關(guān)于深部煤礦開采瓦斯綜合治理技術(shù)的分析

＊陳曉東

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)前灣煤業(yè)有限責(zé)任公司 山西 042100）

數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)煤礦資源有超過50%的部分都分布在位于地表以下超過1000m處的層區(qū)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，煤礦被不斷開采，煤這種不可再生資源正在不斷減少，企業(yè)開采煤礦的挖掘深度不斷提高，依據(jù)現(xiàn)有的信息進(jìn)行計(jì)算，未來我國(guó)煤礦采集平均深度將接近1500m，甚至更深，并且根據(jù)發(fā)展趨勢(shì)，煤炭仍作為不可替代的能源被廣泛使用。深度越深，煤炭所處溫度越高，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)越劇烈，生成甲烷、乙烷等混合氣體，對(duì)礦井內(nèi)工作人員和開采設(shè)施帶來極大安全隱患，所以為了治理煤礦內(nèi)瓦斯帶來的問題隱患，我們需要總結(jié)歸納、深入研究對(duì)深部煤礦礦井內(nèi)殘留瓦斯的管控方法。

1.深部煤礦瓦斯帶來的隱患

瓦斯與煤炭資源一同存在于煤礦礦井中，瓦斯屬于易燃易爆的氣體，一旦在礦井中過量聚集并超過一定濃度，將會(huì)容易引發(fā)燃燒、爆炸等安全事故，不僅會(huì)影響企業(yè)或相關(guān)單位的正常生產(chǎn)，最重要的關(guān)乎工作人員的生命安全，所以要特別重視。

(1)瓦斯燃燒隱患

瓦斯屬于一種混合氣體，主要成分為甲烷氣體，另含少量的乙烷、丙烷和丁烷等氣體，具有可燃性。在煤礦的開采過程中，由于礦井中瓦斯含量隨挖掘深度的延伸而逐漸提高，因此在開采深度較深的情況下，煤礦會(huì)積聚大量的瓦斯氣體。若煤礦整體環(huán)境通風(fēng)設(shè)計(jì)不合理，瓦斯無法有效排出井外，當(dāng)氧氣濃度相對(duì)較低，或瓦斯?jié)舛任催_(dá)到爆炸閾值時(shí)，礦井內(nèi)部一旦出現(xiàn)明火，瓦斯就會(huì)在井內(nèi)燃燒，造成礦井內(nèi)部的火災(zāi)事故。一旦發(fā)生瓦斯爆炸，容易存在窒息的隱患，當(dāng)瓦斯泄露達(dá)到一定濃度時(shí)，會(huì)降低空氣中的含氧量，造成煤礦施工人員缺氧，嚴(yán)重者還會(huì)直接危及生命。

目前研究一般認(rèn)為，當(dāng)瓦斯?jié)舛炔蛔?%時(shí)，爆炸不會(huì)產(chǎn)生，但會(huì)在外層形成燃燒帶，造成火災(zāi)事故。當(dāng)瓦斯?jié)舛壬仙?6%以上，此時(shí)氧氣濃度一般不足以支撐瓦斯引發(fā)爆炸，此時(shí)難以產(chǎn)生爆炸，但會(huì)出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象。

(2)瓦斯爆炸隱患

當(dāng)?shù)V井中殘留的瓦斯?jié)舛茸銐蚋?，且礦井內(nèi)部出現(xiàn)明火時(shí)，會(huì)發(fā)生瓦斯引發(fā)的爆炸事故，并在爆炸發(fā)生時(shí)，經(jīng)常會(huì)伴隨粉塵爆炸等連鎖反應(yīng)。截至目前的研究表明，導(dǎo)致爆炸的瓦斯?jié)舛纫话阍?%～16%之間，其中瓦斯?jié)舛冗_(dá)到9.5%，且氧氣濃度滿足瓦斯足夠充分反應(yīng)的情況下爆炸威力最大。

(3)瓦斯中毒隱患

瓦斯同時(shí)是一種有毒氣體，揮發(fā)到空氣中，會(huì)對(duì)吸入者身體造成一定的損害，在攝入量達(dá)到一定程度的時(shí)候人體將出現(xiàn)頭暈、嘔吐、耳鳴等一系列的癥狀，情況嚴(yán)重可致人死亡。

