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1、煤矿爆炸、火灾及其防治技术 目 录煤矿瓦斯、煤尘爆炸及其防治技术 矿井外因火灾矿井内因火灾前 言煤矿安全形势煤矿安全形势国有重点煤矿安全生产状况总体稳定，并趋于好转国有重点煤矿安全生产状况总体稳定，并趋于好转安全生产形势依然严峻安全生产形势依然严峻百万吨死亡率仍居高不下，职业危害严重百万吨死亡率仍居高不下，职业危害严重煤矿事故造成的经济损失巨大煤矿事故造成的经济损失巨大事故基本情况事故基本情况2003年全国煤矿共发生伤亡事故4143起，死亡6434人，同比下降7.9%和8%。重大事故中，国有重点煤矿占13.9%，国有地方煤矿占13.5%，乡镇煤矿占72.6%特别重大事故中，国有重点煤矿占29.
2、1%，国有地方矿占14.4%，乡镇煤矿占56.5%2004年，全国煤矿各类事故死亡6027人，减少6.8%。全国煤炭百万吨死亡率2003年为3.71，同比下降26.2%， 2004年，这一数字为3.1，同比下降19.6%。2005年，全国煤矿事故3306起，下降9.2%；死亡5986人，减少0.7%，煤炭生产百万吨死亡率降至2.836，下降7.9%。但一次遇难10人以上特大事故抬头，遇难人数同比上升66.6。 2006年全国煤矿共发生事故2945起、死亡4746人，同比分别减少361起、1192人，下降10.9%和20.1%。百万吨死亡人数2.04人，下降27.4%。2007年，全国煤矿事故死
3、亡3786人，下降20.2，煤炭百万吨煤死亡率1.485。其中重特大事故起数和死亡人数，同比分别下降28.2%和23.0%。瓦斯事故仍然严重瓦斯事故仍然严重2002年全国煤矿共发生瓦斯事故743起，死亡2407人，分别占事故总数的17.1%和死亡人数的34.4%其中，瓦斯煤尘爆炸事故28起，死亡304人；煤与瓦斯突出事故16起，死亡130人2003年，瓦斯事故584起，死亡2061人，同期分别下降8.9和10.32004年下半年来，发生几起大的瓦斯事故,如河南郑煤集团大平煤矿1020特大瓦斯爆炸事故，造成148人死亡。铜川矿务局陈家山煤矿1128特大瓦斯爆炸事故,造成166人死亡。辽宁省阜新集
4、团公司孙家湾煤矿海州立井214特大瓦斯爆炸事故，造成214人死亡。 2006年发生瓦斯事故327起、1319人，分别减少87起、852人，下降21%和39.2%。2007年瓦斯事故起数和死亡人数，同比分别下降16.8%和17.8%，其中重特大瓦斯事故起数和死亡人数，同比分别下降15.4%和6.1%。我国煤矿安全状况我国煤矿安全状况我国煤矿死亡人数多的是瓦斯和顶板事故一次死亡人数多、损失严重、对生产和社会影响恶劣的是瓦斯事故我国煤矿发生的特别重大事故主要是瓦斯事故实现控制目标的重点是：瓦斯爆炸、煤尘爆炸事故第一章 煤矿瓦斯、煤尘爆炸及其防治技术第一节 瓦斯爆炸瓦斯爆炸是煤矿生产的主要灾害之一。近
5、年来，我国连续发生了几起特别重大瓦斯爆炸事故，造成大量的人员伤亡和财产损失，带来严重的社会影响。一、 瓦斯爆炸基础知识1、矿井瓦斯1） 瓦斯的形成古代植物在成煤过程中，经厌氧菌的作用，植物的纤维质分解产生大量瓦斯；此后，在煤的碳化变质过程中，随着煤的化学成分和结构的变化，继续有瓦斯不断生成。在全部成煤过程中，每形成一吨烟煤，大约可以伴生600m3以上的瓦斯。而在由长焰煤变质为无烟煤时，每吨煤又可以产生约240m3的瓦斯。在长期的地质年代里，由于瓦斯的比重小，扩散能力强，地层又具有一定的透气性，以及地层的隆起、侵蚀，大部分瓦斯都已逸散到大气中去，只有一小部分至今还被保存在煤体和围岩内。煤体之所以
6、能保存一定数量的瓦斯，与煤的结构状态密切相关。煤是一种复杂的孔隙介质，有着十分发达的、各种不同直径的孔隙和裂隙，形成了巨大的自由空间和孔隙表面。因此,成煤过程中产生的瓦斯就能以游离状态和吸附状态存在于这些孔隙与裂隙内。游离状态也叫自由状态，这种状态的瓦斯按照自由气体定律存在于煤体或围岩的裂缝和孔裂隙内。煤体内游离状态瓦斯量的大小，决定于贮存空间的体积和瓦斯的压力与温度。 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。在远古时代，由于成煤植物残骸被泥沙和海水淹没，与空气隔绝，在高温高压环境中，在微生物的分解发酵作用下，成煤植物的残骸逐渐转化成泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤
