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第十一章第十一章 矿井瓦斯及其防治矿井瓦斯及其防治 第一节第一节 矿井瓦斯矿井瓦斯 1 1、瓦斯的形成、瓦斯的形成 它是腐植型有机物在成煤过程中生成的。2 2、造气时期、造气时期 一是从植物遗体到泥炭属于生生物物化化学学造气时期，另一个是从褐煤、烟煤直到无烟煤属于煤煤化化变变质质作作用用造气时期。3 3、煤矿瓦斯的主要成分：、煤矿瓦斯的主要成分：甲烷（CH4）二氧化碳（CO2）和氮气（N2）此外还有一些烷烃（乙烷、丙烷等）以及少量的硫化氢（H2S）、二氧化碳（SO2）4、煤和围岩中瓦斯存在的状态 煤是多孔介质，瓦斯可以赋存在其中；瓦斯在确定的压力下以游离和吸附两种状态赋存在煤体中；游离瓦斯存在于煤的孔隙和裂隙中，吸附瓦斯积聚在孔隙壁面上，游离瓦斯和吸附瓦斯处于动态平衡状态。瓦斯在煤体内存在的状态瓦斯在煤体内存在的状态 煤煤体体是是一一种种困困难难的的多多孔孔性性固固体体，包包括括原原生生孔孔隙隙和和运运动动形形成成的的大量孔隙和裂隙，形成了很大的自由空间和孔隙表面。大量孔隙和裂隙，形成了很大的自由空间和孔隙表面。煤层中煤层中 瓦斯赋存两种状态：瓦斯赋存两种状态：游离状态游离状态 吸附状态吸附状态 吸着状态吸着状态 吸取状态吸取状态 煤煤体体中中大大量量的的孔孔隙隙对对瓦瓦斯斯具具有有很很强强的的吸吸附附实实力力，在在一一些些高高瓦瓦斯斯含含量量的的煤煤层层中中，煤煤中中含含有有的的瓦瓦斯斯体体积积可可以以达达到到煤煤本本身身体体积积的的30304040倍倍 。5煤吸附瓦斯的特性可以用煤在某一固定温度下吸附瓦斯量随瓦斯压力变更的曲线表示，该曲线称为吸附等温线，符合朗格缪尔方程：煤矿开采过程中，游离的瓦斯首先放散到开采空间，使邻近煤层中瓦斯压力降低、游离瓦斯量削减，这时，煤中吸附的瓦斯就解析出来，成为新的游离态瓦斯。这一过程不断重复，从而使煤层中的瓦斯源源不断地涌出到开采空间。其次节其次节 矿井瓦斯涌出矿井瓦斯涌出及矿井瓦斯等及矿井瓦斯等级级 一、瓦斯涌出形式及来源 1、瓦斯涌出形式 在采掘过程中，依据涌出在时间和空间上的变更，瓦斯涌出量可分为:(1)一般涌出 是矿井瓦斯的主要涌出形式。它是指瓦斯从煤层及其围岩的暴露面上缓慢、匀整、常常性的放散，并且持续时间很长。一般涌出的瓦斯量占煤矿瓦斯涌出量的比重最大。(2)(2)特殊涌出特殊涌出 1)1)瓦斯喷出瓦斯喷出 是是指指瓦瓦斯斯从从可可见见的的裂裂隙隙或或孔孔洞洞中中大大量量快快速速涌涌出出。瓦瓦斯斯喷喷出出具具有有时时间间上上和和空空间间上上的的集集中中性性和和突突然然性性，流流量量较较大大，但但多多数数持持续续时间较短，也有持续几年以上的。时间较短，也有持续几年以上的。2)2)瓦斯突出瓦斯突出 在在极极短短的的时时间间里里，突突然然从从煤煤层层或或围围岩岩里里突突然然喷喷发发出出大大量量瓦瓦斯斯，同同时时抛抛出出大大量量煤煤（岩岩石石），并并伴伴随随猛猛烈烈的的动动力力效效应应，那那就就是煤（岩）与瓦斯突出。是煤（岩）与瓦斯突出。