【采矿课件】第十五章矿井瓦斯与矿尘

河南理工大学《采煤概论》精品课程第15章矿井瓦斯与矿尘本章主要内容第15章矿井瓦斯与矿尘•第一节矿井瓦斯的存在状态•第二节矿井瓦斯涌出量•第三节瓦斯爆炸及其预防•第四节瓦斯喷出与突出及其预防•第五节瓦斯抽放•第六节矿尘第一节矿井瓦斯的存在状态一、瓦斯的生成•瓦斯是在煤的生成和煤的变质过程中伴生的气体。在成煤的过程中生成的瓦斯是古代植物在堆积成煤的初期，纤维素和有机质经厌氧菌的作用分解而成。另外，在高温、高压的环境下中，在成煤的同时，由于物理和化学作用，可继续生成瓦斯。二、瓦斯的性质•瓦斯是无色、无味、无臭的气体，但有时可以闻到类似苹果的香味，这是出于芳香族的碳氢气体同瓦斯同时涌出的缘故。瓦斯对空气的相对密度是0.544，在标准状态下瓦斯的密度为0.716kg/m3。助燃也不能维持呼吸，瓦斯在空气中达到一定浓度时，遇火能燃烧或爆炸。在煤矿的采掘过程中，当条件合适时，会发生瓦斯突出（喷出），产生严重的破坏作用。第一节矿井瓦斯的存在状态三、瓦斯的存在状态•瓦斯在煤体中存在的状态可分为两类：即游离状态和吸着状态。•游离状态也叫自由状态，这种瓦斯是以自由气体状态存在于煤体或周围岩体的裂缝孔隙之中，游离瓦斯量的大小与存储空间的容积、瓦斯压力成正比，与温度成反比。•吸着状态又称为结合状态，起特点是瓦斯与煤或某些岩石结合成一体，不再以自由气态形式存在。按其结合形式不同又可分为吸附吸收两种：吸附状态是由于固体粒子与瓦斯分子之间分子吸引力的作用，使瓦斯分子在固体颗粒表面上形成很薄的吸附层；吸收状态是气体分子已进入煤分子团的内部。•煤体是一种复杂的多孔性固体，在成煤过程中生成的瓦斯，经过漫长的地质年代，大部分已排放入大气，只有一小部分至今仍被保存在煤体或围岩中。第二节矿井瓦斯涌出量一、煤层瓦斯的含量•煤层瓦斯含量是指单位质量或单位体积的煤体，在一定压力和温度下所含的瓦斯数量(即游离瓦斯和吸着瓦斯的总和)，用m3／t或m3／m3表示。二、瓦斯的涌出形式•（1）普通涌出：瓦斯从煤层或岩层表面非常细微的缝隙中缓慢、均匀而持久地涌出。这种涌出的方式涌出的面积大、时间长，是瓦斯涌出的主要形式。•（2）特殊涌出：特殊涌出又可以分为瓦斯喷出和煤(岩)与瓦斯突出两种。第二节矿井瓦斯涌出量三、瓦斯涌出量的计算•1）矿井绝对瓦斯涌出量：指矿井在一定时间或单位时间内所涌出的瓦斯数量，通常用m3／d或m3／min来表示。即：15-115-215-315-4第二节矿井瓦斯涌出量四、矿井瓦斯等级•根据《规程》规定，一个矿井只要有一个煤（岩）层发现瓦斯，该矿井即为瓦斯矿井。矿井瓦斯等级，根据矿井相对瓦斯涌出量、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。•煤（岩）和瓦斯（二氧化碳）突出矿井第三节瓦斯爆炸及其预防•一、瓦斯爆炸的条件及其影响因素•瓦斯爆炸的三个充分必要条件：瓦斯浓度、引火温度和氧的浓度。•1.瓦斯浓度•瓦斯只在一定浓度范围内爆炸，该浓度范围称为瓦斯爆炸界限，其最低浓度界限叫爆炸下限，最高浓度界限叫爆炸上限，瓦斯在空气中的爆炸下限为5%～6%，上限为14%～16%。•当瓦斯浓度低于爆炸下限时，遇高温火源并不爆炸，但能在火焰外围形成稳定的燃烧层。当瓦斯浓度高于爆炸上限时，失去其爆炸性，但在空气中遇火仍会燃烧。在正常空气中瓦斯浓度为9.5%时，其爆炸威力最大。当瓦斯浓度为7%～8%时最容易爆炸。第三节瓦斯爆炸及其预防•2、引火温度•瓦斯的引火温度受瓦斯浓度、火源性质及混合气体的压力等因素而变化，一般认为，瓦斯的引火温度为650～750℃，最低点燃能量为0.28Mj。当混合气体在压力增高时，引燃温度即降低。在引火温度相同时，火源面积越大、点火时间越长，越易引燃瓦斯。•3、氧的浓度•在煤矿井下巷道及采场等一般氧浓度均满足瓦斯爆炸条件（氧浓度＞12%）。井下含瓦斯的混合气体中氧的浓度降低时，瓦斯爆炸界限随之提高。