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1、课 程 教 案第一章 矿井瓦斯灾害防治矿井瓦斯是严重威胁煤矿安全生产的主要自然因素之一。本章在阐述瓦斯的赋存状况、涌出形式与瓦斯灾害形式等基本理论的基础上，着重介绍矿井瓦斯防治的有关措施。第一节 基本概念和理论概述一、 矿井瓦斯的定义及性质1矿井瓦斯的定义矿井瓦斯是指从煤层或岩层中放出或生产过程中产生并涌入到矿井内的各种气体。其基本成分是甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）和氮气（N2），还有少量的硫化氢（H2S）、一氧化碳（CO）、氢气（H2）、二氧化硫（SO2）及其它碳氢化合物气体。2矿井瓦斯的性质图1-1-l 顿巴斯煤田煤层瓦斯组分在各瓦斯带中的变化IN2-CO2；IIN2；IIIN2-C
2、H4；IVCH4瓦斯是无色、无味、无臭、无毒的气体。瓦斯在大气压力为101.325KPa，温度为0 的标准状态下，容重为0.716 kg/m3。瓦斯比空气轻，其比重为O.554 ，因此在煤矿井下常积聚在巷道顶部或上山迎头。瓦斯不助燃，但条件适宜时能发生燃烧和爆炸。二、 矿井瓦斯的成因和分带1 矿井瓦斯的成因煤层瓦斯是腐植型有机物（植物）在成煤过程中生成的,是与煤炭共生的气体产物。成气过程可分为两个阶段。第一阶段为生物化学成气时期，第二阶段为煤化变质作用时期。2 煤层瓦斯垂直分带根据井下煤层瓦斯组分和含量，将煤层瓦斯按赋存深度不同自上而下分为4 个带：N2CO2带、N2带、N2CH4 带和CH4
3、带（见图1-1-1）。图1-1-2 煤体中瓦斯的赋存状态示意图1-自由瓦斯 ；2-吸着瓦斯；3-吸收瓦斯瓦斯风化带的深度取决于煤层的地质条件和赋存状况，如围岩性质、煤层露头、断层、煤层倾角、地下水活动等。围岩透气性越大、煤层倾角越大、开放性断层越发育、地下水活动越剧烈，则瓦斯风化带下部边界就越深。有露头的煤层往往比无露头的隐伏煤层瓦斯风化带深。三、 煤层瓦斯的赋存状态1 瓦斯的赋存状态矿井瓦斯在煤、岩层中以两种状态存在，即自由状态和吸附状态，如图1-1-2所示。自由状态又称游离状态，是指瓦斯以自由气体状态存在于煤、岩层的裂隙或空洞之中。吸附状态分为两种形式，即吸着状态和吸收状态。吸着状态由气体
4、分子和固体分子之间的引力造成，瓦斯分子被吸着在煤体或岩体孔隙表面上，形成瓦斯薄膜。以吸着状态存在的瓦斯称吸着瓦斯。吸收状态的瓦斯被溶解于煤体或岩体之中，类似气体溶解于液体之中。以吸收状态存在的瓦斯称吸收瓦斯。2 影响煤层瓦斯含量的因素煤层瓦斯含量是指单位质量（或体积）煤在自然状态下所含有的瓦斯量（标准状态下的瓦斯体积），单位为m3/m3或m3/t。影响煤层瓦斯含量的因素有以下几个方面：（1）煤田地质史。（2）地质构造。（3）煤层的赋存条件。（4）煤层的围岩性质。（5）煤的变质程度。（6）岩浆活动。（7）水文地质条件。总之，影响煤层瓦斯含量的因素是多种多样的。在矿井瓦斯管理工作中，必须结合本井田
5、或本矿具体情况，做全面的调查和深入细致的分析研究，找出影响本煤田、本矿井瓦斯含量的主要因素，作为预测瓦斯含量和瓦斯涌出量的参考。3. 煤层瓦斯压力煤层瓦斯压力是指煤孔隙中所含游离瓦斯的气体压力，即气体作用于孔隙壁的压力。它是决定煤层瓦斯含量的一个主要因素，当煤吸附瓦斯的能力相同时，煤层瓦斯压力越高，煤中所含的瓦斯量也就越大。在煤与瓦斯突出的发生、发展过程中，瓦斯压力起着重大作用。四、 矿井瓦斯的涌出1矿井瓦斯涌出形式瓦斯从煤层或围岩中涌出的形式有两种：（1）普通涌出。随着采掘工作的不断进行，瓦斯从煤层或围岩中不断地向采掘空间涌出。其特点是：范围大、时间长、量均匀，速度缓。普通涌出是煤矿瓦斯涌出
