1、河南工程学院 安全工程系,通 风 安 全 学 第九章 矿井瓦斯,第一节 概述 第二节 煤层瓦斯赋存与含量 第三节 矿井瓦斯涌出 第四节 瓦斯喷出 第五节 煤与瓦斯突出及其预防 第六节 爆炸及其预防 第七节 瓦斯抽放,本章主要内容,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。 CH4的性质：无色、无味、无嗅的气体，可燃烧、爆炸；分子量：16.049；分子直径：0.41nm；密度：0.716kg/m3（气态）、 424.5 kg/m3（液态）相对空气密度：0.554；难溶入水:101.3 kPa , 20 , 3.31L/100LH2O 危害：爆炸，突
2、出，人员窒息、环境污染、温室效应。 作用：能源、化工原料。,第一节 概述,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：第一阶段为生物化学成气时期；第二阶段为煤化变质作用时期。（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。,第一节 概述,从电镜照片中可以看出，煤体中含有大量孔隙，这些孔隙可分为原生孔隙和后生孔隙。原生孔隙主要是成煤植物本身所具有的各种组织孔以及碎屑镜质体、碎屑惰质体和碎屑壳质体等有机物之间的孔；后生孔主要为煤变质过程中由生气和聚气作用
3、而形成的孔。由于受压，气孔出现破裂和连通。煤中除了具有大量孔隙外，颗粒之间还有多条裂纹存在。,煤层中瓦斯赋存两种状态：游离状态：瓦斯以自由气态存在；吸附状态：吸着瓦斯主要吸附在煤的微孔表面上。吸收瓦斯吸附在煤的微粒结构内部。 煤层中的瓦斯大部分以吸附状态（约占总瓦斯含量的80）存在。吸着状态是孔隙表面的固体分子引力作用下，瓦斯分子被紧密地吸附于孔隙表面上，形成很薄的吸附层。吸收状态是瓦斯分子充填到几埃到十几埃的微细孔隙内，占据着煤分子结构的空位和煤分子之间的空间，如同气体溶解于液体中的状态。,第二节 煤层瓦斯赋存与含量,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
4、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。,第二节 煤层瓦斯赋存与含量,四带： CO2- N2带、N2带、N2CH4带、CH4带。现场实际过程中，将前三带总称为瓦斯风化带。煤层垂向各带气体组份表,第二节 煤层瓦斯赋存与含量,在近代开采深度内，瓦斯带内煤层瓦斯含量和涌出量随深度增加而有规律地增大。意义：掌握本煤田煤层瓦斯垂直分带的特征，是搞好矿井瓦斯涌出量预测和日常瓦斯管理工作的基础。,第二节 煤层瓦斯赋存与含量,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23m3/t处； （2）煤层内的瓦斯组
5、分中甲烷及重烃(11个炭原子以上)浓度总和达到80%（体积比）； （3）煤层内的瓦斯压力为0.10.15MPa； （4）煤的瓦斯含量达到下列数值处： 长焰煤1.01.5 m3/t（C.M.），气煤1.52.0m3/t（C.M.），肥煤与焦煤2.02.5m3/t(C.M)，瘦煤2.53.0m3/t(C.M.)，贫煤3.04.0m3/t(C.M.)，无烟煤5.07.0m3/t(C.M.)（此处的C.M.是指煤中可燃质既固定碳和挥发分）,第二节 煤层瓦斯赋存与含量,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(cm
6、3/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。 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。,第二节 煤层瓦斯赋存与含量,2、煤层露头 煤层如果有或曾经有过露头长时间与大气相通，瓦斯含量就不会很大。3、煤层的埋藏深度 在近代开采深度范围内，瓦斯带内煤层的瓦斯含量随深度的增加而呈线性增加。,第二节 煤层瓦斯赋存与含量,4、围岩透气性煤层围岩：是指煤层直接顶、老顶和直接底板等在内的一定厚度范围的层段。煤层围岩对瓦斯赋存的影响，决定于它的隔气、透气性能。 5、煤层倾角 埋藏深度相同时，煤层
