防突策略在煤矿安全生产的应用

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1瓦斯运移规律

瓦斯在煤层中的运动包括扩散、渗流两种形式，在致密煤炭结构中的运动方式为扩散运动，符合Fick（菲克）扩散定律；进入煤层间后就以渗流方式运动，符合Darcy（达西）渗透定律。煤体中的瓦斯通常是以吸附和游离两种状态存在，在未开采的煤层中，外界的各项条件保持恒定，两种状态的分子处于动态的交换平衡，稳定地存在于煤层中，但在煤炭的深井开采过程中，采掘、钻孔等活动会使煤层的各项条件发生变化，会使原来的动态平衡遭到破坏，导致瓦斯发生泄漏、喷出，给煤矿安全生产带来严重的不利影响。瓦斯的流动过程分为解吸、扩散、流动3种，外界条件改变，压力下降，瓦斯从煤体的微裂缝隙表面解吸下来进入气体中，煤体的微裂缝隙扩张相互贯通，进一步形成通道，根据菲克定律，由于浓度差，瓦斯分子会利用这些通道扩散进入大的孔隙，在大的缝隙中，瓦斯以达西流的方式流动。

2煤矿局部抽采瓦斯防突机理

瓦斯突出的发展过程主要包括准备阶段、激发阶段、发展阶段和终止阶段，煤矿生产中防突技术的主要目标就是要减小地应力、瓦斯压力和瓦斯含量3种因素的作用。钻孔抽放技术在实际生产中的应用十分广泛，区域预抽煤层瓦斯增大了煤体本身的强度和透气系数，从而使煤体的应力降低，随着煤体应力降低，煤层瓦斯含量也会相应减少，瓦斯突出的现象因而可以得到防范。2.1煤体中瓦斯含量和压力降低。煤矿中的瓦斯以游离和吸附两种形式存在于煤层中，在抽放煤层瓦斯的初始阶段，游离态的瓦斯容易抽取，这一阶段抽采效果明显，瓦斯的含量和压力会明显下降。在对瓦斯抽采一段时间以后，钻孔所在区域周围游离态的瓦斯就会被大量抽走，但吸附态的瓦斯却不容易被抽取出，煤层中瓦斯含量的下降速度开始减小。在瓦斯含量和压力不断减小的过程中，煤体的强度会逐渐增强，煤体的各项物理性能由此可以得到改善。2.2提高煤层透气性。钻孔抽放煤层中的瓦斯气可以增大煤层透气性，原因主要有以下两点：一是由于煤层钻孔后会在钻孔周围形成局部卸压区，煤层地应力会有一定程度的下降，煤体内的缝隙逐渐发展变化，使煤层透气性增大；二是由于瓦斯总量不断减少，瓦斯压力下降，煤体内孔隙收缩，煤体的形状会发生收缩变形，煤层的透气性增强，这就使钻孔抽放瓦斯的整体范围得到扩大，所以抽放瓦斯的流量和抽放的总量也随之增大。

3煤矿安全生产瓦斯区域防突措施

区域防突策略的宗旨在于解决在煤层开采过程中存在的大面积的瓦斯突出危险，包括开采煤层的保护、钻孔预抽和煤层注水等一系列措施。由于煤层中的瓦斯压力和地应力对瓦斯突出的影响十分大，是瓦斯突出的根源所在，在瓦斯含量和压力达到一定数值后，煤层和周围的岩石会受到来自瓦斯的压力而发生崩塌危险，受力被抛出，这就给采掘过程和矿工的人身安全造成威胁。所以，在煤矿生产中，要通过减小煤层中瓦斯的压力和地应力的方式来防止瓦斯突出，达到安全生产的要求。比如，通过卸除部分在开采过程中煤层或采掘工作面前方的煤体应力，或将采掘工作面前方的煤体应力推移到深部煤体，使工作区域的各项指标达到正常。除此之外，还应该对煤层或采掘工作面前方的煤层进行抽放，使煤层瓦斯含量降低在安全范围内。从目前的应用情况来看，预抽煤层瓦斯是煤矿安全生产中的主要区域性防突措施，如前文所述，包括井下布孔抽放瓦斯、地面直接实施钻孔预抽煤层瓦斯两种方式。在具体的煤炭开采作业过程在，可单独使用一项技术，也可将两项技术共同运用到实际的生产实践中。3.1地面直接实施钻孔预抽煤层瓦斯。地面直接实施钻孔预抽煤层瓦斯，即在地面直接向开采煤层进行打孔抽放瓦斯，这一方式的起源比较早，在20世纪80年代末，我国已有矿区进行地面直接实施钻孔预抽煤层瓦斯的实验。近年来，我国相关领域的专家和学者对地面直接实施钻孔预抽煤层瓦斯的研究也越来越多，目前来看具有较好的应用效果。3.2井下布孔抽放煤层瓦斯。井下布孔抽放煤层瓦斯，主要的抽放方式有穿层钻孔与顺层钻孔两种。穿层钻孔具体是将钻场布置在底板岩石巷道或临近煤层巷道中，然后通过布置好的钻场向待抽放的所在煤层打钻。顺层钻孔则是从巷道向煤层打孔抽取瓦斯，在实际的煤矿生产中，可用于石门见煤处、煤巷和回采工作面等方面，具有较好的应用效果。鉴于煤矿井下地质结构的复杂性，不同的区域应采取不同的抽放方式。3.2.1井下穿层钻孔或顺层钻孔预抽区段煤层瓦斯。该方案是井下布孔抽放瓦斯方案中的第一选择，在目前的煤矿生产中应用十分广泛。该方案主要适合在煤巷掘进前或石门揭煤前使用，可以有效降低相关区段的煤层瓦斯含量和压力，且按该方案的经验记录，规律复合较好，生产使用价值较高。3.2.2穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯。该方案为井下布孔抽放瓦斯的第二方案，在应用选择上仅次于上述的第一方案。在实际的生产应用中，主要适合煤巷掘进前涉及的煤巷范围为条带煤层的瓦斯抽放，其对煤层的形状具有一定的特殊要求。相同之处是，该方案的原理同样是降低煤层中的瓦斯含量，进而降低煤层的瓦斯压力，防止瓦斯突出的现象产生。3.2.3顺层钻孔或穿层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯。该方案适合在回采工作面完成后的上下顺槽和切眼内布置钻场，向未开采的煤层进行打孔，排放瓦斯。该方案同样是井下预抽瓦斯的第二方案，在煤矿生产中的应用主要适合在采面回采前，对未开采的煤层进行瓦斯抽放，防突原理与前面提及方案相同，都是消除生产区段范围瓦斯突出的危险。3.2.4顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯。当实际的煤矿生产作业条件不符合穿层钻孔的各项指标时，该方案是保证正常的安全生产，防止工作面前方以及涉及范围内瓦斯突出事故发生的常见方案。该方案相较于前3种方案，使用条件比较特殊。该方案主要使用在煤矿生产的采掘前，对未开采的煤层和工作面前方条带范围进行瓦斯抽放，使煤层的瓦斯含量和压力下降，从而防止瓦斯突出现象的发生，保证煤矿安全生产。

4结语

虽然当前我国煤矿企业正面临着供给侧结构性改革所带来的去产能、去库存等压力，但煤炭作为支持我国经济发展的主要能源在未来仍然会有巨大的需求量，因此研究煤矿区域性瓦斯防突策略有其现实意义。

参考文献：

［1］李希建，林柏泉.煤与瓦斯突出机理研究现状及分析［J］.煤田地质与勘探，2010（1）：7-13.

作者:王新坤 单位:中国平煤神马集团平煤股份十三矿