煤矿瓦斯灾害及防治技术中国矿业大学林柏泉教授

煤矿瓦斯灾害及防治技术中国矿业大学安全工程学院副院长江苏省政协委员国家安全生产专家林柏泉教授(博导)个人简介林柏泉，福建省龙岩市人，教授、博士生导师，中国矿业大学安全工程学院副院长，煤炭资源与安全开采国家重点实验室副主任，国家煤矿安全生产专家，江苏省普通高校跨世纪学术带头人、煤炭行业专业技术拔尖人才，中国健康安全学会理事，中煤劳保学会理事，中煤劳保学会矿井通风专委会副主任，江苏省政协委员，教育部安全工程学科教学指导委员会委员,中国民主促进会矿大支部主委。1982年毕业于福州大学，1986年获硕士学位，1992年获博士学位；1997年和2000年分别去美国、加拿大和德国进行学术交流活动，2001年赴越南考查,2007年赴澳大利亚进行学术交流。主要从事安全技术及工程方面的教学和科研工作，尤其在矿业安全工程、矿井瓦斯防治、气体与粉尘爆炸、安全管理理论等方面进行了较多的教学工作和较为深入的研究工作。近年来，作为专家分别参加了，2003年安徽芦岭煤矿“5.13”特别重大瓦斯爆炸事故、2004年河南大平煤矿“10.20”特别重大瓦斯爆炸事故和2005年七台河东风煤矿“11.27”特别重大煤尘爆炸事故的调查工作；作为专家组副组长，参加了国家安全生产监督管理总局组织、为贯彻国务院第81次常务会议精神而举行的的煤矿安全“会诊”工作。主要汇报内容一、前言二、煤层瓦斯生成与赋存三、矿井瓦斯突出及其防治四、矿井瓦斯爆炸及其防治五、“十五”瓦斯灾害防治新技术六、结束语我国常规能源构成•煤炭资源总量5.57万亿吨•石油总资源量940亿吨•煤层气资源量35万亿立方米一、前言天然气3%水电7%石油20%煤炭70%中国的能源现状:富煤,贫油,少气国家制定坚持以煤炭为主体的能源战略煤矿安全生产对国民经济发展具有重要影响煤炭占一次能源比重的70%以上，07年产煤28.3亿吨煤炭产量与GDP增长的关系原煤70.40%核电0.52%水电7.06%天然气3.07%原油18.95%05101520252000年2001年2002年2003年2004年2005年煤炭产量/亿吨GDP/万亿1煤炭工业安全生产是我国国民经济可持续发展的根本保证2、我国煤矿目前的安全现状煤矿是我国工矿企业灾害事故的主要来源：2002-2007年，工矿企业一次死亡10人以上特大事故中，煤矿事故占72.8%-89.5%(死亡人数)，经济损失数百亿元。煤矿企业一次死亡10人以上事故中，瓦斯事故分别占死亡人数的71%。事故原因分析：与技术原因有关造成的事故占52.5%0123451我国百万吨死亡率与主要产煤国家的比较中国4.36美国0.088俄罗斯2.03波兰0.443德国0.335英国0.154澳大利亚0.08印度0.735乌克兰2.14近年来死亡人数在6769人-5938人（2000-2007）百万吨死亡率6-2，与先进国家差距大。原因：中国煤层赋存条件复杂，缺乏有效的控制技术措施。2004年底至2005年，连续发生6起百人以上特别重大瓦斯事故，震惊国内外陕西铜川陈家山11.28事故/死亡166人辽宁阜新孙家湾2.14事故/死亡214人河南郑州大平10.20事故死亡148人煤矿灾害造成了恶劣的社会影响国际社会一些“人权”组织以此为借口指责我国不重视人权国际贸易中指责我国煤炭为“带血”的煤事故矿区生产停顿、社会秩序混乱事故家庭“家破人亡”激化职工、企业和政府的矛盾国务院6次常务会涉及煤矿安全-瓦斯治理问题科技部决定采取煤矿安全科技行动专项计划国务院专门成立瓦斯治理部际协调领导小组温总理主持国务院第81次常务会煤矿安全专家会诊召集全国煤矿安全专家对45户重点监控企业进行会诊国家对煤矿灾害治理高度重视、采取的应急对策决定紧急采取7项措施治理煤矿瓦斯灾害煤矿安全科技行动专项启动大会突出21%高瓦斯28%低瓦斯51%产生事故的深层次原因：我国煤矿95%是地下开采，煤层赋存条件复杂，2006年大中型煤矿平均采深476m(10m/年)，30%煤矿采深大于600m,瓦斯涌出量急剧增大，开采条件和自然环境发生显著变化。