7、倾角越小，瓦斯含量越大。 煤层倾角愈大，煤层瓦斯含量愈低。 例如：芙蓉矿，北翼：40 80 ,南翼：6 12 ，,第二节 煤层瓦斯赋存与含量,6、地质构造 在围岩属低透气性的条件下，封闭型地质构造有利于瓦斯的储存，而开放型地质构造有利于排放瓦斯。(1) 褶皱构造 （2）断层7、水文地质条件,第二节 煤层瓦斯赋存与含量,四、煤层内的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撞击所产生的作用力。煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量、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
8、律地增加，可以大于、等于或小于静水压。,第二节 煤层瓦斯赋存与含量,瓦斯压力梯度：则或 式中 ： P预测的甲烷带内深H(m)处的瓦斯压力，MPa gp瓦斯压力梯度，MPa/m P1，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。,第二节 煤层瓦斯赋存与含量,一、瓦斯涌出形式 1、普通涌出-长时间地、均匀地从煤体中涌出瓦斯。特点：时间上：连续不断空间上：普遍存在涌出强度：缓慢、均匀 2、特殊涌出：- 矿井生产过程中，在某些特定地点、突然地于一段时间内大量涌出瓦斯的现象。特点：时间上：突然地、间隔的空间上
9、：非普遍存在涌出强度：产生动力破坏,第三节 矿井瓦斯涌出,二、瓦斯涌出量 1、定义瓦斯涌出量指在矿井建设和生产过程中从煤与岩石内涌出的瓦斯量。 2、瓦斯涌出量表示方法（1） 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：Qg=QC/100 式中 Qg绝对瓦斯涌出量， m3/min；Q风量， m3/min；C风流中的平均瓦斯浓度，。,第三节 矿井瓦斯涌出,（2）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 。qg=Qg/A 式中：qg 相对瓦斯涌出量，m3/t；Qg 绝对瓦斯涌出量，m3/d；A 日产量，t/d说明：相对瓦斯涌出量单位的表达式虽然与瓦
10、斯含量的相同，但两者的物理含义是不同的，其数值也是不相等的。因为瓦斯涌出量中除开采煤层涌出的瓦斯外，还有来自邻近层和围岩的瓦斯，所以相对瓦斯涌出量一般要比瓦斯含量大。矿井瓦斯涌出量是决定矿井瓦斯等级和计算风量的依据。,第三节 矿井瓦斯涌出,三、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它是决定瓦斯涌出量多少的最重要因素。一般地，煤层的瓦斯含量越高，开采时的瓦斯涌出量也越大。（2）、地面大气压变化,第三节 矿井瓦斯涌出,（二）开采技术因素1、开采规模 开采规模指开采深度，开拓与开采范围和矿井产量。 A、在甲烷带内，随着开采深度的增加，相
11、对瓦斯涌出量增大。 B、开拓与开采的范围越广，煤岩的暴露面就越大，因此，矿井瓦斯涌出量也就越大。 C、矿井产量与矿井瓦斯涌出量间的关系比较复杂，达产前、达产后及产量收缩期。,第三节 矿井瓦斯涌出,2、开采顺序与回采方法 首先开采的煤层（或分层）瓦斯涌出量大；采空区丢失煤炭多，回采率低的采煤方法，采区瓦斯涌出量大。顶板管理采用陷落法比充填法能造成顶板更大范围的破坏和卸压，临近层瓦斯涌出量就比较大。回采工作面周期来压时，瓦斯涌出量也会大大增加。 3、生产工艺 瓦斯从煤层暴露面（煤壁和钻孔）和采落的煤炭内涌出的特点是，初期瓦斯涌出的强度大，然后大致按指数函数的关系逐渐衰减。所以落煤时瓦斯涌出量总是大
12、于其它工序。,第三节 矿井瓦斯涌出,4、风量变化 矿井风量变化时，瓦斯涌出量和风流中的瓦斯浓度会发生扰动，但很快就会转变为另一稳定状态。,第三节 矿井瓦斯涌出,5、采区通风系统 采区通风系统对采空区内和回风流中瓦斯浓度分布有重要影响。抽出式通风负压增加时，瓦斯涌出量增大。U型通风系统的回采工作面，其上隅角容易聚积瓦斯。采用U型加尾巷的通风系统，瓦斯聚积点移至采空区内的尾巷入风口。Y形与W型通风系统由于采空区内有漏风通道，采空区与邻近层涌出的瓦斯很少会涌入工作面，加之进风多了一条风路，工作面的瓦斯浓度较低，适用于高瓦斯高产要求。6、采空区的密闭质量,第三节 矿井瓦斯涌出,四、矿井瓦斯涌出来源的分
13、析与分源治理按划分目的的不同，对矿井瓦斯来源划分为三种方式： 1、按水平、翼、采区来进行划分它作为风量分配的依据之一。 2、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。 3、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。,第三节 矿井瓦斯涌出,五、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，
