1、浅析煤矿瓦斯灾害防治技术摘要：我国煤炭资源储量丰富，是世界第一产煤大国，也是消费大国，煤炭产量占世界总煤炭产量的37%，在我国的一次能源消费构成中，煤炭约占70%。由于我国煤炭赋存深度较深，95%以上为井工开采，加之地质条件复杂，经常受到瓦斯、水火、粉尘、顶板等自然灾害的威胁，其中瓦斯事故尤为严重，是瓦斯事故最多的国家之一。在煤矿矿井中，瓦斯灾害主要表现为瓦斯爆炸、瓦斯煤尘爆炸以及煤与瓦斯突出事故。瓦斯是煤矿安全生产的“第一杀手”。新中国成立以来，煤矿发生的22起一次死亡百人以上特大事故中，其中20起为瓦斯（与煤尘）事故；煤与瓦斯突出次数占全世界突出总次数的1/3以上，其中最大一次突出事故突出
2、的煤和岩石量达12780t、瓦斯140万立方米。可见，瓦斯灾害防治在煤矿生产中尤为重要。本文煤矿瓦斯基础理论进行了阐述，对煤矿灾害防治技术进行了研究，并对煤矿瓦斯灾害防治的未来进行了探讨。关键词：瓦斯灾害、爆炸、突出、防治 煤矿瓦斯基础理论概述1.1瓦斯及其形成1.1.1 瓦斯的概念瓦斯是井下煤岩涌出的各种气体的总称，其主要成分是以甲烷为主的烃类气体，有时也专指甲烷，瓦斯的物理性质和化学性质一般都针对甲烷而言的。瓦斯是在煤炭发育过程中形成的，故也称煤层气。1.1.2 瓦斯的形成瓦斯的形成要分为两个阶段，即生物化学造气阶段和煤化变质造气阶段生物化学造气阶段：在植物沉积成煤初期的泥炭化过程中，有机
3、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、。这一过程发生在地表，因而生成的大部分气体散失于古大气中。随着泥炭层的逐渐下沉和地层沉积厚度增加，压力和温度也随之增加，生物化学作用减弱并最终停止。煤化变质造气阶段：随着泥炭转化为褐煤并进入变质作用时期，有机物在高温、高压作用下，挥发分减少，固定碳增加，这是生成的气体主要为、。这个阶段中，瓦斯生成量随着煤的变质程度增高而增多。1.2瓦斯的赋存1.2.1 煤的孔隙结构由植物生成煤炭的过程中，在褐煤至无烟煤变质阶段，瓦斯（煤层气）生产量的综合达到200400/t。其中的1/51/10将保存在煤体内。煤体内保存瓦斯的数量，与煤的结构有
4、关。煤是一种复杂的孔隙性介质，有发达的、各种不同直径的孔隙和裂隙，形成庞大的孔隙表面与微空间，根据测定，1g无烟煤的微孔表面积达200以上，为瓦斯赋存提供了条件。为了研究瓦斯在煤中的赋存与流动，把煤中的孔隙作如下分类：微孔其直径小于mm，它构成煤中的吸附容积；小孔其直径在mm之间，它构成毛细管凝结和瓦斯扩散空间；中孔其直径在mm之间，它构成缓慢的层流渗透区间；大孔其直径在mm之间，它构成强烈的层流渗透区间，并决定了具有强烈破坏结构煤的破坏面；可见孔及裂隙其直径在mm以上，它构成层流及紊流混合渗透区间，并决定了煤的宏观破坏面，一般小孔至可见孔的孔隙体积只和称为渗透容积，吸附容积与渗透容积只和称为
5、总孔隙体积；煤的总孔隙体积占相应体积的百分比称为煤的孔隙率。1.2.2 瓦斯的赋存状态成煤过程中生成的瓦斯以游离和吸附这两种不同的状态存在于煤体中，通常称为游离瓦斯和吸附瓦斯。 1-游离瓦斯；2-吸附瓦斯；3-吸收瓦斯；4-煤体；5-煤中孔隙图2-1 煤体中瓦斯的赋存状态游离状态也叫自由状态，这种状态的瓦斯以自由气体存在，瓦斯量的大小与贮存空间的容积和瓦斯压力成正比，与瓦斯温度成反比。吸附状态的瓦斯主要吸附在煤的微孔表面上（吸着瓦斯）和煤的微粒结构内部（吸收瓦斯）。吸附瓦斯量的多少，决定于煤对瓦斯的吸附能力和瓦斯压力、温度等条件。不同煤质的吸附能力是不同的，大致如下：褐煤无烟煤长焰煤石墨，但褐
