煤礦瓦斯災害防治技術

劉軍見

(山西省煤炭工業廳煤炭資源地質局，山西 太原 030045)

在我國一次能源消費中，煤炭所占據的比例達到70% 左右，其對我國社會經濟的發展起著至關重要的作用。而在煤礦生產過程中，煤礦瓦斯災害時有發生，其不僅會對煤礦的正常開采產生影響，而且還會危及工作人員的身體健康和生命安全。因此，需要對煤礦瓦斯災害進行分析，并在此基礎上為其制定一套針對性的防治技術，這樣不僅可以有效降低煤礦瓦斯災害的發生，而且還能夠保護相關人員的生命安全。

1 煤礦瓦斯災害概述

1.1 煤礦瓦斯組成成分

通過對煤礦瓦斯進行分析發現，其成分主要包括CH4及其同系物，同時還含有不同量的N2、H2、CO2及稀有氣體，其中N2移動速度較小，CO2易溶于水，因此在接近地面的瓦斯中，具有相對比較高的N2和CO2含量。

1.2 煤礦瓦斯爆炸條件

1) 高溫熱源。通常情況下，瓦斯引燃溫度一般為650 ℃和750 ℃。

2)氧氣。其在煤礦瓦斯災害中起到一定的助燃作用，如果新鮮空氣中氧氣的濃度超過12%時，就有可能出現瓦斯爆炸現象，而且該條件在煤礦開采過程中很容易達到。因為在煤礦正常通風情況下，氧氣濃度會維持在20%以上。

3)瓦斯濃度。在新鮮空氣中，瓦斯濃度的爆炸界限在5%～16%范圍內。在煤礦開采階段，煤體中所涌出的氣體不是單一的沼氣，其中還包含有一定濃度的重碳氫合物，當分子量比較重時，其瓦斯具有相對比較低的爆炸下限。

2 煤礦瓦斯爆炸和傳播機理

在進行煤礦開采時，需要對煤礦瓦斯爆炸和傳播機理進行全面、系統的分析和研究，通常情況下，瓦斯爆炸的過程通常是在外界熱源激發下甲烷氣體所發生的劇烈熱化學反應。通過對煤礦瓦斯化學動力學進行分析可以更好地了解和掌握甲烷爆炸階段所發生的各種反應。實際上，甲烷爆炸點火階段將會誘發一系列的基元反應組合，并發生支鏈型鏈式反應。大量的理論分析和實驗研究發現，煤礦開采階段瓦斯爆炸一般是以沖擊波的方式傳播，并隨著傳播時間和空間的推移，而使沖擊波的結構出現一系列的變化。在起始階段，煤礦瓦斯爆炸主要是以爆燃波方式傳播，但是當甲烷氣體完全燃燒后，則會以單純空氣沖擊波傳播。在煤礦瓦斯爆炸傳播方式上，在一般條件下，瓦斯爆炸沖擊波主要是以爆燃波形式傳播，但是在一些特殊條件下，其可以轉化為爆轟波，見圖1[1]。

圖1 煤礦瓦斯事故圖

3 煤礦瓦斯災害防治技術分析

3.1 礦井通風技術

在進行煤礦開采時，借助礦井通風技術可以實現對礦井瓦斯濃度的有效稀釋，但是目前我國大部分高瓦斯突出礦井都或多或少存在風流調節空難、通風系統復雜、風量不足、穩定性差與風流控制難度較大等問題，其會影響礦井的通風效果。要想使上述問題得到有效解決，則需要適當增加礦井的供風量和進回風巷道，選擇更大功率的通風設備，并對已有的通風網絡進行改善和優化，從而有效降低通風阻力。同時還需要提高通風系統的穩定性和可調控性，并對現有的采掘部署進行相應調整，并對通風設施進行完善，以更好地達到生產集約化管理的目的。在提升煤礦開采能力階段，會在一定程度上受限于瓦斯濃度，當加大通風量時，會使巷道中的氧氣濃度增加，從而加速煤炭的自燃，嚴重的時候還會誘發煤塵爆炸事故。

