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1、矿井瓦斯防治矿井瓦斯是煤矿生产中必然遇到的有害气体。在煤矿生产过程中，伴随着生产的进行，瓦斯涌出到生产空间，对井下安全生产构成威胁。瓦斯不论其涌出量多少，一直都是矿井主产量最主要的一个危险源，瓦斯灾害、粉尘灾害、火灾、火灾和顶板灾害构成了煤矿的五大自然灾害，瓦斯爆炸事故是矿井五大自然灾害之首。瓦斯灾害的治理是矿井最根本的、最重要的任务。第一章 矿井瓦斯基础知识一、 矿井瓦斯的概念矿井瓦斯是矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体。在组成瓦斯的各种气体中，甲烷往往占总量的90%以上，因此瓦斯的概念通常单独指甲烷。矿井瓦斯来自煤层和煤系地层，它的形成经历了两个不同的造气时期，从植物遗体到形成泥
2、炭，属于生物化学造气时期；从褐煤、烟煤到无烟煤，属于变质作用造气时期。由于在生化作用造气时期泥炭的埋藏较浅，覆盖层的胶结固化也不好，因此生成的气体通过渗透和扩散很容易排放到大气中，留存在现今煤层中的瓦斯，只是其中很少的部分。二、 瓦斯的性质瓦斯通常指甲烷，分子式为CH4，它是一种无色、无味、无臭的气体。在标准状态下（气温为0，大气压为1.0105pa），1m3甲烷的质量为0.717kg，而13空气的质量为1.293kg，因此，瓦斯比空气轻，（其相对密度为0.554）。因此，巷道顶板、冒落区顶部往往容易积聚瓦斯。瓦斯有很强的渗透性的扩散性，扩散速度是空气的1.34倍。瓦斯具有燃烧和爆炸性。三、
3、矿井瓦斯的危害1、 瓦斯窒息瓦斯本身虽然无毒，但空气中瓦斯浓度较高时，就会相对降低空中气氧气浓度。在压力不变的情况下，当瓦斯浓度达到43%时，氧气浓度就会被冲淡到12%，人就会感到呼吸困难；当瓦斯浓度达到57%时，氧气浓度就会降到9%，这时人若误入期中，短时间内就会因缺氧气窒息而死亡。因此煤矿安全规程规定，凡井下盲巷或通风不良的地区，都必须及时封闭或设置栅栏，并悬挂“禁止入内”的警标，严禁人员入内。2、 瓦斯的燃烧和爆炸当瓦斯与空气混合达到一定浓度时，遇到高温火源就能燃烧或发生爆炸，一旦发生爆炸事故，会造成大量井下作业人员的伤亡，给国家财产造成巨大损失。四、 瓦斯的赋存状态瓦斯在煤层及围岩中的
4、赋存状态有两种，一种是游离状态，另一种是吸附状态。1、 游离状态这种状态的瓦斯以自由气体状态存在于煤层或围岩的孔洞中，其分子可自由运动，处于承压状态。2、吸附状态吸附状态的瓦斯按照结合形式的不同，又分为吸着状态和吸收状态。吸着状态是指瓦斯被吸着在煤体或岩体表面，在表面形成瓦斯薄膜；吸收状态是指瓦斯被溶解于煤体号煤的分子相结合，即瓦斯分子进入煤体胶粒结构，类似于气体溶解于液体的现象。煤体中瓦斯存在的状态不是固定不变的，而是处于不断交换的动平衡状态，当条件发生变化时，这一平衡就会被打破。由于压力增高或温度降低使一部分游离瓦斯转化为吸附瓦斯的现象称为瓦斯吸附。五、 矿井瓦斯涌出1、 矿井瓦斯涌出的形
5、式当煤层被开采时，煤体受到破坏，贮存在煤体内的部分瓦斯就会离开煤体而涌入采掘空间，这种现象称为瓦斯涌出。（1）普通涌出。瓦斯从采落的煤炭及煤层、岩层的暴露面上，通过细小的孔隙缓慢而长时间的涌出。首先是游离瓦斯，而后是部分解吸的吸附瓦斯。普通涌出是矿井瓦斯涌出的主要形式，不仅范围广，而且数量大。（2）特殊涌出。如果煤层或岩层中含有大量瓦斯、采掘时，这些瓦斯有时会在极短的时间内，突然地、大量地涌出，可能还伴有煤粉、煤块或岩块，瓦斯的这种涌出形式称为特殊涌出。瓦斯特殊涌出是一种动力现象，分为瓦斯喷出和煤与瓦斯突出。瓦斯特殊涌出的范围是局部的、短暂的、突发生的，但其危害极大。2、 矿井瓦斯涌出量的概念
