2第二章矿井瓦斯防治技术.doc

第二章 矿井瓦斯防治技术矿井瓦斯是指煤矿建设和生产过程中，从煤、岩体中涌出的以甲烷为主的各种有害气体的总称。俗称沼气。 第一节 煤层瓦斯赋存一、瓦斯的生成瓦斯的成因有多种假说，多数人认为，煤层瓦斯是腐植型有机物在成煤过程中生成的。煤的形成大致可划分为两个阶段：第一阶段，泥炭化阶段，第二阶段，煤化作用阶段，二、瓦斯在煤体中的存在状态游离状态也叫自由状态，如图2-1所示。吸附状态的瓦斯按其结合形式的不同，分为吸着和吸收两种。图2-1 瓦斯在煤内的存在状态1-游离瓦斯；2-吸着瓦斯；3-吸收瓦斯 4-煤体；5-孔隙 游离状态和吸附状态的瓦斯含量在一定温度和压力条件下处于动平衡。条件变化时，平衡随之变化。例如，当压力升高或温度降低时，一部分瓦斯由游离状态转化为吸附状态，这种现象叫做吸附。反之，如果压力降低或温度升高时，一部分瓦斯就由吸附状态转化为游离状态，这种现象叫做解吸。三、煤层瓦斯含量及其影响因素瓦斯含量是指单位体积或单位质量的煤或围岩中自然所含有的瓦斯量，是游离瓦斯和吸附瓦斯的总和，通常以m3/t或m3/m3来表示。煤层瓦斯含量的大小，决定于成煤过程中生成的瓦斯量和煤层保存瓦斯的条件。其主要因素概述如下：1. 煤的变质程度 2. 煤层露头 3煤层的赋存深度 4围岩性质 5地质构造6煤层倾角 7水文地质条件 四、煤层瓦斯压力煤层瓦斯压力是煤层裂隙和孔隙中所含游离瓦斯的气体压力，即气体作用于孔隙壁的压力。第三节 矿井瓦斯涌出 一、瓦斯涌出量（一） 绝对瓦斯涌出量 矿井在单位时间内涌出的瓦斯量，单位为m3d或m3min，它与风量、瓦斯浓度的关系为 （2-2）式中 绝对瓦斯涌出量，m3min； 瓦斯涌出地区的风量，m3min； 风流中的瓦斯体积浓度，即风流中瓦斯体积与风流总体积的百分比。（二） 相对瓦斯涌出量矿井在正常生产条件下，平均日产一吨煤涌出的瓦斯量。其单位为m3t。 （2-3） 式中 相对瓦斯涌出量，m3t； 绝对瓦斯涌出量，m3d； 产煤量, t/d 。 二、影响瓦斯涌出的因素（一）自然因素1.煤层、围岩的瓦斯含量 2.地面大气压的变化 3.开采深度 （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。2.开采顺序与回采方法首先回采的煤层瓦斯涌出增大。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，瓦斯涌出量也就比较大，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 4.风量的变化 通常，风量增加时，起初由于负压和采空区漏风的加大，一部分高浓度瓦斯被漏风从采空区带出，绝对瓦斯涌出量迅速增加，回风流中的瓦斯浓度可能急剧上升。然后，浓度开始下降，经过一段时间，绝对瓦斯涌出量恢复到或接近原有值，回风流中的瓦斯浓度才能降低到原值以下,风量减少时，情况相反。这类瓦斯涌出量变化的时间，由几分钟到几天，峰值浓度和瓦斯涌出量可为原值的几倍，它们都决定于采空区的范围、采空区内的瓦斯浓度、漏风情况和风量调节的快慢与幅度。 三、矿井瓦斯涌出来源的分析一般是将全矿的(或翼的、水平的)瓦斯来源分为回采区(包括回采工作面的采空区)、掘进区和已采区三部分。