3.2 瓦斯抽放技術

1) 長鉆孔預裂控制爆破技術。其主要是通過對煤層的有效控制，來達到預裂爆破的目的。該技術可以使煤體產生裂隙，從而有效釋放其應力，提高煤層透氣性，降低煤體中的瓦斯濃度。在爆破過程中，為了在使煤層致裂的同時，而不對頂板造成破壞，則需要根據實際情況來選擇炸藥配方，制定一套科學、合理的爆炸流程。大量的研究和實踐發現，低威力炸藥一般具有爆炸峰值低、起爆速度慢、作用時間長等特點，其可以得到比較理想的致裂效果。

2) 水力擴孔技術。在進行煤礦開采過程中，孔徑越大，則會增加鉆孔煤壁暴露面積，從而獲得比較理想的瓦斯排放和應力釋放效果。在進行單大直徑鉆孔施工過程中，通常會面臨著排渣困難、垮孔嚴重、成孔長度短、鉆機負荷呈幾何倍數增加等問題，因此需要采取有效措施予以解決。水力擴孔技術借助鉆機打成小孔徑鉆孔，選擇既能夠自行旋轉，又可以噴出高壓水射流的高壓水射流器，實現對鉆孔周圍煤體的旋轉式切割。沿著鉆孔軸向進行鉆進，可以實現對鉆孔的徑向連續擴孔，并且隨著鉆孔直徑的不斷擴大，可以有效提高煤層暴露面積，并進一步增大煤層卸壓范圍，對于加大煤層瓦斯的排放具有非常理想的效果[2]。

3.3 微生物技術

金龍哲與王璐教授在對煤礦瓦斯災害防治研究的基礎上提出了微生物技術，通過對CH4氧化菌的氧化作用進行分析后來確保煤層所賦存的瓦斯氣體進行氧化，進而達到降低煤層瓦斯涌出量的目的，在一定程度上使瓦斯治理的管口逐漸向前移動，使煤礦瓦斯得到有效處理，最終使煤礦瓦斯災害得到有效的預防和控制。目前，微生物技術在煤礦瓦斯災害防治中的應用還處于理論研究階段，并未獲得實質性的進展，但是相信在不久的將來，微生物技術在煤礦瓦斯災害防治中將會發揮非常重要的作用。

3.4 氣體水合技術

在CH4小分子氣體分解過程中，氣體水合物具有高密度吸收與固定吸收熱量的特點，可以將表面活性劑添加至水中，以促使水合物的形成，并推動煤層中瓦斯朝著水合物的形態轉化。在煤礦開采過程中，處于水合狀態下的瓦斯能夠吸收大量的熱，在對煤層進行爆破的過程中，不會瞬間分解形成高壓瓦斯流，在一定程度上使瓦斯突出事故得到有效緩解。對非突出高瓦斯煤層，借助氣體水合技術可以使煤層中的瓦斯在開采的過程中均勻涌出，這樣既可以有效消除瓦斯集中所引發的瓦斯超限問題，而且還可以實現對瓦斯爆炸事故的有效控制，以保證煤礦開采工作有條不紊地進行，有效提高煤礦企業的經濟效益[3]。

4 結束語

對于煤礦企業而言，煤礦安全管理是煤礦開采過程中比較關鍵的一個環節，需要相關部門對其給予高度重視。尤其是瓦斯災害的防治需要嚴格按照要求執行，以確保煤炭產業的的健康、可持續發展，更好地造福于人類。雖然，近些年來我國對煤礦瓦斯災害的防治工作給予了高度的重視，并取得了非常理想的成績，但是在社會經濟發展過程中，需要對其產業結構進行優化和調整，對瓦斯災害治理工作給予重視，其主要從以下兩個方面著手。

1) 針對礦區生產條件的不同、煤層條件的差異，應對一些成功的瓦斯災害防治技術和經驗進行借鑒，并在基礎上研究出一套全新的瓦斯災害治理體系，并將傳感技術、自控技術、通信技術及計算機技術引入其中，這樣不僅可以有效解決煤礦安全管理過程中所遇到的技術不兼容問題，并促進相關部門的有效交流與溝通，以確保煤礦瓦斯災害得到有效的防治。

2) 在煤礦瓦斯災害防治過程中，也會遇到一些新的問題，此時要對其產生的原因進行深入的分析和研究，并根據我國煤礦生產的基本國情來制定有效的解決措施，以更好地確保煤礦瓦斯災害防治技術的發展。