煤矿矿井工作中瓦斯防治技术及通风安全管理措施探究

石志芳

（山西省晋城晋普山煤业有限责任公司，山西 晋城 048000）

煤层中赋存的瓦斯受工程活动影响，会沿着煤岩裂隙涌入巷道。因此，瓦斯是地下煤炭开采过程中不可避免的干扰性因素。根据国内煤矿生产的实际情况，瓦斯、水害以及火灾为煤矿重特大事故的主要成因。加强瓦斯防治技术研究是推动煤矿安全生产的必然路径。

1 矿井概况

山西晋城晋普山煤矿位于晋城市泽州县境内，主要产品为无烟煤，生产能力为130 万t/a，井田面积达到27.39 km2，现有采区和采煤工作面均为3 个。开采方式为综合机械化，矿井通风方法为抽出式。该矿属于高瓦斯矿井，瓦斯压力低于0.74 MPa，设计有地面永久瓦斯抽放泵站，瓦斯泵站内安装2 台2BEC-42 型水环式真空泵，工况状态抽气量146 m3/min，电机功率185 kW，1 台运行，1 台备用。井下建有移动抽放泵站，泵房内设两台抽放泵，型号为：2BEA-303 型水循环式真空泵，电机功率90 kW，工况状态抽气量62 m3/min，1 台运行，1 台备用。

2 煤矿矿井工作瓦斯综合防治技术

2.1 掌握矿井瓦斯危害类型及特点

2.1.1 瓦斯喷出

赋存在煤层中的承压瓦斯受开采活动或者地质因素的影响，从煤岩裂隙中快速大量喷出，这种现象称为瓦斯喷出，属于特殊的瓦斯涌出形式，具有突然性和集中性，其对巷道风流瓦斯含量控制具有较大的影响。瓦斯浓度的突然增加有可能导致人员窒息，增加了瓦斯爆炸的风险，因而预防瓦斯喷出成为安全管理的重点。

2.1.2 煤与瓦斯突出

采掘空间内突然喷出大量瓦斯和煤炭的现象称为煤与瓦斯突出，此类现象的发生总是伴随着内在的动力学因素，包括地应力、气体压力与地应力、液体与气体压力等，在突出过程中会涌出大量的瓦斯，同时抛出软煤、岩块，容易造成严重的安全生产事故[1]。

2.1.3 瓦斯普通涌出

瓦斯涌出分为普通涌出和特殊涌出，喷出和突出均属于特殊涌出，特点为突发、量大。日常开采中的涌出形式主要为普通涌出，其特点为瓦斯涌出速度相对稳定，普通涌出的常规应对方式为矿井通风。

2.1.4 瓦斯爆炸

瓦斯的主要成分为甲烷和二氧化碳，次要成分为乙烷、丙烷、氢气等。甲烷为易燃气体，氧气作为助燃剂，在点火源的作用下可引发爆炸，其化学反应方程式如（1）和式（2）。瓦斯爆炸的火焰锋面、冲击波以及对巷道气体成分的改变都可能引发人员伤亡[2]。

2.2 测定矿井瓦斯涌出量

煤矿开采过程中，赋存在煤层中的游离瓦斯和吸附瓦斯通常会涌入掘进工作面及巷道，掌握矿井瓦斯涌出量是制定瓦斯防治策略的基本前提。在工程实践中主要测定绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量，前者表征单位时间内涌入巷道的瓦斯量，后者表示每开采一吨煤平均涌出的瓦斯量。煤矿绝对瓦斯涌出量受瓦斯赋存、煤层开采、环境温度等多种因素的影响，其数值存在一定的波动性，因而需定期检测[3]。煤矿单位可委托专业的瓦斯检测企业测定以上两项指标。表1为山西晋城晋普山煤矿2021 年和2022 年的瓦斯涌出量检测结果。

表1 煤矿瓦斯涌出量检测结果统计表

2.3 制定系统性的瓦斯防治技术措施

2.3.1 瓦斯喷出的防治措施

2.3.1.1 加强地质工作

瓦斯喷出与煤岩地质结构以及特定区域的瓦斯含量密切相关，由于构造差异，某些部位赋存的瓦斯量较大，并且具有一定的压力。掘进开采活动导致原有结构破坏，压力释放造成瓦斯大量喷出。因此，在施工前应开展前期钻探，掌握采掘区及岩巷的地质构造、瓦斯分布特点、瓦斯储量，从而预先判断开采空间内的潜在瓦斯喷出位置[4]。

2.3.1.2 合理设计通风措施

通风是煤矿矿井控制瓦斯浓度的主要措施，由于瓦斯喷出具有突然性，对通风系统的抽排能力形成了较大的考验，日常风量有可能难以满足需求。为此，在设计煤矿通风系统时应考虑到瓦斯喷出时的通风需求，预留足够的通风能力。

2.3.1.3 综合运用封堵、引排、抽放措施

在通风系统不能满足瓦斯喷出排放需求的情况下，应综合运用封堵、抽放等技术措施，提高控制能力。

1）喷出裂隙封堵。为防止瓦斯向巷道及工作面喷出，可使用工程材料封堵喷出裂隙，如水泥灌浆材料、膏体填充材料、聚氨酯泡沫喷涂材料等，封堵措施为进一步的瓦斯排放创造了有利的条件。

