太原理工大学矿山安全学讲义1

2020/1/14矿山安全学本课主要内容：1、矿井瓦斯2、矿井火灾3、矿尘防治4、矿井水灾5、矿山救护主讲：刘正和2020/1/14、瓦斯概念2、煤层瓦斯赋存与含量3、矿井瓦斯涌出4、瓦斯喷出与突出5、瓦斯爆炸与预防6、瓦斯抽放2020/1/14第一章矿井瓦斯第一节概述矿井瓦斯是煤矿生产过程中，从煤、岩内涌出的各种气体的总称。煤矿术语中的瓦斯指的就是甲烷。物理化学性质。无色、无味、无毒、比空气轻，微溶于水。危害：爆炸，突出，人员窒息、环境污染。作用：能源、化工原料。第二节煤层瓦斯赋存与含量一、瓦斯的成因与赋存（一）矿井瓦斯的生成煤层瓦斯是腐植型有机物（植物）在成煤过程中生成的。成气过程两个阶段一是生物化学成气时期；二是煤化变质作用时期。2020/1/14（二）瓦斯在煤体内存在的状态煤体是一种复杂的多孔性固体，包括原生孔隙和运动形成的大量孔隙和裂隙，形成了很大的自由空间和孔隙表面。煤层中瓦斯赋存两种状态：游离状态吸附状态吸收状态2020/1/14二、煤层中瓦斯垂直分带形成原因：当煤层直达地表或直接为透气性较好的第四系冲积层覆盖时，由于煤层中瓦斯向上运移和地面空气向煤层中渗透，使煤层内的瓦斯呈现出垂直分带特征。四带：CO2-N2带、N2带、N2—CH4带、CH4带。瓦斯成分%名称气带成因N2CO2CH4CO2—N2带生物化学—空气20～8020～8010N2带空气＞8010～2020N2—CH4带空气—变质～8010～20～80CH4带变质2010＞802020/1/14瓦斯风化带下界深度确定依据：可以根据下列指标中的任何一项确定。（1）煤层的相对瓦斯涌出量等于2～3m3/t处；（2）煤层内的瓦斯组分中甲烷及重烃浓度总和达到80%（体积比）；（3）煤层内的瓦斯压力为0.1～0.15MPa；（4）煤的瓦斯含量达到下列数值处：长焰煤1.0～1.5m3/t（C.M.），气煤1.5～2.0m3/t（C.M.），肥煤与焦煤2.0～2.5m3/t(C.M)，瘦煤2.5～3.0m3/t(C.M.)，贫煤3.0～4.0m3/t(C.M.)，无烟煤5.0～7.0m3/t(C.M.)（此处的C.M.是指煤中可燃质既固定碳和挥发分）三影响煤层瓦斯含量的因素煤的瓦斯含量是指单位体积或重量的煤在自然状态下所含有的瓦斯量（标准状态下的瓦斯体积），单位为m3/m3(cm3/cm3)或m3/t(cm3/g)。煤的瓦斯含量包括游离瓦斯和吸附瓦斯含量之和。2020/1/14主要影响因素：1、煤的吸附特性煤的吸附性能决定于煤化程度，一般情况下煤的煤化程度越高，存储瓦斯的能力越强。2、.煤层露头3、煤层的埋藏深度---深，瓦斯大4、围岩透气性、泥岩、完整石灰岩低透气性5、煤层倾角----大，瓦斯小，小，瓦斯大6、地质构造----封闭地质，瓦斯大，开放的，瓦斯小7、水文地质条件----水流，带走瓦斯四、煤层内的瓦斯压力瓦斯流动动力高低以及瓦斯动力现象的基本参数。瓦斯压力测定：打钻、封孔、测压2020/1/14瓦斯带内瓦斯压力变化规律：末受采动影响的煤层内的瓦斯压力，随深度的增加而有规律地增加，可以大于、等于或小于静水压。瓦斯压力梯度：或式中P—预测的甲烷带内深H(m)处的瓦斯压力，MPagp—瓦斯压力梯度，MPa/mP1，P2—甲烷带内深度为H1、H2(m)处的瓦斯压力，MPa。P0--甲烷带上部边界处瓦斯压力，取0.2MPa。H0---甲烷带上部边界深度，m。11)(PHHgPp00)(PHHgPp2020/1/14第三节矿井瓦斯涌出普通涌出特殊涌出一、瓦斯涌出量1、含义：矿井建设或生产过程中从煤岩内涌出的瓦斯量2、瓦斯涌出量表示方法绝对瓦斯涌出量--单位时间涌出的瓦斯体积，单位为m3/d或m3/min：相对瓦斯涌出量--平均日产一吨煤同期所涌出的瓦斯量，单位是m3/t。