淺析煤礦瓦斯治理及防治措施

陶榮軍

摘要：煤礦瓦斯主要成分為甲烷，具有可燃、無色無味等特點(diǎn)。空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時(shí)，瓦斯體積分?jǐn)?shù)為5%～16%會(huì)發(fā)生爆炸。在煤礦生產(chǎn)中，瓦斯遇到火源，容易發(fā)生爆炸，瓦斯體積分?jǐn)?shù)超過40%會(huì)致人中毒窒息，嚴(yán)重危害人身安全。為處理瓦斯含量超標(biāo)而采取先抽后采的安全技術(shù)措施，往往會(huì)影響煤礦生產(chǎn)效率，提高生產(chǎn)成本;簡(jiǎn)單粗放的瓦斯抽采排放，造成了資源浪費(fèi)，甚至?xí)?duì)環(huán)境造成破壞。多年來，研究人員一直在探索煤與瓦斯共采、深部煤層或特定結(jié)構(gòu)煤的瓦斯治理理論與技術(shù)應(yīng)用研究，煤礦企業(yè)積極實(shí)踐，應(yīng)用新理論技術(shù)成果取得了相應(yīng)成效，這正改變著我國(guó)煤礦生產(chǎn)安全狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：煤礦;瓦斯;治理及防治

引言

瓦斯氣體嚴(yán)重威脅煤礦井下安全生產(chǎn)，一旦發(fā)生瓦斯泄漏和爆炸必定會(huì)使作業(yè)人員中毒，甚至危及作業(yè)人員的生命和財(cái)產(chǎn)安全。傳統(tǒng)的瓦斯治理主要采用通風(fēng)系統(tǒng)連續(xù)排風(fēng)以稀釋瓦斯?jié)舛龋沁@種處理方式耗電量巨大，且無法滿足瓦斯大量涌出工況下緊急排風(fēng)的需要，為此，必須積極探索節(jié)能高效的瓦斯治理和通風(fēng)技術(shù)，并能根據(jù)瓦斯實(shí)際含量靈活調(diào)整礦井內(nèi)分量，保證井下綜采作業(yè)安全。

1煤礦瓦斯危害

1.1瓦斯爆炸

瓦斯爆炸是煤礦開采中非常嚴(yán)重的災(zāi)害。爆炸會(huì)對(duì)煤礦產(chǎn)生毀滅性打擊，主要是爆炸中產(chǎn)生的高溫高壓氣體會(huì)對(duì)井下的設(shè)備和設(shè)施產(chǎn)生破壞作用。爆炸過程中還會(huì)產(chǎn)生大量的有毒氣體，對(duì)工人的生命安全構(gòu)成極大的威脅。發(fā)生瓦斯爆炸的主要原因是巷道中風(fēng)流中的瓦斯體積分?jǐn)?shù)超過了安全值。瓦斯爆炸的發(fā)生需要滿足2個(gè)條件：a）CH4體積分?jǐn)?shù)在爆炸體積分?jǐn)?shù)范圍以內(nèi)，即體積分?jǐn)?shù)在5%～16%內(nèi);b）溫度達(dá)到瓦斯的著火點(diǎn)，火花引起瓦斯燃燒，從而引發(fā)連鎖反應(yīng)。隨著煤礦安全技術(shù)的改善，發(fā)生瓦斯爆炸的主要原因是瓦斯在局部產(chǎn)生了積聚，例如巷道內(nèi)設(shè)備較多處、上隅角處等。

1.2瓦斯窒息

在掘進(jìn)過程中，煤體中的瓦斯大量涌出時(shí)，會(huì)急劇降低空氣中O2的體積分?jǐn)?shù)。這種情況會(huì)引發(fā)工人窒息。發(fā)生瓦斯窒息的主要原因是煤層中的某些高瓦斯含量區(qū)域內(nèi)的瓦斯積聚釋放。由于掘進(jìn)頭內(nèi)空間狹小，很難通過局部通風(fēng)機(jī)將掘進(jìn)頭內(nèi)的瓦斯排出。隨著時(shí)間的推移，瓦斯在局部區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)會(huì)越來越高，導(dǎo)致工作人員窒息。大多數(shù)情況下，瓦斯是一種無色無味的氣體，大量涌出時(shí)不容易發(fā)現(xiàn)，很容易導(dǎo)致工作人員大量吸入瓦斯氣體而窒息。

2煤礦瓦斯治理及防治措施

2.1做好源頭設(shè)計(jì)