隨著采礦深度的增加，瓦斯?jié)舛纫苍诓粩嗵岣?，如果設(shè)計(jì)礦井內(nèi)部風(fēng)道結(jié)構(gòu)時(shí)，沒有充分考慮到通風(fēng)，無法將瓦斯氣體有效排出井外或稀釋至無毒害濃度，礦井內(nèi)工作人員在吸入高濃度瓦斯氣體后，會(huì)出現(xiàn)不同程度的中毒現(xiàn)象，如果長(zhǎng)期處于高濃度瓦斯的環(huán)境下，采礦工人將可能產(chǎn)生窒息死亡的情況。

(4)瓦斯突出隱患

在進(jìn)行礦井開采時(shí)，如果瓦斯壓力和含量達(dá)到了一定峰值，就會(huì)存在瓦斯突出隱患。在礦井開采時(shí)，煤礦開采的深度一般都會(huì)超過800m，瓦斯的壓力也在5.0-100MPa之間，所以在進(jìn)行深部開采時(shí)，要多加注意瓦斯突出的問題，以免發(fā)生危害。

2.當(dāng)代煤礦開采企業(yè)瓦斯治理面臨的難題

煤礦開采企業(yè)在針對(duì)瓦斯?jié)舛燃皦毫械闹卫韱栴}所面臨的難題集中在瓦斯的抽放和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處理的問題上。

首先，我國(guó)采煤企業(yè)目前一般存在瓦斯抽放技術(shù)及設(shè)備相對(duì)落后于國(guó)外，國(guó)內(nèi)專家對(duì)井內(nèi)瓦斯排放及再利用的研究不足等問題，不同于國(guó)外主流的瓦斯地面抽放方法或瓦斯液化技術(shù)，國(guó)內(nèi)多數(shù)煤炭企業(yè)在抽放瓦斯的問題上一般采用井下抽放，實(shí)質(zhì)上沒有根本性地處理掉存儲(chǔ)于巖層下的瓦斯[1]。

其次，部分企業(yè)內(nèi)存在瓦斯治理思想陳腐的管理人員，對(duì)及時(shí)抽放井內(nèi)殘存瓦斯的意義認(rèn)識(shí)不足，沒有充分考慮瓦斯存留對(duì)井內(nèi)工作人員的危害及對(duì)生產(chǎn)安全隱患的積累，仍保有只看生產(chǎn)、無視安全的態(tài)度，否認(rèn)新技術(shù)的價(jià)值和可行性，影響瓦斯治理方案的落實(shí)與推廣，這極大阻礙了瓦斯治理新技術(shù)的實(shí)施。

此外，在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展普及的整體環(huán)境下，部分煤炭企業(yè)正逐步采用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，進(jìn)行礦井內(nèi)部安全檢測(cè)及工況監(jiān)控。但是受限于缺乏運(yùn)營(yíng)管理經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)應(yīng)用尚未成熟等條件，導(dǎo)致其中存在雖然企業(yè)實(shí)現(xiàn)了礦井內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)連接，但是系統(tǒng)響應(yīng)慢，網(wǎng)絡(luò)速度低，現(xiàn)場(chǎng)緊急情況發(fā)生后反而處理不及時(shí)的情況?，F(xiàn)場(chǎng)管理者和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人員水平不到位，系統(tǒng)長(zhǎng)期沒有得到必要的維護(hù)，應(yīng)急流程得不到有效優(yōu)化，安全監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)急情況處理中不僅起不到相應(yīng)作用，甚至成為累贅。

3.深部煤礦開采瓦斯綜合治理技術(shù)介紹

(1)控制瓦斯的燃燒和爆炸條件

瓦斯燃燒或爆炸所需的三大要素是：瓦斯相對(duì)含量、環(huán)境氧氣濃度和引火溫度。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)?shù)V井內(nèi)瓦斯含量達(dá)到7%～8%時(shí)，瓦斯燃爆可能性最大、最難以控制。瓦斯燃燒的最低溫度隨環(huán)境壓力變化而變化，一般為650～750℃。環(huán)境中氧氣濃度低于12%時(shí)，瓦斯無法被引爆[2]。因此，可以通過對(duì)井內(nèi)瓦斯引燃引爆的以上三大要素進(jìn)行管控，達(dá)到防火防爆的目的。控制環(huán)境引火溫度，需要對(duì)煤礦開采工人進(jìn)行定期防火安全培訓(xùn)，并通過細(xì)化規(guī)章制度、流程固化等方法，嚴(yán)格確保從業(yè)人員能夠了解、掌握并運(yùn)用煤礦安全開采所必需的操作規(guī)范，特別作為現(xiàn)場(chǎng)工作人員，一定要確保嚴(yán)格遵守規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)，嚴(yán)格禁止產(chǎn)生明火，催生井內(nèi)安全事故。

