高瓦斯低透氣性松軟煤層瓦斯治理技術(shù)研究

馬 德

（陜西陜煤銅川礦業(yè)有限公司下石節(jié)煤礦，陜西銅川 727101）

煤層瓦斯災(zāi)害一直是煤炭開(kāi)采中的首要安全隱患。由于煤體內(nèi)部瓦斯的積累或突發(fā)釋放，一旦其濃度超過(guò)安全限值，一個(gè)微小的火花或高溫都可能引發(fā)瓦斯爆炸，導(dǎo)致重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，這種災(zāi)害不僅威脅礦工的生命安全，同時(shí)也給礦山企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。另外，煤層瓦斯的排放還會(huì)對(duì)全球環(huán)境構(gòu)成挑戰(zhàn)，加速溫室效應(yīng)。因此，探索和研究有效的瓦斯治理技術(shù)，特別是針對(duì)高瓦斯低透氣性松軟煤層的治理，顯得尤為重要和緊迫。

1 煤層瓦斯治理技術(shù)概述及治理難點(diǎn)

1.1 現(xiàn)行瓦斯治理技術(shù)概述

煤層瓦斯治理技術(shù)在煤炭開(kāi)采中扮演著至關(guān)重要的角色，確保礦山的安全和生產(chǎn)效率。過(guò)去幾十年里，隨著技術(shù)的進(jìn)步，多種瓦斯治理技術(shù)已被研發(fā)和應(yīng)用，包括預(yù)抽瓦斯、鉆孔釋放、高壓水射流切割和地下瓦斯抽排等。其中，預(yù)抽瓦斯技術(shù)通過(guò)在開(kāi)采前鉆孔到煤層，將瓦斯提前釋放出來(lái)，大幅降低了開(kāi)采時(shí)的瓦斯?jié)舛?；而高壓水射流切割技術(shù)可以創(chuàng)造出大量的微小裂縫，增加煤層的透氣性，從而提高瓦斯的排放效率。

盡管這些技術(shù)在很大程度上提高了瓦斯治理的效果，但在高瓦斯、低透氣性、松軟的煤層中，仍然面臨許多挑戰(zhàn)。①由于低透氣性煤層的氣孔和裂縫較少，瓦斯排放困難，常規(guī)的抽排技術(shù)效果不佳。其次，松軟煤層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得煤體在開(kāi)采過(guò)程中容易崩塌，這不僅影響瓦斯抽排設(shè)備的正常工作，還可能導(dǎo)致新的安全隱患。②現(xiàn)有的瓦斯治理技術(shù)往往需要較大的投資和運(yùn)營(yíng)成本，對(duì)于一些中小型煤礦來(lái)說(shuō)，成了一個(gè)不小的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。③尋找一種既經(jīng)濟(jì)又高效、能夠適應(yīng)不同煤層特點(diǎn)的瓦斯治理技術(shù)，成為煤炭行業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的研究重點(diǎn)。

1.2 針對(duì)高瓦斯低透氣性松軟煤層的治理難點(diǎn)

高瓦斯低透氣性松軟煤層在瓦斯治理方面存在諸多困難和挑戰(zhàn)。①低透氣性意味著煤層內(nèi)部的瓦斯難以被有效排放。這種狀況導(dǎo)致瓦斯累積在煤體中，形成瓦斯壓力高的區(qū)域，增加了瓦斯突出和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。②松軟煤層的物理特性使得其在開(kāi)采過(guò)程中容易產(chǎn)生變形和位移，這不僅可能損壞已經(jīng)布設(shè)的瓦斯抽排設(shè)備，還可能導(dǎo)致新的瓦斯積累區(qū)域。而這種松軟的煤體結(jié)構(gòu)在開(kāi)采過(guò)程中的變動(dòng)，給瓦斯治理工作帶來(lái)了額外的不確定性。③高瓦斯含量意味著必須進(jìn)行持續(xù)而高效的瓦斯抽排，才能確保礦山的安全生產(chǎn)。然而，現(xiàn)有的抽排技術(shù)在這種特殊煤層條件下常常效果不佳，因?yàn)樗鼈兇蠖嗍腔趥鹘y(tǒng)煤層的設(shè)計(jì)，沒(méi)有針對(duì)性地解決高瓦斯低透氣性松軟煤層的特殊問(wèn)題。④這種特殊煤層的治理不僅要求技術(shù)的創(chuàng)新，還需要礦工有足夠的經(jīng)驗(yàn)和技能，能夠在變化多端的條件下，迅速判斷并采取適當(dāng)?shù)拇胧?，確保瓦斯治理的效果和礦山的安全生產(chǎn)。

