全光型煤矿瓦斯远程监测技术研究

针对煤矿开采过程中瓦斯事故频发的现状和煤矿产业绿色高效发展的需求，本项目探索研究一种“井下全光型”的瓦斯气体远程监测的新原理和新技术。项目采用基于石墨烯复合材料的光驱动柔性光栅，来作为监测系统的分光元件，用近红外光驱动复合材料薄膜，利用其变形来调谐柔性光栅，从而实现有害气体浓度的全光型、实时、远程在线测量。项目提出的采用光驱动柔性光栅作为分光元件的方案，完全避免了气体监测过程中电子电路短路断路等危险情况的发生，极大地提高了监测系统的安全性。项目研究了光驱动复合材料对近红外光响应的机理和规律，开发了光驱动复合材料薄膜的制备工艺，并理论和实验研究了预拉伸力大小、石墨烯质量百分比等因素对光驱动性能的影响规律。设计加工了光驱动柔性光栅，并研究了驱动时间等因素对光栅调谐性能的影响规律。设计了用于调谐柔性光栅的驱动结构，开发了用于瓦斯气体远程监测的光学系统、微弱光强信号检测的光强调制技术、纳瓦量级光强测量的光电检测电路、以及控制与数据分析系统。项目利用所开发的系统对不同浓度甲烷气体进行了实验测试研究，对起始波长进行了标定，并实验研究了吸光度与甲烷浓度的关系。本项目研究的原型测量系统实现了光驱动复合材料薄膜3 s内达到最大形变，柔性光栅栅距变化达到180 nm，以及0.68 nm的系统光谱分辨率等性能。所研究的系统成功实现了全光型、远程实时瓦斯浓度测量，验证了本基金所提新测量原理和方案的正确性和可行性。项目所研究的测量原理以及建立的原型系统和实验研究结果、经验，为将来的实际应用研究打下了良好基础。本项目的研究为煤矿瓦斯监测提供了一种新思路，具有全光型、远程实时监测、安全、成本低等优点，为将来进一步的实用化和工程化研究提供了理论及实践的经验和依据，具有较重要的理论和实际意义。 项目研究过程中发表了9篇学术论文（其中SCI论文7篇），申请了7项发明专利（其中已授权专利6项），获得了完全的知识产权，并培养了多名博士、硕士研究生。 2100433B

煤矿工业面临着矿井工作环境复杂、瓦斯安全事故频发的现状。目前，瓦斯监测技术还存在预警能力弱、智能化程度低、准确度低和系统可靠性低等缺点，严重制约着煤矿工业向安全、绿色和高效方向发展。针对煤矿工业的现实需求，本项目提出研究一种“基于柔性光栅与柔性驱动的全光型煤矿瓦斯红外吸收光谱检测”新思想。项目将研发光驱动柔性光栅变形进行光谱扫描检测、光驱动微泵等新技术，最终实现矿井下瓦斯浓度全光型、远程、快速、准确探测。该技术方案中矿井下仅有光学器件，无电源等电子器件，消除了电路短路、放电等故障对矿井安全的潜在威胁。项目将探明这种新思想的检测原理和方法、各种影响因素对检测精度的影响规律，最终建立一套远程、全光型的瓦斯实时监测系统的原型样机。该新方法具有检测精度高、系统稳定可靠、成本低等优势，适于大面积应用，将为煤矿工业等危险行业提供一种廉价、先进的检测方法和技术，具有重要的理论和实际意义。

瓦斯灾害被称为煤矿安全生产的“头号杀手”。各煤矿生产管理单位对煤矿瓦斯监测非常重视，并成为煤矿是否可以生产的必要条件．研究和开发新型传感器和瓦斯监测技术日益受到广泛重视。本书主要介绍了煤矿瓦斯的产生．形成等过程和性质，重点总结了编著者在煤矿瓦斯传感技术和预警信息系统基础理论与关键技术等方面取得的最新成果和进展；同时，在撰写过程中，还参考了国内外在这一学科领域取得的新成就并进行了分析，力求能够较为全面地反映该领域的新进展。本书对于煤矿预防和治理瓦斯灾害具有积极和现实的意义。