對(duì)于礦井內(nèi)瓦斯含量的管理，單位應(yīng)遵守安全生產(chǎn)規(guī)范的內(nèi)容，定期對(duì)用于生產(chǎn)的工具設(shè)備進(jìn)行仔細(xì)檢查和維護(hù)，對(duì)礦井內(nèi)部的通風(fēng)設(shè)施進(jìn)行周密檢查，務(wù)必確保礦井內(nèi)部通風(fēng)情況正常。將巷道內(nèi)瓦斯含量管控在安全濃度的同時(shí)，采礦單位還應(yīng)設(shè)置瓦斯異常檢測(cè)部門，專門檢查發(fā)現(xiàn)瓦斯?jié)舛葔毫Ξ惓^(qū)域，便于管理人員迅速響應(yīng)，以及技術(shù)人員能夠第一時(shí)間分析處理問題，防止瓦斯累積導(dǎo)致火災(zāi)事故。此外，對(duì)通風(fēng)裝置的風(fēng)向也需要按時(shí)檢查，防止風(fēng)向設(shè)置錯(cuò)誤導(dǎo)致礦井內(nèi)的瓦斯氣體無法流向井外。

(2)加強(qiáng)瓦斯監(jiān)控和監(jiān)測(cè)

在進(jìn)行煤礦開采時(shí)，相關(guān)企業(yè)或工作單位必須在礦井中安裝瓦斯監(jiān)測(cè)設(shè)備，包括瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、礦井監(jiān)控系統(tǒng)、礦井通風(fēng)系統(tǒng)、瓦斯閉電系統(tǒng)、甲烷報(bào)警系統(tǒng)等，以保障煤礦開采工作的安全性，把員工安全放在第一位。這些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)用，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦井的工作情況，提高礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量。根據(jù)我國(guó)煤礦安全開采的工作標(biāo)準(zhǔn)，煤礦開采人員應(yīng)該攜帶便攜式甲烷監(jiān)測(cè)儀器與便攜式甲烷報(bào)警儀器，如果礦井內(nèi)部瓦斯?jié)舛犬惓?，監(jiān)測(cè)和報(bào)警儀器就會(huì)發(fā)出提醒信號(hào)，警醒相關(guān)工作人員進(jìn)行應(yīng)急反應(yīng)和處理，防止事故發(fā)生。通過鉆孔的方式預(yù)抽煤層條帶瓦斯，可以降低該部分的瓦斯含量，降低該區(qū)域瓦斯壓力。

(3)穿層鉆孔與順層鉆孔

穿層鉆孔技術(shù)與順層鉆孔技術(shù)也是瓦斯治理中重要的技術(shù)。首先是穿層鉆孔技術(shù)，在進(jìn)行煤礦開采工作前，要先在瓦斯抽放巷內(nèi)布置成組的穿層鉆孔并聯(lián)網(wǎng)，并預(yù)抽煤層內(nèi)含有的瓦斯。穿層鉆孔并聯(lián)網(wǎng)每組是11個(gè)鉆孔，瓦斯抽放巷的治理范圍是超前煤層掘進(jìn)工作面至少200m。如果煤層瓦斯含量高、壓力大，要在進(jìn)行穿層鉆孔后，應(yīng)用水力割縫技術(shù)，使用高壓水射流對(duì)鉆孔周圍的煤體進(jìn)行切割，讓鉆孔周圍的瓦斯和煤體應(yīng)力產(chǎn)生波動(dòng)，降低鉆孔周圍煤體的壓力，提高煤層的透氣性，促進(jìn)瓦斯的排放，提高煤礦工作的安全性。其次是順層鉆孔技術(shù)，順層鉆孔技術(shù)是根據(jù)煤層瓦斯的含量和礦井所在地的地質(zhì)條件，利用順層鉆孔技術(shù)對(duì)回采區(qū)域內(nèi)的煤礦瓦斯進(jìn)行預(yù)抽。運(yùn)輸巷是在巷道上方進(jìn)行開孔，中間煤巷是向上下兩邊開孔，風(fēng)巷是向巷道下開孔，在鉆孔封口后，使用抽放軟管連接礦井抽放系統(tǒng)，來進(jìn)行工作面回采區(qū)域的瓦斯抽放。