2 高瓦斯低透氣性松軟煤層的物理特性

高瓦斯低透氣性松軟煤層在煤炭地質(zhì)中占有特殊的地位。其物理特性是由多種地質(zhì)過(guò)程和煤化作用相互作用的結(jié)果，這些特性對(duì)煤層瓦斯治理提出了巨大的挑戰(zhàn)。松軟煤層的形成機(jī)理與煤的成因地質(zhì)、有機(jī)物質(zhì)的積累及其后續(xù)的煤化作用過(guò)程緊密相關(guān)。在沉積過(guò)程中，由于有機(jī)物質(zhì)在缺氧環(huán)境下積累，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的埋藏、溫度和壓力作用，逐漸轉(zhuǎn)化為煤。但在某些特定的地質(zhì)條件下，煤的成礦作用可能受到某些特殊的影響，如沉積速率的變化、微生物活動(dòng)或地下水的作用等，導(dǎo)致煤層的松軟特性。

透氣性是評(píng)價(jià)煤層能否有效排放瓦斯的關(guān)鍵指標(biāo)。低透氣性通常與煤體內(nèi)部的裂隙發(fā)育不良、孔隙結(jié)構(gòu)閉合等因素有關(guān)。煤層的透氣性不僅受到孔隙和裂隙數(shù)量和大小的影響，還與其連通性、分布和方向等有關(guān)。針對(duì)高瓦斯低透氣性松軟煤層，由于其裂隙少且不連續(xù)、孔隙結(jié)構(gòu)緊密，所以瓦斯難以順利通過(guò)煤體，從而導(dǎo)致瓦斯在煤體內(nèi)積累。

瓦斯在煤層中的存在狀態(tài)與煤的物理和化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。煤體具有較強(qiáng)的瓦斯吸附能力，尤其是在高壓條件下。吸附是一個(gè)表面現(xiàn)象，與煤體內(nèi)部的微觀孔隙、孔道以及化學(xué)功能團(tuán)的性質(zhì)和分布有關(guān)。當(dāng)外部條件發(fā)生變化，如溫度、壓力變化時(shí)，吸附在煤層上的瓦斯可能被釋放出來(lái)，這就是解吸。松軟煤層的解吸特性與其成分、結(jié)構(gòu)和開(kāi)采條件有關(guān)，而瓦斯的解吸過(guò)程也可能影響煤層的透氣性和穩(wěn)定性。

3 高瓦斯低透氣性松軟煤層瓦斯治理技術(shù)

3.1 預(yù)抽采瓦斯技術(shù)

3.1.1 鉆孔布置優(yōu)化

鉆孔布置在瓦斯預(yù)抽技術(shù)中起到關(guān)鍵作用，因?yàn)楹侠淼目撞贾媚軌驑O大提高瓦斯抽取的效果并降低風(fēng)險(xiǎn)。為了確保高效的瓦斯釋放，首先要考慮煤層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和瓦斯分布，以此為基礎(chǔ)制定出鉆孔的深度、角度和間距。其次，要充分考慮煤層的開(kāi)采進(jìn)度和方向，確保鉆孔的有效期能夠滿足整個(gè)開(kāi)采周期。為了解決低透氣性的問(wèn)題，可以通過(guò)優(yōu)化鉆孔布局來(lái)增加孔與孔之間的互通性，例如，使用交錯(cuò)布置或者螺旋布置。此外，考慮到松軟煤層的特性，鉆孔的穩(wěn)定性和避免崩塌也是布置時(shí)的重要因素。針對(duì)高瓦斯煤層，可以采用雙孔聯(lián)抽技術(shù)，即兩個(gè)相距一定距離的鉆孔同時(shí)抽取，增加瓦斯抽取的范圍和效果，提高瓦斯的利用率，并確保礦井的安全生產(chǎn)。

