煤礦礦井工作中瓦斯防治技術(shù)及通風(fēng)安全管理措施探究

石志芳

（山西省晉城晉普山煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

煤層中賦存的瓦斯受工程活動影響，會沿著煤巖裂隙涌入巷道。因此，瓦斯是地下煤炭開采過程中不可避免的干擾性因素。根據(jù)國內(nèi)煤礦生產(chǎn)的實(shí)際情況，瓦斯、水害以及火災(zāi)為煤礦重特大事故的主要成因。加強(qiáng)瓦斯防治技術(shù)研究是推動煤礦安全生產(chǎn)的必然路徑。

1 礦井概況

山西晉城晉普山煤礦位于晉城市澤州縣境內(nèi)，主要產(chǎn)品為無煙煤，生產(chǎn)能力為130 萬t/a，井田面積達(dá)到27.39 km2，現(xiàn)有采區(qū)和采煤工作面均為3 個。開采方式為綜合機(jī)械化，礦井通風(fēng)方法為抽出式。該礦屬于高瓦斯礦井，瓦斯壓力低于0.74 MPa，設(shè)計(jì)有地面永久瓦斯抽放泵站，瓦斯泵站內(nèi)安裝2 臺2BEC-42 型水環(huán)式真空泵，工況狀態(tài)抽氣量146 m3/min，電機(jī)功率185 kW，1 臺運(yùn)行，1 臺備用。井下建有移動抽放泵站，泵房內(nèi)設(shè)兩臺抽放泵，型號為：2BEA-303 型水循環(huán)式真空泵，電機(jī)功率90 kW，工況狀態(tài)抽氣量62 m3/min，1 臺運(yùn)行，1 臺備用。

2 煤礦礦井工作瓦斯綜合防治技術(shù)

2.1 掌握礦井瓦斯危害類型及特點(diǎn)

2.1.1 瓦斯噴出

賦存在煤層中的承壓瓦斯受開采活動或者地質(zhì)因素的影響，從煤巖裂隙中快速大量噴出，這種現(xiàn)象稱為瓦斯噴出，屬于特殊的瓦斯涌出形式，具有突然性和集中性，其對巷道風(fēng)流瓦斯含量控制具有較大的影響。瓦斯?jié)舛鹊耐蝗辉黾佑锌赡軐?dǎo)致人員窒息，增加了瓦斯爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，因而預(yù)防瓦斯噴出成為安全管理的重點(diǎn)。

2.1.2 煤與瓦斯突出

采掘空間內(nèi)突然噴出大量瓦斯和煤炭的現(xiàn)象稱為煤與瓦斯突出，此類現(xiàn)象的發(fā)生總是伴隨著內(nèi)在的動力學(xué)因素，包括地應(yīng)力、氣體壓力與地應(yīng)力、液體與氣體壓力等，在突出過程中會涌出大量的瓦斯，同時拋出軟煤、巖塊，容易造成嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故[1]。

2.1.3 瓦斯普通涌出

瓦斯涌出分為普通涌出和特殊涌出，噴出和突出均屬于特殊涌出，特點(diǎn)為突發(fā)、量大。日常開采中的涌出形式主要為普通涌出，其特點(diǎn)為瓦斯涌出速度相對穩(wěn)定，普通涌出的常規(guī)應(yīng)對方式為礦井通風(fēng)。

2.1.4 瓦斯爆炸

瓦斯的主要成分為甲烷和二氧化碳，次要成分為乙烷、丙烷、氫氣等。甲烷為易燃?xì)怏w，氧氣作為助燃劑，在點(diǎn)火源的作用下可引發(fā)爆炸，其化學(xué)反應(yīng)方程式如（1）和式（2）。瓦斯爆炸的火焰鋒面、沖擊波以及對巷道氣體成分的改變都可能引發(fā)人員傷亡[2]。

2.2 測定礦井瓦斯涌出量

煤礦開采過程中，賦存在煤層中的游離瓦斯和吸附瓦斯通常會涌入掘進(jìn)工作面及巷道，掌握礦井瓦斯涌出量是制定瓦斯防治策略的基本前提。在工程實(shí)踐中主要測定絕對瓦斯涌出量和相對瓦斯涌出量，前者表征單位時間內(nèi)涌入巷道的瓦斯量，后者表示每開采一噸煤平均涌出的瓦斯量。煤礦絕對瓦斯涌出量受瓦斯賦存、煤層開采、環(huán)境溫度等多種因素的影響，其數(shù)值存在一定的波動性，因而需定期檢測[3]。煤礦單位可委托專業(yè)的瓦斯檢測企業(yè)測定以上兩項(xiàng)指標(biāo)。表1為山西晉城晉普山煤礦2021 年和2022 年的瓦斯涌出量檢測結(jié)果。