煤礦企業(yè)須積極布局以達(dá)成低碳生產(chǎn)的瓦斯治理的目標(biāo)。在“煤礦安全生產(chǎn)—瓦斯抽采—瓦斯利用”的全過程生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)鏈條中，始終秉承綠色低碳發(fā)展理念，按照《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》的總體要求，制定瓦斯抽采排放與瓦斯利用總體進(jìn)度與計(jì)劃。根據(jù)各煤礦企業(yè)歷年來瓦斯排放量，分類、分級(jí)、分年度制定允許煤礦企業(yè)還可抽采排放的最大瓦斯量，并按照各煤礦企業(yè)營(yíng)業(yè)收入或利潤(rùn)制定出達(dá)成“碳中和”目標(biāo)的瓦斯利用短期、中期和長(zhǎng)期規(guī)劃路線圖。

2.2安全分區(qū)技術(shù)

首先，瓦斯涌出與積聚規(guī)律分析。為明確煤礦各區(qū)域、整個(gè)礦井瓦斯涌出規(guī)律，應(yīng)對(duì)瓦斯涌出與積聚規(guī)律進(jìn)行分析。其內(nèi)容包括：①工作面分區(qū)瓦斯測(cè)定。其目的是對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)較大的分區(qū)的瓦斯涌出規(guī)律進(jìn)行更好的分析。具體來說，是沿傾向在工作面布置若干測(cè)點(diǎn)，對(duì)各區(qū)段的風(fēng)量、瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最終對(duì)瓦斯涌出規(guī)律進(jìn)行判斷。②瓦斯流分布。瓦斯主要依靠風(fēng)流實(shí)現(xiàn)在巷道中的運(yùn)移，可采用儀器對(duì)風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測(cè)，再進(jìn)行換算，從而得出瓦斯流量。通風(fēng)系統(tǒng)中，瓦斯流量是符合平衡定律的，但時(shí)常發(fā)生波動(dòng)。因此，在對(duì)瓦斯流分布進(jìn)行分析的時(shí)候，應(yīng)采用大數(shù)據(jù)，長(zhǎng)時(shí)間對(duì)瓦斯進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到數(shù)據(jù)之后，采取數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)原理，便可以對(duì)瓦斯流分布規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。③日常瓦斯監(jiān)測(cè)。其目的是判斷作業(yè)環(huán)境安全與否，了解工作面瓦斯的涌出情況，同時(shí)還可對(duì)作業(yè)空間瓦斯的歷史涌出量、規(guī)律進(jìn)行分析。具體來說，對(duì)作業(yè)空間歷史涌出數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、統(tǒng)計(jì)、分析，在數(shù)據(jù)樣本足夠大的情況下，便可以得到瓦斯涌出的概率密度函數(shù)，從而對(duì)瓦斯涌出規(guī)律進(jìn)行定量確定。其次，通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。分析的內(nèi)容包括通風(fēng)系統(tǒng)基礎(chǔ)、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖、通風(fēng)構(gòu)筑物以及風(fēng)道的通風(fēng)靈敏度。①通風(fēng)系統(tǒng)基礎(chǔ)。以通風(fēng)期的實(shí)情為根據(jù)，解算通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，明確分區(qū)通風(fēng)的基本方案;②通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖。應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件，制作通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖具有可視化的特征，解算通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)壓、風(fēng)阻等數(shù)據(jù)，在全面了解通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖相關(guān)數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò);③通風(fēng)構(gòu)筑物運(yùn)行中，容易受到外力的影響而發(fā)生損壞，所以，應(yīng)對(duì)通風(fēng)構(gòu)筑物的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，避免由于通風(fēng)構(gòu)筑物受損而導(dǎo)致的風(fēng)流紊亂;④風(fēng)道的靈敏度指的是，風(fēng)道的風(fēng)阻改變的時(shí)候，風(fēng)量也會(huì)發(fā)生變化，分析風(fēng)道的靈敏度，可明確風(fēng)量、風(fēng)阻之間的關(guān)系，以便于合理調(diào)節(jié)風(fēng)量。