3.1.2 抽采設(shè)備與參數(shù)優(yōu)選

在瓦斯預(yù)抽采過(guò)程中，選擇合適的抽采設(shè)備與參數(shù)是實(shí)現(xiàn)高效、安全瓦斯抽取的關(guān)鍵。首先，設(shè)備的選擇應(yīng)當(dāng)根據(jù)煤層的特性，如透氣性、硬度和瓦斯含量進(jìn)行。對(duì)于高瓦斯低透氣性松軟煤層，需要選擇能夠生成強(qiáng)大吸力的抽采設(shè)備，同時(shí)具備足夠的穩(wěn)定性和耐用性以應(yīng)對(duì)煤層可能的變動(dòng)。參數(shù)優(yōu)選方面，抽采壓力、流量和抽采時(shí)間是3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。抽采壓力應(yīng)當(dāng)根據(jù)煤層的壓力和瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行調(diào)整，以確保在不損害煤層結(jié)構(gòu)的前提下實(shí)現(xiàn)最大瓦斯釋放。流量的設(shè)置應(yīng)當(dāng)根據(jù)鉆孔的數(shù)量、直徑和煤層的透氣性來(lái)確定，以確保高效的瓦斯抽取并防止煤層中的瓦斯積累。而抽采時(shí)間的確定則需要考慮到煤層的開(kāi)采進(jìn)度和瓦斯的再分布，確保在整個(gè)開(kāi)采過(guò)程中，瓦斯?jié)舛榷寄軌虮３衷谝粋€(gè)安全的水平。

3.2 瓦斯動(dòng)態(tài)控制技術(shù)

3.2.1 增透技術(shù)

瓦斯動(dòng)態(tài)控制的一個(gè)核心環(huán)節(jié)是如何提高煤層的透氣性，使得瓦斯能夠更容易地從煤體內(nèi)部排放出來(lái)。增透技術(shù)的應(yīng)用為此提供了有力的手段。壓裂增透是當(dāng)前廣泛采用的一種技術(shù)。其基本原理是通過(guò)向煤層注入高壓液體，使煤層內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，從而增加煤層的透氣性。這種技術(shù)對(duì)于高瓦斯低透氣性的煤層尤為有效，因?yàn)樗梢灾苯痈淖兠簩拥奈锢斫Y(jié)構(gòu)，增加裂縫的數(shù)量和連通性。但是，壓裂增透技術(shù)在應(yīng)用時(shí)需要嚴(yán)格的參數(shù)控制，以防止過(guò)度的裂縫發(fā)展導(dǎo)致煤層的破壞。

化學(xué)方法增透則是通過(guò)注入特定的化學(xué)試劑到煤層中，使煤體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而增加透氣性。這些化學(xué)試劑可以是某些酸類，它們能夠與煤體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，消除一些孔隙中的阻塞物，提高煤體的孔隙率和透氣性?；瘜W(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)是可以在不改變煤層大的物理結(jié)構(gòu)的前提下，微觀上提高煤層的透氣性。但同時(shí)，這種方法也需要對(duì)化學(xué)試劑的選擇和使用進(jìn)行精細(xì)控制，確保其效果并避免可能的環(huán)境污染。無(wú)論是壓裂還是化學(xué)方法，其目標(biāo)都是改變煤層的透氣性，為瓦斯的有效排放提供條件。

3.2.2 填料封堵技術(shù)

