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1、1 第八章矿井安全生产 矿井安全生产也称矿井灾害防治技术 它是人们在长期生产中不断总结经验教训 探索规律 研究对策 建立理论体系而逐渐形成的一门科学 主要研究矿井瓦斯 煤尘 水 火和顶板等自然灾害发生规律及预防措施 防止各种灾害事故的发生 创造良好的井下工作环境 2 第一节矿井瓦斯及防治 一 煤层瓦斯赋存与含量1 矿井瓦斯及其性质在矿井生产过程中 从煤层或岩层中涌出的各种有毒 有害气体统称为矿井瓦斯 其主要成分为甲烷 CH4 除甲烷外 还有乙烷 C2H6 丙烷 C3H8 二氧化碳 CO2 氮气 N2 及少量硫化氢 H2S 氢气 H2 和稀有气体等 由于矿井瓦斯的主要成分是甲烷 因此 从狭义上讲
2、 矿井瓦斯即指甲烷 甲烷又称沼气 它是一种无色 无味 无臭并在一定条件下可以燃烧和爆炸的气体 其对空气的相对密度为0 554 因此甲烷易在巷道的顶部 顶板冒落空洞处 由下向上施工的掘进工作面和其它较高空间的地方积聚 甲烷的渗透能力是空气的1 6倍 难溶于水 不助燃 达到一定浓度时 能使人因缺氧而窒息 并能发生燃烧和爆炸 3 第一节矿井瓦斯及防治 2 瓦斯的生成矿井瓦斯是在煤炭的生成和变质过程中伴生的气体 在成煤的过程中生成的瓦斯是古代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 高压环境的成煤时期 由于物理和化学作用 继续生成瓦斯 3 瓦斯在煤体或围岩中的存在状态瓦
3、斯在煤体或围岩中的存在状态可分为两类 即游离状态和吸附状态 游离状态也叫自由状态 这种状态的瓦斯以自由气体的形式存在于煤体或围岩的孔隙和裂隙之中 游离瓦斯量的大小与贮存空间的容积和瓦斯压力成正比 与瓦斯温度成反比 吸附状态又可分为吸着状态和吸收状态 吸着状态是在孔隙表面的固体分子引力作用下 瓦斯分子被紧密地吸附于孔隙表面上 形成很薄的吸附层 而吸收状态是瓦斯分子在较高的气体压力作用下 深入到煤的分子团内部 如同气体溶解于液体中的状态 4 第一节矿井瓦斯及防治 瓦斯在煤岩体中的存在状态不是固定不变的 游离状态和吸附状态的瓦斯处于不断变化的动平衡状态 在一定条件下会相互转化 当压力降低或温度升高时
4、 部分游离状态瓦斯转变为吸附状态 这种现象成为吸附现象 同时又会有部分吸附状态瓦斯转变为游离状态 这种现象成为解吸现象 4 瓦斯含量瓦斯含量是指在自然条件下单位体积或单位重量的煤体或围岩中所含有的瓦斯量 通常以m3 m3或m3 t表示 它是游离瓦斯和吸附瓦斯的总和 二 瓦斯涌出1 瓦斯涌出形式瓦斯涌出是指由受采动影响的煤层 岩层 以及由采落的煤 矸石向井下空间放出瓦斯的现象 根据瓦斯涌出特性的不同 可分为普通涌出和特殊涌出两种形式 5 1 普通涌出瓦斯从煤层或岩层表面非常细微的裂隙中缓慢 均匀而持久地涌出 这种涌出的范围广 时间长 涌出量所占比重最大 是矿井瓦斯涌出的主要形式 2 特殊涌出特殊