6、与计算矿井瓦斯涌出量是指在开采过程中，单位时间内或单位重量煤中涌出的瓦斯量，仅指普通涌出。表示矿井瓦斯涌出量的方法有两种。（1）绝对瓦斯涌出量。绝对瓦斯涌出量是指单位时间内涌入采掘空间的瓦斯数量，用m3/min或m3/d表示，可用下式进行计算：QCH4=QC （6-1）或 QCH4=1440QC （6-2）式中QCH4矿井（或采区）绝对瓦斯涌出量，m3/min或m3/d；Q矿井（或采区）总回量，m3/min；C矿井（或采区）总回风流中的瓦斯浓度，%；14401昼夜的分钟数。（2）相对瓦斯涌出量。相对瓦斯涌出量是指在矿井正常生产条件下，月平均日产1t煤所涌出的瓦斯数量，用m3/t表示。可用下式进
7、行计算：qCH4= （6-3）式中qCH4矿井（或采区）相对瓦斯涌出量，m3/t；QCH4矿井（或采区）绝对瓦斯涌出量，m3/min；T矿井瓦斯鉴定月矿井（或采区）的月产煤量，t；n矿井瓦斯鉴定月矿井（或采区）的月工作天数。必须指出，对于抽放瓦斯的矿井，在计算矿井瓦斯涌出量时，应包括抽放的瓦斯量。六、 矿井瓦斯等级的划分1、 矿井瓦斯等级划分的目的矿井瓦斯等级是矿井瓦斯涌出量大小和安全程度的基本标志。由于不同煤田瓦斯生成与赋存的条件不同，开采时间不同矿井的瓦斯涌出量就有很大差异。为保障安全生产，并做到经济合理，所选用的通风设备、通风要求及有关管理制度都应有所不同。因此，根据瓦斯涌出量和涌出形式
8、将矿井瓦斯划分为不同等级，对矿井瓦斯实行分级管理，是十分必要的。2、 矿井瓦斯等级划分的依据煤矿安全规程，一个矿井中只要有一个煤（岩）层发现瓦斯，该矿井即为瓦斯矿井。瓦斯矿井必须依照矿井瓦斯等级进行管理。矿井瓦斯等级，根据矿井相对瓦期涌出量、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（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用处量的鉴定工作，报省负责煤炭行业管理部
9、门审批，并报省级煤矿安全监察机构备案，上报时应包括开采煤层最短发火期和自然倾向性，煤尘爆炸性的鉴定结果。新矿井设计文件中，应有各煤层的瓦斯含量资料。第二章 瓦斯爆炸的基本条件及危害一、瓦斯爆炸的基本条件瓦斯爆炸是空气中的氧气与瓦斯在高温火源的作用下，进行的剧烈氧化反应。反应性成二氧化碳和水蒸气，并放出大量的热量，这些热量使生成的二氧化碳和水蒸气迅速膨胀，形成高温、高压并以极高的速度向外冲击。当空气中氧气不足或反应进行不完全时会产生大量的一氧化碳。1、 瓦斯爆炸的条件瓦斯爆炸的发生必须具备3个基本条件：（1）瓦斯浓度在爆炸界限内，一般为5%16%；（2）混合气体中氧的逍度不低于12%；（3）有足
10、够能量的引火源。引火源温度不低于650-750，能量大于0.28ml，且持续时间大于瓦斯爆炸的感应期。当点火源与混合气体接触时，爆炸不是立刻就发生，而是有一个延迟时间，这段时间称为爆炸的感应期。感应期的长短与点火源的强度、温度、火源的性质、瓦斯的浓度或煤尘的挥发分有关。2、 影响瓦斯爆炸界限的因素瓦斯爆炸下限5%，上限16%是指瓦斯空气混合气体爆炸的大致范围，随着其他可燃气体的混入，瓦斯爆炸界限会发生变化，而环境温度压力及点燃源的能量等对瓦斯爆炸界限有影响，因此，瓦斯爆炸的界限并不是一个固定不变的常数。（1）可燃气气体的混入。混合气体中如果有一些可燃性气体的混入，如硫化氢、乙烷等，这些气体本身
