陜西省煤礦瓦斯災害防治現狀及對策研究

曹建軍，劉 軍，王中華

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區，400037；2.煤礦災害防控全國重點實驗室，重慶市沙坪壩區，400037)

0 引言

我國是世界第一煤炭生產大國，2022年原煤產量45.6億t。但我國煤礦災害嚴重，主要災害有瓦斯、頂板、沖擊地壓、火災、水害、塵害、熱害等，其中瓦斯災害危害性最高，被稱為煤礦“第一殺手”。煤礦瓦斯災害防治主要是防止煤與瓦斯突出(以下簡稱“突出”)、消除瓦斯積聚、杜絕瓦斯煤塵爆炸，達到安全高效生產的目標。目前，我國煤礦瓦斯煤塵爆炸預防與控制技術(包括瓦斯利用隔抑爆技術)較為成熟[1]，在煤礦瓦斯防治中相當多的技術屬于瓦斯抽采及防突技術[2-3]。目前，我國煤礦瓦斯災害防治已進入到區域性抽采為主的綜合治理階段[4-7]，形成了區域防突措施先行、局部防突措施補充的兩個“四位一體”綜合防突技術體系[8]，形成了“通風可靠、抽采達標、監控有效、管理到位”的瓦斯綜合治理工作體系。同時，為適應煤礦開采深度增加和開采強度增大的現狀，我國煤礦抽采時空關系發生巨大改變，目前抽采主要向地面化方向發展[9-10]，突出防治措施由局部小范圍過渡到區域與局部并重，并逐步向全面區域化方向發展[11-13]。礦井瓦斯超限次數顯著下降、瓦斯抽采量大幅度提高，煤礦瓦斯事故起數、死亡人數大幅下降[14-15]。

陜西是煤炭資源大省，截至2022年12月，全省共有煤礦361個(大中型293個)，總產能規模達5.86億t/a，但瓦斯災害礦井也較多，其中煤與瓦斯突出礦井11處、高瓦斯礦井30處，瓦斯災害嚴重制約礦井的安全生產。隨著煤礦開采深度和開采強度的增大，煤層透氣性降低、地應力和瓦斯壓力逐漸增加，深部煤炭采掘過程容易引發煤與瓦斯突出等重特大事故[4]。為了提高陜西省瓦斯災害防治水平，筆者以高瓦斯礦井和突出礦井瓦斯災害防治技術和管理為主線，梳理了目前高瓦斯礦井和突出礦井瓦斯防治中先進措施和存在問題，并提出了高瓦斯礦井和突出礦井瓦斯災害防治對策，以期為該省類似條件礦井瓦斯災害防治提供借鑒和參考。

1 陜西省瓦斯災害特征分析

1.1 瓦斯災害基本情況

陜西省突出礦井共有11處，分布在韓城市和銅川市印臺區；高瓦斯礦井共有30處，分布在咸陽市(長武縣、彬州市、旬邑縣)、寶雞市麟游縣、銅川市(印臺區、耀州區)、韓城市金城區、延安市(黃陵縣、富縣)。韓城礦區瓦斯災害最為嚴重，目前韓城礦區主采2、3、5、11號煤層，5號煤層未有記載煤與瓦斯動力現象，2號煤層共發生1次疑似沖擊地壓現象，3號煤層和11號煤層分別共發生有記載的煤與瓦斯動力現象145次和1次，基本情況見表1。鑒于韓城礦區瓦斯災害最為嚴重且3、11號煤層的瓦斯災害具有典型性和代表性，筆者對其災害特征進行分析。

表1 韓城礦區煤與瓦斯動力現象基本情況

1.2 典型煤層突出災害特征分析

1.2.1 3號煤層突出特點與規律

韓城礦區文家嶺一帶因擠壓褶皺十分發育而成為擠壓“隔墻”分割成3號煤層南北兩區，南區以斷層為主，且大斷層一般切穿煤層而達地表，褶皺規模少而小；北區則以褶皺為主，斷層發育稀少。3號煤層突出特點與規律如下。

(1)突出發生地點具有區域性、分布規律性差的特點。突出主要集中在地質異常區、軟煤和粉塊煤區，3號煤層塊狀硬煤區域目前尚未發生突出。

(2)各礦井3號煤層始突深度、同一標高瓦斯壓力、瓦斯含量差異大。桑樹坪煤礦3號煤層的始突深度為203 m，發生突出時的最小瓦斯含量為6.6 m3/t，瓦斯壓力為0.67 MPa；下峪口煤礦3號煤層的始突深度為240 m，發生突出的最小瓦斯含量為7.5 m3/t，瓦斯壓力為0.69 MPa；興隆、盤龍煤礦3號煤層始突深度分別為515、639 m，發生突出地點瓦斯含量分別為7.0、10.0 m3/t左右。