四、瓦斯涌出不均系数 （2-5）式中 给定时间内的瓦期涌出不均系数；该时间内的最大瓦斯涌出量，m3min；该时间内的平均瓦斯涌出量，m3min； 测定瓦斯涌出不均系数时，根据需要，在测定地区(工作面、采区、冀或全矿)的进、回风流中连续测定一段时间(一个生产循环、一个工作班、一天、一月或一年)的风量和瓦斯浓度。一般以测定结果中的最大一次瓦斯涌出量和各次测定的算术平均值代入上式，即为该地区在该时间间隔内的瓦斯涌出不均系数。 五、矿井瓦斯等级及其签定（一）矿井瓦斯等级规程规定，“一个矿井中，只要有一个煤（岩）层中发现过一次瓦斯，该矿井即为瓦斯矿井；并依照矿井瓦斯等级的工作制度进行管理。” 矿井瓦斯等级，根据矿井相对瓦斯涌出量、矿井绝对瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式，划分为：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，且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。矿井在采掘过程中，只要发生过一次煤（岩）与瓦斯突出；该矿井即定为煤(岩)与瓦斯突出矿井，发生突出的煤层即为突出煤层。突出矿井和突出煤层的确定，由煤矿企业提出报告,经国家煤矿安全监察局授权单位鉴定, 报省（自治区、直辖市）负责煤炭行业管理的部门批准,并报省级煤矿安全监察机构备案。对于突出矿井或突出煤层,只有在有充分依据证明不再有突出危险,由煤矿企业提出报告,经原鉴定单位确认和审批单位批准后,方可撤消,并报省级煤矿安全监察机构备案。（二）矿井瓦斯等级签定第四节 瓦斯爆炸及其预防一、瓦斯爆炸的条件及其影响因素瓦斯爆炸必须同时具备三个条件：即一定浓度的瓦斯,一定温度的引燃火源和足够的氧含量,三者缺一不可。（一）瓦斯浓度瓦斯在新鲜空气中的爆炸下限为5%6，上限为14%16。实践证明，瓦斯的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.其它可燃气体的存在2.煤尘的混入3.惰性气体的混入4.混合气体的初温和初压实验表明，瓦斯的爆炸界限随爆炸前环境的温度（初温）和压力（初压）而变化，随着温度的升高，甲烷爆炸下限下降、上限升高，即爆炸范围扩大。（二）一定温度的引燃火源650750，瓦斯的最小点燃能量为0.28mJ（毫焦耳）。（有关电气规程规定的安全着火能量为0.25mJ）。煤矿井下的明火、煤炭自燃、电弧、电火花，赤热的金属表面和撞击或摩擦火花都能点燃瓦斯。影响点燃温度与点燃能量的主要因素有空气中的瓦斯浓度、氧浓度、初压和火源性质。井下引燃瓦斯的热源种类（1）明火和热辐射 （2）放炮火焰（3）冲击、摩擦火花（4）电弧、静电火花 （三）足够的氧含量氧浓度低于12时，混合气体失去爆炸性。四、预防瓦斯爆炸的措施（一）防止瓦斯集聚瓦斯积聚是指局部空间的瓦斯浓度达到2,其体积超过0.5m3的现象。防止瓦斯集聚的基本方法如下：1.保证工作面的供风量2.认真进行瓦斯检查与监测3.及时处理局部积存的瓦斯（1）风幛引导风流法。（2）风筒导排风流法。（3）尾巷排放法。（4）调整通风方式法。（5）均压调节稀释法 2）掘进巷道瓦斯积聚的处理预防和处理掘进巷道瓦斯积聚的方法有：（1）增加风量稀释法。