2 2、矿井瓦斯涌出来源、矿井瓦斯涌出来源 （1 1）开采煤层）开采煤层 （2 2）邻近层）邻近层 （3 3）围岩的裂隙和溶洞）围岩的裂隙和溶洞 二、瓦斯涌出及矿井瓦斯等级二、瓦斯涌出及矿井瓦斯等级 1 1、瓦斯涌出量表示方法、瓦斯涌出量表示方法 （1 1）确定瓦斯涌出量）确定瓦斯涌出量 单单位位时时间间内内的的瓦瓦斯斯涌涌出出量量，单单位位一一般般用用m3/minm3/min QCH4 QCH4Q*CQ*C 式中式中QCH4QCH4确定瓦斯涌出量确定瓦斯涌出量 Q Q风量，风量，m3/minm3/min C C风流中瓦斯浓度风流中瓦斯浓度（2 2）相对瓦斯涌出量）相对瓦斯涌出量 在在正正常常生生产产状状况况下下，平平均均日日产产一一吨吨煤煤涌涌出出的的瓦斯量，单位用瓦斯量，单位用m3/tm3/t表示，按下式计算：表示，按下式计算：式中式中 q q相对瓦斯涌出量，相对瓦斯涌出量，m3/tm3/t。A A平均日产量，平均日产量，t t。2.矿井瓦斯等级划分 依据平均日产1吨煤涌出瓦斯量和瓦斯涌出形式 低瓦斯矿井：10m3及其以下 高瓦斯矿井：10m3以上 煤与瓦斯突出矿井。矿井瓦斯等级不同，在设备选用、瓦斯管理等不少方面均有所不同。必需精确测定瓦斯涌出状况，以因地制宜，保证矿井平安生产，取得相应的经济效益。第三节第三节 矿井瓦斯爆炸及其预防矿井瓦斯爆炸及其预防 一、瓦斯爆炸的过程及危害一、瓦斯爆炸的过程及危害 1 1、瓦斯爆炸的危害、瓦斯爆炸的危害 瓦瓦斯斯爆爆炸炸是是一一种种猛猛烈烈的的氧氧化化放放热热反反映映，可可产产生生瞬时的高温高压。瞬时的高温高压。高高温温-1850-185026502650；高高压压-0.7-0.71.0MPa1.0MPa，有有害害气体气体COCO，冲击波，冲击波 2.2.瓦斯爆炸的化学反应过程瓦斯爆炸的化学反应过程 最终的化学反应式为：最终的化学反应式为：CH4+2O2=CO2+2H2OCH4+2O2=CO2+2H2O 假假 如如 O2O2不不 足足，反反 应应 的的 最最 终终 式式 为为：CH4+O2=CO+H2+H2OCH4+O2=CO+H2+H2O 矿矿井井瓦瓦斯斯爆爆炸炸是是一一种种热热链链反反应应过过程程(也也称称连连锁反应锁反应)。3.3.瓦斯爆炸的产生与传播过程瓦斯爆炸的产生与传播过程 爆炸性的混合气体与高温火源同时存在，爆炸性的混合气体与高温火源同时存在，初初燃燃(初初爆爆)焰焰面面 冲冲击击波波 新新的的爆爆炸炸混混合物合物 由由于于爆爆炸炸时时爆爆源源气气体体高高速速向向外外冲冲击击和和爆爆后后生生成成的的一一部部分分水水蒸蒸气气很很快快凝凝合合而而在在爆爆源源旁旁边边形形成成半半真真空空状状，导导致致爆爆炸炸冲冲出出的的气气体体和和爆爆源源外外围围气气体体高高速速反反冲冲回回爆爆源源地地。虽虽然然这这种种反反冲冲力力气气较较正正向向冲冲击击小小，但但是是由由于于是是沿沿着着已已破破坏坏区区反反冲冲的的，破破坏坏性性往往往往更更大大。反反冲冲的的空空气气中中可可能能有有足足够够的的瓦瓦斯斯和和氧氧，而而爆爆源源旁旁边边原原有有火火源源或或因因爆爆炸炸而而新新生生的的火火源尚存，就会造成二次爆炸甚至连续多次爆炸。源尚存，就会造成二次爆炸甚至连续多次爆炸。