14、m3/min；,第三节 矿井瓦斯涌出,六、矿井瓦斯等级 1、矿井瓦斯等级划分规程规定：一个矿井中，只要有一个煤(岩)层中发现过瓦斯，该矿井即定为瓦斯矿井，并依照矿井瓦斯等级的工作制度进行管理，矿井瓦斯等级按照日产吨煤涌出瓦斯量和瓦斯涌出形式分为：(1）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。（2）高瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量大于10m3/t或矿井绝对瓦斯涌出量大于40m3/min。（3）煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井。2009年，全国煤矿中高瓦斯矿井4462处，突出矿井911处，国有重点煤矿中约250处为突出矿井。,第三节 矿井
15、瓦斯涌出,2、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。正在建设中的矿井，也应进行瓦斯等级的鉴定，如果鉴定结果，特别是在煤层揭开以后，实际的瓦斯涌出量超过原设计确定的等级时，应提出修改矿井瓦斯等级的专门报告，报原设计审批单位批准。,第三节 矿井瓦斯涌出,七、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。 1、矿山统计法（多用于生产矿井）统计法是根据生产矿井或生产水平，在以往生产过程中积累的大量不同深度相对瓦斯涌出
16、量与深度的数据，通过整理分析找出相互之间变化关系的统计规律，推算出相邻的新矿井或延深水平瓦斯涌出量的方法。（1）瓦斯涌出量梯度深度与相对瓦斯涌出量的比值，称瓦斯涌出量梯度。,第三节 矿井瓦斯涌出,（2） 物理含义：相对瓦斯涌出量每增加1m3/t 时，开采深度增加的米数，其单位为m/(m3/t)。瓦斯涌出量梯度愈小，矿井瓦斯涌出量随深度增加的速度愈快。 （3）计算公式gm=(H2-H1)/(q2-q1)n 式中: gg瓦斯涌出量梯度，m/（m3/t）或t/m2；H1、H2甲烷带内的两个已采深度，m；q1、q2对应于深度H1、H2的相对瓦斯涌出量，m3/t；n 指数系数，大多数煤田在垂深1000m
17、内时n=1。,第三节 矿井瓦斯涌出,已知瓦斯涌出量梯度和瓦斯风化带下界深度时，就可用下式预测相对瓦斯涌出量。qm=q0+(H-H0)/gm 或 qm=qm1+(H-H1)/gm 式中： qm 预测的深H(m)处的相对瓦斯涌出量，m3/t；H0 瓦斯风化带下界深度，m；gm瓦斯涌出量增深率，(m.t)/m3q0、q1瓦斯风化带下界或H1处的相对瓦斯涌出量， 一般q0=2m3/t； 2、计算法（多用于新矿井）以煤层瓦斯含量为基础进行计算。,第三节 矿井瓦斯涌出,第三节 矿井瓦斯涌出,一、瓦斯喷出的分类及其特点 瓦斯喷出：大量承压状态的瓦斯从煤、岩裂隙中迅速喷出的现象。它是瓦斯特殊涌出的一种形式。特
18、点：时间突然，空间上集中，动力效应。危害：造成局部地区、采区、一翼充满高浓度瓦斯；窒息、遇火燃能引起瓦斯爆炸、火灾。根据瓦斯喷出裂隙呈现原因不同分：（1）地质来源；（2）采掘卸压。 瓦斯喷出的预兆：如风流中的瓦斯浓度增加，或忽大忽小，嘶嘶的喷出声，顶底板来压的轰鸣声，煤层变湿、变软等。,第四节 瓦斯喷出,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、黄泥或水泥沙浆等充填材料堵塞喷出口。2、可能的喷出地点附近打前探钻孔，探测、排放。,第四节 瓦斯喷出,煤矿井下动力现象
19、及分类1、 煤矿井下的动力现象，指的是发生在巷道周围的一切具有运动和声响特征的现象。2、 任何一种井下动力现象的发生都离不开“力”和“介质”。因此，对井下动力现象的分类应该从“力”和“介质”两个方面进行。,第四节 瓦斯喷出,第四节 瓦斯喷出,一、概述 含义：煤矿地下采掘过程中，在极短的时间内(几秒到几分钟)，从煤、岩层内以极快的速度向采掘空间内喷出煤(岩)和瓦斯(CH4、CO2)的现象，称为煤与瓦斯突出。 危害： 1、产生的高压瓦斯流，能摧毁巷道，造成风流逆转、破坏通风系统。 2、井巷充满瓦斯，造成人员窒息，引起瓦斯燃烧或爆炸。 3、喷出的煤岩，造成煤流埋人。 4、猛烈的动力效应可能导致冒顶和
