基于礦井分層開采中的有害氣體的治理技術研究

周 凱

（永貴能源開發有限責任公司轎子山分公司，貴州 安順 561000）

礦井下有害氣體事故是礦井安全生產最嚴重的危害之一。到目前為止預防有害氣體井下爆炸的最重要手段是在礦層開很多洞，長期排放有害氣體[1]。但是，隨著礦井深度的增加，有害氣體含量越大，必須利用更好的有害氣體萃取方法降低礦層氣壓力和含量，解決礦井下采空面的有害氣體過濃問題。

1 采空區有害氣體的來源及危害

礦井采空區有害氣體來源由以下部分組成：第一，采空區有害氣體剩余礦中殘留的氣體；第二采空區有害氣體周圍巖石和上下相鄰層流入的氣體；第三，來自未開采層的氣體。這幾部分氣體按照各自的通道和噴發規律進入聚集在開采區，成為開采區氣體的主要來源[2]。由此可見，開采地區的氣體來源比較廣，噴發源數量多，氣體積累量一般較大。有時，受采礦擾動、屋頂破壞、通風系統變化的影響，相鄰層的氣體大量流入開采地區，開采氣壓提高，大于工作面氣壓。這時工作面和開采之間的壓力平衡被破壞，大量氣體從開采流入工作面，嚴重威脅工作面安全生產，甚至可能引發火災、爆炸等重大事故。

2 采空區有害氣體涌出特點和運移規律分析

開采地區的有害氣體排放特征主要與礦層結構和開采條件兩個方面有關。一般來說，采空區內的有害氣體和工作面壓力大致處于平衡狀態，氣體大量堆積在采空區底部中，由于井下的有害氣體容易泄漏，只有從上邊出來的一小部分進入來自工作面和坑道[3]。控制空氣泄漏量，改善上角通風，可以有效減少采空區有害氣體流入量。由于開采擾動，附近礦體破裂，產生裂縫時，這些裂縫就成為附近礦層的氣體流入通道。氣體在礦井的采空區內積累的過程中，氣體流動大致可以分為“三大”，即噴流帶、過渡帶和滯留帶[4]。在開采推進的過程中，“三帶”的氣體濃度也隨之變化，出現以下特征和規律。

首先，噴流帶的特征和規律通常在20 米范圍內，這里的氣體流入特征流速快，大部分以層流形式存在。特別是采礦區榴彈和相鄰層的氣體大量釋放和流入時，其濃度可以達到約15%。這些氣體大部分沿著工作面風流和采礦區空氣泄漏進入通風胡同。

第二，在過渡帶，氣體從溶出帶進入出來后，流速逐漸降低，在開采地區內形成過渡帶[5]。轉換帶比噴流帶氣體流速慢，濃度含量通常在20% ~ 30% 范圍內。過渡帶內的氣體部分跟隨空氣泄漏進入工作面，另一部分繼續停留在井下采空區有害氣體當中，成為采空區有害氣體積累的主要來源。過渡帶內氣體流速緩慢不平衡，局部處于湍流和層流交錯狀態。

第三，滯留帶的特點和規律是較遠的采礦區滯留帶，該地區氣體流速低，氣體濃度高，可以達到35% ~ 50%。高濃度氣體一般堆積在采空區瓦斯的深處，處于靜態狀態。

3 采空區的有害氣體抽采方法

在礦井內厚礦層的開采過程中，大量氣體流入采礦工作面，利用有害氣體提取技術可以有效開發礦井采礦工作面產生的有害氣體資源。根據巷道尾布置的差異和工作面的開采方法，可以采用采高鉆孔、采高胡同、采地面鉆孔等多種采氣技術[6]。

首先，礦井采空區有害氣體抽采技術面臨一些實際問題，高抽巷抽采技術也有不利時期，高抽巷的主要分層布置不合理，不能被過高或過低的有效抽采及卸壓有害氣體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，造成有害氣體的抽采量減小。我國礦井采掘區有害氣體的提取技術，雖然取得了很大的進步，但提取技術效果仍然存在很大的差異[7]。

