1、专题部分专题设计部分浅析矿井瓦斯灾害与防治技术摘要：我国煤炭资源丰富，煤炭开采历史悠久，矿地质构造比较复杂，自然灾害严重。煤炭工业呈多层次发展，煤炭企业按所有制分为国有重点煤矿、国有地方煤矿和乡镇煤矿。煤矿安全状况发展很不平衡，国有重点煤矿安全状况良好，国有地方煤矿较差，乡镇煤矿最差。21世纪以来，加大了对煤矿的监管力度，关闭了一批不具备基本生产条件的小煤矿，乡镇煤矿经过了停业整顿；国有地方煤矿深化了安全专项整治，加大安全投入，完善安全设施和装备，增强了矿井防灾、抗灾能力；国有重点煤矿通过国家技改资金扶持以及“一通三防”专项监察和重点监控，改善了煤矿安全装备和设施。全国煤矿安全状况有了较大的好
2、转。煤矿生产一般是地下作业，除了工作环境恶劣，工作地点经常移动外，还随时受到矿井瓦斯喷出、瓦斯突出、瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等威胁。特别是瓦斯突出与爆炸、煤与瓦斯突出严重威胁矿井生产安全，因此必须做好矿井内瓦斯监测安全管理工作，随时做好监控涌出量并对瓦斯作抽排放工作，保证矿井安全生产关键词：瓦斯、瓦斯灾害、瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、瓦斯抽放1概述1.1研究的现状瓦斯是我国煤矿的主要灾害因素之一，瓦斯煤尘爆炸、煤与瓦斯突出等灾害严重威胁着我国煤矿的安全生产。由于灾害因素多、治理难度大，矿井瓦斯一直是我国煤矿安全工作的重点和难点。目前，我国所有煤矿均为瓦斯矿井，据统计，在100个国有重点煤炭生产 企业
3、 的609处矿井中，高瓦斯矿井占268，煤与瓦斯突出矿井占176，低瓦斯矿井 占556。国有地方和乡镇煤矿中，高瓦斯矿井和煤与瓦斯 突出矿井占15左右。部分局矿的情况更为严重，如淮南矿业集团所属11对矿井均为突出矿井，平顶山煤业集团所属 的13对矿井也全部为高瓦斯或突出矿井。瓦斯灾害已成为制约煤矿安全生产和煤炭 工业 发展 的重要因素，为此，国家煤矿安全监察局实施了“科技兴安”战略，并提出了“先抽后采、监测监控、以风定产”的瓦斯治理“十二字方针”，与此同时，我国的各类科技计划也逐步加强了瓦斯灾害治理技术研究开发的支持力度。“十五”以来，科研院所、高等院校及企业以产学研结合方式开展了攻关研究，在
4、瓦斯煤尘爆炸、煤与瓦斯突出预测、保护层开采、顺煤层瓦斯抽放及矿井通风系统监测、评价与决策控制等方面取得了重大进展，并获得了一批重要的科技成果，如：瓦斯煤尘爆炸危险性预测评价技术，煤与瓦斯突出区域预测技术，煤与瓦斯突出动态预测技术，高产高效矿井瓦斯灾害综合治理技术，矿井通风系统安全可靠性评价与决策技术。1.2存在的主要问题我国煤矿瓦斯大，煤与瓦斯突出日益严重，瓦斯煤尘爆炸、煤与瓦斯突出等 灾害事故频频发生。许多制约煤矿瓦斯防治的科学和技术问题没有解决。目前，我国煤矿对瓦斯灾害治理的基础理论研究薄弱，对瓦斯灾害发生机 理、灾害的演化过程尚不能全面认识，从而影响了瓦斯灾害防治关键技术的研 究。对于煤
5、与瓦斯突出机理的认识未能突破，影响煤与瓦斯突出预测预报技术发 展，需要攻克的重要难题主要有以下两项：1) 瓦斯运移、抽放作用规律和瓦斯煤尘爆炸机理。对瓦斯赋存、运移和涌出规律的系统研究；对不同开采条件和瓦斯抽放条件 下瓦斯涌出规律和分布特征、地应力和瓦斯运移（渗流）场的耦合关系的正确认 识；对煤矿生产环境下瓦斯煤尘爆炸特性及其演化传播规律、瓦斯煤尘连续爆炸 发生的条件和传播性的深人研究等。2) 煤与瓦斯突出机理与防突技术基础。17瓦斯赋存、煤与瓦斯突出、冲击地压等灾害受煤矿地质条件控制，80%以上 的动力灾害发生在地质构造破坏带，而多数构造带并不发生动力灾害。目前，我 闻煤矿地质构造对灾害的控
