通风安全学试题

第1章矿井瓦斯及其防治矿井瓦斯、矿尘、矿井火灾、矿井水灾及冒顶事故等构成煤矿的五大自然灾害，而瓦斯灾害又是煤矿生产中最严重的灾害。系统地了解矿井瓦斯的基本知识，掌握瓦斯燃烧、爆炸和突出的防治措施，对提高矿井防灾抗灾能力，保障矿井安全生产极为重要。本章要求：1)熟悉瓦斯性质、矿井瓦斯生成及赋存规律；2)理解矿井瓦斯涌出及影响因素；3)了解矿井瓦斯喷出以及防治措施；4)掌握煤（岩）与瓦斯突出机理、一般规律以及防治技术；5)掌握矿井瓦斯爆炸条件、机理及预防技术；6)熟悉矿井瓦斯抽放原则与方法。1.1矿井瓦斯的生成与赋存一、矿井瓦斯的概念广义：凡是从煤层或岩层中放出或生产过程中产生涌入矿井内的气体，统称矿井瓦斯。其主要成分为：甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、氮气(N2)，还有少量的硫化氢(H2S)、一氧化碳(CO)、氢气(H2)、二氧化硫(SO2)及其他碳氢化合物气体等。狭义：矿井瓦斯就是指甲烷(CH4)。其原因是甲烷为井下有害气体的主要成分，同时甲烷对煤矿的危害也最严重。二、瓦斯的性质1、分子结构2、色，味，嗅3、比重，密度4、溶水性5、窒息性6、可燃性7、可爆性三、矿井瓦斯的生成瓦斯是伴随着煤的形成而生成的。1、生物化学造气期2、煤化变质造气期四、瓦斯在煤层中的赋存状况1、瓦斯在煤层中的垂直分带沿煤层垂深，气体主要成分形成四个分带：二氧化碳—氮气带(CO2-N2)氮气带(N2)氮气—瓦斯带(N2-CH4)瓦斯带(CH4)2、瓦斯在煤体中的赋存状态瓦斯在煤体及围岩中的赋存有自由及吸附两种状态。1.自由状态(或称游离状态)瓦斯以自由气体状态存在于煤层或围岩的裂隙及孔洞之中，自由运动，并呈现出压力。2.吸附状态按其结合的形式不同，又分为吸着状态和吸收状态。实测表明：在未采动的煤层中，在目前开采深度条件下，煤层中自由状态瓦斯占5％一30％，而吸附状态的瓦斯占70％一95％。煤体中瓦斯存在的状态不是固定不变的。当外界条件发生变化时，自由状态的瓦斯与吸附状态的瓦斯可以相互转化：吸附现象解吸现象五、矿井瓦斯含量1、概念瓦斯含量：煤层或围岩在自然条件下所含有的瓦斯数量，即是指自由状态的瓦斯与吸附状态的瓦斯之和。其单位为；m3／t(m3)或cm3／g(cm3)。2、瓦斯含量影响因素(1)煤的吸附性质煤化变质程度越高，瓦斯的生成量越大。（2)煤层的赋存条件煤层埋藏深度；有无露头；煤层的倾角；煤层顶、底板岩层的透气性；煤层周围地下水活动。(3)煤田的地质条件沉积环境；煤田生成年代；封闭的和倾伏的背斜或弯窿构造；大型煤包；断层：断层的封闭性，与煤层接触的对盘岩层的透气性；开放性断层；1.2矿井瓦斯涌出瓦斯从煤层或岩层中涌出的形式有两种：普通涌出--特殊涌出在煤矿生产中，瓦斯普通涌出是瓦斯放散的主要形式，它的特点是范围大，时间长，涌出虽均匀，速度缓慢。而瓦斯的特殊涌出即是瓦斯的喷出或突出，它是瓦斯矿井少见的一种瓦斯放散形式。一、瓦斯涌出量的表示方法矿井瓦斯涌出量：矿井在开采过程中涌入巷道内或管道中的瓦斯量。1、绝对瓦斯涌出量是指生产矿井在一定时间内所涌出的瓦斯量(Q绝)，单位m3／d或m3／min。其计算式为：式中Q绝——矿井的绝对瓦斯涌出量，m3／d；Q——矿井总回风道风量，m3／d；C％——回风流中的平均瓦斯浓度。在相同条件下的煤层中，绝对瓦斯涌出量随矿井生产规模的扩大利产量的增加而增加，但它们之间不一定是正比关系。绝对瓦斯涌出量只能表明涌出瓦斯的多少，难以判定矿井瓦斯涌出的严重程度。2、相对瓦斯涌出量是指矿井在正常生产情况下平均生产一吨煤的瓦斯涌出量(q相)，单位：m3／t。其计算公式为：式中Q绝——矿井的绝对瓦斯涌出量，m3／d；n——矿井瓦斯鉴定月的工作天数，d／月T——矿井瓦斯鉴定月的产量，t／月。二、影响瓦斯涌出的因素矿井瓦斯涌出量的多少取决于自然因素和开采技术条件。(一)自然因素1．煤层和围岩的瓦斯含量是瓦斯涌出量多少的决定性因素。开采煤层的瓦斯含量高，瓦斯的涌出量就多。