高瓦斯低透气性松软煤层瓦斯治理技术研究

马 德

（陕西陕煤铜川矿业有限公司下石节煤矿，陕西铜川 727101）

煤层瓦斯灾害一直是煤炭开采中的首要安全隐患。由于煤体内部瓦斯的积累或突发释放，一旦其浓度超过安全限值，一个微小的火花或高温都可能引发瓦斯爆炸，导致重大的人员伤亡和财产损失，这种灾害不仅威胁矿工的生命安全，同时也给矿山企业带来巨大的经济损失。另外，煤层瓦斯的排放还会对全球环境构成挑战，加速温室效应。因此，探索和研究有效的瓦斯治理技术，特别是针对高瓦斯低透气性松软煤层的治理，显得尤为重要和紧迫。

1 煤层瓦斯治理技术概述及治理难点

1.1 现行瓦斯治理技术概述

煤层瓦斯治理技术在煤炭开采中扮演着至关重要的角色，确保矿山的安全和生产效率。过去几十年里，随着技术的进步，多种瓦斯治理技术已被研发和应用，包括预抽瓦斯、钻孔释放、高压水射流切割和地下瓦斯抽排等。其中，预抽瓦斯技术通过在开采前钻孔到煤层，将瓦斯提前释放出来，大幅降低了开采时的瓦斯浓度；而高压水射流切割技术可以创造出大量的微小裂缝，增加煤层的透气性，从而提高瓦斯的排放效率。

尽管这些技术在很大程度上提高了瓦斯治理的效果，但在高瓦斯、低透气性、松软的煤层中，仍然面临许多挑战。①由于低透气性煤层的气孔和裂缝较少，瓦斯排放困难，常规的抽排技术效果不佳。其次，松软煤层的结构特点使得煤体在开采过程中容易崩塌，这不仅影响瓦斯抽排设备的正常工作，还可能导致新的安全隐患。②现有的瓦斯治理技术往往需要较大的投资和运营成本，对于一些中小型煤矿来说，成了一个不小的经济负担。③寻找一种既经济又高效、能够适应不同煤层特点的瓦斯治理技术，成为煤炭行业和科研机构的研究重点。

1.2 针对高瓦斯低透气性松软煤层的治理难点

高瓦斯低透气性松软煤层在瓦斯治理方面存在诸多困难和挑战。①低透气性意味着煤层内部的瓦斯难以被有效排放。这种状况导致瓦斯累积在煤体中，形成瓦斯压力高的区域，增加了瓦斯突出和爆炸的风险。②松软煤层的物理特性使得其在开采过程中容易产生变形和位移，这不仅可能损坏已经布设的瓦斯抽排设备，还可能导致新的瓦斯积累区域。而这种松软的煤体结构在开采过程中的变动，给瓦斯治理工作带来了额外的不确定性。③高瓦斯含量意味着必须进行持续而高效的瓦斯抽排，才能确保矿山的安全生产。然而，现有的抽排技术在这种特殊煤层条件下常常效果不佳，因为它们大多是基于传统煤层的设计，没有针对性地解决高瓦斯低透气性松软煤层的特殊问题。④这种特殊煤层的治理不仅要求技术的创新，还需要矿工有足够的经验和技能，能够在变化多端的条件下，迅速判断并采取适当的措施，确保瓦斯治理的效果和矿山的安全生产。

2 高瓦斯低透气性松软煤层的物理特性

高瓦斯低透气性松软煤层在煤炭地质中占有特殊的地位。其物理特性是由多种地质过程和煤化作用相互作用的结果，这些特性对煤层瓦斯治理提出了巨大的挑战。松软煤层的形成机理与煤的成因地质、有机物质的积累及其后续的煤化作用过程紧密相关。在沉积过程中，由于有机物质在缺氧环境下积累，经过长时间的埋藏、温度和压力作用，逐渐转化为煤。但在某些特定的地质条件下，煤的成矿作用可能受到某些特殊的影响，如沉积速率的变化、微生物活动或地下水的作用等，导致煤层的松软特性。

透气性是评价煤层能否有效排放瓦斯的关键指标。低透气性通常与煤体内部的裂隙发育不良、孔隙结构闭合等因素有关。煤层的透气性不仅受到孔隙和裂隙数量和大小的影响，还与其连通性、分布和方向等有关。针对高瓦斯低透气性松软煤层，由于其裂隙少且不连续、孔隙结构紧密，所以瓦斯难以顺利通过煤体，从而导致瓦斯在煤体内积累。

