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1、1附件 1：煤矿瓦斯和煤尘的监测与控制问题的背景资料煤矿安全生产是目前社会重点关注的热点问题之一，尤其是在能源紧张，对煤碳的需求量不断增加的情况下，煤矿的安全生产问题更是值得我们关注，这也是建设平安和谐社会的重要组成部分。据不完全统计，2005 年全国煤矿发生事故 405 起，死亡 2157 人。瓦斯事故死亡人数占全国煤矿事故总死亡人数的 36.0%。在 58 起一次死亡 10 人以上的特大事故中，瓦斯事故 40 起，占 69 %。一次死亡百人以上的事故 5 起。这些事故所造成的经济损失是重大的，给社会和伤亡人员的家庭所造成影响与损失是无法估量的。我们注意到，大部分事故的罪魁祸首都是瓦斯或煤尘
2、爆炸，瓦斯在煤矿的开采中是不可避免的。因此，矿井下的瓦斯和煤尘对煤矿的安全生产构成了重大威胁，做好煤矿井下瓦斯和煤尘的监测与控制是保证煤矿安全生产的关键所在。一瓦斯瓦斯(Gas) ，又名沼气，它的主要成份是甲烷，化学元素符号是 CH4，它是一种无毒、无色、无味可燃的气体。在煤矿里它通常是从煤岩裂缝中喷出，当矿井中的瓦斯达到一定的浓度，并在一定条件下就会发生爆炸。瓦斯爆炸产生的高温高压，促使爆源附近的气体以极大的速度向外冲击，即冲击波，造成人员伤亡，破坏巷道和器材设施，扬起大量煤尘并使之参与连环爆炸，产生更大的破坏力。另外，爆炸后生成大量的有害气体，造成人员中毒死亡。矿井的瓦斯爆炸本质上就是一定
3、浓度的甲烷和空气中的氧气在一定温度作用下产生的激烈氧化反应。瓦斯爆炸必须具备的三个条件是：一定浓度的甲烷、一定温度的引火源和足够的氧气。（1）瓦斯浓度：在新鲜空气中瓦斯爆炸界限一般为 5%16。当瓦斯浓度低于下限值 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，其爆炸威力最大(氧和瓦斯完全反应) ；当瓦斯浓度高于上限值 16时，失去其爆炸力，但在空气中遇火会燃烧。实际中瓦斯爆炸界限值并不是固定不变的，它还受温度、压力以及煤尘和其它可燃性气体、惰性气体的混入等因素的影响。（2）引火温度: 瓦斯的引火温度一般认为是 650750。明火、煤炭自燃、电气火花、赤热的金属表面、吸烟
4、，甚至矿石或金属之间的撞击或摩擦产生的火花等都足能引燃瓦斯。（3）氧气的浓度：实践证明，瓦斯爆炸界限随着混合气体中氧气浓度的降低而缩小，即当氧气浓度降低时，瓦斯爆炸下限值缓慢地增高，而爆炸上限值则迅速下降；当氧气浓度降低到 12时，瓦斯混合气体即失去爆炸性，遇火也不会爆炸。对于实际矿井中，为了要保证煤矿工人的正常工作，必须向井下输送新鲜的空气，为此，井下空气中的含氧量（一般在 30%左右）是充足的。另一方面，由于矿井下采煤的机械化作业的环境，产生火花是不可避免的，因此引起瓦斯爆炸的引火温度和氧气浓度条件是客观满足的，于是预防煤矿瓦斯爆炸的方法只有是监测和控制井下瓦斯的浓度。降低井下瓦斯浓度的唯
5、一方法就通过通风系统将瓦斯排出井外，从降低瓦斯浓度的角度，风速越大越好。但是井下风速过大，将会增加巷道空气中的煤尘浓度，一方面影响工人的正常工作和健康，另一方面主要是煤尘浓度过高遇火也会引爆炸。国家煤矿安全规程给出了煤矿预防瓦斯爆炸的措施和操作规程，以及相应的标准详见附件1。规程要求煤矿都必须安装瓦斯自动检控系统和通风系统，瓦斯检控系统要求所有的采煤工作面和回风巷及部分进风巷都要设置安装瓦斯传感器，每个传感器都与地面控制中心相连，当井下瓦斯浓度超标时，控制中心将自动切断电源，停止采煤工作，人员撤离采煤现场。二煤尘2煤矿井下的煤尘是在煤炭开采过程中产生的可氧化粉尘。如果井下产生的煤尘达到适宜浓度