二是低滲透量層抽采產業化困難較大，在開采單個低滲透礦層之前，必須加強事前提取處理，提高有害氣體的提取率。目前常用的強化預提取手段是將大量水注入礦層。目的將摻有大量化學物質的水倒入頁巖層，進行液壓分裂，釋放采空區內的有害氣體。利用專業的水力切割或裂縫儀器，實現向鉆孔內部供水的其他方向的切割或整個裂縫，達到提高礦層通風的目的[8]。雖然提高了一定程度的氣體倍數效果，但由于存在局限性，目前還沒有廣泛的應用和推廣。目前，礦井采空區有害氣體抽放中低滲透礦層的強化與提取仍然是亟待解決的問題。

最后優化采空區有害氣體抽放方法的辦法，就是采取綜合采氣法，在開采礦層氣前提前抽采，對相鄰氣體進行指壓，開采后采集及地面抽采等多種方法在一個礦區內綜合使用，最大限度地提高井下有害氣體抽采量和抽采率。在提取系統中，密封質量和提取鉆孔影響提取質量。不同地區礦山的實際情況和地質結構不同，封孔技術各不相同。

4 采空區有害氣體抽采技術的應用

4.1 高位鉆孔有害氣體抽采技術

目前礦山采空區有害氣體的抽放主要采用高鉆孔有害氣體抽放技術。其原理是將開采工作面的開采壓力形成的頂板開采裂縫用作開采氣體的通道，附近的礦層有效地阻斷流入開采工作面的廢氣，同時在鉆井孔的負壓作用下改變開采區的氣體流場分布。采區區域內的有害氣體大量噴出，使工作面的上角和通風也基本解決了氣體超標的問題。 高位鉆孔采空區有害氣體效果：礦井內開采礦層有害氣體含量低，采空區有害氣體壓力低時使用破碎方法釋放。受裂紋帶高度的影響，孔不能接觸裂紋帶，鉆頭不起作用，可以使用高位鉆孔采空區的氣體技術。

4.2 高抽巷內有害氣體抽采技術

選定巷道的位置是否合理直接影響相鄰的礦井下的排水效果。如果把航線放在帶巖層內，工作面前進時高坑道會和巖層一起落下，容易被破壞。加之古巷受礦產石自然堆積區內工作面通風量的影響，該地區氣體濃度不穩定，氣體濃度低，提取的氣體量少，排水效果差。把高巷道放在彎曲的下沉帶巖層內，保持現有巖層的完整性，通氣性差就不能排出氣體。因此，有必要在裂縫帶巖層上布置排水道。裂紋帶的氣體主要以井下礦層裂紋泄漏的形式流入裂紋帶，由于工作面的氣流變化的影響小，因此內家絲濃度也大。值得注意的是，巷道高層位置高時，接近裂縫帶，逐漸下沉，采集效果差。高更道采空區瓦斯技術的主要技術特點是容易管理，長瓦斯開采周期和采氣含量高。 但是，有利于該技術的氣體排放需要挖掘礦井，費用高，工程量大。廢氣需要高負壓環境，因此如果需要在相鄰層開采或開采厚礦層效果，這是顯而易見的。有害氣體抽放量增加，超過一定限度時，影響只有采區。上角穩定性分析表明，水環真空泵的抽負壓大于礦井通風負壓，采空區有害氣體的排放情況對頂板高抽巷抽油量的影響較小。特別是工作面的循環受到壓力的情況。礦井采空區的氣體量持續穩定，起著促進礦井工程施工工作面氣體管理的作用。因此，上隅角和回風巷的氣體超限現象可以在頂板高巷開采礦山密閉開采的氣體技術。