强调：煤层瓦斯含量(单位m3／t)与相对瓦斯涌出量即吨煤瓦斯涌出量(单位：m3／t)虽然单位相同，但是意义却不同，而且数值也不相等。2．开采深度在瓦斯带内，随着开采深度的增加，相对瓦斯涌出量增多。3．地面大气压它的变化对瓦斯涌出量有重要影响。要特别注意大气压力下降时瓦斯矿井的瓦斯管理工作，密切重视采空区和密闭区的瓦斯检测工作，防止瓦斯事故的发生。(二)开采技术条件1．开采规模是指开采深度，开采范围以及矿井的产量而言。对一个矿井来说，开采规模越大，瓦斯的涌出量也越大。2．开采方法是指开采顺序、回采方法及生产工艺过程等。3．通风方法及采空区管理当矿井采用抽出式通风时，矿井瓦斯涌出量随风压(负压)的升高而增多。当矿井采用压入式通风时，风压对矿井的瓦斯涌出量的影响与地面大气压相同。采空区如果密闭不严或是其回风端的风压差比较大，就会造成瓦斯大量涌入巷道中。综上所述，影响矿井瓦斯涌出量的因素是多方面的。矿井瓦斯涌出量不是固定不变的。因此，矿井的瓦斯等级也不是固定不变的。所以，对矿井瓦斯等级必须每年进行鉴定，及时更正矿井瓦斯等级，以便安全有效地进行生产管理。三、矿井瓦斯等级及其鉴定方法(一)矿井瓦斯等级的划分在一个矿井中，只要有一个煤、岩层中发现瓦斯，该矿井即定为瓦斯矿井，并依照矿井瓦斯等级的工作制度进行管理。矿井瓦斯等级，按照矿井相对瓦斯涌出量、矿井绝对瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式，划分为：低瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量≤10m3/t,且矿井绝对瓦斯涌出量≤40m3/min；高瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量10m3/t,或矿井绝对瓦斯涌出量40m3/min；煤（岩）与瓦斯突出矿井：矿井在采掘过程中，只要发生过一次煤（岩）与瓦斯突出，该矿井既定为煤（岩）与瓦斯突出矿井。(二)矿井瓦斯等级鉴定方法1．鉴定条件矿井瓦斯等级的鉴定工作应在正常生产条件下进行。矿井瓦斯等级的确定，按每一自然矿井中的矿井、煤层、一翼、水平或采区分别计算月平均日产一吨煤瓦斯涌出量，并采取其中最大值。被鉴定的矿井、煤层、一翼、水平或采区的回采产量应达到该地区总产量的60％。2．鉴定时问根据矿井生产和气候变化规律定时间，一般放在7月或8月。3．鉴定内容在鉴定月内上、中、下三旬中各取一天(间隔十天)分三个班(或四个班)进行测定工作。在矿井、煤层、一翼、水平或采区的回风巷道中，分别测定风量和瓦斯浓度。在鉴定月中，地面和井下的气温，气压和湿度等气象条件也应记录，以备参考。4．测定记录整理与计算矿井、煤层、一翼、水平或采区测定基础数据填表并计算。计算煤层、一翼、水平或采区的瓦斯涌出量时，应扣去相应的进风流中瓦斯量。5．矿井瓦斯等级鉴定报告在鉴定月上、中、下旬进行测定的三天中，选取瓦斯涌出量最大的一天作为计算生产一吨煤瓦斯涌出量的数据。各矿务局应根据鉴定结果并结合产量水平，采掘比重，生产区域和地质构造等因素，提出确定矿井瓦斯等级的意见，连同有关资料报省(区)煤炭局审批。煤与瓦斯突出矿井在瓦斯等级鉴定期间，仍须按照矿井瓦斯等级和二氧化碳的鉴定工作内容进行测算工作。煤与瓦斯突出矿井的[突出)鉴定，应由煤炭科学研究单位和矿务局共同提出鉴定报告，并报省(区)煤炭局批准报。四、矿井瓦斯涌出量预测设计新矿井或生产矿井的新区(新采区，深部水平)，需要先掌握其瓦斯等级和瓦斯涌出量，作为矿井、水平和采区设计的依据。根据某些已知数据，按照一定的方法预先得出设计区或巷道瓦斯涌出量，称作矿井瓦斯涌出量预测。目前，预测相对瓦斯涌出量的方法有两大类。(一)含量计算法根据煤层的瓦斯含量，分别预计采煤、掘进、围岩和采空区的瓦斯涌出量，汇总为新矿井、新水平、新采区的瓦斯涌出量。一般可用来预测新开发煤田或新设计矿井的瓦斯涌出量。(二)矿山统计法根据已往矿井生产中的相对瓦斯涌出量与开采深度的统计规律，推算深部水平相对瓦斯涌出量的预测方法。