当氧的浓度低于12%时，混合气体即失去爆炸性。第三节瓦斯爆炸及其预防•二、预防瓦斯爆炸的措施•1、防止瓦斯积聚的措施•1）加强通风•2）及时处理局部聚集的瓦斯•3）加强瓦斯监测检测•2、防止瓦斯引燃措施•1）在井口和井口房内，禁止使用明火。•2）在瓦斯矿井，要使用防爆型或安全火花型电器设备，对其防爆性能要经常检查，不符合要求的要及时更换。•3）严格执行放炮制度。•4）严格管理火区，防止密闭墙漏风，并定期测定火区温度。第四节瓦斯喷出与突出及其预防一、瓦斯喷出及其预防•1、瓦斯喷出的特点•1）瓦斯喷出与地质构造有密切关系。喷出一般都会发生在地质构造破坏带内，如断层、断裂和褶曲轴附近。如果煤层围岩中有溶洞、裂隙发育的石灰岩岩层存在，当其中储有大量瓦斯时，也能发生大规模的瓦斯喷出。•2）瓦斯喷出量有大有小，从几立方米到几十万立方米，喷出的持续时间从几分钟到几年，甚至十几年。它与蓄积的瓦斯量和瓦斯来源的范围有密切关系。•3）瓦斯喷出前往往出现预兆，如瓦斯浓度变大，或忽大忽小，以及喷出量增加时的嘶嘶声等。第四节瓦斯喷出与突出及其预防•2、喷出的预防与处理•预防与处理瓦斯喷出的措施，应根据瓦斯喷出量的大小和瓦斯压力的高低来拟定。有些矿井总结为探、排、引、堵四类方法。•1）探明地质构造。在掘进工作面的前方和两侧打钻，探明含有大量瓦斯的断层、断裂和溶洞，以及它们的位置、范围和瓦斯情况。•2）排放（或抽放）瓦斯。如探明的高压瓦斯带范围不大，含量不多时，可让其自然排放。若范围较大，瓦斯时较多时可将钻孔封堵，接入瓦斯管路进行抽放。•3）将瓦斯引至回风流。当喷出瓦斯的裂隙范围小和瓦斯量不大时，可用金属罩或帆布将喷瓦斯的裂隙盖住，然后在罩上接风筒或管子将瓦斯引至回风流，以保证工作面放炮、掘进安全。•4）封堵裂隙。喷瓦斯的裂隙较小，瓦斯量较少时，可用黄泥或其它材料封堵裂隙，阻止瓦斯喷出。第四节瓦斯喷出与突出及其预防二、煤与瓦斯突出及其预防•（一）煤与瓦斯突出的特点•（1）煤与瓦斯突出多发生在地质构造附近，如断层、褶曲、扭转等；•（2）高应力集中区，如巷道的上隅角、受煤柱集中应力影响的位置等；•（3）突出次数、强度随煤厚（特别是软分层厚度）、倾角等增大二危险性增大；•（4）突出与采掘的工序有关，且多发生在放炮和落煤时或其后；•（5）突出与煤层的瓦斯含量和瓦斯压力之间没有固定关系。第四节瓦斯喷出与突出及其预防•（二）预防煤与瓦斯突出的措施•1、区域性措施•区域性措施是指使大范围煤层消除突出危险性的措施，主要有开采解放层和预抽煤层瓦斯两种。图15-1开采解放层1—解放层;2—被解放层;3—巷道第四节瓦斯喷出与突出及其预防•2、局部性防突措施•1）钻孔排放瓦斯，钻孔排放瓦斯是石门揭煤时的一种措施，即用石门开拓有煤与瓦斯突出的煤层时，从掘进工作面距煤层10m以外，开始向煤层打钻，使煤层中的瓦斯从钻孔中自然排放出来，降低瓦斯压力，达到预防突出的目的，钻孔超前掘进工作面的距离不得小于5m。•2）放震动炮，放震动炮也是石门揭煤的一种措施。•3）水力冲孔，水力冲孔是在安全岩柱（或煤柱）的保护下向煤层打钻孔，用压力水通过钻杆冲击煤体，边钻边冲，使煤、瓦斯和水一起从钻杆也孔壁这间流出，从而将煤与瓦斯突出的能量“化整为零”地逐步释放出来。预防煤与瓦斯突出的措施，还有采用大直径超前钻孔、煤层高压注水及开卸压槽卸压等方法。第五节瓦斯抽放•瓦斯抽放是将矿井瓦斯通过钻孔（或专门抽放瓦斯的巷道）、管道、瓦斯泵直接抽至地面。抽放办法有：本煤层抽放、邻近导抽放、采空区抽放及地面定向钻孔抽放等。一、本煤层抽放瓦斯•本煤层抽放瓦斯是在开采煤层之前或开采煤层过程中利用钻孔或巷道进行该煤层的抽放工作。二、掘进巷道瓦斯抽放•在掘进巷道的两帮随掘进巷道的推进，每隔10～15m开一钻窝，在巷道周围卸压区内打1～2个45～60m的钻孔，封孔深1.5～2.0m，封孔后连接于抽放系统进行抽放。