基于矿井分层开采中的有害气体的治理技术研究

周 凯

（永贵能源开发有限责任公司轿子山分公司，贵州 安顺 561000）

矿井下有害气体事故是矿井安全生产最严重的危害之一。到目前为止预防有害气体井下爆炸的最重要手段是在矿层开很多洞，长期排放有害气体[1]。但是，随着矿井深度的增加，有害气体含量越大，必须利用更好的有害气体萃取方法降低矿层气压力和含量，解决矿井下采空面的有害气体过浓问题。

1 采空区有害气体的来源及危害

矿井采空区有害气体来源由以下部分组成：第一，采空区有害气体剩余矿中残留的气体；第二采空区有害气体周围岩石和上下相邻层流入的气体；第三，来自未开采层的气体。这几部分气体按照各自的通道和喷发规律进入聚集在开采区，成为开采区气体的主要来源[2]。由此可见，开采地区的气体来源比较广，喷发源数量多，气体积累量一般较大。有时，受采矿扰动、屋顶破坏、通风系统变化的影响，相邻层的气体大量流入开采地区，开采气压提高，大于工作面气压。这时工作面和开采之间的压力平衡被破坏，大量气体从开采流入工作面，严重威胁工作面安全生产，甚至可能引发火灾、爆炸等重大事故。

2 采空区有害气体涌出特点和运移规律分析

开采地区的有害气体排放特征主要与矿层结构和开采条件两个方面有关。一般来说，采空区内的有害气体和工作面压力大致处于平衡状态，气体大量堆积在采空区底部中，由于井下的有害气体容易泄漏，只有从上边出来的一小部分进入来自工作面和坑道[3]。控制空气泄漏量，改善上角通风，可以有效减少采空区有害气体流入量。由于开采扰动，附近矿体破裂，产生裂缝时，这些裂缝就成为附近矿层的气体流入通道。气体在矿井的采空区内积累的过程中，气体流动大致可以分为“三大”，即喷流带、过渡带和滞留带[4]。在开采推进的过程中，“三带”的气体浓度也随之变化，出现以下特征和规律。

首先，喷流带的特征和规律通常在20 米范围内，这里的气体流入特征流速快，大部分以层流形式存在。特别是采矿区榴弹和相邻层的气体大量释放和流入时，其浓度可以达到约15%。这些气体大部分沿着工作面风流和采矿区空气泄漏进入通风胡同。

第二，在过渡带，气体从溶出带进入出来后，流速逐渐降低，在开采地区内形成过渡带[5]。转换带比喷流带气体流速慢，浓度含量通常在20% ~ 30% 范围内。过渡带内的气体部分跟随空气泄漏进入工作面，另一部分继续停留在井下采空区有害气体当中，成为采空区有害气体积累的主要来源。过渡带内气体流速缓慢不平衡，局部处于湍流和层流交错状态。

第三，滞留带的特点和规律是较远的采矿区滞留带，该地区气体流速低，气体浓度高，可以达到35% ~ 50%。高浓度气体一般堆积在采空区瓦斯的深处，处于静态状态。

3 采空区的有害气体抽采方法

在矿井内厚矿层的开采过程中，大量气体流入采矿工作面，利用有害气体提取技术可以有效开发矿井采矿工作面产生的有害气体资源。根据巷道尾布置的差异和工作面的开采方法，可以采用采高钻孔、采高胡同、采地面钻孔等多种采气技术[6]。

首先，矿井采空区有害气体抽采技术面临一些实际问题，高抽巷抽采技术也有不利时期，高抽巷的主要分层布置不合理，不能被过高或过低的有效抽采及卸压有害气体效果和地面抽采泵站的能力所限制，不能提高高抽巷的抽采能力，造成有害气体的抽采量减小。我国矿井采掘区有害气体的提取技术，虽然取得了很大的进步，但提取技术效果仍然存在很大的差异[7]。

