煤矿瓦斯防治单智勇一

煤矿瓦斯灾害防治技术单智勇副总工程师河南能源化工集团我国煤矿瓦斯事故我国煤炭资源丰富，分布地域广阔，但煤层赋存条件差异大，含瓦斯煤层多，瓦斯储量大，煤与瓦斯突出严重。我国国有重点井工矿、地方国有矿井中的44%为高瓦斯矿井和突出矿井。瓦斯给煤矿生产带来极大的危害，尤其是瓦斯、煤尘爆炸和煤与瓦斯突出事故灾害，在我国无论是发生的次数或者是伤亡的人数均居于煤矿“五大”自然灾害之首。瓦斯是煤矿大自然灾害中危害最大的一种灾害，特别是在重特大事故中，所占比例最大。从新中国成立到2007年，全国煤矿共发生一次死亡百人以上矿难事故23起，其中：瓦斯爆炸事故21起，占91%，可以说，“瓦斯不治，矿无宁日”，一旦发生事故，将会导致惨重后果。煤矿安全工作，应把瓦斯防治作为重中之重。焦煤公司几起典型的瓦斯事故情况•1、演马庄矿：75年8月4日，二水平皮带运输大巷穿煤门时，突出1500t,44万m3瓦斯，死亡44人，伤55人。•2、中马村矿：78年7月10日，17轨道上山，打钻时，突出煤量650t，瓦斯11万m3，逆风，引起爆炸，死亡27人，伤20人。•3、中马村矿：89年4月23日，17轨道上山，手稿落煤时，突出煤量511t，瓦斯13万m3，12人窒息死亡。•4、朱村矿：03年元月23日，25051联络巷，放炮突出，突出煤量650t，瓦斯5.2万m3，逆风800m,19人窒息死亡。•5、九里山矿：05年8月23日，15051运输巷，放炮突出，突出煤量2397t，瓦斯23.25万m3，造成2个采区的所有采掘工作面瓦斯都在10%以上，工作人员200多人，逆风1500m以上，未造成伤亡。煤矿瓦斯特征及危害1.瓦斯特征煤矿瓦斯是矿井采掘空间及围岩内有害气体的总称，其主要成分为甲烷(CH4)，其次是二氧化碳(C02)、氮气(N2)、一氧化碳(CO)等。1.1.瓦斯的性质(1)矿井瓦斯是无色、无味、无臭的气体要检查空气中是否含有瓦斯及其浓度，仅靠人的感观检查是不行的，必须使用专用的检查仪。（2）瓦斯比空气轻与空气的相对密度为0.554，比空气轻一半。在风速低的情况下它总存在巷道和采空区顶部。(3)瓦斯有很强的扩散性瓦斯扩散速度是空气的1.34倍，一处有瓦斯涌出，就能扩散到巷道附近。这样，既增加了检查瓦斯诵出源的难度，也使瓦斯的危害范围扩大。（4）瓦斯的渗透性很强在一定瓦斯压力和地压共同作用下，瓦斯能从煤岩中向采掘空间涌出,甚至喷出或突出。（5）瓦斯可溶解于水在101.3KPA压力下，当温度为20度时，100升水可溶解3.31升甲烷。零度时，100升水可溶解5.56升甲烷。1.2瓦斯的生成瓦斯的生成划分为两个时期：(1)生物化学成气时期在植物沉积成煤初期的泥炭化过程中，有机物在隔绝外部氧气进入和温度不超过65℃的条件下，被厌氧微生物分解为CH4、CO2和H2O。由于泥炭时期埋深不大，生成的瓦斯通过渗滤和扩散排放到大气中，因此，生物化学作用时期产生的瓦斯一般不会保留在煤层内。(2)煤化变质作用时期随着煤系地层的沉降及所处压力和温度的增加，泥炭转化为褐煤，有机物在高温、高压作用下，处于变质造气时期，挥发分减少，固定碳增加，生成的气体主要为CH4和CO2。(3）瓦斯生成的量据前苏联和美国的测试：不同煤种生成1t煤可产生的瓦斯如下表：煤　阶褐　煤长焰煤气　煤肥　煤焦　煤瘦　煤贫　煤无烟煤生气量（m3/t）阶段生气量（m3/t）411746861004417270287333419681682122291.3瓦斯赋存在山东省鲁西断隆控制的石炭二叠纪煤田，由于隆起较早，上覆普遍缺失三叠系地层，煤层长期遭受风化剥蚀作用，大量瓦斯逸散，埋深600-700m仍属瓦斯风化带，目前山东省范围内90%的矿井都属于低瓦斯矿井；而河南豫西煤田石炭二叠系煤层，上覆沉积了数千米厚的三叠系的地层，因此瓦斯保存条件较好，焦作、鹤壁、郑州、平顶山矿区都属于高瓦斯、突出矿区。