专题-煤矿瓦斯治理研究现状.doc

1、专题部分煤矿瓦斯治理研究现状马骁(中国矿业大学, 徐州)引言煤炭在我国的能源结构中一直都占有比较大的比重，与之息息相关的煤矿生产安全问题也就显得非常重要。然而，近年来矿井事故，特别是瓦斯事故频繁发生，给国民经济带来了严重的影响，也威胁着井下工作人员的生命安全。据相关统计，我国2009 年的煤炭产量占当年世界总产量的37%，矿井事故死亡人数占世界的70%；我国2008年煤炭每百万t死亡率是南非的30倍，是美国的100倍。然而，与此相反的是，一名中国矿工年均产煤量为321 t，仅是南非矿工年均产量的8.1%，美国矿工的2.2%。这迫使我们不得不努力寻找一种既不用大幅度降低矿井产量又能最大可能的预防

2、和控制事故发生的手段和方法因此, 瓦斯事故严重威胁煤矿安全开采, 瓦斯治理已经成为制约我国煤矿健康发展的重大技术难题, 做好瓦斯治理工作是落实科学发展观, 建设和谐社会的重大政治任务。矿井瓦斯一直被认为是井工采煤时最大的安全隐患之一。目前世界各主要产煤国为了保证采煤作业的安全,治理矿井瓦斯技术措施主要有两条:第一是建立大型通风设施,强化通风,稀释瓦斯;第二是建立抽放设施,把瓦斯抽放到地面。这两种方法一直是世界各国治理瓦斯常规和传统的方法。但是随着采煤技术的日新月异,通风费用在矿井总费用中的比重逐渐增长,以及人类保护生态环境意识的增强,强化通风和疏导抽放已经不能满足日益提高的单产水平,向大气排放

3、瓦斯对环境的污染越来越引起人们足够的重视,从保护环境、保护人类的角度出发,也不允许无休止地向大气排放瓦斯。另外,煤层瓦斯作为一种不可再生的资源,在世界各国(特别是美国)已不再把它作为一种废气来处理,而是把它直接利用或者提纯富集加以利用,这种观念已被越来越多的采煤国家所接受。国外根据统计参数数学预测,认为在21世纪,煤层瓦斯将取代石油成为主要能源,世界将进入煤层气与天然气能源的经济时代。1 煤矿瓦斯治理概述1.1煤矿瓦斯概念煤矿瓦斯则是指的天然气。主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外，一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。植物在成煤

4、过程中生成的大量气体，又称煤层气。腐植型的有机质，被细菌分解，可生成瓦斯；其后随着沉积物埋藏深度增加，在漫长的地质年代中，由于煤层经受高温、高压的作用，进入煤的碳化变质阶段，煤中挥发分减少，固定碳增加，又生成大量瓦斯，保存在煤层或岩层的孔隙和裂隙内。中国煤矿术语中的瓦斯是从英语gas译音转化而来，往往单指CH4 (甲烷，也称沼气)。地下开采时，瓦斯由煤层或岩层内涌出，污染矿内空气。每吨煤、岩含有的瓦斯量称煤、岩的瓦斯含量，主要决定于煤的变质程度、煤层赋存条件、围岩性质、地质构造和水文地质等因素。一般情况下，同一煤层的瓦斯含量随深度而递增。1.2瓦斯出现形式瓦斯从煤、岩层涌出的形式有： 缓慢、均

5、匀、持久地从煤、岩暴露面和采落的煤炭中涌出，是矿内瓦斯的经常来源。 在压力状态下的瓦斯，大量、迅速地从裂隙中喷出，即瓦斯喷出。短时间内煤、岩与瓦斯一起突然由煤层或岩层内喷出，即煤、岩和瓦斯突出。单位时间涌出的瓦斯量称绝对涌出量 （m3/min）；平均日产一吨煤涌出的瓦斯量称相对涌出量(m3/t）。 根据中国煤矿安全规程的规定，按照CH4（瓦斯）相对涌出量和涌出形式将矿井分为三类： 相对涌出量等于或小于10m3/t为低瓦斯矿井； 大于10m3/t为高瓦斯矿井； 煤与沼气突出矿井。瓦斯涌出量大小决定于煤、岩层瓦斯含量和开采技术因素。瓦斯涌出量在同一矿井内随开采深度的增加、开采规模的扩大和机械化程度

6、的提高而增大。1981年中国主要煤矿中高沼气矿占29%；煤与沼气突出矿井占16%，大部分位于辽宁、四川、湖南和贵州等省。1.3爆炸瓦斯爆炸是一种热一链式反应（也叫链锁反应）。当爆炸混合物吸收一定能量（通常是引火源给予的热能）后，反应分子的链即行断裂，离解成两个或两个以上的游离基（也叫自由基）。这类游离基具有很大的化学活性，成为反应连续进行的活化中心。在适合的条件下，每一个游离基又可以进一步分解，再产生两个或两上以上的游离基。这样循环不已，游离基越来越多，化学反应速度也越来越快，最后就可以发展为燃烧或爆炸式的氧化反应。所以，瓦斯爆炸就其本质来说，是一定浓度的甲烷和空气中的氧气在一定温度作用下产生