原有安全技术及基础已难以适应当前煤矿安全高效生产的迫切需求。二、煤层瓦斯的生成与赋存煤层瓦斯的生成煤层瓦斯的赋存二、煤层瓦斯的生成与赋存1、煤层瓦斯的生成煤矿瓦斯主要来自于煤层和含煤地层，有关它的成因学说有多种多样。目前一般认为，煤的原始母质沉积以后，一般经历两个成气时期：1、从植物遗体到泥炭属于生物化学成气时期；2、在地层的高温高压作用下，从褐煤到烟煤、无烟煤的煤化变质作用成气时期。二、煤层瓦斯的生成与赋存1、煤层瓦斯的生成1、生物化学成气时期这个时期是从成煤原始有机物堆积在沼泽相和三角洲环境中开始的，在温度不超过65℃条件下，成煤原始物质经厌氧微生物的分解成瓦斯。这个过程，一般可用纤维素的化学反应式来表达：4C6H10O5→7CH4↑＋8CO2↑＋3H2O＋C9H6O或2C6H10O5→CH4↑＋2CO2↑＋5H2O＋C9H6O二、煤层瓦斯的生成与赋存1、煤层瓦斯的生成2、煤化作用成气时期褐煤层进一步沉降，地层压力与温度作用加剧，便进入煤化变质作用成煤成气时期。据考查，一般在100℃及其相应的地层压力下，煤层中的煤体就会产生强烈的热力变质成气作用。煤化过程中有机质分解，脱出甲基侧链和含氧官能团而生成的CO2，CH4和，H2O是煤成气形成的基本反应，其生成的瓦斯以甲烷为主要组分。在个别煤层中也有一部分瓦斯是由于油气田瓦斯的侵入造成的。在欧洲，波兰的下西里西亚和法国的塞外纳煤田的煤层中含有的大量CO2，则是由于火山活动使碳酸盐类岩石分解生成的CO2气体侵入的结果。但是，一般来说，世界各国煤田中含瓦斯均以甲烷为主。在某些煤层中还含有C2H6，C3H8等重碳氢气体。二、煤层瓦斯的生成与赋存2、煤层瓦斯的赋存瓦斯在煤层中的赋存状态一般有两种，即吸附状态和游离状态；而煤层瓦斯含量实际上是指吸附瓦斯量和游离瓦斯量之和，其值的大小往往是评价煤层瓦斯储量和是否具有抽放价值的重要指标，在煤的瓦斯含量中，一般吸附瓦斯占80～90％。1.煤的游离瓦斯量一般情况下，煤的游离瓦斯含量是按气体状态方程(马略特定律)进行计算，即：ＸY＝ＶPＴ。(4-1)ＴP。ξ2.煤的吸附瓦斯含量Ｘx＝abPｅn(t.-t)·1·(100-A-W)(4-2)1+bP1+0.3W100二、煤层瓦斯的生成与赋存2、煤层瓦斯的赋存影响煤层瓦斯含量的主要因素。煤层瓦斯含量的多少主要取决于保存瓦斯的条件，而不是生成瓦斯量的多少；也就是说不仅取决于煤的变质程度，而更主要的是取决于储存瓦斯的地质条件。根据目前的研究成果认为，影响煤层瓦斯含量的主要因素有：煤层的埋藏深度、煤层和围岩的透气性、煤层倾角、煤层露头、地质构造、煤化程度、煤系地层的地质史、水文地质条件。三、矿井瓦斯突出及其防治•瓦斯突出机理•突出危险性预测•瓦斯突出防止措施1)、煤与瓦斯突出的发展过程及各因素的作用（1）煤与瓦斯突出的发展过程煤与瓦斯突出的发生必须具备一定的能量，为了达到一定的能量水平，突出的煤体经历着能量的积聚过程，使之逐渐发展到临界破坏甚至过载的脆弱平衡状态。突出的发展过程一般可划分为四个阶段，即：准备阶段：该阶段的特点是在工作面附近的煤壁内形成高的地应力与瓦斯压力梯度。激发阶段：该阶段的特点是地应力状态突然改变发展阶段：该阶段具有两个互相关联的特点，一是突出从激发点起向内部连续剥离并破碎煤体，二是破碎的煤在不断膨胀的承压瓦斯风暴中边运送边粉碎。终止阶段：二、矿井瓦斯突出及其防治1、瓦斯突出机理（2）煤与瓦斯突出过程中各因素的作用煤与瓦斯突出是地应力、瓦斯压力和煤的物理力学性质综合作用的结果。在通常情况下，突出的激发阶段，破碎煤体的主导力是地应力；而在突出的发展阶段，剥离煤体靠地应力与瓦斯压力的联合作用，运送与粉碎煤炭是靠瓦斯内能；煤的物理力学性质直接关系到上述瓦斯突出是否能够实现。二、矿井瓦斯突出及其防治1、瓦斯突出机理2)、煤巷卸压带对煤与瓦斯突出的作用机理巷道煤层区域中应力分布状态及其划分(1)卸压区(2)集中应力区(3)原始应力区卸压区集中应力区原始应力区二、矿井瓦斯突出及其防治1、瓦斯突出机理如何准确测定卸压区的长度？