(4)高抽巷開采

高抽巷開采是指在上覆巖層裂隙帶內(nèi)布置高抽巷，巖層會(huì)因?yàn)殚_采受到擾動(dòng)而斷裂、脫落，形成可以讓瓦斯流動(dòng)的通道，這條通道，也是布置高位抽排巷的最好位置。通過這一技術(shù)，可以向上穿層鉆孔，抽采了巖層裂隙帶內(nèi)含有的瓦斯，降低區(qū)域內(nèi)的瓦斯?jié)舛?，如果瓦斯?jié)舛瘸^限制，將會(huì)引發(fā)甲烷報(bào)警系統(tǒng)運(yùn)作，影響人身和財(cái)產(chǎn)安全。采空區(qū)的瓦斯抽采是通過在采空區(qū)頂板上進(jìn)行施工鉆孔，并進(jìn)行瓦斯抽放，一般情況下被布置在頂板縫隙帶中，可以降低采空區(qū)的瓦斯涌出量。

(5)地面鉆井抽放技術(shù)

因?yàn)榈V井開采的特定條件影響，礦井下的應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)域會(huì)殘留保護(hù)煤柱和圍巖中會(huì)聚集大量瓦斯，通過使用地面鉆井技術(shù)，進(jìn)行該區(qū)域的瓦斯抽采，會(huì)有效的排放該區(qū)域內(nèi)殘留的瓦斯，避免因瓦斯?jié)舛冗^高造成災(zāi)害。現(xiàn)如今，我國(guó)很多地區(qū)都進(jìn)行地面鉆井抽放技術(shù)的研究，促進(jìn)煤與瓦斯的協(xié)調(diào)開采，通過將穿層鉆孔、井下順層與地面鉆井相結(jié)合進(jìn)行瓦斯抽采，將本煤層與相鄰近的煤層共同抽采，實(shí)現(xiàn)時(shí)間上、空間上的瓦斯治理，推動(dòng)瓦斯治理的科技化發(fā)展，形成瓦斯治理新模式。

(6)保護(hù)層開采技術(shù)

保護(hù)層開采方法一般在深度較低的煤層中實(shí)施效果明顯，經(jīng)常需要結(jié)合瓦斯抽采同步使用。開采層間距低于30m的煤層群時(shí)，層間巖層較薄較軟，在突出層壓力降低后，周圍瓦斯氣體將由層間裂紋縫隙進(jìn)入開采層，結(jié)合瓦斯集中收集技術(shù)可減緩?fù)咚沟挠砍隽髁?，保證礦井內(nèi)作業(yè)的安全穩(wěn)定性。在完成保護(hù)層的開采后，內(nèi)部煤層的力學(xué)強(qiáng)度會(huì)根據(jù)保護(hù)層的變形發(fā)生改變，從而影響礦井內(nèi)整體瓦斯壓力的變化，也會(huì)影響煤層整體的透氣性，提高煤礦開采工作的安全性。開采層間小于30-50mm的煤層中沒有質(zhì)地堅(jiān)硬的巖層，在突出層壓力發(fā)生改變后，瓦斯會(huì)通過巖層間的縫隙涌入到開采層中，進(jìn)而形成瓦斯超限等情況，所以需要工作人員制定科學(xué)的瓦斯抽采方式，抑制瓦斯向工作面大量涌入的現(xiàn)象，提高煤礦開采的安全性，下圖是保護(hù)層開采技術(shù)的具體流程原理（圖1）。

圖1 保護(hù)層開采技術(shù)原理圖

(7)瓦斯集中焚燒處理

瓦斯的主要成分是甲烷等烷烴，烷烴與氧氣充分發(fā)生氧化還原反應(yīng)，會(huì)生成二氧化碳和水，反應(yīng)式如式（1）所示?？梢愿鶕?jù)此原理集中焚燒處理礦井內(nèi)抽取的瓦斯氣體。