(3)礦區突出類型齊全，以壓出為主。下峪口煤礦3號煤層累計發生突出21次，其突出類型主要以壓出為主，占81.0 %(17次)；桑樹坪煤礦3號煤層累計發生突出122次，其突出類型也是以壓出為主，占54.9 %。

(4)多數突出前有較明顯的預兆。在煤層物理性質方面，表現為煤層層理紊亂、光澤暗淡干燥、煤質變軟、煤厚劇變，出現構造煤、氣溫降低發悶、煤塵增大等現象；在瓦斯方面，出現瓦斯涌出忽高忽低，打鉆噴孔、頂鉆等現象；在地壓方面，出現支架來壓，頂板懸頂、掉渣，煤壁外鼓開裂，鉆孔夾鉆變形、響煤炮等現象。

(5)存在明顯的延期突出。礦區煤巷、采面、石門均發生過延期突出。煤巷、石門揭煤發生多次明顯的延期突出，延期時間為幾分鐘至2 h不等。

(6)礦區突出礦井不同區域3號煤層工作面突出預測指標敏感性差異較大。桑樹坪煤礦北一采區3號煤層為Ⅴ類松軟破壞，煤層厚度變化附近往往容易發生突出，但鉆屑量瓦斯解吸指標(鉆屑量S、瓦斯解吸指標K1或Δh2)、鉆孔瓦斯涌出初速度q、R綜合指標均不敏感；而興隆、盤龍煤礦3號煤層突出預測則較敏感，但臨界值存在差異。

1.2.2 11號煤層突出特點與規律

11號煤層煤與瓦斯突出發生在燎原煤礦1105運輸巷掘進工作面距膠帶下山口237 m處，事故共造成7人死亡、2人受傷。事故發生地點煤層厚度急劇增厚、傾角急劇增大，使掘進區域處于應力集中區；構造煤發育、煤層松軟、透氣性差。11號煤層突出特點與規律如下。

(1)突出孔洞具有口小腔大的特征。突出孔洞位于1105運輸巷工作面中部煤壁緊貼頂板處，距右幫2.1 m。突出孔洞呈扁平狀，口部高度0.5 m，寬度1.5 m，可見深度為4.32 m。

(2)突出時高速噴出的瓦斯煤流具有非常強大的動力效應和破壞能力。距突出地點最近的三排頂網被撕開，錨桿全部倒向突出瓦斯和煤流的流動方向，掘進頭處鉆孔中的三棱鉆桿扭曲變形嚴重，綜掘機距掘進頭3 m左右。

(3)突出位于地質構造處，煤層突然變厚且事故區域煤層產狀變化較大。1105運輸巷掘進工作面通過S3向斜軸部后進入S3向斜北翼，逐步向前方50 m左右的小型背斜構造延伸。突出地段地質構造應力集中，煤層產狀及厚度變化大，煤層厚度由最小0.60 m增加到6.75 m，煤層傾角從5°～10°變化為25°～31°。

(4)突出地點的構造煤發育。突出孔洞附近煤的顏色暗淡，無節理，呈糜棱狀、鱗片狀或土狀構造，用手捻之可成粉末，稍有顆粒感，煤的破壞類型為Ⅳ-Ⅴ類，軟煤厚度1.0～1.5 m。突出事故地點30 m巷道范圍內，煤層產狀變化大，構造軟煤發育，巷道片幫嚴重，出現多處長度2～5 m、高度1.0～1.5 m、深度0.5～1.0 m的片幫空洞。

突出是地應力、瓦斯和煤的物理力學性質綜合作用的結果，采掘工作開展后，采掘空間周邊會形成一定范圍的支承壓力極限平衡區，在遇到煤巖體中含有結構弱面、外界擾動、頂板突然斷裂、煤巖突然脆性破壞或發生較大的流動變形等情況時，可能導致極限平衡區內煤壁附近煤體失穩，煤巖體中積聚的彈性勢能、瓦斯內能和失穩煤體本身所具有的重力勢能將失穩煤體破碎并拋出(或擠出)，即發生突出[16]。綜合3號、11號煤層及陜西省其他礦井突出災害情況，在構造區、煤厚變化區、軟分層賦存區域往往突出危險相對較大，是防突工作的重點區域，需采取針對性的瓦斯災害防治技術措施。