本书可供采煤专业及煤层气开采专业方面的生产单位及相关科研部门．大专院校的研究人员，师生和管理者参考。

第一条　为监督国有煤矿落实先抽后采、监测监控、以风定产的瓦斯治理方针，控制特大瓦斯事故的发生，根据《安全生产法》、《煤矿安全监察条例》等法律、行政法规和《国务院办公厅关于完善煤矿安全监察体制的意见》（国办发〔2004〕79号）的有关规定，制定本规定。

第二条　煤矿安全监察机构应当将国有煤矿瓦斯治理作为安全监察工作的重点，在地方煤矿安全监管机构日常性安全监督检查的基础上，对下列矿井实施重点监察：

（一）煤与瓦斯突出矿井；

（二）高瓦斯矿井；

（三）有瓦斯动力现象的矿井；

（四）有高瓦斯区域的低瓦斯矿井；

（五）开采容易自燃和自燃煤层的矿井；

（六）采用放顶煤开采法开采的矿井。

重点监察下列内容：

（一）瓦斯治理责任制；

（二）安全投入；

（三）瓦斯治理机构设立和人员配备；

（四）防治瓦斯的管理制度和安全技术措施；

（五）瓦斯抽放系统；

（六）通风系统；

（七）安全监控系统及电气防爆性能；

（八）“四位一体”综合防突措施；

（九）综合防治煤层自燃的措施；

（十）矿井事故应急救援预案。

第三条　对重点矿井实施重点监察的过程中，发现有下列情形之一的，应当责令立即停止作业或者责令限期改正；拒不停止作业或者拒不改正或者逾期未改正的，责令停产整顿：

（一）瓦斯治理责任制不落实的；

（二）安全投入不到位的；

（三）没有设立瓦斯治理机构或者专业人员配备不足的；

（四）有关防治瓦斯的管理制度、安全技术措施不落实的；

（五）领导干部安全生产值班和跟班下井、监控系统中心站值班人员不到位的。

发现有下列情形之一的，应当责令停产整顿；对拒不执行停产整顿指令的，依法向有关部门提出对其主要负责人进行行政处分的建议，并向上级煤矿安全监察机构报告：

（一）瓦斯超限生产的；

（二）应抽未抽或者先抽后采措施落实不到位的；

（三）未按规定装备安全监控系统或者监控系统功能不齐全、运行不正常的；

（四）通风系统不完善、通风设施质量不高、抗灾能力低的；

（五）高瓦斯、突出矿井的采区没有专用回风巷的；

（六）高瓦斯、突出矿井采区没有实行分区通风，存在串联风、循环风、风流短路的；

（七）发生过瓦斯动力现象未经有资质的中介机构进行瓦斯等级鉴定、未按照突出矿井管理的；

（八）突出矿井没有采取“四位一体”综合防突措施或者措施落实不到位的；

（九）煤矿安全监察机构确认存在其他重大事故隐患的。

有以上2款情形的，煤矿安全监察机构应当立即向被监察煤矿的上级主管部门和有关地方人民政府通报，并跟踪落实情况。

第四条　煤矿安全监察机构应当严格按照国有煤矿核定通风能力，对煤矿通风系统、计划产量和实际生产情况实施专项监察。发现超通风能力生产的，应当立即下达监察指令,并及时通报其上级主管部门和有关地方人民政府;对拒不执行监察指令的，依法向有关部门提出对其主要负责人进行行政处分的建议，并向上级煤矿安全监察机构报告。

第五条　煤矿安全监察机构应当根据辖区内重点监察矿井的分布情况和数量，制定定期监察计划，其中以下3类矿井定期监察的次数不得低于下列规定：

（一）有高瓦斯区域的低瓦斯矿井，每年监察不少于1次；

（二）高瓦斯矿井，每年监察不少于2次；

（三）煤与瓦斯突出矿井，每年监察不少于4次。

第六条　煤矿安全监察机构应当检查指导地方煤矿安全监管工作，及时提出改善煤矿安全管理的意见和建议。

煤矿安全监察机构应当与地方煤矿安全监管机构建立协调机制，根据辖区实际情况听取国有煤矿安全生产情况的报告。

区域性煤矿安全监察机构每半年至少听取1次国有煤矿企业有关负责人（总工程师或者分管安全的副总经理、副局长）关于瓦斯治理情况的报告；省级煤矿安全监察机构每半年至少听取1次国有煤矿企业主要负责人关于安全生产情况的报告。

