矿井灾害防治技术(第一章 瓦斯)

二、矿井瓦斯的成因和分带
1.矿井瓦斯的成因 成气过程可分为两个阶段： 第一阶段为生物化学成气时期； 第二阶段为煤化变质作用时期。 2.煤层瓦斯垂直分带 根据井下煤层瓦斯组分和含量，将煤层瓦斯按赋存深度不 同自上而下分为4 个带：N2—CO2带、N2带、N2—CH4 带和 CH4带（见图1-1-1）。
第一节 基本概念和理论概述 主 要 内 容
• 一、 矿井瓦斯的定义及性质 • 二、 矿井瓦斯的成因和分带 • 三、 煤层瓦斯的赋存状态 • 四、 矿井瓦斯的涌出 • 五、 瓦斯涌出的影响因素 • 六、 矿井瓦斯等级
一、矿井瓦斯的定义及性质
1.矿井瓦斯的定义 从广义上讲，矿井瓦斯是指从煤层或岩层中放出或生产 过程中产生并涌入到矿井内的各种气体。 狭义的讲，矿井瓦斯专指甲烷（CH4）。后面章节中所 谈的瓦斯概念，一般为甲烷。 2.矿井瓦斯的性质 2. 瓦斯是无色、无味、无臭、无毒的气体。瓦斯比空气轻， 其比重为0.554 ，因此在煤矿井下常积聚在巷道顶部或上山 迎头。瓦斯的扩散能力是空气的1.6 倍，且渗透能力很强。 瓦斯微溶于水，瓦斯不助燃，但条件适宜时能发生燃烧和爆 炸。
（二）瓦斯爆炸的条件及影响因素 1.瓦斯爆炸的基本条件 ① 瓦斯浓度在爆炸界限内， 一般为5％～16％ ； ② 混合气体中的氧浓度不低 于12％ ； ③ 有足够能量的点火源。 瓦斯爆炸的充要条件是以上 三条件必须同时具备。
柯瓦德爆炸三角形
瓦斯与高温热源接触后，不是立即燃烧或爆炸，而是要经 过一个很短的间隔时间，这种现象叫引火延迟性，间隔的这 段时间称感应期。 瓦斯浓 度/﹪ 6 7 8 9 10 12 火源温度/℃ 875 925 975 感应期/s 0.35 0.20 0.36 0.21 0.37 0.22 0.39 0.23 0.41 0.24 0.44 0.25 0.12 0.13 0.14 0.14 0.15 0.16
第三节 瓦斯爆炸的防治与处理技术 主 要 内 容
• 一、防止瓦斯积聚的技术措施 • 二、防止点火源的出现 • 三、加强瓦斯的检查和监测 • 四、瓦斯爆炸的处理要点
一、防止瓦斯积聚的技术措施
（一）按照《规程》的要求做好通风工作 （1）矿井通风必须采用机械通风； （2）所有没有封闭的巷道必须保持足以稀释瓦斯到规定界 限的风量和风速； （3）采煤工作面必须保持风路畅通，避免形成串连通风； （4）掘进工作面供风最容易出现安全问题； （5）对高瓦斯矿井，必须使用“三专两闭锁” ； （6）整个矿井的生产和通风是相匹配的。
（三）煤(岩)与瓦斯突出的一般规律和预兆 1. 煤(岩)与瓦斯突出的一般规律 （1）危险性随开采深度及煤层厚度增大而增大； （2）绝大多数发生在掘进工作面； （3）引起应力状态突然变化的区域： （4）主要诱导因素是采掘作业，其次为爆破、风镐、手镐 作业。 2. 突出预兆 突出预兆主要有以下几种： ① 声响预兆； ② 煤结构变化预兆； ③ 地压方面的预兆；④ 瓦斯方面的预兆； ⑤ 其他预兆。
2. 突出的条件 突出发生必须同时满足以下3 个条件： （1）放炮落煤、石门突然揭开煤层、采掘工作面进入地 质构造带、打钻、悬顶冒落等使工作面附近煤（岩）体应 力状态突然改变，并导致煤（岩）体局部的突然破坏，这 是突出的诱发条件； （2）突出诱发后，煤（岩）的暴露面处于高地应力和高 瓦斯压力区，使煤（岩）体能产生自发地连续破碎，这是 突出的发展条件； （3）煤（岩）体和已破碎的煤（岩）能快速涌出瓦斯 （包括游离瓦斯和吸附瓦斯），并形成能抛出已破碎煤 （岩）的瓦斯流，这是突出发展的必要条件。
2.影响瓦斯爆炸发生的因素 （1）其它可燃气体的影响 （2）氧浓度和过量惰气的影 响（表1-2-2 ） （3）温度的影响。 （4）气压的影响。
柯瓦德爆炸三角形
