矿井瓦斯灾害防治知识
一、 矿井瓦斯灾害防治
瓦斯灾害是煤矿生产中的一大自然灾害，为了防止它的产生，在生产中都投入大量的人力与物力，但仍然不能杜绝其发生。为了提高我们与瓦斯灾害作斗争的水平，特编写此资料，供现场技术管理人员参考。
1．瓦斯灾害的分类
在煤矿中瓦斯是甲烷（CH4）的专用名词，农村中沼气池产出的沼气和石油勘探所产生的天然气，它们的主要成分也是甲烷。瓦斯是一种无嗅无色无味无臭，看不见摸不到的气体。比重为0。554，在标准状况下容重为0。716Kg/m3,它难溶于水，扩散性较空气高1。6倍。瓦斯无毒，但在当其在空气中瓦斯含量很高时，会使空气中的氧气含量减少到不能维持人们生存需要时，也会发声窒息事故。在空气中所占体积百分比（通常所说的瓦斯含有率或浓度）达到5~16%时，遇到温度达到650~750℃的火焰时，就会发生爆炸。其浓度为9。5%时，爆炸时产生的威力最大。当浓度超过16%后，遇火便可燃烧。瓦斯是一种宝贵的绿色能源，燃烧后产生二氧化碳和水，不污染大气。当煤层强度较低、垂深达到一定深度，且煤层瓦斯含量达到一定数量时，有可能产生煤与瓦斯突出动力现象。根据瓦斯对生产的危害原因可将瓦斯灾害分为三类。即瓦斯爆炸、瓦斯窒息和煤与瓦斯突出。
(一).瓦斯爆炸
瓦斯和空气混合后，在一定的条件下，遇高温火源发生的一链式氧化反应，并伴有高温及压力上升的现象。瓦斯爆炸时能出现高达2150~2650℃的焰面、爆炸压力可达1.0~2.0 Mpa；爆速可达340m/s、还会产生每秒数千米速度的冲击波，并产生大量剧毒的CO等有害气体，会造成人员伤亡和摧毁井巷设施与设备。有时还会引起煤尘爆炸或火灾，是煤矿特有的后果最严重的自然灾害之一。例如：重庆中梁山煤矿南井在1960年12月15日12时40分启封5412工作面过程中发生特大瓦斯煤尘爆炸，死亡124人、重伤1人、轻伤49人。
事故地点位于背斜轴部，瓦斯涌出量大，煤层极易自燃，煤层爆炸性指数为26%。1960年11月25日9时40分，5412工作面发生自燃发火后，将整个采取封闭并开始注浆。12月1日到7日，火区一氧化碳浓度由来0。35%逐渐下降到0。008%，在井下用一氧化碳检定管位未能检查出一氧化碳，决定启封火区恢复生产。14日下午启封并进行瓦斯排放。15日早班邻近火区5个掘进工作面均正常生产。中午12时40分便发生瓦斯煤尘爆炸事故。从上述事故我们不难看出煤层自燃发火不可能在20天内熄灭，即便是明火熄灭，但高温不是短时间内降低到正常温度的。在采空区中有大面积的瓦斯聚集，启封后高温区的煤层由于供氧充足而出现明火，引发出瓦斯爆炸，瓦斯爆炸产
生的暴风，吹扬起煤尘又引起瓦斯煤尘爆炸。而这些条件都是人们违反了客观规律造成的。
瓦斯爆炸必须具备两个条件，一是瓦斯聚集到能爆炸的浓度，二是火源。三是要有足够的氧气。
在矿井空气成分中，瓦斯含量的增加就意味着空气中氧气减少，所以瓦斯的爆炸浓度被限制在一定的范围内，当瓦斯浓度过低时，虽然空气中的氧气供应充足，但瓦斯氧化形成的热量与分解活动中心都不能发展成为连锁反应（爆炸）；而瓦斯浓度过高时，空气中的氧气浓度相对较少，不但不能形成足够的活动中心，而养活所产生的热量很容易被未参加反应的气体吸收掉，不能产生连锁反应（爆炸）。在新鲜空气中， 瓦斯浓度达到9。5%时混合气体中的瓦斯与氧气全部参加反应，爆炸产生的压力与温度也最高。
瓦斯爆炸是指火焰从火源占据的空间不断地传播到爆炸混合气体所在的整个空间程，因而，把使或源锋面传播到混合气体占据的全部空间的瓦斯最低浓度，称为爆炸下限，反之称为上限；把最容易（即在最低着火能量下）激发着火（爆炸）并在爆炸中能释放出大量能量的浓度称为最佳爆炸浓度。瓦斯在新鲜空气中的爆炸下限为5%~6%，上限为14%~16%，在新鲜空气中最佳爆炸浓度为7%~8%。
当瓦斯浓度处于爆炸下限时，遇火焰不爆炸，只能自火源外围形成稳定的浅蓝色的燃烧层；当瓦斯浓度高于爆炸上限时，遇火源也不发生爆炸、燃烧，如有新鲜空气供入，则在其接触面上燃烧。发生最初着火（爆炸）的瓦斯浓度因火源不同而异。见表（ 1 ）
表 1 最初爆炸的瓦斯浓度表
着火源 爆炸下限（%） 最佳爆炸浓度（%） 爆炸上限（%）
正常条件下的弱火源 5 6．5~8。5最低着火
能量0．28mj 15
强火源 2 8．5~10 75
瓦斯爆炸浓度的上、下限是随着爆炸初始温度与压力的变化而改变，当初始压力增加，其爆炸上限提高了，但其下限不变见表（2 ）。当爆炸的初始温度增加，爆炸下限降低，爆炸上限则提高了见表（ 3 ）。瓦斯浓度所需的点火温度也有差异，见表（ 4 ）