加大巷道的平均风速，一般认为，防止瓦斯层状集聚的平均风速不得低于0.51ms；（2）引导风流排放法。采用导风板或风筒接岔向层状带或高顶空间引入风流,吹散瓦斯；（3）填堵抹缝法。如顶板裂隙不断有较多的瓦斯涌出,可用木板背严顶板并用黄土填实；如顶板有集中的瓦斯来源,可向顶板打钻抽放瓦斯。 3) 综合机械化机组附近积聚瓦斯的处理方法 根据瓦斯积聚形成的不同原因，应采取相应的处理方法： (1) 加大风量。经矿总工程师批准，可适当加大风速，但不得超过5ms。 (2) 当采煤机附近(或工作面中其他部位)出现局部瓦斯积聚时，可安装小型局部通风机或水力引射器，吹散排出积聚的瓦斯。 4) 刮板输送机下部瓦斯积聚的处理方法 刮板输送机停止运转时，底槽附近有时会积聚高浓度的瓦斯。由于刮板与底槽之间在运煤时产生的摩擦火花能引起瓦斯燃烧爆炸，因此，必须排除该处的瓦斯。处理的方法有：(1) 设专人清理输送机底下遗留的煤炭，保证底槽畅通，使瓦斯不易积聚。(2) 保持输送机经常运转，即使不出煤也让输送机断续运转，以防止瓦斯积聚。(3) 吊起输送机处理积聚的瓦斯。如果发现输送机底槽内有瓦斯超限的区段，可把输送机吊起来，使空气流通而排除瓦斯。(4) 压风排瓦斯。有压风管路的地点可以将压风引至底槽进行通风，排除积聚的瓦斯。(5) 防止钻孔瓦斯积聚和引燃的安全措施在含有瓦斯的煤层或砂岩层，特别是在地质破碎带，打勘探、排放瓦斯、抽放瓦斯和其他钻孔时，在钻孔中和孔口附近都形成瓦斯积聚。打钻时，瓦斯浓度沿孔长均匀分布；打钻结束后，孔底浓度最高，可达80或更高，孔口浓度接近于56。(1) 打钻作业时的安全技术措施。打钻时钻孔中形成瓦斯积聚是无法消除的。为防止打钻过程中钻头与岩石摩擦产生的火花和磨擦热引燃钻孔中的瓦斯，应采取的措施，一是通过孔底喷水消除摩擦火花和摩擦热；二是孔口附近安设瓦斯自动检测装置；三是保证工作面足够的风量。(2) 采掘工作面已有钻孔的处理方法。当采掘工作面已有超前钻孔时，钻孔应用水、胶泥或其他惰性材料充填。瓦斯煤层中所有残孔报废后，要尽快封闭并视为危险区，封孔日期标注在采掘工程平面图上。(3) 采掘作业时的安全技术措施。 当有不可能充填的钻孔时，如钻孔已变形或是有用的钻孔，应采取的措施，一是加大采掘机组截齿处的喷水量，消除摩擦火花；二是在爆破作业时采用水炮泥或采用喷雾爆破技术。6）恢复有大量瓦斯集聚的盲巷或打开密闭时的处理盲巷恢复生产时，首先应排除其中积聚的瓦斯。排除积聚的瓦斯是一项复杂、危险的工作，稍有疏忽，便可能引起瓦斯事故，因此，在排放瓦斯前，要制定完善的安全技术措施，同时必须符合以下要求：(1)编制排放瓦斯措施时，必须根据不同地点的不同情况制定有针对性的措施。禁止使用“通用”措施，更不准几个地点用一个措施。批准的瓦斯排放措施，必须由矿总工程师负责贯彻，责任落实到人，凡参加审查、贯彻、实施的人员，都必须签字备案。(2)排放瓦斯前必须先检查局部通风机及其开关附近10m以内风流中的瓦斯浓度，其浓度都不超过0.5时，方可人工开动局部通风机向独头巷道送人有限的风量，逐步排放，与全风流混合处的瓦斯和二氧化碳浓度都不超过1.5。