关于深部煤矿开采瓦斯综合治理技术的分析

＊陈晓东

（山西乡宁焦煤集团前湾煤业有限责任公司 山西 042100）

数据显示，我国煤矿资源有超过50%的部分都分布在位于地表以下超过1000m处的层区，随着我国经济的不断发展，煤矿被不断开采，煤这种不可再生资源正在不断减少，企业开采煤矿的挖掘深度不断提高，依据现有的信息进行计算，未来我国煤矿采集平均深度将接近1500m，甚至更深，并且根据发展趋势，煤炭仍作为不可替代的能源被广泛使用。深度越深，煤炭所处温度越高，产生化学反应越剧烈，生成甲烷、乙烷等混合气体，对矿井内工作人员和开采设施带来极大安全隐患，所以为了治理煤矿内瓦斯带来的问题隐患，我们需要总结归纳、深入研究对深部煤矿矿井内残留瓦斯的管控方法。

1.深部煤矿瓦斯带来的隐患

瓦斯与煤炭资源一同存在于煤矿矿井中，瓦斯属于易燃易爆的气体，一旦在矿井中过量聚集并超过一定浓度，将会容易引发燃烧、爆炸等安全事故，不仅会影响企业或相关单位的正常生产，最重要的关乎工作人员的生命安全，所以要特别重视。

(1)瓦斯燃烧隐患

瓦斯属于一种混合气体，主要成分为甲烷气体，另含少量的乙烷、丙烷和丁烷等气体，具有可燃性。在煤矿的开采过程中，由于矿井中瓦斯含量随挖掘深度的延伸而逐渐提高，因此在开采深度较深的情况下，煤矿会积聚大量的瓦斯气体。若煤矿整体环境通风设计不合理，瓦斯无法有效排出井外，当氧气浓度相对较低，或瓦斯浓度未达到爆炸阈值时，矿井内部一旦出现明火，瓦斯就会在井内燃烧，造成矿井内部的火灾事故。一旦发生瓦斯爆炸，容易存在窒息的隐患，当瓦斯泄露达到一定浓度时，会降低空气中的含氧量，造成煤矿施工人员缺氧，严重者还会直接危及生命。

目前研究一般认为，当瓦斯浓度不足5%时，爆炸不会产生，但会在外层形成燃烧带，造成火灾事故。当瓦斯浓度上升到16%以上，此时氧气浓度一般不足以支撑瓦斯引发爆炸，此时难以产生爆炸，但会出现燃烧现象。

(2)瓦斯爆炸隐患

当矿井中残留的瓦斯浓度足够高，且矿井内部出现明火时，会发生瓦斯引发的爆炸事故，并在爆炸发生时，经常会伴随粉尘爆炸等连锁反应。截至目前的研究表明，导致爆炸的瓦斯浓度一般在5%～16%之间，其中瓦斯浓度达到9.5%，且氧气浓度满足瓦斯足够充分反应的情况下爆炸威力最大。

(3)瓦斯中毒隐患

瓦斯同时是一种有毒气体，挥发到空气中，会对吸入者身体造成一定的损害，在摄入量达到一定程度的时候人体将出现头晕、呕吐、耳鸣等一系列的症状，情况严重可致人死亡。

随着采矿深度的增加，瓦斯浓度也在不断提高，如果设计矿井内部风道结构时，没有充分考虑到通风，无法将瓦斯气体有效排出井外或稀释至无毒害浓度，矿井内工作人员在吸入高浓度瓦斯气体后，会出现不同程度的中毒现象，如果长期处于高浓度瓦斯的环境下，采矿工人将可能产生窒息死亡的情况。

(4)瓦斯突出隐患

在进行矿井开采时，如果瓦斯压力和含量达到了一定峰值，就会存在瓦斯突出隐患。在矿井开采时，煤矿开采的深度一般都会超过800m，瓦斯的压力也在5.0-100MPa之间，所以在进行深部开采时，要多加注意瓦斯突出的问题，以免发生危害。

2.当代煤矿开采企业瓦斯治理面临的难题

煤矿开采企业在针对瓦斯浓度及压力集中的治理问题所面临的难题集中在瓦斯的抽放和现场应急处理的问题上。

首先，我国采煤企业目前一般存在瓦斯抽放技术及设备相对落后于国外，国内专家对井内瓦斯排放及再利用的研究不足等问题，不同于国外主流的瓦斯地面抽放方法或瓦斯液化技术，国内多数煤炭企业在抽放瓦斯的问题上一般采用井下抽放，实质上没有根本性地处理掉存储于岩层下的瓦斯[1]。

其次，部分企业内存在瓦斯治理思想陈腐的管理人员，对及时抽放井内残存瓦斯的意义认识不足，没有充分考虑瓦斯存留对井内工作人员的危害及对生产安全隐患的积累，仍保有只看生产、无视安全的态度，否认新技术的价值和可行性，影响瓦斯治理方案的落实与推广，这极大阻碍了瓦斯治理新技术的实施。