二、影响瓦斯涌出的因素决定于自然因素和开采技术因素的综合影响。(一)自然因素1、煤层和围岩的瓦斯含量，2、地面大气压变化。100/CQQgdggAQq/2020/1/14（二）开采技术因素1、开采规模—产量与瓦斯涌出量的关系复杂2、开采顺序与回采方法---先开采，大；回采率低，大；顶板管理3、生产工艺-初期大，呈指数下降4、风量变化---单一煤层，随风量减而增，煤层群5、采区通风系统6、采空区的密闭质量三、矿井瓦斯涌出来源的分析与分源治理按划分目的的不同，对矿井瓦斯来源有三种划分方式：.按水平、翼、采区来进行划分，作为风量分配的依据之一；.按掘进区、回采区和已采区来划分，它是日常治理瓦斯工作的基础；.按开采区、临近区划分，它是采煤工作面治理瓦斯工作的基础2020/1/14四、瓦斯涌出不均系数正常生产过程中，矿井绝对瓦斯涌出量受各种因素的影响其数值是经常变化的，但在一段时间内只在一个平均值上下波动，峰值与平均值的比值称为瓦斯涌出不均系数。矿井瓦斯涌出不均系数表示为：kg=Qmax/Qa式中：kg－给定时间内瓦斯涌出不均系数；Qmax－该时间内的最大瓦斯涌出量，m3/min；Qa－该时间内的平均瓦斯涌出量，m3/min；方法：确定区域，进回风量、瓦斯浓度五、矿井瓦斯等级1.矿井瓦斯等级划分依据：按照平均日产一吨煤涌出瓦斯量（相对瓦斯涌出量）和瓦斯涌出形式，划分为：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。2020/1/14、矿井瓦斯等级鉴定（1）鉴定时间和基本条件矿井瓦斯等级的鉴定工作应在正常生产的条件下进行。（2）测点选择和测定内容及要求。（3）矿井瓦斯等级的确定。六、矿井瓦斯涌出量预测瓦斯涌出量的预测：指根据某些已知相关数据，按照一定的方法和规律，预先估算出矿井或局部区域瓦斯涌出量的工作。瓦斯涌出量的预测的方法：（1）统计法A、瓦斯涌出量梯度：深度与相对涌出量的比值B、物理含义C、计算（2）计算法:以煤层瓦斯含量为基础进行计算。ngqqHHg)]/()[(1212mmgHHqq/)(002020/1/14第四节瓦斯喷出瓦斯喷出：大量承压状态的瓦斯从煤、岩裂缝中快速喷出的现象。一、瓦斯喷出的分类根据喷瓦斯裂缝呈现原因的不同，可把瓦斯喷出分成：地质来源形成的和采掘卸压形成的两大类。二、瓦斯喷出的预防预防瓦斯喷出，首先要加强地质工作，查清楚施工地区的地质构造、断层、溶洞的位置、裂隙的位置和走向、以及瓦斯储量和压力等情况，采取相应的预防或处理措施。分为：1、当瓦斯喷出量和压力不大时，黄泥或水泥沙浆等充填材料堵塞喷出口；2、当瓦斯喷出量和压力较大时，可能的喷出地点附近打前探钻孔，探测、排放。2020/1/14前探钻孔的要求：(1)10m外，打钻75mm，3个(2)边掘边打超前钻，超前5m，不少3个孔；(3)裂隙、溶洞、破坏带打超前钻,75mm,2个，超5m2020/1/14第五节煤与瓦斯突出及其预防一、概述含义：在极短时间内，从煤岩内以极快速度向采掘空间涌出煤岩和瓦斯。危害：二、突出的机理突出的机理是关于解释突出的原因和过程的理论。突出是十分复杂的自然现象，它的机理还没有统一的见解，假说很多。多数人认为，突出是地压、瓦斯、煤的力学性质和重力综合作用的结果。三、突出的一般规律1、突出多发生在一定的采深以后；2、突出多发生在地质构造带、应力集中区；3、突出的强度和次数，与煤层厚度、倾角、硬度、透气性等有关；4、突出与瓦斯关系，瓦斯压力小含量低，可能发生突出。