煤礦瓦斯突出的規(guī)律及其防治、利用技術(shù)方法淺述

孫 晶

（中平能化集團(tuán)天力公司 生產(chǎn)技術(shù)科，河南 平頂山 467000）

一 瓦斯及其危害

瓦斯是指在煤礦建設(shè)及生產(chǎn)過程中從煤層、圍巖及采空區(qū)釋放的有害氣體的統(tǒng)稱，其主要成分為甲烷（CH4），其次為碳、硫氧化物（CO2、CO、SO2）、氮?dú)?N2)以及微量的重?zé)N類氣體等。

煤礦井中瓦斯的存在能引起窒息、燃燒、爆炸等一系列危害，尤其是瓦斯的突然性釋放——瓦斯突出發(fā)生時，破碎的煤體、巖體及瓦斯向采掘空間瞬間拋出，不僅造成上述破壞性事件，還有可能掩埋人員，破壞井下設(shè)施，摧垮礦井。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國的一萬多處煤礦中，突出礦井700余處，累計(jì)發(fā)生煤與瓦斯突出事件接近兩萬次，最大的一次突出事件發(fā)生在1975年重慶三匯壩礦區(qū)，噴出煤巖12780噸及瓦斯140萬立方米[1]。就世界范圍而言，我國突出礦井約占世界突出礦井總量的24%，累計(jì)突出次數(shù)占世界40%，是世界上煤與瓦斯突出事件最嚴(yán)重的國家之一[2]。可見，瓦斯突出是煤礦中一類嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，而如何進(jìn)行煤與瓦斯突出的預(yù)測、治理及資源綜合利用是一項(xiàng)不容忽視的重要工作。目前，已有研究者在上述方面進(jìn)行了大量的探索，并取得了豐碩的成果。

二 瓦斯涌、突規(guī)律

瓦斯的外涌、突出一般具有如下規(guī)律性特征[3～5]：

1.礦山生產(chǎn)過程中，瓦斯主要來自采掘面，其涌出量隨著開采量及開采深度的增加呈現(xiàn)上升趨勢；瓦斯涌出量與煤厚具有正相關(guān)關(guān)系，即厚度大的煤層其瓦斯涌出量也大。

2.采掘作業(yè)越向深部，因瓦斯壓力、含量及地應(yīng)力的上升，瓦斯突出的頻率隨之提高，強(qiáng)度增大；強(qiáng)度低、透氣性差的煤層易于發(fā)生突出事件；石門揭煤過程中，突出危險(xiǎn)性及強(qiáng)度最高。

3.在褶皺、斷層、侵入體發(fā)育部位及煤層傾向、傾角、厚度等賦存條件發(fā)生變化的地質(zhì)構(gòu)造帶，煤與瓦斯突出事故易發(fā)。其中，逆斷層為易突帶，正斷層表現(xiàn)為異常帶，就斷層上下盤而言，無論斷層性質(zhì)如何，瓦斯涌出量在上盤較小，下盤較大；由斷層引起的牽引褶皺處，涌出量變大。

4.煤與瓦斯的突出過程具有準(zhǔn)備-發(fā)生-發(fā)展-停止等階段性特征。

三 瓦斯突出的預(yù)測、預(yù)防

俗話說：防患于未然，預(yù)防工作應(yīng)擺在礦山安全工作的第一位。對于煤礦而言，瓦斯含量與壓力的存在是突出事故發(fā)生的首要條件，因此，要從源頭上預(yù)防突出事故的發(fā)生就必須對瓦斯含量、壓力及散逸特性進(jìn)行測定與分析。

地面鉆孔瓦斯測壓儀用于煤層瓦斯壓力的直接測取，所測數(shù)據(jù)可用于煤層瓦斯含量及涌出量計(jì)算，并服務(wù)于煤與瓦斯突出的區(qū)域性預(yù)測工作，為礦井設(shè)計(jì)和礦山生產(chǎn)的安全進(jìn)行提供參考[6]。然而，目前該方法的發(fā)展及規(guī)范化水平尚低，表現(xiàn)在：瓦斯測壓儀的鑒定及瓦斯測壓流程的統(tǒng)一性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)仍有待編制和頒布，以確保儀器精準(zhǔn)、操作程序規(guī)范、測定結(jié)果可信，方能使該技術(shù)夠獲得更大范圍的推廣和應(yīng)用。

基于自然解吸法測得的煤體瓦斯的自解速率和自衰系數(shù)是常用于煤層瓦斯涌、突分析的兩個重要參數(shù)[7]。二者的獲得，首先是從鉆孔煤芯煤樣測得瓦斯含量數(shù)據(jù)，再通過該數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到，這兩個參數(shù)受瓦斯含量、煤體結(jié)構(gòu)、煤層溫壓等多因素的綜合影響。假設(shè)其它條件相同或相近時，煤層瓦斯含量越高，煤體顆粒越小、溫度越高，則煤體瓦斯的自解速率和自衰系數(shù)值越大。自解速率和自衰系數(shù)是在保持煤層溫度、不改變樣品形狀的前提下求得的，較其它預(yù)測指標(biāo)（如瓦斯放散初速度、煤層透氣性系數(shù)等）而言，能夠更為客觀、直接地反映煤體中瓦斯的散逸特征，在判斷生產(chǎn)礦井煤層瓦斯涌出方式、預(yù)測涌出量及進(jìn)行突出危險(xiǎn)性評價(jià)等方面有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

