高产高效矿井瓦斯综合治理技术研究

李 奇,高中宁，张 怡,杜宏罡

(1.成都理工大学工程技术学院，四川乐山 614000；2.成都理工大学环境与土木工程学院，成都 610059； 3.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，沈阳 110016)

0 引言

中国目前已经是世界最大产煤国，其中有95%的煤矿属于井工开采，矿井瓦斯灾害频发，矿山安全形势比较严峻，这严重影响着中国矿山高产高效安全地发展[1-2]。国内外相关学者对高产高效矿井的瓦斯治理提出了诸多见解，取得实效。80年代以前国外许多国家试图通过改进回采面通风系统，来维持采煤工作面的安全生产[3-5]。德国萨尔、鲁尔等矿区通过采取瓦斯抽采措施，一般抽采率可达63%，大大减少了瓦斯事故的发生[6]。对于低透气性煤层瓦斯治理比较困难的问题，原苏联在卡拉干达、顿巴斯矿区采用交叉钻孔强化预抽煤层瓦斯，抽采率增加几倍[7]。乌克兰科学院研制的腐植酸钠新型药剂配合水力压裂的方式，提高煤层透气性，使得抽采率提高到60%～75%[8]。美国、波兰等国正在研发超大抽采能力干式、湿式抽采装备，适应市场需求[9]。为减少井下瓦斯治理压力，美国、澳大利亚等国正在圣湖安煤田、鲍恩盆地等未开采区域试验地面钻孔瓦斯抽采，效果显著[10]。20世纪50—80年代，我国矿井瓦斯治理的关键在搞清煤与瓦斯突出产生机理，借鉴学习国外较先进的煤与瓦斯突出防治技术及科研成果，研究符合我国实际的预测煤与瓦斯突出方法与治理工程。20世纪80—90年代，我国主要以局部防突措施为主开展瓦斯防治，核心问题是落实与贯彻“四位一体”综合防突措施[11-13]，核心工作是煤与瓦斯突出危险性预测指标和预测方法，以及深入研究突出治理工程实践方法[14]。2002年王显政局长提出“先抽后采，监测监控，以风定产”的12字方针[15]。2008年王君局长提出“通风可靠、抽采达标、监控有效、管理到位，把煤矿瓦斯治理攻坚战扎实有效地推向深入”[16]。

笔者立足于高产高效矿井保德煤矿在矿井瓦斯治理工程实际，提出了一系列瓦斯综合治理技术方法，对于该矿井的瓦斯防治起到弥足重要的作用，同时相关技术可在同类矿井广泛推广应用。

1 回采工作面瓦斯治理技术

1.1 回采面通风方法与通风方式优化

针对保德煤矿高产高效的要求，一进一回已经不能满足回采工作面的要求，从满足运输及处理瓦斯的要求，至少需要布置三条巷道。回采面总配风量将至少为6 000m3/min，才能保证工作面的顺利进行回采。

工作面通风方式上，应满足以下原则：为了保证工作面风速不超限，同时增大通风稀释瓦斯的能力，而工作面(切眼)过风量有限，最好采用多巷布置(包括两进两回、三进两回或两进三回的)的通风方式；通风系统设计务必保证能够控制上隅角瓦斯；通风系统的设计要基于回采面的瓦斯综合治理措施，要基于采空区瓦斯的有效抽采，要基于采空区瓦斯的合理排放；矿井通风系统的设计一定要充分利用好均压技术，有效的防控好采空区瓦斯的逸出，造成上隅角瓦斯超限事故。利用通风设施合理调整风流路线及风量大小，确保通风效率。

1.2 回采工作面瓦斯抽采措施

保德煤矿已经建立地面瓦斯抽采系统，为保德煤矿回采工作面的实行瓦斯抽采提供了必要的保障。综(放)采工作面实行瓦斯抽采时，在回采工作面的接替上要考虑备用工作面，同时工作面在巷道布置上要考虑瓦斯抽采的需要。

1.3 增大巷道顶板附近的风速

当无法保证稀释瓦斯层所需的巷道平均风速时，可采取增大局部地点的顶板风速之措施。例如可在支架顶梁的下部安置一个导风板，进而可将风流导向顶板处位置；沿着巷道顶板安设压风管路，每间隔一定长度接一分支管路，用压风将瓦斯层吹散；在集中瓦斯源附近装设引射器。详见图1。