4、突出大多发生在落煤、放炮工序5、突出前有预兆2020/1/14四、预防煤与瓦斯突出的主要技术措施防突措施分类：区域性防突措施：实施以后可使较大范围煤层消除突出危险性的措施，称为区域性防突措施；局部防突措施：实施以后可使局部区域(如掘进工作面)消除突出危险性的措施称为局部防突措施。(一)、区域性防突措施区域性防突措施主要有开采保护层和预抽煤层瓦斯两种。1、开采保护层保护层：在突出矿井中，预先开采的、并能使其它相邻的有突出危险的煤层受到采动影响而减少或丧失突出危险的煤层称为保护层。被保护层：后开采的煤层称为被保护层。保护层位于被保护层上方的叫上保护层，位于下方的叫下保护层。1)、开采保护层的作用(1)地压减少，弹性潜能缓慢释放；(2)煤层膨胀变形，形成裂隙与孔道，透气性增加；(3)煤层瓦斯涌出后，煤的强度增加2020/1/14).保护范围保护范围：指保护层开采后，在空间和时间上使危险层丧失突出危险的有效范围。（1）垂直保护距离保护层与被保护层间的有效垂距:上：急60m,缓：50m下：急80m，缓：100m(2)沿倾斜的保护范围确定沿倾向的保护范围就是沿倾向划定被保护层的上、下边界(以冒落角)。(3)沿走向的保护范围。超前距一般不得小于两个煤层之间垂直距离的两倍，至少不小于30m。(4)煤柱的影响180180212020/1/14(二)局部防突措施1、松动爆破作用机理：2、钻孔排放瓦斯—3.5~4.5孔/m2作用机理：3、水力冲孔---在煤岩柱保护下，高压水作用机理：4、超前钻孔作用机理：5、金属骨架•作用机理：6、超前支架作用机理：7、卸压槽2020/1/14、震动放炮1）、岩柱厚度1.5m2）、炮眼数和炮眼布置，单列三组楔形掏槽3）、装药量：f=3~4,4~5kg/m3,f=6~8,5~7kg/m34）、注意事项(1)撤人；(2)断电，(3)30min检查；(4)防止扩大(矸石堆和反向风门)3/22/15.5fSN2020/1/14五、突出的预测突出危险性预测是防治煤与瓦斯突出综合措施的第一步。突出危险性预测包括区域性预测和工作面预测。(一)、预测指标1、煤的瓦斯放散指数ΔP：一般情况下，ΔP＞15～25时有突出危险。2、煤的坚固系数f：当f0.6～0.8时有突出危险；f＞1.2时，无突出危险。3、软煤比软煤分层厚度与煤层总厚度之比称软煤比，亦称揉皱系数。该值越高，煤层越不稳定，突出可能性越大。4、钻孔瓦斯涌出量和钻渣量这是一种可以在掘进工作面即时预测有无突出危险的方法，它综合反映了工作面前方煤体渗透性、破坏程度、瓦斯涌出速度和岩层应力状态。（二）、突出预兆1、煤层结构和构造2、地压增大3、瓦斯及其它2020/1/14第六节爆炸及其预防一、瓦斯爆炸过程及其危害１.瓦斯爆炸的化学反应过程瓦斯爆炸最终的化学反应式为：CH4+2O2=CO2+2H2O如果O2不足，反应的最终式为：CH4+O2=CO+H2+H2O矿井瓦斯爆炸是一种热－链反应过程(也称连锁反应)。２.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，初燃(初爆)焰面冲击波新的爆炸混合物３、瓦斯爆炸的危害高温---2150~2650；高压---几~20at，有害气体CO，冲击波2020/1/14瓦斯的爆炸浓度在正常的大气环境中，瓦斯只在一定的浓度范围内爆炸，这个浓度范围称瓦斯的爆炸界限，其最低浓度界限叫爆炸下限，其最高浓度界限叫爆炸上限，瓦斯在空气中的爆炸下限为5～6％，上限为14～16％。瓦斯爆炸界限不是固定不变的，它受到许多因素的影响，其中重要的有：（1）氧的浓度2020/1/1