浅析煤矿瓦斯治理及防治措施

陶荣军

摘要：煤矿瓦斯主要成分为甲烷，具有可燃、无色无味等特点。空气中氧气体积分数达到10%时，瓦斯体积分数为5%～16%会发生爆炸。在煤矿生产中，瓦斯遇到火源，容易发生爆炸，瓦斯体积分数超过40%会致人中毒窒息，严重危害人身安全。为处理瓦斯含量超标而采取先抽后采的安全技术措施，往往会影响煤矿生产效率，提高生产成本;简单粗放的瓦斯抽采排放，造成了资源浪费，甚至会对环境造成破坏。多年来，研究人员一直在探索煤与瓦斯共采、深部煤层或特定结构煤的瓦斯治理理论与技术应用研究，煤矿企业积极实践，应用新理论技术成果取得了相应成效，这正改变着我国煤矿生产安全状态。

关键词：煤矿;瓦斯;治理及防治

引言

瓦斯气体严重威胁煤矿井下安全生产，一旦发生瓦斯泄漏和爆炸必定会使作业人员中毒，甚至危及作业人员的生命和财产安全。传统的瓦斯治理主要采用通风系统连续排风以稀释瓦斯浓度，但是这种处理方式耗电量巨大，且无法满足瓦斯大量涌出工況下紧急排风的需要，为此，必须积极探索节能高效的瓦斯治理和通风技术，并能根据瓦斯实际含量灵活调整矿井内分量，保证井下综采作业安全。

1煤矿瓦斯危害

1.1瓦斯爆炸

瓦斯爆炸是煤矿开采中非常严重的灾害。爆炸会对煤矿产生毁灭性打击，主要是爆炸中产生的高温高压气体会对井下的设备和设施产生破坏作用。爆炸过程中还会产生大量的有毒气体，对工人的生命安全构成极大的威胁。发生瓦斯爆炸的主要原因是巷道中风流中的瓦斯体积分数超过了安全值。瓦斯爆炸的发生需要满足2个条件：a）CH4体积分数在爆炸体积分数范围以内，即体积分数在5%～16%内;b）温度达到瓦斯的着火点，火花引起瓦斯燃烧，从而引发连锁反应。随着煤矿安全技术的改善，发生瓦斯爆炸的主要原因是瓦斯在局部产生了积聚，例如巷道内设备较多处、上隅角处等。

1.2瓦斯窒息

在掘进过程中，煤体中的瓦斯大量涌出时，会急剧降低空气中O2的体积分数。这种情况会引发工人窒息。发生瓦斯窒息的主要原因是煤层中的某些高瓦斯含量区域内的瓦斯积聚释放。由于掘进头内空间狭小，很难通过局部通风机将掘进头内的瓦斯排出。随着时间的推移，瓦斯在局部区域的体积分数会越来越高，导致工作人员窒息。大多数情况下，瓦斯是一种无色无味的气体，大量涌出时不容易发现，很容易导致工作人员大量吸入瓦斯气体而窒息。

2煤矿瓦斯治理及防治措施

2.1做好源头设计

煤矿企业须积极布局以达成低碳生产的瓦斯治理的目标。在“煤矿安全生产—瓦斯抽采—瓦斯利用”的全过程生产经营链条中，始终秉承绿色低碳发展理念，按照《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》的总体要求，制定瓦斯抽采排放与瓦斯利用总体进度与计划。根据各煤矿企业历年来瓦斯排放量，分类、分级、分年度制定允许煤矿企业还可抽采排放的最大瓦斯量，并按照各煤矿企业营业收入或利润制定出达成“碳中和”目标的瓦斯利用短期、中期和长期规划路线图。