20、火灾事故的发生。 我国煤矿是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家之一，至2007年底累计突出16400余次，占世界总突出次数的40%左右。,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,南桐东林矿石门突出,突出煤量130t,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,煤与瓦斯突出在采掘过程中，突然从煤（岩）壁内部向采掘空间喷出煤岩和瓦斯的现象，称为煤与瓦斯突出，简称突出。,自行冲破岩柱突出实例,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,南桐东林矿石门突出,突出煤量130t,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,南桐东林矿石门突出,突出煤量130t,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,南桐东林矿石门突出,突出煤量130t,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,南桐
21、东林矿石门突出,突出煤量130t,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,南桐东林矿石门突出,突出煤量130t,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,南桐东林矿石门突出,突出煤量130t,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,南桐东林矿石门突出,突出煤量130t,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,南桐东林矿石门突出,突出煤量130t,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,南桐东林矿石门突出,突出煤量130t,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,郑州煤业集团大平煤矿 “10.20”特大型煤与瓦斯突出引发 特别重大瓦斯爆炸事故,2004年10月20日，郑煤集团公司大平煤矿发生一起特大型煤与瓦斯突出引发的特别重大瓦斯爆炸事故，造成148人死亡
22、，32人受伤（其中重伤5人），直接经济损失3935.7万元。,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,大平煤矿“10.20”事故瓦斯突出及扩散过程演示,21轨道下山岩石掘进 工作面,突出煤岩量约 1894t,瓦斯量25万m3,大平煤矿“10.20”瓦斯爆炸传播过程演示,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、突出发生在一定的采掘深度以后。2、突出多发生在地质构造附近。3、突出多发生在集中应力区。4、突出次数和强度，随煤层厚度、特别是软分层
23、厚度的增加而增加。煤层倾角愈大，突出的危险性也愈大。,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,应注意： “安全”区域的安全性的动态转换； 1、岩石掘进工作面的突出威胁性； 2、矿井由非突出危险过渡到突出危险的过渡阶段时存在的易忽视的重大隐患； 3、原发性突出灾害诱发继发性爆炸灾害的防治； 4、监测监控系统的可靠性； 5、突发性灾害信息的发现、分析和决策的及时性,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,5、突出与煤层的瓦斯含量和瓦斯压力之间没有固定的关系。 6、突出煤层的特点是强度低，而且软硬相间，透气系数小。 7、大多数突出发生在放炮和落煤工序。 8、突出前常有预兆发生。 四、预防煤与瓦斯突出的主要技术措施区域性
24、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。,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,1、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。,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,（2）开采保护层的作用地压减少，弹性潜能得以缓慢释放。煤层膨胀变
