深部煤层开采瓦斯赋存规律与灾害防治

李 晨

（山西霍尔辛赫煤业有限责任公司，山西 长治046600）

据资料统计，我国主要煤矿全部都是瓦斯矿井，其中低瓦斯矿井占53.5%，高瓦斯矿井占29.5%，煤与瓦斯突出矿井占17%，而瓦斯事故一直是矿井灾害事故中最严重的事故之一。近年来，随着开采深度的增加，煤矿瓦斯防治的难度也在急剧增加，由于深部的煤层处于高地压和高煤层瓦斯压力的环境中，危险程度剧增，并且与浅部瓦斯有明显的差别，因此深部煤炭的瓦斯问题将更加严重。在如此复杂的地质环境中，深部瓦斯的赋存特征十分复杂，矿井绝对瓦斯涌出量增加，深部煤层瓦斯含量监测困难，这些种种不安全因素都会给煤矿安全生产带来隐患，因此对此对于深部煤炭资源开采中瓦斯赋存规律的研究与灾害防治具有十分重要的意义。

1 深部煤层瓦斯赋存特征

1.1 煤层瓦斯赋存

瓦斯在一定的压力状态下，主要以游离和吸附两种状态赋存于煤岩体中。游离状态的瓦斯分子与吸附状态的瓦斯分子处于不断的交换之中，在一块完整的煤岩体内两者处于一种动态的平衡，这种平衡是一种特殊的平衡，一旦外界条件发生变化，煤体中的动态平衡就会被打破，总量在变化过程中基本保持不变。在煤层内，无论是深部还是浅部，吸附状态的瓦斯约占瓦斯总含量的80%～90%，游离状态的瓦斯所占比例在10%～20%，但是在特殊地质条件下，游离状态瓦斯所占的比例会大幅上升。

1.2 瓦斯赋存的影响因素

影响煤层瓦斯含量的因素比较多，除煤的形成过程中本身生成的瓦斯量有关以外，主要取决于煤层瓦斯的运动条件和保存瓦斯的能力，瓦斯的保存条件占主导地位。

（1）地质构造的影响。煤田地质构造是影响瓦斯含量的最主要因素之一，不同地质构造的瓦斯储存能力会有显著差异。

（2）煤层赋存条件的影响。煤的埋藏深度、煤层倾角以及煤层是否有露头对煤层瓦斯含量有着极为密切的影响。在同一层煤田内，煤层瓦斯含量随着深度增加而增加，它反映了煤层瓦斯由深度向地表运动的规律。而且，随深度的增加，煤层开采越接近CH4带，其势必导致瓦斯含量的升高。某矿瓦斯含量与埋深关系见图1。

图1 某矿瓦斯安全与埋藏关系曲线

（3）煤的变质程度影响。一般来讲，煤的变质程度越高，其产生和储存的瓦斯量往往就越大。受变质程度的影响，同一煤田中煤的吸附瓦斯的能力也会相应的提高，因此在同等条件下的瓦斯储存量会大大增加。

（4）围岩性质影响。煤层围岩致密、完整以及不透气时，瓦斯容易集聚，瓦斯含量就高；反之，则不容易保存瓦斯，煤层瓦斯含量就低。

（5）水文地质条件影响。地下水活跃的地区裂隙比较发育，而且处于开放状态，这为瓦斯的散失提供了便利的通道。因此有地下水流过的煤层，煤层瓦斯含量一般比较低。而且，地下水的流动也可以带走大量的瓦斯，降低煤层瓦斯的含量。

1.3 深部煤层瓦斯赋存特征

影响深部煤层瓦斯赋存状况最为明显的因素就是煤的孔隙结构和周围环境，特别是煤的变质程度、煤周围的温度和压力。在深部煤层中，由于微孔增多及瓦斯压力增加，提高了煤对瓦斯的吸附能力，但受温度影响显著，因此瓦斯含量增加梯度会逐渐趋于平缓，直至水平。

（1）煤层埋藏深度增加，地应力增加，煤的变质程度提高，真密度和视密度增加，总比孔容积会逐渐减小。煤的总比孔容积中大孔的比孔容积会逐渐减小，微孔容积所占比例反而会提高，而微孔结构是瓦斯的吸附空间，微孔空间中的瓦斯含量是煤层瓦斯的主要组成部分，微孔容积的增加会增加煤中孔隙的比表面积，这会大大提高煤层瓦斯的吸附能力。

（2）空气温度升高或压力降低时，一部分瓦斯就会发生解吸，吸附状态的瓦斯就会转化为游离瓦斯，反之就会发生吸附，巷道中部分游离状态的瓦斯会压入煤层转变为吸附状态。煤的瓦斯含量和温度、压力有一定的关系，某矿一样品煤测得的曲线见图2。压力相同的条件下，吸附量在一定范围内随煤变质程度的提高而升高，如压力过高，等温吸附曲线将不再遵守朗格缪尔方程。