6、煤在自然条件下，本身尚未生成大量瓦斯所以它虽然具有很大的吸附能力，但缺乏瓦斯来源，实际所含瓦斯量是很小的。长焰煤最大吸附瓦斯量在2030/t左右，无烟煤最大吸附瓦斯量在5060/t。在煤体中，吸附瓦斯和游离瓦斯在外界条件不变的条件下处于动态平衡状态，吸附状态的瓦斯分子和游离状态的瓦斯分子处于不断的交换之中；当外界的瓦斯压力或温度发生变化或给予冲击和振荡、影响了分子的能量时，则会破坏其动态平衡，而产生新的平衡状态。煤是一种多孔介质，煤体吸附瓦斯是煤的一种自然属性，煤体表面吸附瓦斯量的多少，与煤体表面积的大小密切相关，而煤体表面积的大小则和煤体孔隙特征有关。因此，煤体孔隙特征对吸附瓦斯有重要的作用
7、。煤的吸附性及其影响因素分析煤之所以具有吸附性是由于煤结构中分子的不均匀分布和分子作用力的不同所致，这种吸附性的大小主要取决于3个方面的因素，即：一是煤结构、煤的有机组成和煤的变质程度；二是被吸附物质的性质；三是煤体吸附的环境条件。由于煤对瓦斯的吸附是一种可逆现象，吸附瓦斯所处的环境条件就显得尤为重要。煤中吸附瓦斯量的大小主要取决于煤化变质程度、煤中水分、瓦斯性质、瓦斯压力以及吸附平衡温度等。(1)瓦斯压力。实验研究表明：在给定的温度下，吸附瓦斯量与瓦斯压力的关系呈双曲线变化，如图2-2所示，从图中可以看出：随着瓦斯压力的升高煤体吸附瓦斯量增大；当瓦斯压力大于3.0MPa时，吸附的瓦斯量将趋于
8、定值。(2)吸附温度。目前的实验研究表明：温度每升高1，煤吸附瓦斯的能力将降低约8%。其原因主要是：温度的升高，使瓦斯分子活性增大，故而不易被煤体所吸附；同时，已被吸附的瓦斯分子又易获得动能，会产生脱附现象，使吸附瓦斯量降低。(3)瓦斯性质。对于指定的煤，在给定的温度与瓦斯压力条件下，煤对二氧化碳的吸附量比甲烷的吸附量高，而对甲烷的吸附量又大于对氮气的吸附量。 图2-2吸附瓦斯量与瓦斯压力关系图(4)煤的变质程度。煤的瓦斯生成量及煤的比表面积和煤的变质程度有关。一般情况下，从中等变质程度的烟煤到无烟煤，相应的吸附量呈快速增加状态。(5)煤中水分。水分的增加会使煤的吸附能力降低。目前可以采用俄罗
9、斯煤化学家艾琴格尔的经验公式来确定煤的天然水分对甲烷吸附量的影响。1.3 瓦斯的涌出1.3.1瓦斯涌出形式在煤矿的采掘生产过程中，有大量的瓦斯向巷道、工作面和采空区中涌出。它有普通涌出和特殊涌出两种形式。普通涌出：普通涌出是煤层和岩层中的瓦斯均匀地、缓慢地、长期地向采掘巷道中涌出的形式，主要涌出地点是煤壁及采空区。它的特点是涌出的时间长、涌出量大、范围大，并且一般不易感觉到。我们新疆的煤矿主要是这种涌出形式。特殊涌出：特殊涌出包括瓦斯喷出和煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出两种形式。从煤层和岩层的裂缝中快速放出的现象叫瓦斯喷出，这种涌出形式它的特点是：发生在局部地点；喷出时间有长有短，短的几个小时
10、到几天，长的几个月到几年；喷出量大。煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出是指在地下压力和瓦斯压力的共同作用下，破碎的煤和瓦斯从煤层内部突然向采掘工作面喷出的现象。这种涌出形式它的特点是：涌出突然，时间短，速度快，并且量大而集中，常伴随有强大的声音和冲击动力，容易冲倒支架、埋住工作人员和井下设备，遇到火还能发生燃烧、爆炸，所以有很大的破坏性，对矿井的安全生产威胁很大。 1.3.2 矿井瓦斯涌出量矿井瓦斯涌出量：指一个矿井，在生产过程中涌出到风流中的瓦斯总量。通常有两种表示方法即矿井绝对瓦斯涌出量和矿井相对瓦斯涌出量。矿井绝对瓦斯涌出量：指单位时间内瓦斯涌出数量；单位：立方米/分、立方米/天。 矿井相对