6、制机理和规律尚不能完全认识，仍停留在“假说”阶 段。虽然我国也曾做过一系列研究，对认清突出机理起到了推动作用，但对机理 的研究多是零星开展的，缺乏系统的、有一定力度的支持。因此，研究存在以下 不足：首先，以往的研究普遍存在非:i:化分析，由于煤矿井下存在发生多种动力 现象的可能性，有些动力现象发生过程中呈现的动力学特征相似，但不能从量化 的角度予以定区分；其次，以往的研究往往分别研究地应力和瓦斯压力对煤体的作用和影响，导致对两者在煤与瓦斯突出中的作用阐述不清；第三，注重“假 说”的提出而不注重对“假说”的实验验证；第四，关注煤与瓦斯突出过程而没 有注意突出物及其运动规律和动力学破坏特征。含瓦斯
7、构造煤是易突出煤层。研究其突出机理，则还需要研究构造煤的成 因、分布规律及其物化特性，解开构造煤破碎、裂隙多、大孔和中孔发育但渗透 性较差的谜团，为防突措施和瓦斯抽放提供技术基础。由于对瓦斯在煤岩体中的分布、流动和致灾机理认识不到位，对瓦斯灾害治 理技术措施研究不深入、推广应用力度不够，造成渚多煤矿灾害事故不可避免发 生。例如，2004年10月20日，河南郑州煤业集团公司大平煤矿发生煤与瓦斯 突出引发特别重大瓦斯爆炸事故，造成148人死亡。事故分析认为，该矿对开采 深度增加可能带来的瓦斯等级升髙没有引起足够重视，对煤与瓦斯突出发生的规律还没有完全掌握，是事故发生的重要原因。2瓦斯的基础知识2.
8、1瓦斯、瓦斯的性质和瓦斯事故2.1.1.瓦斯1) 瓦斯的概念瓦斯是矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体。 瓦斯指的是一种混合气体,其组成部分包括矿井中所有的有毒有 害气体。矿井中煤层气主要由甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、氧化碳(CO)、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2)、硫化氢（H2S)、氨 (NH3)和 氢（H2)等有毒有害气体组成。2) 从安全的角度上瓦斯的分类（1）可燃性气体。如甲烷等同系烷烃、氢气、一氧化碳、硫化氢 等,这些气体具有可燃烧的特性，在一定浓度范围内与空气混合往往具有爆炸性，对煤矿安全构成严重威胁。(2)有毒性气体。如炮烟中的一氧化氮、二氧化氮、一氧化碳；
9、 突水事故中涌出的硫化氢、二氧化硫、氨气等。这些气体达到一定 浓度时，会直接威胁人体的健康甚至生命。(3)窒息性气体。如氮气、甲烷、二氧化碳、氢气等，它们往往 赋存在煤体或其围岩内，开采过程中大量涌向生产空间，从而使空 气中氧气浓度降低，造成人员窒息。(4)放射性气体。如氡气等。2.1.2瓦斯的基本性质1）瓦斯（甲烷)是无色、无味、无臭、无毒的气体。在标准状态 下，瓦斯密度为0.7168kg/m3,比空气轻，对空气的相对密度为 0.554。当巷道上部有瓦斯源，风速较低时，易积聚于巷道内。检 査瓦斯浓度时，应着重检查巷道顶板附近和隅角处。瓦斯的化学 性质不活泼，微溶于水，在20 0C,10l.3
10、kPa条件下，溶解度为3.5L/100L水。. 2)瓦斯的扩散性很强。扩散速度是空气的1.34倍，如果从 一处涌出瓦斯,就能很快的扩散到巷道附近，这样，既增加了检查 瓦斯涌出源的难度,也使瓦斯的危害范围扩大。在煤矿井下巷道 中，风流流动一般处于紊流状态，由煤壁等处涌出的瓦斯很容易与 空气均匀混合，因此，在风量充足的巷道中，瓦斯的分布通常是均匀的。3)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。利用这个特性，向煤层中打钻抽放瓦斯，降低煤层瓦斯赋存量,变害为利，开发利用。2.1.3瓦斯事故分类和瓦斯燃烧的区间划分1) 瓦斯事故瓦斯事故是人们在煤矿
11、工程建设、生产活动中，因为瓦斯而发生的意外人身伤害、物质或器材的损害或破坏事故。2) 瓦斯事故分类矿井瓦斯事故按其发生事故的类型可分为：瓦斯燃烧、瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、瓦斯窒息和中毒五种。其中瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出事故往往是重大以上事故，究其根源，多为某些责任人的失职造成的。3) 燃烧区间瓦斯是一种具有燃爆性质的气体，当其在空气中的浓度达到某一范围时，遇适当的点火源就会发生爆炸。由于瓦斯在空气中发生燃烧的性状不同，可以将它分为三个 区间，如图2.1.1所示。图2.1.1瓦斯爆炸界限示意图1) 助燃区间：瓦斯浓度小于爆炸下限（5%)时，瓦斯在点燃源 附近发生氧化燃烧反应，但不能形成持续的火焰，