6、的主要形式。（2）特殊涌出。包括瓦斯的喷出和煤与瓦斯突出。其特点是涌出地点为局部地点，涌出时间短、速度快、量大而集中、有机械破坏力。它是瓦斯矿井中极具危害的一种涌出形式。2矿井瓦斯涌出量矿井瓦斯涌出量是指在矿井生产过程中涌入巷道内的瓦斯量，可用绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量两个参数来表示。矿井绝对瓦斯涌出量（Q绝）是指矿井在单位时间内涌出瓦斯的体积，单位为m3min 或m3/d 。可用下式计算：Q绝=QC6024 （1-1-1）式中 Q矿井总回风道风量，m3/d； C回风流中的平均瓦斯浓度，%。 相对瓦斯涌出量（q相）是指在正常生产条件下开采1吨煤所涌出的瓦斯体积，其单位为m3/t。q相=（
7、Q绝n）/T （1-1-2）式中 Q绝矿井绝对瓦斯涌出量，m3/d； n矿井瓦斯鉴定月的工作天数，d/月； T矿井瓦斯鉴定月的产量，t/月。五、 瓦斯涌出的影响因素（1）煤层和围岩的瓦斯含量。（2）开采深度。（3）开采规模。（4）开采顺序与开采方法。（5）地面气压的变化。六、 矿井瓦斯等级煤矿安全规程规定：一个矿井中，只要有一个煤（岩）层中发现过瓦斯，该矿井即定为瓦斯矿井，并依照矿井瓦斯等级的工作制度进行管理，矿井瓦斯等级，按照平均日产一吨煤涌出瓦斯量和瓦斯涌出形式划分为：低瓦斯矿井：10 m3 及其以下；高瓦斯矿井：10 m3以上；煤与瓦斯突出矿井。矿井在采掘过程中，只要发生过一次煤与瓦斯突
8、出，该矿井即为突出矿井，发生突出的煤层定为突出煤层。第二节 瓦斯爆炸及突出的规律一、瓦斯爆炸（一）瓦斯爆炸的过程及其危害1 瓦斯爆炸的化学反应过程瓦斯爆炸是一定浓度的甲烷和空气中的氧气在高温热源的作用下发生激烈氧化反应的过程。最终的化学反应式为：CH42O2CO2+2H2O 如果煤矿井下O2不足，反应的最终式为：CH4+O2CO+H2+H2O2瓦斯爆炸的产生与传播过程爆炸性的混合气体与高温火源同时存在，就将发生瓦斯的初燃（初爆），初燃产生以一定速度移动的焰面，焰面后的爆炸产物具有很高的温度，由于热量集中而使爆源气体产生高温和高压并急剧膨胀而形成冲击波。如果巷道顶板附近或冒落孔内积存着瓦斯，或者
9、巷道中有沉落的煤尘，在冲击波的作用下，它们就能均匀分布，形成新的爆炸混合物，使爆炸过程得以继续下去。3瓦斯爆炸的危害矿内瓦斯爆炸的有害因素是：高温、冲击波和有害气体。瓦斯爆炸后生成大量有害气体，某些煤矿分析爆炸后的气体成分为O2 6%10% , N2 82 %88 % , CO2 4%8%，CO 2%4。如果有煤尘参与爆炸，CO 的生成量更大，往往成为人员大量伤亡的主要原因。图1-2-1 柯瓦德爆炸三角形（二）瓦斯爆炸的条件及影响因素1瓦斯爆炸的基本条件 瓦斯浓度在爆炸界限内，一般为516。 混合气体中的氧浓度不低于12。 有足够能量的点火源。2影响瓦斯爆炸发生的因素（1）其它可燃气体的影响。
10、（2）氧浓度和过量惰气的影响。（3）温度的影响。（4）气压的影响。（三）矿井瓦斯爆炸的致因 1瓦斯积聚瓦斯积聚是指体积超过0.5m3时的空间瓦斯浓度超过2的现象。局部地点的瓦斯积聚是造成瓦斯爆炸事故的根源，积聚原因主要有以下几个方面：（1）通风系统不合理、供风距离过长、采掘布置过于集中、工作面瓦斯涌出量过大而又没有采取抽放措施、通风路线不畅通等，都容易造成采煤工作面风量供给不足。（2）正常生产时期，煤矿井下的通风设施被随意改变其状态。（3）采掘工作面的串联通风，上工作面的污浊空气未经监测控制进入下工作面，导致与下工作面风流中的瓦斯叠加而超限。（4）局部通风机停止运转可能使掘进工作面很快达到瓦斯