6、（30 2000g/m3） ，一旦遇到明火、电火花和放电，及少数情况下的电火花引爆。煤尘爆炸同瓦斯爆炸一样都属于矿井中的重大灾害事故。（一）煤尘爆炸的机理及特征 1煤尘爆炸的机理 煤尘爆炸是在高温或一定点火能的热源作用下，空乞中氧气与煤尘急剧氧气的反应过程，是一种非常复杂的链式反应，一般认为其爆炸机理及过程如下： （1）煤本身是可燃物质，当它以粉末状态存在时，总表面积显著增加，吸氧和被氧人化的能力大大增可，一旦遇见火源，氧化过程迅速展开； （2）当温度达到 300400时，煤的干馏现象急剧增强，放出大量的可燃性气体，主要成分为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、氢和 1%左右的其他碳氢化合物； （3）形成
7、的可燃气体与空气混合的高温作用下吸收能量，在尘粒周围形成气体外壳，即活化中心，当活化中心的能量达到一定程度后，链反应过程开始，游离基迅速增加，发生了尘粒的闪燃；（4）闪燃所形成的热量的传递给周围的尘粒，并使之参与链反应，导致燃过程急剧地循环进生，当燃烧不断加剧使火焰速度达到每秒数百米后，煤尘的燃烧便在一定临界条件下跳跃式地转变为爆炸。 2煤尘爆炸的特征 （1）形成高温、高压、冲击波 煤尘爆炸火焰温度为 16001900，爆源的温度达到 2000以上，这是煤尘爆炸得以自动传播的条件之一。 在矿井条件下煤尘爆炸的平均理论压力为 736KPa，但爆炸压力随着离开爆源距离的延长而跳跃式增大。爆炸过程中
8、如遇障碍物，压力将进一步增加，尤其是连续爆炸时，后一欠爆炸的理论压力将是前一次的 57 倍。煤尘爆炸产生的火焰速度可达 1120m/s，冲击波速度为 2340m/s。 （2）煤尘爆炸具有连续性 由于煤尘爆炸具有很高的冲击波速，能将巷道中落尘扬起，甚至使煤体破碎形成新的煤尘，导致新的爆炸，有时可如此反复多次，形成连续爆炸，这是煤尘爆炸的重要特征。 （3）煤尘爆炸的感应期 煤尘爆炸也有一个感应期，即煤尘受热分解产生足够数量的可燃气体形成爆炸所需的时间。根据试验，煤尘爆炸的感应期主要决定于煤的挥发分含量，一般为40%280ms，挥发分越高，感应期越短。 （4）挥发分减少或形成“粘焦”煤尘爆炸时，参与
9、反应的挥发分约占煤尘挥分含量的40%70%，致使煤尘挥发分减少，根据这一特征，可以判断煤尘是否参与了井下的爆炸。对于气煤、肥煤、焦煤等粘结性煤的煤尘，一旦发生爆炸，一部分煤尘会被焦化，粘结在一起，沉积于支架的巷道壁上，形成煤尘爆炸所特有的产物焦炭皮渣或粘块，统称“粘焦”“粘焦”也是判断井下发生爆炸事故时是否有煤尘参与的重要标志。 （5）产生大量的 CO 煤尘爆炸时产生的 CO，在灾区气体中浓度可达 2%3%，甚至高达到 8%左右，爆炸事故中受害者的大多数（70%80%）是由于 CO 中毒造成的。 （二）煤尘爆炸的条件 煤尘爆炸必须同时具备三个条件，煤尘本身具有爆炸性；煤尘必须悬浮于空气中，并达
10、到一下的浓度；存在能引燃煤法爆炸的高温热源。 1煤尘的爆炸性 煤尘具有爆炸性是煤尘爆炸的必要条件。煤尘爆炸的危险性必须经过试验确定。 2悬浮煤尘的浓度 井下空气中只有悬浮的煤尘达到一定浓度时，才可能引起爆炸，单位体积中能够发生煤尘爆炸的最低或最高煤尘量称为下限和上限浓度。低于下限浓度或高于上限浓度的煤尘都不会发生爆炸。3煤尘爆炸的浓度范围与煤的成分、粒度、引火源的种类和温度及度试验条件等有关。一般说来，煤尘爆炸的下限浓度为 3050g/m 3，上限浓度为 10002000g/m 3。其中爆炸力最强的浓度范围为300500g/m 3。 一般情况下，浮游煤尘达到爆炸下限浓度的情况是不常有的，但是爆
11、破、爆炸和其他震动冲击都能使大量落尘飞扬，在短时间内使浮尘量增加，达到爆炸浓度。因此，确定煤尘爆炸浓度时，必须考虑落尘这一因素。 3引燃煤尘爆炸的高温热源 煤尘的引燃温度变化范围较大，它随着煤尘性持、浓度及试验条件的不同而变化。我国煤尘爆炸的引燃温度在 6101050之间，一般为 700800。煤尘爆炸的最小点火能为 4.540mJ。这样的温度条件，几乎一切火源均可达到，如爆破火焰、电气火花、机械摩擦火花、瓦斯燃烧或爆炸、井下火灾等。根据 20 世纪 80 年代的统计资料，由于放炮和机电火花引起的煤尘爆炸事故分别占总数的 45%和 35%。 （三）影响煤尘爆炸的因素 1煤的挥发分 煤尘爆炸的主