12、只能起到助燃的作用。2) 爆炸区间：瓦斯浓度在爆炸界限内（5%16%）。 该区间内的瓦斯遇到点火源形成强烈的爆炸；体积超过0. 5 m3的瓦斯达到爆炸下限浓度时，遇到点火源足以会燃爆。3) 扩散燃烧区间：瓦斯浓度大于爆炸上限（16%）,该处的混 合气体无法直接被点燃,但是，当其与新鲜空气混合时，可以在混 合界面上被点燃并形成稳定的火焰，称为扩散燃烧。2.2 瓦斯事故的危害性瓦斯事故中，瓦斯燃烧和爆炸危害性最大，使人窒息或中毒 死亡。2.2.1瓦斯燃烧引起矿井火灾和人员伤亡案例 某低瓦斯煤矿，2001年8月26日13时左右，掘进 队在煤巷打眼施工，掘进三队班长等几个人违章在工作地点吸烟; 掘进中
13、施工人员随意掐开风筒，导致工作面瓦斯积聚，发生瓦斯燃烧事故，9人严重烧伤。该事故追查认定被烧伤的人不知道瓦斯的这一危害性。2.2.2瓦斯爆炸导致矿毁人亡 案例一 2004年10月12日河南省郑州煤业集团公司大平煤矿发生特大瓦斯爆炸事故,波及范围较大。死亡 148人，伤32人。其主要的原因有：1) 局部通风设施管理混乱，造成瓦斯浓度超限。岩石下山回风联络巷堆积物料，并有带有通风口的风墙，加大了突出瓦斯 的逆流，逆流到西大巷新鲜风流中的瓦斯达到爆炸浓度，和该矿使 用了架线电机车其取电弓与架线产生电火花，引发了瓦斯爆炸。2) 瓦斯突出与瓦斯爆炸有31min的间隔时间，应急处置措 施不当，没有按照事故
14、应急预案要求，对瓦斯波及区域实施停电 措施。3) 技术管理、安全责任不落实,重生产轻安全。案例二 2005年2月14日辽宁省阜新矿业（集团）有限责 任公司孙家湾煤矿发生瓦斯特大爆炸事故,死亡214人，其主要原 因是超强度、超能力生产、瓦斯超限、强令工人冒险作业等。案例三2007年12月5日山西省临汾市洪洞县瑞之源煤业有限公司发生特大瓦斯爆炸事故，死亡105人,7人重伤，1人轻 伤，直接经济损失4275万元。其主要原因是：越界盗采，通风管 理混乱，瓦斯超限，强令工人冒险作业等。案例四2009年2月22日山西省西山煤电集团屯兰矿发 生一起特大瓦斯爆炸事故，死亡78人，伤114人。该矿为年产 500
15、万吨现代化国有矿井，自2004年以来一直保持百万吨死亡率 为零，装有先进的KJ90瓦斯探测与自动断电保护系统。据国 家安监总局有关负责人说，据初步了解，事故发生反映出屯兰矿采区通风管理不到位，瓦斯治理不彻底，现场管理不严格，安全措施 不落实等。2.2.3瓦斯浓度过高时会导致人员缺氧窒息、甚至死亡 案例1981年5月25日，某煤矿110工作面跳断层切眼， 发生瓦斯窒息事故，死亡2人。直接原因：断层切眼停工、停风,未检查瓦斯和未打栅栏，人员 违章进入头内回收风筒，如图2.2.1所示。2.3瓦斯爆炸的基本条件、原因及效应2.3.1瓦斯爆炸的条件一是具有一定的瓦斯浓度;二是有高温火源；三是有足够的氧
16、气含量。三者缺一不可。1)瓦斯爆炸浓度图2.2.1瓦斯窒息事故平面图瓦斯爆炸浓度是指瓦斯爆炸浓度的界限。试验证实，当瓦斯 浓度低于5%6%时，混合气体无爆炸性，遇火灾只能燃烧而不 能爆炸。当瓦斯浓度大于14%16%时，混合气体既无爆炸性, 也不燃烧,但当有新鲜空气供给时,可以在混合气体与新鲜空气的 接触面上燃烧。上述结论说明，瓦斯只有在一定范围内才有爆炸性，这个浓度 范围称为爆炸界限。其最低浓度（5%6%)，称为爆炸下限；最高 浓度（14%16%)称为爆炸上限。瓦斯爆炸的威力与其浓度高低有关，瓦斯浓度5%9.5%， 其爆炸威力逐渐增强；瓦斯浓度由9. 5%16%，其爆炸威力逐渐 减弱；而瓦斯浓度