瓦斯在煤层中的存在状态与煤的物理和化学性质密切相关。煤体具有较强的瓦斯吸附能力，尤其是在高压条件下。吸附是一个表面现象，与煤体内部的微观孔隙、孔道以及化学功能团的性质和分布有关。当外部条件发生变化，如温度、压力变化时，吸附在煤层上的瓦斯可能被释放出来，这就是解吸。松软煤层的解吸特性与其成分、结构和开采条件有关，而瓦斯的解吸过程也可能影响煤层的透气性和稳定性。

3 高瓦斯低透气性松软煤层瓦斯治理技术

3.1 预抽采瓦斯技术

3.1.1 钻孔布置优化

钻孔布置在瓦斯预抽技术中起到关键作用，因为合理的孔布置能够极大提高瓦斯抽取的效果并降低风险。为了确保高效的瓦斯释放，首先要考虑煤层的地质结构和瓦斯分布，以此为基础制定出钻孔的深度、角度和间距。其次，要充分考虑煤层的开采进度和方向，确保钻孔的有效期能够满足整个开采周期。为了解决低透气性的问题，可以通过优化钻孔布局来增加孔与孔之间的互通性，例如，使用交错布置或者螺旋布置。此外，考虑到松软煤层的特性，钻孔的稳定性和避免崩塌也是布置时的重要因素。针对高瓦斯煤层，可以采用双孔联抽技术，即两个相距一定距离的钻孔同时抽取，增加瓦斯抽取的范围和效果，提高瓦斯的利用率，并确保矿井的安全生产。

3.1.2 抽采设备与参数优选

在瓦斯预抽采过程中，选择合适的抽采设备与参数是实现高效、安全瓦斯抽取的关键。首先，设备的选择应当根据煤层的特性，如透气性、硬度和瓦斯含量进行。对于高瓦斯低透气性松软煤层，需要选择能够生成强大吸力的抽采设备，同时具备足够的稳定性和耐用性以应对煤层可能的变动。参数优选方面，抽采压力、流量和抽采时间是3个关键参数。抽采压力应当根据煤层的压力和瓦斯浓度进行调整，以确保在不损害煤层结构的前提下实现最大瓦斯释放。流量的设置应当根据钻孔的数量、直径和煤层的透气性来确定，以确保高效的瓦斯抽取并防止煤层中的瓦斯积累。而抽采时间的确定则需要考虑到煤层的开采进度和瓦斯的再分布，确保在整个开采过程中，瓦斯浓度都能够保持在一个安全的水平。

3.2 瓦斯动态控制技术

3.2.1 增透技术

瓦斯动态控制的一个核心环节是如何提高煤层的透气性，使得瓦斯能够更容易地从煤体内部排放出来。增透技术的应用为此提供了有力的手段。压裂增透是当前广泛采用的一种技术。其基本原理是通过向煤层注入高压液体，使煤层内部产生裂缝，从而增加煤层的透气性。这种技术对于高瓦斯低透气性的煤层尤为有效，因为它可以直接改变煤层的物理结构，增加裂缝的数量和连通性。但是，压裂增透技术在应用时需要严格的参数控制，以防止过度的裂缝发展导致煤层的破坏。

化学方法增透则是通过注入特定的化学试剂到煤层中，使煤体结构发生改变，从而增加透气性。这些化学试剂可以是某些酸类，它们能够与煤体发生化学反应，消除一些孔隙中的阻塞物，提高煤体的孔隙率和透气性。化学方法的优点是可以在不改变煤层大的物理结构的前提下，微观上提高煤层的透气性。但同时，这种方法也需要对化学试剂的选择和使用进行精细控制，确保其效果并避免可能的环境污染。无论是压裂还是化学方法，其目标都是改变煤层的透气性，为瓦斯的有效排放提供条件。

3.2.2 填料封堵技术

填料封堵技术是为了控制瓦斯在煤层内的流动，确保矿井安全而采用的方法。在煤层开采过程中，为了防止瓦斯快速涌出或是在不应该的地方积累，有时需要对某些裂缝、通道或钻孔进行封堵。填料封堵的原理很简单，就是使用特定的材料填充进裂缝或钻孔，形成一个隔离屏障，阻止瓦斯流动。这些填料通常具有良好的抗压性、耐腐蚀性以及长时间的稳定性，确保在煤层的开采环境中能够长时间保持其功能。