第七条　煤矿安全监察机构应当建立煤矿安全公告制度，在政府网站和当地媒体上定期公布重点监察的矿井名单、存在的事故隐患及整改情况，接受社会监督。

第八条　煤矿安全监察机构实行举报奖励制度，设立并公布举报电话、电子信箱，接受有关瓦斯超限生产、违法生产、违章指挥等情况的举报，并调查核实。举报情况属实的，给予举报人物质奖励。

第九条　煤矿安全监察机构在组织调查处理重、特大瓦斯事故时，对发生重大瓦斯事故负有直接管理责任的国有煤矿企业，应当向有关部门提出对其矿级主要负责人进行行政处分的建议；对发生特大瓦斯事故负有直接管理责任的国有煤矿企业，应当向有关部门提出对其局级主要负责人进行行政处分的建议；对严重失职、渎职涉嫌犯罪的人员，应当建议追究刑事责任。

国有煤矿违反本规定和《国有煤矿瓦斯治理规定》的，由煤矿安全监察机构依照有关法律、行政法规的规定实施行政处罚。

第十条　煤矿安全监察机构应当制定监察执法计划，确定监察责任区和责任人，建立安全监察执法责任追究制度。对在煤矿安全监察执法中成绩显著的人员给予表彰、奖励；对在履行职责中滥用职权、玩忽职守的人员按照有关规定给予行政处分。

本规定自公布之日起施行。

针对煤矿瓦斯重大危险源，开展远程预警理论与技术基础研究：① 矿井风网实时分析与调控理论及方法；② 瓦斯流监测与瓦斯场分析的可视化理论及关键技术原理；③ 瓦斯监测数据与煤矿事故数据融合理论与方法。发表论文13篇，完成发明专利设计4项，软件设计1项，4次受邀在国内外会议上做特邀报告。 1.研究了煤矿井下通风巷道风流与风压的合理监测点，验证了巷道断面凤速分布与传感器的布置可靠性。在风压监测中发现了大气压力对监测风压的周期性影响，在矿井的反风过程中，成功监测并记录了反风前后的风速变化曲线。以图论和矿井通风可视化仿真系统( VentGIS) 为基础，建立了角联分支数、网络结构熵快速估算模型。用VB语言开发的矿井风网可视化与实时解算系统，为实际生产中矿井通风管理提供了科学便捷的方法。 2.系统总结了矿井瓦斯时间序列自身所具的趋势性、相关性、周期性及异常性4 种特性，展望了K 线理论的应用前景。采用Fluent 软件建立并开发了高瓦斯综采工作面立体抽采瓦斯的CFD 模型，编制自定义函数，模拟瓦斯抽采与控制方式。CFD软件模拟瓦斯危险源的失控状态，结合瓦斯危险源辨识和事故案例，对瓦斯爆炸危险性进行定量风险评价。为瓦斯重大危险源的防控提供理论与计算案例及工具。 3.建立了煤岩体变形和瓦斯流动方程的关系,运用COMSOL Multiphysics 数值模拟软件模拟了某矿上保护层开采后下方的被保护层应力分布和瓦斯运移规律。借助FLAC3D软件研究三维岩石拉伸断裂瞬间破坏和煤岩瓦斯动力灾害瞬间断裂破坏机理。 4.项目研究以安徽淮南矿区和陕西旬邑青岗坪矿业公司为实验基地，将理论研究成果直接与生产需要相结合，解决了煤层瓦斯重大风险源状态测试关键技术----煤储层含气量与瓦斯压力测定及评价方法，并将提升为行业标准，具有重大的理论意义和经济价值。 5.给出了安全科学的科学定义和定位与防灾减灾的作用。 2100433B