高產(chǎn)高效礦井瓦斯綜合治理技術(shù)研究

李 奇,高中寧，張 怡,杜宏罡

(1.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川樂山 614000；2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059； 3.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，沈陽 110016)

0 引言

中國目前已經(jīng)是世界最大產(chǎn)煤國，其中有95%的煤礦屬于井工開采，礦井瓦斯災(zāi)害頻發(fā)，礦山安全形勢比較嚴(yán)峻，這嚴(yán)重影響著中國礦山高產(chǎn)高效安全地發(fā)展[1-2]。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對高產(chǎn)高效礦井的瓦斯治理提出了諸多見解，取得實效。80年代以前國外許多國家試圖通過改進(jìn)回采面通風(fēng)系統(tǒng)，來維持采煤工作面的安全生產(chǎn)[3-5]。德國薩爾、魯爾等礦區(qū)通過采取瓦斯抽采措施，一般抽采率可達(dá)63%，大大減少了瓦斯事故的發(fā)生[6]。對于低透氣性煤層瓦斯治理比較困難的問題，原蘇聯(lián)在卡拉干達(dá)、頓巴斯礦區(qū)采用交叉鉆孔強化預(yù)抽煤層瓦斯，抽采率增加幾倍[7]。烏克蘭科學(xué)院研制的腐植酸鈉新型藥劑配合水力壓裂的方式，提高煤層透氣性，使得抽采率提高到60%～75%[8]。美國、波蘭等國正在研發(fā)超大抽采能力干式、濕式抽采裝備，適應(yīng)市場需求[9]。為減少井下瓦斯治理壓力，美國、澳大利亞等國正在圣湖安煤田、鮑恩盆地等未開采區(qū)域試驗地面鉆孔瓦斯抽采，效果顯著[10]。20世紀(jì)50—80年代，我國礦井瓦斯治理的關(guān)鍵在搞清煤與瓦斯突出產(chǎn)生機理，借鑒學(xué)習(xí)國外較先進(jìn)的煤與瓦斯突出防治技術(shù)及科研成果，研究符合我國實際的預(yù)測煤與瓦斯突出方法與治理工程。20世紀(jì)80—90年代，我國主要以局部防突措施為主開展瓦斯防治，核心問題是落實與貫徹“四位一體”綜合防突措施[11-13]，核心工作是煤與瓦斯突出危險性預(yù)測指標(biāo)和預(yù)測方法，以及深入研究突出治理工程實踐方法[14]。2002年王顯政局長提出“先抽后采，監(jiān)測監(jiān)控，以風(fēng)定產(chǎn)”的12字方針[15]。2008年王君局長提出“通風(fēng)可靠、抽采達(dá)標(biāo)、監(jiān)控有效、管理到位，把煤礦瓦斯治理攻堅戰(zhàn)扎實有效地推向深入”[16]。

筆者立足于高產(chǎn)高效礦井保德煤礦在礦井瓦斯治理工程實際，提出了一系列瓦斯綜合治理技術(shù)方法，對于該礦井的瓦斯防治起到彌足重要的作用，同時相關(guān)技術(shù)可在同類礦井廣泛推廣應(yīng)用。

1 回采工作面瓦斯治理技術(shù)

1.1 回采面通風(fēng)方法與通風(fēng)方式優(yōu)化

針對保德煤礦高產(chǎn)高效的要求，一進(jìn)一回已經(jīng)不能滿足回采工作面的要求，從滿足運輸及處理瓦斯的要求，至少需要布置三條巷道?；夭擅婵偱滹L(fēng)量將至少為6 000m3/min，才能保證工作面的順利進(jìn)行回采。

工作面通風(fēng)方式上，應(yīng)滿足以下原則：為了保證工作面風(fēng)速不超限，同時增大通風(fēng)稀釋瓦斯的能力，而工作面(切眼)過風(fēng)量有限，最好采用多巷布置(包括兩進(jìn)兩回、三進(jìn)兩回或兩進(jìn)三回的)的通風(fēng)方式；通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計務(wù)必保證能夠控制上隅角瓦斯；通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計要基于回采面的瓦斯綜合治理措施，要基于采空區(qū)瓦斯的有效抽采，要基于采空區(qū)瓦斯的合理排放；礦井通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計一定要充分利用好均壓技術(shù)，有效的防控好采空區(qū)瓦斯的逸出，造成上隅角瓦斯超限事故。利用通風(fēng)設(shè)施合理調(diào)整風(fēng)流路線及風(fēng)量大小，確保通風(fēng)效率。

