采空区高浓度瓦斯治理技术的探索

张宝第

摘 要：为降低采空区内高浓度瓦斯的含量，保证矿井的经济和社会效益，提出了综合法治理采空区高浓度的方案，通过向采空区注氮气、液态二氧化碳将采空区内高浓度瓦斯逼向采空区裂隙带，然后在向采空区裂隙带施工高位抽放钻孔，将高位抽放钻孔接入矿井抽放系统，抽取采空区内高浓度瓦斯，还可用于发电。

关键词：采空区；高浓度瓦斯；治理技术

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.230

0 引言

瓦斯是矿井五大自然灾害之一，亭南煤业公司属高瓦斯矿井，矿井绝对涌出量达到了110m3/min。特别是随着工作面的不断回采，采空区的范围不断地扩大，采空区内的高浓度瓦斯对矿井安全生产的威胁也逐步增加，仅二盘区已经回采的204、205两个工作面采空区面积就将近72万m2，采空区里蕴藏着大量高浓度瓦斯对矿井安全生产是一个巨大的威胁，如果采空区内因煤炭自燃出现高温点或因顶板压力出现摩擦火花或静电火花，很容易造成瓦斯爆燃和爆炸现象，给矿井的安全和效益造成损失，给矿工的生命和财产安全造成威胁，给社会造成巨大的负面影响。笔者提出密闭墙注氮气、注液态二氧化碳，施工高位钻孔抽放的综合措施治理采空区高浓度瓦斯。

1 当前采空区治理存在的问题

现有情况绝大多数高瓦斯矿井在封闭工作面时，构筑的密闭墙上都预留有瓦斯抽放管路，装备束管监测系统配合密闭墙“U”型压差计观测密闭墙内气体状态，当采空区出现正压时就打开抽放管路闸阀抽放，呈负压状态就关闭，且密闭墙易受顶板压力影响造成采空区向外渗瓦斯或是向采空区漏风，需经常派人巡视极为不方便，不易控制。但受制于埋深及层位，常会出现密闭墙附近瓦斯超限的现象，抽放负压过大造成采空区呈负压状态，易向采空区内漏风，不利于采空区的防灭火工作。

2 解决方案

综合分析提出利用甲烷相对分子量较小通常存在于采空区上方的特性，通过施工高位瓦斯抽放钻孔从顶部将瓦斯抽出，可是采空区上部瓦斯被抽出后，采空区内气体平衡势必会被打破导致采空区成负压状态，此时通过密闭墙预留的抽放管路向采空区内注入氮气或者液态二氧化碳用以填补抽出的那部分瓦斯的体积，人为的通过置换的办法将采空区内高浓度瓦斯抽出利用。亭南煤业公司属高瓦斯矿井，矿井绝对涌出量达到了110m3/min，煤的最短自燃发火期在39-45天，矿井按照规定建立了五套地面永久抽放系统用于治理瓦斯，三套高压系统担负本煤层预抽，两套低压系统担负采空区及高位钻孔的抽放，抽出的高浓度瓦斯用于瓦斯发电利用。

2.1 向采空区注氮置换采空区内气体

通过西翼注氮系统和采空区密闭墙埋设的注氮管路向采空区大流量注氮。注氮系统制氮机型号为DW1000/10型膜分离式注氮机，氮气生成量1000m3/h，生成氮气浓度97%以上，氮气出口压力0.8～1.3MPa。通过205运输巷、回风巷及205高位抽放巷等密闭墙留置的注氮管路向采空区进行大流量注氮，将采空区内的高浓度瓦斯和氧气通过高位抽放孔和密闭墙埋设的气体置换管路排入抽采系统，将制氮系统生成的高浓度氮气充填整个采空区，使采空区内的瓦斯和氧气浓度均下降到5%以下，杜绝瓦斯事故和隐患的发生。

2.2 向采空区注液态二氧化碳置换采空区内气体

液态二氧化碳置换技术对杜绝采空区内瓦斯事故的发生有以下几方面优点：

（1）液态二氧化碳具有很强的膨胀性，1m3体积的液态二氧化碳将会膨胀640m3的气态二氧化碳，能够在短时间内迅速膨胀，更有利于采空区内气体的置换。

（2）二氧化碳比空气的比重大，煤体对二氧化碳具有很强的吸附性（煤对二氧化碳的吸附量为48L/Kg），很容易覆盖煤体表面，降低煤体表面氧气浓度，使氧气浓度低于自燃发火的临界浓度值，从而防止煤的氧化自燃，或使已形成的火灾因缺氧气而窒息灭火。

（3）大量的高浓度二氧化碳的扩散必然会加大采空区内气体静压，进而减小采空区的漏风量，降低采空区内氧气浓度。

（4）惰化抑爆作用。气态二氧化碳在冲淡可燃气与氧的含量过程中，可使采空区内空间气体惰化程度不断增大，从而使混合气失去可爆性。

2.3 高位瓦斯抽放孔施工具体方案：

在二盘区瓦斯抽放硐室施工3个高位瓦斯抽放钻孔，钻孔倾角分别为25度、31度、21度，方位角均为0度，孔深175米、181米、147米，终孔位置落在205工作面停采线以里30米，顶板以上70左右米的裂隙带层位，钻孔采用Φ94钻头钻进至终孔，全程下入套管；在204施工道施工3个高位瓦斯抽放钻孔，孔倾角分别为20度、22度、26度，方位角均为0度，孔深74米、130米、90米，终孔位置落在204工作面停采线以里30米，顶板以上50左右米的裂隙带层位，钻孔采用Φ94钻头钻进至终孔，全程下入套管；施工完的钻孔均接入地面低压抽放系统，孔口处应加装孔板流量计及蝶阀用以控制流量和观测孔内气体参数。

3 应用效果

经长时间的跟踪观测二盘区采空区设置的气体观测点参数情况显示，二盘区采空区内的氧气含量维持在1%-3%的区间内，一氧化碳稳定在0-5ppm，采空区处于压力平衡的状态 ，密闭墙附近未出现瓦斯超限的情况，高位孔内抽出的瓦斯浓度稳定在55%左右，流量在15-20m3/min，二号系统抽放主管路里的瓦斯浓度由原来的9.5%提高到了15%，利用瓦斯每天的发电量由原来的日均66000kw.h提升至75000kw.h，可谓一举两得，效果显著。

4 结论

基于长时间的跟踪监测采空区气体参数变化情况得出以下结论，1采空区内的高浓度瓦斯通过“惰性气体”置换的方法是可以安全的抽放出来的，但需注意控制抽放流量和抽放负压，应经常检测抽放气体的参数；2合理的选择高位抽放钻孔终孔位置落到的层位，以便最大限度的抽出高浓度瓦斯；3抽出的高浓度瓦斯可以加以利用造经济效益。

参考文献：

[1]苗惠东.并列双U型通风方式在高瓦斯矿井综采工作面瓦斯治理中的应用[J].中国煤炭，2011（08）.

[2]芦倩，李霞，朱耀杰，赵耀江.两进一回通风系统邻近层瓦斯运移规律研究[J].太原理工大学学报，2010（03）.endprint