(3)排放瓦斯时，应有瓦斯检查人员在独头巷道回风流全风压风流混合处经常检查瓦斯浓度，当瓦斯浓度达到15时，应指令调节风量人员，减少向独头巷道的送人风量，确保独头巷道排出的瓦斯在全风压风流混合处的瓦斯和二氧化碳的浓度均不超限。(4)排放瓦斯时，严禁局部通风面发生循环风。(5)排放瓦斯时，独头巷道内的回风系统内必须切断电源、撤出人员；还应有矿山救护队现场值班。(6)排放瓦斯后，经检查证实，整个独头巷道内风流中的瓦斯浓度不超过1、二氧化碳浓度不超过1.5，且稳定30min后瓦斯浓度没有变化时，才可以恢复局部通风面的正常通风。(7)独头巷道恢复正常通风后，必须由电工对独头巷道中的电器设备进行检查，确认完好后，方可人工恢复局部通风机通风的巷道中的一切电器设备的电源。 (二)防止瓦斯引燃的措施引燃瓦斯的火源有明火、放炮、电火及摩擦火花四种，针对这四种火源，应采取下列预防措施：1.严禁携带烟草和点火物品下井。井口房、通风机房和抽放瓦斯泵站附近20m内，不得有烟火或用火炉取暖；井下严禁使用灯泡取暖和使用电炉。井下和井口房内不得从事电焊、气焊、喷灯焊接等工作，如果必须在井下主要硐室、主要进风巷和井口房内进行电焊、气焊和喷灯焊接等工作，要制订安全措施和审批手续，并遵守规程规定；矿灯应完好，否则，不得发出，应该爱护矿灯，严禁拆开、敲打、撞击；严格管理井下火区。2.采掘工作面都必须使用取得产品许可证的煤矿许用炸药和煤矿许用电雷管。使用煤矿许用毫秒延期电雷管时，最后一段的延期时间不得超过130ms。打眼、装药、封泥和放炮都必须符合规程规定。3.井下使用的机械和电气设备、供电网路都必须符合规程规定。井下不得带电检修、搬迁电气设备(包括电缆和电线)；井下防爆电气设备的运行、维护和修理工作，必须符合防爆性能的各项技术要求。防爆性能受到破坏时的电器设备，应立即处理或更换，不得继续使用；井下供电应做到：无鸡爪子、无羊尾巴、无明接头；有过电流和漏电保护，有螺栓和弹簧垫，有密封圈和挡板，有接地装置，电缆悬挂整齐、防护装置全，绝缘用具全，图纸资料全；坚持使用检漏断电器、煤电钻综合保护和局部通风机风电闭锁装置。4.防止机械摩擦火花引燃瓦斯，国内外都在对这类问题进行广泛的研究。公认的措施有：禁止使用摩钝的截齿；禁止使用铝或铝合金制作的部件和仪器设备，向截槽内喷雾洒水；在摩擦部件的金属表面溶敷一层活性小的金属，例如铬,或在金属中加入少量的铍来降低摩擦火花的点燃性能。(三)限制瓦斯爆炸范围扩大的措施1.实行分区通风。2.通风系统力求简单。总进风道与总回风道布置间距不得太近，以防发生爆炸时使风流短路。采空区必须及时封闭。3.装有主要通风机的出风井口，应安装防爆门，以防止发生爆炸时通风机被毁，造成救灾和恢复生产的困难。4.生产矿井主要通风机必须装有反风设施，必须能在lOmin内改变巷道中的风流方向。5.开采有煤尘、瓦斯爆炸危险的矿井，在矿井的两翼、相邻的采区、相邻的煤层和相邻的工作面，都必须用岩粉棚或水棚隔开。在所有运输巷道和回风巷道中必须撒布岩粉。6.每一矿井，每年必须由矿井技术负责人组织编制矿井灾害预防和处理计划。第五节 瓦斯管理与检测一、矿井瓦斯管理(一) 建立健全矿井瓦斯管理规章制度(二) 加强掘进工作面的通风管理1.严格局部通风机管理 (1) 局部通风机要挂牌指定专人管理或派专人看管。2.