12、要是在尘粒分解的可燃气体（挥发分）中进行的，因此煤的挥发分数量的和质量是影响尘爆炸的最重要因素。一般说来，煤尘的可燃挥发分含量越高，爆炸性越强，即煤化作用程度低的煤，其煤尘爆炸性强，随煤化作用程度的增高而爆炸性减弱。 2煤的灰分和水分 煤内有灰分是不燃性物质，能吸收能量，阻挡热辐射，破坏链反应，降低煤尘的爆炸性。煤的灰分对爆炸性的影响还与挥分含量的多少有关，挥发分小于 15%的煤尘，灰分的影响比较显著，大于 15%时，天然灰分对为尘的爆炸几乎没有影响。水分能降低煤尘的爆炸性，因为水的吸热能力大，能促使细微尘粒聚结为较大的颗粒，减少尘粒的总表面积，同时还能降低落尘的飞扬能力。煤的天然灰分和水分都
13、很低，降低煤尘爆炸性的作用不显著，只有人为地掺入灰分（撒岩粉）或水分（洒水）才能防止煤尘的爆炸。 3煤尘粒度 粒度对爆炸性的影响极大。粒径 1mm 以下我煤尘粒子都可能参与爆炸，而且爆炸的危险性随粒度的减小而迅速增加，75m 以下的煤尘特别是 3075m 的煤尘爆炸性最强，因为单位质量煤尘位质量煤尘的粒度越小，总表面积及表面能越大，粒径小于 10m 后，煤尘爆炸性增强的趋势变得平缓。煤尘粒度对爆炸压力也有明显的影响。煤炭科学研究院重庆分院的试验。结果表明：在同一煤种不同粒度条件下，爆炸压力随粒度的减小而增高，爆炸范围也随之扩大，即爆炸性增强，粒度不同的煤尘引燃温度煤尘燃温度也不相同。煤尘粒度越
14、小，所需引燃温度越低，且火焰传播速度也越快。 4空气中的瓦斯浓度 瓦斯参与使煤尘爆炸下限降低。瓦斯浓度低于 4%时，煤尘的爆炸下限可用下式计算： 式中 空气中有瓦斯时的煤尘爆炸下限，g/m 3 爆尘的爆炸下限，一般为 3050g/m 3 k 降低系数，见下表 1。 表 1：瓦斯浓度对煤尘爆炸下限的影响系数 空气中的瓦斯深度% 0 0.50 0.75 1.0 1.50 2.0 3.0 4.0 k 1 0.75 0.60 0.50 0.35 0.25 0.1 0.05 具体的对应结果如表 2 所示。4表 2: 瓦斯浓度与煤尘爆炸下限浓度关系空气中瓦斯浓度(%) 0 0.5 1.0 1.5 2.0
15、2.5 3.0 3.5 4煤尘爆炸下限浓度(g/m 3) 3050 22.537.5 1525 10.517.5 6.512.5 4.57.5 35 2.53.5 1.52.5随着瓦斯浓度的增高，煤尘爆炸浓度下限急剧下降，这一点在有瓦斯煤尘爆炸危险的矿井应引起高度重视。一方面，煤尘爆炸往往是由瓦斯爆炸引起的；另一方面，有煤尘参与时，小规模的瓦斯爆炸可能演变为大规模的爆尘瓦斯爆炸事故，造成严重的后果。 5空气中氧的含量 空气中氧的含量高时，点燃煤尘的温度可以降低；氧的含量低时，点燃煤尘云困难，当氧含量低于 17%时，煤尘就不再爆炸。煤尘的爆炸压力也随空气中含氧的多少而不同。含氧高，爆炸压力高；含
16、氧低，爆炸压力低。 6引爆热源 点燃煤尘云造成煤尘爆炸，就必须有一个达到或超过最低点燃温度和能量的引爆热源。引爆热源的温度越高，能量越大，越容易点燃尘云。而且爆尘初爆的强度也越大；反之温度越低，能量越小，越难以点燃煤尘云，且即使引起爆炸，初始爆炸的强度也越小。 三新闻报道2005 年 12 月 7 日，河北省唐山市开平区刘官屯煤矿瓦斯爆炸事故，截至目前，已发现 91 人死亡，另有 17 人下落不明。李毅中指出：这是今年以来第 4 次、建国以来第 22 次涉难百人以上的煤矿事故；是在全国各地认真贯彻落实胡锦涛总书记、温家宝总理在中央经济工作会议上关于安全生产工作的重要讲话，按照国务院办公厅关于认真抓好今冬明春安全生产工作的通知要求，加强安全防范，深入开展“两个攻坚战”的情况下发生的。事故伤亡惨重，性质恶劣，负面影响很大，教训十分深刻。李毅中表示：煤矿特大事故今年必须降 7，已公告关闭的 5243 个煤矿须彻
