矿井瓦斯及其防治(王洪权)剖析

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1、矿井瓦斯及其防治 第一节 概 述 在煤矿里，瓦斯系指从煤岩中放出的气体的 统称，主要成分是以甲烷为主的烃类气体。 甲烷是无色、无味、无臭、可以燃烧和爆炸 的气体，空气中浓度高时会使空气中氧气浓度降 低，造成人员窒息。甲烷对空气的比重为0.554 ，甲烷的扩散速度是空气的1.344倍，能较快地 散布于巷道空间。甲烷的化学性质不活泼，微溶 于水(20，101.3kPa时，溶解度3.5L/100L水)。 在煤矿井下它容易积存在巷道顶板空洞或无风的 盲巷内。 第二节 矿井瓦斯的生成及赋存 2.1 矿井瓦斯的生成 煤矿井下的瓦斯来自煤层和煤系地层，它 主要是腐植型有机物质在成煤过程中生成的。 有机物质沉

2、积以后，一般经历两个不同的造气 时期，从植物遗体到形成泥炭，属于生物化学 造气时期；从泥炭、褐煤直到无烟煤属于煤化 变质作用造气时期。 2.1.1 生物化学作用时期瓦斯的生成 古代植物的遗体掉落在泥土上，逐渐沉积 ，形成泥炭。在沼泽、三角洲等环境下，泥炭 阶段的腐植体，处于不超过50的温度条件下 ，经厌氧微生物作用，发酵分解成一些甲烷和 二氧化碳。 2.1.2 煤化变质作用时期瓦斯的生成 泥炭、褐煤层进一步沉降，压力与温度 的影响随之加剧，煤化变质作用增强。一般 认为温度在50220和相应的压力下煤层 处于烟煤无烟煤的热力变质造气时期。在 这一时期，煤的变质程度越高，其生成的甲 烷量也就越多。

3、 苏联B.A.乌斯别斯基根 据地球化学与煤化作用过程 反应物与生成物平衡原理， 计算出各煤化阶段的煤生成 的甲烷量。泥炭向褐煤过渡 时生成的甲烷大约为68m3/t ，并很容易流失掉，从泥炭 到无烟煤每吨煤在变质过程 中大约生成419m3的甲烷。 2.2 煤层瓦斯的赋存 煤层经过漫长地质年代煤化过程生成的瓦 斯，在其压力与浓度差的驱动下进行运移，其 中大部分脱离产气煤层排放到古大气中；在运 移途中遇到良好的封闭和贮存条件时，会聚集 起来形成天然气藏。留存在现今煤层中的瓦斯 ，仅是其中的一小部分(占324%)。煤层保存 瓦斯量的多少，主要取决于封闭条件：如煤层 埋藏深度、煤层及围岩的透气性、地质构

4、造等 ；与贮存条件：如煤的吸附性能、孔隙率、含 水程度、温度与压力等。 2.3 矿井瓦斯等级 我国是按照平均日产一吨煤涌出的瓦斯量和瓦斯 涌出形式，将瓦斯矿井划分为低瓦斯矿井、高瓦斯矿井 和煤与瓦斯突出矿井。 在一个矿井中，只要有一个煤（岩）层发现过一次 瓦斯，该矿井即定为瓦斯矿井，并依照瓦斯矿井进行管 理。矿井在采掘过程中，只要发生过一次煤(岩)与瓦斯 突出，该矿井即定为煤(岩)与瓦斯突出矿井。 各矿务局每年必须组织进行矿井瓦斯等级和二氧化 碳的鉴定工作。新矿井设计前，地质勘探部门应提供各 煤层的瓦斯含量资料，矿井瓦斯等级在设计任务书中确 定。 第三节 矿井瓦斯爆炸及其预防 瓦斯涌入矿井巷道

5、后产生的一个最大的危害就是发 生爆炸，不仅能造成人员伤亡，而且会严重摧毁井下设 施，中断生产。有时还会引起煤尘爆炸和井下火灾，使 生产难以在短期内恢复。例如，1942年日本霸占我国东 北时期，在本溪煤矿由电气火花引起的瓦斯爆炸和煤尘 爆炸，共有1549人死亡。又如，日本夕张煤矿，1981年 10月16日煤和瓦斯突出，突出煤约4000m3，瓦斯60万m3 。10小时后，发生瓦斯爆炸，接着又引起井下火灾，造 成93人死亡，矿井被迫关闭。因此，研究与掌握瓦斯爆 炸的防治技术，对煤矿的安全生产具有重要意义。 3.1 瓦斯爆炸的化学反应式 瓦斯爆炸是甲烷和空气组成的爆炸性混合气体在 火源诱发下发生的一种

