礦井通風(fēng)與安全10礦井瓦斯與防治.ppt

1、礦井通風(fēng)與安全110.1 概述10.2 礦井瓦斯的生成及賦存10.3 礦井瓦斯涌出10.4 礦井瓦斯的噴出及預(yù)防10.5 煤和瓦斯突出及其預(yù)防10.6 礦井瓦斯爆炸及其預(yù)防10.7 礦井瓦斯檢測(cè)及監(jiān)測(cè)10.8 礦井瓦斯抽放第10章 礦井瓦斯防治10.1 概述10.1.1. 礦井瓦斯的概念 廣義：井下有害氣體的總稱。 來(lái)源： (1)煤巖內(nèi)賦存的氣體 (2)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氣體 (3)井下空氣與礦物及其他材料反應(yīng)產(chǎn)生的氣體 (4)放射性物質(zhì)衰變產(chǎn)生惰性氣體氡（放射性）和氦 狹義：由于煤層中的瓦斯一般以甲烷為主，所以在煤礦中礦井瓦斯專指甲烷10.1.2. 甲烷的性質(zhì)無(wú)色、無(wú)味，微溶于水，標(biāo)準(zhǔn)狀況下1

2、00L水可溶解5.56L甲烷；可燃性、爆炸性、窒息性；密度為0.716kg/m3 ，為空氣密度的0.554倍；分子直徑0.41nm，擴(kuò)散速度是空氣的1.34倍；高熱值：55.67MJ/kg；低熱值：50.17 MJ/kg熱導(dǎo)率：0.0306W/m（在20時(shí)0.0328 W/m）；動(dòng)力粘度：（10.26+0.0305t）10.6Pas（溫度t0100C）；10.2 礦井瓦斯的生成及賦存10.2.1 煤層瓦斯的生成煤層瓦斯是腐植型有機(jī)物在成煤過程中生成的 ，主要可以劃分為兩個(gè)生成階段第一階段：生物化學(xué)成氣時(shí)期 在植物沉積成煤初期的泥炭化過程中，有機(jī)物在隔絕外部氧氣進(jìn)入和溫度不超過65的條件下，被厭

3、氧微生物分解為CH4、CO2和H2O。 第二階段：煤化變質(zhì)作用時(shí)期 隨著煤系地層的沉降及所處壓力和溫度的增加，泥炭轉(zhuǎn)化為褐煤并進(jìn)人變質(zhì)作用時(shí)期，有機(jī)物在高溫、高壓作用下，揮發(fā)分減少，固定碳增加，這時(shí)生成的氣體主要為CH4和CO2 。10.2.2 煤層瓦斯賦存1、瓦斯在煤體內(nèi)存在的狀態(tài) 游離瓦斯：以自由氣體形式存在；吸附瓦斯：分為吸著狀態(tài)與吸收狀態(tài)； 在現(xiàn)今開采深度內(nèi)，煤層內(nèi)的瓦斯主要是以吸附狀態(tài)存在，游離狀態(tài)的瓦斯只占總量的10左右 2 、煤層瓦斯垂向分帶： 當(dāng)煤層直達(dá)地表或直接為透氣性較好的第四系沖積層覆蓋時(shí)，由于煤層中瓦斯向上運(yùn)移和地面空氣向煤層中滲透，使煤層瓦斯呈現(xiàn)出垂直分帶特征: 瓦斯

4、風(fēng)化帶： “CO2N2”、“N2”、“N2-CH4”三帶統(tǒng)稱瓦斯風(fēng)化帶。瓦斯風(fēng)化帶內(nèi)的井、區(qū)為低瓦斯井、區(qū)。 甲烷帶：位于瓦斯風(fēng)化帶下邊界以下的瓦斯帶。表10-1 煤層瓦斯垂直分帶及各帶氣體成分 氣帶名稱（從上往下）氣帶成因瓦斯成分 N2CO2CH4CO2N2 生物化學(xué)空氣 2080 2080 80102020N2-CH4變質(zhì)成因2080 1020 2080 CH4變質(zhì)成因20 80 3、煤的孔隙特征煤的孔隙分類：微孔：直徑100m，構(gòu)成層流及紊流混合滲透的 區(qū)間滲透容積：小孔至可見孔的孔隙體積之和煤的孔隙率：吸附容積與滲透容積之和稱為總孔隙體 積，總孔隙體積占煤的體積的百分比成為煤的孔隙率

5、4、煤層瓦斯壓力概念：煤層裂隙和孔隙內(nèi)由于氣體分子熱運(yùn)動(dòng)撞擊所產(chǎn)生的作用力 意義：煤層瓦斯壓力是決定煤層瓦斯含量、瓦斯流動(dòng)動(dòng)力高低以及瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的基本參數(shù) 測(cè)量原理：打一穿透待測(cè)煤層(或直接打在煤層中)的鉆孔，插入一根測(cè)壓管(5mm12mm的銅管或10mm13mm的鍍鋅鐵管)后再把鉆孔封堵好，在測(cè)壓管的外端接上壓力表，待壓力穩(wěn)定后就可以讀取瓦斯壓力值。 5 、 煤層瓦斯含量1）概念：?jiǎn)挝惑w積或重量的煤在自然狀態(tài)下所含有的瓦 斯量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的瓦斯體積)，包括游離瓦斯和吸附瓦斯兩部分2）影響因素煤巖結(jié)構(gòu)(如透氣性)和物理化學(xué)特性(如吸附性能)成煤后的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)和地質(zhì)構(gòu)造煤層的賦存條件3） 煤的瓦

6、斯含量確定煤內(nèi)游離瓦斯含量Xy (m3/t煤) 式中 V煤的滲透容積，m3/t煤； P瓦斯壓力，kPa； T0標(biāo)準(zhǔn)狀況下的絕對(duì)溫度(273K)； T瓦斯的絕對(duì)溫度； P0標(biāo)準(zhǔn)狀況下的壓力，等于101.3kPa； 瓦斯的壓縮系數(shù)煤的吸附瓦斯含量 煤的表面積是很大的，每克煤有數(shù)十至二百m2，其中微孔表面積占絕大多數(shù)，吸附瓦斯量主要取決于微孔隙表面積、瓦斯壓力與溫度。煤的吸附瓦斯服從朗繆爾吸附方程。按朗繆爾方程計(jì)算并考慮煤中水分、可燃物的百分比，溫度的影響：式中 p瓦斯壓力，MPa； a在該溫度下，極限吸附量，m3/t可燃物； b取決于溫度和煤的吸附性能常數(shù)，kPa-1。 A,W煤中的灰分與水分，%

7、； t0實(shí)測(cè)室測(cè)定吸附常數(shù)時(shí)的實(shí)驗(yàn)溫度 t煤層溫度， n系數(shù)，無(wú)因次，按下式確定 煤層瓦斯含量等于吸附含量與游離含量之和： XXyXx 實(shí)測(cè)表明，在目前開采深度(10002000m以內(nèi))煤層的吸附瓦斯占7095%，而游離瓦斯占530%。10.3 礦井瓦斯涌出10.3.1 煤層瓦斯流動(dòng)的基本規(guī)律 煤層與圍巖屬于孔隙裂隙結(jié)構(gòu)體，不同煤層和巖層的孔隙、裂隙尺寸、結(jié)構(gòu)形式以及發(fā)育程度等的差別式很大，并且對(duì)地應(yīng)力的作用很敏感。1、煤層瓦斯流場(chǎng)分類 概念：煤層內(nèi)瓦斯流動(dòng)的空間稱為煤層瓦斯流場(chǎng)，在流場(chǎng)內(nèi)瓦斯具有流向、流速和壓力梯度和濃度梯度1）按流場(chǎng)的流向分類：?jiǎn)蜗蛄鲌?chǎng)：在x、y、z三維空間中，只有一個(gè)方向

8、有流速；徑向流場(chǎng)：在x、y、z三維空間中，在兩個(gè)方向有分速度，可以用柱坐標(biāo)系描述；球向流場(chǎng)：在x、y、z三維空間中，三個(gè)方向都有分速度，可以用球坐標(biāo)系描述。2）按流場(chǎng)的穩(wěn)定性分類：定常流場(chǎng)：流場(chǎng)中任何一點(diǎn)的流速、流向和瓦斯壓力均不隨時(shí)間變化。非定常流場(chǎng)；流場(chǎng)中的流速、流向或瓦斯壓力中至少有一參數(shù)隨時(shí)間變化。2 、擴(kuò)散流與滲透流 瓦斯在孔隙裂隙內(nèi)的運(yùn)移基本上可以分為兩類：1）擴(kuò)散流動(dòng)：瓦斯在小孔（1m）和微孔（1m ）以上的孔隙或裂隙中的運(yùn)移，可能有兩種形式：層流和紊流層流：層流又可以分為線性層流和非線性層流線性層流：Re110 ，粘滯力占優(yōu)勢(shì)，符合達(dá)西定律非線性層流： Re100，慣性力占優(yōu)勢(shì)

