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安全技术管理专业实习报告
——煤矿瓦斯灾害防治技术

摘 要: 简要分析了我国煤矿瓦斯概况, 煤矿安全生产所面临的严重形势、任务及我国煤矿瓦斯防治主要目标与措施, 从瓦斯的成分和所具备的爆炸条件出发, 研究了瓦斯的爆炸机理和传播机理, 过对瓦斯抽放的各种方法进行比较分析, 提出了瓦斯的主导防治技术, 且提出用割缝卸压的方法进行瓦斯抽放是效果最好的抽放技术。
关键词: 瓦斯; 爆炸条件; 爆炸机理; 传播机理; 防治技术
概述：
中国是世界上少数几个一次能源以煤为主的国家。在中国生产和消费的一次商品能源中, 煤炭约占74%, 煤炭提供了78% 的发电能源、70% 的化工原料和60% 的民用商品能源。然而瓦斯灾害, 特别是瓦斯煤尘爆炸和煤与瓦斯突出是煤矿井下最严重的灾害之一, 它直接威胁着井下人员的生命安全, 并可摧毁矿井设施, 迫使矿井停产。据统计, 我国所有煤矿均为瓦斯矿井, 在100 个国有重点煤炭生产企业的609 处矿井中, 高瓦斯矿井占26.8% , 煤与瓦斯突出矿井占17.6%, 低瓦斯矿井占55.6%。因此,煤矿瓦斯灾害防治技术的研究对我国的煤矿安全具有重要的作用。
在煤矿生产过程中, 伴随着生产的进行, 瓦斯涌出到生产空间, 对井下生产构成威胁。不论其涌出量多少, 一直是矿井生产最主要的一个危险源, 瓦斯灾害的治理就成为矿井最根本、最重要的任务。瓦斯对矿井安全的威胁主要有爆炸、突出、室息3 种表现形式。
瓦斯防治技术的研究主要从两方面入手。一方面是瓦斯涌出和突出预测, 包括对煤岩层中瓦斯含量的预测、采掘过程中瓦斯涌出量和涌出形式的预测、煤与瓦斯突出危险性的预测等, 根据预测结果确定合理的采掘部署及防治瓦斯灾害的措施; 另一方面是瓦斯灾害预防, 包括对煤层及采空区中的瓦斯进行抽放、采掘空间的合理通风、煤与瓦斯突出危险性的消除等, 其目的是减少瓦斯涌出量、消除瓦斯异常涌出、将采掘空间中瓦斯浓度稀释到可爆炸限以下, 保证充足的氧气供给。
1 煤矿瓦斯的成分和爆炸条件研究
1.1 煤矿瓦斯的成分
瓦斯由甲烷及其同系物、非烃类气体CO2 , N2 ,H2 , CO, H2S 以及稀有气体氦、氩等组成, 其中CH4含量较高, 一般在60%～80%; CO2 易溶于水且被地下水带走,N2 分子较小, 运移速度快, 因而, 它们的含量与地下水活动及上覆盖层有关, 一般靠近地表,N2 和CO2 的含量相对偏高。
1.2 煤矿瓦斯的爆炸条件
(1) 瓦斯的浓度。在新鲜空气中, 当瓦斯浓度达到5%～16% 时, 就达到爆炸浓度, 也称爆炸界限。因矿井内涌出的可燃性气体不单纯是沼气, 还有一部分重碳氢化合物, 重碳氢化合物分子量越重, 其爆炸下限越低。
(2) 具有引燃引爆瓦斯的高温热源。在新鲜空气中, 瓦斯的引燃温度为650～750℃。
(3) 氧气的浓度。氧气的作用是助燃, 当空气中氧气的浓度超过12% 时, 就可使瓦斯爆炸, 这是最容易获得的条件, 因为在正常通风风流中氧气的浓度通常大于20% 。
2、煤矿瓦斯爆炸机理和传播机理的研究
煤矿瓦斯爆炸机理及点火方式是瓦斯爆炸研究的一个重要内容。瓦斯爆炸的过程是甲烷气体在外界热源激发下剧烈的热化学反应。从化学动力学角度深入研究, 揭示了甲烷爆炸过程的物理和化学的本质特征。事实上, 甲烷爆炸的点火过程是由多个基元反应组合而成的支链型链式反应过程。实验结果和理论分析证实, 矿井巷道中瓦斯爆炸是以冲击波方式传播的, 根据传播时间和空间的推移, 冲击波结构要发生变化。在起始阶段, 以爆燃波方式传播,随着甲烷气体燃烧完毕, 则演变为单纯空气冲击波传播。在爆炸传播方式上, 从实验和理论方面都证明, 瓦斯爆炸冲击波在一般条件下, 以爆燃波形式传播, 但在某些特殊条件下, 可能演变为爆轰波。
3、煤矿瓦斯灾害防治技术的研究
多年来, 人们治理矿井瓦斯灾害的主要方法是加大矿井通风量, 使采掘地点空气中的瓦斯浓度降低到《煤矿安全规程》规定的浓度以下, 因而稳定可靠的通风系统是保证煤矿安全生产的基础。多年来与瓦斯灾害作战的过程中, 人们创新和应用了各种各样的瓦斯灾害防治技术, 通过分析这些技术的特征, 可以发现这些技术主要可以分为两类: 被动瓦斯防治技术和主动瓦斯防治技术。下面分别对这两类技术进行分析研究。
1、被动瓦斯防护技术
被动瓦斯防治技术的典型特征是不改变煤层的特性, 而仅仅采用负压的方式对煤层瓦斯进行抽放。
1.1 临近层瓦斯抽放
临近层瓦斯抽放方法有穿层钻孔和顺层巷道两大类, 其中穿层钻孔类又分为回风侧、进风侧、迎向和地面垂直钻孔法; 顺层巷道类分为倾向顶板眼是巷道、走向顶板眼是巷道、走向顶板眼是尾巷、走向朝前顶板岩石巷道法。这些抽放瓦斯方法的前提,都是在需要进行瓦斯抽放的采煤工作面开始生产以前进行, 为其准备好抽放瓦斯的通道, 包括抽放管道的安装和连接。