表1 煤礦瓦斯涌出量檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

2.3 制定系統(tǒng)性的瓦斯防治技術(shù)措施

2.3.1 瓦斯噴出的防治措施

2.3.1.1 加強(qiáng)地質(zhì)工作

瓦斯噴出與煤巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及特定區(qū)域的瓦斯含量密切相關(guān)，由于構(gòu)造差異，某些部位賦存的瓦斯量較大，并且具有一定的壓力。掘進(jìn)開采活動導(dǎo)致原有結(jié)構(gòu)破壞，壓力釋放造成瓦斯大量噴出。因此，在施工前應(yīng)開展前期鉆探，掌握采掘區(qū)及巖巷的地質(zhì)構(gòu)造、瓦斯分布特點(diǎn)、瓦斯儲量，從而預(yù)先判斷開采空間內(nèi)的潛在瓦斯噴出位置[4]。

2.3.1.2 合理設(shè)計(jì)通風(fēng)措施

通風(fēng)是煤礦礦井控制瓦斯?jié)舛鹊闹饕胧?，由于瓦斯噴出具有突然性，對通風(fēng)系統(tǒng)的抽排能力形成了較大的考驗(yàn)，日常風(fēng)量有可能難以滿足需求。為此，在設(shè)計(jì)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)時應(yīng)考慮到瓦斯噴出時的通風(fēng)需求，預(yù)留足夠的通風(fēng)能力。

2.3.1.3 綜合運(yùn)用封堵、引排、抽放措施

在通風(fēng)系統(tǒng)不能滿足瓦斯噴出排放需求的情況下，應(yīng)綜合運(yùn)用封堵、抽放等技術(shù)措施，提高控制能力。

1）噴出裂隙封堵。為防止瓦斯向巷道及工作面噴出，可使用工程材料封堵噴出裂隙，如水泥灌漿材料、膏體填充材料、聚氨酯泡沫噴涂材料等，封堵措施為進(jìn)一步的瓦斯排放創(chuàng)造了有利的條件。

2）瓦斯引排。瓦斯噴出時本身存在一定的壓力，從而形成了擴(kuò)散動力，瓦斯會從高壓區(qū)向低壓區(qū)移動。在裂隙封堵之后，可設(shè)置引排罩及管路，將噴出的瓦斯引排至地面或者回風(fēng)巷。

3）瓦斯抽放。為了提高瓦斯控制的效果和效率，還可引入機(jī)械設(shè)備抽放瓦斯。該煤礦設(shè)計(jì)有專門的瓦斯泵站，以機(jī)械方式抽排瓦斯，快速降低瓦斯?jié)舛取?/p>

2.3.1.4 監(jiān)控瓦斯噴出的前兆

瓦斯噴出之前往往會形成特殊的預(yù)兆，為煤礦開采人員提供判斷依據(jù)。常見的現(xiàn)象為瓦斯?jié)舛韧蝗辉黾印⒚簩蛹跋锏纼?nèi)發(fā)出嘶嘶聲、煤層變濕、煤層變軟等。在日常工作中應(yīng)該加大對此類現(xiàn)象的監(jiān)控力度。

2.3.2 煤與瓦斯突出的防治措施

2.3.2.1 區(qū)域性防突措施

區(qū)域性防突措施針對較大范圍的煤層瓦斯治理，其防治措施分為兩類，具體如下：

1）設(shè)置開采保護(hù)層。預(yù)先開采的煤層能夠預(yù)防未開采的煤層出現(xiàn)瓦斯突出，因而將其稱為開采保護(hù)層，其作用為減少地壓、緩慢釋放彈性潛能、形成裂隙孔道，從而將被保護(hù)層的瓦斯引流到保護(hù)層的采空區(qū)內(nèi)，防止被保護(hù)層出現(xiàn)瓦斯突出。

2）預(yù)抽煤層瓦斯。該措施指開采之前預(yù)先抽放煤層中的瓦斯，降低瓦斯的含量和壓力，同時引起地應(yīng)力下降、煤層收縮變形，提高煤層強(qiáng)度。釋放壓力能夠有效避免煤與瓦斯突出。

2.3.2.2 局部性防突措施

局部防突措施用于處理小范圍的煤與瓦斯突出，其技術(shù)措施較為豐富，包括松動爆破、鉆孔排放、水力沖孔、超前鉆孔、超前支架等。以松動爆破為例，在深部煤體上爆破出較深的炮孔，使煤體出現(xiàn)松動和破壞，此時高壓瓦斯會向深部移動，在工作面前方形成瓦斯排放區(qū)和卸壓區(qū)，達(dá)到預(yù)防突出的目的。