25、形，形成裂隙与孔道，透气系数增加。所以被保护层内的瓦斯能大量排放到保护层的采空区内，瓦斯含量和瓦斯压力都将明显下降。煤层瓦斯涌出后，煤的强度增加。,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,（3）保护范围保护范围：指保护层开采后，在空间上使危险层丧失突出危险的有效范围。垂直保护距离保护层与被保护层间的有效垂距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。,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,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。 目的：使被保护层能充分卸压和排放瓦斯。,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,煤柱的影响 影响范围根据考察结果确定，否则，
26、按以下角度确定。,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,2、局部防突措施 （1）松动爆破作用机理： 向掘进工作面前方应力集中区，打几个钻孔装药爆破，使煤炭松动，集中应力区向煤体深部移动，同时加快瓦斯的排出，从而在工作面前方造成较长的卸压带，以预防突出的发生。松动爆破方法：深孔和浅孔两种。钻孔参数：孔深：815m，孔径：4060 mm。,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,（2）钻孔排放瓦斯作用机理：石门揭煤前，由岩巷或煤巷向突出危险煤层打钻，将煤层中的瓦斯经过钻孔自然排放出来，待瓦斯压力降到安全压力以下时，再进行采掘工作。,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,（3）水力冲孔作用机理：水力冲孔是在安全岩(煤)柱的防
27、护下，向煤层打钻后，用高压水射流在工作面前方煤体内冲出一定的孔道，加速瓦斯排放。同时，由于孔道周围煤体的移动变形，应力重新分布，扩大卸压范围。此外，在高压水射流的冲击作用下，冲孔过程中能诱发小型突出，使煤岩中蕴藏的潜在能量逐渐释放，避免大型突出的发生。水力冲孔主要用于石门揭煤和煤巷掘进。,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,（4）超前钻孔作用机理：是在煤巷掘进工作面前方始终保持一定数量的排放瓦斯钻孔。它的作用是排放瓦斯，增加煤的强度，在钻孔周围形成卸压区，使集中应力区移向煤体深部。,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,（5）金属骨架金属骨架是一种超前支架。此法适用于地压和瓦斯压力都不太大的急倾斜薄煤层或中
28、厚煤层。,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,（6）超前支架多用于有突出危险的急倾斜煤层厚煤层的煤层平巷掘进时。为了防止因工作面顶部煤体松软垮落而导致突出，在工作面前方巷道顶部事先打上一排超前支架，增加煤层的稳定性。 （7）卸压槽近年，在采掘工作面推广使用了卸压槽的方法，作为预防煤 (岩) 与瓦斯突出和冲击地压的措施。作用实质：预先在工作面前方切割出一个缝槽，以增加工作面前方的卸压范围。,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,（8）震动放炮震动放炮是采用增加炮眼数和装药量，一次爆破揭开煤层并成巷的爆破方法。作用机理：因爆破震动，围岩应力和瓦斯压差急剧变化，创造了最有利的突出条件。所以震动放炮基本上是一种人为
29、的诱使突出的措施，而不是防止突出的方法。 注意事项：震动放炮时，应将井下人员撤至地面。为了少影响生产，一般在交接班时放炮。放炮时应将放炮区或全井断电，进风系统内不得有火源存在，以免引燃瓦斯。,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,放炮半小时后由救护队进入检查。具有延期突出的矿井，进入的时间还要加长。为了限制突出的波及范围，可在距离工作面45m处，垒起高不小于1.5m的矸石堆或高至顶板的木垛。有人提出，采用延发雷管分次爆破，使一部分岩石落在工作面附近，起到限制突出的作用。,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,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