7、的激烈氧化反应。 当其在空气中的浓度超过55%时，能使人很快窒息死亡，是煤矿生产中的主要危害因素。防止瓦斯集聚的基本方法是以足够的风量将瓦斯冲淡，排出地面。当瓦斯涌出量很大时，还须用专门措施控制瓦斯的涌出，最有效而广泛使用的方法是用管道将瓦斯抽到地面（见瓦斯抽放）。抽出的 CH4可做工业、民用燃料和化工原料。CH4燃烧热为85409500kcal/m3,1m3约相当于1.5kg烟煤瓦斯爆炸即为CH4燃烧,化学方程式为CH4+2O2 = CO2+2H2O 在煤矿里它从煤岩裂缝中喷出。矿井瓦斯爆炸是一种热一链式反应（也叫链锁反应）。当爆炸混合物吸收一定能量（通常是引火源给予的热能）后，反应分子的链

8、即行断裂，离解成两个或两个以上的游离基（也叫自由基）。这类游离基具有很大的化学活性，成为反应连续进行的活化中心。在适合的条件下，每一个游离基又可以进一步分解，再产生两个或两上以上的游离基。这样循环不已，游离基越来越多，化学反应速度也越来越快，最后就可以发展为燃烧或爆炸式的氧化反应。所以，瓦斯爆炸就其本质来说，是一定浓度的甲烷和空气中的氧气在一定温度作用下产生的激烈氧化反应。 瓦斯爆炸产生的高温高压，促使爆源附近的气体以极大的速度向外冲击，造成人员伤亡，破坏巷道和器材设施，扬起大量煤尘并使之参与爆炸，产生更大的破坏力。另外，爆炸后生成大量的有害气体，造成人员中毒死亡。1.4爆炸条件瓦斯爆炸的条件

9、是：一定浓度的瓦斯、高温火源的存在和充足的氧气。 瓦斯浓度 瓦斯爆炸有一定的浓度范围，把在空气中瓦斯遇火后能引起爆炸的浓度范围称为瓦斯爆炸界限，瓦斯爆炸界限为5%16% 当瓦斯浓度低于5%时，遇火不爆炸，但能在火焰外围形成燃烧层，当瓦斯浓度为95%时，其爆炸威力最大(氧和瓦斯完全反应)；瓦斯浓度在16%以上时，失去其爆炸性，但在空气中遇火仍会燃烧。 瓦斯爆炸界限并不是固定不变的，它还受温度、压力以及煤尘、其它可燃性气体、惰性气体的混入等因素的影响。 (2)引火温度 瓦斯的引火温度，即点燃瓦斯的最低温度。一般认为，瓦斯的引火温度为650750。但因受瓦斯的浓度、火源的性质及混合气体的压力等因素影

10、响而变化。当瓦斯含量在7%一8%时，最易引燃；当混合气体的压力增高时，引燃温度即降低；在引火温度相同时，火源面积越大、点火时间越长，越易引燃瓦斯。 高温火源的存在，是引起瓦斯爆炸的必要条件之一。井下抽烟、电气火花、违章放炮、煤炭自然、明火作业等都易引起瓦斯爆炸。所以，在有瓦斯的矿井中作业，必须严格遵照煤矿安全规程的有关规定。 (3)氧的浓度 实践证明，空气中的氧气浓度降低时，瓦斯爆炸界限随之缩小，当氧气浓度减少到12%以下时，瓦斯混合气体即失去爆炸性。这一性质对井下密闭的火区有很大影响，在密闭的火区内往往积存大量瓦斯，且有火源存在，但因氧的浓度低，并不会发生爆炸。如果有新鲜空气进入，氧气浓度达

11、到12%以上，就可能发生爆炸。因此，对火区应严加管理，在启封火区时更应格外慎重，必须在火熄灭后才能启封。 瓦斯爆炸产生的高温高压，促使爆源附近的气体以极大的速度向外冲击，造成人员伤亡，破坏巷道和器材设施，扬起大量煤尘并使之参与爆炸，产生更大的破坏力。另外，爆炸后生成大量的有害气体，造成人员中毒死亡。2 煤矿瓦斯治理技术的现状2.1煤矿瓦斯抽放技术自1952年抚顺龙凤矿建立抽放系统, 开始抽放瓦斯以来, 我国瓦斯抽放工作走过了半个多世纪, 瓦斯抽放技术的发展主要经历以下几个阶段。(1) 高透气性煤层抽放瓦斯阶段。20世纪50年代初期, 在抚顺高透气性特厚煤层中首次采用井下钻孔抽放瓦斯, 获得了成

