煤矿煤岩瓦斯动力灾害预防理论与技术进展

第4卷第11期

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2009年11月795煤矿煤岩瓦斯动力灾害预防理论与技术进展

聂百胜1,2，何学秋1,2

（1.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京 100083

2.中国矿业大学（北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083）

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 文章编号：1673－7180(2009)11－0795－7

Prevention theory and technological progress of coal-gas dynamic

disasters in coal mines

Nie Baisheng1,2，He Xueqiu1,2

(1. School of Resource and Safety Engineering, China University of Mining & T echnology(Beijing), Beijing 100083, China;

2. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, China University of Mining & T echnology (Beijing), Beijing

100083, China)

Abstract: Coal-gas dynamic disasters in coal mines include coal and gas outburst, gas (and coal dust) explosion、rockburst and large roof fall, etc, and threat seriously the safety and high production efficiency of coal mines and the lives of mine workers. These disasters in coal mines have not been effectively prevented and the theoretical and technological progress in this field is in urgent need. This paper presents the authors’ main achievements in this area. For the application of basic researches, 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 deformation and 基金项目：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)；教育部科学技术重点项目(108135)

作者简介：聂百胜(1973－)，男，博士，教授， bshnie@

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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.

Key words: mine; computerized tomography technology; coal dynamic disasters; coal and gas outburst; prevention

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8~12 m/a的速度增长，东部部分矿井以10~25 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. 1Isotherm 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；