二、瓦斯爆炸的条件及其影响因素二、瓦斯爆炸的条件及其影响因素 瓦斯爆炸的必备条件有三：瓦斯爆炸的必备条件有三：1 1、是确定的浓度的瓦斯，、是确定的浓度的瓦斯，2 2、是足够的氧气，、是足够的氧气，3 3、是引燃火源。、是引燃火源。三个条件缺一不行。三个条件缺一不行。1.1.瓦斯的爆炸浓度瓦斯的爆炸浓度 在在正正常常的的大大气气环环境境中中，瓦瓦斯斯只只在在确确定定的的浓浓度度范范围围内内爆爆炸炸，这这个个浓浓度度范范围围称称瓦瓦斯斯的的爆爆炸炸界界限限，其其最最低低浓浓度度界界限限叫叫爆爆炸炸下下限限，其其最最高高浓浓度度界界限限叫叫爆爆炸炸上上限限，瓦瓦斯斯在在空空气气中中的的爆爆炸炸下下限限为为5 56 6，上上限限为为14141616。浓浓度度在在9.19.19.59.5时时爆爆炸炸威威力力最最大大（理理论论值值是是9.59.5）。瓦瓦斯斯浓浓度度低低于于5 5时时，遇遇火火源源只只会会在在火火焰焰外外围围形形成成稳稳定定的的燃燃烧烧层层，不不发发生生爆爆炸炸。瓦瓦斯斯浓浓度度高高于于1616时时，遇遇火源即不能爆炸也不能燃烧。火源即不能爆炸也不能燃烧。瓦斯爆炸界限不是固定不变的，它受到很多瓦斯爆炸界限不是固定不变的，它受到很多因素的影响。因素的影响。2.2.氧的浓度氧的浓度 氧气浓度低于氧气浓度低于1212，不会发生瓦斯爆炸，所，不会发生瓦斯爆炸，所以瓦斯爆炸的氧气浓度条件是不低于以瓦斯爆炸的氧气浓度条件是不低于1212，簇新，簇新空气中氧气浓度为空气中氧气浓度为20.9620.96，井下正常通风流中，井下正常通风流中一般为一般为2020。明显在其它条件具备的状况下这样。明显在其它条件具备的状况下这样的氧气浓度是完全可以发生瓦斯爆炸的。的氧气浓度是完全可以发生瓦斯爆炸的。3.3.引燃火源引燃火源 瓦瓦斯斯爆爆炸炸必必需需具具有有超超过过最最小小燃燃能能（0.28mJ0.28mJ）、温温度度高高于于瓦瓦斯斯最最低低点点燃燃温温度度（595595摄摄氏氏度度）、点点燃燃时时间间大大于于感应期的点火源。感应期的点火源。感应期：从起先点火到起先燃烧的时间间隔称为感应期。感应期：从起先点火到起先燃烧的时间间隔称为感应期。其其长长短短取取决决于于混混合合气气体体的的压压力力、可可燃燃气气体体的的性性质质、浓浓度度以以及及引引火火温温度度，如如温温度度越越高高感感应应期期越越短短，浓浓度度越越高高感应期越长。感应期越长。三、预防瓦斯爆炸的措施三、预防瓦斯爆炸的措施（1 1）防止瓦斯积聚）防止瓦斯积聚 合合理理通通风风，保保证证井井下下各各工工作作地地点点有有足足够够的风量和风速是防止瓦斯积聚的主要措施。的风量和风速是防止瓦斯积聚的主要措施。刚刚好好处处理理局局部部积积存存的的瓦瓦斯斯。易易于于积积存存瓦瓦斯斯的的地地点点有有：采采煤煤工工作作面面有有：采采煤煤工工作作面面、顶顶板板冒冒落落的的空空洞洞、采采空空区区边边界界处处以以及及采采煤煤机机旁旁边边，低低风风速速巷巷道道的的顶顶板板旁旁边边，停停风风的的盲巷等。盲巷等。处处理理的的方方法法通通常常是是向向瓦瓦斯斯积积存存地地点点加加大大风风量量或或提提高高风风速速，将将瓦瓦斯斯稀稀释释排排出出，将将冒冒顶顶空空间间和和盲盲巷巷内内积积存存的的瓦瓦斯斯封封闭闭，必必要要时时进行瓦斯抽放。