2.3應(yīng)用瓦斯傳感器

礦井下瓦斯傳感器是礦井瓦斯檢測(cè)的核心設(shè)備，為保證瓦斯布管抽采效率以及綜采安全和礦井通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，必須提升瓦斯傳感器監(jiān)測(cè)精度和性能的可靠性。當(dāng)前較常使用的瓦斯傳感器主要有熱導(dǎo)式和熱效式2種，前者主要利用礦井內(nèi)瓦斯氣體和正常氣體不同的導(dǎo)熱級(jí)別進(jìn)行瓦斯探測(cè)，其構(gòu)造和工作原理相對(duì)簡(jiǎn)單，但是檢測(cè)過程和結(jié)果受礦井內(nèi)風(fēng)量、溫度、濕度等的影響較大，性能穩(wěn)定性受到影響，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度無法保證;后者則主要利用化學(xué)試劑作用下瓦斯等可燃?xì)怏w會(huì)發(fā)生自燃，并通過電阻自身溫度的變化進(jìn)行礦井內(nèi)瓦斯含量的檢測(cè)與判定，此種傳感器設(shè)備功率較大，且傳統(tǒng)的燃燒性氣體燃燒程度很容易受到井下惡劣環(huán)境中硫元素等的影響，誤報(bào)的可能性較大。為了保證井下瓦斯氣體含量監(jiān)測(cè)結(jié)果的精確性和可靠性，提出以SnO2為可燃性材料改進(jìn)熱效式瓦斯傳感器的思路，充分利用該類型傳感器感應(yīng)快速、使用壽命長(zhǎng)等性能優(yōu)勢(shì)，克服傳統(tǒng)燃料受井下硫元素影響的弊端，顯著提升礦井內(nèi)瓦斯含量檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.4做好風(fēng)量分配

瓦斯災(zāi)害發(fā)生的一個(gè)重要因素是瓦斯體積分?jǐn)?shù)超限。造成瓦斯體積分?jǐn)?shù)超限的原因主要有兩個(gè)，即局部通風(fēng)不暢、風(fēng)量分配不足。前面已經(jīng)對(duì)局部風(fēng)量不足引起的瓦斯超限問題進(jìn)行了論述。這里重點(diǎn)對(duì)風(fēng)量分配不足引起的瓦斯超限問題進(jìn)行說明。在實(shí)際生產(chǎn)中，造成風(fēng)量分配不足的原因有很多，可能是巷道漏風(fēng)量過大，也可能是礦井的通風(fēng)阻力過大。為此，應(yīng)從以下兩方面做好風(fēng)量分配：a）進(jìn)行礦井通風(fēng)阻力測(cè)定，找到風(fēng)量分配不足的主要原因，對(duì)于局部通風(fēng)阻力過大的位置，需要采取一系列降阻措施;b）做好采空區(qū)的密閉工作，減少巷道漏風(fēng)量，保證巷道供風(fēng)量充足。

2.5做好上隅角通風(fēng)

與其他位置相比，上隅角區(qū)域的瓦斯最容易積聚。一方面，工作面開采時(shí)的瓦斯會(huì)在上隅角處積聚;另一方面，采空區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的瓦斯在風(fēng)流的作用下也會(huì)在上隅角處積聚。為此，需要做好上隅角處的通風(fēng)工作。具體應(yīng)從以下三方面出發(fā)：a）采空區(qū)埋管。在廢棄的采空區(qū)中埋管，利用負(fù)壓直接抽取采空區(qū)中的瓦斯，從而大幅度抑制采空區(qū)瓦斯向上隅角處流動(dòng)，這種方法經(jīng)過大量的實(shí)踐檢驗(yàn)，具有很強(qiáng)的可操作性。b）在上隅角處安放局部通風(fēng)機(jī)，通過局部通風(fēng)增加上隅角處的空氣流動(dòng)，從而將瓦斯稀釋到安全體積分?jǐn)?shù)以下。c）在上隅角處懸掛擋風(fēng)板。上隅角處瓦斯積聚的主要原因是上隅角是個(gè)直角空間，空氣在該空間內(nèi)會(huì)有較大的動(dòng)能損失而流動(dòng)緩慢，通過懸掛擋風(fēng)板改變?cè)搮^(qū)域的直角結(jié)構(gòu)，從而很好地改善該區(qū)域內(nèi)的空氣流動(dòng)，減少瓦斯積聚。

結(jié)語(yǔ)

煤礦企業(yè)瓦斯治理工作不僅與安全生產(chǎn)有關(guān)，而且關(guān)乎企業(yè)的綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略。從行業(yè)瓦斯治理現(xiàn)狀出發(fā)，分析與低碳治理相關(guān)的問題，并提出建議措施，為未來煤礦企業(yè)的綠色低碳發(fā)展提供新的借鑒與思考。

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