煤礦礦井工作中瓦斯防治技術及通風安全管理措施探究

石志芳

（山西省晉城晉普山煤業有限責任公司，山西 晉城 048000）

煤層中賦存的瓦斯受工程活動影響，會沿著煤巖裂隙涌入巷道。因此，瓦斯是地下煤炭開采過程中不可避免的干擾性因素。根據國內煤礦生產的實際情況，瓦斯、水害以及火災為煤礦重特大事故的主要成因。加強瓦斯防治技術研究是推動煤礦安全生產的必然路徑。

1 礦井概況

山西晉城晉普山煤礦位于晉城市澤州縣境內，主要產品為無煙煤，生產能力為130 萬t/a，井田面積達到27.39 km2，現有采區和采煤工作面均為3 個。開采方式為綜合機械化，礦井通風方法為抽出式。該礦屬于高瓦斯礦井，瓦斯壓力低于0.74 MPa，設計有地面永久瓦斯抽放泵站，瓦斯泵站內安裝2 臺2BEC-42 型水環式真空泵，工況狀態抽氣量146 m3/min，電機功率185 kW，1 臺運行，1 臺備用。井下建有移動抽放泵站，泵房內設兩臺抽放泵，型號為：2BEA-303 型水循環式真空泵，電機功率90 kW，工況狀態抽氣量62 m3/min，1 臺運行，1 臺備用。

2 煤礦礦井工作瓦斯綜合防治技術

2.1 掌握礦井瓦斯危害類型及特點

2.1.1 瓦斯噴出

賦存在煤層中的承壓瓦斯受開采活動或者地質因素的影響，從煤巖裂隙中快速大量噴出，這種現象稱為瓦斯噴出，屬于特殊的瓦斯涌出形式，具有突然性和集中性，其對巷道風流瓦斯含量控制具有較大的影響。瓦斯濃度的突然增加有可能導致人員窒息，增加了瓦斯爆炸的風險，因而預防瓦斯噴出成為安全管理的重點。

2.1.2 煤與瓦斯突出

采掘空間內突然噴出大量瓦斯和煤炭的現象稱為煤與瓦斯突出，此類現象的發生總是伴隨著內在的動力學因素，包括地應力、氣體壓力與地應力、液體與氣體壓力等，在突出過程中會涌出大量的瓦斯，同時拋出軟煤、巖塊，容易造成嚴重的安全生產事故[1]。

2.1.3 瓦斯普通涌出

瓦斯涌出分為普通涌出和特殊涌出，噴出和突出均屬于特殊涌出，特點為突發、量大。日常開采中的涌出形式主要為普通涌出，其特點為瓦斯涌出速度相對穩定，普通涌出的常規應對方式為礦井通風。

2.1.4 瓦斯爆炸

瓦斯的主要成分為甲烷和二氧化碳，次要成分為乙烷、丙烷、氫氣等。甲烷為易燃氣體，氧氣作為助燃劑，在點火源的作用下可引發爆炸，其化學反應方程式如（1）和式（2）。瓦斯爆炸的火焰鋒面、沖擊波以及對巷道氣體成分的改變都可能引發人員傷亡[2]。

2.2 測定礦井瓦斯涌出量

煤礦開采過程中，賦存在煤層中的游離瓦斯和吸附瓦斯通常會涌入掘進工作面及巷道，掌握礦井瓦斯涌出量是制定瓦斯防治策略的基本前提。在工程實踐中主要測定絕對瓦斯涌出量和相對瓦斯涌出量，前者表征單位時間內涌入巷道的瓦斯量，后者表示每開采一噸煤平均涌出的瓦斯量。煤礦絕對瓦斯涌出量受瓦斯賦存、煤層開采、環境溫度等多種因素的影響，其數值存在一定的波動性，因而需定期檢測[3]。煤礦單位可委托專業的瓦斯檢測企業測定以上兩項指標。表1為山西晉城晉普山煤礦2021 年和2022 年的瓦斯涌出量檢測結果。

表1 煤礦瓦斯涌出量檢測結果統計表

2.3 制定系統性的瓦斯防治技術措施

2.3.1 瓦斯噴出的防治措施

2.3.1.1 加強地質工作

瓦斯噴出與煤巖地質結構以及特定區域的瓦斯含量密切相關，由于構造差異，某些部位賦存的瓦斯量較大，并且具有一定的壓力。掘進開采活動導致原有結構破壞，壓力釋放造成瓦斯大量噴出。因此，在施工前應開展前期鉆探，掌握采掘區及巖巷的地質構造、瓦斯分布特點、瓦斯儲量，從而預先判斷開采空間內的潛在瓦斯噴出位置[4]。

2.3.1.2 合理設計通風措施

通風是煤礦礦井控制瓦斯濃度的主要措施，由于瓦斯噴出具有突然性，對通風系統的抽排能力形成了較大的考驗，日常風量有可能難以滿足需求。為此，在設計煤礦通風系統時應考慮到瓦斯噴出時的通風需求，預留足夠的通風能力。

2.3.1.3 綜合運用封堵、引排、抽放措施

在通風系統不能滿足瓦斯噴出排放需求的情況下，應綜合運用封堵、抽放等技術措施，提高控制能力。

1）噴出裂隙封堵。為防止瓦斯向巷道及工作面噴出，可使用工程材料封堵噴出裂隙，如水泥灌漿材料、膏體填充材料、聚氨酯泡沫噴涂材料等，封堵措施為進一步的瓦斯排放創造了有利的條件。