7、。与此同时，生成了大量以甲烷为主的烃类气体就是瓦斯。另一种吸附在煤的微孔表面和煤的微粒内部，称为吸附瓦斯。煤层瓦斯含量是指煤层或围岩在自然条件下所含有的瓦斯，单位是m3/t。煤层的煤化过程越高，存贮瓦斯能力越强，即高变质煤比低变质煤瓦斯含量大；有煤层露头时该带内瓦斯含量低，而无煤层露头时瓦斯含量大；煤层随着埋藏深度增大瓦斯含量增大；煤系透气低的岩层（泥岩、细碎屑岩、裂隙不发育的石灰岩等）越厚，占的比重越大煤层瓦斯含量越高；反之，围岩由厚中粗砂岩，甚至是砾岩等组成，其瓦斯含量少；煤层地质构造也影响煤层瓦斯含量。2） 矿井瓦斯的涌出矿井瓦斯的涌出方式可分为均衡涌出和瓦斯的喷出与突出，矿井瓦斯涌出为
8、均衡涌出的瓦斯。（1）瓦斯涌出量：绝对瓦斯涌出量为单位时间内涌出的瓦斯量，单位是m3/min，m3/d；相对（吨煤）瓦斯涌出量为每采一吨煤平均涌出的瓦斯量，单位是m3/t。q绝=QC6024m3/minq相= q绝/Am3/t式中：q绝绝对瓦斯涌出量, m3；Q矿井总回风巷风量, m3；C矿井总回风巷的平均瓦斯浓度,%；q相相对瓦斯涌出量，m3；A矿井平均日产量,吨。 （2）矿井瓦斯等级划分。一个矿井中只要有一个煤（岩）层发现瓦斯，该矿井即定为瓦斯矿井。瓦斯矿井必须依照矿井瓦斯等级进行管理。矿井瓦斯等级，根据矿井相对瓦斯涌出量、矿井绝对瓦斯涌出量划分为：低瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量小于或等于
9、10m3/t且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于40m3/min。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。煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井。 每年必须对矿井进行瓦斯等级和二氧化碳涌出量的鉴定工作，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。2、瓦斯爆炸的反应过程瓦斯爆炸就其本质来说，是一定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，其化学反应式如下：CH4+2O2CO2+2H2O+198.4kCal（1）或 CH4+2（O2+4N2）CO2+2H2O
10、+8N2+198.4kCal（2）瓦斯爆炸是一个复杂的化学反应过程，上式只是反应的最终结果。近年来的研究确定，矿井瓦斯爆炸是一种热链式反应（也叫链锁反应）。当爆炸混合物吸收一定能量（通常是引火源给予的能量）后，反应分子的链即行断裂，离解成两个或两个以上的游离基（也叫自由基）。这类游离基具有很大的化学活性，成为反应连续进行的活化中心。在适合的条件下，每一个游离基又可以进一步分解，再产生两个或两个以上的游离基。这样循环不已，游离基愈来愈多，化学反应速度也愈来愈快，最后就可以发展为燃烧或爆炸式的氧化反应。对于甲烷爆炸的中间反应过程，已经提出了几种不同的反应方式。其中之一认为，CH4吸收能量后分解成C
11、H3和H两个游离基。CH3、H又分别与O2反应，各自生成新的游离基CH2O、OH和OH、O：CH3+O2CH2O+OH（3）H+O2OH+O（4）这些游离基又能进一步反应：OH+CH4CH3+H2O（5）O+CH4OH+CH3（6）CH2O+O2CO+O+H2O（7）CO+O2CO2+O（8）这样迅速发展下去，反应就会以极其猛烈的爆炸形式表现出来，它的最终产物则是CO2和H2O（见(1)式）。如果氧气不足，反应不完全，也能产生CO。采用现代的检查方法，在甲烷的爆焰内检查到了O、OH、CH3、CH2O等游离基的大量存在，从而证实了热链式理论的正确。在下列条件下，链反应中断，就不会发展为瓦斯的燃烧