矿山统计法一般分两步进行：将矿井历年生产过程中积累的实际相对瓦斯涌出量按其对应的开采深度进行整理填值。计算出相对瓦斯涌出量递增值(称为瓦斯涌出量梯度)；根据相对瓦斯涌出量梯度，推至预测深部区域，统计出深部开采的相对瓦斯涌出量数值。通常在地质条件正常，采矿技术条件变化不大的情况下，瓦斯带内相对瓦斯涌出量与开采深度近似成正比关系。有了生产水平的瓦斯涌出量梯度a，预测深部水平的相对瓦斯涌水量：式中q0——瓦斯带上边界的相对瓦斯涌出量，一般为2—3m3/t；H0——瓦斯带上边界的深度都。为了比较精确地预测相对瓦斯涌出量，应该在矿井开采平面图上标出各个已采区段的相对瓦斯涌出量，把相对瓦斯涌出量相同的点连成等相对瓦斯涌出量线，对于外推的区域，根据对应地点的瓦斯涌出量梯度与底板等高线，用虚线画出预测区等相对瓦斯涌出量线。该图清晰简明，不仅反映出倾斜方向上瓦斯涌出量的变化，而且还反映出走向方向上的变化。使用矿山统计法预测相对瓦斯涌出量时，必须注意以下问题：(1)此法只适用于瓦斯带内、外推的深度不超过100-200m的情况下。(2)预测的精度取决于原始统计资料的精度与数量以及预测区域同已采区域在地质条件和开采技术条件上的相似程度。1.3瓦斯喷出及其预防一、瓦斯喷出及类型瓦斯喷出：在开采过程中，从煤或岩石的裂隙、孔洞中突然涌出大量瓦斯的现象。造成此现象的主要原因是存在高压瓦斯源。瓦斯喷出的通道，一般有两类：原始地质构造孔洞、裂隙如：地质破碎带、断层带、石灰岩溶洞裂隙区、背斜(或向斜)轴部储瓦斯区或其他储瓦斯构造附近的原始孔洞、裂隙等。从此类通道喷出瓦斯的特点：流量大、持续时间长，无明显的地压显现情况；采掘地压显现时生成的裂隙此类裂隙也往往与地质构造有关，因为在各种地质构造破坏影响区内，原有处于封闭状态的构造裂隙在采掘地压与瓦斯压力综合作用下很容易张开，成为瓦斯喷出的通道。若地压显现突然发生，瓦斯喷出也是突然的，这就更增加了危险性。这类喷出的特点：喷出濒临发生时伴随着地压显现效应，喷出持续的时间较短；流量与卸压区面积、瓦斯压力和瓦斯含量大小等因素有关。二、瓦斯喷出预兆瓦斯喷出前，通常出现岩石压力上升，发生底鼓、破坏支架，煤层变软以及瓦斯浓度忽大忽小，有时出现嘶嘶声。三、瓦斯喷出防治措施根据瓦斯喷出量的大小，瓦斯压力的高低以及瓦斯喷出通道的类型，通常选用以下措施加以防治。1．探明地质情况2．封堵、引排、抽放综合治理3．加强管理工作1.4煤与瓦斯突出及其预防煤与瓦斯突出是煤矿中瓦斯涌出的特殊形式，是一种非常复杂的动力现象。煤与瓦斯突出：在开采过程中，在短暂的时间内(几秒或几分钟)突然从煤层(或岩层)中喷出大量的瓦斯和煤炭(或岩石)的现象。煤与瓦斯突出危害：高速瓦斯流(含煤粉或者粉)能够摧毁巷道设施，破坏通风系统，甚至造成风流逆转；喷出的瓦斯能使井巷充满瓦斯，造成人员窒息，引起瓦斯燃烧或爆炸；岩能够造成煤流埋人；猛烈的动力效应可能导致冒顶和火灾事故的发生。世界上第一次煤与瓦斯突出发生于1834年法国鲁阿雷煤田伊萨克矿井。世界上最大的一次煤与瓦斯突出发生于1969年苏联加加林煤矿，突出煤炭14000t，瓦斯25万m3。我国最大的一次煤与瓦斯突出发生于l975年8月四川天府三汇坝一井，突出煤(岩)12780t、瓦斯110万m3。一、突出的特点大量的高浓度的瓦斯喷出；伴有大量的煤炭(或岩石)同时被抛出；抛出的煤炭有明显的分选现象；突出时有强大的动力效应，能使煤炭破碎成粉末状并抛至数百米、数千米之外；使风流逆转；强大的冲击被能使矿井设备及通风系统破坏；突出后所形成的孔洞形状一般是口小腔大，孔洞较长，呈梨形或倒瓶形等。二、突出的原因煤与瓦斯突出是一种极为复杂的动力现象，其原因说法不一。多数国家采用煤与瓦斯突出实例的统计分析、实验室研究和现场观测的方法，对煤与瓦斯突出机理进行了广泛深入地研究，提出了很多假说。综合起来，突出机理假说大体可以分为以下几类：（1）瓦斯主导假说如“瓦斯包”说、“煤粉带”说、“煤空隙结构不均匀说”、“裂隙堵塞”说、“闭合孔隙瓦斯释放”说、“瓦斯膨胀”说、“地质破坏带”说、“瓦斯解吸”说等。（2）地质主