2）瓦斯引排。瓦斯噴出時本身存在一定的壓力，從而形成了擴散動力，瓦斯會從高壓區向低壓區移動。在裂隙封堵之后，可設置引排罩及管路，將噴出的瓦斯引排至地面或者回風巷。

3）瓦斯抽放。為了提高瓦斯控制的效果和效率，還可引入機械設備抽放瓦斯。該煤礦設計有專門的瓦斯泵站，以機械方式抽排瓦斯，快速降低瓦斯濃度。

2.3.1.4 監控瓦斯噴出的前兆

瓦斯噴出之前往往會形成特殊的預兆，為煤礦開采人員提供判斷依據。常見的現象為瓦斯濃度突然增加、煤層及巷道內發出嘶嘶聲、煤層變濕、煤層變軟等。在日常工作中應該加大對此類現象的監控力度。

2.3.2 煤與瓦斯突出的防治措施

2.3.2.1 區域性防突措施

區域性防突措施針對較大范圍的煤層瓦斯治理，其防治措施分為兩類，具體如下：

1）設置開采保護層。預先開采的煤層能夠預防未開采的煤層出現瓦斯突出，因而將其稱為開采保護層，其作用為減少地壓、緩慢釋放彈性潛能、形成裂隙孔道，從而將被保護層的瓦斯引流到保護層的采空區內，防止被保護層出現瓦斯突出。

2）預抽煤層瓦斯。該措施指開采之前預先抽放煤層中的瓦斯，降低瓦斯的含量和壓力，同時引起地應力下降、煤層收縮變形，提高煤層強度。釋放壓力能夠有效避免煤與瓦斯突出。

2.3.2.2 局部性防突措施

局部防突措施用于處理小范圍的煤與瓦斯突出，其技術措施較為豐富，包括松動爆破、鉆孔排放、水力沖孔、超前鉆孔、超前支架等。以松動爆破為例，在深部煤體上爆破出較深的炮孔，使煤體出現松動和破壞，此時高壓瓦斯會向深部移動，在工作面前方形成瓦斯排放區和卸壓區，達到預防突出的目的。

2.3.2.3 瓦斯爆炸的防治措施

瓦斯爆炸存在三個必要條件，分別為引火源、氧氣和足夠的瓦斯濃度。礦井內部需提供充足的空氣，以滿足作業人員的基本需求。因此，預防瓦斯爆炸的重點在于控制點火源和瓦斯濃度，瓦斯爆炸極限為5%～16%，應該通過礦井通風系統將瓦斯濃度降低至爆炸下限以內。在控制點火源方面，應重點管理煤礦機電設備以及煤礦作業人員。選用具備防火、防爆特性的本質安全型機電設備，避免其產生電火花或者電弧。在人員管理方面，應加強作業人員的防火意識。

3 煤礦礦井通風安全管理

山西省晉城晉普山煤礦的瓦斯防治以普通涌出為主，按照分源治理、先抽后采、長期與短期抽采相結合的原則進行治理，總體上采用“一礦一策、一面一策”的方法進行管理。礦井通風在瓦斯防治中承擔著重要的作用，其關鍵在于合理設計通風系統，以下結合該礦331 工作面，分析通風系統設計的要點。

3.1 瓦斯涌出量預測

根據該礦3#煤層的瓦斯基礎參數測定報告，331工作面的煤層瓦斯最大含量為4.88m3/t。預測工作面最大瓦斯涌出量為0.78m3/min。

3.2 通風系統設計

結合331 工作面的特點，將通風系統設計為“U”型，形成進風巷和回風巷，實現通路。主要設計內容為需風量和通風機械系統。

3.2.1 需風量計算

礦井風量需同時滿足多種條件，因而存在多種角度的計算方法，涵蓋了氣象條件、瓦斯涌出量、二氧化碳涌出量、作業人數、風速等影響因素。表2 統計了331 工作面按照不同條件計算的需風量。表中所有參數均為需風量的制約條件，將需風量記為Q，那么需滿足Q≥675 m3/min、240 m3/min≤Q≤3 249 m3/min，同時在1 066、85、35、260m3/min 四個確定指標中取最大值。因此，最終將331 工作面的需風量確定為1 066 m3/min。

表2 331 工作面需風量計算

3.2.2 風速和溫度

通風系統通過風機控制風速，并且風速應該與采煤工作面的溫度相適應，溫度較高時瓦斯涌出速度會提高，因而對風速的要求也會提升。結合該礦的實際情況，建立溫度與風速之間的對應關系，如表3 所示。

表3 采煤工作面溫度與風速對應關系表

3.2.3 風機系統

風機的功率、數量、安全性以及防火防爆性能是設計重點，該礦采用FBCDZ No26 型礦用風機，單臺功率為280 kW,具備良好的密封防爆性能，根據需風量和風速確定通風系統的風機數量，該礦配備了4 臺風機。

4 結語

煤礦瓦斯涌出和瓦斯爆炸是常見的事故成因，其中瓦斯涌出又分為普通涌出、突出、噴出三種形式。瓦斯普通涌出的主要防治措施為通風，將其濃度控制在較低的范圍。瓦斯噴出的防治措施為加強前期地質鉆探、預先抽放、封堵噴出裂隙。瓦斯突出的防治措施分為區域性防突和局部性防突。在通風系統設計中需掌握需風量，在其基礎上合理配置風機功率和數量。