填料的选择和使用是这一技术的关键。根据不同的封堵需求，可以选择水泥浆、高分子材料、膨胀材料等作为填料。例如，对于需要长时间封堵的裂缝，常选择具有良好耐久性的水泥浆；而对于短时间内需要封堵但后期可能会重新开放的钻孔，则可能选择可降解的高分子材料。无论选择何种填料，都要确保其与煤层的相容性，防止填料与煤层反应导致新的问题。此外，填料的注入也需要技巧，确保填料均匀分布在需要封堵的地方，形成稳固的封堵屏障，从而有效控制瓦斯流动，确保矿井的安全。

3.3 瓦斯引导与稳定排放技术

3.3.1 通风路线优化

为了确保矿井内瓦斯的安全排放，通风路线的优化显得尤为关键。一个合理且高效的通风系统能够引导瓦斯顺利流向指定区域，从而被稳定、有序地排放到地表。通风路线优化首先要考虑矿井的地理、地质条件与煤层的分布特点，确保通风路线能够涵盖所有的开采区域。

通过计算机模拟和现场检测，可以准确地分析矿井内的气流动态，找出可能的瓦斯积聚区。基于这些数据，可以对通风路线进行调整，例如增设风道、调整风机的位置和功率，或者更改风门的开闭策略。此外，瓦斯的密度和流速也是决定通风效果的重要因素，需要在设计时给予充分考虑。优化后的地通风系统不仅能够提高瓦斯的排放效率，降低瓦斯爆炸的风险，还能提供一个更好的工作环境，确保矿工的健康与安全。为了长期的稳定运作，通风路线的优化还需定期进行复查和调整，以适应矿井开采的不断变化。

3.3.2 瓦斯稳定引导装置研发

在矿井瓦斯治理中，除了通风路线的优化外，瓦斯稳定引导装置的设计与研发也占有核心地位。这些装置旨在确保瓦斯从生成源稳定、高效地流向指定的排放区域，从而避免瓦斯在不适当的地方积累和聚集，降低爆炸风险。当前，针对高瓦斯低透气性松软煤层的特点，研发出了一系列高效的引导装置。这些装置利用物理或机械原理，形成一种有序、连续的瓦斯流动通道。例如，某些装置可能利用瓦斯的压差来引导其流动；而另一些装置则可能通过旋转、震动等方式，增加瓦斯在煤层中的流动性。这些瓦斯稳定引导装置的设计都需考虑到装置的稳定性、耐久性和效率。在实际应用中，装置还应具备一定的自适应性，能够根据瓦斯的流动状况和矿井的实际工况进行自动调整。此外，为确保装置的长期稳定运作，其维护和检查也显得尤为重要。

3.4 瓦斯监测与预警技术

3.4.1 传感器网络布设

在矿井的瓦斯管理中，监测与预警技术起着至关重要的作用，而传感器网络布设是这一系统的基石。有效的传感器网络能够实时监测矿井内的瓦斯浓度，为预警系统提供实时、准确的数据。传感器网络的布设要遵循一定的原则，确保每个关键区域都得到了有效的监控。首先，传感器应放置在易于积累瓦斯的地方，如低洼地带、煤层接触区或已知的瓦斯泄漏点。其次，传感器的间距应考虑到矿井的具体地质条件和通风状况，确保数据的连续性和准确性。传感器本身应具有较高的灵敏度、稳定性和抗干扰性。现代传感器通常配备无线传输功能，可以将数据实时传送到中央监控室，方便工作人员进行数据分析和决策。

3.4.2 数据分析与预警机制建立

矿井中的瓦斯监测不仅仅是数据的收集，更为重要的是对这些数据进行有效分析，从而建立预警机制。随着技术的进步，现代矿井中使用了大量的算法和模型来预测瓦斯的动态变化。当分析到的数据显示瓦斯浓度快速上升或超出安全阈值时，预警系统会立即启动，向相关人员发出警告。这种机制的建立，基于对历史数据的深入研究和模型的持续优化。每次瓦斯事故或异常情况的数据都会被记录和分析，帮助完善预警机制。此外，对矿井内各种变量，如通风、气候变化和煤层厚度等也被纳入分析中，以更全面、准确地评估瓦斯的风险。这种综合的数据分析与预警机制确保了矿井的安全运行，极大降低了瓦斯事故的可能性。

4 结束语

展望未来，瓦斯治理技术将持续进步，结合新兴的技术如人工智能、大数据分析和物联网等，为矿井提供更为精准和高效的瓦斯治理方案。随着研发投入的增加和技术应用的深化，预期矿井的安全状况将得到进一步改善，瓦斯事故的风险将极大降低。同时，这些技术的普及和应用，不仅会提高资源开采效率，还会为工作人员创造更为安全、舒适的工作环境。在不久的将来，矿井瓦斯治理将达到前所未有的高度，为全球矿业发展树立新的标杆。