调度教材：矿井瓦斯与瓦斯事故的预防和处理

1调度培训教材2矿井瓦斯与瓦斯事故的预防和处理第一节矿井瓦斯一、瓦斯的生成矿井瓦斯是指井下生产过程中煤岩体中释放出的各种有害气体的总称，其主要成分为甲烷，分子式为CH4。煤层中瓦斯生成分为两个阶段1、细菌分解有机物阶段即在植物沉积后成煤初期，有机物被细菌分解进行着缓慢的氧化分解过程，产生少量的瓦斯、二氧化碳和水。此过程发生于地表附近生成的气体大部分散失于大气中。2、煤炭的变质阶段随地层沉积厚度的增加，生物化学作用终止，成煤过程进入漫长而复杂的变质过程。有机物在高温、高压作用下，挥发份减少，固定碳增加，这时生成的气体主要为瓦斯和二氧化碳。由植物变成煤炭的过程中，生成多少瓦斯，可以下列化学议程式中得出：2C6H10O5（纤维质）=5CH4+5CO2+2C（无烟煤）4C6H10O5（纤维质）=7CH4+8CO2+3H2O+C9H6O（类烟煤）按以上反应式计算，由褐煤转化成长焰煤时可生成70～80m3/t，贫煤生成120～150m3/t，无烟煤为240m3/t。但由于长期释放，至今保留在煤层中的瓦斯仅有几十，十几或几个立方米。植物在成煤过程中，除产生上述气体外，还产生少量的乙烷C2H6、丙烷C3H10、2丁烷C4H10与正茂烷C5H12等可燃爆气体。二、CH4的性质1、矿井瓦斯是一种无色、无味、无臭的气体。既看不见、尝不出也闻不到，要检查空气中是否含有瓦斯及其浓度，靠人的感官不行，必须使用专用的瓦斯检测仪器才能测出来。2、瓦斯比空气轻，标准状态下一立方米的瓦斯的质量为0.716kg与空气相比相对密度0.554。3、瓦斯有很强的扩散性。其在空气中的扩散率为1.344比CO2的扩散率大1.66倍，所以从一处涌出瓦斯就能扩散到巷道附近。增加了检查瓦斯涌出源的难度，也使瓦斯的危害范围扩大。4、瓦斯的渗透性强。甲烷分子的直径仅有4埃(1埃=10-8cm)，所以在一定瓦斯压力和地压共同作用下，瓦斯能从煤岩层中向采掘空间涌出，甚至喷出或突出。5、瓦斯难溶于水。在5Mpa300C时瓦斯的溶解度仅布1%，化学性质不活泼，在常温常压下，除卤素外，它很难与其它气体化合。6、瓦斯无毒，但当矿内空气中沼气浓度超过50%时，能使人因缺O2而窒息死亡。矿井瓦斯中含有的乙烷和丙烷，有轻微的麻醉性。7、瓦斯具有燃烧性爆炸性8、瓦斯引火有迟延性。当瓦斯与高温火源接触时，并不能立刻发生燃烧，而是要经过一定的时间，才能发生燃烧。迟延时间的长短与瓦斯浓度及火源温度有关。瓦斯浓度越高，延迟性越长，温度越高延迟性越短。第二节煤层瓦斯含量和瓦斯压力一、瓦斯含量瓦斯含量3瓦斯含量是指在原始状态与单位体积或重量的煤岩体的瓦斯含量。以m3/t或m3/t表示。煤体之所以能保存一定数量的瓦斯，与煤的结构有关。煤是一种复杂的孔隙性介质，有十分发达，各种步同直径的孔隙（由几埃到大于1000埃）和裂隙，形成了庞大的自由空间和孔隙表面。所以，成煤过程中生成的瓦斯就能以游离状态和吸附状态存在于这些孔隙内。瓦斯含量的大小取决于下列条件1、煤的变质程度煤的变质程度越高，生成的瓦斯越多。由于煤在炭化过程中，挥发份由孔隙中排出，增加了有效表面积与孔隙度，有利于吸附瓦斯。2、围岩性质从瓦斯地质角度分析，按保存瓦斯的条件将围岩分为三类：一是岩性致密的泥岩，砂质泥岩，其胶结物含量不低于15%的称为屏障层，二是胶结物含量在10～15%的粉砂岩，中粒砂岩夹薄层砂质泥岩的称为半屏障层；三是砂岩，砾岩等岩层称透气层。3、煤层的赋存深度浅部煤层，特别是有露头存在时，煤层中瓦斯含量较少，煤层的瓦斯含量随深度的增加而增加。4、煤层倾角相同条件下煤层倾角越小，瓦斯含量越大。5、水文地质条件瓦斯在水中的溶解度很小，如果煤层中有较大的含水裂隙或流通的地下水通过4时，能从煤层中带走大量瓦斯，降低煤层的瓦斯含量。另，张性的开放型和半封闭型断层有利于瓦斯释放，故断层附近瓦斯释放，断层附近瓦斯含量大。二、瓦斯压力煤层的瓦斯压力，是处于煤的裂隙和孔隙中的游离瓦斯分子热运动的结果。煤层瓦斯压力不但决定着煤层的瓦斯含量，而且与瓦斯动力现象有密切关系。《规程》规定，开凿有煤与瓦斯突出危险煤层时，必须测定煤层瓦斯压力。