煤矿瓦斯灾害治理新技术

煤矿瓦斯灾害治理适用新技术2016年3月10日▲“十五”以来我国能源消费总量过快增长，10年增长2.2倍，给资源环境带来巨大压力。我国GDP目前占世界生产总值不到10%，但能源消耗已经高于20%，能源排放的污染气体居世界首位，温室气体占世界总量的25%，GDP的能耗、污染排放和碳排放都过高。▲“中国能源中长期（2030、2050）发展战略研究”提出转变能源供需模式，使其由“以粗放的供给满足增长过快的需求”，向“以科学的供给满足合理的需求”转变。▲我国煤炭产量约占世界煤炭产量的45%，占世界总量的比重逐年增加，而一些发达国家的煤炭产量是下降的。煤电在电力中的比重将由当前的约60%逐步下降，2050年可降至35%左右。▲煤炭科学产能是指在安全、高效、洁净、环境友好的条件下生产煤炭。而我国现在每年生产的30多亿吨原煤只有不到一半符合科学产煤标准。▲符合科学开采的煤炭产能在20年后预计可达到34亿-38亿吨。▲煤炭目前是我国主力能源，煤炭的洗选、开采和利用必须改变粗放形态，走安全、高效、环保的科学发展道路，煤炭在我国总能耗中的比重应该逐步下降，2050年可望减至40%（甚至35%）以下，其战略地位将调整为重要的基础能源。▲我国煤炭的赋存特点，跟我国的地形地貌一样，复杂多变。露天煤矿比重低，绝大部分是井工矿，且矿井条件复杂，煤与瓦斯突出、水、火、顶板等自然灾害多。▲复杂的地质条件也造就了一支特别能战斗的队伍，经过多年的奋战，我们已拥有比较先进的煤炭科学技术和装备水平。▲2000年以来我国煤矿安全科技工作者围绕煤矿瓦斯灾害治理、防灭火、粉尘防治、水害防治、瓦斯利用、安全监测监控和应急救援等方面开展了大量基础研究及应用技术开发,取得了众多研究成果。重要创新性成果▲瓦斯灾害防治技术▲煤矿井下钻孔施工关键技术▲地面钻井抽采瓦斯技术▲井下采动裂隙带探测技术▲▲煤层气利用技术进展1、瓦斯灾害危险区瓦斯地质预测技术实践表明，煤矿瓦斯灾害的发生具有区域分布的特点，瓦斯灾害特别是煤与瓦斯突出，地质条件是其主控因素。取得的3项创新成果：以瓦斯地质数学模型法为基础的瓦斯涌出量预测技术、多尺度突出区域预测瓦斯地质方法和指标及可视化预测等。（1）瓦斯地质数学模型法为基础的瓦斯涌出量预测技术分源预测法和瓦斯地质数学模型法结合起来，通过技术互补，改进和完善了以瓦斯地质数学模型法为基础的瓦斯涌出量预测技术，并在郑煤集团告成矿和大平矿进行了示范应用。对大平矿3个工作面预测的相对误差分别为2.4%、4.4%、17.5%，平均误差为8.1%。（2）多尺度突出区域预测瓦斯地质方法及指标突出区域预测瓦斯地质方法的核心是识别瓦斯富集区和构造软煤发育区。考虑到不同规模的构造对瓦斯赋存和构造软煤的控制作用是有差异的，井田的划分、矿井内部采区的安排以及工作面的布置都在很大程度上受到构造格局的影响。因此，从构造的尺度效应、矿井生产布局和突出区域预测的研究方法、获得构造软煤等基本数据的技术途径和精细可靠程度等多个因素来看，突出区域预测应在不同的尺度进行。（3）多尺度瓦斯地质编图方法及可视化预测系统采用VisualC++6.0作为软件开发平台，利用GIS组件MapObjects2.3，结合瓦斯地质理论、GIS原理与方法、数据库技术和可视化理论等，实现了矿井基础图件的可视表达，建立了瓦斯地质信息库（包括断层、钻孔、瓦斯含量、突出点等信息），开发出了可独立运行的数字瓦斯地质编图系统，实现了瓦斯含量预测过程及预测结果的可视化。鹤壁六矿北四采区突出区域预测图2、基于电磁辐射原理的煤岩动力灾害预测技术▲中国矿大研究了电磁辐射法监测预报煤岩动力灾害的技术及方法，开发了煤与瓦斯突出电磁辐射监测仪，初步实现了电磁辐射的动态连续监测。▲但在实用化技术方面需进一步研究完善，如在电磁辐射预警临界值及动态预警准则、煤岩动力灾害电磁辐射动态监测等方面，是这一技术得以广泛应用的关键，也是现场安全生产管理人员最为关注的问题。