采空區高濃度瓦斯治理技術的探索

張寶第

摘 要：為降低采空區內高濃度瓦斯的含量，保證礦井的經濟和社會效益，提出了綜合法治理采空區高濃度的方案，通過向采空區注氮氣、液態二氧化碳將采空區內高濃度瓦斯逼向采空區裂隙帶，然后在向采空區裂隙帶施工高位抽放鉆孔，將高位抽放鉆孔接入礦井抽放系統，抽取采空區內高濃度瓦斯，還可用于發電。

關鍵詞：采空區；高濃度瓦斯；治理技術

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.230

0 引言

瓦斯是礦井五大自然災害之一，亭南煤業公司屬高瓦斯礦井，礦井絕對涌出量達到了110m3/min。特別是隨著工作面的不斷回采，采空區的范圍不斷地擴大，采空區內的高濃度瓦斯對礦井安全生產的威脅也逐步增加，僅二盤區已經回采的204、205兩個工作面采空區面積就將近72萬m2，采空區里蘊藏著大量高濃度瓦斯對礦井安全生產是一個巨大的威脅，如果采空區內因煤炭自燃出現高溫點或因頂板壓力出現摩擦火花或靜電火花，很容易造成瓦斯爆燃和爆炸現象，給礦井的安全和效益造成損失，給礦工的生命和財產安全造成威脅，給社會造成巨大的負面影響。筆者提出密閉墻注氮氣、注液態二氧化碳，施工高位鉆孔抽放的綜合措施治理采空區高濃度瓦斯。

1 當前采空區治理存在的問題

現有情況絕大多數高瓦斯礦井在封閉工作面時，構筑的密閉墻上都預留有瓦斯抽放管路，裝備束管監測系統配合密閉墻“U”型壓差計觀測密閉墻內氣體狀態，當采空區出現正壓時就打開抽放管路閘閥抽放，呈負壓狀態就關閉，且密閉墻易受頂板壓力影響造成采空區向外滲瓦斯或是向采空區漏風，需經常派人巡視極為不方便，不易控制。但受制于埋深及層位，常會出現密閉墻附近瓦斯超限的現象，抽放負壓過大造成采空區呈負壓狀態，易向采空區內漏風，不利于采空區的防滅火工作。

2 解決方案

綜合分析提出利用甲烷相對分子量較小通常存在于采空區上方的特性，通過施工高位瓦斯抽放鉆孔從頂部將瓦斯抽出，可是采空區上部瓦斯被抽出后，采空區內氣體平衡勢必會被打破導致采空區成負壓狀態，此時通過密閉墻預留的抽放管路向采空區內注入氮氣或者液態二氧化碳用以填補抽出的那部分瓦斯的體積，人為的通過置換的辦法將采空區內高濃度瓦斯抽出利用。亭南煤業公司屬高瓦斯礦井，礦井絕對涌出量達到了110m3/min，煤的最短自燃發火期在39-45天，礦井按照規定建立了五套地面永久抽放系統用于治理瓦斯，三套高壓系統擔負本煤層預抽，兩套低壓系統擔負采空區及高位鉆孔的抽放，抽出的高濃度瓦斯用于瓦斯發電利用。

2.1 向采空區注氮置換采空區內氣體

通過西翼注氮系統和采空區密閉墻埋設的注氮管路向采空區大流量注氮。注氮系統制氮機型號為DW1000/10型膜分離式注氮機，氮氣生成量1000m3/h，生成氮氣濃度97%以上，氮氣出口壓力0.8～1.3MPa。通過205運輸巷、回風巷及205高位抽放巷等密閉墻留置的注氮管路向采空區進行大流量注氮，將采空區內的高濃度瓦斯和氧氣通過高位抽放孔和密閉墻埋設的氣體置換管路排入抽采系統，將制氮系統生成的高濃度氮氣充填整個采空區，使采空區內的瓦斯和氧氣濃度均下降到5%以下，杜絕瓦斯事故和隱患的發生。

2.2 向采空區注液態二氧化碳置換采空區內氣體

液態二氧化碳置換技術對杜絕采空區內瓦斯事故的發生有以下幾方面優點：

（1）液態二氧化碳具有很強的膨脹性，1m3體積的液態二氧化碳將會膨脹640m3的氣態二氧化碳，能夠在短時間內迅速膨脹，更有利于采空區內氣體的置換。

（2）二氧化碳比空氣的比重大，煤體對二氧化碳具有很強的吸附性（煤對二氧化碳的吸附量為48L/Kg），很容易覆蓋煤體表面，降低煤體表面氧氣濃度，使氧氣濃度低于自燃發火的臨界濃度值，從而防止煤的氧化自燃，或使已形成的火災因缺氧氣而窒息滅火。

（3）大量的高濃度二氧化碳的擴散必然會加大采空區內氣體靜壓，進而減小采空區的漏風量，降低采空區內氧氣濃度。

（4）惰化抑爆作用。氣態二氧化碳在沖淡可燃氣與氧的含量過程中，可使采空區內空間氣體惰化程度不斷增大，從而使混合氣失去可爆性。

2.3 高位瓦斯抽放孔施工具體方案：

在二盤區瓦斯抽放硐室施工3個高位瓦斯抽放鉆孔，鉆孔傾角分別為25度、31度、21度，方位角均為0度，孔深175米、181米、147米，終孔位置落在205工作面停采線以里30米，頂板以上70左右米的裂隙帶層位，鉆孔采用Φ94鉆頭鉆進至終孔，全程下入套管；在204施工道施工3個高位瓦斯抽放鉆孔，孔傾角分別為20度、22度、26度，方位角均為0度，孔深74米、130米、90米，終孔位置落在204工作面停采線以里30米，頂板以上50左右米的裂隙帶層位，鉆孔采用Φ94鉆頭鉆進至終孔，全程下入套管；施工完的鉆孔均接入地面低壓抽放系統，孔口處應加裝孔板流量計及蝶閥用以控制流量和觀測孔內氣體參數。

3 應用效果

經長時間的跟蹤觀測二盤區采空區設置的氣體觀測點參數情況顯示，二盤區采空區內的氧氣含量維持在1%-3%的區間內，一氧化碳穩定在0-5ppm，采空區處于壓力平衡的狀態 ，密閉墻附近未出現瓦斯超限的情況，高位孔內抽出的瓦斯濃度穩定在55%左右，流量在15-20m3/min，二號系統抽放主管路里的瓦斯濃度由原來的9.5%提高到了15%，利用瓦斯每天的發電量由原來的日均66000kw.h提升至75000kw.h，可謂一舉兩得，效果顯著。

4 結論

基于長時間的跟蹤監測采空區氣體參數變化情況得出以下結論，1采空區內的高濃度瓦斯通過“惰性氣體”置換的方法是可以安全的抽放出來的，但需注意控制抽放流量和抽放負壓，應經常檢測抽放氣體的參數；2合理的選擇高位抽放鉆孔終孔位置落到的層位，以便最大限度的抽出高濃度瓦斯；3抽出的高濃度瓦斯可以加以利用造經濟效益。

參考文獻：

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[2]蘆倩，李霞，朱耀杰，趙耀江.兩進一回通風系統鄰近層瓦斯運移規律研究[J].太原理工大學學報，2010（03）.endprint