2 陜西省瓦斯災害防治現狀

2.1 高瓦斯礦井防治現狀

2.1.1 采取的措施

(1)先進防治技術。每個工作面均實施了煤層瓦斯基礎參數測定，有利于“一面一策”的實施；實施了區域性瓦斯超前預抽，積極與科研院所合作，探索有效的瓦斯治理技術和模式；采取了煤層增透措施進行瓦斯強化抽采，解決特厚煤層高強度開采瓦斯預抽效果差、回采過程瓦斯涌出量大等問題；開展了智能抽采鉆機、礦井智能通風與瓦斯抽采智能達標評判系統的研究與應用；建立了礦井瓦斯防治實驗室，開展煤層瓦斯參數測定；開展了圍巖油氣的系統勘查與治理；建立采掘面油氣異常涌出應急系統。

(2)典型先進模式。陜西彬長礦業集團有限公司孟村煤礦研究形成了高壓水力割縫+CO2驅替“2-111”瓦斯高效抽采模式，如圖1所示。該模式首先是利用高壓水力割縫技術對本煤層瓦斯抽采孔進行分段“掃圈式”切割造縫卸壓，增大煤層透氣性，然后間隔向割縫孔內壓注液態低溫CO2，實現一孔兩用；裂隙煤體瓦斯得到氣相脫附驅替，同時，發生膨脹擴散效應的氣化態CO2通過割縫導向進一步劈裂縫隙空間，擴沖(增大)驅氣范圍，均衡煤體應力，與抽采負壓共同對壓注有效范圍內煤體中的游離瓦斯進行連續驅氣，在煤體應力重新分布及新的應力平衡狀態下，使得兩種單一技術取長補短、優勢互補，控制裂縫擴展方向，擴大煤層自由面和煤層裂縫網絡，增加煤層增透影響的范圍，置換煤層吸附的瓦斯量，實現在單孔內開展2種技術作業、1次割縫卸壓、1次氣相脫附驅替及1次導向擴沖驅氣的“2-111”瓦斯高效抽采新模式，提高煤層瓦斯抽采效果。

圖1 高壓水力割縫+CO2驅替“2-111”瓦斯高效抽采模式

2.1.2 存在的問題

(1)礦井通風方面，部分礦井通風線路長，通風設施運行負壓接近額定值，局部風速超標。

(2)礦井瓦斯地質方面，礦井瓦斯(油氣)地質工作開展不足，礦井瓦斯賦存分布規律掌握不夠，礦井瓦斯地質圖編制有待進一步規范。

(3)瓦斯抽采方面，特厚煤層存在預抽鉆孔單排布孔方式，受厚層夾矸影響可能存在預抽不充分、抽采效果不均衡；多數礦井頂板高位鉆孔布置層位和抽采參數等研究不足，多為經驗數據，未根據煤層厚度變化進行及時更新；預抽鉆孔瓦斯抽采量普遍較小、衰減較快、濃度低，瓦斯抽采達標評判指標選取缺乏依據、評判步驟執行不一、質量參差不齊。

(4)瓦斯抽采系統方面，抽采系統未完全實現分源分壓，抽采系統有待優化，抽采系統能力欠缺。

(5)沖擊地壓與瓦斯災害共存礦井，沖擊地壓卸壓孔與瓦斯抽采鉆孔存在相互干擾情況，導致鉆孔瓦斯抽采濃度低、效果不佳。

(6)瓦斯管理方面，對高瓦斯礦井瓦斯的致災性、災害的嚴重性認識程度不足；瓦斯抽采管理不夠規范；“一通三防”例會制度、通風瓦斯日分析會議等有關制度執行不夠嚴格。

2.2 突出礦井防治現狀

2.2.1 采取的措施

(1)十項瓦斯抽采技術。包括地面L型鉆井水力壓裂區域瓦斯排采技術、穿層鉆孔高壓水射流鉆擴一體化瓦斯抽采技術、順層鉆孔超高壓水力割縫增透瓦斯抽采技術、機械造穴擴孔卸壓抽采技術、液態二氧化碳驅替置換瓦斯抽采技術、保護層開采定向長鉆孔卸壓瓦斯抽采技術、頂板定向鉆孔水力壓裂強化抽采技術、鉆孔全程下護孔管技術、定向長鉆孔高位裂隙瓦斯抽采技術、注漿錨桿固化煤體二次封孔技術等十大瓦斯抽采技術。

(2)瓦斯抽采“四化”經驗。實施形成了以抽采工程化、過程視頻化、施工標準化、計量精準化為內容的瓦斯抽采“四化”經驗，如圖2所示；建立了一地點一檔案、一鉆機一臺賬、一鉆孔一視頻的鉆孔施工檔案，使打鉆、護孔、封孔等隱蔽工程透明化。