此外，在互联网技术飞速发展普及的整体环境下，部分煤炭企业正逐步采用计算机远程控制系统，进行矿井内部安全检测及工况监控。但是受限于缺乏运营管理经验、技术应用尚未成熟等条件，导致其中存在虽然企业实现了矿井内部的网络连接，但是系统响应慢，网络速度低，现场紧急情况发生后反而处理不及时的情况。现场管理者和网络技术人员水平不到位，系统长期没有得到必要的维护，应急流程得不到有效优化，安全监测网络在应急情况处理中不仅起不到相应作用，甚至成为累赘。

3.深部煤矿开采瓦斯综合治理技术介绍

(1)控制瓦斯的燃烧和爆炸条件

瓦斯燃烧或爆炸所需的三大要素是：瓦斯相对含量、环境氧气浓度和引火温度。实验表明，当矿井内瓦斯含量达到7%～8%时，瓦斯燃爆可能性最大、最难以控制。瓦斯燃烧的最低温度随环境压力变化而变化，一般为650～750℃。环境中氧气浓度低于12%时，瓦斯无法被引爆[2]。因此，可以通过对井内瓦斯引燃引爆的以上三大要素进行管控，达到防火防爆的目的。控制环境引火温度，需要对煤矿开采工人进行定期防火安全培训，并通过细化规章制度、流程固化等方法，严格确保从业人员能够了解、掌握并运用煤矿安全开采所必需的操作规范，特别作为现场工作人员，一定要确保严格遵守规范标准进行生产，严格禁止产生明火，催生井内安全事故。

对于矿井内瓦斯含量的管理，单位应遵守安全生产规范的内容，定期对用于生产的工具设备进行仔细检查和维护，对矿井内部的通风设施进行周密检查，务必确保矿井内部通风情况正常。将巷道内瓦斯含量管控在安全浓度的同时，采矿单位还应设置瓦斯异常检测部门，专门检查发现瓦斯浓度压力异常区域，便于管理人员迅速响应，以及技术人员能够第一时间分析处理问题，防止瓦斯累积导致火灾事故。此外，对通风装置的风向也需要按时检查，防止风向设置错误导致矿井内的瓦斯气体无法流向井外。

(2)加强瓦斯监控和监测

在进行煤矿开采时，相关企业或工作单位必须在矿井中安装瓦斯监测设备，包括瓦斯浓度传感器、矿井监控系统、矿井通风系统、瓦斯闭电系统、甲烷报警系统等，以保障煤矿开采工作的安全性，把员工安全放在第一位。这些监测系统的运用，可以实时监测矿井的工作情况，提高矿井环境监测质量。根据我国煤矿安全开采的工作标准，煤矿开采人员应该携带便携式甲烷监测仪器与便携式甲烷报警仪器，如果矿井内部瓦斯浓度异常，监测和报警仪器就会发出提醒信号，警醒相关工作人员进行应急反应和处理，防止事故发生。通过钻孔的方式预抽煤层条带瓦斯，可以降低该部分的瓦斯含量，降低该区域瓦斯压力。

(3)穿层钻孔与顺层钻孔

穿层钻孔技术与顺层钻孔技术也是瓦斯治理中重要的技术。首先是穿层钻孔技术，在进行煤矿开采工作前，要先在瓦斯抽放巷内布置成组的穿层钻孔并联网，并预抽煤层内含有的瓦斯。穿层钻孔并联网每组是11个钻孔，瓦斯抽放巷的治理范围是超前煤层掘进工作面至少200m。如果煤层瓦斯含量高、压力大，要在进行穿层钻孔后，应用水力割缝技术，使用高压水射流对钻孔周围的煤体进行切割，让钻孔周围的瓦斯和煤体应力产生波动，降低钻孔周围煤体的压力，提高煤层的透气性，促进瓦斯的排放，提高煤矿工作的安全性。其次是顺层钻孔技术，顺层钻孔技术是根据煤层瓦斯的含量和矿井所在地的地质条件，利用顺层钻孔技术对回采区域内的煤矿瓦斯进行预抽。运输巷是在巷道上方进行开孔，中间煤巷是向上下两边开孔，风巷是向巷道下开孔，在钻孔封口后，使用抽放软管连接矿井抽放系统，来进行工作面回采区域的瓦斯抽放。

(4)高抽巷开采

高抽巷开采是指在上覆岩层裂隙带内布置高抽巷，岩层会因为开采受到扰动而断裂、脱落，形成可以让瓦斯流动的通道，这条通道，也是布置高位抽排巷的最好位置。通过这一技术，可以向上穿层钻孔，抽采了岩层裂隙带内含有的瓦斯，降低区域内的瓦斯浓度，如果瓦斯浓度超过限制，将会引发甲烷报警系统运作，影响人身和财产安全。采空区的瓦斯抽采是通过在采空区顶板上进行施工钻孔，并进行瓦斯抽放，一般情况下被布置在顶板缝隙带中，可以降低采空区的瓦斯涌出量。