突出预兆大体可分为三个方面：地压显现方面的预兆有，煤炮声、支架声响、掉碴、岩煤开裂、底鼓、岩与煤自行剥落，煤壁外鼓、来压、煤壁颤动、钻孔变形、垮孔顶钻、夹钻杆、钻粉量增大、钻机过负荷等；瓦斯涌出方面的预兆有，瓦斯涌出异常、瓦斯浓度忽大忽小、煤尘增大、煤尘增大、气温与气味异常、打钻喷瓦斯、喷煤、哨声等；煤力学性能与结构方面的预兆有，层理紊乱、煤强度松软或软硬不均、煤暗淡无光泽、煤厚变化大、倾角变陡、波状隆起、褶曲、顶、底板阶状凸起、断层、煤干燥等等。二、矿井瓦斯突出及其防治1、瓦斯突出机理利用突出预兆进行突出危险性预测？突出预测可分为区域突出危险性预测（简称区域预测）和工作面突出危险性预测（简称工作面预测）两类。1、区域突出危险性预测单项指标法二、矿井瓦斯突出及其防治2、瓦斯突出危险性预测预测煤层突出危险性单项临界指标值[10]表4-14煤层突出危险性煤的破坏类型瓦斯放散初速度△ｐ煤的坚固性系数f煤层瓦斯压力ｐ(ＭＰa)突出危险Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ≥10≤0.5≥0.74在平顶山和邢台等开展了这方面的研究工作2、综合指标Ｄ与Ｋ法用综合指标Ｄ和Ｋ来预测煤层的突出危险性。Ｄ＝（0.0075Ｈ--3）(p--0.74)fＫ＝△Ｐf二、矿井瓦斯突出及其防治2、瓦斯突出危险性预测用综合指标Ｄ和Ｋ预测煤层区域突出危险性的临界值[10]表4-17　煤的突出危险性综合指标Ｋ煤层突出危险性综合指标Ｄ　无烟煤　其它煤种≥0.25≥20≥15关键问题：临界指标的确定？Techniqueofoutburstpredictionandforecasting工作面突出危险性预测目前采用的预测方法主要有：钻屑指标法，钻孔瓦斯涌出初速度法和Ｒ值综合指标法。1、钻屑指标法二、矿井瓦斯突出及其防治2、瓦斯突出危险性预测用钻屑指标法预测煤巷掘进工作面突出危险性的临界值[10]表4-18△h2最大钻屑量Ｋ1Pakg/mL/mmL/(g·min1/2)危　险　性≥200≥6≥5.4≥0.56突出危险工作面〈200〈6〈5.4〈0.5无突出危险工作面Predictionofoutburstincoalminingface２、钻孔瓦斯涌出初速度二、矿井瓦斯突出及其防治2、瓦斯突出危险性预测钻孔瓦斯涌出初速度的突出危险临界值[10]表4-19煤的挥发分Ｖf(％)5～1515～2023～30〉30(L/min)5.04.54.03.53、Ｒ值综合指标法Ｒ＝（Ｓmax-a）（ｑmax-b）a=4,b=4原煤炭工业部制定的《防突细则》中，提出的Ｒ值临界指标为6。二、矿井瓦斯突出及其防治2、瓦斯突出危险性预测关键问题：临界指标的确定？开滦预测指标法Predictionofoutburstincoalminingface煤（岩）瓦斯突出的预防措施（以下简称预防突出措施）按作用范围来划分，有区域性措施和采掘工作面防突措施。1、区域性防突措施目前采用的区域性防突措施主要有：开采保护层、预抽煤层瓦斯和煤层注水三种。2、采掘工作面的防突措施在突出危险煤层中，平巷掘进可采用大直径钻孔、超前钻孔、松动爆破、前探支架、水力冲孔或其它经试验证实有效的防突措施。二、矿井瓦斯突出及其防治3、瓦斯突出防治措施理论基础：采动的造缝作用在采空区上方的纵（垂）向上存在“三带”：垮落（贯通采场洞缝）带、断裂（层向、垂向裂缝网）带、弯曲下沉（层向裂隙）带弯曲下沉带断裂带垮落带弯曲下沉带断裂带垮落带理论基础：采动卸压增透增流效应在采空区上方的断裂带内，横向上存在“三带”：初始卸压增透增流带、卸压充分高透高流带和地压恢复减透减流带卸压充分高透高流带初始卸压增透增流带地压恢复减透减流带煤矿瓦斯抽放瓦斯抽放不仅是治理矿井瓦斯灾害的根本措施,也是利用这种清洁能源的重要途径。但是，由于深部煤层在高应力作用下，煤层透气性较