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1、煤矿瓦斯灾害治理,马 丕 梁,研究员、博士生导师 矿山安全科学技术研究院副总工程师 煤炭科学研究总院北京安全技术研究所所长 中国煤炭学会安全专业委员会主任委员 中国煤炭工业劳动保护协会瓦斯专业委员会主任委员 办公电话：01084261585 手机：13911875499,第一节 煤矿瓦斯基本知识,一、煤中瓦斯的形成煤是一种腐植型有机质高度富集的可燃有机岩，是植物遗体经过复杂的生物、地球化学、物理化学作用转化而成。从植物死亡、堆积到转变为煤要经过一系列演变过程，这个过程称为成煤作用。在整个成煤过程中都伴随有烃类气体、二氧化碳、氢和稀有气体的产生。,甲烷的性质：,甲烷的化学分子式：CH4。它是无色
2、、无味、无嗅，可以燃烧或爆炸的气体，对人呼吸的影响同氮气相似，可以使人窒息。甲烷分子直径0.41nm，密度0.716 kg/m3（标准状况下），与空气密度的0.554倍。它与空气混合形成气团时，该气团较周围气体的密度轻，它将边上浮、边扩散。,成煤过程生成瓦斯的规模通常采用计算法或试验法确定。在试验室进行了有机质热解模拟试验，得出成煤有机质的演化过程和一套物质平衡方程，并据此计算成煤过程的产气规模如下表。原苏联托卡列夫（顿巴斯）,二、瓦斯在煤中的赋存形态1）煤的空隙性：煤是一种多孔介质，含有从微孔、小孔、中孔、大孔以及可见孔和裂隙。,2）瓦斯在煤中的赋存形态有两种即吸附态、游离态。 游离态：即气
3、体分子自由地运动在煤的空隙中，服从于气体状态方程。游离量一般512。吸附态：气体分子吸附在煤的微孔表面或煤分子结构空间中，服从于朗哥缪尔方程。吸附量一般9588%。,3）瓦斯在煤层中的分布形态：从整个煤层看是不均匀的，尤其在有地质构造的区域。,三、瓦斯的解吸 瓦斯在煤中以游离和吸附两种状态赋存在煤体中。煤对瓦斯的吸附属于物理吸附。吸附在孔隙表面的分子，当其运动热运动的动能足以克服吸附引力时，就脱离空隙壁，重新回到气相，这一过程称为解吸。,根据解吸动力学，对于一个直径为的球形质点，经过时间，解吸的程度由下式给出,式中： q10（）-经过无限时间之后，从压力 P1降到大气压P0所释放的 瓦斯量；
4、q10（t）-经过时间 t 之后，从压力P1降到大气压P0所释放的瓦斯量；d-质点的当量直径 ， t-时间； D-扩散系数。,根据上述公式：各种力度的煤样，当解吸时，所需的时间入下表：,某矿煤样瓦斯解吸表曾多次发生的煤仓瓦斯燃烧、爆炸事故也说明这个问题。,四、煤层瓦斯沿深度的分布当煤层有露头火灾冲积层下有含煤地层时，煤化过程生成的瓦斯经煤层、上覆岩层和断层不断有煤层深部向地表运移；而地表的空气和生物化学生成的气体，则由地表向煤层深部渗透和扩散。由于这两种反向运移的结果，造成了煤层瓦斯组份沿赋存深度的带状分布。,各带的煤层瓦斯组份和含量见下表。,原苏联矿业研究院个.德.李金通过对顿巴斯和库兹巴斯
5、等煤田大量的煤层瓦斯组份和含量的测定，将煤层瓦斯组份安赋存深度自上而下分为个带：氮气二氧化碳带、氮气带、氮气甲烷带和甲烷带。各代的瓦斯组分和含量见表。,五、矿井瓦斯涌出在含瓦斯煤层中进行采矿作业时，瓦斯涌出是威胁煤矿安全生产的最主要因素。矿井瓦斯涌出量是指矿井生产过程中涌入采矿空间。,瓦斯涌出的形式：,瓦斯涌出的形式有两种：一种是正常涌出；另一种是异常涌出。异常涌出如瓦斯喷出（异常涌出瓦斯源地质过程游离瓦斯，如灰岩溶洞瓦斯；采动卸压过程瓦斯源；顶板突然大面积冒落）、煤与瓦斯突出。 。,衡量矿井瓦斯涌出量的大小有两种方法：绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量。绝对瓦斯涌出量是指矿井在单位时间内平均涌出