12、或爆炸；1） 混合物中的氧气浓度不够，反应不能按（3）与（4）式进行；2） OH游离基不与CH4起反应（如（5）式）而是与H游离基结合生成H2O（OH+HH2O）；3）活化中心与固体表面（或粒子）碰撞，失去其活化能；4） 混合物中加入足够能量的能与活化中心起反应的某些元素（如卤族元素），这类元素很容易与活化中心结合生成活性很小的根或分子。由（2）式可知，要使一个体积的甲烷完全反应，必须具有10个体积的（氧浓度为20%）空气，所以在矿井条件下瓦斯爆炸的最完全反应是在甲烷浓度为9.1%时1/(1+2100/20) 100=9.1%如果是在新鲜空气（氧浓度21%）中，则应为9.5%。1/（1+210
13、0/21）100=9.5%，但是，根据实验瓦斯最易引火的浓度则为78%。爆炸温度研究人员在瓦斯浓度为9.5%条件下测定过爆炸时的瞬时温度，在自由空间内可达1850；在封闭空间内最高可达2650。井下巷道呈半封闭状态，其爆温将在1850与2650之间。爆炸压力由于爆炸时气体温度骤然升高，必然引起气体压力的突然增大。在容积固定的条件下，爆炸后的气体压力可用下式计算：P1=P0（273+t1）/（273+t0），大气压 （9）式中：P0、t0爆炸前混合气体的压力（大气压）与温度（）；P1、t1爆炸后混合气体的压力（大气压）与温度（）。 假使爆炸前P0=1大气压，t0=15，爆炸后的温度t1封 闭=2
14、650和t1自由=1850。分别代入上式，则可求出爆炸后的气体压力分别为10.2和7.4大气压，其平均值约为9大气压，即在理想的条件下爆炸后的压力约为爆炸前的9倍。事实上，不可能这样高。但当发生瓦斯连续爆炸时，其第二次爆炸的初始压力有时会高出正常大气压，这就会越爆越猛，出现很高的冲击压力。3、瓦斯爆炸的条件及其影响因素瓦斯爆炸必须具备三个条件：一定浓度的甲烷一定温度的引火源足够的氧1） 瓦斯浓度根据上述热链式反应的理论，一定浓度的瓦斯吸收足够的热能后，就将分解出大量的活化中心，完成整个氧化反应过程，并放出一定的热量（每摩尔甲烷完全氧化时，能放出12.4千卡的热量）。如果生成的热量超过周围介质的
15、吸热和散热能力，而混合物又有足够的CH4和O2存在，那么在此条件下，就会生成更多的活化中心，使氧化过程迅猛发展成为爆炸；若参与反应的瓦斯浓度不够，氧化生成的热量与分解的活化中心都不足，则这一反应不能发展成为爆炸；又若瓦斯的浓度过高，相对来说氧的浓度就不够，不但不能生成足够的活化中心，而且因为甲烷的热容量较大（约为空气的2.5倍），氧化生成的热量为周围介质所吸收，当然也不会发展成为爆炸。因此，瓦斯爆炸具有一定的浓度范围，其临界值即为瓦斯爆炸界限。其最低浓度界限叫爆炸下限，最高浓度界限叫爆炸上限。在新鲜空气中瓦斯爆炸界限一般为516%，5%为下限，16%为上限。由（2）式可知，在新鲜空气中含有甲烷
16、9.5%时，遇有火源，混合气体中的全部氧和瓦斯都参与反应，这是形成瓦斯爆炸的最适宜条件。2） 着火源瓦斯爆炸的第二个条件是高温火源的存在。点燃瓦斯所需的最低温度叫引火温度。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、甚至撞击或摩擦产生的火花等煤矿井下所能遇到的绝大多数火源都足以引燃瓦斯。煤矿井下可能存在的着火源及温度如下：冲击波的速度大于12501350m/s，其前沿后面的温度大于500。 瓦斯和煤尘爆炸火焰前沿的温度20002500 。 炸药爆炸产物的温度4500 。电弧、电火花的平均温度4000（放电主通道的温度10000 ）。 火柴的明火温度1200 。 点燃香烟温度600800。表1-1 瓦斯爆炸的感应期 瓦瓦斯斯浓浓度度(%)火火源源温温度度()7007257507758259251025感感应应期期(秒秒)48.23.62.41.4610.24.32.61.50.620.210.07814.05.23.01.60.670.250.08106.33.51.750.720.260.09127.94.11.900.770.270.09由于