11、瓦斯涌出量：指正常生产条件下，平均生产每吨煤瓦斯涌出的数量，单位：立方米吨。 矿井瓦斯等级的划分 （1）划分依据：矿井瓦斯等级的划分是依据矿井绝对瓦斯涌出量和矿井相对瓦斯涌出量而划分的。 （2）矿井瓦斯等级 1）低瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量小于或等于10立方米/吨，且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于40立方米/分； 2）高瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量大于10立方米/吨，或矿井绝对瓦斯涌出量大于40立方米分； 3）煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出矿井。 煤矿瓦斯灾害及防治2.1 煤矿瓦斯灾害概念在煤矿矿井中，瓦斯灾害主要表现为瓦斯爆炸、瓦斯煤尘爆炸以及煤与瓦斯突出事故。瓦斯爆炸：瓦斯和空气混合后，在
12、一定条件下,遇高温热源发生的热-链式氧化反应，并伴有高温及压力(压强)上升的现象。 瓦斯爆炸是一种也叫链锁反应。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。预防瓦斯爆炸的主要从防止瓦斯积聚和消除火源两方面着手。 煤尘爆炸：煤在生产或加工过程中产生的煤尘弥漫在空气中，当煤尘浓度达到一定值时，适遇火花等明火发生爆炸的现象 。煤尘爆炸同瓦斯爆炸一样都属于矿井中的重大灾害事故。我国历史上最严重的一次煤尘爆炸发生在1942年日本侵略者统治下的本溪煤矿，死亡1549人，残246人，死亡的人员中大多为CO中毒，事故发生前，巷道内沉积了大量煤尘，是由于电火花点燃局部
13、聚积的瓦斯而引起的重大煤尘爆炸事故。 煤与瓦斯突出：指在压力作用下，破碎的煤与瓦斯由煤体内突然向采掘空间大量喷出，是另一种类型的瓦斯特殊涌出的现象。它具有极大的破坏性。每次突出前都有预兆出现，但出现预兆的种类和时间是不同的，熟悉和掌握预兆，对于及时撤出人员、减少伤亡具有重要的意义 。2.2瓦斯爆炸基本理论及其防治瓦斯爆炸：瓦斯和空气混合后，在一定条件下,遇高温热源发生的热-链式氧化反应，并伴有高温及压力(压强)上升的现象。 瓦斯爆炸是一种也叫链锁反应。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。预防瓦斯爆炸的主要从防止瓦斯积聚和消除火源两方面着手。
14、2.2.1瓦斯爆炸的条件及影响因素瓦斯爆炸必须具备三个条件：有一定的瓦斯浓度；有一定的引火温度；有足够的氧气浓度。瓦斯浓度瓦斯爆炸有一定的浓度范围，我们把在空气中瓦斯遇火后能引起爆炸的浓度范围称为瓦斯爆炸界限，瓦斯爆炸界限为5%16% 。在不同初始压力、温度下瓦斯的爆炸界限是不同的。具体如表2-2-1-1、2-2-1-2表2-2-1-1混合气体初始压力/MPa爆炸下限/%爆炸上限/%0.11.05.012.55.65.95.45.714.317.229.445.7表2-2-1-2混合气体初始温度/爆炸下限/%爆炸上限/%201003006007009006.005.455.403.353.25
15、-13.4013.5014.2516.4018.7529.00引火温度瓦斯的引火温度，即点燃瓦斯的最低温度。一般认为，瓦斯的引火温度为650750。但因受瓦斯的浓度、火源的性质及混合气体的压力等因素影响而变化。当瓦斯含量在7%一8%时，最易引燃；当混合气体的压力增高时，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。 高温火源的存在，是引起瓦斯爆炸的必要条件之一。井下抽烟、电气火花、违章放炮、煤炭自燃、明火作业等都易引起瓦斯爆炸。所以，在有瓦斯的矿井中作业，必须严格遵照煤矿安全规程的有关规定。 不同瓦斯浓度情况下最低着火温度如表2-2-1-3所示表2-2-1-2含量/%233.95791011.7514.35最低着火温/710700691697701714724742氧浓度实践证明，空气中的氧气浓度降低时，瓦斯爆炸界限随之缩小，当氧气浓度减少到12%以下时，瓦斯混合气体即失去爆炸性。这一性质对井下密闭的火区有很大影响，在密闭的火区内往往积存大量瓦斯，且有火源存在