6、迅猛的氧化反应： 混合气体中的氧与甲烷都全部燃尽时，一个体积的 甲烷要同二个体积的氧气化合，也就是要同 2+7.52=9.52个体积的空气化合。这时甲烷在混合气体 中的浓度为1/(1+9.52)1009.5；这是理论上爆炸 最猛烈的浓度。1摩尔的甲烷爆炸后将产生882.6kj的热 量。lkg甲烷相当于4kg的梯恩梯炸药。 3.2 引燃甲烷空气混合物的感应期 烃类氧化有感应期。从接触引火源起到烃类 空气混合物转为快速燃烧爆炸的时间间隔称 为感应期。随着引火源温度的升高和甲烷浓度的 下降，烃类的感应期将缩短。 在甲烷同系物(甲烷、乙烷、丙烷等)与空气混合的 爆炸性气体中，以甲烷的感应期最长，其它气

7、体则较短 。 矿用安全炸药正是利用了烷空混合气体存在感应 期的特性。在感应期间内，保证安全炸药爆破时的高温 产物能迅速冷却，不致于使烷空混合气体达到引火爆 炸的温度。其原理是，在矿用安全炸药中加入了一定数 量的消焰剂。消焰剂有两个作用：一是它的热容量较大 ，可以吸收一部分爆热从而降低爆温、减少火焰存在的 时间；二是它对甲烷的氧化燃烧反应起负催化作用，破 坏甲烷氧化燃烧链锁反应的活化中心，阻止烷空混合 气体的爆炸。在消焰剂的这两个作用中，负催化作用是 主要的。 3.3 链式反应理论 化学反应式仅表示一系列复杂化学反应的最终 结果，链式反应理论却能够对甲烷爆炸的实际反应过 程与机理作出解释。链式反

8、应理论认为甲烷爆炸是反 应物分子首先离解成一些自由基(链起始)，自由基具 有很大的化学活性，能成为反应连续进行的活化中心 ，经过一系列链锁反应步骤后完成整个反应。如果在 连锁反应过程中链分支反应增多，自由基数目成倍增 长，反应链的数目增加，反应速度将迅速增加，短时 间内将释放出大量的能量，将使反应加速到爆炸速度 。 加热法与光化法都可以使链起始，后者是指短波 光线的照射引起分子离解。在矿井内，高温热源与火 源加热是常见的起链方法。为了起链需要消耗一定的 活化能。 在甲烷气体爆炸的过程中，产生的自由基有CH3 、H、CH2O、OH、O 等，在甲烷爆炸的过程它 们都是转瞬即熄的中间产物，这些中间产

9、物增多或减 少影响着爆炸过程的发展。如在含甲烷的空气中加入 惰性的、吸热降温的物质，或能够同自由基结合形成 分子的物质，就能起到链终止的效果，使含甲烷气体 不爆炸或爆炸威力降低。如在含甲烷的空气中加入 4.2%的一溴三氟甲烷CF3Br 就能防止甲烷爆炸。 3.4 瓦斯爆炸的后果 瓦斯爆炸时会产生三个致命的后果：1) 火焰锋面 火焰锋面是瓦斯爆炸时沿巷道运动的化学反应带和燃 烧热的气体总称。其传播速度可在较大的范围内变化 ，从每秒数米到爆轰的传播速度2500m/s。火焰锋面好 象沿巷道运动的活塞一样，把含甲烷空气体收集起来 并点燃。这种活塞的长度从火焰锋面最慢传播时的几 十厘米到爆轰时的几十米。

10、火焰锋面通过时，可使人 的衣服被扯下，造成大面积皮肤的深度烧伤、呼吸器 官甚至食道和胃的粘膜烫伤；烧坏电气设备与电缆， 当电缆有电时可能引起二次性的电气火灾；引燃井巷 的可燃物，造成火灾。 2) 冲击波(激波) 在正向冲击波传播时，其波峰的压力 可从数十kPa到2MPa的范围内变化；当正向冲击波叠加 和反回时，可形成高达10MPa的压力。冲击波的传播速 度高于音速。如果爆炸减弱，则冲击波就转变为声波。 正向和反向冲击波通过时会引起人体的创伤，在大 多数情况下，这些创伤具有综合和多样的特征，如创伤 和烧伤综合，给急救造成困难，需要细心护理。冲击波 还会移动、翻倒和破坏电气设备、机械设备，甚至可能

11、 发生二次性着火，破坏支架、堵塞巷道，引起冒顶，破 坏通风设施与通风系统，这不仅会扩大灾情，而且会使 抢险救灾、救人困难化、复杂化。 3) 井巷大气成分的变化 矿井瓦斯爆炸后的分析表明： O2=610%，N2=8288%，CO2=84%，CO=42%。 瓦斯爆炸时矿井大气中氧浓度下降，产生有毒有害气体。 甲烷浓度愈靠近爆炸上限时，爆炸后的残余氧浓度就愈低 。在最佳的甲烷浓度时，可能发生完全燃烧的情况，这时 生成CO2与H2O最多。高浓度CO2(5%)的作用犹如有毒气 体，它溶于血液内能造成死亡性中毒，高浓度热水蒸气可 能造成内脏器官的烫伤。在甲烷爆炸上限浓度时以及有煤 尘参与爆炸时，还能释放出