(5)地面钻井抽放技术

因为矿井开采的特定条件影响，矿井下的应力稳定区域会残留保护煤柱和围岩中会聚集大量瓦斯，通过使用地面钻井技术，进行该区域的瓦斯抽采，会有效的排放该区域内残留的瓦斯，避免因瓦斯浓度过高造成灾害。现如今，我国很多地区都进行地面钻井抽放技术的研究，促进煤与瓦斯的协调开采，通过将穿层钻孔、井下顺层与地面钻井相结合进行瓦斯抽采，将本煤层与相邻近的煤层共同抽采，实现时间上、空间上的瓦斯治理，推动瓦斯治理的科技化发展，形成瓦斯治理新模式。

(6)保护层开采技术

保护层开采方法一般在深度较低的煤层中实施效果明显，经常需要结合瓦斯抽采同步使用。开采层间距低于30m的煤层群时，层间岩层较薄较软，在突出层压力降低后，周围瓦斯气体将由层间裂纹缝隙进入开采层，结合瓦斯集中收集技术可减缓瓦斯的涌出流量，保证矿井内作业的安全稳定性。在完成保护层的开采后，内部煤层的力学强度会根据保护层的变形发生改变，从而影响矿井内整体瓦斯压力的变化，也会影响煤层整体的透气性，提高煤矿开采工作的安全性。开采层间小于30-50mm的煤层中没有质地坚硬的岩层，在突出层压力发生改变后，瓦斯会通过岩层间的缝隙涌入到开采层中，进而形成瓦斯超限等情况，所以需要工作人员制定科学的瓦斯抽采方式，抑制瓦斯向工作面大量涌入的现象，提高煤矿开采的安全性，下图是保护层开采技术的具体流程原理（图1）。

图1 保护层开采技术原理图

(7)瓦斯集中焚烧处理

瓦斯的主要成分是甲烷等烷烃，烷烃与氧气充分发生氧化还原反应，会生成二氧化碳和水，反应式如式（1）所示。可以根据此原理集中焚烧处理矿井内抽取的瓦斯气体。

烷烃与氧气反应方程式：

由上式可知，对煤矿井内抽出的瓦斯气体进行集中焚烧，生成物为二氧化碳和水，属于无毒无害气体，有利于实现减排目标，改善大气环境。相关数据表明，甲烷等烷烃气体造成的温室效应可达到同等体积二氧化碳所能造成温室效应的21倍。相比之下，将矿井内部收集的瓦斯气体集中焚烧处理，可极大程度避免煤矿开采瓦斯排放造成的温室效应，有利于环境治理和绿色发展。同时，为了管控烷烃气体不规范排放导致温室效应等一系列问题，国家颁布了排放标准规定，明文禁止高浓度瓦斯直接排放到大气中[3]。并且由于矿井内抽取的瓦斯气体纯度低、杂质多，这些瓦斯气体也难以被回收利用。因此，研究焚烧技术销毁处理是必要的。

主流的焚烧技术要求诸如烷烃等可燃气体所占浓度比例必须比该气体爆炸上限略高。当深部采矿收集的瓦斯气体甲烷含量较低时，焚烧无法进行。因此低浓度矿井内部采集瓦斯焚烧处理技术仍有待完善。也正因此国家暂未对低浓度瓦斯的空气排放进行明文限制。多孔介质预混燃烧是一项基于新颖成熟燃烧理论的技术，该项技术优点在于能有效降低燃烧污染，扩展气体可燃极限，甚至能够燃烧诸如上文提及的低浓度混合可燃气体。该项技术有望解决低浓度瓦斯的集中焚烧处理排放问题。

(8)加强局部通风管理

在深部煤矿处理矿井内部瓦斯过程中，为了提高瓦斯收集排放能力、促进矿井内部空气流通，一般会采用局部通风机。局部通风设备的使用方案、安装位置等需要详细周密的布置计划。局部通风机投入应用的场景中一般需配合风电设备等辅助装置，局部通风设备的使用及维护必须设置经过培训的专业人员专门管理，未经相关知识技术培训的工作人员正常情况下不能触碰或操作局部通风装备的控制系统，企业还应该另外安排专业检测人员定期对装置进行检测和更换，保证矿井内部通风设备能够安全高效的正常使用[4]。

在遇到突发情况，如检修停电等生产故障等场景下造成局部通风装置宕机，井下工作人员需要切断一切电力来源，设置警戒线等警示公告，并马上从井下撤出，在通风设备能够进行正常运转之前，矿井内部气体需被有效排放，同时矿井内部环境的瓦斯含量需通过检测，在井内瓦斯浓度重新恢复低于煤矿开采瓦斯浓度标准之后，工作人员才能分批进入矿井内部继续开启工作，这样才能保证煤矿现场开采人员的生命安全。

4.结束语

综上所述，对于深部煤层的煤矿开采，对瓦斯浓度压力等各项指标的治理管控尤为重要，通过对矿井内部瓦斯监测处理收集焚烧等操作，能够有效避免由于深部煤矿累积的瓦斯造成的安全隐患，从而使工作人员生命安全以及周围环境的绿色健康得到保障。在瓦斯治理中，我们还应加强对煤矿开采过程中瓦斯处理方式及实施的监督管理，准确判断现场实际情况，彻底防控安全隐患，只有了解分析并根据现场具体情况选用正确的治理方案，才能最大程度综合治理矿区瓦斯造成的事故隐患。