1.4瓦斯在煤体中状态煤是一种多孔性的固体，煤体中分布着大量的不同直径的微小孔隙，瓦斯赋存在这些孔隙中，其赋存状况可分为游离、吸附、吸收3种状态。（1）游离状态以自由气体状态存在煤岩的孔隙中，可自由运动，并呈一定的压力。占瓦斯总量的10~20%，比例很少。（2）吸附状态由于煤分子的吸引力的作用，使瓦斯分子吸附在煤岩表面形式一层薄膜，这种瓦斯叫吸附状态。（3）吸收状态瓦斯与煤分子紧密结合在一起，跟气体溶解于液体中一样，这种瓦斯叫吸收瓦斯。吸附瓦斯和吸收瓦斯不呈现有压力，但占煤层瓦斯总量的80%-90%。采掘中，自由瓦斯先涌出来，吸附瓦斯也被解析随之也涌出来。1.5煤层瓦斯含量成煤同时生成的瓦斯在亿万年的过程中大部分瓦斯逸散到大气中挥发了，只剩下小部分瓦斯被保存下来(3%-24%)，这些被保存下来的瓦斯叫煤层瓦斯含量。表示方法为每单位质量煤体中所含瓦斯体积量，用M3/t，即1t煤中所含瓦斯的m3数。煤层瓦斯含量分为：原始含量—未受采动及抽采的含量；残存含量—受采动及抽采影响现存量；原煤瓦斯含量—单位质量原煤中的量；可燃基瓦斯含量—原煤中除去灰分和水分后的单位质量可燃部分中的瓦斯含量。煤层瓦斯含量主要决定因素水文地质条件地质构造煤层赋存条件煤层围岩性质煤层有露头瓦斯易于排放，无露头瓦斯易于保存；对同一煤层，瓦斯风化带以下，煤层瓦斯含量随深度加大而增大；在其它条件相同，同一开采深度上，煤层倾角越小，煤层所含瓦斯越多。围岩致密完整、不透气时，煤层瓦斯易于保存；反之，煤层瓦斯易于逸散。地下水交换活跃地区，水能从煤层中带走大量瓦斯，从而使煤层瓦斯含量明显减少。开放性构造是煤层有利于瓦斯的放散，因此开放性构造发育煤层，瓦斯含量就小；封闭性构造，阻断瓦斯放散通道，相应煤层瓦斯含量大。煤的变质程度煤的变质程度越高，生成的瓦斯量越大。当其它条件相同，煤的变质程度越高，煤层瓦斯含量就越大。1.6瓦斯浓度瓦斯浓度是指瓦斯与空气混合后，瓦斯的体积占混合气体体积的百分数，单位是%。如浓度为1%是说在100m3的混合气体中有1m3的瓦斯。1.7瓦斯涌出量矿井瓦斯涌出量是指矿井生产过程中，从开采煤层围岩涌出瓦斯量的总和。其表达方式分：（1）绝对瓦斯涌出量开采瓦斯煤层时，每分种从煤层中进入井巷空间的瓦斯涌出总量。单位是：m3/min。计算公式是：瓦斯涌出量=风量x瓦斯浓度m3/min。绝对瓦斯涌出量不能表明其涌出的严重程度，因此要引出相对瓦斯涌出量的概念。(2)相对瓦斯涌出量平均月生产1t煤涌出的瓦斯量，单位是m3/t。1.8煤矿瓦斯涌出形式(1)一般涌出煤矿生产过程中，由采落煤炭和煤层、岩层的新鲜暴露面，通过孔隙、裂隙，瓦斯以较长时间、均匀、缓慢的速度向采掘空间逸出。它是一种较为普通的也是主要的形式，易于防范。（2）特殊喷出采掘过程中，处于裂缝或空洞中有压力的瓦斯以较短的时间涌入的现象叫喷出，其特点是：时间短、喷出量大、不带煤岩、使采掘空间很快充满大量爆炸窒息瓦斯。在20m巷道范围内，涌出瓦斯量≥1.0m3/min，且持续时间在8h以上时，该采掘区即定为瓦斯（CO2）喷出危险区域。（3)煤与瓦斯突出短时间内大量的瓦斯并带有大量的煤岩，有时伴有高压气浪和声响抛向空间的现象。突出对安全生产危害极大，摧毁巷道和设备、甚至引起爆炸、造成人员中毒和伤亡。煤层瓦斯含量矿井瓦斯涌出量主要影响因素采煤方法开采顺序厚煤层分层开采时，首分层瓦斯涌出量最大，最后一个分层瓦斯涌出量最小。开采规模越大，矿井的绝对瓦斯涌出量也就越大；但就矿井的相对瓦斯涌出量来说，情况比较复杂。是决定因素。瓦斯含量越高，矿井瓦斯涌出量就越大。陷落法比充填法工作面的瓦斯涌出量大。采煤方法的回采率越低，瓦斯涌出量就越大，因为丢煤中所含瓦斯的绝大部分仍要涌入巷道。顶板管理方法生产工序通风压力大气压力变化负压通风，风压越高瓦斯涌出量越大；正压通风，风压越高瓦斯涌出量越小。地面大气压的变化对对采空区瓦斯涌出有较大的影响。落煤时瓦斯涌出量大于其它工序。开采规模一般采空区存有大量瓦斯，未封闭或封闭不严，采空区瓦斯大量涌出，矿井瓦斯涌出量增大。