填料封堵技術(shù)是為了控制瓦斯在煤層內(nèi)的流動(dòng)，確保礦井安全而采用的方法。在煤層開(kāi)采過(guò)程中，為了防止瓦斯快速涌出或是在不應(yīng)該的地方積累，有時(shí)需要對(duì)某些裂縫、通道或鉆孔進(jìn)行封堵。填料封堵的原理很簡(jiǎn)單，就是使用特定的材料填充進(jìn)裂縫或鉆孔，形成一個(gè)隔離屏障，阻止瓦斯流動(dòng)。這些填料通常具有良好的抗壓性、耐腐蝕性以及長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性，確保在煤層的開(kāi)采環(huán)境中能夠長(zhǎng)時(shí)間保持其功能。

填料的選擇和使用是這一技術(shù)的關(guān)鍵。根據(jù)不同的封堵需求，可以選擇水泥漿、高分子材料、膨脹材料等作為填料。例如，對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間封堵的裂縫，常選擇具有良好耐久性的水泥漿；而對(duì)于短時(shí)間內(nèi)需要封堵但后期可能會(huì)重新開(kāi)放的鉆孔，則可能選擇可降解的高分子材料。無(wú)論選擇何種填料，都要確保其與煤層的相容性，防止填料與煤層反應(yīng)導(dǎo)致新的問(wèn)題。此外，填料的注入也需要技巧，確保填料均勻分布在需要封堵的地方，形成穩(wěn)固的封堵屏障，從而有效控制瓦斯流動(dòng)，確保礦井的安全。

3.3 瓦斯引導(dǎo)與穩(wěn)定排放技術(shù)

3.3.1 通風(fēng)路線優(yōu)化

為了確保礦井內(nèi)瓦斯的安全排放，通風(fēng)路線的優(yōu)化顯得尤為關(guān)鍵。一個(gè)合理且高效的通風(fēng)系統(tǒng)能夠引導(dǎo)瓦斯順利流向指定區(qū)域，從而被穩(wěn)定、有序地排放到地表。通風(fēng)路線優(yōu)化首先要考慮礦井的地理、地質(zhì)條件與煤層的分布特點(diǎn)，確保通風(fēng)路線能夠涵蓋所有的開(kāi)采區(qū)域。

通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，可以準(zhǔn)確地分析礦井內(nèi)的氣流動(dòng)態(tài)，找出可能的瓦斯積聚區(qū)。基于這些數(shù)據(jù)，可以對(duì)通風(fēng)路線進(jìn)行調(diào)整，例如增設(shè)風(fēng)道、調(diào)整風(fēng)機(jī)的位置和功率，或者更改風(fēng)門的開(kāi)閉策略。此外，瓦斯的密度和流速也是決定通風(fēng)效果的重要因素，需要在設(shè)計(jì)時(shí)給予充分考慮。優(yōu)化后的地通風(fēng)系統(tǒng)不僅能夠提高瓦斯的排放效率，降低瓦斯爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，還能提供一個(gè)更好的工作環(huán)境，確保礦工的健康與安全。為了長(zhǎng)期的穩(wěn)定運(yùn)作，通風(fēng)路線的優(yōu)化還需定期進(jìn)行復(fù)查和調(diào)整，以適應(yīng)礦井開(kāi)采的不斷變化。

3.3.2 瓦斯穩(wěn)定引導(dǎo)裝置研發(fā)

在礦井瓦斯治理中，除了通風(fēng)路線的優(yōu)化外，瓦斯穩(wěn)定引導(dǎo)裝置的設(shè)計(jì)與研發(fā)也占有核心地位。這些裝置旨在確保瓦斯從生成源穩(wěn)定、高效地流向指定的排放區(qū)域，從而避免瓦斯在不適當(dāng)?shù)牡胤椒e累和聚集，降低爆炸風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前，針對(duì)高瓦斯低透氣性松軟煤層的特點(diǎn)，研發(fā)出了一系列高效的引導(dǎo)裝置。這些裝置利用物理或機(jī)械原理，形成一種有序、連續(xù)的瓦斯流動(dòng)通道。例如，某些裝置可能利用瓦斯的壓差來(lái)引導(dǎo)其流動(dòng)；而另一些裝置則可能通過(guò)旋轉(zhuǎn)、震動(dòng)等方式，增加瓦斯在煤層中的流動(dòng)性。這些瓦斯穩(wěn)定引導(dǎo)裝置的設(shè)計(jì)都需考慮到裝置的穩(wěn)定性、耐久性和效率。在實(shí)際應(yīng)用中，裝置還應(yīng)具備一定的自適應(yīng)性，能夠根據(jù)瓦斯的流動(dòng)狀況和礦井的實(shí)際工況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。此外，為確保裝置的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)作，其維護(hù)和檢查也顯得尤為重要。