1.2 回采工作面瓦斯抽采措施

保德煤礦已經(jīng)建立地面瓦斯抽采系統(tǒng)，為保德煤礦回采工作面的實行瓦斯抽采提供了必要的保障。綜(放)采工作面實行瓦斯抽采時，在回采工作面的接替上要考慮備用工作面，同時工作面在巷道布置上要考慮瓦斯抽采的需要。

1.3 增大巷道頂板附近的風(fēng)速

當(dāng)無法保證稀釋瓦斯層所需的巷道平均風(fēng)速時，可采取增大局部地點的頂板風(fēng)速之措施。例如可在支架頂梁的下部安置一個導(dǎo)風(fēng)板，進(jìn)而可將風(fēng)流導(dǎo)向頂板處位置；沿著巷道頂板安設(shè)壓風(fēng)管路，每間隔一定長度接一分支管路，用壓風(fēng)將瓦斯層吹散；在集中瓦斯源附近裝設(shè)引射器。詳見圖1。

另外，用康達(dá)風(fēng)筒(旋流風(fēng)筒)解決瓦斯積聚，它是在局部通風(fēng)機的導(dǎo)風(fēng)筒上，沿其縱向開一條細(xì)長的切口，順著切口方向裝設(shè)與風(fēng)筒同圓心的弧形鐵罩(圖2)。該罩與風(fēng)筒之間留有切向排出口，風(fēng)筒的軸向有控制閥門，當(dāng)此閥門關(guān)閉(或關(guān)一定程度)時，風(fēng)流將從風(fēng)筒切口并經(jīng)鐵罩的排出口沿切線方向噴射出去，高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)流(15～30m/s)沿巷道周邊運動，這樣，巷道支架背板后空洞的積聚瓦斯和頂板的瓦斯層均可被稀釋和帶出，從而解除了涌出的瓦斯積聚的危險。

a-導(dǎo)風(fēng)板法；b-分枝壓風(fēng)管法；c-引射器法圖1 增大頂板附近風(fēng)速吹散瓦斯Figure 1 Blowing away gas through roof nearbyair-flow rate increasing

a康達(dá)風(fēng)筒-b-巷道斷面內(nèi)風(fēng)流運動狀態(tài)1-鐵皮罩2-鐵風(fēng)筒3-切向排風(fēng)口4-風(fēng)筒上的切口圖2 康達(dá)風(fēng)筒處理積聚瓦斯Figure 2 Gasconcentrations processing through Coanda air duct

1.4 密閉斷絕瓦斯涌出源

巷道頂板巖石比較破碎的時，大量的瓦斯會從裂隙涌出，可利用一些化塑材料或者粘土等將裂隙填充巖石，封堵住瓦斯溢出通道，進(jìn)而封閉瓦斯涌出源。

2 掘進(jìn)工作面瓦斯治理技術(shù)

根據(jù)目前保德煤礦瓦斯預(yù)測與瓦斯涌出特點，在掘進(jìn)的過程中應(yīng)加強通風(fēng)監(jiān)管，強化通風(fēng)措施，做好瓦斯監(jiān)控監(jiān)測工作和瓦斯日常檢查，有效處理好局部瓦斯積聚。

(1)采用雙巷掘進(jìn)，每隔50～100m開一聯(lián)絡(luò)巷形成全風(fēng)壓通風(fēng)，同時提高聯(lián)絡(luò)巷的密閉質(zhì)量從而減少漏風(fēng)，以提高掘進(jìn)面解決防控瓦斯能力，根據(jù)保德煤礦長距離快速的掘進(jìn)，在瓦斯涌出比較強的區(qū)域，也可在巷道布置時考慮兩頭對掘的方式，從而縮短掘進(jìn)距離及局扇的供風(fēng)距離。

(2)增加大功率風(fēng)機，采用高強質(zhì)風(fēng)筒，減少漏風(fēng)以增加掘進(jìn)頭的風(fēng)量。

(3)對于瓦斯涌出較大區(qū)域，采用通風(fēng)方式已不能解決時，尤其進(jìn)行深部區(qū)域掘時，可以采用邊掘邊抽的方法。

(4)掘進(jìn)工作面實行“三專兩閉鎖”，安設(shè)瓦斯探頭，瓦斯超限時報警斷電；確保巷道通風(fēng)隅角及冒高處等地點無瓦斯積聚，做到無瓦斯超限作業(yè)。