12、大量的剧毒物CO；当浓度达 0.5时仅几分钟人员即有死亡危险。释放出来的可燃性 气体(CO，H2，CH4 )可以达到爆炸界限，发生二次爆炸 。1940年，抚顺龙凤矿的爆炸曾引起一昼夜连续43次的爆 炸。 火焰锋面(爆燃与爆炸)的传播范围较小， 一般为数十米到数百米，只在极少的情况下达 到几千米。冲击波(爆轰)的传播范围就大得多 ，一般为几千米，有时甚至波及到地面。爆炸 产物的波及范围与通风系统、通风风量以及爆 炸时对通风系统破坏情况等有关，爆炸产物的 运动，在冲击波消失和火焰锋面停止后继续随 风流进行，因此甲烷和煤尘爆炸的最大危险性 在于矿井大气成分的改变，它在大多数情况下 造成严重的后果。瓦

13、斯爆炸后，70%的伤亡是 由爆炸产物造成的。 3.5 煤矿爆炸性气体的安全技术参数 为了有效的预防瓦斯爆炸，必须掌握爆 炸性气体的安全技术参数。 1. 爆炸极限 爆炸性气体与空气混合，只在某些浓度范 围之内才可能爆炸。可能产生爆炸的最低浓度 称为爆炸下限，最高浓度为上限。在压力为 101.3kPa，温度为20的条件下，甲烷的爆炸上 限是15%，下限是5%。在100以上时，随爆炸 地点温度增加，下限下降，上限上升，也就是 爆炸范围扩大。 如果降低混合气体中氧气浓度，甲烷爆炸范围缩 小，爆炸下限几乎保持不变，而爆炸上限下降较大； 当氧浓度降至极限值(即失爆氧浓度10左右)时，爆 炸上、下限重合在一

14、点(5CH4)。我们将BCE区域称 作爆炸三角形。它对封闭或启封火区以及在密闭区内 灭火时，判断火区有无瓦斯爆炸危险，以及采用惰气 灭火时判断瓦斯爆炸危险的变化趋势 具有指导意义。例如，封闭火区过程 中，由于切断了向火区的供风，火区 内的瓦斯浓度将逐渐增加，如果没有 惰气混入，那么甲烷浓度与氧浓度所 决定的座标点落入BCE区内时，遇火 便会发生瓦斯爆炸。 当甲烷和空气的混合气体中混有乙烷、丙烷 等烃类可燃物或一氧化碳时，可用理.查特里(Le Chatelier)法则计算混合气体的爆炸上、下限： 式中 N、N1、N2、N3 分别为混合气体和各组 分可燃气体的爆炸上限或下限，%； C1、C2、C3

15、 分别为各组分可燃气体占 可燃气体总和的体积百分比， C1+C2+C3+100 2. 最低点燃温度 取少量被测定气体试样放进爱伦迈尔烧瓶中 ，把烧瓶放在电炉上加热，改变瓶壁温度和气体 浓度，用一系列测定试验找出使气样直接发生燃 烧的瓶壁最低温度，这个温度称为该气体的自燃 温度 ，亦即最低点燃温度。 最低点燃温度是重要的安全技术参数之 一。它不仅可以决定在什么样的爆炸混合气 体内，使用什么型式的防爆电器设备，还可 以决定矿井里其它各种设备的允许温升。如 甲烷的最低点燃温度是595，在含有甲烷 的环境下，设备的表面温升必须远低于此 值。 3. 最大爆炸压力 最大爆炸压力是衡量物质特性的一种参数，可

16、以判 断它的爆炸危险性的大小。最大爆炸压力是指在一个5L 的密闭容器内，改变可燃气体的浓度，进行一系列爆炸 试验，测得爆炸压力的极大值。在大气压力为101.3kPa ，温度为20时，测得甲烷的最大爆炸压力为706kPa。 井下发生瓦斯爆炸，是在长度很大的巷道中进行的 ，可能会出现更高的压力。 爆炸压力是由于爆炸时产生的高温引起的。当甲烷 浓度为9.5时，在自由空间可测得1850或在密闭空间 达到21502650的瞬时高温，相应的爆炸压力为700 1000kPa。 4. 最小点燃能量 点燃爆炸性混合气体所需的最小能量是另一重要 参数。它是在空气中可燃性组分处于最易点燃浓度时 所需的最低点燃能量。它与引火源的种类有关。用电 火花点燃与用加热体点燃其数值是不同的。通过调节 放电电路中电容的大小以及电极间的距离和电极的形 状，在环境压力为101.3kPa和温度为20时，测得甲 烷的最小点燃能量为0.28mJ。 安全火花型电气设备通过限制电路的参数，