30、测。 1、预测指标 （1）煤的瓦斯放散指数P 它是表示瓦斯从煤内放散出来快慢的相对指标，能反映煤的孔隙结构和微观破坏程度。一般情况下，P1525时有突出危险。 （2）煤的坚固系数f 它是一个相对指标，反映煤的力学性质。当f0.60.8时有突出危险；f1.2时，无突出危险。,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,（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屑量 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。,第五节 煤与瓦斯突出及其预防,一
31、、瓦斯爆炸过程及其危害、瓦斯爆炸的化学反应过程瓦斯爆炸：一定浓度的甲烷和空气中的氧气在高温热源的作用下发生激烈氧化反应的过程。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)。,第六节 瓦斯爆炸及其预防,化学反应式仅表示一系列复杂化学反应的最终结果，链式反应理论却能够对甲烷爆炸的实际反应过程与机理作出解释。链式反应理论认为甲烷爆炸是反应物分子首先离解成一些自由基(自由原子或自由原子团)，自由基具有很大的化学活性，能成为反应连续进行的活化中心，经过一系列链锁反应步骤后完成整个反应。 链
32、起始：分子离解成自由基 链传递：某自由基与某分子作用生成另一自由基 链分支 ：该步骤每消耗一个自由基可生成两个自由基 链破坏：自由基变成分子如果在连锁反应过程中链分支反应增多，自由基数目成倍增长，反应链的数目增加，反应速度迅速增加(即同时参与反应的甲烷分子增多)，短时间内将释放出大量的能量，如此循环下去，将使反应加速到爆炸速度。,第六节 瓦斯爆炸及其预防,较低温度下，甲烷氧化链式反应的基元反应方程组：CH4 + O2 CH3 + HO2 （1） 链引发CH3 +O2 CH2O + OH （2）OH + CH4 H2O + CH3 （3）OH + CH2O H2O + HCO （4） 链传递CH
33、20 + O2 HO2 + HCO （5） 链分支HCO + O2 CO + HO2 （6）HO2 + CH4 H2O2 + HCO （7） 链传递HO2 + CH2O H2O2 + HCO （8）OH 器壁 （9）CH2O 器壁 （10）,第六节 瓦斯爆炸及其预防,加热法与光化法都可以使链起始，后者是指短波光线的照射引起分子离解。在矿井内，高温热源与火源加热是常见的起链方法。为了起链需要消耗一定的活化能。在甲烷气体爆炸的过程中，产生的自由基有CH3、H、CH2O、OH、O 等，在甲烷爆炸的过程它们都是转瞬即熄中间产物，并且在这一过程中，这些中间产物增多或减少影响着爆炸过程的发展。如在含甲烷的
34、空气中加入惰性的，吸热降温的物质，或能够同自由基结合形成分子的物质，就能起到链终止的效果，使含甲烷气体不爆炸或爆炸威力降低。如在含甲烷的空气中加入4.2%的一溴三氟甲烷CF3Br（哈龙1301）能防止甲烷爆炸，就是由于它可以捕获自由基。,第六节 瓦斯爆炸及其预防,、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、瓦斯爆炸的危害矿内瓦斯爆炸的有害因素是：高温焰面、冲击波和有害气体。,第六节 瓦斯爆炸及其预防,1）火焰锋面： -瓦斯爆炸时沿巷道运动的化学反应带和燃烧带的总称。 特点：（1）传播速度 几m/s 2500m/s；（2）温度大于10
35、00；（3）传播距离 几十m 几百m 。 危害：（1）造成人员大面积皮肤深度烧伤，呼吸器官粘膜烫伤；（2）破坏电气设备；（3）引燃井巷可燃物。,第六节 瓦斯爆炸及其预防,2）冲击波 特点：正向冲击波：波峰压力 几十kP 2 Mpa。反向冲击波：压力波叠加，压力高达10MPa，冲击波传播速度 音速。传播距离 几千m ，甚至波及地面 。 危害：（1）造成人体创伤；（2）移动、翻倒和破坏电气设备、机械设备；（3）破坏支架、引起冒落，堵塞巷道；（4）破坏通风设施和通风系统，扩大灾情，抢险救灾复杂。,第六节 瓦斯爆炸及其预防,3）井巷大气成分变化 特点：（1）O2浓度降低 ；（2）产生大量有毒、有害气体