4.3 立體式抽采治理

采空區有害氣體管理中最重要的是將有害氣體礦層抽出為較低有害氣體狀態，因此必須積極實施立體式有害氣體抽出管理技術。廢氣的主要方法是①鉆前萃取，采礦工作面在沿溝開挖前，先通過底板巷道開孔，提前吸引礦井巷道，去除結束氣，緩解壓力，覆蓋礦井巷道安全進入。②分階段用鉆頭初步提取。在開采工作面陽順區內進行順層鉆孔施工，提前提取本礦層氣。③地面鉆井提取。利用地面氣體采集鉆井，開采礦層氣體，覆蓋附近的礦層，去除壓力氣體。④屋面鉆頭卸壓提取。在工作面開采期間，在軌道順胡同工地的屋頂上挖掘鉆井區的氣體，代替開采高胡同的氣體，不僅可以節約成本，還可以在工作面開采期間用于防火鉆井。一般來說，暴露在直徑大的鉆頭上的煤面相對較多，氣體排放量相對較大。確定鉆頭直徑時，請注意鉆頭直徑和氣體排放量之間有直接關系。鉆孔中的氣體成分與鉆孔長度無關，但鉆孔技術和設備等因素會影響鉆孔效率和質量，因此請特別重視。 同時，礦層氣開采速度也受到鉆井間隔的影響。由于各鉆頭在特定的流動時間內具有自主氣體流場，因此流場可以相互不干擾的鉆更多的孔。提高鉆孔密度有助于提高有害氣體的提取效率。

4.4 采空區有害氣體埋管抽采技術應用

在采空區有害氣體管理過程中，根據采空區有害氣體體積分數的特點和氣體的本質特征，在井下采空區有害氣體中進行抽油管道的科學配置，在采空區有害氣體聚集區域開孔，有效連接管道，在抽油設備的應用中，在采空區有害氣體中，通過氣體埋管提取技術的應用，在破碎的礦、巖體等多孔介質中進行了氣體排水的過程。 因此，在提取過程中，管道內的流速、流量及阻力在某種程度上與其他地區的管道不同。通常，采空區有害氣體埋設管道的排水阻力集中在排水口的泄漏周圍，對泄漏周圍的大小的影響較大，泄漏周圍越大，阻力越大。 因此，為了提高采礦地區輸氣管道抽放技術的應用效果，應加強技術研究，改進技術和方法，減少抽放阻力、滲透速度等影響。

5 采空區有害氣體的防治

首先，可以使用采空區內的有害氣體遮斷器方法。一般來說，采空區有害氣體與礦井施工工作面的氣壓保持平衡，采空區有害氣體主要在漏氣進入具體來說是在頂角位置設置礦袋壁，將工作面與采空區有害氣體隔離，堵住采空區有害氣體流入工作面的通路，減少采空區瓦斯氣體的排出，進行工作。封鎖方法適合采空區內的有害氣體和工作面的氣壓平衡的情況，井下采空區內的氣壓過大時，簡單的封鎖不起作用，采空區有害氣體從工作面頂部的龜裂和臺座的間隙等噴出。

第二，燃氣股成分是甲烷，是危害礦井施工安全生產的因素，也是可利用的清潔能源，通過排放和利用采礦地區的燃氣，減少了有害氣體的排放對礦山安全生產的風險，同時目前井下有害氣體常用的排水方法主要是密閉吸入法、插管吸入法的工作面氣體排水時，密封采礦口，防止空氣泄漏或者，也可以從回風巷每隔幾十米挖一條迂回巷，開采到鉆井施工地點，挖掘采礦地區。裂縫帶貫通后，通過迂回關閉排水。

最后，可以使用礦井采礦工作面角窗安裝排氣扇方法，并將擋風玻璃放在工作面角上。 擋風玻璃安裝在彎曲管的旁邊。進入道路上的空氣通過工作面進入的擋風玻璃時，擋風玻璃起到改變氣流方向的作用，將氣流導向工作面的角落，從頂角排出氣體。 但是，這種方法的缺點是由于材料運輸、行人、支架、柱子等因素，擋風玻璃受損，失去了功能。因此，上角氣體濃度迅速上升到過剩濃度，工作空間氣體濃度減少。另外，安裝專用的排氣扇，在工作面的角落安裝礦用排氣扇的主要原理是在進水口形成負壓區域。由于兩側的壓力差，沿著通路通過工作面的主氣流增加，可以滿足風扇排氣量的要求。此時，有害氣體被稀釋，排出回氣道時，有害氣體濃度在安全范圍內得到保證。

結束語：采空區內的有害氣體治理僅能預防礦山安全問題，還能形成以氣體為資源的循環利用。礦山開采技術人員要根據生產實際情況、各礦區地質條件和中國實際情況選擇合適的采氣技術，解決礦井施工的安全生產問題，井下有害氣體治理要綜合利用礦區氣體開采的各項技術，要提高氣體抽出率和利用率，充分發揮井下這一氣體資源社會的經濟價值。