我國煤礦安全技術的研究與發展

 1 前　言 

我國煤炭工業經過半個世紀的發展，已成為世界第一產煤大國。近十年來，由于煤炭生產總量過大、能源結構多樣化及高效節能技術的發展，故造成了煤炭供大于求的局面。據專家預測，到2025年以后，由于石油、天然氣資源的減少，煤炭在世界能源中的地位還會上升。總體來講，我國屬于貧油富煤國家，煤炭在國家的能源結構中呈剛性變化，預計在21世紀中葉煤炭在一次能源中仍將占45％－50％。所以煤炭仍是事關國民經濟可持續發展的基礎產業。 

我國煤炭資源豐富，而煤層賦存條件、地質構造復雜，自然發火、高瓦斯、煤與瓦斯突出煤層多，致使煤礦生產中安全問題復雜化，而且，隨著采掘深度的加大，高產高效礦井的發展，煤礦又面臨著許多新的安全技術問題。 

煤礦安全生產是關系到國家財產和礦工生命的大事，歷來受到黨和政府的高度重視。煤炭工業堅持“安全第一，預防為主”的方針，在“綜合治理，總體推進”的正確思想指引下，大力開展煤炭生產安全技術的科學研究，尤其是在“八五”、“九五”期間取得了新的研究成果，并在煤礦得到推廣應用。 

2 煤礦安全技術的科學研究 

2.1 瓦斯防治技術 

煤礦瓦斯的危害主要表現在瓦斯窒息和爆炸事故方面；同時煤礦瓦斯大量地排入大氣，增大了大氣層的溫室效應，惡化了氣象條件。 

煤田煤層瓦斯含量的預測及礦井瓦斯涌出量的預測技術：研究了地勘鉆孔瓦斯解吸與影響因素，確立了統一的較完善的煤層瓦斯含量、礦井瓦斯涌出量的預測方法，實現了從含量測定、涌出量預測，到礦井瓦斯地質繪圖的微機化、自動化和規范化，其預測準確率達80～85％。 

瓦斯抽放技術：煤層瓦斯抽放是礦井瓦斯的治本措施，在“八五”、“九五”期間，實施了本層、鄰近層、穿層、采空區瓦斯抽放。研究了綜采工作面超前強化抽放瓦斯方法及工藝裝備，試驗成功200－500m巖石水平長鉆孔抽鄰近層的瓦斯，煤層水平（250m）長鉆孔及預裂控制爆破強化抽放本層瓦斯的綜合抽放技術等，使工作面瓦斯抽放率提高20％。水泥擴孔技術是利用鉆機通過鉆桿、鉆頭沿鉆孔噴出高壓水射流，以旋轉式切割擴孔，其效果十分明顯，單孔抽瓦斯量提高0.6～1.0倍。 

2.2 煤與瓦斯突出防治技術 
我國的防突技術經歷了安全防護、防治技術措施和綜合防治階段。1988年制定并頒布實施的《防治煤與瓦斯突出細則》，把我國防突技術總結為：預測、防突措施、效果檢驗和安全防護措施的四位一體，經過“八五”、“九五”期間的深化，將我國的防突技術提高到世界領先水平。 

煤與瓦斯突出預測技術：完善了采掘工作面鉆孔方式的突出預測指標和臨界值確定方法，研制成功以鉆屑瓦斯解吸特性和鉆屑量來綜合判斷煤層突出危險的ATY、WTC預測儀。經在50個局礦的推廣應用，已安全掘進突出煤層15萬多米巷道，不突出預報準確率達100％，突出預報準確率達60～70％，其防災工程量減少50％。 

研究了以測定AE聲發射事件、瓦斯涌出狀態和煤壁溫度變化等指標的非接觸式預測方法，并開發出KJ54型安全監測系統。該系統具備環境監測與突出危險實時監測的功能。另外利用無線電波透視、天然電磁輻射、地質雷達等物探技術，對突出煤層的區域性預測，進行了初步試驗。 