12、功, 解决了抚顺矿区高瓦斯特厚煤层开采的关键技术问题。在煤层透气性远远小于抚顺煤田的其他矿区采用类似的方法抽放瓦斯时, 未能取得抚顺矿区的抽放效果。(2) 邻近层抽放瓦斯阶段。20 世纪50 年代末, 采用井下穿层钻孔抽放上邻近层瓦斯在阳泉矿区获得成功, 解决了煤层群开采首采煤层工作面瓦斯涌出量大的问题, 且认识到利用采动卸压作用对未开采的邻近煤层实施边采边抽, 可以有效地抽出瓦斯, 减少邻近层瓦斯向开采层工作面涌出, 该技术在具有邻近层抽放条件的矿区得到广泛应用, 取得了较好的抽放效果。(3) 低透气性煤层强化抽放瓦斯阶段。在低透气性高瓦斯和突出煤层, 采用常规钻孔抽放瓦斯技术效果不理想。为

13、此, 从20世纪70年代开始, 国内试验研究了煤层中高压注水、水力压裂、水力割缝、松动爆破、大直径钻孔多种强化抽放技术; 90年代又试验研究了网格式密集布孔、预裂控制爆破、交叉布孔等抽放新技术。网格式密集布孔在煤矿得到了应用, 但多数方法因工艺复杂、实用性差等问题, 在煤矿未能得到广泛应用。(4) 综合抽放瓦斯阶段。20 世纪80 年代开始, 随着机采、综采, 尤其是放顶煤采煤技术的应用, 采掘速度加快、开采强度增大, 工作面瓦斯涌出量大幅度增加。为了解决高产、高效工作面瓦斯涌出问题, 开始实施综合抽放瓦斯, 即在时间上,将预抽、边采边抽及采空区抽放相结合; 在空间上, 将开采层、邻近层和围岩

14、抽放相结合; 在工艺方式上, 将钻孔抽放与巷道抽放相结合、井下抽放与地面钻孔抽放相结合、常规抽放与强化抽放相结合。实施综合抽放瓦斯方法, 最大限度提高瓦斯抽放率。2.2煤与瓦斯突出防治技术随着1953年抚顺煤炭研究所的成立, 我国煤与瓦斯突出防治技术研究开始起步, 其技术发展大致分为以下几个阶段。(1) 安全防护措施阶段。20世纪50年代, 防突技术研究以安全防护措施为主, 目的是保证一旦煤与瓦斯突出发生时, 避免造成人身伤亡事故, 提出的主要防突措施有震动放炮, 即在施工人员远离工作面的条件下, 利用爆破作用, 使工作面前方煤体应力和瓦斯动力状况突然改变。目前, 震动放炮是石门揭煤主要安全防

15、护措施。(2) 防突措施阶段。20世纪60年代开始, 北票、中梁山等矿务局全面开展开采保护层的工业试验, 并取得了较好的防突效果。70 年代末, 全面开展局部防突措施研究, 试验提出了超前钻孔、松动爆破、煤层注水、水力冲孔、水力冲刷、金属骨架等多种防突措施, 目前超前钻孔和松动爆破措施是突出煤层开采应用最为广泛的局部防突措施。(3) 突出预测阶段。1979 年, 煤科院抚顺研究所与北票、白沙矿务局合作, 在我国首次提出用于掘进工作面突出预测的钻屑解吸指标法及解吸指标h2、钻屑量指标S; 1984年煤科院重庆研究所提出了钻屑解吸指标K1值。20世纪80年代, 国内从事瓦斯治理研究的科研院所都在从

16、事突出预测科研工作, 突出预测技术在国家“七五”重点科技攻关中得到完善。(4) “四位一体”综合防突阶段。从1988 年开始, 以防治煤与瓦斯突出细则(以下简称细则) 的颁布为标志。该阶段将突出预测和措施效果检验纳入到防突工作中来, 全面实施包括突出危险性预测、防突技术措施、措施效果检验和安全防护措施的“四位一体”综合防突技术, 突出次数由20世纪80年代的年突出千次, 降低到200300次/ a。2.3瓦斯综合治理现状我国瓦斯治理技术经过50多年的努力, 尤其是经过“六五”至“十五”期间国家重点科技攻关, 瓦斯防治技术取得了长足进步。在瓦斯抽放方面, 国家安全生产监督管理总局和国家煤矿安全监察局先后提出“先抽后采、以风定产、监测监控”瓦斯治理十二字方针和“多措并举、应抽尽抽、抽放平衡”三项基本准则, 国务院办公厅出台了