另外，用康达风筒(旋流风筒)解决瓦斯积聚，它是在局部通风机的导风筒上，沿其纵向开一条细长的切口，顺着切口方向装设与风筒同圆心的弧形铁罩(图2)。该罩与风筒之间留有切向排出口，风筒的轴向有控制阀门，当此阀门关闭(或关一定程度)时，风流将从风筒切口并经铁罩的排出口沿切线方向喷射出去，高速旋转的风流(15～30m/s)沿巷道周边运动，这样，巷道支架背板后空洞的积聚瓦斯和顶板的瓦斯层均可被稀释和带出，从而解除了涌出的瓦斯积聚的危险。

a-导风板法；b-分枝压风管法；c-引射器法图1 增大顶板附近风速吹散瓦斯Figure 1 Blowing away gas through roof nearbyair-flow rate increasing

a康达风筒-b-巷道断面内风流运动状态1-铁皮罩2-铁风筒3-切向排风口4-风筒上的切口图2 康达风筒处理积聚瓦斯Figure 2 Gasconcentrations processing through Coanda air duct

1.4 密闭断绝瓦斯涌出源

巷道顶板岩石比较破碎的时，大量的瓦斯会从裂隙涌出，可利用一些化塑材料或者粘土等将裂隙填充岩石，封堵住瓦斯溢出通道，进而封闭瓦斯涌出源。

2 掘进工作面瓦斯治理技术

根据目前保德煤矿瓦斯预测与瓦斯涌出特点，在掘进的过程中应加强通风监管，强化通风措施，做好瓦斯监控监测工作和瓦斯日常检查，有效处理好局部瓦斯积聚。

(1)采用双巷掘进，每隔50～100m开一联络巷形成全风压通风，同时提高联络巷的密闭质量从而减少漏风，以提高掘进面解决防控瓦斯能力，根据保德煤矿长距离快速的掘进，在瓦斯涌出比较强的区域，也可在巷道布置时考虑两头对掘的方式，从而缩短掘进距离及局扇的供风距离。

(2)增加大功率风机，采用高强质风筒，减少漏风以增加掘进头的风量。

(3)对于瓦斯涌出较大区域，采用通风方式已不能解决时，尤其进行深部区域掘时，可以采用边掘边抽的方法。

(4)掘进工作面实行“三专两闭锁”，安设瓦斯探头，瓦斯超限时报警断电；确保巷道通风隅角及冒高处等地点无瓦斯积聚，做到无瓦斯超限作业。

(5)机电方面做到“三无” “四有” “两齐” “三全”“一坚持”；严禁利用不具备防爆功能或者防爆功能受损的的电气设备；日常监督排查“五小”电气的抑爆功能。

(6)故障断风后，务必要断掉电源撤离人员，安设防护栏与警告标志；在风流恢复输送前，严格要求瓦检员检查瓦斯情况，一旦出现瓦斯浓度超限、瓦斯异常或瓦斯积聚，立即制定瓦斯排放措施。

(7)加强通风设施的管理，严禁一切非防爆车辆进入该区域，并对防爆车辆进行检查，保证完好。

3 顶板冒落空洞积聚瓦斯处理技术

对于煤层赋存不稳定的情况下，在回采或者掘进过程中，会时常出现顶部冒落，就会在巷道顶部产生空洞，个别空洞面积会很大。在冒顶的空洞里风流无法顺畅流通，就会造成瓦斯的积聚。在这种情况下需要采用空洞充填、风流吹散和封闭抽采等方法消除瓦斯积聚。

3.1 空洞充填法

空洞充填法在我国很早就已经采用，在一些矿区首先在冒落空洞位置架设木桩、木板或者荆笆形成骨架，之后使用黄粘土把孔洞填充即可。这种方法能够封住瓦斯存留的区域，能够防止瓦斯聚集；同时对易自燃的厚煤层还能起到预防冒顶浮煤自然发火的作用。其充填方法见图3。

泡沫塑料充填冒高的方式如图4。

1-木板或荆笆；2-黄土图3 黄土充填冒落空洞Figure 3 Caving cavity loess filling

a-泡沫塑料块充填法；b-浇注充填1-泡沫塑料块；2-浇注管3-浇注的泡沫塑料图4 泡沫塑料充填冒落空洞示意图Figure 4 A schematic diagram of caving cavitypolyfoam filling

