均壓技術在煤礦采空區瓦斯治理中的應用

近年來，隨著工作面的不斷擴大，采空區區域的面積不斷增加，磚瓦開采占井的比例每天增加，部分井達到40%60%。這種狀態對礦山的安全生產和通風有重大的威脅，不容忽視。采空區積聚的大量瓦斯,往往被漏風帶入采煤工作面或生產巷道,影響正常生產。有時由于大氣壓力或通風系統變化的影響,當工作面與采空區之間的壓力平衡被破壞,采空區的瓦斯會大量涌入工作面,威脅安全生產,甚至釀成重大事故。因此,為了減少礦井瓦斯涌出,降低工作面回風巷風流中的瓦斯濃度,提高礦井生產的安全性,必須采取有針對性的防治對策和措施。瓦斯抽放是治理采空區瓦斯涌出的主要技術手段之一。目前,采空區瓦斯抽放主要的方法有:引導抽放法、頂板巷道抽放、高位鉆孔抽放、向冒落拱上部打鉆抽放采空區瓦斯、尾巷抽放采空區瓦斯、密閉插管抽放等。而最常采用的技術就是均壓密閉法。同時,采空區瓦斯抽放也有著重要意義,主要表現為:①抽放瓦斯可以降低采空區瓦斯涌出量的60%～70%,能有效地解決瓦斯濃度超限,提高礦井安全性,降低通風費用;②將礦井抽出的瓦斯進行綜合利用,為工業生產和人民生活服務,變害為利,創造良好的社會效益和經濟效益;③抽放原始煤體還可以防止煤與瓦斯突出,保證礦井安全生產,減少人員傷亡;④減少瓦斯對大氣的污染,有利于生態環境的保護。1在采空區分層抽壓法的應用1.1冒落帶瓦斯治理采空區的瓦斯來源主要由采空區上、下鄰近層采動影響的煤層中的瓦斯以及采空區內遺煤中的瓦斯涌出組成。即:Q=Q1+Q2+Q3式中:Q1為從留在采空區的煤中涌出的瓦斯量;Q2為從上鄰近層煤中涌出的瓦斯量;Q3為從下鄰近煤層中涌出的瓦斯量。采空區中的瓦斯涌出大小一般情況下取決于冒落帶的瓦斯涌出,隨著工作面的不斷推進,頂板垮落,冒落巖石不斷被壓實,瓦斯就在冒落巖石的間隙中按照其自身規律賦存,而采空區冒落帶瓦斯涌出實際上完全枯竭的時間則主要取決于煤的滲透性。由于采空區內風速很小,采空區內的浮煤析出的瓦斯不易被漏風流帶走,滯留在采空區內,從而造成瓦斯積聚。1.2均壓技術在采煤中的應用均壓技術始于20世紀50年代,是波蘭漢·貝斯特朗教授提出的。開始,主要用于加速封閉火區的熄滅,在熄滅了幾個長久不息的大火區,解除多個礦井威脅之后,受到人們的重視。均壓技術在一些采煤技術發達的國家競相采用,并多次獲得成功,在應用中創造出了多種多樣的均壓方法。目前在實際使用中均壓技術已越出了礦井防滅火的范圍,用于正確選擇通風系統,調整風流方向,改善氣候條件,并成功地用于控制瓦斯涌出和處理積存的瓦斯。1.3均壓密閉措施采空區瓦斯涌出量的大小對采區和工作面的瓦斯涌出有很大影響,因此,為了減少采區和工作面的瓦斯涌出,確保工作面的安全生產,需要對采空區瓦斯進行抽放。均壓密閉抽放采空區瓦斯是最常用、最簡單的方法。即首先將采空區或回采面的進、回風巷加以密閉,密閉墻厚1～3m,灌以沙漿、粉塵、泥漿等材料,以保證嚴密不漏風,然后將抽放管穿進回風巷的密閉墻,伸入采空區內進行抽放,伸入深度以10m以上為好,抽放時就對密閉內的氣體成分、濃度、抽放負壓等參數經常進行監測與控制,以防增大漏風引起采空區浮煤自燃。采空區內透氣性好,采空區瓦斯抽放的最大特點是低負壓高流量。因此,只要合理調節好采空區瓦斯抽放參數,則可取得較好的抽放效果。根據采空區瓦斯抽放的特點,影響采空區瓦斯抽放的參數有:采空區進回風巷的密閉程度、抽放負壓及采空區瓦斯抽放參數的監測和控制。在采空區進回風巷的密閉中,由于施工質量、礦山壓力等因素,密閉墻及周圍的煤巖層往往會產生漏氣,導致抽放瓦斯濃度降低,甚至會引起采空區遺煤的自燃,為解決密閉墻的密閉問題,可采用均壓密閉的措施,如圖1所示。這種布置的特點在于使均壓室內的氣壓與采空區內的氣壓保持大致相等,以免密閉外面的空氣漏入采空區。抽放時,由于抽放負壓的作用,采空區內的負壓往往低于密閉外面的氣壓,這就導致密閉外的空氣會通過副密閉墻及周圍裂隙進入均壓室,然后通過主密閉漏入采空區。