圖2 礦井瓦斯抽采“四化”經驗

(3)礦井智能管控平臺系統，如圖3所示。應用了智能化瓦斯抽采達標動態評價系統、全視頻智能打鉆系統、礦井災害預警綜合管控平臺、礦井智能通風系統，提高防突管理信息的及時性、真實性、可追溯以及智能管控。

圖3 礦井智能管控平臺系統

2.2.2 存在的問題

(1)礦井瓦斯地質方面，瓦斯地質圖、防突預測圖等基礎工作偏弱；多數礦井對構造區突出危險性的變化分析不夠，未能實現動態更新、閉環管理。

(2)礦井通風系統方面，多數礦井開采時間長，通風系統相對復雜；通防系統應加強通風設施標準化管理，提升礦井通風系統的抗災能力。

(3)瓦斯抽采系統方面，瓦斯抽采濃度和抽采量均有提升的空間，應加快研究軟煤增透提濃高效抽采技術，特別是在抽采工藝標準化、管理精細化方面需要下功夫。

(4)區域防突方面，防突措施鉆孔設計缺乏對區域構造、瓦斯賦存、應力集中等分析和重點區域的判斷，缺少對實施中可能出現異常情況的預判和處置考慮，未充分考慮執行措施的實際能力和采掘接替時空約束條件，方案針對性不足，貫徹“一面一策”原則不夠；預抽煤層瓦斯防突措施效果評價過度依賴殘余瓦斯含量檢測數據，對瓦斯抽采鉆孔設計針對性、控制均勻性、計量準確性把控不夠，過程化管控不足，綜合分析較為欠缺。

(5)局部防突方面，在按照《防治煤與瓦斯突出細則》要求對地質構造帶、煤層賦存變化、采掘應力集中區執行工作面防突措施方面，缺少足夠的重視，執行力度不足。

(6)安全防護方面，壓風自救裝置應急條件下啟用時間偏長，甚至部分礦井存在壓風管道閥門處于關閉狀態等管理不到位現象。

(7)采空區瓦斯抽采方面，回采工作面所采用的上隅角插管抽采采空區瓦斯工藝復雜且效果差，容易導致上隅角超限，地方礦井尤為嚴重。

(8)監測監控方面，與行業橫向比較還有一定提升空間，多個礦井的甲烷傳感器誤差超過允許值。

(9)管控模式方面，地方煤礦目前采用的托管模式，尚未達到監管部門所期望的預期目標，托管方與被托管方之間的磨合不夠。

3 陜西省瓦斯災害防治對策

3.1 高瓦斯礦井防治對策

(1)堅持瓦斯源頭治理。對于煤層瓦斯含量高且接續緊張礦井，應實施區域瓦斯超前治理，采取煤層增透措施，保障瓦斯預抽效果和預抽時間，緩解回采期間采空區瓦斯治理壓力。

(2)加強礦井瓦斯(油氣)地質基礎工作。掌握礦井瓦斯垂直分帶、賦存規律，確保礦井瓦斯地質圖編制規范與正常應用。

(3)加強鄰近煤層與圍巖油氣探查。實施必要的探查工程，掌握層間距、鄰近煤層厚度、瓦斯賦存及圍巖油氣威脅程度，關注瓦斯或油氣涌出情況，制定治理措施。

(4)優化瓦斯抽采系統。瓦斯抽采系統能力不足的礦井，應優化抽采系統，增加抽采系統能力。

(5)規范抽采達標評判。制定《高瓦斯低變質煤層采掘工作面瓦斯抽采達標技術規范》，采用密閉取芯、定點采樣技術增加抽采達標檢測點深度，消除抽采達標評判盲區。

(6)優化礦井通風系統[17]。高負壓運行狀態的礦井，應優化通風系統，密閉不必要的巷道，采取擴巷降阻、加快新風井投運進度等方式，使通風系統在合理的負壓區間運行。

(7)加強通風瓦斯日常管理。應密切關注礦井通風、抽采、監測監控系統運行，將通風瓦斯日分析會議制度落到實處，及時發現瓦斯異常。

(8)三網融合應急聯動功能。應加強對礦井三網融合應急聯動功能的日常測定與及時調試，確保功能及時正常。

(9)多災害協同治理。在沖擊地壓、瓦斯、火等災害共存礦井開展多災害協同治理技術應用，實現“一孔多用”。

(10)加強瓦斯治理對標學習與培訓。提高對瓦斯防治工作重要性的認識，加強與相關科研單位合作，著力提升礦井瓦斯治理水平。

3.2 突出礦井防治對策

(1)開展煤與瓦斯突出演化機理精細化研究[18-19]。目前陜西省突出礦井2號煤層僅發生了1次疑似煤沖擊現象，3號煤層突出發生地點具有區域性分布規律性差大、同一標高瓦斯壓力和瓦斯含量差異大、壓出類型為主、存在明顯的延期突出以及工作面突出預測指標敏感性差異較大等特點，11號煤層僅燎原煤礦發生了1次突出，針對不同煤層、同一煤層不同特點開展煤與瓦斯突出演化機理研究。