防突技術在改進、完善、提高開采保護層、預抽煤層瓦斯、超前排放鉆孔、深孔松動爆破和水力沖孔等技術措施外，重點研究了機采、機掘工作面的防突技術，建立了一套突出區域預測、長鉆孔控制預裂爆破、水力疏松相結合的綜采工作面防突工藝；在機掘工作面重點研究了與掘進機形成機械、液壓、操作為一體的全液壓防突鉆孔、割槽裝置及工藝技術；“九五”期間研制了QFZ－22型輕便防災鉆機，集強力鉆孔與防卡鉆功能于一體，是實施超前排放鉆孔的高效、輕便鉆機。對地質構造破壞帶和嚴重突出礦井。提高了整套綜合治理突出技術，在四位一體的防突措施基礎上，發展為合理采掘部署、突出預測預報、防突措施、措施的效果檢驗、安全防護措施的五步配套綜合防突體系。 

2.3 粉塵防治技術 

隨著綜采、綜掘、高產高效工作面的發展，煤礦粉塵污染問題更為突出,經“八五”期間的科技攻關,防降塵技術有較大發展。 

綜采工作面的防塵技術：進一步完善和加強煤層注水，實施長鉆孔深封孔技術；開發了水泥砂漿封孔泵，解決了封孔難的問題，提高了煤層注水降塵的效果，對采煤機采煤產生的粉塵實施含塵風流控制。高壓水外噴霧降塵技術，對液壓支架、放煤口實施自動控制水噴霧降塵技術，較好地降低了粉塵濃度。 

機掘工作面的除塵技術：改進和完善了系列濕式除塵器的技術特性，提高了除塵效率。近10年來，為有效地控制呼吸性粉塵，重點開發了布袋除塵器，其處理風量達到230～250m3/min,工作阻力2083Pa，總粉塵和呼吸性粉塵的除塵效率分別達99.5％和95.5％，不足的是體積較大，制造成本較高。對轉載點開發了氣流循環除塵裝置.用密閉罩將轉載點塵源與外界內流場隔離，在罩內引射氣流循環除塵。為提高水噴霧降塵的效果。研究了聲波霧化、磁化水、預荷電噴霧降塵新技術。 

為強化和規范呼吸性粉塵的檢測，在“九五”期間研制出AZF型呼吸性粉塵采樣器，可連續工作8h，分離效能符合BMRC國際曲線，填補了國內長周期定點呼吸性粉塵采樣器的空白。 

2.4 礦井火災防治技術 

開采易自燃煤層的高產高效工作面，火災的威脅和危害更大。在“八五”、“九五”期間將火災的預測和實時監測、高效潔凈的防滅火工藝技術作為攻關內容。 

在火災預測方面：通過對無煙煤、煙煤、褐煤有代表性的煤樣進行自燃的模擬試驗，研究得出煤樣在低溫氧化、加速氧化自熱期、激烈氧化三個階段能區分開的靈敏氣體指標。同時研制了火災束管檢測系統及與之配套的礦用火災多參數色譜儀、火災氣體及溫度傳感器。為克服長距離束管存在預報滯后、管內積水、難維護的弱點，研制了束管與電測相結合的經濟型火災預測系統，即由束管將被測氣體送至井下分站，由各火災氣體傳感器將所測到的電信號參數直接輸送至地面監控室，在地面進行集中的實時監控和預報。 

為適應綜采工作而設備多且昂貴的條件，以氮氣為主的隋氣防滅火技術得到迅猛發展。國內主要采用中空纖維膜分離和碳分子篩變壓吸附分離制氮工藝技術。礦用制氮機組有地面移動式變壓吸附KYZD－800型，井下移動式變壓吸附JXZD－400型及井下移動式膜分離機組MD－350型等。對回采工作面的注氮防滅火，應及時科學地測定采區的氧化、自熱、窒息三帶的分布，通過注氮使自熱帶的氧氣濃度降至10～12％以下，加速自熱帶向窒息帶轉化在實施隋氣防滅火過程中，應采取綜合措施降低防滅火區域的漏風，以提高隋氣防滅火的效果。 