36、（CO2、CO、H2O）；（3）形成爆炸性气体（ CO ）；（4）影响范围极远，与通风系统、通风量及爆炸时对通风系统的破坏情况等有关。 危害：（1）引起人员中毒和死亡；（2）造成人员窒息死亡；（3）造成后果严重。,第六节 瓦斯爆炸及其预防,二 瓦斯爆炸的主要参数1、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56，上限为1416。 5% 时，发生燃烧；15% 时，新鲜空气界面处燃烧；CH4= 9.5%时，爆炸最剧烈；CH4= 78%时，爆炸最容易。,第六节 瓦斯爆炸及其
37、预防,常温下，CH4的爆炸界限与混合气体中氧浓度的关系，呈三角形，人们称为“爆炸三角形”。 （1） 氧的浓度 随着混合气体中氧气浓度 的降低，甲烷爆炸范围缩 小，爆炸下限几乎保持不 变，而爆炸上限下降较大； 当氧浓度降至极限值(即 失爆氧浓度10左右)时， 爆炸上、下限重合在一点 (5CH4),第六节 瓦斯爆炸及其预防,实际意义：a.封闭火区，由于CH4涌出，烟气掺入，氧气浓度下降，可能进入发生爆炸；b.已封闭，而未爆炸火区，可能因漏风而进入发生爆炸；c.注入惰性气体可预防爆炸，CO2比N2效果好。 (2) 煤尘的影响降低CH4的爆炸下限。因为煤尘本身有爆炸性，且煤尘遇热会干馏出可燃气体，使爆
38、炸下限降低。,第六节 瓦斯爆炸及其预防,（3）其它可燃气体 混合气体中有两种以上可燃气体同时存在时，其爆炸界限决定于各可燃气体的爆炸界限和它们的浓度。可由下式求出：式中：N多种可燃气体同时存在时的混合气体爆炸上限或下限， ；C1、C2、C3.Cn分别为各可燃气体占可燃气体总的体积百分比，； C1+ C2+ C3+.Cn =100N1、N2、N3.Nn分别为各可燃气体的爆炸上限或下限， ；,第六节 瓦斯爆炸及其预防,各种气体的爆炸上下限,第六节 瓦斯爆炸及其预防,例题：某矿封闭火区内的可燃气体成份与浓度分别为：CH4 4.5，CO 2.1，C2H4 0.02，C2H6 0.04，求该火区内可燃气
39、体的爆炸界限，并判断其爆炸危险性。解：可燃气体的总浓度为：CC CH4C COC C2H4C C2H64.5+2.1+0.02+0.04=6.66各种可燃气体占可燃气体总浓度的百分比为：C CH44.5 / 6.6667.59 C CO2.1 / 6.66 31.51 CC2H40.02 / 6.66 0.3 C C2H62.1 / 6.66 0.6 ,第六节 瓦斯爆炸及其预防,则该火区内可燃气体的爆炸界限为：下限 ： 上限 因为火区可燃气体浓度为6.66%，大于爆炸下限6.1，故有爆炸危险性。,第六节 瓦斯爆炸及其预防,（4）空气压力 爆炸前的初始压力对瓦斯爆炸上限有很大影响。使燃烧反应易进
40、行，爆炸极限范围扩大。 （5） 惰性气体 可以降低瓦斯爆炸的危险性。 惰化过程：用不同的惰性气体(N2，CO2)充入采空区，与烷空气体混合，使烷空气体的爆炸范围减小的过程。这时爆炸地点的失爆氧浓度是不同的(N2：9.47%；CO2：12.32%)。与氮气相比，二氧化碳的惰化效果良好，因为CO2的失爆氧浓度比N2高2.53%。因此，用CO2作为惰化气时，其用量要比N2节省10以上。但是不少矿区由于当地有廉价的液氮来源，所以实际上用N2惰化火区的矿井还是比较多的。,第六节 瓦斯爆炸及其预防,2、瓦斯的最低点燃温度和最小点燃能量瓦斯的最低点燃温度和最小点燃能量决定于空气中的瓦斯浓度，瓦斯-空气混合气
41、体的最低点燃温度，绝热压缩时565，其它情况时650。最低点燃能量为0.28mJ(毫焦耳)。,第六节 瓦斯爆炸及其预防,工艺过程中所产生的静电能量一般不超过数毫焦耳，少数能达到数十毫焦耳静电电击是冲击性电击大约0.51毫焦耳的静电即使人有针刺和刺痛的感觉，56毫焦耳的静电则使人有麻木的感觉和给人强烈的打击电击使人致命的最小能量可以认为是27焦耳。微小的静电放电能量能引燃很多爆炸性混合物。大部分烃类燃料蒸气混合物的最小引燃能量只有0.2毫焦耳左右。有些混合物的最小引燃能量更小，如氢和乙炔的只有0.019毫焦耳。粉体最小引燃能量有1毫焦耳以下的，有数毫焦耳的，也有数十毫焦耳的。人体静电往往可以引燃
42、某些爆炸性混合物,第六节 瓦斯爆炸及其预防,3、瓦斯的引火延迟性引火延迟性：瓦斯与高温热源接触后，不是立即燃烧或爆炸，而是要经过一个很短的间隔时间，这种现象叫引火延迟性。（安全意义） 三 煤矿井下瓦斯爆炸事故原因分析 1、火源 井下的一切高温热源都可以引起瓦斯燃烧或爆炸，但主要火源是放炮和机电火花。 2、发生地点 煤矿任何地点都有发生爆炸的可能性，但大部分爆炸事故发生在采掘工作面。,第六节 瓦斯爆炸及其预防,四、预防瓦斯爆炸的措施 1、瓦斯爆炸必须同时具备三个条件： （1）CH4浓度处于爆炸范围内（正常条件 5 15 %）; （2）氧浓度超过失爆氧浓度（在CO2惰化下，12%，在N2惰化下，9