(2)進行煤層突出危險性鑒定精細化研究。近年來突出礦井低參數突出時有發生、應力主導型壓出性突出越來越多[20-21]，現有鑒定指標不能完全滿足鑒定需求，針對近距離煤層群的鄰近煤層加強不同煤層突出危險性精細化鑒定研究。

(3)煤層瓦斯基本參數精細化測試。陜西省突出煤層瓦斯賦存不均勻，呈現強分區特征，現有瓦斯壓力、瓦斯含量測試不能完全滿足瓦斯突出危險性預測、瓦斯抽采和抽采達標精準評判的要求，應系統發展不同煤層瓦斯參數精細化測試分析。

(4)實施煤層區域突出危險性精準探測/預測[22-23]。陜西省所屬突出煤層小斷層等構造較多、煤層厚度變化較大、部分區域受采動應力影響較大且受煤柱影響處于應力疊加區。因此，采掘作業前，應實施煤層突出危險性精準探測/預測。

(5)研發煤層突出危險性區域防控技術。開展地面和井下大區域瓦斯抽采技術研究，如圖4所示[24-25]，研發大區域煤層突出危險性區域防控智能設計及智能鉆進技術，研究大區域不同煤巖層條件的高效卸壓增透抽采技術和瓦斯抽采達標、消突效果大區域評判技術。

圖4 大區域地面及井下瓦斯抽采技術

(6)開展突出危險性預測指標及臨界值研究。陜西省突出煤層區域突出預測、工作面局域突出預測指標及臨界值均是某一瓦斯地質及工程條件下測試的結果，其指標及臨界值的大小在不同瓦斯地質及工程條件具有差異性，不同礦井當瓦斯地質、開采技術條件、煤質及煤層賦存等發生明顯變化以及在石門揭煤、應力集中帶、地質構造帶等特殊地質條件應進行專項研究，精準確定不同條件下煤層區域突出預測、工作面局域突出預測指標及臨界值[26-27]；同時，現場測試相關指標時必須嚴格按規范操作，并定期對測試儀器進行標定檢驗，減少測試誤差，以提高指標測試的可靠性和準確性。

(7)研發并推廣瓦斯災害遠程在線智能預警平臺。基于多網融合技術和大數據、云技術，實現煤礦典型動力災害的遠程在線智能預警，如圖5所示[22]，建立適應于安全管理、安全監管監察、應急管理并進行分級預警的平臺，并針對性提出管控技術，提高陜西省瓦斯災害防治水平。

圖5 煤礦典型動力災害監測預警架構體系

(8)加強礦井防突技術、設施及人才管理力量。引進地面井抽采、水力壓裂等先進適用的瓦斯治理技術[28-29]，完善礦井通風系統及設施、瓦斯抽采系統及設施、安全防護設施、監測監控設施，補充瓦斯地質、防突等技術人才的不足，優化地方煤礦的管控模式。

4 結論

(1)陜西省高瓦斯礦井、突出礦井數量較多、分布范圍廣，韓城礦區突出災害最為嚴重，韓城礦區3號煤層突出事故具有區域性分布規律性差大、同一標高瓦斯壓力和瓦斯含量差異大、壓出類型為主、存在明顯的延期突出以及工作面突出預測指標敏感性差異較大等特點，11號煤層突出事故具有典型的煤與瓦斯突出特點。

(2)陜西省高瓦斯礦井、突出礦井在瓦斯抽采技術、瓦斯抽采“四化”和智能管控平臺系統等方面已形成了諸多先進技術經驗、典型治理模式，但高瓦斯礦井在礦井通風、瓦斯地質、瓦斯抽采和瓦斯管理等方面，突出礦井在瓦斯地質、通風系統、防突措施、安全防護、監測監控和管控模式等方面存在一定不足。

(3)陜西省高瓦斯礦井應從瓦斯地質探測、瓦斯抽采系統、通風系統及瓦斯管理等方面加強針對性瓦斯防治對策；陜西省突出礦井應進一步開展突出機理及規律精細化研究，實施區域性預測及大區域預測防控技術，推廣瓦斯災害遠程在線智能預警，加強礦井防突技術、設施及人才管控力量。