严格风筒“三个末端”管理即风筒末端距掘进工作面距离必须符合作业规程要求，风筒末端出口风量要大于40m3min，风筒末端处回风瓦斯浓度必须符合规程规定。3.高、突矿井掘进工作面局部通风机供电的要求在瓦斯喷出区域、高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井的所有掘进工作面的局部通风机，都应安装“三专两闭锁”设施。所谓“三专”,即是专用变压器、专用开关、专用线路； 所谓“两闭锁”，是指局部通风机安设的“风电闭锁”和“瓦斯电闭锁”装置。 (三)加强盲巷和采空区瓦斯日常管理第五节 瓦斯喷出和煤与瓦斯突出及其预防 一、矿井瓦斯喷出及其预防 （一）瓦斯喷出的分类 大量的承压状态的瓦斯从可见的煤、岩裂缝中快速喷射涌出的现象叫作瓦斯喷出。 按瓦斯从裂缝喷出显现的原因不同，可分为地质来源的和采掘地压形成的两大类。 二、 煤与瓦斯突出的规律、机理 煤矿地下采掘过程中，在很短时间(数分钟)内，从煤(岩)壁内部向采掘工作空间突然喷出大量煤(岩)和瓦斯(CH4、CO2)的现象，称为煤(岩)与瓦斯突出，简称突出。它是一种伴有声响和猛烈力能效应的动力现象。它能摧毁井巷设施，破坏通风系统，使井巷充满瓦斯与煤粉，造成人员窒息，煤流埋人，甚至引起火灾和瓦斯爆炸事故。 （一）煤与瓦斯突出的分类 1按突出现象的力学特征分类 1) 煤与瓦斯(或二氧化碳)突出(简称突出)。发动突出的主要因素是地应力和瓦斯压力的联合作用，通常以地应力作用为主，瓦斯压力作用为辅，重力不起决定作用，实现突出的基本能源是煤内储存的高压瓦斯能。 2) 煤突然压出并涌出大量瓦斯(简称压出)。发动与实现煤压出的主要因素是受采动影响所产生的地应力，瓦斯压力与煤的重力是次要的因素。压出的基本能源是煤层所积蓄的弹性能。 3) 煤突然倾出并涌出大量瓦斯(简称倾出)。发动倾出的主要因素是地应力，即结构松软、饱含瓦斯、内聚力小的煤，在较高的地应力作用下，突然破坏，失去平衡，为其位能的释放创造了条件。实现突然倾出的主要力是失稳煤体的自身重力。 这三类动力现象的发动力都以地应力为主，所以它们的预兆相似，对震动以及引起应力集中的因素都非常敏感。在应力集中地带、地质构造带、松软煤带等都易发生这三类动力现象。凡能使地应力得到缓和和衰减的措施(例如开采保护层等)都可以减弱甚至消除它们的发生。但是实现这三类动力现象的基本能源不同，根据动力现象的力学特征，一般不难区分它们，从而采取不同措施。 2按突出的强度进行分类 突出强度是指每次突出抛出的煤(岩)数量和涌出的瓦斯量。出于瓦斯量的计量较难，暂以煤(岩)数量作为划分强度的主要依据。据此，可分为：1 ) 小型突出，强度小于100 t；2 ) 中型突出：强度100 t (含100 t)至500 t；3 ) 大型突出：强度500 t (含500 t)至1000 t；4 ) 特大型突出：强度等于或大于1000 t。（二）瓦斯突出的分布特点1从地理分布来看，我国突出分布的总规律是南方多、北方少，东部多、西部少。根据全国煤与瓦斯突出分布的不均衡性，可将我国分为6个煤与瓦斯突出区域：华南区、华北区、东北区、西北区、西藏区、台湾区，其中以华南区突出最严重。根据突出次数和严重程度，大体依次为湖南、四川、贵州、江西、辽宁、黑龙江、河南、山西、吉林、广东、广西、江苏、河北等省。2从成煤时代分布来看，由