5、涌出形式包括瓦斯喷出和煤 岩 与瓦斯突出 瓦斯喷出是指在开采过程中 从煤体或岩体裂隙 孔洞或炮眼中异常大量涌出瓦斯的现象 瓦斯喷出一般持续时间较短 煤 岩 与瓦斯突出是指采掘生产过程中 在地应力和瓦斯的共同作用下 破碎的煤 岩和瓦斯由煤体或岩体内突然向采掘空间抛出的异常的动力现象 煤 岩 与瓦斯突出持续时间极短 一般为数秒或数十秒 第一节矿井瓦斯及防治 6 2 矿井瓦斯涌出量矿井瓦斯涌出量是指煤层在开采过程中 单位时间内从煤层本身 围岩和邻近煤层涌出的瓦斯数量的总和 它仅指普通涌出 不包括特殊涌出的瓦斯量 瓦斯涌出量可分为绝对涌出量和相对涌出量两种 矿井绝对瓦斯涌出量是指矿井在单位时间内涌出的
6、瓦斯量 单位为m3 d或m3 min 矿井相对瓦斯涌出量是指矿井在正常生产情况下 平均日产1t煤所涌出的瓦斯量 单位为m3 t 3 影响瓦斯涌出量的因素影响瓦斯涌出量的主要因素 见表8 1 表8 1影响瓦斯涌出量的主要因素 第一节矿井瓦斯及防治 7 4 矿井瓦斯等级矿井瓦斯等级是根据矿井相对瓦斯涌出量 矿井绝对瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式划分为 1 低瓦斯矿井 矿井相对瓦斯涌出量小于或等于10m3 t 且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于40m3 min 2 高瓦斯矿井 矿井相对瓦斯涌出量大于10m3 t或矿井绝对瓦斯涌出量大于40m3 min 3 煤 岩 与瓦斯突出矿井 煤矿安全规程 规定 矿井在开采
7、过程中 只要发生过1次煤 岩 与瓦斯突出 该矿井即定为突出矿井 发生突出的煤层即为突出煤层 三 瓦斯爆炸及其防治1 瓦斯爆炸条件及其危害瓦斯爆炸必须同时具备3个条件 即适宜的瓦斯浓度 高温火源和足够的氧气 三者缺一不可 第一节矿井瓦斯及防治 8 1 瓦斯浓度瓦斯爆炸的界限为5 16 当瓦斯浓度低于5 时 遇火不爆炸 但能在火焰外围形成燃烧层 当瓦斯浓度为9 5 时 爆炸威力最大 当瓦斯浓度高于16 时 失去其爆炸性 但在空气中遇火燃烧 2 高温火源点燃瓦斯的最低温度一般为650 750 C 电火花 明火 赤热的金属表面 井下火灾 违章放炮引起的火焰 强烈撞击产生的火花等都可以达到或超过此温度
8、都可能引起瓦斯爆炸 3 足够的氧气即含瓦斯的混合气体中氧气浓度必须大于12 否则 混合气体就会失去爆炸性 在正常大气压和常温下 瓦斯爆炸浓度与氧浓度的关系如柯瓦德爆炸三角形所示 图8 1 图8 1柯瓦德爆炸三角形 第一节矿井瓦斯及防治 9 矿井一旦发生瓦斯爆炸 危害是十分严重的 主要表现在以下两个方面 一是产生高温 高压和冲击波 瓦斯爆炸时 井下瓦斯爆炸地点及其附近的瞬时温度可达1850 2650 C 爆炸后空气压力约为爆炸前的9倍 可达0 74MP以上 促使爆炸源附近的气体以极大的速度 每秒数百米以上 向外冲击 造成人员伤亡 巷道和机电设备严重破坏 当爆炸产生的高温 高压气流以高速向外冲击时