9、，流動(dòng)阻力與流速的平方成正比。達(dá)西定律：流體的流速與其壓力梯度成正比，即 u瓦斯流速（m/s） k滲透率（m2） 動(dòng)態(tài)粘滯度（Pam） 氣壓梯度（Pa/m）10.3.2 瓦斯涌出量及主要影響因素礦井瓦斯涌出量是指在礦井生產(chǎn)建設(shè)過程中涌進(jìn)巷道或管道的瓦斯量。其表達(dá)的方法有兩種：絕對(duì)瓦斯涌出量單位時(shí)間內(nèi)涌入巷道的瓦斯量，以體積表示，單位為m3/min 或m3/d ；相對(duì)瓦斯涌出量每采一噸煤平均涌出的瓦斯量，單位是m3/t。絕對(duì)瓦斯涌出量與相對(duì)瓦斯涌出量之間的關(guān)系為： qe相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t； qa絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/d； A單位時(shí)間內(nèi)采掘地區(qū)的產(chǎn)煤量，t/d。影響瓦斯涌出量的因素主要有：1

10、) 煤層和圍巖的瓦斯含量 在甲烷帶內(nèi)，開采越深、規(guī)模越大，絕對(duì)、相對(duì)瓦斯涌出量越高。 2) 開采順序與回采方法 先開采的煤層或分層，其相對(duì)瓦斯涌出量大，后開采的瓦斯涌出量小。瓦斯工作面開始回采初期瓦斯涌出量小，當(dāng)頂板第一次冒落以后，由于圍巖及鄰近層的瓦斯涌入開采層，所以涌出量增加。3)生產(chǎn)工藝過程從暴露面采落煤炭和鉆孔涌出的瓦斯量，一般都是隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸下降。所以，落煤時(shí)瓦斯涌出量總是大于其它工序，老頂來(lái)壓冒落時(shí)涌出量高于其它時(shí)期。落煤時(shí)瓦斯涌出量與煤的瓦斯含量、落煤速度、煤的粉碎程度等有關(guān)。風(fēng)鎬落煤時(shí)，瓦斯涌出量可增大1.11.3倍，打眼放炮時(shí)1.42.0倍，采煤機(jī)采煤時(shí)，1.31.6

11、倍，水槍落煤時(shí)，24倍等，其增加的倍數(shù)與工作面瓦斯來(lái)源的構(gòu)成有關(guān)。開采單一中厚煤層，落煤時(shí)增加的倍數(shù)比開采有鄰近層的煤層要大些。 4) 通風(fēng)壓力與通風(fēng)系統(tǒng) 抽出式通風(fēng)負(fù)壓增加時(shí)，瓦斯涌出量增大。 U型通風(fēng)系統(tǒng)的回采工作面，其上隅角容易聚積瓦斯。采用U型加尾巷的通風(fēng)系統(tǒng)，瓦斯聚積點(diǎn)移至采空區(qū)內(nèi)的尾巷入風(fēng)口。Y形與W型通風(fēng)系統(tǒng)由于采空區(qū)內(nèi)有漏風(fēng)通道，采空區(qū)與鄰近層涌出的瓦斯很少會(huì)涌入工作面，加之進(jìn)風(fēng)多了一條風(fēng)路，工作面的瓦斯?jié)舛容^低，適用于高瓦斯高產(chǎn)要求。10.3.3 瓦斯涌出不均系數(shù)在正常生產(chǎn)過程中，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量受各種因素的影響，其數(shù)值在一段時(shí)間內(nèi)圍繞平均值上下波動(dòng)，我們把其峰值與平均值的

12、比值稱為瓦斯涌出不均系數(shù)。在確定礦井總風(fēng)量選取風(fēng)量備用系數(shù)時(shí)，要考慮礦井瓦斯涌出不均系數(shù)。礦井瓦斯涌出不均系數(shù)表示為： kg給定時(shí)間內(nèi)瓦斯涌出不均系數(shù)； Qmax該時(shí)間內(nèi)的最大瓦斯涌出量，m3min； Qa該時(shí)間內(nèi)的平均瓦斯涌出量，m3min。任何礦井的瓦斯涌出在時(shí)間上與空間上都是不均勻的。在生產(chǎn)過程中要有針對(duì)性地采取措施，使瓦斯涌出比較均勻穩(wěn)定。例如盡可能均衡生產(chǎn)，錯(cuò)開相鄰工作面的落煤、放頂時(shí)間等。9.3.4 礦井瓦斯等級(jí)1、礦井瓦斯等級(jí)劃分規(guī)程規(guī)定：一個(gè)礦井中，只要有一個(gè)煤(巖)層中發(fā)現(xiàn)過瓦斯，該礦井即定為瓦斯礦井，并依照礦井瓦斯等級(jí)的工作制度進(jìn)行管理，礦井瓦斯等級(jí)按照日產(chǎn)噸煤涌出瓦斯量和

13、瓦斯涌出形式分為：（一）低瓦斯礦井：礦井相對(duì)瓦斯涌出量小于或等于10m3/t且礦井絕對(duì)瓦斯涌出量小于或等于40m3/min。（二）高瓦斯礦井：礦井相對(duì)瓦斯涌出量大于10m3/t或礦井絕對(duì)瓦斯涌出量大于40m3/min。（三）煤（巖）與瓦斯（二氧化碳）突出礦井。煤與瓦斯突出礦井: 礦井在采掘過程中，只要發(fā)生過一次煤與瓦斯突出，該礦井即為突出礦井煤層定為突出煤層。 2、 礦井瓦斯等級(jí)鑒定新礦井設(shè)計(jì)前，地質(zhì)勘探部門根據(jù)各煤層的瓦斯含量資料，預(yù)測(cè)礦井瓦斯等級(jí)，作為算風(fēng)量的依據(jù)。生產(chǎn)礦井每年必須進(jìn)行礦井瓦斯等級(jí)的鑒定工作，同時(shí)還應(yīng)進(jìn)行礦井二氧化碳涌出量的測(cè)定，作為核定和調(diào)整風(fēng)量的依據(jù)。 1)鑒定時(shí)間和基

14、本條件 礦井瓦斯等級(jí)的鑒定工作應(yīng)在正常生產(chǎn)的條件下進(jìn)行。根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，選擇礦井絕對(duì)瓦斯涌出量較大的月份進(jìn)行，一般在七月或八月。在鑒定月的上、中、下旬中各取一天(間隔10天)，分三個(gè)班(或四個(gè)班)進(jìn)行測(cè)定工作。所謂正常生產(chǎn)，即被鑒定的礦井、煤層、一翼、水平或采區(qū)的回采產(chǎn)量應(yīng)達(dá)到該地區(qū)設(shè)計(jì)產(chǎn)量的60。測(cè)定前必須做好組織分工和儀表校正等準(zhǔn)備工作。2)測(cè)點(diǎn)選擇和測(cè)定內(nèi)容及要求確定礦井瓦斯等級(jí)時(shí)，是按每一自然礦井、煤層、一翼、水平和各采區(qū)分別計(jì)算相對(duì)瓦斯涌出量，并取其中最大值(而不是全礦井的平均值)。所以測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在每一通風(fēng)系統(tǒng)的主要通風(fēng)機(jī)的風(fēng)峒、各水平、各煤層和各采區(qū)的回風(fēng)道測(cè)風(fēng)站內(nèi)。如無(wú)測(cè)風(fēng)站，

15、可選取斷面規(guī)整并無(wú)雜物堆積的一段平直巷道做測(cè)點(diǎn)。測(cè)定內(nèi)容為風(fēng)量和風(fēng)流中瓦斯?jié)舛取Ｈ绻M(jìn)風(fēng)流中含有瓦斯時(shí)，還應(yīng)在進(jìn)風(fēng)流中測(cè)風(fēng)量和瓦斯?jié)舛取＿M(jìn)、回風(fēng)流的瓦斯涌出量之差，就是鑒定地區(qū)的瓦斯涌出量。抽放瓦斯的礦井，在鑒定月內(nèi)應(yīng)在相應(yīng)的地區(qū)測(cè)定抽出的瓦斯量，礦井瓦斯等級(jí)劃分時(shí)，必須包括抽放的瓦斯量。每一測(cè)定班的測(cè)定時(shí)間應(yīng)選在生產(chǎn)正常時(shí)刻，并盡可能在同一時(shí)刻進(jìn)行測(cè)定工作。3) 礦井瓦斯等級(jí)的確定 礦井瓦斯等級(jí)以最大的相對(duì)瓦斯涌出量和有、無(wú)煤與瓦斯突出，按分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定。并附以必要的文字說明，如產(chǎn)量、采掘比例、地質(zhì)構(gòu)造等因素和瓦斯噴出、煤與瓦斯突出等情況，報(bào)上級(jí)審批。 正在建設(shè)中的礦井，也應(yīng)進(jìn)行瓦斯等級(jí)的鑒定