进行瓦斯抽放。（2 2）防止引燃）防止引燃 措施有：措施有：1 1）杜杜绝绝一一切切非非产产生生性性火火源源，对对生生产产中中可可能产生的火源严加管理和限制。能产生的火源严加管理和限制。2 2）一一切切机机电电设设备备要要符符合合有有关关规规定定要要求求，常常常常检检查查、维维护护、保保持持其其防防爆爆性性能能良良好好，不符合要求的要刚好更换。不符合要求的要刚好更换。3 3）严格放炮制度，严格火区管理。）严格放炮制度，严格火区管理。（3 3）防止瓦斯灾难事故扩大）防止瓦斯灾难事故扩大 严严格格执执行行煤煤矿矿平平安安规规程程及及有有关关规规定定，并并细细致致实实行行了了上上述述措措施施，瓦瓦斯斯爆爆炸炸是是可可以以避避开开的的。为为了了避避开开一一旦旦违违章发生爆炸时事故扩大，可实行以下措施：章发生爆炸时事故扩大，可实行以下措施：1 1）实实行行分分区区通通风风，各各水水平平、采采区区、工工作作面面都都有有独独立立的进、回风系统；的进、回风系统；2 2）通通风风系系统统力力求求简简洁洁，不不用用巷巷道道刚刚好好封封闭闭，安安设设通通风机的井口必需设置防爆门；风机的井口必需设置防爆门；3 3）设置水棚、岩粉棚等隔爆设施；）设置水棚、岩粉棚等隔爆设施；4 4）编编制制周周密密的的处处理理事事故故支支配配、有有可可快快速速投投入入运运行行的的事故处理组织等。事故处理组织等。第四节第四节 矿井瓦斯喷出与突出矿井瓦斯喷出与突出及其预防及其预防一、瓦斯喷出及其预防一、瓦斯喷出及其预防（1 1）瓦斯喷出）瓦斯喷出 瓦瓦斯斯喷喷出出危危害害特特征征：在在时时间间与与空空间间上上具具有有集集中中性性和和突突发发性性，对对井井下下人人员员的的生生命命平平安安威威逼逼很很大大，一一旦旦发发生生马马上上会会造造成成局局部部甚甚至至整整个个采采区区乃乃至至矿矿井井一一翼翼充充溢溢高高浓浓度度瓦瓦斯斯，有使人员窒息和遇火燃烧或爆炸的危急。有使人员窒息和遇火燃烧或爆炸的危急。从从来来源源分分，瓦瓦斯斯喷喷出出有有煤煤、岩岩空空洞洞承承压压瓦瓦斯斯喷喷出出和和煤煤层卸压瓦斯喷出两类。层卸压瓦斯喷出两类。灾难发生地点：多发在地质破坏的断裂带、石灰岩溶洞及裂缝区、背斜或向斜轴部储瓦斯区或其它与储瓦斯构造相通的区域。其喷出特点是：流量大、持续时间长、无矿压显现预兆，喷出地点一般发生在掘进工作面或钻探过程中。（2）瓦斯喷出预防 主要探、放、引、抽、渡等方法。1、煤、岩空洞承压瓦斯喷出预防 在有喷出危急的区域，掘进施工前确定要通过前探钻孔等手段探明巷道前方的地质构造、裂隙、溶洞的位置分布以及瓦斯的储量等，据此预先制定好防治喷出的措施。2 2、煤层卸压瓦斯喷出预防、煤层卸压瓦斯喷出预防 预预先先做做好好地地质质工工作作，除除地地质质构构造造外外，驾驾驭驭岩岩层层间间及及厚厚度度变变更更、邻邻近近层层瓦瓦斯斯压压力力和和含含量量、地地压压大大小小等等。依依据据喷喷出出危危急急性性制制定定预预防防措措施施（包包括括防防瓦瓦斯斯爆爆炸炸和和窒窒息息措措施施、防防止止被被解解放放层层初初期期卸卸压压的的瓦瓦斯斯突突然然涌涌入入解解放放层层的的采采掘掘工工作作面面）。