43、 %）； （3）引火源的能量大于最小点火能量（0.28mJ）、温度高于最低点火温度（595）且高温热源存在时间大于瓦斯引火感应期。注：一般矿井中，O212%，只要瓦斯积存和火源两因素同时具备，即会发生瓦斯爆炸。,第六节 瓦斯爆炸及其预防,2、防止瓦斯积聚所谓瓦斯积聚是指瓦斯浓度超过2，其体积超过0.5m3的现象。（1）搞好通风。（2）及时处理局部积存的瓦斯。生产中容易积存瓦斯的地点有：回采工作面上隅角，独头掘进工作面的巷道隅角，顶板冒落的空洞内，低风速巷道的顶板附近，停风的盲巷中，综放工作面放煤口及采空区边界处，以及采掘机械切割部分周围，等等。（）抽放瓦斯（4）经常检查瓦斯浓度和通风状况,第六
44、节 瓦斯爆炸及其预防,3、防止瓦斯引燃防止瓦斯引燃的原则，是对一切非生产必需的热源，要坚决禁绝。生产中可能发生的热源，必须严加管理和控制，防止它的发生或限定其引燃瓦斯的能力。 4、防止瓦斯爆炸灾害事故扩大的措施万一发生爆炸，应使灾害波及范围局限在尽可能小的区域内，以减少损失。,第六节 瓦斯爆炸及其预防,一、概述规定：当回采工作面瓦斯涌出量5m3/min，掘进工作面瓦斯涌出量3m3/min，采用通风方法解决瓦斯问题不合理时，应该抽放瓦斯。抽放瓦斯的方法：按瓦斯的来源分为：开采煤层的抽放、邻近层抽放和采空区抽放三类；按抽放的机理分为：未卸压抽放和卸抽放两类；按汇集瓦斯的方法分为：钻孔抽放、巷道抽放
45、和巷道与钻孔综合法三类。,第七节 瓦斯抽采,二、开采煤层的瓦斯抽放开采煤层的瓦斯抽放，是在煤层开采之前或采掘的同时，用钻孔或巷道进行该煤层的抽放工作。 1、未卸压的钻孔抽放本法适用于透气数较大的开采煤层预抽的瓦斯。按钻孔与煤层的关系分为穿层钻孔和沿层钻孔；按钻孔角度分为上向孔、下向孔和水平孔。我国多采用穿层上向钻孔。,第七节 瓦斯抽采,（1）钻孔参数：钻孔方向 我国多为上向孔。孔间距 它是决定抽放效果的重要参数。钻孔的间距应小于极限抽放半径的两倍。抽放负压 抽放负压与抽出量的关系，国内外都有不同的看法。钻孔直径 抽放瓦斯的钻孔直径一般为70-100mm。,第七节 瓦斯抽采,2、卸压的钻孔抽放在
46、受回采或掘进的采动影响下，引起煤层和围岩的应力重新分布，透气系数大大增加。如果在这个区域内打钻抽放瓦斯，可以提高抽出量。其方法分为：随掘随抽 ：,第七节 瓦斯抽采,随采随抽这类抽放方法只适用于赋存平稳的煤层，有效抽放时间不长，每孔的抽出量不大。3、人工增加煤层透气系数的措施主要包括：水力压裂、水力割缝、 深孔爆破、酸液处理和交叉钻孔等。,第七节 瓦斯抽采,三、邻近层的瓦斯抽放开采煤层群时，回采煤层的顶、底板围岩将发生冒落、移动、龟裂和卸压，透气系数增加。邻近层：能向开采煤层采空区涌出瓦斯的煤层或夹层，就叫做邻近层。位于开采煤层顶板内的邻近层叫上邻近层，底板内的叫下邻近层。 为什么邻近层抽放总能
47、抽出瓦斯呢？煤层开采后，在其顶板形成三个受采动影响的地带：冒落带、裂隙带和变形带，在其底板则形成卸压带。增大。,第七节 瓦斯抽采,注意：邻近层距开采煤层愈近，流向采空区的瓦斯量愈大。邻近层距开采煤层愈远，抽放率愈大，抽出的瓦斯浓度愈高。 1、邻近层的极限距离邻近层抽放瓦斯的的上限与下限距离，应通过实际观测。上邻近层取冒落带高度为下限距离，裂隙带的高度为上限距离。下邻近层不存在冒落带，所以不考虑上部边界，至于下部边界，一般不超过6080m。,第七节 瓦斯抽采,2、钻场位置钻场位置应根据邻近层的层位、倾角、开拓方式以及施工方便等因素确定，要求能用最短的钻孔，抽出最多的瓦斯，主要有下列几种： （1）
48、钻场位于开采煤层的运输平巷内； （2）钻场位于开采煤层的回风巷内； （3）钻场位于层间岩巷内； （4）钻场位于开采煤层顶板，向裂隙带打平行于煤层的长钻孔； （5）混合钻场，上述方式的混合布置。 3、钻场或钻孔的间距决定钻场或钻孔间距的原则，是工程量少、抽出瓦斯多，且不干扰生产。,第七节 瓦斯抽采,4、钻孔角度指它的倾角和偏角。上邻近层抽放时的仰角，应使钻孔通过顶板岩石的裂隙带进入邻近层充分卸压区，仰角太大，进不到充分卸压区，抽出的瓦斯浓度虽然高，但流量小；仰角太小钻孔中段将通过冒落带，钻孔与采空区沟通，必将抽进大量空气，也大大降低抽放效果。下邻近层抽放时的钻孔角度没有严格要求，因为钻孔中段受开采影响而破坏的可能性较小。,第七节 瓦斯抽采,5、钻孔进入的层位对于单一的邻近层，钻孔穿透该邻近层即可。对于多邻近层，视情况而定。 6、孔径和抽放负压与开采煤层抽放不同，孔径对瓦斯抽出量影响不大。 四、采空区抽放 五、围岩瓦斯抽放 六 、瓦斯抽放设备抽放瓦斯的设备主要有钻机、封孔装置、管道、瓦斯泵、安全装置和检测仪表。,
