瓦斯基础知识

瓦斯基础知识概述瓦斯是指一种混合气体，是井下煤层含有的所有有毒有害气体的总称，包括甲烷、二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫等。甲烷在井下各种有毒有害气体中所占比例最大，可达80~90%，所以习惯上把甲烷称为瓦斯。一．瓦斯的形成和性质1.瓦斯的生成伴随着煤炭同时生成，经厌氧菌的作用，古植物纤维质化学成分和结构发生变化，分解产生大量瓦斯。每生成1t煤，大约可以伴生600m3，长焰煤变成无烟煤时，每吨煤又可产生大约240m3瓦斯。2.瓦斯的性质主要组成成分：甲烷（CH4）1.物理性质1）无色、无味、无臭。2）微溶于水，标准大气压下，100L水可以溶解3.31L的瓦斯。3）相对密度0.554。4）扩散性强，比空气强1.6倍。2.化学性质无毒，不助燃，也不能供人呼吸，在一定浓度范围内能燃烧和爆炸。一．瓦斯的形成和性质煤的结构状态：十分复杂的孔隙性介质，内部有巨大的自由空间和孔隙表面。使得瓦斯能以游离和吸附两种状态存在与这些孔隙和裂隙中。其结构状态如图所示：二．瓦斯在煤体中的存在状态（一）游离状态以自由气体状态存在于煤体或岩体的孔隙和裂隙之中。（二）吸附状态1.吸着状态瓦斯气体分子在表面的固体分子吸引力作用下，被吸附在孔隙表面上，形成很薄的吸附层。2.吸收状态指瓦斯分子在较高压力作用下，已深入到煤分子团内部。二．瓦斯在煤体中的存在状态（三）影响瓦斯存在状态的因素天然状态下，吸附状态约占90%，自由状态的仅占10%。外界条件不变时，游离状态和吸附状态处于动态平衡状态吸附现象：当压力升高或温度降低时，部分游离状态的瓦斯会转变为吸附状态的现象。解吸现象：当压力降低或温度升高时，有部分吸附状态的瓦斯转变为游离状态的现象。二．瓦斯在煤体中的存在状态煤层瓦斯含量：指单位质量煤体中所含瓦斯的体积，mL/g。原始瓦斯含量:指煤层在未受采动影响的原始状态下的瓦斯含量；残存瓦斯含量：指受采动影响，已有部分瓦斯排除而剩余在煤层中瓦斯量。（一）影响瓦斯生成量的因素（二）影响瓦斯保存放散条件的因素三．煤层瓦斯含量（一）影响瓦斯生成量的因素1）成煤前植物遗体中含有机质越多，杂质越少，瓦斯生成量越多。2）煤的变质程度越高，含固定碳越多，瓦斯生成量越多。3）按地质条件，煤田成煤越早，瓦斯生成量越大。三．煤层瓦斯含量（二）影响瓦斯保存放散条件的因素1.煤的性质2.煤层赋存条件3.围岩的性质4.地质构造三．煤层瓦斯含量1.煤的性质1)煤的孔隙率：孔隙率越大，贮存游离瓦斯的空间越大，瓦斯的吸附能力也越大，贮存的瓦斯也越多。2）煤的透气性：煤的透气性越强，瓦斯就越容易跑掉。3）煤的水分含量：煤层水分越多，瓦斯含量就会相应减少。2.煤层赋存条件1）煤层埋藏深度2）煤层倾角四．瓦斯涌出量1.瓦斯涌出2.瓦斯涌出量3.矿井瓦斯等级1.瓦斯涌出形式1）普通涌出：指从煤岩层及采落得煤、矸石表面细微的裂缝和空隙中缓慢均匀的涌出的现象。2）特殊涌出瓦斯喷出：煤炭开采过程中，从煤体或岩体的裂隙、空洞或炮眼中大量异常涌出的现象。在20m巷道范围内，每分钟超过1.0m3/min，且持续时间在8h以上时，该采区定为瓦斯喷出区域。瓦斯突出：指地下开采过程中，在地应力和瓦斯压力的共同作用下，破碎的煤岩和瓦斯突然向采掘空间抛出的异常动力现象。四．瓦斯涌出量2.瓦斯涌出量1）绝对涌出量（QCH4）指单位时间内涌出的瓦斯体积，m3/min、m3/d。QCH4=Q总×cm3/min或QCH4=Q总×c×60×24m3/d式中Q总——矿井总回风量，m3/minC——矿井总风流中瓦斯浓度，%四．瓦斯涌出量2）相对涌出量（qCH4）：指正常生产条件下，平均日产1t煤所涌出的瓦斯体积，m3/t。qCH4=QCH4×n/Tm3/t式中n——月工作天数，d。T——月产量，t。3.