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1、煤矿爆炸、火灾及其防治技术煤炭科学研究总院重庆研究院张延松（博士，教授，博导,所长）个人简介张延松，煤炭科学研究总院重庆研究院工业防爆研究所所长，重庆科林安全生产咨询事务所所长，博士，教授，博导，重庆市二届、三届人大代表，重庆市科技顾问团成员，煤科总院重庆研究院和山东科技大学硕士、博士生导师，南京理工大学兼职教授、博士生导师、重庆科技学院特聘教授、国家百千万人才、煤炭行业跨世纪青年科技拔尖人才享受国务院政府津贴国家和重庆市安全生产专家，国务院能源专家组成员国家安全评价协会副主任，安全评价专家委员会主席国家653工程火灾、爆炸专业首席专家、国家气体粉尘爆炸、粉尘防治的学科带头人、国家和重庆市安全
2、评价机构年度审核专家国家中长远科技发展规划骨干专家，国务院安全事故调查专家国务院煤矿安全技术会诊专家组组长，重庆市就开县天然气井喷和泄漏搬迁重庆方专家组组长、国家标准化委员会和国家安全标准化委员会委员国家和重庆市安全评价专家，国家和重庆市安全评价机构资质认证专家、国家安全评价重大项目评审专家、国家期刊评估专家国家科技进步奖评审专家，国家检测检验机构资质认证专家国家安全科技和煤炭行业科技进步奖评审专家国家“863”计划项目评审专家，国家自然基金项目评审专家国家和重庆市化工、非煤矿山、石油天然气、煤矿等重大项目安全评审专家担任6个全国性学会的主任、副主任委员，6个学会的理事委员担任重庆市6个学会的
3、理事长、副理事长联系方式 Fax：023-65239382 E-mail：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 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 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29.1%，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，
4、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
5、比分别下降28.2%和23.0%。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10.3 2004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、
6、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
7、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
8、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。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
9、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/m
10、in，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=QC6024 m3/min q相= q绝/A m3/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10m3/t且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于40m3/min。 高瓦斯
11、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+2O2 CO2+2H2O+198.4kCal （1） 或 CH4+2（O2 +4N2） CO2+2H2O+8N2+198.4kCal （2） 瓦斯爆炸
12、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CH3和H两个游离基。CH3、H又分别与O
13、2反应，各自生成新的游离基CH2O、OH和OH、O：CH3+O2 CH2O+OH （3）H+O2 OH+O （4）这些游离基又能进一步反应：OH+CH4 CH3+H2O （5）O+CH4 OH+CH3 （6）CH2O+O2 CO+O+H2O （7）CO+O2 CO2+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或爆炸； 1
14、） 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+H H2O）； 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+2100/21）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