6、的瓦斯体积，单位为m3/min；相对瓦斯涌出量是指矿井在正常生产条件下，采一吨煤涌出的瓦斯体积，单位为m3/t。,我国煤矿安全规程(2004版第一百三十三条)将矿井瓦斯等级分为三级：（一）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40m3/min；,（二）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或等于40m3/min；（三）煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井。第一百三十四条 低瓦斯矿井中，相对瓦斯涌出量大于10m3/t或有瓦斯喷出的个别区域（采区或工作面）为高瓦斯区，该区应按高瓦斯矿井管理。,每年必须对矿井进行瓦斯等级和二氧化碳涌
7、出量的鉴定工作，报省（自治区、直辖市）煤炭管理部门审批，并报省（自治区、直辖市）煤矿安全监察机构备案。新矿井设计文件中，应有各煤层的瓦斯含量资料。,六、 瓦斯的危害性,瓦斯达到一定浓度会发生燃烧、爆炸或使人窒息。爆炸条件：CH4浓度（5%15）%，火源温度400500C以上，O2浓度12%具有爆炸危险，8%9%爆炸威力最大，有煤尘参与时威力也大。爆炸的危害：冲击波、缺氧。,瓦斯爆炸必须同时具备3个条件,瓦斯爆炸必须同时具备3个条件:一是火源（火花的能量达到0.28毫焦，温度在400500以上）；二是氧气(氧气含量在12%以上)；三是瓦斯本身的浓度在515范围内。当瓦斯浓度低于5，不会发生瓦斯爆
8、炸；当空气中瓦斯浓度超过15时，瓦斯也不再爆炸，而只是燃烧（在氧气充足的情况下）；当空气中的氧气浓度低于12时，不管瓦斯浓度如何，都不会爆炸也不会燃烧。,影响瓦斯爆炸的因素：瓦斯爆炸的下限浓度是指在任何其它影响因素的条件下，对地面新鲜空气而言的。而矿井矿井生产的特殊环境，空气的成分和质量较地面空气有较大差异，有很多影响因素致使瓦斯爆炸下限浓度发生变化，如：,（）空气中的煤尘浓度达到/m3 时，瓦斯爆炸下浓度降到，/m3时降到2.5%；（）较高的温度能够引燃较低浓度的瓦斯，810的火源（如电火）可引燃浓度为2%的瓦斯；（）空气温度超过700 （如发火点附近、火区内等）时，瓦斯爆炸浓度下限降到3.
9、25%等。,规程第一百三十六条规定，采区和采掘工作面回风巷风流瓦斯浓度不得超过，而不是爆炸下限，主要考虑两点： 一是安全系数。世界所有采煤国家的相关规定中，都采用了较大的安全系数。我国采用了五倍的安全系数主要是因为：,井下空气中瓦斯浓度的分布，无论在时间上和空间上都是不均匀的，且在不断发生变化。人工检查无论时间和空间上是不连续的，存在漏检性。测定仪器有一定的误差。检测人员存在一定的读数误差。第二就是考虑上述瓦斯爆炸的影响因素。,另外，可燃气体（如烷烃、烯烃类气体、一氧化碳、氢气及硫化氢等）、温度、气压、火源能量等都对瓦斯爆炸的上下限值产生影响。点火能量的影响如下表所示：,点火能量对甲烷空气混合
10、物爆炸极限的影响,温度的影响如下表： 甲烷爆炸界限水环境温度的变化,第二节 煤层瓦斯基本参数及测试方法一、煤层瓦斯压力：是指煤层孔隙中所含游离瓦斯所呈现的压力，即瓦斯作用于孔隙壁的压力。测定方法：,二、煤层瓦斯含量：单位质量煤中所含瓦斯的体积量 （换算为标准状态），单位为:m3/t。 测定方法有两种：直接法（解吸法）、间接法。解吸法有地勘解吸法和井下解吸法。解吸法比50、60年代的密闭式、集气式可靠，但测量数值普遍偏低，一般（约占80%）低1015%，甚至还要大。,三、煤层透气性系数测定方法：,第三节 瓦斯灾害的防治措施与方法 瓦斯灾害的防治措施与方法从矿井设计久的考虑，矿井建成后的措施主要有
11、矿井通风、瓦斯抽放、监测监控以及防止煤与瓦斯突出等。,一、采用正规的矿井和工作面布置主要包括矿井设计，尤其是通风系统设计，对瓦斯灾害防止至关重要。非正规工作面布置的缺点：回采率低、安全隐患多。,二、矿井通风：以风定产、先抽后采、监测监控 关于矿井通风规程第二章第一节专门进行了规定 主要条款有：107条、113条、114条、121条、126条 规程第一百零七条 矿井必须有完整的独立通风系统。,本条文是关于矿井通风系统和改变通风系统的有关规定。矿井通风系统是矿井主要的生产系统之一。所有矿井通风系统都必须符合“系统简单、安全可靠、经济合理”原则，系统简单便于管理，也是安全可靠的基础，经济合理能节约费