图1钻孔抽放瓦斯示意图
不论采用什么方法, 由于抽放临近层瓦斯是卸压区内的瓦斯, 从而为了保证在采煤工作面初采20m~ 30 m 一段内, 能及时抽出瓦斯而又不影响工作面安全生产, 钻孔或巷道的角度应布置的比穿层抽放瓦斯时要偏低些、钻孔间距要近些、数量要多些,以弥补这个受三角地区免压拱带来的卸压不充分的影响。
1.2 开采煤层的瓦斯抽放
开采煤层瓦斯大, 威胁着巷道掘进和工作面回采时的安全生产。为了解决这一问题, 可以采用本煤层瓦斯抽放的方式, 包括煤层预抽放和回采工作面超前的边采边抽, 抽放方法主要是钻孔瓦斯抽放。由于我国多数煤矿是低渗透煤层, 因此钻孔抽放瓦斯在多数煤矿效果不明显, 为此进一步发展了边采边钻孔超前瓦斯抽放、煤层钻孔注水促进瓦斯抽放、大直径密集钻孔瓦斯预抽放等技术。实践证明这些方法对减少煤层瓦斯含量的作用非常有限, 而注水抽放会在一定程度上抑制瓦斯的扩散和逸出。
1.3 采空区的瓦斯抽放
矿井瓦斯涌出量平衡表中表明, 矿井开采时期采空区瓦斯涌出随时间的增加而增加, 占矿井瓦斯涌出量的20 % 左右。这给矿井安全生产和矿井通风带来负担, 有不少矿井采空区瓦斯的涌出已影响到相邻的或下部开采工作面的正常生产。采空区瓦斯抽放技术可以采用地面垂直钻孔抽放下部采空区瓦斯、采空区相邻巷道钻孔抽放采空区瓦斯、下部煤层开采时抽放上部采空区瓦斯等技术。这些技术都可以有效地降低煤层瓦斯的浓度,但抽放出的瓦斯浓度较小, 无法直接加以利用。
2 主动瓦斯灾害防护技术
2.1 水力压裂抽放瓦斯
水力压裂技术是石油部门油气增产的主要技术手段之一。通过各种形式的控制压力技术, 在油气藏资源层内形成连续贯通的裂缝, 从而为油气的溢出提供尽可能多的渗流通道以及连通更多的死端孔隙, 达到增产的目的。这种方法对于岩石类说, 是非常成功的。但煤体与一般油藏的砂岩、页岩等岩石的性质不同, 煤体一般为裂缝发育岩体, 而且层理与节理均发育, 这一方面导致压裂形成大裂缝的成功率很低。另一方面, 压裂时的高应力会导致煤体的压缩变形, 导致煤体渗透率更低。因此, 阳泉矿经过大量的压裂试验证明, 水力压裂煤体提高煤体瓦斯透气性的技术不可取。其基本原理如图2 所示。图中灰白色为应力集中区域, 亦即渗透率降低区域, 将整个水力压裂形成的渗流通道包围, 致使其它区域内释放的瓦斯很难通过压裂裂缝流向抽放孔。