二是低渗透量层抽采产业化困难较大，在开采单个低渗透矿层之前，必须加强事前提取处理，提高有害气体的提取率。目前常用的强化预提取手段是将大量水注入矿层。目的将掺有大量化学物质的水倒入页岩层，进行液压分裂，释放采空区内的有害气体。利用专业的水力切割或裂缝仪器，实现向钻孔内部供水的其他方向的切割或整个裂缝，达到提高矿层通风的目的[8]。虽然提高了一定程度的气体倍数效果，但由于存在局限性，目前还没有广泛的应用和推广。目前，矿井采空区有害气体抽放中低渗透矿层的强化与提取仍然是亟待解决的问题。

最后优化采空区有害气体抽放方法的办法，就是采取综合采气法，在开采矿层气前提前抽采，对相邻气体进行指压，开采后采集及地面抽采等多种方法在一个矿区内综合使用，最大限度地提高井下有害气体抽采量和抽采率。在提取系统中，密封质量和提取钻孔影响提取质量。不同地区矿山的实际情况和地质结构不同，封孔技术各不相同。

4 采空区有害气体抽采技术的应用

4.1 高位钻孔有害气体抽采技术

目前矿山采空区有害气体的抽放主要采用高钻孔有害气体抽放技术。其原理是将开采工作面的开采压力形成的顶板开采裂缝用作开采气体的通道，附近的矿层有效地阻断流入开采工作面的废气，同时在钻井孔的负压作用下改变开采区的气体流场分布。采区区域内的有害气体大量喷出，使工作面的上角和通风也基本解决了气体超标的问题。 高位钻孔采空区有害气体效果：矿井内开采矿层有害气体含量低，采空区有害气体压力低时使用破碎方法释放。受裂纹带高度的影响，孔不能接触裂纹带，钻头不起作用，可以使用高位钻孔采空区的气体技术。

4.2 高抽巷内有害气体抽采技术

选定巷道的位置是否合理直接影响相邻的矿井下的排水效果。如果把航线放在带岩层内，工作面前进时高坑道会和岩层一起落下，容易被破坏。加之古巷受矿产石自然堆积区内工作面通风量的影响，该地区气体浓度不稳定，气体浓度低，提取的气体量少，排水效果差。把高巷道放在弯曲的下沉带岩层内，保持现有岩层的完整性，通气性差就不能排出气体。因此，有必要在裂缝带岩层上布置排水道。裂纹带的气体主要以井下矿层裂纹泄漏的形式流入裂纹带，由于工作面的气流变化的影响小，因此内家丝浓度也大。值得注意的是，巷道高层位置高时，接近裂缝带，逐渐下沉，采集效果差。高更道采空区瓦斯技术的主要技术特点是容易管理，长瓦斯开采周期和采气含量高。 但是，有利于该技术的气体排放需要挖掘矿井，费用高，工程量大。废气需要高负压环境，因此如果需要在相邻层开采或开采厚矿层效果，这是显而易见的。有害气体抽放量增加，超过一定限度时，影响只有采区。上角稳定性分析表明，水环真空泵的抽负压大于矿井通风负压，采空区有害气体的排放情况对顶板高抽巷抽油量的影响较小。特别是工作面的循环受到压力的情况。矿井采空区的气体量持续稳定，起着促进矿井工程施工工作面气体管理的作用。因此，上隅角和回风巷的气体超限现象可以在顶板高巷开采矿山密闭开采的气体技术。

