斯灾害监测、监控技术体系,这对提高煤矿生产安全保障能力、实现煤炭工业健康可持续发展,具有十分重要的意义。随着煤矿产业的不断发展、生产能力的提高以及采深的增大,对煤矿瓦斯方面的研究提出了更高的要求,因此进一步强化煤矿瓦斯研究工作势在必行。

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Theory,experimentandapplicationtechniqueofdomesticcoalgas

WANGJian,CAOXiong

(CollegeofChemicalEngineeringandEnviroment,NorthUniversityofChina,TaiyuanShanxi030051,China)Abstract:Threemainsubjectsaboutresearchesofthecoalminegasareintroduced:thetheoreticalanalysisandexperimentalresearchongas,thenewtechnologiesofcoalminegasdisasterpreventionandtheevaluationofcoalminegasdisaster.Theresearchdirectionisalsoputforward.Keywords:coalmineas;gaslosion;gasent

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