文献综述 煤矿矿井瓦斯防治综述

煤矿矿井瓦斯防治综述
摘要
随着中国煤矿开采深度的增加,煤与瓦斯突出矿井和突出煤层的数量不断增加。

这对我国煤炭企业安全生产形成了巨大威胁，同时也给煤炭研究工作者提出了更大的挑战。

当前，区域性、局部性瓦斯防突结合，以保护层开采及卸压瓦斯抽采技术和强化预抽煤层瓦斯技术为代表的区域性瓦斯治理技术,得到了长足发展。

同时，煤炭化工的探索、计算机技术的发展以及神经网络理论、模糊理论的兴起，也为催化氧化技术，数字化瓦斯预测及神经网络预测模型等新兴瓦斯综合治理技术提供了理论基础和实现可能。

本文概述了我国瓦斯防治的发展历程，发展现状和方向，以及当前瓦斯防突治理的相关新技术。

关键字：瓦斯防突；瓦斯抽采；神经网络；催化氧化
1.矿井瓦斯及瓦斯灾害处理的必要性
1.1矿井瓦斯
矿井瓦斯是煤矿生产过程中，从煤、岩内涌出的各种气体的总称。

煤矿术语中的瓦斯主要成分就是甲烷。

甲烷是一种无色无味无毒的气体；微溶于水。

标准状态时的密度为0.7163
kg，与空气的相对密度为0.554；其扩散速度是空气的
m
1.34倍，当巷道风速低、风流含有瓦斯时，容易在顶板附近想成瓦斯集聚层。

另外，甲烷具有强烈温室效应的气体,其温室效应为二氧化碳的21倍,对臭氧层的破CO的7倍。

[]21-
坏能力是
2
1.2瓦斯突出灾害处理的必要性
煤炭是中国的主要能源,约占一次能源的70%,同时中国也是世界上煤与瓦斯突出灾害最严重的国家。

据统计[]43-，从1950年吉林省辽源矿务局富国西二坑在垂深280 m煤巷掘进发生第一次有记载突出以来,到1995年底,国有重点煤矿中先后有138个矿井发生了10 815次煤与瓦斯突出,死亡1 266人。

在10 521次有突出煤量记录的煤与瓦斯突出中,共突出煤炭81.58万t,平均突出强度为77.5 t/次。

在有瓦斯量记录的4 675次煤与瓦斯突出中,共突出瓦斯量6 798.3万3
m,平均每次突出瓦斯量1.45万3m。

事故造成的人员伤亡和经济损失为企业和矿井的生产和效益带来了严重威胁。

2004年，全国大中型煤矿平均开采深度456 m。

平均采深华东约620 m，东北约530 m，西南约430 m，中南约420 m，华北约360 m，西北约280 m。

采深超过1 000 m的煤矿有8处，超过800 m的有15处。

采深大于600 m的矿井产量占28.47%。

全国煤矿开采以每年约10~20 m(最快近50 m)的速度向深部延深。

随着矿井开采深度的增加,传统的煤与瓦斯突出矿区，突出危险性更加严重。

一些过去煤与瓦斯突出不严重的矿区，突出灾害日趋严重，且发生了千吨级以上的特大型煤与瓦斯突出，如淮南、淮北、郑州、平顶山等矿区。

2.我国煤矿瓦斯治理技术的发展
2.1我国煤矿瓦斯治理技术的发展的3个阶段[]5:
2.1.1探索阶段：
20世纪50~80年代,主要摸清煤与瓦斯突出规律,引进消化和吸收国外煤与瓦斯突出防治技术和经验,研究适合中国特点的煤与瓦斯突出预测方法和突出防治工程方法。

2.1.2局部措施为主阶段：
20世纪80~90年代末,主要贯彻落实“四位一体”综合防突措施,以1988年《防治煤与瓦斯突出细则》出版和1995年的修订为代表,研究重点是煤与瓦斯突出危险性预测方法与预测指标,同时兼顾突出防治工程方法的深化研究。