表1-2-2 可燃气体H2、CH4、CO失爆所需的惰气量 可燃气体 加入的惰气 N2 CO2 N2 CO2 N2 CO2 惰气/可燃气 (体积比率) 16.55 10.20 3.00 3.20 4.12 2.16 失爆点处的气体(体 积)浓度/% 可燃气体 4.3 5.3 6.1 7.3 13.9 18.6 O2 5.1 8.4 12.1 14.6 6.0 8.6
H2 CH4 CO
（三）矿井瓦斯爆炸的致因 1．瓦斯积聚 瓦斯积聚是指体积超过0.5m3时的空间瓦斯浓度超过2％的 现象。积聚原因主要有以下几个方面： （1）通风系统不合理； （2）正常生产时期，煤矿井下的通风设施被随意改变其状 态； （3）采掘工作面的串联通风； （4）局部通风机停止运转可能使掘进工作面很快达到瓦斯 爆炸的界限； （5）对封闭的区域或停工一段时间的工作面恢复通风，未 制定专门的排放瓦斯措施； （6）采空区和盲巷中往往积存大量高浓度的瓦斯。
2．刮板输送机底槽的瓦斯积聚处理技术 处理的方法有以下几种：（1）设专人清理输送机底下遗 留的煤炭，保证底槽畅通，使瓦斯不易积聚；（2）保持输送 机经常运转，即使不出煤也让输送机继续运转，以防止瓦斯积 聚；（3）如果发现输送机底槽内有瓦斯超限的区段，可把输 送机吊起来，使空气流通排除瓦斯；（4）有压风管路的地点 可以将压风引至底槽进行通风，排除积聚的瓦斯。 3．机械化采煤工作面瓦斯积聚的处理 （1）加大工作面的进风量；（2）降低瓦斯涌出的不均匀 性；（3）抽放瓦斯和煤壁注水；（4）采煤机附近局部瓦斯积 聚，可在采煤机的切割部或牵引部安装小型局扇或水力引射器， 吹散积存的瓦斯。
二、煤(岩)与瓦斯突出 岩 与瓦斯突出
（一）煤(岩)与瓦斯突出分类 按照突出物质的不同，突出可分为煤与甲烷突出、岩石与甲 烷突出、砂岩和二氧化碳突出，以及煤、岩、二氧化碳和甲烷 突出。 按照突出动力源的不同，突出又可分为倾出、压出和突出。 （二）煤(岩)与瓦斯突出的机理和条件 1. 突出机理 煤(岩)与瓦斯突出是一种力学现象，是地应力、瓦斯和煤(岩) 的物理力学性质3 个因素综合作用的结果。地应力、瓦斯和煤 (岩)强度是突出的主要自然因素，突出的发生与否取决于这3 个 因素的一定组合。 典型的煤(岩)与瓦斯突出过程可归结为准备、激发、发展和 终止4 个阶段。有些突出不是一次完成的，而是有多个循环。
第二节
瓦斯爆炸及突出的规律 主 要 内 容
一、瓦斯爆炸 二、煤(岩)与瓦斯突出 岩 与瓦斯突出
一、瓦斯爆炸
（一）瓦斯爆炸的过程及其危害 1. 瓦斯爆炸的化学反应过程 最终的化学反应式为： CH4＋2O2＝CO2+2H2O 如果煤矿井下O2不足，反应的最终式为： CH4+O2＝CO+H2+H2O 2．瓦斯爆炸的产生与传播过程 3．瓦斯爆炸的危害 矿内瓦斯爆炸的有害因素是：高温、冲击波和有害气体。
五、瓦斯涌出的影响因素
（1）煤层和围岩的瓦斯含量 （2）开采深度 （3）开采规模 （4）开采顺序与开采方法 （5）地面气压的变化
六、矿井瓦斯等级
《 规程》规定：一个矿井中，只要有一个煤（岩）层中发 现过瓦斯，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，按照平均日产一吨煤涌出瓦 斯量和瓦斯涌出形式划分为： 低瓦斯矿井：10 m3 及其以下； 高瓦斯矿井：10 m3以上。 煤与瓦斯突出矿井： 矿井在采掘过程中，只要发生过一次 煤与瓦斯突出，该矿井即为突出矿井，发生突出的煤层定为突 出煤层。
图1-1-2 煤体中瓦斯的赋存状 态示意图 1-自由瓦斯 ；2-吸着瓦斯； 3-吸收瓦斯；4-煤体；5-空隙
2. 影响煤层瓦斯含量的因素 （1）煤田地质史 （2）地质构造 （3）煤层的赋存条件 （4）煤层的围岩性质 （5）煤的变质程度 （6）岩浆活动 （7）水文地质条件 3. 煤层瓦斯压力 煤层瓦斯压力是指煤孔隙中所含游离瓦斯的气体压力，即 气体作用于孔隙壁的压力。
4．顶板瓦斯聚积的处理 1）顶板附近瓦斯层状积聚的处理 预防和处理瓦斯层状积聚的方法有两种： （1）加大巷道内风流速度；（2）加大顶板附近的风速； （3）黄泥抹缝法；（4）瓦斯抽放法，如图1-3-9 所示。