充填空洞法的优点是处理效果可靠，并同时起到了预防冒落空洞浮煤自然发火的作用。

3.2 风流吹散法

风流吹散法解决瓦斯聚集已经广泛的应用，但具体实施方法尚应根据冒高范围、聚集瓦斯量、瓦斯涌出速度和风流速度的大小来选择。

据经验，导风障法适用于冒落高度小于2m，冒落孔洞体积小于6m3，风速大于0.5m/s的情况(图5)。风障的材料视其服务时间而定，时间长者可用木板，时间短者可用帆布等。该法的优点是施工简单、经济；缺点是使局部地点的巷道略有高低不平，运输和行人感到不便。

图5 导风障引风吹散法Figure 5 Air deflectorinduced air blowing away method

对于冒落高度高于2m，冒落孔洞范围超过6m3，巷道内风流速度小于0.5m/s时，有具备安置局部通风机的地理条件，这时利用风袖吹散法又称分支风管法见图6。

其具体实施方法，通常在风筒的上面剪开一个小孔以连接一段尺寸较小的风筒或者胶管，将风流分流到巷道顶板的高处，进而可以吹散积存的瓦斯。风袖的长度与直径，视冒高和范围大小而定。该法的优点是简单易行；缺点是降低了工作面的有效通风量。如果巷道中不具备安置局扇的条件，也可利用压风管路，在上面连接多个支管，延伸到巷道高处，吹散瓦斯。

图6 分支风管送风吹散法Figure 6 Splitting air feeding blowing away method

3.3 封闭抽采法

在一些矿井工作面顶板冒落的空洞内积存有大量的瓦斯，且其间瓦斯涌出释放速度很快，在巷道中调配的风量又不大，要是采用风流稀释涌出的瓦斯特别容易造成瓦斯即刻涌入使得巷道中瓦斯超标，此种情况可利用封闭抽采法，见图7。

图7 封闭抽采法示意图Figure 7 A schematic diagram ofenclosed type drainage method

前提是在顶板冒落处与巷道顶板之间，用木板并涂抹黄泥封闭隔离，然后插入抽采管并接至移动抽采泵站进行抽采。可用引射器(压风或水力的)并送至总回风道或分区回风巷道的安全地点。

封闭抽采法的优点是处理效果可靠，技术经济合理，易于实行；它的不足是实施工艺相对复杂，且成本较高。另外，受条件的限制，增加了矿井抽采和防火管理工作的困难，如稍有疏忽，有可能引起自然发火。

4 采煤机附近积聚瓦斯处理技术

8号煤层开采过程中，在采煤机的截盘周围与采煤机和煤层壁的区域，采煤机上方的机道内也便于聚集瓦斯。处理此类瓦斯聚集通常采取提高工作面风流量，加强局部区域的风流速度。

4.1 加大工作面风量

该方法通常采用加大主扇配风量来实现，与利用增大部分区域风流速度的方法相比，其路线较长，送风困难，而且成本较高。另外，回采面最大风流速度不宜超过4m/s，因此，该方法有一定的局限性。

4.2 在局部位置增加风速

前苏联矿区所使用的双射流风水引射器(图8)，安装在机体上距落煤机构300～400mm。引射器的引射风量不少于20m3/min，同时由引射器喷出的风流速度，在距其安设地点4～5m处应大于3m/s。

图8 风水引射器在机组上的安装方式Figure 8 Installation mode of air ejector on assembling unit

5 回采工作面上隅角瓦斯处理技术

回采工作面上隅角为整个采面采空区的漏失风量聚集地点，很容易出现瓦斯积存，严重危害矿井安全生产。尤其是最近几年间，瓦斯浓度超标导致的瓦斯爆炸危害有所增加。保德矿综合开采工作面在生产时，上隅角瓦斯浓度时常超出临界值，给生产带很大的安全隐患，所以更应该加强这一区域的瓦斯治理。可采用风障法及专用的抽采瓦斯设备进行处理。主要利用引导风流、向上阶段采空区漏风排瓦斯和抽排上隅角瓦斯等。

用风流驱散法治理上隅角瓦斯必须保证回风巷道内的瓦斯浓度不超限，一旦巷道内瓦斯浓度超过规定限制时，就必须利用抽采设备将瓦斯排放出去。常采用用的抽采瓦斯设备有移动瓦斯抽采泵或直接将抽采管与地面抽采泵站连接。

6 结语

本文从保德矿的生产实际出发提出了矿井瓦斯综合治理技术，主要包括采掘工作面治理技术、顶板冒落空洞积聚瓦斯处理技术、采煤机附近积聚瓦斯处理技术、回采工作面上隅角瓦斯处理技术等瓦斯防治技术，以上技术在保德煤矿的应用中都获得了很好的成效。