一般情况下未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，煤层的个别地区，特别是地质构造附近，瓦斯压力可能异常，煤体受瓦斯压力影响，煤的硬度会变软。三、煤层的瓦斯垂直分带即将煤层由露头自上向下分为四个带：CO2—N2带；N2带；N2—CH4带；CH4带。前三个带又总称瓦斯风化带。瓦斯风化带下界深度可根据下列指标中任何一项确定①煤层的相对瓦斯涌出量2m3/t处；②煤层内的瓦斯组分中瓦斯达80%（体积百分数）处；③煤层内的瓦斯压力为0.2Mpa处；④煤的瓦斯含量达到下列数值处；气煤1.5～2.0m3/t，肥煤与焦煤2.0～2.5m3/t，瘦煤2.5～3.0m3/t，贫煤3.0～4.0m3/t，无烟煤5.0～7.0m3/t。确定瓦斯风化带的意义，在于了解瓦斯带内煤层的瓦斯含量和涌出量随深度的增加而有规律地增大。开滦赵各庄矿瓦斯风化带深度为467米，唐山矿为388米。瓦斯风化带深度决定于煤层的具体条件，变化很大。5第三节瓦斯的赋存状态与涌出形式一、瓦斯的赋存状态煤休中的瓦斯以游离和吸着状态存在。1、游离状态：游离状态也称自由状态，它是以压缩形式存在于煤体的微小孔隙中。游离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。2、吸着状态：吸着又可以分为吸附与吸收两种，又称为结合状态。吸附是因煤的固体粒子和瓦斯分子间的引力作用，使后者紧密附着在微孔隙表面形成很薄的吸附层（一克无烟煤的比表面积可达200m2以上）。吸收是瓦斯分子已进入煤的分子团内部。瓦斯的游离状态和吸附状态是在一定温度和压力条件下的动平衡。当压力升高或温度降低时，一部分瓦斯由游离状态转达为吸附状态，--吸附；反之，当压力降低或温度升高时，一部分瓦斯由吸附状态转为游离状态—解吸。煤层内，无论浅部还是深部，吸附的瓦斯量约占煤层瓦斯含量的80～90%，游离瓦斯只占10～20%。二、矿井瓦斯涌出及涌出形式1、瓦斯涌出：当煤层被开采时，煤体受到破坏，贮在煤体内的部分瓦斯就会离开煤体而涌入采掘空间，这种现象叫做瓦斯涌出。2、涌出形式①普通涌出。即瓦斯从采落的煤炭及煤层、岩层的暴露面上，通过细小的孔隙缓慢而长时间的放出。其特点是：涌出范围大，时间长，涌出量均匀，涌出速度平缓。②喷出：大量处于承压状态的瓦斯从煤、岩裂缝或孔洞中放出的动力现象。6③突出：在地应力和瓦斯（含CO2）的共同作用下，破碎的煤和瓦斯由煤体内突然喷出到采掘空间的现象。三、矿井瓦斯涌出量及其表示方法1、矿井瓦斯涌出量是指生产过程中涌进巷道的瓦斯量。矿井瓦斯涌出量受着煤层瓦斯含量的大小。大气压力的变化，开采技术条件等因素的影响。煤层瓦斯含量大，瓦斯涌出量多，地面气压低，矿井瓦斯涌出量增加，采用全部垮落法管理顶板，矿井瓦斯涌出量就高；厚煤层分层开采时回采上分层时，比回采下分层瓦斯涌出量要大。2、瓦斯涌出量的表示方法①绝对瓦斯涌出量即单位时间内涌出的瓦斯量。单位：m3/d或m3/minQch4=Q×C%Qch4—绝对瓦斯涌出量Q—矿井总回风量C—总回风流中的平均瓦斯浓度%计算矿井绝对瓦斯涌出量是用来分析瓦斯来源，计算矿井所需风量，决定抽放瓦斯的重要依据，所以它与安全生产和抢救事故的关系极大。因此，对每个掘进头、回采面、采区、矿井都应定期测定，并在通风系统中标明，在生产中对瓦斯绝对涌出量大的区域，应予以特别重视；在处理事故时，应向滞留在该区域的人中及时供氧，在发生火灾采取封闭时，应注意防止该区域发生瓦斯爆炸。②相对瓦斯涌出量矿井在正常生产情况下，平均日产--吨煤的瓦斯涌出量。qch4=Qch4/Ad7qch4–相对瓦斯涌出量m3/tQch4—一天内瓦斯绝对涌出量m3/dAd—平均日产量吨/日相对瓦斯涌出量，是以矿井产量为基础的，因此，它可以作为判定矿井瓦斯涌出严重程度的标准，也是矿井瓦斯等级划分的依据之一。低瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量小于或等于10m3/t且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于40m3/min。高瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量大于10m3/t或绝对瓦斯涌出量大于40m3/min。煤与瓦斯突出矿井。不同等级的瓦斯矿井，其供风标准、设备选型、瓦斯管理制度等均有所不同。第四节瓦斯燃烧与爆炸一、瓦斯爆炸的化学反应过程瓦斯爆炸是一种复杂的热—链反应过程。其反应式：CH4+2O2—CO2+2H2O如果井下空气中氧气不足，反应的最终式为：CH4+O2—CO+H2+H2O二、瓦斯爆炸的产生与传播过程爆炸是火焰由火源所在处向整个爆炸混合物所在处空间连续传播的过程。如果火焰没有离开火源，或者离开后就熄灭了，这样的过程就不叫爆炸而称为燃烧。初燃产生以一定速度移动的焰面，焰面后的爆炸产物具有高的温度和不同于矿内空气的成分。高温产生高压，形成前向冲击波，其速度大于焰面速度（特殊情况下两者相等）。当冲击波遇到阻塞物或巷道突然扩大、缩小、交叉时就能产8生反向冲击波。爆炸时由于爆源附近气体高速向外冲击，加之生成的水蒸气很快凝聚，在爆源附近形成气体稀薄的低压区，于是就产生了反向冲击波。如果反向冲击波的空气中含有足够的氧气和瓦斯而火源又未消失，就可以发生第二次爆炸。三、瓦斯爆炸的危害瓦斯爆炸的有害因素是：焰面、冲击波、大气成分的变化。1、焰面：是巷道中运动着的化学反应区和高温气休。其速度变化范围很大。从正常的燃烧速度（1～5m/s）到爆轰式爆炸传播速度（2500m/s），焰面温度可高达2150—26500C，焰面经过之处，人被严重烧伤，可燃物被点燃而发生火灾。2、冲击波：是传播着的聚变压力。在它通过前巷道内为正常大气压，随着冲击波的通过，巷道内的压力迅速上升，然后下降到等于或小于大气压，冲击波锋面压力，由几个大气压到20大气压，前向冲击波叠加和反射时，可达100大气压。其传播速度总是大于声速（340m/s）。冲击波造成人员伤亡，支架设备和通风设施损坏，巷道垮塌。3、瓦斯爆炸后生成大量有害气体。一般情况下爆炸后井下空气成分为：O2：6～10%N2：82～88%CO2：4～8%CO：2～4%。如果有煤尘参与爆炸，CO的生成量更大，造成大量人员伤亡。四、瓦斯爆炸的主要参数1、瓦斯的爆炸浓度瓦斯爆炸需要一定的浓度范围5～16%瓦斯浓度低于下限（5%）时，遇高温火源并不爆炸，只能在火焰外围形成稳定的燃烧层，此燃烧层浅兰或淡青色。浓度高于爆炸上限时（16%）在该混合气体内不会爆炸，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9的接触面上进行燃烧。这是因为瓦斯过多瓦斯的比热大，其热容量（0.59）约为空气容量（0.23）的2.5倍，因而不易引火传播。瓦斯在空气中爆炸时发生的化学反应式为：CH4+2（O2+4N2）----CO2+2H2O+8N2+198.4千卡/克分子由上式可知：若使一个体积的甲烷完全反应，必须具备2个体积的氧。两个体积的氧需要多少个体积的空气呢？因空气中氧所为21%，所以两个体积的氧需要（2×100/21）个体积的空气，因此完全反应时，瓦斯在空气中的含量为9.5%这说明，空气中瓦斯浓度为9.5%时，爆炸最剧烈，爆炸为最强。瓦斯浓度为7～8%时，最易爆炸，这个浓度称最优爆炸浓度。瓦斯爆炸界限并不是固定不变的，煤尘的存在，其他可燃性气体的混入，都可使瓦斯爆炸上限提高，下限降低。几种可燃性气体同时存在时，可根据下式求得混合气体的爆炸上下限。式中：N—多种可燃气体同时存在时的混合气爆炸上、下限%C1、C2、Cn—分别为各可燃气体的浓度百分比C=C1+C2+……+CnN1、N2、Nn—各可燃气体的爆炸上限或下限，%几种可燃气体的爆炸上、下限nnNCNCNCCN......22115.31002110021110气体名称化学分子式爆炸下限爆炸上限甲烷CH4516乙烷C2H63.2212.43丙烷C3H83.49.5氢气H2474.2一氧化碳CO12.575硫化氢H2S4.3245.5乙烯C2H42.7528