16、，如果鑒定結(jié)果，特別是在煤層揭開以后，實(shí)際的瓦斯涌出量超過原設(shè)計(jì)確定的等級(jí)時(shí)，應(yīng)提出修改礦井瓦斯等級(jí)的專門報(bào)告，報(bào)原設(shè)計(jì)審批單位批準(zhǔn)。10.3.5 礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)礦井或生產(chǎn)礦井的新區(qū)(新采區(qū)、深部水平)，需要預(yù)先掌握其瓦斯等級(jí)和瓦斯涌出量，作為礦井、水平和采區(qū)設(shè)計(jì)的依據(jù)。根據(jù)某些巳知數(shù)據(jù)，按照一定的方法預(yù)先測(cè)算出設(shè)計(jì)區(qū)域瓦斯涌出量的數(shù)值，稱作礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)。 預(yù)測(cè)相對(duì)瓦斯涌出量的方法：礦山統(tǒng)計(jì)法 （多用于生產(chǎn)礦井）瓦斯含量法 （用于新礦井）1)礦山統(tǒng)計(jì)法 礦山統(tǒng)計(jì)法是根據(jù)已往礦井生產(chǎn)中的相對(duì)瓦斯涌出量與開采深度的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，外推未來(lái)深部水平相對(duì)瓦斯涌出量的預(yù)測(cè)方法。實(shí)際使用這種方法時(shí)

17、，一般分為兩步：首先將礦井歷年生產(chǎn)過程中積累的實(shí)際相對(duì)瓦斯涌出量按其對(duì)應(yīng)的開采深度，計(jì)算出相對(duì)瓦斯涌出量的梯度；第二步根據(jù)相對(duì)瓦斯涌出量梯度a，計(jì)算出煤層深部開采時(shí)的相對(duì)瓦斯涌出量值。 注意事項(xiàng)：1) 此法只適用于甲烷帶內(nèi)，外推的深度不應(yīng)超過100200m，a值越小，外推的深度也應(yīng)越小，否則可能有較大的誤差。 2) 預(yù)測(cè)精度決定于原始統(tǒng)計(jì)資料的精度與數(shù)量以及預(yù)測(cè)區(qū)域同已采區(qū)域在地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件上的相似程度。為了比較精確地預(yù)測(cè)相對(duì)瓦斯涌出量，應(yīng)該在礦井開采層面圖上標(biāo)出各個(gè)已采區(qū)段的相對(duì)瓦斯涌出量，把相對(duì)瓦斯涌出量相同的點(diǎn)連成等相對(duì)瓦斯涌出量線。對(duì)于外推的區(qū)域，根據(jù)對(duì)應(yīng)地點(diǎn)的瓦斯涌出量梯度與

18、底板等高線的深度，用虛線畫出預(yù)測(cè)的等相對(duì)瓦斯涌出量線，如圖2-14所示。這種等瓦斯涌出量線圖清晰簡(jiǎn)明，不僅反映出傾斜方向上瓦斯涌出量變化，而且也反映出走向方向上的變化。2）煤層瓦斯含量法采區(qū)相對(duì)瓦斯涌出量等于平均開采一噸煤各瓦斯源涌出的瓦斯量之和。預(yù)測(cè)公式為： 式中,n圍巖涌出瓦斯量占回采煤層瓦斯涌出的比例系數(shù)，應(yīng)實(shí)測(cè)得出，無(wú)實(shí)測(cè)值時(shí)，對(duì)于全部陷落法管理頂板，可考慮，n0.2，局部充填法，n0.15, 全部充填法，n0.1； m1、m分別為殘留分層、回采分層的厚度，m； 1，分別為殘留分層、回采分層煤的容重tm3； Z煤柱煤量占回采煤量的百分比，； K采空區(qū)殘留浮煤占回采煤量的百分比，； X開

19、采層原始瓦斯含量，m3t； X1運(yùn)出采區(qū)的煤殘留的瓦斯含量， m3/t，需實(shí)測(cè)； X2煤柱殘留瓦斯含量，m3/t； X3 采空區(qū)殘留煤的殘余瓦斯含量，m3/t； n向開采層采空區(qū)涌出瓦斯的鄰近層的數(shù)目； ml第l鄰近層(或煤線)的厚度，m； hl第l鄰近層距開采層的法線距離，m。Xl鄰近層煤層的瓦斯含量， m3/t，需實(shí)測(cè)；Xl1鄰近層煤若運(yùn)出采區(qū)的殘留瓦斯含量， m3/t；hj鄰近層向開采層采空區(qū)涌出瓦斯的極限距離，無(wú)實(shí)測(cè)值時(shí)，可按下式近似求得； hjNm(DCOS)式中，N與D由頂板管理方法、層間巖性結(jié)構(gòu)系數(shù)決定；對(duì)于采厚m2.5m條件下：使用全部陷落法管理頂板時(shí)，N60， 局部充填法管理

20、頂板時(shí)， N45，D1.2；對(duì)于m2.5m，必須根據(jù)試驗(yàn)資料來(lái)確定；煤層傾角，適用于上鄰近層，適用于下鄰近層。 10.4 礦井瓦斯噴出及其預(yù)防10.4.1 概念：瓦斯噴出是指大量承壓狀態(tài)下的瓦斯從煤、巖裂縫中快速噴出的現(xiàn)象。它是瓦斯特殊涌出中的一種形式。10.4.2 特點(diǎn)：是瓦斯在短時(shí)間內(nèi)從煤、巖層的某一特定地點(diǎn)突然涌向采礦空間，而且涌出量可能很大，風(fēng)流中的瓦斯突然增加。由于噴出瓦斯在時(shí)間上的突然性和空間上的集中性，可能導(dǎo)致噴出地點(diǎn)人員的窒息、高濃度瓦斯在流動(dòng)過程中遇高溫?zé)嵩从锌赡馨l(fā)生爆炸、有時(shí)強(qiáng)大的噴出還可以產(chǎn)生動(dòng)力效應(yīng)并導(dǎo)致破壞作用。10.4.3 瓦斯噴出的分類：瓦斯噴出原因：天然的或因采

21、掘工作形成的孔洞、裂隙內(nèi)，積存著大量高壓游離瓦斯，當(dāng)采掘工作接近或溝通這樣的地區(qū)時(shí)，高壓瓦斯就能沿裂隙突然噴出，如同噴泉一樣。根據(jù)噴瓦斯裂縫呈現(xiàn)原因的不同，可把瓦斯噴出分成地質(zhì)來(lái)源和采掘卸壓形成的兩大類。1、地質(zhì)來(lái)源例如，四川中梁山煤礦南井在+390水平茅口石灰?guī)r中掘進(jìn)運(yùn)輸大巷時(shí)，當(dāng)掘進(jìn)工作接近一處積聚著大量游離瓦斯的溶洞時(shí)，放炮時(shí)與連通溶洞的裂隙(兩條各寬10100 mm)溝通引發(fā)了瓦斯噴出。當(dāng)時(shí)，隨炮聲響起一轟鳴聲，像壓氣管破裂似地從裂縫中大量噴出瓦斯(甲烷)，“霧”氣彌漫，充滿整個(gè)回風(fēng)巷，兩小時(shí)后測(cè)得瓦斯流量為486m3/min，噴出時(shí)間持續(xù)兩周，共噴出瓦斯3.6105 m3。 2、 采

22、掘卸壓如南桐煤礦三號(hào)層（層厚0.4m，傾角27，距地表310m）0307工作面回采了346m2時(shí)出現(xiàn)瓦斯涌出的“嘶嘶”聲，隨后出現(xiàn)底板破裂，裂縫寬達(dá)100mm，底板上鼓最高達(dá)0.6m，支柱折斷，瓦斯突然大量噴出。噴出的瓦斯使供風(fēng)量為200m3min的風(fēng)流逆轉(zhuǎn)距離達(dá)180 m，瓦斯?jié)舛仍?0以上，估計(jì)初期的瓦斯噴出量為500 m3min，4小時(shí)后為26m3min，噴出持續(xù)109小時(shí)，總噴出量為75100m3。這是典型的由卸壓產(chǎn)生裂隙及原有構(gòu)造裂隙張開，形成卸壓瓦斯噴出的通道而引發(fā)的瓦斯噴出。 噴出的瓦斯量和持續(xù)時(shí)間，決定于積存的瓦斯量和瓦斯壓力，從幾m3到幾十萬(wàn)m3，幾分鐘到幾年，甚至幾十年。