11、爆炸的界限。（5）对封闭的区域或停工一段时间的工作面恢复通风，未制定专门的排放瓦斯措施。（6）气压发生变化或采空区发生大面积冒顶时。（7）当采掘工作面推进到地质构造异常区域时。（8）巷道冒落空洞由于通风不良容易形成瓦斯积聚。2瓦斯爆炸的点火源煤矿井下的明火、煤炭自燃、电弧、电火花、赤热的金属表面以及撞击和摩擦火花，都能点燃瓦斯。此外，采空区内岩石悬顶冒落时产生的碰撞火花，也能引起瓦斯的燃烧或爆炸。原苏联的研究认为，岩石脆性破裂时，它的裂隙内可以产生高压电场（达108V/cm ），电场内电荷流动，也能导致瓦斯燃烧。二、煤(岩)与瓦斯突出煤(岩)与瓦斯突出是煤矿井下发生的一种复杂的瓦斯动力现象，即
12、在很短时间内，大量的煤(岩)和瓦斯由煤（岩）体向采掘巷道空间喷出的现象。（一）煤(岩)与瓦斯突出分类按照突出物质的不同，突出可分为煤与甲烷突出、岩石与甲烷突出、砂岩和二氧化碳突出，以及煤、岩、二氧化碳和甲烷突出。按照突出动力源的不同，突出又可分为倾出、压出和突出。其中，倾出的主要动力是地应力，其基本能源是煤的重力位能，它经常发生在急斜松软煤层中；压出的主要动力是地应力，其基本能源是煤中所积聚的弹性能；突出的动力是地应力和瓦斯压力的合力，其基本能源是煤中积聚的瓦斯能。（二）煤(岩)与瓦斯突出的机理和条件1. 突出机理煤(岩)与瓦斯突出是一种力学现象，是地应力、瓦斯和煤(岩)的物理力学性质三个因素
13、综合作用的结果。地应力、瓦斯和煤(岩)强度是突出的主要自然因素，突出的发生与否取决于这三个因素的一定组合。对突出发生的区域条件来说，该区域的地应力越大，煤(岩)层瓦斯压力（含量）越高，煤(岩)越松软，则区域的突出危险性就越大。对采掘工作面来说，突出危险性除与上述三个因素各参数的原始值有关外，而且在很大程度上，还取决于近工作面区域各参数的变化，工作面前方应力和瓦斯压力梯度越大，煤(岩)越不均质，则工作面的突出危险性也就越大。2. 突出的条件突出发生必须同时满足以下3 个条件：（1）放炮落煤、石门突然揭开煤层、采掘工作面进入地质构造带、打钻、悬顶冒落等使工作面附近煤（岩）体应力状态突然改变，并导致
14、煤（岩）体局部的突然破坏，这是突出的诱发条件。（2）突出诱发后，煤（岩）的暴露面处于高地应力和高瓦斯压力区，使煤（岩）体能产生自发地连续破碎，这是突出的发展条件。（3）煤（岩）体和已破碎的煤（岩）能快速涌出瓦斯（包括游离瓦斯和吸附瓦斯），并形成能抛出已破碎煤（岩）的瓦斯流，这是突出发展的必要条件。（三）煤(岩)与瓦斯突出的一般规律和预兆1. 煤(岩)与瓦斯突出的一般规律（1）危险性随开采深度及煤层厚度增大而增大。（2）绝大多数发生在掘进工作面。（3）引起应力状态突然变化的区域。（4）主要诱导因素是采掘作业，其次为爆破、风镐、手镐作业。2. 突出预兆 声响预兆。煤体中发出闷雷声、爆竹声、机枪声、嗡嗡声，这些声响在我国许多突出矿井统称为“煤炮”。在个别突出发生前，也会出现渗水声和其它声响。 煤结构变化预兆。如煤层层理紊乱、煤变松软、煤变暗而无光泽、煤干燥和煤尘增多等。 地压方面的预兆。支架来压、掉渣、片帮、工作面煤壁外鼓、底鼓、煤眼变形装不进炸药等。 瓦斯方面的预兆。风流瓦斯浓度增大、瓦斯浓度忽大忽小、打钻时顶钻、钻孔喷煤喷瓦斯等。 其它预兆。在某些突出发生前，会出现煤壁和工作面温度降低，散发特殊气味等。第三节 瓦斯爆炸的防治与处理技术一、 防止瓦斯积聚的技术措施（一）按照煤矿安全规程的要求做好通风工作（1）矿井通风必须采用机械通风。（2）所有没有封闭的巷道、采掘工作面