矿井瓦斯等级瓦斯矿井：一个矿井只要有一个煤（岩）层发现瓦斯。（1）低瓦斯矿井：相对涌出量qCH4≤10m3/t，且绝对涌出量QCH4≤40m3/min。（2）高瓦斯矿井：相对涌出量qCH4＞10m3/t，或绝对涌出量QCH4＞40m3/min。（3）煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井：矿井在采掘过程中，只要发生过一次煤与瓦斯突出。相对瓦斯涌出量qCH4绝对瓦斯涌出量QCH4低瓦斯矿井≤10m3/t且≤40m3/min。高瓦斯矿井＞10m3/t或＞40m3/min双突矿井只要发生过一次煤与瓦斯突出划分瓦斯等级的目的:（1）确定稀释矿井瓦斯的供风标准；（2）确定矿井电气设备的选型；（3）确定检测瓦斯的周期（次数）；（4）确定特殊开采方法及其相应的管理制度和处理措施。五．瓦斯爆炸（一）瓦斯爆炸机理瓦斯爆炸实质是一种化学反应，其反应式如下：CH4+2O2=CO2+2H2O+882.6kJ/mol瓦斯爆炸反应也是一种连锁反应，当瓦斯混合气体吸收一定能量时（通常是引火源给予的能），CH4分子链断裂，离解成两个或两个以上的游离基［CH3］、［H］（也叫自由基），这些游离基就成为活化中心，完成整个氧化反应过程，并放出一定热量，这些热量又会促进周围的瓦斯分子分解，产生更多的活化中心，如此循环不已，游离基越来越多，反应也越来越快，使气体受热膨胀，最后发展成燃烧和爆炸，其最终产物是CO2和H2O。化学爆炸的三要素：（1）瓦斯氧化属放热反应，且放热量很大；（2）瓦斯浓度在爆炸范围以内时，氧化反应速度很快；（3）反应结果会产生大量气体（CO2、CO和水蒸气）。（二）瓦斯爆炸的效应及产物1）高温瞬间高温可达1850～2650℃。2）高压爆炸后压力可达911.7kP(9个大气压)左右。3）冲击波（1）正向冲击（2）反向冲击4）有害气体O2：6～10%；N2：82～88%；CO：2～4%（如有煤尘参与爆炸可达8%）。五．瓦斯爆炸（三）瓦斯爆炸的条件及影响因素1.瓦斯爆炸条件1）瓦斯爆炸浓度条件2）氧气浓度条件3）足够能量的点火源五．瓦斯爆炸氧气高温有毒有害气体高压冲击波1．瓦斯爆炸浓度条件1）爆炸浓度界限下限为5～6%，低于5～6%时，瓦斯混合气体无爆炸性，但遇火能燃烧；上限为14～16%，超过14～16%时，混合气体既无爆炸性，也不能燃烧。在9.1～9.5%爆炸最猛烈。瓦斯浓度在9.1～9.5%时，氧气与瓦斯反应最完全，所以爆炸最猛烈。五．瓦斯爆炸2）影响瓦斯爆炸浓度界限的因素（1）爆炸初温爆炸时混合气体初温越高，爆炸界限越大。（2）爆炸初压爆炸时初压越高，爆炸界限越大。（3）煤尘和可燃性气体混入会使瓦斯爆炸界限扩大。（4）惰性气体混入使爆炸界限缩小，降低爆炸的危险性。五．瓦斯爆炸2．氧气浓度当氧气浓度降低时，瓦斯爆炸下限缓慢升高，上线迅速下降。当氧气浓度低于12%时，瓦斯混合气体就失去了爆炸性。E爆炸区141881812ACDB10426102468121416201620不爆炸区混入新鲜空气后可能爆炸区O2%CH4%瓦斯——空气混合气体爆炸界限与氧气浓度的关系3．足够能量的点火源1）点燃温度正常大气条件下，点火温度为650～750℃。实验表明：瓦斯最容易点燃的浓度为7～8%。混合气体压力越大点燃温度越低。混合气体初始温度越高，点燃温度越低；且点燃面积越大，点燃时间越长，则越易点燃。五．瓦斯爆炸2）瓦斯的引火延迟性瓦斯的引火延迟性：指达到爆炸浓度的瓦斯与高温火源接触时，并不立即发生爆炸或燃烧，而是稍事延迟的现象。感应期:指引火延迟的时间称为～。瓦斯浓度越高，感应期越长，火焰温度越高，感应期越短。六．瓦斯爆炸的预防（一）防止瓦斯积聚的措施（二）防止瓦斯引燃的措施（三）限制瓦斯爆炸范围扩大的措施六．瓦斯爆炸的预防（一）防止瓦斯积聚的措施瓦斯积聚是指采掘工作面及井下其他地点，局部瓦斯浓度达到2%，体积超过0.5m3的现象。