23、瓦斯噴出的預(yù)兆，如風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛仍黾?，或忽大忽小，嘶嘶的噴出聲，頂?shù)装鍋?lái)壓的轟鳴聲，煤層變濕、變軟等。10.4.4 瓦速噴出的防治1、原始洞縫中瓦斯噴出的防治1) 加強(qiáng)地質(zhì)工作。施工前一定要通過前探鉆孔探明采掘區(qū)域與巖巷(井)前方的地質(zhì)構(gòu)造，溶洞裂縫的位置分布以及瓦斯的儲(chǔ)量。預(yù)先制訂好防治噴出的設(shè)計(jì)與安全措施 。 2) 利用封堵、引排、抽放等綜合方法處理瓦斯。如果通風(fēng)方法解決不了噴出的瓦斯，則可用罩子或其它設(shè)施將噴出裂隙封蓋好，并利用管路把瓦斯引排到回風(fēng)巷或地面?；蛟O(shè)置引排罩，利用管路將瓦斯排出或抽出。不能使用引排罩時(shí)，可以打鉆孔抽放。當(dāng)瓦斯噴出十分強(qiáng)烈不能采用上述方法時(shí)，必須把噴出瓦斯巷道

24、密閉。3) 搞好通風(fēng)和嚴(yán)格瓦斯檢查制度、防止瓦斯超限。2 、采掘地壓形成裂縫中瓦斯噴出的防治開采近距離煤層時(shí)，必須防止被解放層初期卸壓的瓦斯突然涌入解放層的采掘工作面。1) 搞好地質(zhì)工作，掌握層間巖石性質(zhì)與厚度的變化，了解鄰近層的瓦斯壓力和瓦斯含量，地壓的大小等。2) 根據(jù)初期卸壓面積計(jì)算卸壓瓦斯量。確定預(yù)排初期卸壓瓦斯鉆孔的數(shù)量及孔位。盡可能提高抽放瓦斯負(fù)壓，以求增大預(yù)排瓦斯量。3) 加強(qiáng)職工安全教育，人人掌握瓦斯噴出預(yù)兆，配備隔絕式自救器，熟悉避災(zāi)路線4) 搞好頂板管理，加強(qiáng)支架質(zhì)量檢查，必要時(shí)采取人工卸壓措施，以防大面積突然卸壓。5) 搞好工作面通風(fēng)，加強(qiáng)瓦斯檢查，掌握瓦斯涌出動(dòng)態(tài)與抽放

25、動(dòng)態(tài)，以便預(yù)報(bào)瓦斯噴出。10.5 煤與瓦斯突出及其預(yù)防10.5.1 煤礦井下動(dòng)力現(xiàn)象及分類 1、煤礦井下的動(dòng)力現(xiàn)象，指的是發(fā)生在巷道周圍的一切具有運(yùn)動(dòng)和聲響特征的現(xiàn)象。 2、任何一種井下動(dòng)力現(xiàn)象的發(fā)生都離不開“力”和“介質(zhì)”。因此，對(duì)井下動(dòng)力現(xiàn)象的分類應(yīng)該從“力”和“介質(zhì)”兩個(gè)方面進(jìn)行。 3、 動(dòng)力現(xiàn)象分類的結(jié)果煤與瓦斯突出實(shí)例及分析煤與瓦斯突出在采掘過程中，突然從煤（巖）壁內(nèi)部向采掘空間噴出煤巖和瓦斯的現(xiàn)象，稱為煤與瓦斯突出，簡(jiǎn)稱突出。自行沖破巖柱突出實(shí)例南桐東林礦石門突出突出煤量130t煤與瓦斯突出實(shí)例及分析南桐東林礦石門突出突出煤量130t煤與瓦斯突出實(shí)例及分析南桐東林礦石門突出突出煤量

26、130t煤與瓦斯突出實(shí)例及分析南桐東林礦石門突出突出煤量130t煤與瓦斯突出實(shí)例及分析南桐東林礦石門突出突出煤量130t煤與瓦斯突出實(shí)例及分析南桐東林礦石門突出突出煤量130t煤與瓦斯突出實(shí)例及分析南桐東林礦石門突出突出煤量130t煤與瓦斯突出實(shí)例及分析南桐東林礦石門突出突出煤量130t煤與瓦斯突出實(shí)例及分析南桐東林礦石門突出突出煤量130t煤與瓦斯突出實(shí)例及分析南桐東林礦石門突出突出煤量130t煤與瓦斯突出實(shí)例及分析大平煤礦“10.20”特大瓦斯事故技術(shù)分析圖示6622時(shí)09分53秒22時(shí)12分26秒瓦斯0.1%到40%以上.大平煤礦“10.20”事故瓦斯突出及擴(kuò)散過程演示22時(shí)29分22時(shí)

27、39分瓦斯1.29%到7.3%.22時(shí)34分22時(shí)36分,瓦斯2.48%到4%.大平煤礦“10.20”瓦斯爆炸傳播過程演示10.5.2 煤與瓦斯突出的概念：指煤與瓦斯在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)突然地連續(xù)地自煤壁暴露面拋向巷道空間所引起的動(dòng)力現(xiàn)象。煤與瓦斯突出是煤礦最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。突出的基本特征：(1) 拋出的固體物具有明顯的氣體搬運(yùn)特征。在突出現(xiàn)場(chǎng)可以看到突出的煤和巖塊從突出口搬至較遠(yuǎn)的地方，甚至拐了幾個(gè)彎；煤、巖塊的堆積角度小于自然安息角；堆積物中大的顆粒落在近處和下部，小的顆粒飄到遠(yuǎn)處并覆蓋在突出物的上方，這種現(xiàn)象也稱為分選性堆積。(2) 突出物中呈現(xiàn)出明顯的高壓氣體爆炸的特征。軟煤被拋出后，由

28、于其中的高壓氣體迅速膨脹，破碎煤體，因而突出物中含有大量的極細(xì)的粉塵。有時(shí)候突出過程還對(duì)拋出的軟煤進(jìn)行了重新固結(jié)和搗實(shí)，需要鎬刨才能運(yùn)走。(3) 突出的孔洞具有一些特殊的形狀。有的呈梨形、倒瓶形，口小腔大，孔洞的軸線往往沿煤層傾斜方向延伸或與傾斜方向成一不大的角度，突出孔洞的長(zhǎng)度約為幾米到幾十米。有時(shí)候則看不到突出孔洞，拋出煤體的地方充滿了松散的碎煤。 (4) 突出過程中伴隨有大量的瓦斯涌出。在突出過程中，拋出的煤量越大，涌出的瓦斯越多。當(dāng)涌出的瓦斯量十分大時(shí)，瓦斯會(huì)逆著礦井的風(fēng)流而行達(dá)到幾十米，甚至幾百米、上千米，嚴(yán)重地破壞礦井的通風(fēng)系統(tǒng)和設(shè)施。 10.5.3 突出概況1834年3月22日，

29、法國(guó)伊薩克礦井發(fā)生了世界上第一次有記載的突出。支架工架棚子時(shí)，發(fā)現(xiàn)煤壁外移，三個(gè)工人立即撤離，但煤炭沖入巷道13m，巷道煤塵彌漫，一人被煤流埋沒，一人窒息犧牲，一人幸免于難。 迄今為止，世界各主要產(chǎn)煤國(guó)家都發(fā)生過煤和瓦斯突出現(xiàn)象。世界上最大的一次煤與瓦斯突出發(fā)生在1969年7月13日蘇聯(lián)加加林礦，在710m水平主石門揭穿厚僅1.03m煤層時(shí)，發(fā)生了這次突出，突出煤14000t，瓦斯25萬(wàn)m3。 我國(guó)記載的第一次突出是1950年吉林省遼源礦務(wù)局富國(guó)西二坑，在垂深280m煤巷掘進(jìn)時(shí)突出。目前我國(guó)突出礦井達(dá)到200多個(gè)，突出次數(shù)一萬(wàn)多次。最大突出強(qiáng)度為12780t，噴出瓦斯120萬(wàn)m3，它是1975

30、年8月8日在天府礦務(wù)局三匯壩一礦主平峒放震動(dòng)炮揭穿6號(hào)煤層時(shí)發(fā)生的。10.5.4 突出的機(jī)理解釋突出原因和突出過程的理論稱為突出機(jī)理。突出是個(gè)很復(fù)雜的動(dòng)力現(xiàn)象，至今巳提出許多假說，概括起來(lái)有三大類：1）瓦斯作用說認(rèn)為煤內(nèi)存儲(chǔ)的瓦斯在突出中起著主要的作用；2）地應(yīng)力說認(rèn)為突出主要是地應(yīng)力作用的結(jié)果；3）綜合說認(rèn)為突出是地應(yīng)力、瓦斯壓力和煤的結(jié)構(gòu)性能綜合作用的結(jié)果，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者擁護(hù)綜合說。10.5.5 瓦斯突出的一般規(guī)律1）突出發(fā)生在一定深度上。隨著深度增加，突出的危險(xiǎn)性增加，這表現(xiàn)為突出次數(shù)增多、突出強(qiáng)度增大、突出煤層數(shù)增加，突出危險(xiǎn)區(qū)域擴(kuò)大。2）突出次數(shù)和強(qiáng)度，隨著煤層厚度特別是軟分層的厚