2.2安全分区技术

首先，瓦斯涌出与积聚规律分析。为明确煤矿各区域、整个矿井瓦斯涌出规律，应对瓦斯涌出与积聚规律进行分析。其内容包括：①工作面分区瓦斯测定。其目的是对安全风险较大的分区的瓦斯涌出规律进行更好的分析。具体来说，是沿倾向在工作面布置若干测点，对各区段的风量、瓦斯浓度等参数进行测量，并进行数据分析，最终对瓦斯涌出规律进行判断。②瓦斯流分布。瓦斯主要依靠风流实现在巷道中的运移，可采用仪器对风流中的瓦斯浓度进行检测，再进行换算，从而得出瓦斯流量。通风系统中，瓦斯流量是符合平衡定律的，但时常发生波动。因此，在对瓦斯流分布进行分析的时候，应采用大数据，长时间对瓦斯进行监测，得到数据之后，采取数据统计原理，便可以对瓦斯流分布规律进行总结。③日常瓦斯监测。其目的是判断作业环境安全与否，了解工作面瓦斯的涌出情况，同时还可对作业空间瓦斯的历史涌出量、规律进行分析。具体来说，对作业空间历史涌出数据进行收集、统计、分析，在数据样本足够大的情况下，便可以得到瓦斯涌出的概率密度函数，从而对瓦斯涌出规律进行定量确定。其次，通风系统的稳定性分析。分析的内容包括通风系统基础、通风网络图、通风构筑物以及风道的通风灵敏度。①通风系统基础。以通风期的实情为根据，解算通风网络的基础数据，明确分区通风的基本方案;②通风网络图。应用计算机软件，制作通风网络图，通风网络图具有可视化的特征，解算通风网络的风压、风阻等数据，在全面了解通风网络图相关数据信息的基础上，优化通风网络;③通风构筑物运行中，容易受到外力的影响而发生损坏，所以，应对通风构筑物的情况进行实时监测，避免由于通风构筑物受损而导致的风流紊乱;④风道的灵敏度指的是，风道的风阻改变的时候，风量也会发生变化，分析风道的灵敏度，可明确风量、风阻之间的关系，以便于合理调节风量。

2.3应用瓦斯传感器

矿井下瓦斯传感器是矿井瓦斯检测的核心设备，为保证瓦斯布管抽采效率以及综采安全和矿井通风系统的稳定运行，必须提升瓦斯传感器监测精度和性能的可靠性。当前较常使用的瓦斯传感器主要有热导式和热效式2种，前者主要利用矿井内瓦斯气体和正常气体不同的导热级别进行瓦斯探测，其构造和工作原理相对简单，但是检测过程和结果受矿井内风量、温度、湿度等的影响较大，性能稳定性受到影响，检测结果准确度无法保证;后者则主要利用化学试剂作用下瓦斯等可燃气体会发生自燃，并通过电阻自身温度的变化进行矿井内瓦斯含量的检测与判定，此种传感器设备功率较大，且传统的燃烧性气体燃烧程度很容易受到井下恶劣环境中硫元素等的影响，误报的可能性较大。为了保证井下瓦斯气体含量监测结果的精确性和可靠性，提出以SnO2为可燃性材料改进热效式瓦斯传感器的思路，充分利用该类型传感器感应快速、使用寿命长等性能优势，克服传统燃料受井下硫元素影响的弊端，显著提升矿井内瓦斯含量检测结果的准确性。

2.4做好风量分配

瓦斯灾害发生的一个重要因素是瓦斯体积分数超限。造成瓦斯体积分数超限的原因主要有两个，即局部通风不畅、风量分配不足。前面已经对局部风量不足引起的瓦斯超限问题进行了论述。这里重点对风量分配不足引起的瓦斯超限问题进行说明。在实际生产中，造成风量分配不足的原因有很多，可能是巷道漏风量过大，也可能是矿井的通风阻力过大。为此，应从以下两方面做好风量分配：a）进行矿井通风阻力测定，找到风量分配不足的主要原因，对于局部通风阻力过大的位置，需要采取一系列降阻措施;b）做好采空区的密闭工作，减少巷道漏风量，保证巷道供风量充足。

2.5做好上隅角通风

与其他位置相比，上隅角区域的瓦斯最容易积聚。一方面，工作面开采时的瓦斯会在上隅角处积聚;另一方面，采空区内产生的瓦斯在风流的作用下也会在上隅角处积聚。为此，需要做好上隅角处的通风工作。具体应从以下三方面出发：a）采空区埋管。在废弃的采空区中埋管，利用負压直接抽取采空区中的瓦斯，从而大幅度抑制采空区瓦斯向上隅角处流动，这种方法经过大量的实践检验，具有很强的可操作性。b）在上隅角处安放局部通风机，通过局部通风增加上隅角处的空气流动，从而将瓦斯稀释到安全体积分数以下。c）在上隅角处悬挂挡风板。上隅角处瓦斯积聚的主要原因是上隅角是个直角空间，空气在该空间内会有较大的动能损失而流动缓慢，通过悬挂挡风板改变该区域的直角结构，从而很好地改善该区域内的空气流动，减少瓦斯积聚。

结语

煤矿企业瓦斯治理工作不仅与安全生产有关，而且关乎企业的绿色低碳发展战略。从行业瓦斯治理现状出发，分析与低碳治理相关的问题，并提出建议措施，为未来煤矿企业的绿色低碳发展提供新的借鉴与思考。

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