图2 水力压裂煤体抽放瓦斯示意图
2.2 水力割缝卸压抽放瓦斯
煤体内瓦斯的释放主要与地应力和孔隙压力有关, 地应力越高, 孔隙压力越大, 吸附的瓦斯越多, 瓦斯突出的危险性就越大。因此, 要想从根本上解决煤矿的瓦斯问题, 最直接的方法就是对煤体进行卸压, 即降低煤体内部的地应力和孔隙压力。以太原理工大学的赵阳升教授为首的课题组, 提出了水力割缝瓦斯抽放技术, 其原理如图3 所示。采用水力割缝的方法, 在煤体下部割掉一部分煤, 从而使整个煤层卸压, 在煤体内部产生大量连通的裂缝, 达到降低地应力和瓦斯压力的作用, 并形成大量的瓦斯流动通道, 从而最大限度的使煤体瓦斯释放出来。这种方法经过在潞安矿区的试验, 被证明是非常有效的瓦斯抽放技术方法。

图3 割缝卸压抽放瓦斯示意图

4 展望
科学合理开发利用瓦斯, 不仅解除煤矿安全的心腹之患, 保障矿工的安全, 也有利于经济发展和环境保护。煤炭地质队伍长期从事煤炭资源勘查工作, 拥有先进和丰富的钻探装备及技术。近年来煤炭地质队伍的钻探技术除满足煤炭资源勘查外, 同时积极开展煤层气、油气勘查, 掌握了钻井、压裂、排采等瓦斯钻孔施工技术与工艺, 积累了较为丰富的经验, 完全有能力在我国煤矿瓦斯防治领域中发挥重要作用。随着国家“先采气, 后采煤”的强制性标准的出台, 作为瓦斯抽放的主要技术手段—钻孔抽放技术将具有广阔的市场前景, 煤炭地勘队伍要积极面对新的机遇和挑战, 主动向煤矿瓦斯抽放领域进军, 为我国煤矿瓦斯防治做出重要贡献。
瓦斯灾害治理是煤矿安全治理的重点, 是煤炭工业走持续发展道路的前提和保证, 也是社会和谐的重要因素。几十年来, 我国在瓦斯灾害治理方面取得了可喜的成绩, 但是, 随着产业结构的调整, 针对矿井瓦斯涌出量倍增、产尘强度大幅度上升、通风压力增大、煤与瓦斯突出和冲击地压危险性增加等情况, 瓦斯灾害治理应从以下两个方面展开研究: 一是根据矿区煤层条件的不同、瓦斯赋存特征的不同、生产条件的变化, 采用新的科技手段进一步完善提高现有瓦斯灾害治理技术体系并进行适应性研究, 如采用现代通讯技术、自控技术、计算机技术和传感技术,解决我国现有煤矿安全监测系统相互不兼容、无法互联互通的技术难题; 二是不断解决瓦斯治理技术研究中出现的新问题, 如伴随我国东部深井开采带来的“三高” 和深部矿井的延期突出问题和松软低透气性煤层长钻孔瓦斯抽放的技术难题。只有清楚地认识到这些, 才能真正使矿井防灭火技术水平上一个新的台阶。

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