31、度的增加而增多。 3）突出的氣體主要是甲烷，個(gè)別礦區(qū)突出氣體是CO2突出危險(xiǎn)煤層開采時(shí)的相對(duì)瓦斯涌出量都在10m3/t以上，突出發(fā)生在高瓦斯礦。同一煤層，瓦斯壓力越高，突出危險(xiǎn)性越大。不同煤層，瓦斯壓力與突出危險(xiǎn)性之間無(wú)直接關(guān)系。（突出與瓦斯、應(yīng)力、煤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素有關(guān)），突出的瓦斯壓力一般要在600kPa以上。4）突出煤層的特點(diǎn)是煤的力學(xué)強(qiáng)度低、變化大，透氣系數(shù)小于10m2/MPa2.d，瓦斯放散速度高，濕度小，層理紊亂，遭地質(zhì)構(gòu)造力嚴(yán)重破壞的“構(gòu)造煤”。5） 煤自重的影響。突出的次數(shù)有隨著煤層傾角的增大而增加的趨勢(shì)。6）突出危險(xiǎn)區(qū)呈帶狀分布。突出與地質(zhì)構(gòu)造有密切關(guān)系。7）絕大多數(shù)突出發(fā)生在

32、落煤時(shí)，尤其在爆破時(shí)。其中放炮誘導(dǎo)突出作用最強(qiáng)，此外，水力沖刷，風(fēng)鎬落煤,手鎬落煤都引起過突出。8）大多數(shù)突出都有預(yù)兆 地壓顯現(xiàn)方面的預(yù)兆：煤炮聲，支架聲響，巖煤開裂，掉碴，底鼓，煤巖自行剝落，煤壁顫動(dòng)，鉆孔變形，垮孔頂鉆，夾鉆桿，鉆機(jī)過負(fù)荷等瓦斯涌出方面的預(yù)兆：瓦斯涌出異常，瓦斯?jié)舛群龃蠛鲂?，煤塵增大，氣溫、氣味異常，打鉆噴瓦斯、噴煤、哨聲、風(fēng)聲、蜂鳴聲等煤層結(jié)構(gòu)與構(gòu)造方面的預(yù)兆，層理紊亂，煤強(qiáng)度松軟或不均勻，煤暗淡無(wú)光澤，煤厚增大，傾角變陡，擠壓褶曲，波狀隆起，煤體干燥，頂?shù)装咫A梯凸起，斷層等。 9）突出危險(xiǎn)性隨著硬而厚的圍巖(硅質(zhì)灰?guī)r、砂巖等)，存在而增高。10.5.6 預(yù)防煤與瓦斯突出

33、的主要技術(shù)措施1、開采有突出危險(xiǎn)的礦井，必須采取防治突出的措施。防突措施可以分為兩大類：1) 區(qū)域性防突措施：實(shí)施以后可使較大范圍煤層消除突出危險(xiǎn)性的措施；2) 局部性防突措施：實(shí)施以后可使局部區(qū)域(如掘進(jìn)工作面)消除突出危險(xiǎn)性的措施。防治突出技術(shù)歸納為“四位一體”的綜合性防突措施：突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)；防治突出措施；防突措施的效果檢驗(yàn)安全防護(hù)措施。 2、區(qū)域性防突1）開采保護(hù)層 在突出礦井中，預(yù)先開采的、并能使其他相鄰的有突出危險(xiǎn)的煤層受到采動(dòng)影響而減少或喪失突出危險(xiǎn)的煤層稱為保護(hù)層，后開采的煤層稱為被保護(hù)層。保護(hù)層位于被保護(hù)層上方的叫上保護(hù)層，位于下方的叫下保護(hù)層。開采保護(hù)層的作用現(xiàn)以天府南井2

34、號(hào)層(保護(hù)層)開采后，有突出危險(xiǎn)的9號(hào)層內(nèi)與突出有關(guān)的若干參數(shù)的變化，來(lái)說明保護(hù)層的作用。從上圖可見，保護(hù)層(2號(hào)層)采到距離測(cè)點(diǎn)0m處時(shí)，被保護(hù)層(9號(hào)層)已經(jīng)開始膨脹，接著是透氣系數(shù)增大。采過測(cè)點(diǎn)20m后，瓦斯流量開始上升，采過40m后的瓦斯壓力開始下降，并穩(wěn)定地保持很長(zhǎng)時(shí)間。保護(hù)層開采后，由于采空區(qū)的頂?shù)装鍘r石冒落，移動(dòng)，引起開采煤層周圍應(yīng)力的重新分布，采空區(qū)上、下形成應(yīng)力降低(卸壓)區(qū)，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的未開采煤層將發(fā)生下述變化：a.地壓減少，彈性潛能得以緩慢釋放。b.煤層膨脹變形，形成裂隙與孔道，透氣系數(shù)增加。所以被保護(hù)層內(nèi)的瓦斯能大量排放到保護(hù)層的采空區(qū)內(nèi)；瓦斯含量和瓦斯壓力都將明顯下

35、降。煤層瓦斯涌出后，煤的強(qiáng)度增加。據(jù)測(cè)定，開采保護(hù)層后，被保護(hù)層的煤硬度系數(shù)由0.30.5增加到1.01.5。保護(hù)范圍 保護(hù)范圍是指保護(hù)層開采后，在空間上使危險(xiǎn)層喪失突出危險(xiǎn)的有效范圍。它受地質(zhì)采礦因素影響，各礦根據(jù)實(shí)際考察研究確定這個(gè)范圍。也可以參考以下資料a.保護(hù)層與被保護(hù)層之間的有效垂距：b. 傾斜方向的保護(hù)范圍。 保護(hù)層開采以后，巖層沿傾斜方向的移動(dòng)是沿著最大下沉角0方向發(fā)展的，所以傾斜方向的保護(hù)范圍應(yīng)以最大下沉角的斜線為基準(zhǔn)，即以最大下沉角0的斜線為基準(zhǔn)線向內(nèi)偏一個(gè)角度。2）預(yù)抽煤層瓦斯 預(yù)抽煤層瓦斯是指，通過一定時(shí)間的預(yù)先抽放瓦斯，降低突出危險(xiǎn)煤層的瓦斯壓力和瓦斯含量，并由此引起煤

36、層收縮變形、地應(yīng)力下降、煤層透氣系數(shù)增加和煤的強(qiáng)度提高等效應(yīng)，使被抽放瓦斯的煤體喪失或減弱突出危險(xiǎn)性。3 、局部防突措施 大型突出往往發(fā)生于石門揭開突出危險(xiǎn)煤層時(shí)。所以石門揭開突出危險(xiǎn)煤層，以及有突出傾向的建設(shè)礦井或突出礦井開拓新水平時(shí)，井巷揭開所有這類煤層都必須采取防治突出的措施，并編制專門設(shè)計(jì)。(1) 松動(dòng)爆破：在進(jìn)行普通放炮時(shí)，同時(shí)爆破幾個(gè)710m以上的深炮孔，使深部煤體破裂與松動(dòng)，應(yīng)力集中帶和高壓瓦斯帶移向深部，以便在工作面前方造成較長(zhǎng)的卸壓和排放瓦斯區(qū)，從而預(yù)防突出的發(fā)生。(2) 鉆孔排放瓦斯：石門揭煤前，由巖巷或煤巷向突出危險(xiǎn)煤層打鉆，將煤層中的瓦斯經(jīng)過鉆孔自然排放出來(lái)，待瓦斯壓力

37、降到安全壓力以下時(shí)，再進(jìn)行采掘工作。鉆孔數(shù)和鉆孔布置應(yīng)根據(jù)斷面和鉆孔排放半徑的大小來(lái)確定，每m2斷面不得少于3.54.5孔。(3) 水力沖孔:水力沖孔是在安全巖(煤)柱的防護(hù)下，向煤層打鉆后，用高壓水射流在工作面前方煤體內(nèi)沖出一定的孔道，加速瓦斯排放。同時(shí)，由于孔道周圍煤體的移動(dòng)變形，應(yīng)力重新分布，擴(kuò)大卸壓范圍。(5) 超前鉆孔:在煤巷掘進(jìn)工作面前方始終保持一定數(shù)量的排放瓦斯鉆孔。它的作用是排放瓦斯，增加煤的強(qiáng)度，在鉆孔周圍形成卸壓區(qū)，使集中應(yīng)力區(qū)移向煤體深部。(6) 超前支架:多用于有突出危險(xiǎn)的急傾斜煤層、厚煤層的煤層平巷掘進(jìn)時(shí)。為了防止因工作面頂部煤體松軟垮落而導(dǎo)致突出，在工作面前方巷道頂