(5)機電方面做到“三無” “四有” “兩齊” “三全”“一堅持”；嚴(yán)禁利用不具備防爆功能或者防爆功能受損的的電氣設(shè)備；日常監(jiān)督排查“五小”電氣的抑爆功能。

(6)故障斷風(fēng)后，務(wù)必要斷掉電源撤離人員，安設(shè)防護(hù)欄與警告標(biāo)志；在風(fēng)流恢復(fù)輸送前，嚴(yán)格要求瓦檢員檢查瓦斯情況，一旦出現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸?、瓦斯異?；蛲咚狗e聚，立即制定瓦斯排放措施。

(7)加強通風(fēng)設(shè)施的管理，嚴(yán)禁一切非防爆車輛進(jìn)入該區(qū)域，并對防爆車輛進(jìn)行檢查，保證完好。

3 頂板冒落空洞積聚瓦斯處理技術(shù)

對于煤層賦存不穩(wěn)定的情況下，在回采或者掘進(jìn)過程中，會時常出現(xiàn)頂部冒落，就會在巷道頂部產(chǎn)生空洞，個別空洞面積會很大。在冒頂?shù)目斩蠢镲L(fēng)流無法順暢流通，就會造成瓦斯的積聚。在這種情況下需要采用空洞充填、風(fēng)流吹散和封閉抽采等方法消除瓦斯積聚。

3.1 空洞充填法

空洞充填法在我國很早就已經(jīng)采用，在一些礦區(qū)首先在冒落空洞位置架設(shè)木樁、木板或者荊笆形成骨架，之后使用黃粘土把孔洞填充即可。這種方法能夠封住瓦斯存留的區(qū)域，能夠防止瓦斯聚集；同時對易自燃的厚煤層還能起到預(yù)防冒頂浮煤自然發(fā)火的作用。其充填方法見圖3。

泡沫塑料充填冒高的方式如圖4。

1-木板或荊笆；2-黃土圖3 黃土充填冒落空洞Figure 3 Caving cavity loess filling

a-泡沫塑料塊充填法；b-澆注充填1-泡沫塑料塊；2-澆注管3-澆注的泡沫塑料圖4 泡沫塑料充填冒落空洞示意圖Figure 4 A schematic diagram of caving cavitypolyfoam filling

充填空洞法的優(yōu)點是處理效果可靠，并同時起到了預(yù)防冒落空洞浮煤自然發(fā)火的作用。

3.2 風(fēng)流吹散法

風(fēng)流吹散法解決瓦斯聚集已經(jīng)廣泛的應(yīng)用，但具體實施方法尚應(yīng)根據(jù)冒高范圍、聚集瓦斯量、瓦斯涌出速度和風(fēng)流速度的大小來選擇。

據(jù)經(jīng)驗，導(dǎo)風(fēng)障法適用于冒落高度小于2m，冒落孔洞體積小于6m3，風(fēng)速大于0.5m/s的情況(圖5)。風(fēng)障的材料視其服務(wù)時間而定，時間長者可用木板，時間短者可用帆布等。該法的優(yōu)點是施工簡單、經(jīng)濟(jì)；缺點是使局部地點的巷道略有高低不平，運輸和行人感到不便。

圖5 導(dǎo)風(fēng)障引風(fēng)吹散法Figure 5 Air deflectorinduced air blowing away method

對于冒落高度高于2m，冒落孔洞范圍超過6m3，巷道內(nèi)風(fēng)流速度小于0.5m/s時，有具備安置局部通風(fēng)機的地理條件，這時利用風(fēng)袖吹散法又稱分支風(fēng)管法見圖6。

其具體實施方法，通常在風(fēng)筒的上面剪開一個小孔以連接一段尺寸較小的風(fēng)筒或者膠管，將風(fēng)流分流到巷道頂板的高處，進(jìn)而可以吹散積存的瓦斯。風(fēng)袖的長度與直徑，視冒高和范圍大小而定。該法的優(yōu)點是簡單易行；缺點是降低了工作面的有效通風(fēng)量。如果巷道中不具備安置局扇的條件，也可利用壓風(fēng)管路，在上面連接多個支管，延伸到巷道高處，吹散瓦斯。