3.4 瓦斯監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)

3.4.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)

在礦井的瓦斯管理中，監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)起著至關(guān)重要的作用，而傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)是這一系統(tǒng)的基石。有效的傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)礦井內(nèi)的瓦斯?jié)舛?，為預(yù)警系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)要遵循一定的原則，確保每個(gè)關(guān)鍵區(qū)域都得到了有效的監(jiān)控。首先，傳感器應(yīng)放置在易于積累瓦斯的地方，如低洼地帶、煤層接觸區(qū)或已知的瓦斯泄漏點(diǎn)。其次，傳感器的間距應(yīng)考慮到礦井的具體地質(zhì)條件和通風(fēng)狀況，確保數(shù)據(jù)的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。傳感器本身應(yīng)具有較高的靈敏度、穩(wěn)定性和抗干擾性?，F(xiàn)代傳感器通常配備無(wú)線傳輸功能，可以將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到中央監(jiān)控室，方便工作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和決策。

3.4.2 數(shù)據(jù)分析與預(yù)警機(jī)制建立

礦井中的瓦斯監(jiān)測(cè)不僅僅是數(shù)據(jù)的收集，更為重要的是對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析，從而建立預(yù)警機(jī)制。隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代礦井中使用了大量的算法和模型來(lái)預(yù)測(cè)瓦斯的動(dòng)態(tài)變化。當(dāng)分析到的數(shù)據(jù)顯示瓦斯?jié)舛瓤焖偕仙虺霭踩撝禃r(shí)，預(yù)警系統(tǒng)會(huì)立即啟動(dòng)，向相關(guān)人員發(fā)出警告。這種機(jī)制的建立，基于對(duì)歷史數(shù)據(jù)的深入研究和模型的持續(xù)優(yōu)化。每次瓦斯事故或異常情況的數(shù)據(jù)都會(huì)被記錄和分析，幫助完善預(yù)警機(jī)制。此外，對(duì)礦井內(nèi)各種變量，如通風(fēng)、氣候變化和煤層厚度等也被納入分析中，以更全面、準(zhǔn)確地評(píng)估瓦斯的風(fēng)險(xiǎn)。這種綜合的數(shù)據(jù)分析與預(yù)警機(jī)制確保了礦井的安全運(yùn)行，極大降低了瓦斯事故的可能性。

4 結(jié)束語(yǔ)

展望未來(lái)，瓦斯治理技術(shù)將持續(xù)進(jìn)步，結(jié)合新興的技術(shù)如人工智能、大數(shù)據(jù)分析和物聯(lián)網(wǎng)等，為礦井提供更為精準(zhǔn)和高效的瓦斯治理方案。隨著研發(fā)投入的增加和技術(shù)應(yīng)用的深化，預(yù)期礦井的安全狀況將得到進(jìn)一步改善，瓦斯事故的風(fēng)險(xiǎn)將極大降低。同時(shí)，這些技術(shù)的普及和應(yīng)用，不僅會(huì)提高資源開(kāi)采效率，還會(huì)為工作人員創(chuàng)造更為安全、舒適的工作環(huán)境。在不久的將來(lái)，礦井瓦斯治理將達(dá)到前所未有的高度，為全球礦業(yè)發(fā)展樹(shù)立新的標(biāo)桿。