9、 若沿途遇有积存的瓦斯或扬起的煤尘 就可能导致二次爆炸 有时瓦斯爆炸后 因火源仍存在 如爆炸引起火灾等 当瓦斯重新积聚后 浓度达到爆炸界限时又会引起爆炸 如此循环出现 称为连续爆炸 二是瓦斯爆炸后产生大量有毒有害气体 瓦斯爆炸后的气体成分为 O2占6 10 N2占82 88 CO2占4 8 CO占2 4 由上述数据可以看出 爆炸后空气中氧的含量大量减少 并产生大量一氧化碳 这将造成人员窒息及中毒 在瓦斯爆炸所造成的人员伤亡中 绝大部分是因一氧化碳中毒和缺氧窒息所致 第一节矿井瓦斯及防治 10 2 预防瓦斯爆炸的措施根据长期生产实践 预防瓦斯爆炸的技术措施主要有三个方面 一是防止瓦斯积聚 二是防
10、止瓦斯引燃 三是限制瓦斯爆炸范围扩大 1 防止瓦斯积聚所谓瓦斯积聚是指采掘工作面及井下其它地点局部瓦斯浓度达到2 体积超过0 5m3的现象 防止瓦斯积聚就是要把采掘工作面及井下其它地点的瓦斯浓度冲淡到或控制在 煤矿安全规程 规定的浓度以下 具体措施有 加强矿井通风保证井下各工作地点有足够的风量和适当的风速 以冲淡和排出瓦斯 粉尘及其它有毒有害气体 使瓦斯浓度降至爆炸极限以下 加强瓦斯检查认真执行 煤矿安全规程 规定的瓦斯检查制度 经常检查井下各地点的瓦斯浓度 建立瓦斯自动监测监控与报警系统等 第一节矿井瓦斯及防治 11 及时处理局部积聚的瓦斯生产过程中采煤工作面的上隅角 采煤机附近 巷道顶板冒
11、落空洞处等地点易于积聚瓦斯 及时处理这些地区局部积聚的瓦斯是预防瓦斯爆炸事故 保证安全生产的关键性工作之一 瓦斯抽放 瓦斯涌出量大或高瓦斯矿井 单纯采用通风方法将井下瓦斯浓度控制在安全浓度以下在经济上 技术上都不合理 或根本不可能 必须进行瓦斯抽放 瓦斯抽放是指将煤 岩层及采空区中的瓦斯 采用专用设施 钻孔或专门巷道 管路 瓦斯泵等 抽出的技术措施 根据抽出瓦斯来源的不同 抽放方法分为本煤层抽放 邻近层抽放和采空区抽放等 另外 把浓度高 数量大的瓦斯抽放出来做为燃料或化工原料 变害为利 既改善了矿井的安全状况 又提供了洁净能源和其它物资财富 第一节矿井瓦斯及防治 12 2 防止瓦斯引燃防止瓦斯
12、引燃的原则是杜绝一切非生产高温热源 而对生产中可能产生的高温热源 要加强管理和控制 防止或限制其引燃瓦斯的能力 引燃瓦斯的火源有明火 放炮 电火及摩擦火花4种 针对这4种火源 应采取下列预防措施 一是严禁携带烟草及引火物品入井 严禁在井下拆卸矿灯 井口房 通风机房和瓦斯抽放站周围20m内严禁使用明火 井下的火区必须严加管理 二是在有瓦斯和煤尘爆炸危险的矿井中 必须使用矿用安全炸药和矿用安全电雷管 三是井下使用的机电设备及供电网路都必须符合 煤矿安全规程 规定 防止机械摩擦火花和摩擦发热引燃瓦斯 第一节矿井瓦斯及防治 13 3 限制瓦斯爆炸范围扩大如果井下局部地区一旦发生瓦斯爆炸 应使其波及范围