2.5 瓦斯煤塵爆炸防治技術 

瓦斯爆炸、瓦斯煤塵爆炸仍是煤礦最重大的事故。我國建立了自己的大型實際規模爆炸巷道及試驗基地，開展了各種粉塵的爆炸機理、特性及防隔爆措施的試驗研究，在對我國主要煤田的煤塵樣爆炸特性試驗研究的基礎上，開展了瓦斯、煤塵共存條件下爆炸特性的研究，著重探討了采掘機械的切齒摩擦火花引燃引爆瓦斯煤塵問題，初步提出了改進切齒結構與材質等防止切割摩擦火花引爆的綜合措施。 

進一步完善和改進被動式隔爆水槽、水袋的性能、吊掛工藝及布置方式，改進后的XGS型隔爆水棚也能隔絕弱爆炸的傳播，擴大了隔爆的有效范圍（距爆源20～24m）且安裝移動方便。BJK－S型自動抑爆系統可實現遠距離對機掘工作面或有爆炸危險場所的瓦斯、煤塵濃度、沉積煤塵強度連續監控、超限報警并控制作業設備的斷電；可將瓦斯燃燒、弱爆炸等就地撲滅，有效地控制瓦斯煤塵爆炸近年開發的YBW型無電源觸發式抑爆裝置，采用光電器導爆索爆破噴撒水質抑爆劑，最佳水霧形成時間小于150ms，水霧存在時間超過500ms，具有良好的成霧性能和日常維護工作量小、安裝應用方便的優點。 

3 對煤礦安全科技工作的幾點建議 

如前所述，在黨和國家的關懷下，煤礦安全科技工作取得長足的發展，其整體科技水平與國外的差距正在縮小。煤礦的安全狀況與10年前相比，也大有好轉，但與國外的差距仍較大，以煤炭生產的百萬噸死亡率來比較：近10年，我國國有重點煤礦為1.05～1.2，全國平均（含國有、鄉鎮煤礦）為4.3；而同期，美國為0.09，波蘭為0.44，德國為0.34，印度為0.74。 

我國煤礦每年發生死亡10人以上的重特大事故約有70～80起，其中85％發生在高瓦斯或有突出危險的礦井；90％為瓦斯（含瓦斯煤塵）爆炸事故。全國煤礦現累計塵肺病人20萬。每年因事故及塵肺而帶來的經濟損失約為30億元，總體來講行業的安全狀況不容樂觀。 

國家煤礦安全監察局及直屬機構的建立，是國家為實現煤礦安全狀況根本好轉的重大舉措，也將促進煤礦安全科學技術的發展；國家煤礦安全技術工程研究中心的籌建，也將加快煤礦安全科技成果的商品化、產業化的進程。 

針對我國煤礦安全狀況和煤礦安全技術的難點，建議在以下幾方面重點組織科技攻關： 

（l）瓦斯超前治理與區域瓦斯資源開發技術。瓦斯給煤礦安全帶來極大的威脅，但又是潔凈的能源和化工原料，集利害于一體，全國煤層氣儲量達30～35萬億m3，但我國多為低透氣性煤層，因此，對超前規模化、高效率的瓦斯抽放技術進行科技攻關，為高瓦斯礦井提供安全生產條件，并為瓦斯規模化、商業化的開發利用創造條件。擬將晉城新區作為科技攻關試驗點，建議國家對災害治理、變害為寶的科技項目和產業發展項目應給予資金投入的傾斜和優惠的扶持政策。 
（2）粉塵治理技術。粉塵是煤炭生產中另一個突出的安全問題，也是作業場所的工業衛生問題。把呼吸性粉塵的綜合治理技術納入新一輪的攻關內容。攻關的內容包括：礦井呼吸性粉塵的連續檢測技術，減少粉塵產生和高效經濟、便利的除塵技術與裝備。 
（3）重大火災的防治技術。隨著礦井機械化和自動化程度的提高，重大火災的威脅顯得更為突出，對隱蔽火災的預測與定位技術，防止運輸膠帶等火災的蔓延及滅火技術，災害氣體產物對礦井風流的影響等列項進行研究，利用火災試驗巷道和計算機模擬仿真技術，在理論和實用技術上要有較大突破。 
（4）應重點解決瓦斯、火災等有害氣體檢測元件，達到長壽命、高穩定、高可靠。研制開發高效、節能、高可靠性的通風設備、安全工程裝備。 
（5）為安全監察建立完善的技術保障和技術支撐體系，加強基礎和檢測技術的研究。