基于多方法、多源數(shù)據(jù)的瓦斯突出預(yù)防工作也已大量開展，取得了較好的效果。

淮南某礦山建立的瓦斯防突技術(shù)保障體系即顯示了其在礦山安全保駕護(hù)航方面的有效性和重要性[4]。該體系涵蓋多個方法模塊，如編制瓦斯地質(zhì)圖與防突預(yù)測圖、三維地震數(shù)據(jù)動態(tài)分析、小構(gòu)造超前探測、基于前探、測壓、抽采三級鉆孔的石門揭煤預(yù)警、突出層頂?shù)装鍘r巷層位控制等。在該技術(shù)保障體系下，礦山煤層層位、斷層的控制與預(yù)測效果明顯，瓦斯治理針對性增強(qiáng)，十多年來未發(fā)生瓦斯安全事故。

影響瓦斯突出的因素中，除了首要的瓦斯含量與壓力外，還包括煤層力學(xué)性質(zhì)和地應(yīng)力，欲更為準(zhǔn)確地預(yù)測可能發(fā)生突出事件的危險(xiǎn)區(qū)域，就需要獲得上述幾個控制因素的相關(guān)數(shù)據(jù)以進(jìn)行分析。瓦斯含量及壓力數(shù)據(jù)可通過鉆孔實(shí)測、數(shù)值模擬計(jì)算及地球物理資料解釋的方法獲得；由井田構(gòu)造分析、煤層頂?shù)装辶W(xué)性質(zhì)分析、主采煤層厚度及其變化特征預(yù)測構(gòu)造軟煤；煤體的受力狀態(tài)與變形程度則通過區(qū)域應(yīng)力場分析、煤層底板等高線構(gòu)造曲率及地應(yīng)力數(shù)值模擬等方法進(jìn)行探討[8]。基于上述多源數(shù)據(jù)的綜合研究，結(jié)合與臨區(qū)構(gòu)造、煤級、埋深相似的礦山的對比結(jié)果，可進(jìn)行煤與瓦斯的突出預(yù)測。對比分析認(rèn)為，在煤田地質(zhì)勘探階段，若煤層瓦斯壓力＞0.6MPa，構(gòu)造軟媒厚度＞0.8m，則可將其確定為突出煤層。

四 高瓦斯的治理

對于瓦斯涌出量大且突出頻發(fā)的礦區(qū)，對高瓦斯的治理便成了礦山安全工作的重點(diǎn)，采用一定的措施稀釋瓦斯、降低濃度，對于減小燃燒、爆炸幾率，確保礦山安全運(yùn)作至關(guān)重要。

山西陽煤集團(tuán)的高瓦斯治理措施具有較好的示范作用。礦區(qū)采用U+L式外錯尾巷及U+I式內(nèi)錯尾巷的“一進(jìn)兩回”通風(fēng)方式，進(jìn)行瓦斯排放；分3個階段部署綜放面初采期瓦斯治理工程：加大風(fēng)量進(jìn)行稀釋排放，增加風(fēng)量配合采空區(qū)埋管抽放治理，減風(fēng)降壓、采空區(qū)埋管結(jié)合中低位后高抽巷及偽傾斜高抽巷綜合治理。上述治理方案有效減少了初采期風(fēng)排瓦斯量與瓦斯超限次數(shù)，縮短了初采時間，保證了生產(chǎn)安全。

五 煤層氣的抽采及資源綜合利用

如前述，瓦斯被作為影響礦山生產(chǎn)與安全的不利因素來對待，轉(zhuǎn)換視角來看，瓦斯亦是一種可供利用的能源資源，稱之為煤層氣，因此，有研究者探討了井下瓦斯排采的技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)減少安全隱患和資源綜合利用。

就我國現(xiàn)階段煤層氣開發(fā)利用的情況來看，單井氣產(chǎn)量平均較低，究其原因，即有地質(zhì)條件復(fù)雜、儲層滲透性差等客觀方面的因素，也包括現(xiàn)有排采技術(shù)上的不足，而后者，是易于實(shí)現(xiàn)突破且具有可行性的重要方面。另外，通過技術(shù)的改進(jìn)和創(chuàng)新，可同時達(dá)到對客觀制約因素一定程度上的改善，從而推動煤層氣的開采和利用。

研究認(rèn)為，利用采動裂隙“O”形圈理論（煤層群開采工作面回采過程中巖層移動，在采空區(qū)周邊形成連通的裂隙發(fā)育區(qū)、瓦斯流動通道，即采動裂隙“O”形圈）及“卸壓增透”、“卸壓增流”原理，通過地面鉆井，配合相應(yīng)的防剪防滲技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)條件下低強(qiáng)度、低滲透性煤層中瓦斯的連續(xù)穩(wěn)定抽采。該方法減少了井下抽采工程及地面矸石排放，提高了礦井生產(chǎn)的安全性，實(shí)現(xiàn)了煤與瓦斯共采、減排與資源綜合利用。

