煤矿瓦斯的综合治理与利用研究.doc

煤矿瓦斯的综合治理与利用研究 魏小文1，2，姜新佩1，丁厚成2，李 文2 1．河北工程大学，河北邯郸056038；2．北京科技大学土木与环境工程学院 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083 摘要针对邯郸某矿的实际状况，提出综合治理瓦斯的新思路①通过相似实验、数值模拟计算、现场测试，搞清煤矿瓦斯的分布规律；②改变观念，将治理和利用同步考虑；③用生物技术治理瓦斯，使治理方法多元化。拓展了“综合”的内涵和外延，具有现实意义。 关键词瓦斯超限；相似试验；现场测试；数值计算；综合治理 中图分类号TD712十．6 文献标识码B 文章编号1004-4051200811-0105-03 Study on comprehensive control and utilization of coal mine gas WEI Xiao-wen1，2 , JIANG Xin-pei1 , DING Hou-cheng2 , LI Wen2 1. Hebei University of Engineering, Handan 056038, China; 2. State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines of Ministry of Education, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083,China AbstractAiming at the actual situation of a certain coal mine in Handan Hebei province, new ideas are put forward in comprehensive controlling gas ①the distribution rules of coal mine gas are understood through similarity experiment, numerical simulation calculation and field test. ②changing the conception, the control and utilization should be considered simultaneously. ③controlling gas with biological technology and divers s, developing the meaning and extension of “Comprehensive“, are of practical signifi-cance. Key wordsgas exceeding；similarity experiment；field test；numerical simulation calculation；com-prehensive control 矿井瓦斯无疑是煤矿自然灾害的根源之一，严重地威胁和制约着矿井的安全与生产。随着开采深度的增加，瓦斯涌出量越来越大，瓦斯问题成了日益突出的问题。为了实现高产高效安全地生产，必须对瓦斯进行治理。为了使治理做到有的放矢，必须先摸清瓦斯的浓度分布和运移规律。由于煤层的应力状态、瓦斯赋存状态、煤的物理力学性能等，都随时间和空间变化而变化，因而对不同部位、不同状态、不同浓度下的瓦斯，不应采取一种方法进行治理，而应该采取多种方法，进行综合治理。长期以来，我国煤炭生产矿井进行煤层气开发的主要目的是解决安全问题，开发的煤层气作为废气排入到大气中，既浪费了能源，也不利于环保。而与此同时，我国能源十分紧张，资源宝贵。因此，将矿井中的瓦斯进行综合治理和利用，变害为宝，为工业生产和人民生活服务，对人类具有重大的经济意义和社会意义。 1 煤矿瓦斯的浓度分布和运移规律 对煤矿瓦斯进行治理和利用，必须先搞清煤矿瓦斯的分布及运移规律。为此，先进行相似模拟试验和数值模拟计算，然后再进行现场测试，彼此相互验证，得出较为真实的煤矿瓦斯的浓度分布和运移规律。 1．1相似模拟实验 煤矿瓦斯具有复杂性和不可预见性，这给矿井瓦斯（如采空区）的浓度分布和运移规律的研究，增加了难度甚至没法进行。而实验室相似模拟实验，可以直观有效地呈现煤层采出后，采空区瓦斯的浓度分布和运移规律。相似准则要求具备以下几个条件①几何相似；②运动相似；③动力相似；④边界条件相似。 1．2数值模拟计算 计算机数值模拟计算，方便、快捷，同时可以进行多方案的比较，因而省财省力，而且能得出更多更可靠的研究结论。依据实验数据和现场所测的基本数据，用GAMBIT建立计算模型，采用FLUENT进行数值模拟，研究采空区沿工作面走向、倾向和竖向三个不同方向上的瓦斯速度、压力和浓度的分布规律。用FLAC软件进行数值模拟，充分考虑各因素的影响，对冒落带和裂隙带范围的确定进行研究，为采空区瓦斯抽放提供依据。 1．