采空区管理方式2.煤矿瓦斯的危害瓦斯的危害瓦斯危害主要体现在两个方面：一是：轻者影响生产。严禁超限作业，超限就要停头、停面处理，严重制约生产。二是：重者危害职工健康，威胁矿井安全。当瓦斯浓度大于8%时，能使人因缺氧昏倒或窒息。当瓦斯浓度在5%~~16%时，遇火会发生爆炸。当瓦斯浓度小于5%、大于16%时，遇火会发生燃烧。在一定的条件下，会发生煤与瓦斯突出事故。2.1瓦斯爆炸（1）瓦斯爆炸必须同时具备三个条件•瓦斯浓度：5~16%，9.5%强度最大。•氧含量：=12%•引爆火源：=650゜C•上述三个条件必须同时具备，否则，不会爆炸。（主要控制：瓦斯浓度、火源。）（不易控制的：突出，无计划停风、停电，电气火源）。瓦斯爆炸的界限（2）影响瓦斯浓度的因素当空气中混入具有爆炸性的煤尘时，瓦斯爆炸下限将会降低，随着煤尘量的增加，会导致从量变到质变，形成瓦斯煤尘混合爆炸或煤尘爆炸。（3）引爆火源及瓦斯爆炸“感应期”•引爆火源下限为650゜C•常见引爆火源实验室测定：吸烟为650~800゜C，感应期为11秒。划火柴为1200゜C，感应期为0.2秒。爆破明火和电气火源2000゜C感应期为千分之几秒。（4）引爆几率长期生产实践和事故统计分析表明：•电气明火占50%以上，居第一位。说瓦斯管理的时候，一定不要忘记机电管理。停电时容易造成瓦斯超限，送电时，容易产生明火。•爆破引爆占25~37%，居第二位。•其他火源居第三位，其中，吸烟引爆约占4.6%。（5）瓦斯爆炸类型按爆炸特点、波及范围和破坏程度，大体分为三类：•局部爆炸•大型爆炸•连续爆炸•局部爆炸：指瓦斯积聚量小，爆炸波及范围小，破坏程度小，处理难度相对也小的小型爆炸。一般发生在局部通风不良的掘进工作面等。•大型爆炸：指参与爆炸的瓦斯量大，爆炸威力大，伤亡惨重，处理难度也较大的爆炸。一般发生在采煤工作面上隅角，采空区有瓦斯库，或停风时间较长的掘进工作面，或盲巷瓦斯参与爆炸，或突出后发生爆炸等。（05年郑煤大平煤矿、铜川）•连续爆炸：指第一次爆炸后，现场留有火患，在处理事故的过程中，又发生第二次、第三次等多次爆炸。（97年淮南）（6）瓦斯爆炸事故处理要点1、立即成立指挥部，并听取、了解以下情况•灾情：爆炸原因、位置、波及范围、人员情况等。•人员情况：人数、分布、伤亡、撤退等情况。2、分析判断•爆炸类型：•是否会发生火灾或连续爆炸，造成事故扩大。•通风系统破坏情况（1）机房水柱上升，风阻增大，说明巷道有冒、堵现象。（2）机房水柱下降，风阻减小，说明控制风门可能摧毁，风流短路。•充分利用监控系统，分析灾情发展趋势，影响范围及可能发现问题。•3、提出处理方案：案例分析（听取事故汇报，分析灾害情况，制定处理方案，审定安全措施，下达决策命令，组织事故抢救，恢复正常生产）。2.2煤与瓦斯突出在地应力和瓦斯的共同作用下，破碎的煤、岩和瓦斯由煤体或岩体内突然向采掘空间抛出的异常动力现象。造成：摧毁井巷设施、破坏通风系统、瓦斯逆流、人员窒息、煤流埋人、瓦斯爆炸。寺河“5.20”煤与瓦斯突出事故突出现场煤炭堆积照片陶二矿“4.20”突出孔洞2.2.1突出类型按突出形式分：倾出、压出、突出三大类。按突出强度分按每次突出的煤量分为四类：•小型突出：100吨•中型突出：100~500吨•大型突出：500~1000吨•特大型突出：=1000吨2.2.2突出机理•虽然到目前为止，从理论上，认识上，对突出的原因和机理，我们还没有完全掌握，但大部分人认为，突出是由以下三个因素综合作用的结果所致：•地应力•瓦斯压力•煤的物理力学性质鉴于我国目前的科技水平、装备手段和经济实力，有效改变煤的物理力学性质，充分卸掉地应力是较为困难的，但在上述三大因素中，瓦斯压力释放是可能的，因此对瓦斯突出原因和机理应统一以下几点认识：•（1）瓦斯压力是左右突出的主导因素生产实践和事故统计共同表明，低瓦斯矿井发生瓦斯燃烧和瓦斯爆炸事故是不足为奇的，但发生突出事故是极其罕见的，所以说，瓦斯压