38、部事先打上一排超前支架，增加煤層的穩(wěn)定性。(7) 卸壓槽:預(yù)先在工作面前方切割出一個(gè)縫槽，以增加工作面前方的卸壓范圍，掘進(jìn) 時(shí)保持一定的超前距就可避免突出或沖擊地壓的發(fā)生。(8) 震動(dòng)放炮：震動(dòng)放炮是采用增加炮眼數(shù)和裝藥量，一次爆破揭穿煤層并成巷的爆破方法。所以震動(dòng)放炮基本上是一種人為的誘使突出的措施，而不是防止突出的方法。它使突出發(fā)生在沒有人員在場(chǎng)和采取了預(yù)防瓦斯、煤塵爆炸措施的情況下。10.6 礦井瓦斯爆炸及其預(yù)防瓦斯的最大危害就是發(fā)生爆炸。不僅能造成人員傷亡，而且會(huì)嚴(yán)重摧毀井下設(shè)施，中斷生產(chǎn)。有時(shí)還會(huì)引起煤塵爆炸和井下火災(zāi)，從而加重災(zāi)害，使生產(chǎn)難以在短期內(nèi)恢復(fù)。1942年日本霸占我國(guó)東北

39、時(shí)期，在本溪煤礦由電氣火花引起的瓦斯爆炸和煤塵爆炸，共有1549人死亡。 2000年貴州木沖溝“927” 162 2004年河南大平“1020” 148 2004年陜西陳家山“11.28” 166 2005年遼寧孫家灣“214” 214 10.6.1 瓦斯爆炸過程及其機(jī)理1、瓦斯爆炸的總包化學(xué)反應(yīng)式 瓦斯爆炸是甲烷和空氣組成的爆炸性混合氣體在火源誘發(fā)下發(fā)生迅猛的氧化反應(yīng)并伴隨有強(qiáng)烈力學(xué)效應(yīng)的現(xiàn)象。其方程式概括為： 從上式知，混合氣體中的氧與甲烷都全部燃盡時(shí)，一個(gè)體積的甲烷要同二個(gè)體積的氧氣化合，也就是要同2+7.52=9.52個(gè)體積的空氣化合。這時(shí)甲烷在混合氣體中的濃度為1/(1+9.52)1

40、009.5；這一濃度是理論上爆炸最猛烈的濃度。1摩爾的甲烷爆炸后將產(chǎn)生882.6kJ的熱量。lkg碳?xì)浠衔锵喈?dāng)于4kg TNT炸藥。2、 引燃甲烷空氣混合物的感應(yīng)期烴類氧化有感應(yīng)期，感應(yīng)期之后是一快速反應(yīng)。從接觸引火源起到烴類空氣混合物轉(zhuǎn)為快速燃燒爆炸的時(shí)間間隔稱為感應(yīng)期。隨著引火源溫度的升高和甲烷濃度的下降，感應(yīng)期將縮短。 在甲烷同系物(甲烷、乙烷、丙烷等)與空氣混合的爆炸性氣體中，以甲烷的感應(yīng)期最長(zhǎng)，其它氣體則較短。因此，在甲烷空氣混合物中混有乙烷時(shí)，感應(yīng)期縮短。礦用安全炸藥正是利用了烷空混合氣體存在感應(yīng)期的特性。在感應(yīng)期間內(nèi)，保證安全炸藥爆破時(shí)的高溫產(chǎn)物能夠冷卻，不致于使烷空混合氣體達(dá)

41、到引火爆炸的溫度。其原理是，在礦用安全炸藥中加入了一定數(shù)量的消焰劑。消焰劑有兩個(gè)作用，一是它的熱容量較大，可以吸收一部分爆熱從而降低爆溫、減少火焰存在的時(shí)間，二是它對(duì)甲烷的氧化燃燒反應(yīng)起負(fù)催化作用，可以破壞甲烷氧化燃燒鏈鎖反應(yīng)的活化中心，阻止烷空混合氣體的爆炸。在消焰劑的這兩個(gè)作用中，負(fù)催化作用是主要的。3、 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論化學(xué)反應(yīng)式僅表示一系列復(fù)雜反應(yīng)的最終結(jié)果，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論卻能對(duì)甲烷爆炸的實(shí)際反應(yīng)過程與機(jī)理作出解釋。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論認(rèn)為甲烷爆炸是反應(yīng)物分子首先離解成一些自由基，自由基具有很大的化學(xué)活性，能成為反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行的活化中心，經(jīng)過一系列鏈鎖反應(yīng)步驟后完成整個(gè)反應(yīng)。鏈起始：分子離解成自由基鏈

42、傳遞：某自由基與某分子作用生成另一自由基鏈分支 ：該步驟每消耗一個(gè)自由基可生成兩個(gè)自由基鏈破壞：自由基變成分子如果在連鎖反應(yīng)過程中鏈分支反應(yīng)增多，自由基數(shù)目成倍增長(zhǎng)，反應(yīng)鏈數(shù)目增加，反應(yīng)速度迅速增加短時(shí)間內(nèi)將釋放出大量的能量，如此循環(huán)，將使反應(yīng)加速到爆炸速度。 較低溫度下，甲烷氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的基元反應(yīng)方程組： CH4 + O2 CH3 + HO2 （1） 鏈引發(fā) CH3 +O2 CH2O + OH （2） OH + CH4 H2O + CH3 （3） 鏈傳遞 OH + CH2O H2O + HCO （4） CH20 + O2 HO2 + HCO （5） 鏈分支 HCO + O2 CO + HO2

43、 （6） HO2 + CH4 H2O2 + HCO （7） 鏈傳遞 HO2 + CH2O H2O2 + HCO （8） OH 器壁 （9） CH2O 器壁 （10）鏈中止加熱法與光化法都可以使鏈起始，后者是指短波光線的照射引起分子離解。在礦井內(nèi)，高溫?zé)嵩磁c火源加熱是常見的起鏈方法。為了起鏈需要消耗一定的活化能。在甲烷氣體爆炸的過程中，產(chǎn)生的自由基有CH3、H、CH2O、OH、O 等，在甲烷爆炸的過程它們都是轉(zhuǎn)瞬即熄中間產(chǎn)物，并且在這一過程中，這些中間產(chǎn)物增多或減少影響著爆炸過程的發(fā)展。如在含甲烷的空氣中加入惰性的，吸熱降溫的物質(zhì)，或能夠同自由基結(jié)合形成分子的物質(zhì)，就能起到鏈終止的效果，使含甲烷

44、氣體不爆炸或爆炸威力降低。如在含甲烷的空氣中加入4.2%的一溴三氟甲烷CF3Br （哈龍1301 ）能防止甲烷爆炸，就是由于它可以捕獲自由基。10.6.2 瓦斯爆炸的傳播及后果1 、瓦斯爆炸的傳播爆炸可以分為物理性爆炸和化學(xué)性爆炸物理性爆炸：物質(zhì)因狀態(tài)和壓力發(fā)生突然變化而形成的爆炸，如鍋爐爆炸、液化氣體超壓爆炸等化學(xué)性爆炸：物質(zhì)發(fā)生迅速的化學(xué)反應(yīng)、產(chǎn)生高溫、高壓而引起的爆炸。瓦斯爆炸屬于化學(xué)性爆炸?；鹧驿h面：在可爆炸甲烷濃度的混合氣體中出現(xiàn)了點(diǎn)火源，則此氣體就會(huì)在火源點(diǎn)被點(diǎn)燃形成最初火焰(人們稱這一點(diǎn)為爆源)，在大氣壓條件下，該火焰厚度非常薄，僅0.10.01mm，它是一個(gè)燃燒帶并在烷空氣體中

45、傳播。燃燒速度：火焰鋒面相對(duì)于未燃混合氣體的傳播速度叫做燃燒速度。瓦斯爆炸根據(jù)爆炸傳播速度可分為以下三類： 爆燃傳播速度為每秒數(shù)十厘米至數(shù)米， 爆炸傳播速度為每秒數(shù)十米至數(shù)百米， 爆轟傳播速度超過聲速，可達(dá)每秒數(shù)千米。沖擊波：火焰鋒面后的爆炸產(chǎn)物具有很高的溫度，由于熱量集中而使爆源氣體產(chǎn)生高溫和高壓并急劇膨脹而形成沖擊波。如果巷道頂板附近或冒落孔內(nèi)積存著瓦斯，或者巷道中有沉落的煤塵，在沖擊波的作用下，它們就能均勻分布，形成新的爆炸混合物，使爆炸過程得以繼續(xù)下去。爆炸時(shí)由于爆源附近氣體高速向外沖擊，在爆源附近形成氣體稀薄的低壓區(qū)，于是產(chǎn)生反向沖擊波，使已遭破壞的區(qū)域再一次受到破壞。如果反向沖擊波

46、的空氣中含有足夠的CH4和O2，而火源又未消失，就可以發(fā)生第二次爆炸。2、瓦斯爆炸的危害 瓦斯爆炸時(shí)會(huì)產(chǎn)生三個(gè)致命的因素：火焰鋒面，沖擊波，井巷大氣成分的變化。1）火焰鋒面：火焰鋒面是瓦斯爆炸時(shí)沿巷遣運(yùn)動(dòng)的化學(xué)反應(yīng)帶和燒熱的氣體總稱。其傳播速度可在寬闊的范圍內(nèi)變化，從數(shù)米每秒到最大的爆轟傳播速度2500m/s。 火焰鋒面好象沿巷道運(yùn)動(dòng)的活塞一樣，把烷空氣體收集起來(lái)并點(diǎn)燃。這種活塞的長(zhǎng)度從火焰鋒面最慢傳播時(shí)的幾十厘米到爆轟時(shí)的幾十米。 火焰鋒面通過時(shí)，可使人的衣服被扯下，造成大面積皮膚的深度燒傷、呼吸器官甚至食道和胃的粘膜燙傷，燒壞電氣設(shè)備與電纜，當(dāng)電纜有電時(shí)可能引起二次性的電氣火災(zāi)，引燃井巷的