4.3 立体式抽采治理

采空区有害气体管理中最重要的是将有害气体矿层抽出为较低有害气体状态，因此必须积极实施立体式有害气体抽出管理技术。废气的主要方法是①钻前萃取，采矿工作面在沿沟开挖前，先通过底板巷道开孔，提前吸引矿井巷道，去除结束气，缓解压力，覆盖矿井巷道安全进入。②分阶段用钻头初步提取。在开采工作面阳顺区内进行顺层钻孔施工，提前提取本矿层气。③地面钻井提取。利用地面气体采集钻井，开采矿层气体，覆盖附近的矿层，去除压力气体。④屋面钻头卸压提取。在工作面开采期间，在轨道顺胡同工地的屋顶上挖掘钻井区的气体，代替开采高胡同的气体，不仅可以节约成本，还可以在工作面开采期间用于防火钻井。一般来说，暴露在直径大的钻头上的煤面相对较多，气体排放量相对较大。确定钻头直径时，请注意钻头直径和气体排放量之间有直接关系。钻孔中的气体成分与钻孔长度无关，但钻孔技术和设备等因素会影响钻孔效率和质量，因此请特别重视。 同时，矿层气开采速度也受到钻井间隔的影响。由于各钻头在特定的流动时间内具有自主气体流场，因此流场可以相互不干扰的钻更多的孔。提高钻孔密度有助于提高有害气体的提取效率。

4.4 采空区有害气体埋管抽采技术应用

在采空区有害气体管理过程中，根据采空区有害气体体积分数的特点和气体的本质特征，在井下采空区有害气体中进行抽油管道的科学配置，在采空区有害气体聚集区域开孔，有效连接管道，在抽油设备的应用中，在采空区有害气体中，通过气体埋管提取技术的应用，在破碎的矿、岩体等多孔介质中进行了气体排水的过程。 因此，在提取过程中，管道内的流速、流量及阻力在某种程度上与其他地区的管道不同。通常，采空区有害气体埋设管道的排水阻力集中在排水口的泄漏周围，对泄漏周围的大小的影响较大，泄漏周围越大，阻力越大。 因此，为了提高采矿地区输气管道抽放技术的应用效果，应加强技术研究，改进技术和方法，减少抽放阻力、渗透速度等影响。

5 采空区有害气体的防治

首先，可以使用采空区内的有害气体遮断器方法。一般来说，采空区有害气体与矿井施工工作面的气压保持平衡，采空区有害气体主要在漏气进入具体来说是在顶角位置设置矿袋壁，将工作面与采空区有害气体隔离，堵住采空区有害气体流入工作面的通路，减少采空区瓦斯气体的排出，进行工作。封锁方法适合采空区内的有害气体和工作面的气压平衡的情况，井下采空区内的气压过大时，简单的封锁不起作用，采空区有害气体从工作面顶部的龟裂和台座的间隙等喷出。

第二，燃气股成分是甲烷，是危害矿井施工安全生产的因素，也是可利用的清洁能源，通过排放和利用采矿地区的燃气，减少了有害气体的排放对矿山安全生产的风险，同时目前井下有害气体常用的排水方法主要是密闭吸入法、插管吸入法的工作面气体排水时，密封采矿口，防止空气泄漏或者，也可以从回风巷每隔几十米挖一条迂回巷，开采到钻井施工地点，挖掘采矿地区。裂缝带贯通后，通过迂回关闭排水。

最后，可以使用矿井采矿工作面角窗安装排气扇方法，并将挡风玻璃放在工作面角上。 挡风玻璃安装在弯曲管的旁边。进入道路上的空气通过工作面进入的挡风玻璃时，挡风玻璃起到改变气流方向的作用，将气流导向工作面的角落，从顶角排出气体。 但是，这种方法的缺点是由于材料运输、行人、支架、柱子等因素，挡风玻璃受损，失去了功能。因此，上角气体浓度迅速上升到过剩浓度，工作空间气体浓度减少。另外，安装专用的排气扇，在工作面的角落安装矿用排气扇的主要原理是在进水口形成负压区域。由于两侧的压力差，沿着通路通过工作面的主气流增加，可以满足风扇排气量的要求。此时，有害气体被稀释，排出回气道时，有害气体浓度在安全范围内得到保证。

结束语：采空区内的有害气体治理仅能预防矿山安全问题，还能形成以气体为资源的循环利用。矿山开采技术人员要根据生产实际情况、各矿区地质条件和中国实际情况选择合适的采气技术，解决矿井施工的安全生产问题，井下有害气体治理要综合利用矿区气体开采的各项技术，要提高气体抽出率和利用率，充分发挥井下这一气体资源社会的经济价值。