烷烴與氧氣反應(yīng)方程式：

由上式可知，對(duì)煤礦井內(nèi)抽出的瓦斯氣體進(jìn)行集中焚燒，生成物為二氧化碳和水，屬于無毒無害氣體，有利于實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)，改善大氣環(huán)境。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，甲烷等烷烴氣體造成的溫室效應(yīng)可達(dá)到同等體積二氧化碳所能造成溫室效應(yīng)的21倍。相比之下，將礦井內(nèi)部收集的瓦斯氣體集中焚燒處理，可極大程度避免煤礦開采瓦斯排放造成的溫室效應(yīng)，有利于環(huán)境治理和綠色發(fā)展。同時(shí)，為了管控烷烴氣體不規(guī)范排放導(dǎo)致溫室效應(yīng)等一系列問題，國(guó)家頒布了排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，明文禁止高濃度瓦斯直接排放到大氣中[3]。并且由于礦井內(nèi)抽取的瓦斯氣體純度低、雜質(zhì)多，這些瓦斯氣體也難以被回收利用。因此，研究焚燒技術(shù)銷毀處理是必要的。

主流的焚燒技術(shù)要求諸如烷烴等可燃?xì)怏w所占濃度比例必須比該氣體爆炸上限略高。當(dāng)深部采礦收集的瓦斯氣體甲烷含量較低時(shí)，焚燒無法進(jìn)行。因此低濃度礦井內(nèi)部采集瓦斯焚燒處理技術(shù)仍有待完善。也正因此國(guó)家暫未對(duì)低濃度瓦斯的空氣排放進(jìn)行明文限制。多孔介質(zhì)預(yù)混燃燒是一項(xiàng)基于新穎成熟燃燒理論的技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于能有效降低燃燒污染，擴(kuò)展氣體可燃極限，甚至能夠燃燒諸如上文提及的低濃度混合可燃?xì)怏w。該項(xiàng)技術(shù)有望解決低濃度瓦斯的集中焚燒處理排放問題。

(8)加強(qiáng)局部通風(fēng)管理

在深部煤礦處理礦井內(nèi)部瓦斯過程中，為了提高瓦斯收集排放能力、促進(jìn)礦井內(nèi)部空氣流通，一般會(huì)采用局部通風(fēng)機(jī)。局部通風(fēng)設(shè)備的使用方案、安裝位置等需要詳細(xì)周密的布置計(jì)劃。局部通風(fēng)機(jī)投入應(yīng)用的場(chǎng)景中一般需配合風(fēng)電設(shè)備等輔助裝置，局部通風(fēng)設(shè)備的使用及維護(hù)必須設(shè)置經(jīng)過培訓(xùn)的專業(yè)人員專門管理，未經(jīng)相關(guān)知識(shí)技術(shù)培訓(xùn)的工作人員正常情況下不能觸碰或操作局部通風(fēng)裝備的控制系統(tǒng)，企業(yè)還應(yīng)該另外安排專業(yè)檢測(cè)人員定期對(duì)裝置進(jìn)行檢測(cè)和更換，保證礦井內(nèi)部通風(fēng)設(shè)備能夠安全高效的正常使用[4]。

在遇到突發(fā)情況，如檢修停電等生產(chǎn)故障等場(chǎng)景下造成局部通風(fēng)裝置宕機(jī)，井下工作人員需要切斷一切電力來源，設(shè)置警戒線等警示公告，并馬上從井下撤出，在通風(fēng)設(shè)備能夠進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前，礦井內(nèi)部氣體需被有效排放，同時(shí)礦井內(nèi)部環(huán)境的瓦斯含量需通過檢測(cè)，在井內(nèi)瓦斯?jié)舛戎匦禄謴?fù)低于煤礦開采瓦斯?jié)舛葮?biāo)準(zhǔn)之后，工作人員才能分批進(jìn)入礦井內(nèi)部繼續(xù)開啟工作，這樣才能保證煤礦現(xiàn)場(chǎng)開采人員的生命安全。

4.結(jié)束語

綜上所述，對(duì)于深部煤層的煤礦開采，對(duì)瓦斯?jié)舛葔毫Φ雀黜?xiàng)指標(biāo)的治理管控尤為重要，通過對(duì)礦井內(nèi)部瓦斯監(jiān)測(cè)處理收集焚燒等操作，能夠有效避免由于深部煤礦累積的瓦斯造成的安全隱患，從而使工作人員生命安全以及周圍環(huán)境的綠色健康得到保障。在瓦斯治理中，我們還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)煤礦開采過程中瓦斯處理方式及實(shí)施的監(jiān)督管理，準(zhǔn)確判斷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，徹底防控安全隱患，只有了解分析并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況選用正確的治理方案，才能最大程度綜合治理礦區(qū)瓦斯造成的事故隱患。