47、可燃物造成二次性災(zāi)害火災(zāi)。2）沖擊波 在正向沖擊波傳播時(shí)，其波峰的壓力可從數(shù)十kPa到2MPa的范圍內(nèi)變化：當(dāng)正向沖擊波疊加和反回時(shí)，可形成高達(dá)1OMPa的壓力。沖擊波的傳播速度不可能低于音速。如果爆炸減弱，則沖擊波就轉(zhuǎn)變?yōu)槁暡ā?正向、反向和斜向沖擊波通過時(shí)會(huì)引起：人體的創(chuàng)傷，在大多數(shù)情況下這些創(chuàng)傷具有綜合和多樣的特征，如創(chuàng)傷和燒傷綜合，這給急救造成困難，需要細(xì)心護(hù)理，移動(dòng)，翻倒和破壞電氣設(shè)備、機(jī)械設(shè)備，甚至可能發(fā)生二次性著火，破壞支架、堵塞巷遭、引起冒頂，破壞通風(fēng)設(shè)施與通風(fēng)系統(tǒng)，這不僅會(huì)擴(kuò)大災(zāi)情，而且會(huì)使搶險(xiǎn)救災(zāi)、救人困難化復(fù)雜化。3）井巷大氣成分的變化 瓦斯爆炸時(shí)礦井大氣成分會(huì)發(fā)生下列變

48、化：氧濃度下降，產(chǎn)生有毒有害氣體，形成爆炸性氣體。在數(shù)量上的變化與參加爆炸的可燃組分及其濃度有關(guān)例如甲烷是一種物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)固定的氣體，它的每一濃度對(duì)應(yīng)著一定的氣體產(chǎn)物。瓦斯與煤塵爆炸的最終產(chǎn)物的大概組成下表。 上述三個(gè)有害因素的可比危險(xiǎn)程度首先與它們的波及范圍大小有關(guān)，火焰鋒面(爆燃與爆炸)的傳播范圍較小，一般為數(shù)十米到數(shù)百米，只在極少的情況下達(dá)到幾千米，沖擊波(爆轟)的傳播范圍就大得多，一般為幾千米，有時(shí)甚至波及到地面。爆炸產(chǎn)物的波及范圍與通風(fēng)系統(tǒng)、通風(fēng)風(fēng)量以及爆炸時(shí)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)破壞情況等有關(guān)，爆炸產(chǎn)物的運(yùn)動(dòng)，在沖擊波消失和火焰鋒面停止后繼續(xù)隨風(fēng)流進(jìn)行，因此甲烷和煤塵爆炸的最大危險(xiǎn)性在于

49、礦井大氣成分的改變，它在大多數(shù)情況下造成嚴(yán)重的后果。礦井大氣成分變化甲烷煤塵甲烷和煤塵共同參與爆炸時(shí)的濃度爆炸下限最佳爆炸濃度爆炸上限爆炸下限最佳爆炸濃度爆炸上限殘余氧濃度（）16186251625380CO（）微量1212482716CO2（）微量9微量510694812水蒸汽（）10164816122061024H2（）微量1201150516甲烷及其同系物 022503R3/R4，對(duì)角電路有電壓輸出。在沼氣濃度4的范圍內(nèi)，電橋輸出電壓Vs隨瓦斯?jié)舛鹊脑黾映收仍龃?。采用催化燃燒熱效原理的檢定儀器，測(cè)定低濃度瓦斯時(shí)，精度較高，輸出的電壓信號(hào)較大，不受其它可燃?xì)怏w和灰塵存在的影響，信號(hào)處理和

50、顯示較簡(jiǎn)便、直觀、易于超限報(bào)警、遙測(cè)和自動(dòng)化。應(yīng)用越來(lái)越廣泛，現(xiàn)在成為各主要產(chǎn)煤國(guó)最主要的便攜、警報(bào)、遙測(cè)和監(jiān)測(cè)儀器。10.7.2 瓦斯自動(dòng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)(瓦斯遙測(cè)警報(bào)儀)瓦斯遙測(cè)警報(bào)儀是沼氣警報(bào)器的進(jìn)步發(fā)展。如重慶煤礦安全儀器廠產(chǎn)的AYJ一1型瓦斯遙測(cè)警報(bào)儀是國(guó)內(nèi)應(yīng)用較廣的產(chǎn)品。它可以長(zhǎng)期、連續(xù)對(duì)井下五個(gè)測(cè)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行集中遙測(cè)和監(jiān)視。當(dāng)測(cè)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛瘸^規(guī)定值時(shí)，儀器分別在井下和井上發(fā)出聲和光的警報(bào)信號(hào)。如果需要也可以切斷工作面和本機(jī)的電源。地面接收機(jī)還配有自動(dòng)記錄儀。瓦斯自動(dòng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)是一種監(jiān)視井下沼氣動(dòng)態(tài)、研究沼氣涌出規(guī)律、防治沼氣災(zāi)害與實(shí)現(xiàn)礦井自動(dòng)化的重要工具。當(dāng)瓦斯進(jìn)入探頭，在載

51、體催化元件表面進(jìn)行無(wú)焰燃燒時(shí)，由電橋?qū)请娐份敵鲋绷麟妷盒盘?hào)。該信號(hào)經(jīng)電纜輸給主機(jī)，在主機(jī)表頭上指示出相應(yīng)的瓦斯?jié)舛?。同時(shí)，被放大了的直流電壓信號(hào)送至主機(jī)內(nèi)發(fā)送機(jī)，由電壓頻率轉(zhuǎn)換器變成一個(gè)個(gè)低頻脈沖信號(hào)，瓦斯?jié)舛仍礁?，低頻脈沖的個(gè)數(shù)也越多。這些方波脈沖信號(hào)調(diào)制在載波上，經(jīng)過功率放大器放大后，由輸出電路經(jīng)井下到地面的電話線傳輸?shù)降孛娴慕邮諜C(jī)。 接收機(jī)收到調(diào)制波信號(hào)后，把低頻脈沖信號(hào)檢出，由頻率/電壓轉(zhuǎn)換器還原成直流電壓信號(hào)，在顯示表頭上指示出對(duì)應(yīng)的瓦斯?jié)舛?。?dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到報(bào)警點(diǎn)時(shí)，報(bào)警開關(guān)電路動(dòng)作，接通聲光電路，井下、井上同時(shí)發(fā)出聲、光報(bào)警。當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到斷電點(diǎn)時(shí)，斷電開關(guān)電路動(dòng)作，切斷工作面電

52、源或本機(jī)電源。井下五臺(tái)主機(jī)的信號(hào)，按不同的載波頻率經(jīng)過同一條電話線傳送到地面，接收機(jī)分別對(duì)其接收，可以實(shí)現(xiàn)五路同時(shí)傳輸。 AYJ一1型的供電電源為井上、井下分別供電。當(dāng)井下測(cè)點(diǎn)或探測(cè)的參數(shù)很多(例如100200甚至1000個(gè)傳感器以上)時(shí)，井下供電就很復(fù)雜，特別是瓦斯超限斷電時(shí)，井下供電也中斷，探頭與主機(jī)不能再工作。因此國(guó)外許多國(guó)家(法、波等)采用不受井下供電設(shè)備影響的，獨(dú)立的地面集中供電系統(tǒng)，通過電纜把電送給井下主機(jī)與探頭，該電纜還擔(dān)負(fù)信號(hào)傳輸任務(wù)。法國(guó)CTT6340U型多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是集中供電系統(tǒng)，它可以測(cè)定瓦斯?jié)舛?、風(fēng)速、溫度、壓力和CO濃度等參數(shù)。容量可帶40個(gè)傳感器。電源為220V

53、3050Hz交流電，300VA。每個(gè)測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)周期4min。最大傳輸距離為10km。地面終端用兩臺(tái)長(zhǎng)圖記錄儀(各記20個(gè)點(diǎn))顯示記錄，也可以配Z一80微處理機(jī)進(jìn)行即時(shí)讀數(shù)，顯示模擬圖形，打印數(shù)據(jù)等。 10.8 礦井瓦斯抽放 礦井開采深度與開采強(qiáng)度增加，礦井瓦斯涌出量將日益增大，僅用增大風(fēng)量的辦法稀釋瓦斯，有時(shí)不僅在經(jīng)濟(jì)上不合算，在技術(shù)上也不合理。例如撫順龍鳳礦，根據(jù)瓦斯涌出梯度計(jì)算，回采-250m水平時(shí)，日產(chǎn)原煤8000t，如果只靠通風(fēng)來(lái)解決瓦斯問題，則所需風(fēng)量77760m3/min，需要開拓9條斷面為18m2的回風(fēng)道才能滿足要求。 抽放瓦斯可降低采區(qū)瓦斯涌出量的6070%，能有效地解決瓦斯?jié)?/p>

