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科学家回信|王凯：采前预抽可降低煤矿瓦斯灾害风险
原文地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2024/3/518897.shtm
编者按：2023年5月起，“学习强国”学习平台与中国科学报社联合发起“科学家回信”活动，邀请广大读者向自己心中向往尊敬的科学家、科技工作者提问、留言。活动启动后，“学习强国”“科学网App”收到了读者的踊跃留言。我们精选了读者李昆的提问，请中国矿业大学（北京）研究生院常务副院长王凯发出第四十六期回信。
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读者李昆：我在煤矿做瓦斯抽放工作，请问有什么办法能只抽瓦斯不抽空气?有什么办法能让瓦斯与空气彻底分离?
王凯：煤矿瓦斯抽放，又称煤矿瓦斯抽采。广义上的瓦斯，是指煤矿井下以甲烷为主的有毒、有害气体的总称；狭义上的瓦斯，单独指甲烷，它是在煤的生成和煤的变质过程中伴生的气体。在成煤过程中生成的瓦斯，是远古植物在堆积成煤的初期，纤维素和有机质经厌氧菌的作用分解而成。另外，在高温、高压的环境中，在成煤的同时，由于物理和化学作用，会继续生成瓦斯。
瓦斯在煤层或围岩中是以游离态和吸附态存在的，其中吸附态瓦斯约占80%～90%。在煤层进行采掘作业时，瓦斯会从煤层或围岩涌出至采掘空间并与矿内空气相混合。在一定条件下，采掘扰动作用会使煤层或围岩内的破碎煤、岩和瓦斯突然向采掘空间大量喷出，具有极大的破坏性，称为煤与瓦斯突出。
瓦斯本身无毒性，但不能供人呼吸，当矿内空气中瓦斯浓度超过50%时，能使人因缺氧而窒息死亡。瓦斯具有可燃性，当瓦斯浓度达到5%～16%之间时遇明火可发生爆炸。煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等瓦斯灾害是煤矿最主要的灾害之一。另外，瓦斯本身是一种绿色清洁能源，如果被直接排放到大气中，其导致的温室效应是CO2的20余倍。因此，加强瓦斯抽采与综合利用，对保障煤矿安全生产、增加清洁能源供应、减少温室效应具有重要意义。
根据瓦斯抽采和煤层开采的先后顺序，可以将瓦斯抽采分为采前预抽、边采边抽、采后抽采等三类。在采前预抽时，由于煤层未受到采掘扰动，瓦斯仍然主要以吸附态赋存于煤层中，因此瓦斯抽采浓度较高、流量较大。比如，通过地面钻井进行采前预抽，瓦斯抽采浓度可接近100%；通过井下穿层钻孔或顺层钻孔进行采前预抽，最高瓦斯抽采浓度可达80%以上，如果加强钻孔封孔效果并封堵孔周煤岩体裂隙，可进一步提高穿层或顺层钻孔的瓦斯抽采浓度。在边采边抽或采后抽采时，由于瓦斯已经从煤层中涌出到采掘空间中并与空气相混合，因此不管是采用地面钻井、井下钻孔还是采用相邻巷道、密闭插管，此时都难以做到只抽瓦斯不抽空气，且抽采的瓦斯浓度相对较低。
不同的瓦斯抽采方法会抽出不同浓度的瓦斯，进而影响到瓦斯利用方式。目前主要的瓦斯利用方式包括：①甲烷浓度为80%以上的瓦斯，称为煤层气，通常采用高压输送，送入天然气管网作为工业燃料、化工原料，为方便远距离输送，也可直接液化罐装送至用户。②甲烷浓度为30%～80%的瓦斯，称为高浓度瓦斯，通常采用中压输送，利用方式主要是送入煤层气民用管网、作为内燃式发电机组发电和作为工业燃料。③甲烷浓度为1%～30%的瓦斯，称为低浓度瓦斯，通常是就地采用内燃式低浓度发电机组发电，也可浓缩提纯至30%以上进入煤层气民用管网，瓦斯浓缩提纯技术方法主要有变压吸附、深冷液化分离、膜分离、水合物法、溶剂吸收法等。④甲烷浓度低于1%的瓦斯，称为超低浓度瓦斯，通常采用蓄热氧化技术进行利用。
因此，单纯追求让瓦斯与空气彻底分离是不现实的，可在瓦斯抽采阶段尽可能采取手段提高抽采浓度，在瓦斯利用阶段需根据瓦斯浓度选择适用的瓦斯利用技术或采用浓缩提纯技术提高瓦斯浓度。