13、尽可能缩小 避免引起全矿井的瓦斯爆炸 为此 应采取以下措施 一是实行分区通风 各水平 各采区和各工作面都应有独立的进 回风系统 二是通风系统力求简单 不用的巷道要及时封闭 三是装有通风机的井口 必须设置防爆门 以防止发生爆炸时通风机被毁 造成救灾和恢复生产的困难 矿井主要通风机必须装有反风设备 并能在10min内改变巷道中的风流方向 四是在连接矿井两翼 相邻采区 相邻煤层之间的巷道中 设置岩粉棚或水槽棚等 以防止瓦斯爆炸火焰的传播和煤尘参与爆炸 五是编制周密的预防和处理灾害计划 第一节矿井瓦斯及防治 14 四 瓦斯喷出和煤与瓦斯突出及其预防1 瓦斯喷出和煤与瓦斯突出的原因产生瓦斯喷出的原因是天
14、然的或因采掘工作形成的孔洞 裂隙内积存着大量高压游离瓦斯 当采掘工作接近或沟通这样的地区时 高压瓦斯就能沿裂隙突然喷出 煤与瓦斯突出发生的原因还没有形成统一的认识 多数人认为 瓦斯喷出和煤与瓦斯突出是地压 瓦斯 煤的力学性质综合作用的结果 2 瓦斯喷出和煤与瓦斯突出的预防措施 1 瓦斯喷出的预防措施预防处理瓦斯喷出的措施 应根据瓦斯喷出量的大小和瓦斯压力的高低来确定 一般采取探 探明地质构造和瓦斯情况 排 排放或抽放瓦斯 引 将瓦斯引至回风流 堵 堵塞裂隙 通 单独通风 加大供风量 等措施 第一节矿井瓦斯及防治 15 2 煤与瓦斯突出的预防措施 开采保护层开采具有煤与瓦斯突出危险的煤层群时 预
15、先开采无突出危险或危险性较小的煤层 使有突出危险的煤层卸压 大量泄出瓦斯 从而使其减弱或失去煤和瓦斯突出危险 这种预先开采的煤层称为保护层 被解除煤和瓦斯突出危险的煤层称为被保护层 预防突出的局部性措施局部性措施是指在具有突出危险性的煤层中采掘时所采用的影响范围较小的预防措施 主要有震动爆破 诱导突出和解除压力 水力冲孔 释放潜能 超前钻孔 排放瓦斯 图8 1开采保护层1 保护层2 被保护层3 巷道 第一节矿井瓦斯及防治 16 第二节矿尘及其防治 一 矿尘及其危害矿尘是矿井生产过程中产生的固体物质细微颗粒的总称 其中飞扬在空气中的叫浮尘 从空气中沉降下来的叫落尘 矿尘的两种存在状态是相对的 随
16、着外界气候条件的改变 浮尘和落尘之间是可以相互转化的 煤矿矿尘主要是煤尘和岩尘 其生成量以采 掘工作面最高 其次为运输过程中的各转载点 因为煤和岩石进一步破碎 也产生一定数量的矿尘 矿尘的危害主要表现在以下两个方面 1 对人体的危害如果人体肺部长期吸入大量的矿尘 轻者可引起上呼吸道的炎症 严重时可造成尘肺病 尘肺病是目前危害较大的一种矿工职业病 此外 皮肤上沾染矿尘 能阻塞毛孔 引起皮肤病或皮肤发炎 2 煤尘爆炸井下煤尘在一定条件下可以发生煤尘爆炸 造成人员伤亡和矿井设备严重破坏 酿成严重的矿井灾害 17 二 煤尘爆炸的条件煤尘爆炸是指悬浮在空气中的煤尘 在一定条件下遇高温热源而发生的剧烈氧化反应 并伴有高温和压力上升的现象 煤尘爆炸产生的必要条件是必须同时具备以下4个条件 一是煤尘本身具有爆炸性 这是煤尘爆炸的内因条件 二是有充足的氧气 煤尘爆炸就是煤尘的剧烈氧化现象 实验表明 空气中氧气的浓度小于17 时 煤尘就不会发生爆炸 三是悬浮在井下空气中的煤尘达到一定浓度 据测定 煤尘爆炸的下限浓度褐煤为45 55g m3 烟煤为110 335g m3 上限浓度一般为1500 2000g