圖6 分支風(fēng)管送風(fēng)吹散法Figure 6 Splitting air feeding blowing away method

3.3 封閉抽采法

在一些礦井工作面頂板冒落的空洞內(nèi)積存有大量的瓦斯，且其間瓦斯涌出釋放速度很快，在巷道中調(diào)配的風(fēng)量又不大，要是采用風(fēng)流稀釋涌出的瓦斯特別容易造成瓦斯即刻涌入使得巷道中瓦斯超標(biāo)，此種情況可利用封閉抽采法，見圖7。

圖7 封閉抽采法示意圖Figure 7 A schematic diagram ofenclosed type drainage method

前提是在頂板冒落處與巷道頂板之間，用木板并涂抹黃泥封閉隔離，然后插入抽采管并接至移動抽采泵站進(jìn)行抽采?？捎靡淦?壓風(fēng)或水力的)并送至總回風(fēng)道或分區(qū)回風(fēng)巷道的安全地點。

封閉抽采法的優(yōu)點是處理效果可靠，技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理，易于實行；它的不足是實施工藝相對復(fù)雜，且成本較高。另外，受條件的限制，增加了礦井抽采和防火管理工作的困難，如稍有疏忽，有可能引起自然發(fā)火。

4 采煤機附近積聚瓦斯處理技術(shù)

8號煤層開采過程中，在采煤機的截盤周圍與采煤機和煤層壁的區(qū)域，采煤機上方的機道內(nèi)也便于聚集瓦斯。處理此類瓦斯聚集通常采取提高工作面風(fēng)流量，加強局部區(qū)域的風(fēng)流速度。

4.1 加大工作面風(fēng)量

該方法通常采用加大主扇配風(fēng)量來實現(xiàn)，與利用增大部分區(qū)域風(fēng)流速度的方法相比，其路線較長，送風(fēng)困難，而且成本較高。另外，回采面最大風(fēng)流速度不宜超過4m/s，因此，該方法有一定的局限性。

4.2 在局部位置增加風(fēng)速

前蘇聯(lián)礦區(qū)所使用的雙射流風(fēng)水引射器(圖8)，安裝在機體上距落煤機構(gòu)300～400mm。引射器的引射風(fēng)量不少于20m3/min，同時由引射器噴出的風(fēng)流速度，在距其安設(shè)地點4～5m處應(yīng)大于3m/s。

圖8 風(fēng)水引射器在機組上的安裝方式Figure 8 Installation mode of air ejector on assembling unit

5 回采工作面上隅角瓦斯處理技術(shù)

回采工作面上隅角為整個采面采空區(qū)的漏失風(fēng)量聚集地點，很容易出現(xiàn)瓦斯積存，嚴(yán)重危害礦井安全生產(chǎn)。尤其是最近幾年間，瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)導(dǎo)致的瓦斯爆炸危害有所增加。保德礦綜合開采工作面在生產(chǎn)時，上隅角瓦斯?jié)舛葧r常超出臨界值，給生產(chǎn)帶很大的安全隱患，所以更應(yīng)該加強這一區(qū)域的瓦斯治理?？刹捎蔑L(fēng)障法及專用的抽采瓦斯設(shè)備進(jìn)行處理。主要利用引導(dǎo)風(fēng)流、向上階段采空區(qū)漏風(fēng)排瓦斯和抽排上隅角瓦斯等。

用風(fēng)流驅(qū)散法治理上隅角瓦斯必須保證回風(fēng)巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛炔怀?，一旦巷道?nèi)瓦斯?jié)舛瘸^規(guī)定限制時，就必須利用抽采設(shè)備將瓦斯排放出去。常采用用的抽采瓦斯設(shè)備有移動瓦斯抽采泵或直接將抽采管與地面抽采泵站連接。

6 結(jié)語

本文從保德礦的生產(chǎn)實際出發(fā)提出了礦井瓦斯綜合治理技術(shù)，主要包括采掘工作面治理技術(shù)、頂板冒落空洞積聚瓦斯處理技術(shù)、采煤機附近積聚瓦斯處理技術(shù)、回采工作面上隅角瓦斯處理技術(shù)等瓦斯防治技術(shù)，以上技術(shù)在保德煤礦的應(yīng)用中都獲得了很好的成效。