在在距距开开切切眼眼101020m20m以以内内的的初初期期卸卸压压及及适适当当加加密密抽抽放放瓦瓦斯斯钻空和提高抽放负压。钻空和提高抽放负压。二、煤（岩）与瓦斯突出及其预防二、煤（岩）与瓦斯突出及其预防 （一）煤（岩）与瓦斯突出（一）煤（岩）与瓦斯突出 1 1定义定义 煤矿地下采掘过程中，从煤（岩）体内部向采掘空间在很短时间（几秒钟到几分钟）内突然喷射出大量煤（岩）和瓦斯（CH4、CO2）的现象，称为煤煤（岩岩）与与瓦瓦斯突出（简称突出）斯突出（简称突出）。2 2危害危害 它它是是一一种种伴伴有有声声响响和和猛猛烈烈力力能能效效应应的的动动力力现现象象。它它能能摧摧毁毁井井巷巷设设施施、破破坏坏通通风风系系统统。喷喷出出煤煤（岩岩）可可达达1 1万万多多t t，喷喷出出瓦瓦斯斯可可达达100100多多万万立立方方米米，故故大大量量煤煤（岩岩）和和高高浓浓度度瓦瓦斯斯充充斥斥井井巷巷，掩掩埋埋人人员员，使使人人员员窒窒息息，随随后后可可能能引引起起瓦瓦斯斯爆爆炸炸或或燃燃烧烧。可可见见突突出出是是煤煤矿矿严严峻峻的的自自然然灾难。灾难。3 3突出一般预兆突出一般预兆（1 1）矿矿压压显显现现方方面面：如如煤煤炮炮声声、支支架架声声响响、煤煤岩岩开开裂裂、掉掉渣渣、底底鼓鼓，煤煤壁壁抖抖动动，钻钻孔孔变变形形、跨跨孔孔，顶顶钻钻、夹夹钻钻等；等；（2 2）瓦瓦斯斯涌涌出出方方面面：瓦瓦斯斯涌涌出出异异样样，浓浓度度忽忽大大忽忽小小，煤煤尘增大，气温、气味异样，打钻喷瓦斯、喷煤等；尘增大，气温、气味异样，打钻喷瓦斯、喷煤等；（3 3）煤煤层层结结构构与与构构造造方方面面：层层理理紊紊乱乱，煤煤的的强强度度低低或或不不匀匀整整，煤煤暗暗淡淡无无光光泽泽，煤煤厚厚、倾倾角角变变更更大大，挤挤压压褶褶曲曲、顶底板阶梯状突起，断层，煤体干燥等。顶底板阶梯状突起，断层，煤体干燥等。突突出出煤煤层层的的特特点点是是煤煤的的力力学学强强度度低低、变变更更大大，透透气气性性差差，湿湿度度小小，层层理理紊紊乱乱、受受地地质质构构造造力力破破坏坏严严峻峻；瓦瓦斯放散速度高。斯放散速度高。（二）预防煤与瓦斯突出的措施（二）预防煤与瓦斯突出的措施 预预防防突突出出的的措措施施按按作作用用范范围围分分为为区区域域性性措措施施和局部性措施。和局部性措施。1 1区域性措施区域性措施 开开采采解解放放层层防防止止突突出出是是经经济济有有效效的的区区域域性性措措施施。此此方方法法是是在在开开采采有有煤煤与与瓦瓦斯斯突突出出危危急急的的煤煤层层群群时时，预预先先开开采采无无突突出出危危急急或或突突出出危危急急性性小小的的煤煤层层，使使有有突突出出危危急急的的煤煤层层卸卸压压，大大量量泄泄出出瓦瓦斯斯、增增加加煤煤体体机机械械强强度度，从从而而减减弱弱或或失失去去突突出出危危急急。这这种种预预先先开开采采的的煤煤层层称称为为解解放放层层。被被解解除除突突出出危危急急的的煤煤层叫做解放层。层叫做解放层。对不具备开采解放层条件的矿井应用预抽煤层瓦斯作为防止突出的区域性措施。它通过在突出煤层那打大量密集钻孔取煤，并抽放瓦斯，降低瓦斯含量和压力，使煤层收缩变形、地应力下降、煤层透气系数和强度增加，从而达到消退或减弱突出危急的目的。