54、度超限，提高了礦井安全性，降低通風(fēng)費(fèi)用。許多礦井對(duì)抽出的瓦斯進(jìn)行綜合利用。抽放原始煤體瓦斯還可以防止煤和瓦斯突出。所以條件適合的礦井應(yīng)盡量采取抽放瓦斯措施。10.8.1 礦井抽放瓦斯必要性的衡量規(guī)程146條規(guī)定：“一個(gè)回采工作面的瓦斯涌出量大于5m3/min，或一個(gè)掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量大于3m3/min，采用通風(fēng)方法解決瓦斯問題不合理時(shí)，應(yīng)采取抽放瓦斯措施”。對(duì)于全礦井，一般認(rèn)為全井絕對(duì)瓦斯涌出量大于15m3/min應(yīng)抽放瓦斯。如果屬于煤和瓦斯突出礦井，規(guī)程規(guī)定“開采解放層時(shí)，應(yīng)同時(shí)抽放被解放層的瓦斯”。無(wú)解放層可采的突出煤層也可以考慮用預(yù)抽瓦斯的方法防止突出。 10.8.2抽放瓦斯方法 按被

55、抽放煤層是否卸壓分為：原始煤體預(yù)抽瓦斯，煤層卸壓后抽放瓦斯，其他抽放。1煤層卸壓后抽放瓦斯1) 抽放卸壓瓦斯的原理在煤層群中，一個(gè)煤層首先采動(dòng)后，破壞了原巖應(yīng)力平衡，上下巖體向采空區(qū)移動(dòng)，相鄰煤層卸壓，顯現(xiàn)卸壓增流效應(yīng)，流量增大幾十到幾百倍。2) 圍巖移動(dòng)分帶及其與抽放瓦斯的關(guān)系煤層群中一個(gè)煤層被開采以后，受采動(dòng)影響，圍巖發(fā)生不同程度的破壞和變形，根據(jù)巖層的破壞程度與位移狀態(tài)可把圍巖劃分為幾個(gè)帶。冒落帶與采空區(qū)直接相通，抽放鉆孔進(jìn)入冒落帶將吸入大量空氣，所以此帶一般不宜用鉆孔抽放瓦斯。在裂隙帶中，煤層卸壓充分，瓦斯大量解吸。裂隙帶靠近冒落帶處為大裂隙區(qū)，瓦斯在此區(qū)因流動(dòng)阻力小，容易涌入采空區(qū)，

56、鉆孔抽放率低；遠(yuǎn)離冒落帶處為小裂隙區(qū)，瓦斯向采空區(qū)流動(dòng)困難，是抽放率最高地帶。彎曲變形帶距開采層越遠(yuǎn)，卸壓程度越低，抽放效果次于小裂隙帶。若能增加抽放時(shí)間，也能得較好的效果。開采層底板的裂隙帶和變形帶的效果與頂板相似。 下圖表明了我國(guó)各礦區(qū)不同層間距的鄰近層與抽放率之間的關(guān)系，從圖中可以看出鄰近層處于3050m層間范圍時(shí)抽放率最高。3) 抽放鄰近層瓦斯的鉆孔布置(1)鉆孔布置原則抽放卸壓瓦斯的鉆孔必須進(jìn)入卸壓范圍內(nèi)。卸壓范圍可參照解放層的解放范圍劃定。一般抽放卸壓瓦斯的鉆孔均在回采工作面開采之前就布置完畢，等待工作面的推進(jìn)，鄰近層煤體卸壓后，就投入抽放。為了避免鉆孔抽進(jìn)井巷空氣，鉆孔的開口端應(yīng)

57、布置在未受采動(dòng)影響的完整煤(巖)體內(nèi)，并且鉆孔不能穿過冒落帶，否則應(yīng)在鉆孔開口端加套管避免抽出大量空氣。穿層鉆孔應(yīng)穿透各個(gè)抽放煤層，并進(jìn)入抽放層頂(底)板巖石0.5m以上，這是因?yàn)樾秹汉蟮耐咚箍梢赃\(yùn)移到頂板巖石的離層縫隙中。順層抽放應(yīng)沿煤層盡量打深孔。(2)鄰近層瓦斯抽放鉆孔布置形式鄰近層卸壓瓦斯抽放鉆孔布置形式多種多樣，它受著層間位置、煤層傾角、巷道布置等多種因素影響。但總是從適當(dāng)?shù)南锏老蚋鬣徑鼘有秹簠^(qū)打鉆孔，盡量使鉆孔控制卸壓瓦斯流入鉆孔而不至于大量流入開采層采空區(qū)： 右圖是陽(yáng)泉抽放上鄰近層鉆孔布置。利用開采層回風(fēng)道向上鄰近層卸壓區(qū)打鉆，沿走向每隔50m左右一個(gè)鉆場(chǎng)。下圖是南桐直屬一井抽放

58、下鄰近層鉆孔布置。利用運(yùn)輸?shù)老蛳锣徑鼘有秹簠^(qū)打孔。這兩種布孔方式都是利用已有采區(qū)巷道向鄰近層打孔，節(jié)約了巷道掘進(jìn)費(fèi)用。由于受到現(xiàn)有巷道位置的限制，上面兩種鉆孔布置只能抽到鄰近層上部或下部卸壓瓦斯，其余卸壓瓦斯將通過裂隙進(jìn)入開采層采空區(qū)，因此抽放率不高。 (3)抽放鉆孔間距 為了使卸壓瓦斯不流入開采層采空區(qū)而流入抽放鉆孔，必須使瓦斯流向鉆孔的阻力小于流向采空區(qū)的阻力，也就是選擇鉆孔間距的問題。 鄰近層卸壓瓦斯涌出規(guī)律如下圖所示。當(dāng)工作面推過鉆孔，流量開始上升，工作面推過鉆孔約一倍層間距左右時(shí)，鉆孔流量達(dá)到峰值以后開始逐漸下降，其原因是鉆孔附近的瓦斯逐漸枯竭，新卸壓的瓦斯距該鉆孔越來(lái)越遠(yuǎn)，阻力增加

59、而轉(zhuǎn)為流向采空區(qū)。因此在鉆孔瓦斯開始下降的位置(峰值位置)應(yīng)有第二個(gè)孔負(fù)擔(dān)新卸壓范圍的瓦斯抽放，由此得出，鄰近層卸壓瓦斯的合理抽放鉆孔間距大約等于抽放層距開采層的層間垂距。當(dāng)抽放鉆孔穿過數(shù)個(gè)煤層時(shí)，此時(shí)的鉆孔間距應(yīng)以瓦斯貯量最大的煤層為主。4)本層卸壓抽放(1)隨采隨抽在回采工作面前方一定距離有一個(gè)集中應(yīng)力帶與工作面同時(shí)往前推進(jìn)。應(yīng)力集中帶與回采工作面之間有一個(gè)約10m左右的卸壓帶，在此區(qū)域內(nèi)可以抽放卸壓瓦斯抽放孔提前布置在煤層內(nèi)，當(dāng)卸壓帶移至鉆孔時(shí)，即可抽出流量較大的卸壓瓦斯。能有效地降低工作面瓦斯量。由于工作面不斷推進(jìn)，使每一鉆孔抽放卸壓瓦斯的時(shí)間較短，所以抽放率不高。(2)隨掘隨抽 掘進(jìn)

60、所形成的空間也會(huì)使巷道兩側(cè)及掘進(jìn)工作面前方應(yīng)力重新分布。隨掘隨抽就是利用巷壁附近的卸壓區(qū)域抽放瓦斯。為了不影響掘進(jìn)工作，每隔一定距離在巷道兩側(cè)做鉆場(chǎng)向工作面前方打超前鉆孔。這種抽放方法適用于本煤層掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量大，用通風(fēng)方法難以解決瓦斯超限的煤層。也可以用于掘進(jìn)工作面前方有斷層及裂隙溶洞瓦斯，利用鉆孔探明地質(zhì)構(gòu)造及抽放瓦斯。2.預(yù)抽煤體瓦斯預(yù)抽煤體瓦斯是鉆孔打入未卸壓的原始煤體進(jìn)行抽放瓦斯。對(duì)于沒有鄰近卸壓條件的煤層，可以預(yù)抽原始煤體瓦斯。但其抽放效果與原始煤體透氣性和瓦斯壓力有關(guān)。煤層透氣性越小，瓦斯壓力越低越難抽出瓦斯。在我國(guó)未卸壓的原始煤層中，撫順、包頭等少數(shù)礦井透氣性系數(shù)大于9.