图1-3-9 钻孔抽放裂隙带的瓦斯
（7）当采掘工作面推进到地质构造异常区域时，有可能发生瓦斯 异常涌出，造成瓦斯积聚。 （8）巷道冒落空洞由于通风不良容易形成瓦斯积聚。 （9）小煤矿的瓦斯积聚除上述几个方面外，还有以下几点： ① 独眼井开采。 ② 未安装主要通风机。 ③ 使用局部通风机代替主要通风机。 ④ 回风井筒兼作提升，矿井漏风严重，通风机不能发挥作用。 ⑤ 矿井停工停风或掘进工作面停工停风。 ⑥ 井下通风系统混乱，串联通风严重。 ⑦ 掘进工作面无局部通风机。 ⑧ 没有瓦斯检查、监测制度。 ⑨ 无专门的安全技术人员从事安全管理工作。
2．瓦斯爆炸的点火源 （1）井下爆破引起的瓦斯爆炸和燃烧事故呈增加的趋势， 存在的问题主要有： ① 使用了不符合安全要求的炸药或炸药已经超过安全有效 期限； ② 充填炮泥不合格，造成放炮火焰存在时间过长； ③ 炮眼布置不合理，抵抗限过低，或者放明炮、糊炮等； ④ 爆破电路连线不合格，产生电火花； ⑤ 放炮器不合格或使用明电放炮等。 （2）电火花引起的瓦斯爆炸与电器设备的不合格和人员违 章操作有关； （3）摩擦撞击火花有时难以避免； （4）井下严禁使用明火； （5）其他情况。
图1-1-1 顿巴斯煤田煤层瓦斯组分在各瓦斯带中的变化 I—N2-CO2；II—N2；III—N2-CH4；IV—CH4
三、煤层瓦斯的赋存状态 1.瓦斯的赋存状态 矿井瓦斯在煤、岩层中 以两种状态存在，即自由状 态和吸附状态。 自由状态又称游离状态。 吸附状态分为两种表现形式， 即吸着状态和吸收状态。 自由瓦斯和吸附瓦斯关系： 二者是处于一种动平衡状 态，即在一定条件下自由瓦斯 和吸附瓦斯可以互相转化。
（二）及时处理局部聚积的瓦斯 1．回采工作面上隅角的瓦斯积聚处理技术 处理的方法有以下几种： 1）增风吹散法 （1）风障引流法 （2）液压局部通风机吹散法 （3）脉动通风技术吹散法 2）无火花设备抽排法 （1）风筒引射导风法 （2）移动泵站抽放法 （3）尾巷排放法
《 煤矿安全规程》 对该方法的应用提出如下要求： ① 工作面风流控制必须可靠； ② 专用排瓦斯巷道内不得进行生产作业和设置电器设备进； ③ 专用排瓦斯巷道内风速不低于0.5 m/s； ④ 专用排瓦斯巷道内必须用不燃性材料支护，并应有防止产生 静电、摩擦和撞击火花的安全措施； ⑤ 专用排瓦斯巷道必须贯穿整个工作面推进长度且不得留有盲 巷； ⑥ 专用排瓦斯巷道内必须安设甲烷传感器，甲烷传感器应悬挂 在距专用排瓦斯巷道回风口15m处； ⑦ 煤层的自燃倾向性为不易自燃。
目
第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章
录
第一章 矿井瓦斯灾害防治 矿井火灾防治 矿尘防治 矿井水灾防治 井水灾防治 煤矿爆破事故防治 煤矿顶板灾害防治 煤矿安全管理技术
第一章 矿井瓦斯灾害防治 目 录
• 第一节 • 第二节 • 第三节 • 第四节 • 第五节 • • 基本概念和理论概述 瓦斯爆炸及突出的规律 瓦斯爆炸的防治与处理技术 煤与瓦斯突出防治与处理 矿井瓦斯抽放 复习题 问题思考
775 1.08 1.15 1.25 1.3 源自文库.4 1.64
825 0.58 0.6 0.62 0.65 0.68 0.74
1075
1175
0.039 0.041 0.01 0.042 0.012 0.044 0.015 0.049 0.018 0.055 0.02
表1-2-1 瓦斯爆炸感应期火源温度/℃
四、矿井瓦斯的涌出
1．矿井瓦斯涌出形式 瓦斯从煤层或围岩中涌出的形式有两种： （1）普通涌出 （2）特殊涌出 2．矿井瓦斯涌出量 （1）Q绝=Q×C×60×24 （1-1-1） 式中 Q—矿井总回风道风量，m3/d； C—回风流中的平均瓦斯浓度，%。 （2）q相= Q绝×n/T （1-1-2） 式中 Q绝—矿井绝对瓦斯涌出量，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。