电磁辐射预测技术成果通过理论分析和进一步现场实测干扰源特征，对煤岩电磁辐射自动监测预报装备和动态监测软件进行了完善，提高了滤噪、抗干扰能力、稳定性和准确性。同时，开发了在线式电磁辐射实时监测系统软件，可以对监测数据进行处理和分析，判断电磁辐射水平的变化趋势，从而对煤与瓦斯突出和冲击矿压危险发生的可能做出预测预报。实现了远程监视南山、峻德矿电磁辐射测试数据。实现了与煤矿安全监测系统联网运行完善提高后的电磁辐射装置电磁辐射指标的临界值研究成果在南山矿和红菱矿的监测试验表明，电磁辐射强度指标对煤与瓦斯突出危险程度非常敏感。通过现场对比试验，综合分析确定了两个矿电磁辐射指标的临界值：南山矿238和311工作面煤与瓦斯突出的电磁辐射预测临界值均为20mV；红菱矿1200掘进工作面的电磁辐射强度临界值为49mV。这些成果为推进电磁辐射技术用于瓦斯灾害预测提供了重要支撑。3、井下地质雷达超前探测技术▲“十五”期间，在引进、消化吸收和创新国外技术的研究上，重庆院成功地开发出了井下防爆地质雷达技术与装备。▲近几年重点开展了雷达天线、现场工作方法及应用考察等研究。煤层煤层掘进头接发射接收异常体介质分界面巷道掘进头雷达超前探测平面示意图地质雷达超前探测3项创新成果▲针对不同深度、不同地质异常，开发了矿井受限空间防爆屏蔽单脉冲调制平面的系列天线（50MHz～200MHz），多种天线结合使用还可提高解释精度和降低物探多解性。▲井下超前探测工作方法可多样灵活，可实现向下、向上、向侧帮全方位探测。▲开发出的防爆型地质雷达可适用于矿井瓦斯突出危险区域探测；煤层异常变化带探测；陷落柱及煤层夹矸探测等。4、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术近几年来，在瓦斯抽放长钻孔施工钻机能力方面，以西安院、重庆院等为主的科研单位已取得了长足进步，研究成功了500-1000m的系列长钻孔装备。但是仅有钻机能力满足设计要求是不够的，定向钻进工艺和稳定组合钻具是实现长钻孔施工成功的关键。为此，针对瓦斯抽放长钻孔施工过程中的钻孔定位和钻具等关键技术难题，西安院重点研究完善了稳定组合钻头、组合钻具，开发了多点即时测斜仪等。稳定组合钻头及稳定组合钻具多级组合钻头复合片组合式扩孔钻头内凹复合片钻头应用效果▲在七台河精煤集团新兴矿41051工作面分别完成了孔深520m、685m和374m的近水平高位岩石定向钻孔。▲在铜川局玉华矿完成了一个孔深820m定向钻孔。▲在彬长公司大佛寺矿钻进了深度为705m的长钻孔▲2006年，在寺河矿2305工作面对研制的Φ73mm高强度钻杆、稳定组合钻头和组合钻具进行了试验验证,共钻进三个钻孔，孔深分别为603m、350m和612m的近水平煤层定向钻孔。•煤矿井下瓦斯抽放长钻孔装备及工艺创新点▲钻孔施工过程中，钻杆会受到拉、压、弯、扭等多种作用，断钻是工程中的普遍现象，解决了Φ73mm高强度钻杆结构设计与制造关键技术，为提高成孔率创造了先决条件。▲优化的多级组合钻头、钻具和螺旋槽扶正器，增加了钻孔定向精度和成孔率。▲测斜仪采用新型半导体传感器，测斜过程中实时显示钻进轨迹及与钻孔设计的方位差，解决了瓦斯抽放长钻孔施工过程中的钻孔定位关键技术难题。5、突出松软煤层抽放钻孔关键技术▲突出松软煤层钻孔难一直制约着我国煤矿瓦斯抽放与突出防治的技术发展。▲实践证明，螺旋钻进、压风排渣是松软突出煤层成孔的有效途径，但还需要解决一些关键技术。▲重庆院创新研究思路，从工艺和装备两方面入手，通过攻关研究，取得了实质性的技术突破。重点开展了3方面核心技术的研究▲试验考察了钻机钻具转速与排渣效果的关系，确定了螺旋钻机的临界转速，避免或减弱了螺旋钻机施工时因排渣不畅而形成阻塞和憋钻现象。▲试验研究了钻进速度与煤的性质、成孔直径、钻具转速的关系，对螺旋钻杆主要参数进行了分析，确定了螺旋钻杆螺旋角。▲通过对螺旋成孔所需临界转速、钻杆螺旋升角、中心管径、螺距的优化研究，确定了钻机的最优参数，开发出适用于松软突出煤层顺层长钻孔施工的螺旋钻机和相应的钻具。