图15-2本煤层瓦斯抽放穿层钻孔布置图1—水平钻孔;2—上向钻孔;3—煤层顶板;4—钻场;5—抽放瓦斯管路;6—围岩平巷第五节瓦斯抽放三、邻近煤层抽放瓦斯•当开采含瓦斯的煤层群时，在有瓦斯赋存的邻近煤层内预先开凿抽放瓦斯的巷道或预先从开采煤层的某些巷道中向邻近煤层的顶板或底板打抽放钻孔，装上瓦斯抽放管道，进行瓦斯抽放四、采空区抽放瓦斯•如果在采空区内积存大量瓦斯时，往往会通过漏风而进入生产巷道或采煤工作面，造成瓦斯超限而影响正常生产。为此可采用：•（1）在采空区上方开掘一条专用瓦斯抽放巷道，在巷道中布设钻场向下部采空区打钻抽放；•（2）从工作面超前巷道中掘专用钻窝向工作面采空区的上隅角打钻抽放；•（3）在放顶煤工作面煤层中沿顶板在靠风巷一侧开设专用的瓦斯排放巷道，密闭后安设管道抽放。图15-3利用钻孔抽放上邻近层瓦斯图第五节瓦斯抽放五、地面定向钻孔抽放瓦斯•近年来，应用石油部门的拐弯钻机从地面打抽放瓦斯钻孔获得成功，先从地面打垂直钻孔到煤层，经拐弯后沿煤层钻进，在煤层内可延伸达1000m以上，然后在地面利用钻孔直接抽放瓦斯。•《规程》规定：“抽放瓦斯的矿井中，利用瓦斯时其浓度不得低于30%，不利用瓦斯时，采用干式抽放瓦斯设备，瓦斯浓度不得低于25%”。•抽出的瓦斯可以按浓度不同，合理的加以利用：浓度为35%～40%时，可作为工业或民用燃料；浓度50%以上的瓦斯可作为化工原料。第六节矿尘一、矿尘及其危害性•煤矿矿尘，就其危害和数量而言，主要是煤尘和岩尘。其生成量，以采掘工作面最高，其次为运输过程中的各转载点。•矿尘危害的主要表现为：•（1）污染工作场所，危害人体健康，引起职业病。•作业地点矿尘过多会影响视线，甚至造成视力减退，不利于及时发现事故隐患，从而增加了发生事故的机会；皮肤沾染矿尘，阻塞毛孔能引起皮肤病或发炎；人体吸入过量的矿尘，轻者可引起上呼吸道炎症，严重时可导致尘肺病，尘肺病是目前危害较大的一种矿工职业病。•（2）燃烧或爆炸•井下煤尘在一定的条件下可以燃烧或爆炸，对于瓦斯矿井，煤尘可能参与瓦斯同时爆炸，煤尘或瓦斯煤尘爆炸可酿成严重的矿山灾害。•（3）加速机械设备的磨损，缩短仪器设备的使用寿命。第六节矿尘二、煤尘的爆炸及其预防•煤尘爆炸一旦形成，爆炸波便可将巷道中的落尘扬起而成为浮尘，为爆炸的延续和扩大补充尘源，因此，煤尘爆炸不仅表现出有连续性的特点，而且在连续爆炸的条件下，还可能有离开爆源越远其破坏力越大的特征。•煤尘引燃的温度变化范围较大，一般为700～800℃以上，有时也可达1100℃。煤矿中能点燃煤尘的高温热源有爆破时出现的火焰、电气设备的电火花、电缆和架线上的电弧、采掘机械工作时出现的冲击火花、安全灯火焰、井下火灾以及瓦斯爆炸等。•煤尘爆炸性可以分为有爆炸危险性及无爆炸危险性两种，需经过煤尘爆炸试验来确定。一般来讲，无烟煤的煤尘没有爆炸危险性。但煤尘无论有无爆炸危险，对人体健康都是有害的，因此，在矿井生产过程中应当采取必要的防尘措施。•防止煤尘爆炸的措施分为降尘措施、防止引燃措施、隔爆措施三类。第六节矿尘•（一）降尘措施•(1)煤层注水湿润煤体。在回采以前，通过钻孔将压力水注入煤体以湿润煤体。可在回采工作面煤壁上打钻孔．也可在回风平巷或运输平巷平行工作面煤壁打钻孔。国内不少矿井都试验和采用了这种防尘措施，均获得较好的防尘效果。•(2)采空区灌水。当开采近距离煤层群的上组煤或者采用分层法开采厚煤层时，往往在采空区灌水湿润下组煤或下分层的煤体，以防止开采时煤尘的生成。对前者来说。两个煤层间的岩层应具有较好的透水性，而后者往往是与防止自然发火进行预防性灌浆相结合，技术要求和灌浆基本相间。•(3)水封爆破及水炮泥。它们都是由钻孔注水预湿煤体演变而来的。将注水与爆破结合起来，不仅起到消烟防尘的作用，而且也提高了炸药的爆破效果。•(4)喷雾洒水。在尘源发生地点喷雾洒水是捕尘降尘的简便易行而有效的措施。在机组采煤、联合掘进机组掘进、装煤、翻车、转载等生产