基于已有生產(chǎn)及研究實(shí)例，對瓦斯突出及排采有如下經(jīng)驗(yàn)性認(rèn)識：直井造穴可降低井周邊地應(yīng)力，從而提高煤層裂隙滲透率；由石門揭煤較平巷掘進(jìn)瓦斯突出多發(fā)且強(qiáng)度大，從垂向?qū)γ合到y(tǒng)的破壞大于平行方向；采動影響煤層的瓦斯抽采率大大高于水平井；排采效果的提高依賴于增滲、置換等增產(chǎn)技術(shù)對特定煤儲層的針對性應(yīng)用。

根據(jù)上述認(rèn)識和我國煤儲層特點(diǎn)，煤層氣地面立體排采技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，即通過連續(xù)地破壞煤儲層系統(tǒng)，使其相對均質(zhì)化，形成一個新的利于全方位排采的儲層系統(tǒng)，推進(jìn)煤層氣解吸、擴(kuò)散、滲流、運(yùn)移過程的持續(xù)高效進(jìn)行。該方法集地質(zhì)設(shè)計(jì)、鉆井設(shè)計(jì)、施工及增滲、卸壓等增產(chǎn)措施于一體，并運(yùn)用了空間置換和打破儲層非均質(zhì)性的強(qiáng)化機(jī)制。其中，儲層強(qiáng)化機(jī)理表現(xiàn)為：通過在主井四周施工定向斜井多處造穴形成卸壓區(qū)，使區(qū)內(nèi)及更遠(yuǎn)處煤體陸續(xù)發(fā)生流變，亦或在煤層中引起張、剪裂隙的大量發(fā)育，從而溝通原生節(jié)理系統(tǒng)，形成大面積瓦斯?jié)B流通道，為瓦斯解吸和滲流創(chuàng)造有利條件。該方法是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)條件下低風(fēng)險(xiǎn)、低成本、高效益煤層氣地面開采技術(shù)的一次有益嘗試，具有廣闊的應(yīng)用前景。

六 結(jié)論

1.煤礦井中瓦斯的存在能引起一些列災(zāi)害性事件，進(jìn)行煤與瓦斯突出的預(yù)測、治理及資源綜合利用是一項(xiàng)不容忽視的重要工作。

2.瓦斯的涌、突受開采量、開采深度、煤體性質(zhì)、產(chǎn)狀、構(gòu)造等一些列因素影響，并隨這些因素的改變呈現(xiàn)規(guī)律性變化，瓦斯突出過程具有準(zhǔn)備-發(fā)生-發(fā)展-停止的階段特征。

3.從對瓦斯壓力、含量、散逸特性的探討開展瓦斯突出預(yù)防工作，基于多方法多數(shù)據(jù)的耦合分析預(yù)測是其發(fā)展方向；通過巷道和通風(fēng)方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對礦井高瓦斯的治理；通過先進(jìn)理論和技術(shù)的應(yīng)用（如地面立體排采技術(shù)）以及技術(shù)提高帶來的儲層條件改善（如裂隙連通、滲透性增加），共同促進(jìn)煤層氣的開采與利用。

[1]趙鐵橋.煤礦瓦斯及其防治[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2011.32～55

[2]程五一,張序明,吳福昌.煤與瓦斯突出區(qū)域預(yù)測理論及技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2005.1～32

[3]范景坤.淮北宿東礦區(qū)礦井瓦斯賦存地質(zhì)特征及突出危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測[C].張明旭、趙偉主編.礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理與防治技術(shù)研究與應(yīng)用.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2009.125～129

[4]李守勤,朱文,王晉林,等.潘一井田瓦斯地質(zhì)工作探討[C].張明旭、趙偉主編.礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理與防治技術(shù)研究與應(yīng)用.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2009.135～138

[5]王興陣,嚴(yán)家平.煤與瓦斯突出的流體構(gòu)造動力學(xué)機(jī)制探討[C].張明旭、趙偉主編.礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理與防治技術(shù)研究與應(yīng)用.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2009.156～158

[6]張德元,賈建超,梁紅藝.鉆孔煤層瓦斯壓力測定[C].張明旭、趙偉主編.礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理與防治技術(shù)研究與應(yīng)用.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2009.159～162

[7]張慧,員爭榮,田新娟,等.煤層瓦斯的自然解吸速率和衰減系數(shù)[C].張明旭、趙偉主編.礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理與防治技術(shù)研究與應(yīng)用.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2009.166～173

[8]傅雪海,張文平,周言安,等.煤田地勘階段煤與瓦斯突出區(qū)域預(yù)測技術(shù)與方法[C].張明旭、趙偉主編.礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理與防治技術(shù)研究與應(yīng)用.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2009.130～134