•55kw型螺旋钻机松藻矿区现场钻孔对比在渝阳煤矿煤柱区成孔深度达168米，由于见岩而终孔，还能继续钻进。在同一地点，用相同能力的钻机，采用矿上现有的螺旋钻杆及钻头作对比试验，最大成孔深度还不到80米，60米左右就卡钻、抱钻，70多米时钻机就不能旋转了。通过现场试验，螺旋钻进成孔技术能成孔160m深度以上，为今后顺层长钻孔的施工从装备和工艺技术上奠定了很好的基础。6、安全生产监测监控关键技术3个方面的重要创新：红外甲烷传感器已达到商业化应用阶段瓦斯抽放监测关键技术取得突破安全监测与生产监控已实现综合一体化红外甲烷传感器研究与发展国内外用于煤矿井下甲烷气体检测有光干涉、载体催化、热导、红外、激光、气敏等原理。我国煤矿瓦斯监控系统中配套使用的低浓度甲烷传感器基本上都是采用载体催化原理，瓦斯抽放监测系统中使用的高浓度甲烷传感器基本上都采用热导原理。由于载体催化传感器存在抗高瓦斯冲击的性能差、调校周期短等缺点，一直制约着甲烷检测技术的发展。红外甲烷传感器(配监测系统)•测量范围：0～10.0%CH4•分辨率：0.01％CH4•测量精度：0.00～1.00%CH4≤±0.10%CH4•1.00～2.00%CH4≤±0.20%CH4•2.00～4.00%CH4≤±0.30%CH4•4.00～10.0%CH4≤±8.00%真值(相对误差)•元件检测反应速度：≤20s•调校周期：6个月•使用寿命：≥5年•信号带负载能力：0～400Ω•报警方式：间歇式声光报警•≥85dB(声强)，•能见度＞20m(光强)•0.7/台，是催化的3-4倍，是国外（2万）的1/3。抽放管道用红外甲烷传感器红外线甲烷气体检测技术技术指标：测量范围:(0~100)%VOL响应时间：40s(t90)测量精度：真值的7%调校周期：6个月工作电压：DC9~24V工作电流：50mA.18VDC温度范围：-20℃到50℃压力范围：40kPa到130kPa使用寿命：5年优点：1.测量范围宽2.测量精度高3.稳定性能好4.适应压力、温度范围宽5.高调校时间长6.整机功耗小管道红外甲烷传感器与热导原理甲烷传感器比较指标产品红外原理甲烷传感器热导原理甲烷传感器测量范围0～100％CH4测量适合于20～80％CH4测量分辨率高（可达0.01）低（只能到0.1）测量精度全量程≤真值的±7％≤真值的±10％，且高端和低端测量不准反应速度快快稳定性长（可6个月标校）短(15天)元件寿命5年(预期)易损坏（一般1年）功耗低功耗低功耗抗干扰程度不受目标气体成分、湿度、温度、压力变化而影响测量目标气体成分、湿度、温度、压力变化对测量值影响非常大市场价格0.9-1万元/台,是热导的3-4倍管道流量、甲烷浓度监测关键技术1法兰2截止阀3采样旁管4差压变送器5智能显示仪6电源及信号进线嘴7红外甲烷电源及信号8显示窗9探头气室10V型锥体11负压取样管12温度探头13正压取样口14V锥流量传感器测量管段它是一种差压式流量传感器。它通过在管道中心安装一锥形体，使管道中心流体绕锥形体流动，迫使高流速的中心与接近管壁的低流速均匀化从而在锥体前后形成稳定的差压，通过计算得到介质流量。7.地面钻井“一井三用”技术首先超前于煤炭开采，设置压裂井形式的地面钻井，以压裂法在煤层中形成人工裂缝和产气通道，利用瓦斯自然释放的正压进行瓦斯收集，消除下煤组的煤与瓦斯突出冒落带弯曲下沉带底鼓破碎带裂隙带首采煤层地表风巷机巷地面钻井二用：下煤组开采时对上煤组和中组煤造成采动卸压及应力释放，利用同一个地面钻井，以负压的方式抽采处于弯曲下沉带内上煤组和中煤组中的瓦斯。三用：开采上煤组和中煤组的同时，再次利用所述同一个地面钻井负压抽采中煤组或上煤组本层工作面开采时的采空区瓦斯。地面钻井“一井三用”技术应用实例芦岭矿属高瓦斯突出矿井，主采8、9煤层厚度在10—12米左右，属特厚煤层。提前8—10年对8、9、10煤层进行压裂预抽，首先使10煤预抽瓦斯在40%以上，实现保护层开采消突；其次当1