12、用，安全可靠至关重要，因为矿井通风,系统的状况决定着整个矿井的安全或危险程度；同时，矿井通风系统也是“一通三防”的基础， “一通三防”是安全工作的重中之重。因此，规程规定矿井必须有完整的独立通风系统。所谓“完整独立的通风系统”是指矿井必须有符合规定的主要通风装置，并有自己独立的进风井筒和自己独立的回风井筒。,由于普遍采用负压通风，所以有些小煤窑借助大矿进行通风。一旦发生事故，即害人又害己，危害极大。还有的小煤窑只有一个井口，即独眼井，当然也是不安全的。,第一百一十三条 生产水平和采区必须实行分区通风。准备采区，必须在采区构成通风系统后，方可开掘其他巷道。采煤工作面必须在构成全风压通风系统后，方
13、可回采。采区进、回风巷必须贯穿整个采区，严禁一段为进风巷、一段为回风巷。第一百一十四条 采、掘工作面应实行独立通风。,规程第十八条 每个生产矿井必须至少有个能行人的通达地面的安全出口，各个出口之间的距离不得小于30米。 井下每一个水平到上一个水平和各个采区都必须至少有个便于行人的安全出口，并与通达地面的安全出口相连接。未建成个安全出口的水平或采区严禁生产。,本条文是对生产矿井安全出口的规定。每个生产矿井、每个水平、每个采区和每个采煤工作面，都必须设置两个能行人的安全出口，其作用是：、构成矿井通风系统或各个分区通风系统时，必须有进风口和出风口，即两个出口。,、当矿井发生灾害时，被灾害围困人员能通
14、过两安全出口安全撤离灾区。若此时停电，撤离人员可不依靠提升设备而不幸撤离。、便于救护队员通过两个安全出口，接近或到达灾区进行抢险救灾，抢救护送伤员。,在上述情况下，如果其中的一个安全出口的通道受到灾害影响或被堵塞不能通行时，另一个安全出口可以正常发挥作用。所以必须至少有两个能行人安全出口。间距30米主要从巷道围岩应效力考虑，间距过小易产生应力叠加及爆破的影响，不利于得井巷的施工与维护，过大占地过多不经济。,第九条 矿井应当具备完整的独立通风系统。矿井、采区和采掘工作面的风量必须满足安全生产要求。 矿井使用安装在地面的矿用主要通风机进行通风，并有满足能力的备用主要通风机。 生产水平和采区应当实行
15、分区通风，矿井、采区和采掘工作面通风设施应当齐全可靠，掘进工作面使用专用局部通风机进行通风。,工作面通风：U型通风Y型通风U+L型通风,掘进通风：第一百一十四条 采、掘工作面应实行独立通风。,第一百二十九条 使用局部通风机通风的掘进工作面，不得停风；因检修、停电等原因停风时，必须撤出人员，切断电源。恢复通风前，必须检查瓦斯。只有在局部通风机及其开关地点附近10m以内风流中的瓦斯浓度都不超过0.5%时，方可人工开启局部通风机。,三、抽放瓦斯 建立瓦斯抽放系统的基本条件： 一个采煤工作面的瓦斯涌出量大于5 m3 /min或一个掘进工作面瓦斯涌出量大于3 m3 /min，用通风方法很难解决瓦斯问题。
16、,矿井绝对瓦斯涌出量达到以下条件的：1. 大于或等于40 m3 /min；2. 年产量1.01.5Mt的矿井，大于30 m3 /min；3. 年产量0.61.0Mt的矿井，大于25 m3 /min；4. 年产量0.40.6Mt的矿井，大于20 m3 /min；5. 年产量0.4Mt的矿井， 大于15 m3 /min； 开采有煤与瓦斯突出危险煤层。,（一）、抽放瓦斯方法本煤层抽放：倾斜煤层、近水平煤层（长孔、短孔）邻近层抽放：常规方法，铁法、淮南采空区抽放：掘进抽放：,、本煤层抽放瓦斯技术 高中压注水 密集钻孔 水力割缝 水力压裂 松动爆破 大直径钻孔 穿层网格布孔 顺层交叉布孔 控制预裂爆破（卸压爆破）,交叉式布孔抽放技术 该技术适用于本煤层预抽瓦斯，在焦作试验取得了抽放150天，累计抽放量600km3的好成绩。 交叉布孔钻孔布置图,