3现场测试 煤矿气体流动是一个复杂的过程，通过理论分析、相似模拟试验和数值模拟计算所得的结论，其是否正确还必须通过实践进行检验，为此可在煤矿进行现场测试。根据采空区的岩石冒落特点以及工作面巷道支护情况，布置测试管路时应注意如下几个问题 （1）综采工作面各支架间的间隙很小，无法从两支架间插入测管，所以测管只能沿回风巷埋入采空区。随着工作面不断向前推进，观测点逐渐进入采空区，通过测管抽取采空区的气样测定瓦斯浓度，考察距工作面不同距离的采空区瓦斯浓度及其变化规律。 （2）在同一条管路上，沿垂直面布置多个测点，以便测定出采空区内从底板到顶板之间的瓦斯浓度分布。 （3）由于采空区内受工作面通风和开采等因素的影响，沿走向方向各涌出源的涌出量不同，故在回风巷上帮多次布置观测管路，并对其测定的瓦斯浓度进行比较。 （4）为了使观测管路在采空区内不被砸坏，测管用钢管保护，测定管路系统由测管、保护管、抽气泵等组成。测管采用小胶管，各测点和测管均在外部钢管的保护下，从采空区引到回风巷与抽气泵连接，抽气泵抽取各个测点的气样，用瓦斯检定器测定瓦斯浓度。 2 瓦斯治理方法 瓦斯治理方法可分为物理技术、化学技术和生物技术。基于煤矿的地质条件复杂、井下的采掘空间狭小、职工的健康与安全、煤质等因素，煤矿瓦斯治理很少应用化学技术，主要采用物理技术和生物技术。 2．1物理技术 为了解决工作面多瓦斯涌出源、高瓦斯涌出量的问题，必须结合矿井的地质开采条件，实施综合抽放瓦斯，即把开采煤层瓦斯采前预抽、卸压邻近层瓦斯边采边抽及采空区瓦斯采后抽等多种方法，在一个采区内综合使用，在空间上及时间上为瓦斯抽放创造更多的有利条件。在工艺及方式方面，将钻孔抽放与巷道抽放相结合、井下抽放与地面钻孑L抽放相结合、常规抽放与强化抽瓦斯相结合、垂直短钻孔抽放与水平长钻孔抽瓦斯相结合的技术措施。具体方法主要有 ①顶板高位抽采巷道抽采；②顶板高位钻孔结合局部尾巷抽采；③回风巷辅助边孔抽采；④埋管、插管抽采；⑤顶、底板穿层钻孔抽采；⑥引巷抽放法等。 2．2生物技术 我国在治理煤矿瓦斯方面取得了一批科技成果，对治理煤矿瓦斯起到了很大的推进作用。但由于我国煤层地质构造比较复杂，煤层透气性比较差，煤矿瓦斯灾害仍然没有得到彻底的治理，重特大瓦斯事故仍然时有发生，目前治理煤矿瓦斯技术仍无法满足安全生产的要求。利用微生物降解煤层瓦斯，减少在煤层开采时的瓦斯涌出量，可以对其他治理瓦斯的措施起到辅助作用，有助于从根本上防治煤矿瓦斯灾害。煤矿瓦斯的主要成分为甲烷（CH4）气体，要防治瓦斯灾害就要从降低超标的瓦斯浓度人手。广泛存在于自然界中的甲烷氧化细菌（Methanotrophs）是以CH4为唯一碳源和能源生长的微生物。甲烷氧化菌分布范围广，很多极端环境（酸、碱、盐、高温、低温、寡营养）中都有甲烷氧化菌存在，它们能通过以CH。单加氧酶（Methane monooxygenase，MMO）开始的一个酶系，将CH4最终代谢成CO2和H2O，并在此过程中获得生长所需的能量。即先由MMO将CH。活化生成甲醇，甲醇进一步氧化为甲醛，甲醛再同化为细胞生物量或通过甲酸氧化为CO2。基于这样的思路，利用微生物降解采空区和煤层瓦斯，减少在煤层开采时的瓦斯涌出量，抑制煤矿瓦斯积聚，或者使高浓度瓦斯气体在短时间内下降到瓦斯爆炸下限以下，就能对其他治理瓦斯的措施起到辅助作用，从而达到提高煤矿安全性的目的。 3 改变观念，提高对瓦斯进行利用的认识 长期以来，我国煤炭生产矿井进行煤层气开发的主要目的是解决安全问题，开发的煤层气作为废气排入到大气中，既浪费了能源，也不利于环保。而与此同时，我国能源十分紧张，资源宝贵。因此，对矿井中的瓦斯必须重新认识，不能只是简单地为了解决安全问题，而对其进行抽放，然后排到大气中。而应该对瓦斯进行综合治理和利用，变害为宝，为工业生产和人民生活服务。应该通过全面分析和深入研究，搞清煤矿中瓦斯的分布规律，再从经济和可行性角度进行论证，确定可以被利用的瓦斯并对其进行抽放，对不适合被抽放利用的瓦斯，采取综合治理。 4结语 对煤矿瓦斯提出了新的综合治理与利用的概念 （1）分析方法的综合。用相似模拟试验、数值模拟计算、现场测试三种方法，确定瓦斯浓度分布规律，使所得结论更加真实可靠。 （2）治理方法的综合。采用物理技术和生物技术对瓦斯进行治理，发挥各自的特点，使治理合理化。 （3）综合的思维方式。在搞清煤矿瓦斯分布规律的基础上，从经济和可行性角度进行分析论证，确定可以被利用的瓦斯并对其进行抽放，对不适合被抽放利用的瓦斯，采取综合治理。 参考文献 [1] 梁栋．采空区瓦斯浓度分布规律的试验研究[J]．煤炭科学技术，1992，3． [2] 李宗翔．回采采区上隅角瓦斯抽放的参数模拟与参数确定[J]．矿业安全与环保，2002，1． [3] 赵青云，等．高瓦斯工作面的瓦斯抽放技术[J]．矿业安全与环保，2000，1． [4] 张铁岗．矿井瓦斯综合治理技术[M]．北京煤炭工业出版社，200l． [5] 撒占友．戊一21191综采工作面采空区及下隅角瓦斯分布规律研究[J]．煤矿安全，2000，10． [6] 邓明．高位钻场钻孔抽放采空区瓦斯数值模拟及分析[D]．安徽理工大学，2003，5．