2）瓦斯引排。瓦斯喷出时本身存在一定的压力，从而形成了扩散动力，瓦斯会从高压区向低压区移动。在裂隙封堵之后，可设置引排罩及管路，将喷出的瓦斯引排至地面或者回风巷。

3）瓦斯抽放。为了提高瓦斯控制的效果和效率，还可引入机械设备抽放瓦斯。该煤矿设计有专门的瓦斯泵站，以机械方式抽排瓦斯，快速降低瓦斯浓度。

2.3.1.4 监控瓦斯喷出的前兆

瓦斯喷出之前往往会形成特殊的预兆，为煤矿开采人员提供判断依据。常见的现象为瓦斯浓度突然增加、煤层及巷道内发出嘶嘶声、煤层变湿、煤层变软等。在日常工作中应该加大对此类现象的监控力度。

2.3.2 煤与瓦斯突出的防治措施

2.3.2.1 区域性防突措施

区域性防突措施针对较大范围的煤层瓦斯治理，其防治措施分为两类，具体如下：

1）设置开采保护层。预先开采的煤层能够预防未开采的煤层出现瓦斯突出，因而将其称为开采保护层，其作用为减少地压、缓慢释放弹性潜能、形成裂隙孔道，从而将被保护层的瓦斯引流到保护层的采空区内，防止被保护层出现瓦斯突出。

2）预抽煤层瓦斯。该措施指开采之前预先抽放煤层中的瓦斯，降低瓦斯的含量和压力，同时引起地应力下降、煤层收缩变形，提高煤层强度。释放压力能够有效避免煤与瓦斯突出。

2.3.2.2 局部性防突措施

局部防突措施用于处理小范围的煤与瓦斯突出，其技术措施较为丰富，包括松动爆破、钻孔排放、水力冲孔、超前钻孔、超前支架等。以松动爆破为例，在深部煤体上爆破出较深的炮孔，使煤体出现松动和破坏，此时高压瓦斯会向深部移动，在工作面前方形成瓦斯排放区和卸压区，达到预防突出的目的。

2.3.2.3 瓦斯爆炸的防治措施

瓦斯爆炸存在三个必要条件，分别为引火源、氧气和足够的瓦斯浓度。矿井内部需提供充足的空气，以满足作业人员的基本需求。因此，预防瓦斯爆炸的重点在于控制点火源和瓦斯浓度，瓦斯爆炸极限为5%～16%，应该通过矿井通风系统将瓦斯浓度降低至爆炸下限以内。在控制点火源方面，应重点管理煤矿机电设备以及煤矿作业人员。选用具备防火、防爆特性的本质安全型机电设备，避免其产生电火花或者电弧。在人员管理方面，应加强作业人员的防火意识。

3 煤矿矿井通风安全管理

山西省晋城晋普山煤矿的瓦斯防治以普通涌出为主，按照分源治理、先抽后采、长期与短期抽采相结合的原则进行治理，总体上采用“一矿一策、一面一策”的方法进行管理。矿井通风在瓦斯防治中承担着重要的作用，其关键在于合理设计通风系统，以下结合该矿331 工作面，分析通风系统设计的要点。

3.1 瓦斯涌出量预测

根据该矿3#煤层的瓦斯基础参数测定报告，331工作面的煤层瓦斯最大含量为4.88m3/t。预测工作面最大瓦斯涌出量为0.78m3/min。

3.2 通风系统设计

结合331 工作面的特点，将通风系统设计为“U”型，形成进风巷和回风巷，实现通路。主要设计内容为需风量和通风机械系统。

3.2.1 需风量计算

矿井风量需同时满足多种条件，因而存在多种角度的计算方法，涵盖了气象条件、瓦斯涌出量、二氧化碳涌出量、作业人数、风速等影响因素。表2 统计了331 工作面按照不同条件计算的需风量。表中所有参数均为需风量的制约条件，将需风量记为Q，那么需满足Q≥675 m3/min、240 m3/min≤Q≤3 249 m3/min，同时在1 066、85、35、260m3/min 四个确定指标中取最大值。因此，最终将331 工作面的需风量确定为1 066 m3/min。

表2 331 工作面需风量计算

3.2.2 风速和温度

通风系统通过风机控制风速，并且风速应该与采煤工作面的温度相适应，温度较高时瓦斯涌出速度会提高，因而对风速的要求也会提升。结合该矿的实际情况，建立温度与风速之间的对应关系，如表3 所示。

表3 采煤工作面温度与风速对应关系表

3.2.3 风机系统

风机的功率、数量、安全性以及防火防爆性能是设计重点，该矿采用FBCDZ No26 型矿用风机，单台功率为280 kW,具备良好的密封防爆性能，根据需风量和风速确定通风系统的风机数量，该矿配备了4 台风机。

4 结语

煤矿瓦斯涌出和瓦斯爆炸是常见的事故成因，其中瓦斯涌出又分为普通涌出、突出、喷出三种形式。瓦斯普通涌出的主要防治措施为通风，将其浓度控制在较低的范围。瓦斯喷出的防治措施为加强前期地质钻探、预先抽放、封堵喷出裂隙。瓦斯突出的防治措施分为区域性防突和局部性防突。在通风系统设计中需掌握需风量，在其基础上合理配置风机功率和数量。