采用的均壓方法就是將漏入均壓室的空氣及時排出,以降低均壓室的壓力,使均壓室與采空區內氣壓基本平衡,以使外面的空氣只能漏入均壓室,而不會進入采空區。由密閉漏風風流壓力公式Hr=p1-p2可知,欲使采空區漏風量減少,必須使壓差Hr減小,最直接最有效的措施是使采空區內的氣體壓力p1減小,但還得確保均壓室與采空區內氣壓基本平衡。因此,在進行采空區瓦斯抽放時,應注意調節抽放負壓。當抽放負壓在一定范圍內抽放時,可增加采空區內瓦斯抽放量,但若采空區抽放負壓過高時,不但抽放量增加不多,而且容易吸入空氣引起采空區內遺煤的自燃。為此在抽放采空區瓦斯時,應控制一定的抽放負壓。對于具體的抽放地點,采空區瓦斯抽放負壓多大適合,應根據實際抽放過程來調節。一般抽放負壓值范圍在6.7～9.3kPa。在鉆孔抽放期間,孔口負壓應逐漸減小,以保證新投入的鉆孔有必要的負壓。由于采空區瓦斯抽放一般抽放的瓦斯濃度較低。且屬于低負壓高流量的抽放,故而易增大采空區漏風而導致采空區內遺煤的自燃。為此,在有自燃發火危險的采空區抽放瓦斯時,必須控制抽放負壓,減少漏風,并經常檢查和掌握CO和氣體溫度的變化,抽放瓦斯濃度不低于20%。采空區瓦斯抽放中,一般是利用瓦斯濃度傳感器和兩個并聯瓦斯管路中的電磁閥來實現瓦斯濃度的監測。當抽放管路中的瓦斯濃度大于28%時,管路上的兩個電磁閥是打開的,為正常抽放狀態,瓦斯濃度降至24%時,關閉一個電磁閥,降低瓦斯抽放量,若瓦斯濃度降至21%時,另一個閥門也關閉,即停止瓦斯抽放。當采空區內瓦斯積聚濃度≥25%時,打開其中一個電磁閥恢復瓦斯抽放,當≥28%時,另一個也打開,采空區瓦斯抽放進入正常狀態。CO的控制也是采用電磁閥和傳感器。但無論是CO還是瓦斯的監控,其電磁閥的關閉值均要求可任意設定和調整。1.4采空區均壓措施的確定采取有效的均壓密閉抽放措施,必須詳細的分析系統,采集數據,以保證方案選取的準確性和有效性,具體可按照如下步驟進行:1)確定均壓方案前首先要分析通風系統,找出與采空區相關聯的巷道關系,繪制局部通風系統圖和網絡圖。2)根據已知的采空區進、回風地點,分析其進、回風側壓能關系,有條件的礦井可進行壓能測定,進行定量分析,為采取均壓措施提供可靠的技術參數。3)提出均壓方案,采取均壓措施。采取均壓措施時可采取一項措施,也可采取多項措施,但措施要簡便易行、可靠。1.5存在問題和注意事項1.5.1瓦斯下限的防治均壓密閉抽放采空區積聚瓦斯方法作為輔助抽放瓦斯措施,可以解決工作面部分瓦斯問題,對防治上隅角和回風流中的瓦斯超限有較大的作用。其存在問題主要是由于受冒落帶瓦斯涌出的影響,抽放量波動較大,因此,必須加強安全管理,經常檢查抽放瓦斯中的CO濃度,一旦發現采空區有煤自燃征兆,應立刻停止抽放,采取防止自燃的措施。1.5.2均壓措施的質量控制1)采取均壓措施要對系統進行詳細的分析,不能影響礦井通風系統的穩定性和其它地點需風要求,顧此失彼。2)均壓措施和采空區進回風側的堵漏措施要配合使用,以提高效果。3)采取均壓措施時能建筑固定設施的不建筑移動設施,能采用永久設施的不采用臨時設施,以保證均壓效果的穩定性。4)均壓措施是利用通風設施來實現采空區進出口兩側的動態壓力平衡,如果礦井通風系統改變或均壓設施遭到破壞則可能導致均壓措施失敗,因此必須對均壓效果進行監測,以便均壓失效時及時補救。5)采用調節風門均壓時要加強風門管理,嚴禁風門敝開不關,必要時建三道風門。6)采空區處在角聯風路中時,要注意均壓調整的限度,使進、出口兩端壓差盡可能接近于零,防止風流倒向造成進風口瓦斯超限。2均壓密閉技術采空區瓦斯抽放可以減少采空區瓦斯的涌出量,減少通風負擔,降低通風費用,解決通風難以解決的難題。因此,采空區瓦斯抽放可以在很大程度上減少瓦斯隱患和各類瓦斯事故,是保證煤礦安全生產的一項預防性措施。而均壓密閉技術在煤礦防滅火、煤礦瓦斯治理