2.1.3区域性治理与局部治理并重阶段：
自本世纪初开始,淮南矿业集团在长期瓦斯治理经验总结的基础上,提出了“可保尽保,应抽尽抽”的瓦斯治理战略。

长期理论研究和突出危险煤层的开采实践证明,开采保护层和预抽煤层瓦斯是有效地防治煤与瓦斯突出的区域性措施。

我国《煤矿安全规程》第一百九十二条规定:“对于有突出危险煤层,应采取开采保护层或预抽煤层瓦斯等区域性防治突出措施”。

第一百九十三条规定:“在突出矿井开采煤层群时,应优先选择开采保护层防治突出措施”。

第一百九十八条规定:“开采保护层时,应同时抽采被保护层瓦斯”。

2005年1月,国家安全生产监督管理局、国家煤矿安全监察局下发了《国有煤矿瓦斯治理规定》,第五条明确规定:“突出矿井必须首先开采保护层,不具备开采保护层条件的,必须对突出煤层进行预抽,并确保预抽时间和效果”。

由此可见,在现有技术条件下,采用区域性瓦斯治理措施对有效地防治煤与瓦斯突出,保障突出危险煤层的安全高效开采具有重要的现实意义。

3.瓦斯治理技术现状[]76-
3.1区域性瓦斯防突技术现状
当前我国区域性瓦斯防突措施主要有开采保护层大面积预抽煤层瓦斯两种。

3.1.1保护层开采及卸压瓦斯抽采技术
为消除邻近煤层的突出危险而先开采的煤层或岩层称为保护层；位于突出危险煤层上方的保护层称为上保护层，位于下方的称为下保护层。

由于保护层开采的采动作用并同时抽采卸压瓦斯，可使邻近的突出危险煤层的突出危险区域转变为无突出危险区，该突出危险煤层称为被保护层。

在中国保护层开采技术一般包括以下几个方面的内容:
1)保护层开采及瓦斯抽采规划;
2)保护层开采及瓦斯抽采;
3)被保护层卸压瓦斯的强化抽采;
4)被保护层保护效果及保护范围考察;
5)被保护层区域性消除突出危险性认证;
6)被保护层开采及瓦斯抽采.
3.1.2预抽煤层瓦斯技术
对于单一突出危险煤层,无保护层开采条件时,多采用强化预抽煤层瓦斯防止煤与瓦斯突出,同时降低煤层瓦斯含量。

3.2局部性防突措施[]1
局部防突措施包括预防和消突采掘工作面前方煤层突出危险措施。

主要有松动爆破，钻孔排放瓦斯，水力冲钻，金属骨架，超前钻孔，超前支架，泄压槽以及煤体固化。

3.2.1松动爆破
松动爆破是向掘进工作面前方应力集中区打若干个钻孔、装药爆破，使煤层裂隙增加，提高钻孔瓦斯抽采量，加快瓦斯的排出，从而在工作面前方造成较长的卸压带，以防止突出的发生。