1加强通风2.加强检查3.及时处理局部积聚的瓦斯4.抽放瓦斯1加强通风1）采用最佳的通风系统。2）选择合理的通风机械。3）煤仓瓦斯积聚治理装置包括由若干个煤仓瓦斯分离器、风幛、双向风窗和焚风通风塔组成2.加强检查1）《规程》关于检查次数的规定：低瓦斯矿井每班2次；高瓦斯矿井每班3次；有突出、喷出危险的采掘工作面和瓦斯涌出量大，变化异常的采掘工作面，必须有专人经常检查，并设瓦斯断电仪。2）《规程》关于瓦斯浓度的规定：采掘工作面回风流中瓦斯浓度超过1%必须停工，撤人，采取措施，进行处理。采掘工作面及其他作业地点风流中、电动机及开关附近20m以内风流中瓦斯浓度达到1.5%时，必须停工、撤人、断电、处理。采掘工作面及其他巷道内，体积超过0.5m3的空间内，瓦斯浓度达到2%时，必须停工、撤人、断电、处理。（二）防止瓦斯引燃的措施1.防止明火点燃包括烟火、电炉、电焊、弧焊、意外火灾等。2.防止爆破火焰3.防止电器火花包括漏电、失爆、电气打火、井下擅自拆开矿灯等4.防止摩擦和撞击火花六．瓦斯爆炸的预防（四）《选煤厂安全规程》对于瓦斯的相关规定：5.3.5瓦斯量大的煤仓（原煤仓、精煤仓和缓冲仓）及与其相同的房间和走廊，必须遵守下列规定：a）建立三班巡回检查制度，制定检查图表。b）煤仓设置高出房顶的瓦斯排放口。c）使用符合防爆要求的机电设备和照明。d）煤仓内瓦斯浓度达到1.5%时，附近20m范围内的电气设备立即停止运转。e）房间和走廊内瓦斯浓度达到0.5%时，立即切断全部非本质安全型电源（包括照明电源）。6.2.3人工清仓时，必须遵守下列规定：b）煤仓内瓦斯浓度不得超过1.5%。15.2.1焊接车间必须配备消防器材，严禁在瓦斯含量超过0.5%或煤尘浓度大于10mg/m3的场所进行焊接作业七．瓦斯检测仪器（一）光学瓦斯测定器测量范围分0～10%（精度为0.01%）和0～100%（精度为0.1%）结构：如图所示目前多用AQG—1型。平行平面镜4（b）→小三棱镜6→→物镜7（产生光谱）→测微玻璃8→分划板9→场镜10→目镜→右空气室→大三棱镜5→左空气室→瓦斯室→大三棱镜5→瓦斯室光源1→光栅2→聚光镜3→平行平面镜4（a）原理：光程=折射率×几何路程当两束光存在的光程差时，会产生白色光特有的干涉条纹——光谱。光程差不同，干涉条纹也会随之发生移动。由于光线通过气体介质的折射率与气体的密度有关，而气体介质的密度又随混合气体的浓度改变而改变，如果以瓦斯室和空气室都充以同样密度的新鲜空气时产生的干涉条纹为基准，那么，当以瓦斯来置换瓦斯室的空气或改变该气室的温度和压力时，就会引起折射率的变化，从而引起通过空气室和瓦斯室两束光线产生光程差的变化，进而引起干涉条纹随之移动，而且移动的距离和瓦斯浓度成正比。七．瓦斯检测仪器（二）热效式瓦斯鉴定器（催化式瓦斯鉴定器）1.基本结构：检定器的基本结构为一电桥，电桥由放在同一个气室的检测元件R1及补偿元件R2；电阻相同的普通元件R3、R4和一个以瓦斯浓度为刻度的电表组成。如图所示七．瓦斯检测仪器AAAAR2R1R3R41）检测元件R1：组成：铂丝线圈、AL2O3载体和载体表面的铂（Pt）钯（Pb）催化剂。作用：当工作电流通过铂丝线圈时，元件的被加热，涂在元件表面的催化剂可以降低开始燃烧反应的温度，使吸附在元件表面的甲烷无焰燃烧，燃烧使产生的热量又能使黑元件温度进一步升高，从而使铂丝线圈的电阻增大。2）补偿元件R2：表面没有涂催化剂，其余和黑元件相同，对电桥的电压以及环境温度、气流速度等因素起补偿平衡作用，减少测量误差。3）普通元件R3、R4：采用温度系数很小的电阻，以便提高电桥在高温时的稳定性能。2.测量原理：当检测气室充以新鲜空气时，接通电流，电桥处于平衡状态，即R1/R2=R3/R4，对角电路无电流通过，电流表指针处于零位。当检测气室被充以含有瓦斯的气体时，电阻