11、具有爆炸性，不仅增加了爆炸气体的总浓度，而且会使瓦斯爆炸下限降低，从而扩大了瓦斯爆炸的界限。（2）爆炸性煤尘的混入。混合气体中混入了爆炸性煤尘，由于煤尘本身遇到火源会放出可燃性气体，因而会使瓦斯爆炸下限降低。（3）惰性气体的混入。惰性气体的混入会使混合气体中氧气的含量降低，因而可以缩小瓦斯的爆炸界限，降低瓦斯爆炸的危险性。（4）混合气体的压力。混合气体的压力越大，所需的点火温度就越低，也就越容易发生瓦斯爆炸事故。（5）混合气体的初始温度。混合气体的初始温度越高，瓦斯爆炸的界限就越大。（6）瓦斯浓度与点火温度。不同的瓦斯浓度，所需的点火温度不同，瓦斯浓度在7%8%时，所需的点火温度最低。一定的温
12、度条件下，火源的面积越大，火源存在的时间越长，就越容易引爆瓦斯。面当火源的存在时间小于瓦斯爆炸的感应期时，瓦期不会发生爆炸。3、引燃瓦斯的点火源（1）明火火焰。这类点火源的特点是伴随有燃烧化学反应。如明火、井下焊接产生的火焰、爆破火焰、煤炭自然产生的明火、设备失爆产生的火焰、油火等。（2）炽热表面和炽热气体。炽热的表面，如电炉、白炽灯、过电流引起的线路灼热、输送带打滑机械摩擦引起的金属表面炽热等都会引起瓦斯爆炸。白炽灯中钨丝的工作温度高达2000，在该温度下钨丝暴露于空气中就会生激烈的氧化，便会立刻点燃瓦斯。因此，煤矿井下使用专用的照明工具，以防止灯泡破裂时引燃瓦斯。炽热的废气或火灾产生的高温
13、烟流与瓦斯相遇时生发氧化、燃烧等化学反应，也会引起瓦斯爆炸。瓦斯的引燃温度在650，机械、电气设备等的表面温度持续升高或防爆电器发生失爆时，都可能达到这一温度。（3）机械摩擦及撞击火花。矿用设备在使用过程中的摩擦和撞击所产生的火花可引燃瓦斯。如跑车时车辆和轨道的摩擦、金属器件之间的撞击、钢件与岩石的碰撞、矿用机械的割齿同巷道坚固岩石的摩擦、巷道塌落的岩石的碰撞（主要是炭浆岩等坚硬的石间的碰撞）等都能产生足以引燃瓦斯的火花。（4）电火花。电火花主要包括弧放电、电气火花和静电产生的火花。瓦斯爆炸的最小点燃能量是0.28mj，假设人体的电容为200pF，化纤衣服静电电位为15KW，则其放电的能量可通
14、22.5mj，大大超过了瓦斯爆炸的最小点燃能量。因此井下工作人员必须穿棉织品衣物。井下输电线的短路、接头不符合要求及带电检修等都是造成瓦斯爆炸的主要原因。地面闪电通过矿用管路传输到井下也可能引燃瓦斯。此外，据俄罗斯的研究结果，井下测量的激光因其光束窄、能量集中的特点，也有点燃瓦斯的能力。在使用该类设备时不仅要保证其中外壳及电路的安全性，还应该保持其激光辐射的安全性。二、瓦斯爆炸的危害瓦斯爆炸产生的主要危害因素有冲击波、火焰锋面以及大量的有害气体。1、爆炸冲击波在爆炸发生时，首先到达的是爆炸冲击波。爆炸冲击波的传播速度总大于音速，最高可达1000m/s发上，冲击波正向传播的峰值压力一般为5-8个
15、大气压，最高可达20个大气压。冲击波造成的危害主要是人员的创伤、巷道支架的毁坏、冒顶、井下设备的翻倒和破坏。摧毁矿井通风设施等。冲击波会扬起沉积在巷道中的煤尘或破环矿井通风系统，形成新的瓦斯、煤法爆炸源；当遇到火焰锋面通过或再生火源时就引发二次爆炸。在高瓦斯矿井发生瓦斯爆炸后，对灾害区域进行封闭时，由于封闭域内再生火源和风量的大幅度减少，可能迅速形成二次爆炸的条件，对救灾工作构成很大的威胁。因此，当封闭工作需要时间较长时，应建立相应的防护设施。2、火焰锋面紧跟在冲击波之后的是发生剧烈化学反应的火焰锋面。火焰锋面的温度可达2150-2650，锋面经过时会造成人体大面积皮肤烧伤和呼吸器官及食道、胃等黏膜烧伤，可烧坏井下的电气设备、电缆，并可引燃井巷中的可燃物，产生新的火源。3、有害气体瓦斯爆炸过后，矿井中氧气的浓度下降，燃烧生成大量的二氧化碳和水蒸气。某些煤矿分析爆炸后气体成分为氧气：6-10%；N2：82%-88%；二氧化碳：4%-8%；一氧化碳：2%-4%。如果有煤尘参与爆炸，则生成的一氧化碳更多，成为井下人员伤亡的主要因素之一。上述三个有害因素的危险程度与它们波及的范围有关，火焰锋面的传播范围较小，一般为几十米至几百米，少数情况