主要使用于煤质较硬、围岩稳定的煤层开采中。

3.2.2钻孔排放瓦斯
石门和立井揭煤前，由岩巷或煤巷向其及其周围的煤层超前打钻，将煤层中的瓦斯经过钻孔自然排放出来后在进行采掘工作。

此法主要使用于厚煤层、倾角大、透气系数大和瓦斯压力高的煤层揭煤时。

[]21-
3.2.3水力冲钻
水力冲钻是在安全岩柱的防护下，向煤层打钻后，用高压水射流在工作面前方煤体内冲出一定的孔道，加速瓦斯排放。

水力冲钻主要适用于石门揭煤和煤巷掘进中。

3.2.4金属骨架
金属骨架是一种超前支架。

当石门揭煤时，通过在岩柱上打钻，将骨架插入孔内，再将骨架尾部固定，最后用震动爆破揭开煤层。

此法适用于地压和瓦斯压力都不太大的急斜薄煤层或中厚煤层，作为配套措施用。

3.2.5超前钻孔
它是在煤层掘进工作面前方始终保持一定数量的排放瓦斯钻孔。

在钻孔周围形成卸压区，使集中应力区移向煤体深部。

超前钻孔适用于煤层赋存稳定、透气系数较大的情况。

此外，在急斜煤层厚煤层中掘进平巷时可以使用超前支架，为了预防冲击地压或突出也可以使用卸压槽技术、煤体固化等技术。

[]1
4.瓦斯防治的新技术
4.1催化氧化技术
华晋焦煤有限责任公司与北京化工大学合作。

通过研究调研比较了当前化学防治瓦斯的热氧化技术和催化氧化技术两种方法。

得出结论，与热氧化技术相比，催化氧化反应器的占地面积小，制造成本低，无NOx排放。

系统的介绍了催化氧化反应器的特点及适用条件。

[]13
4.2瓦斯浓度预测模型
随着计算机技术及近几年神经网络预测技术的发展，瓦斯浓度预测理论有了新的发展。

西安科技大学在对掘进工作面瓦斯浓度的各种通风影响因素分析基础上，设计了两种掘金通风瓦斯浓度预测神经网络模型。

利用MATLAB软件及煤矿现场获得的实测样本数据，建立了瓦斯浓度BP和RBF神经网络预测模型。

通过预测结果对比分析可知，RBF神经网络预测模型能够对掘金通风瓦斯浓度进行准确地动态预测，为不同掘金阶段、不同瓦斯涌出量下的掘金通风方案选择提供了
12-
一定的理论基础。

[]14
3.总结
本文概述了我国瓦斯防治的发展历程，发展现状和方向，以及当前瓦斯防突治理的相关新技术。

以雄辩的数据和事例阐述了我国煤矿瓦斯防突治理的重要性和必要性。

详细的叙述了当前我国瓦斯治理的各种方法及其利弊，大致预测了煤矿瓦斯治理的发展方向，简要介绍了瓦斯治理的新技术、新方法和新思路。

作者认为，传统瓦斯防突治理的技术及方法仍然行之有效但也有相当大的改进空间。

此外，新兴瓦斯治理方法例如化学法处理瓦斯还需要大量现场实践方能进一步稳
定成熟，而模糊理论、神经网络等模型在瓦斯预测防突领域的准确性还有待进一步验证和提高。

参考文献
［1］张国枢. 通风安全学[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，2011
［2］卢义玉，王克全，李晓红. 矿井通风与安全[M]. 重庆大学出版社，2006
［3］俞启香. 矿井瓦斯防治[M]. 徐州:中国矿业大学出版社,1992:66-79.
［4］付建华. 煤矿瓦斯灾害防治理论研究与工程实践[M]. 徐州:中国矿业大学出版社,2005:103-107
［5］程远平,俞启香. 中国煤矿区域性瓦斯治理技术的发展[J]采矿与安全工程学报. 江苏徐州：中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心，2007
［6］申宝宏，刘见中，张泓. 我国煤矿瓦斯治理的技术对策[J]. 北京：煤炭科学研究总院科技发展部，2007
［7］程远平，付建华，俞启香. 中国煤矿瓦斯抽采技术的发展[J]. 1.江苏徐州：中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心；2.北京：国家煤矿安全监察局，2009［8］张志鹏. 底板巷穿层空预抽瓦斯区域防突技术研究[J]. 焦作：河南理工大学，2011［9］Craig R. Hairfield, Marshall Miller & Associates Inc, Richmond, V AJ. Daniel Stinnette.
COAL MINE VENTILATION EFFICIENCY: A COMPARISON OF US COAL MINE VENTILATION SYSTEMS. Mine Ventilation Services Inc, Fresno, CA
［10］于不凡. 煤和瓦斯突出机理[M]. 北京:煤炭工业出版社,1986:1-47.
［11］杨胜强. 单元法测定瓦斯分布及旋转射流驱散集聚瓦斯[J]. 徐州：中国矿业大学，2003
［12］龚晓燕. 高瓦斯矿井掘金通风瓦斯浓度预测模型研究[J]西安科技大学学报. 西安：西安科技大学，2012
［13］周亚东. 催化氧化技术在风排瓦斯处理应用进展[J]. 1. 山西柳林：华晋焦煤有限责任公司, 2. 北京：北京化工大学化学工程学院，2011
［14］Karacan C Ö. Modeling and prediction of ventilation methane emissions of U. S.
longwall mines using supervised artificial neu-ral networks [J] . Intemational Joumal of
Coal Geology , 2008 ,73 (5) : 371 – 387
［15］卢平. 高瓦斯煤层综掘工作面瓦斯涌出特征及影响因素分析[J]辽宁工程技术大学学报. 西安：西安科技大学，2012。