图2 某矿瓦斯以及附与瓦斯压力温度关系曲线

2 瓦斯的危害性

煤矿瓦斯的危害可总结为四大类，即瓦斯燃烧、瓦斯窒息、瓦斯爆炸和瓦斯突出。本文主要讨论瓦斯爆炸的危害性。

（1）爆炸产生高温高压气体。在高温气体的作用下，空气遇热会急剧膨胀，随之产生过高压气体。根据计算，当空气达到2150℃～2659℃时，爆炸压力可高达700～1000kPa（约合7～10个大气压），在压力的叠加作用下，其爆炸压力将会更大。

（2）爆炸产生冲击波。瓦斯爆炸会产生高压冲击波，有正向冲击和反向冲击，传播速度极快，它能以最高2300m／s的传播速度向外传递，破坏井巷、通风设施和电气设备等，对矿井通风系统造成毁灭性破坏。

（3）火焰锋面。瓦斯爆炸的伴生危害之一就是火焰锋面，其主要是瓦斯爆炸时产生的气体和爆炸沿巷道运动的化学反应带气体的总称，其传播速度范围很广，最大可达到2500m／s。火焰锋面就像是沿巷道运动的活塞，把可燃气体收集起来并点燃，这种活塞式的火焰长度从火焰锋面最慢传播时的几十厘米到爆轰时的几十米。

（4）引起煤尘连锁爆炸。在爆炸冲击波的作用下，将沉积在井巷四壁处的煤尘吹扬起来，煤尘同时达到爆炸浓度，瓦斯爆炸的火焰锋面一赶到，引起煤尘爆炸。

（5）产生大量有毒有害气体。瓦斯爆炸会产生复杂的物理化学变化，首先会降低矿井中氧含量，除产生大量的CO2和H2O外，还会生成CO、SO2等有毒有害气体，严重危害井下施工人员的安全。

3 瓦斯灾害的防治

对煤矿发生的瓦斯事故进行统计分析，找出其发生的一般规律，以便有针对性地采取预防措施，杜绝事故发生。除采用自动隔爆装置意外，预防瓦斯爆炸事故的措施可归纳为三个方面：① 减少煤层或巷道瓦斯的积聚；② 控制矿井内一切高温火源；③ 防止瓦斯爆炸灾害事故扩大，对于深部煤层的开采，首先要根据深部煤层瓦斯的赋存特征，针对性地采取有效的防治措施，从而确保生产的安全进行，保证人员及财产的安全。

3.1 减少瓦斯积聚

（1）实施有效的瓦斯抽采从根本上减少煤压瓦斯压力和瓦斯含量。

（2）加强矿井通风管理是减少煤层或巷道瓦斯积聚最简单有效的方法，同时还要加强瓦斯监测检查工作，及时处理局部积存的瓦斯。

3.2 控制一切高温火源

由瓦斯爆炸的三要素可知，在瓦斯浓度达到爆炸浓度范围后，还必须有高温火源才能将其引爆，因此控制高温火源的目的就在于防止瓦斯引燃，想方设法杜绝一切火源，控制非生产必需的热源。

3.3 防止瓦斯爆炸事故范围扩大的有效措施

万一发生了瓦斯爆炸事故，将事故造成的危害控制到最小的范围，将事故造成的损失降低到最小的程度，称之为防止爆炸事故范围扩大的措施，亦称为隔爆措施或限爆措施。主要措施包含以下几个方面：① 矿井每年必须编制切实可行的《矿井灾害预防与处理计划》，并根据具体情况及时修改；② 矿井要求实行分区通风，采掘工作面都要求采用独立通风；③ 装有主要通风机的出风口应安装井口防爆门；监理矿井反风设施；④ 入井人员必须按要求携带自救器；⑤ 建立井下避难硐室，避难硐室的规格及安全要求要符合煤矿安全规程；⑥ 设立隔爆棚；⑦ 加大资金和人员投入，事故发生后矿上救护队要积极投入抢险救灾。

4 结语

瓦斯灾害防治是深部煤炭开采的重要内容之一，对于瓦斯灾害要充分的了解，熟知瓦斯在煤岩体中的赋存及运动规律，采取积极有效的防治措施，确保煤矿安全生产。

〔1〕秦玉金.深部煤层瓦斯赋存特征与解吸规律研究及应用〔M〕.辽宁工程技术大学，2012：27－55.

〔2〕孙彦峰 .浅谈对煤矿瓦斯治理的一点看法〔J〕.科学之友，2012（9）：57－58.

〔3〕国家煤矿安全监察局.2011年全国煤矿事故分析报告〔R〕.2012，2：4－10.