2.3.2.3 瓦斯爆炸的防治措施

瓦斯爆炸存在三個必要條件，分別為引火源、氧氣和足夠的瓦斯?jié)舛取５V井內(nèi)部需提供充足的空氣，以滿足作業(yè)人員的基本需求。因此，預(yù)防瓦斯爆炸的重點(diǎn)在于控制點(diǎn)火源和瓦斯?jié)舛?，瓦斯爆炸極限為5%～16%，應(yīng)該通過礦井通風(fēng)系統(tǒng)將瓦斯?jié)舛冉档椭帘ㄏ孪抟詢?nèi)。在控制點(diǎn)火源方面，應(yīng)重點(diǎn)管理煤礦機(jī)電設(shè)備以及煤礦作業(yè)人員。選用具備防火、防爆特性的本質(zhì)安全型機(jī)電設(shè)備，避免其產(chǎn)生電火花或者電弧。在人員管理方面，應(yīng)加強(qiáng)作業(yè)人員的防火意識。

3 煤礦礦井通風(fēng)安全管理

山西省晉城晉普山煤礦的瓦斯防治以普通涌出為主，按照分源治理、先抽后采、長期與短期抽采相結(jié)合的原則進(jìn)行治理，總體上采用“一礦一策、一面一策”的方法進(jìn)行管理。礦井通風(fēng)在瓦斯防治中承擔(dān)著重要的作用，其關(guān)鍵在于合理設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)，以下結(jié)合該礦331 工作面，分析通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。

3.1 瓦斯涌出量預(yù)測

根據(jù)該礦3#煤層的瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測定報(bào)告，331工作面的煤層瓦斯最大含量為4.88m3/t。預(yù)測工作面最大瓦斯涌出量為0.78m3/min。

3.2 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合331 工作面的特點(diǎn)，將通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為“U”型，形成進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷，實(shí)現(xiàn)通路。主要設(shè)計(jì)內(nèi)容為需風(fēng)量和通風(fēng)機(jī)械系統(tǒng)。

3.2.1 需風(fēng)量計(jì)算

礦井風(fēng)量需同時滿足多種條件，因而存在多種角度的計(jì)算方法，涵蓋了氣象條件、瓦斯涌出量、二氧化碳涌出量、作業(yè)人數(shù)、風(fēng)速等影響因素。表2 統(tǒng)計(jì)了331 工作面按照不同條件計(jì)算的需風(fēng)量。表中所有參數(shù)均為需風(fēng)量的制約條件，將需風(fēng)量記為Q，那么需滿足Q≥675 m3/min、240 m3/min≤Q≤3 249 m3/min，同時在1 066、85、35、260m3/min 四個確定指標(biāo)中取最大值。因此，最終將331 工作面的需風(fēng)量確定為1 066 m3/min。

表2 331 工作面需風(fēng)量計(jì)算

3.2.2 風(fēng)速和溫度

通風(fēng)系統(tǒng)通過風(fēng)機(jī)控制風(fēng)速，并且風(fēng)速應(yīng)該與采煤工作面的溫度相適應(yīng)，溫度較高時瓦斯涌出速度會提高，因而對風(fēng)速的要求也會提升。結(jié)合該礦的實(shí)際情況，建立溫度與風(fēng)速之間的對應(yīng)關(guān)系，如表3 所示。

表3 采煤工作面溫度與風(fēng)速對應(yīng)關(guān)系表

3.2.3 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

風(fēng)機(jī)的功率、數(shù)量、安全性以及防火防爆性能是設(shè)計(jì)重點(diǎn)，該礦采用FBCDZ No26 型礦用風(fēng)機(jī)，單臺功率為280 kW,具備良好的密封防爆性能，根據(jù)需風(fēng)量和風(fēng)速確定通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)數(shù)量，該礦配備了4 臺風(fēng)機(jī)。

4 結(jié)語

煤礦瓦斯涌出和瓦斯爆炸是常見的事故成因，其中瓦斯涌出又分為普通涌出、突出、噴出三種形式。瓦斯普通涌出的主要防治措施為通風(fēng)，將其濃度控制在較低的范圍。瓦斯噴出的防治措施為加強(qiáng)前期地質(zhì)鉆探、預(yù)先抽放、封堵噴出裂隙。瓦斯突出的防治措施分為區(qū)域性防突和局部性防突。在通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需掌握需風(fēng)量，在其基礎(chǔ)上合理配置風(fēng)機(jī)功率和數(shù)量。