当空气中含有煤尘其他可燃性气体时瓦斯爆炸的上、下限也会发生变化。
表 2 爆炸浓度与初始压力的关系表
混合气体初始压力（Mpa） 爆炸下限（%） 爆炸上限（%）
0．1 5．6 14．3
1．0 5．9 17．2
5．0 5．4 29．4
12．5 5．7 45．7
表 3瓦斯爆炸浓度与初始温度的关系表
混合气体初始温度
（℃） 爆炸下限
（%） 爆炸上限
（%）
20 6．00 13．4
100 5．45 13．5
300 5．40 14．25
600 3．35 16．4
700 3．25 18．75
900 29．00
表 4 不同瓦斯浓度的最低点火温度表
斯浓度（%） 2 3 3．95 7 9 10 11．75 14．35
最低点火温度（℃） 710 700 691 697 701 714 724 742瓦
瓦斯与高温热源开始接触到发生爆炸或燃烧所需的时间间隔称为感应期。瓦斯与高温热源接触并不立即发生爆炸或燃烧，而需要经过一段时间才发生爆炸或燃烧，具有一定的延迟性。任何一个热源，只有当其作用延迟时间超过感应期，才是最危险的。感应期与瓦斯浓度、热源温度的关系见表（ 5 ），当瓦斯混合气体压力升高时，起感应期也会缩短。
表5感应期与瓦斯浓度、热源温度的关系
瓦斯浓度
（%）
热源温度℃
775 825 875 925 975 1075 1175
感应期（S）
6 1．08 0．58 0．35 0．20 0．12 0.039
7 1．15 0．60 0．36 0．21 0．13 0．041 0.010
8 1．25 0．62 0．37 0．22 0．14 0．042 0.012
9 1．30 0．65 0．39 0．23 0．14 0．044 0.015
10 1．40 0．68 0．41 0．24 0．15 0．049 0.018
12 1．60 0．74 0．44 0．25 0．16 0．055 0.020
在各种热源中，炸药爆破后的产物和电火花的作用时间很短（10-6~10-2S）电弧及瓦斯爆炸的火焰锋面有较长的作用时间（10-4~1S），明火和灼热体的作用时间最长。对于瓦斯矿井，在炸药与雷管质量合格，炮泥充填符合要求，尽管炸药爆破产物温度可达4500℃，但由于作用时间短，不会引起瓦斯爆炸。
预防瓦斯爆炸的措施包括搞好矿井通风、分源治理瓦斯、及时检查和处理局部积聚瓦斯、杜绝活源等措施。
(二)、窒息
人们无时无刻都需要氧气，这为大家所共知的。空气主要由氧气（21%）和氮气（79%）所组成。当空气中的氧气含量下降到12%以下时，由于大脑缺氧而发生昏迷，时间一长，便会死亡。当井下瓦斯涌出量很大时，新鲜空气不能稀释瓦斯，空气中的瓦斯浓度迅速增加，使混合气体中的空气浓度减少而导致混合气体中的氧气含量降低。根据粗略的计算，当与空气混合气体中的瓦斯含量每上升10%，混合气体中的氧气浓度就下降2%。由此可计算出当混合气体中的瓦斯浓度达到40%以上时，人们进入该地区，就会发生窒息事故。
(三).煤与瓦斯突出
煤与瓦斯突出是煤矿生产瓦斯事故中危害性最严重的自然灾害之一。因它具有突发性，且强度大，防治困难，因而至今在世界各主要产煤国家还未得到有效的解决。煤与瓦斯突出现象是发生在采掘工作面，由于受应力、瓦斯与煤的物理力学性质综合作用下，煤体突然破坏，破坏的煤层与解吸出来的瓦斯形成了混合流，向采掘工作面抛出，形成了煤与瓦斯突出。煤块与瓦斯的混合气流所到之处，破坏支架与装备，并使人员伤亡。
我国是世界上发生煤与瓦斯突出现象最严重、危害性最大的国家之一。建国前在辽源矿务局富国二矿就曾发生过煤与瓦斯突出现象。建国
后， 随着我国煤炭工业的飞速发展，采掘深度不断加深、地压与瓦斯压力不断加大， 煤与瓦斯突出的次数、强度也不断增加，图( 1)
图 1 全国国有重点煤矿历年煤与瓦斯突出次数统计表
已成为我国煤矿主要自然灾害之一。 根据1995年的调查统计，建国以来，我国先后在45个矿务局、138个国有重点煤矿的178个井口，共发生煤与瓦斯突出10815次，死亡1266人，共突出煤量815800t，平均突出强度为27.5t/次，最大突出强度为12780t（突出瓦斯140万m3）。随着人们对煤与瓦斯突出动力显现认识的不断深入，为了防止它的发生， 采用了突出危险性预测预报、煤层预先抽放瓦斯及各种直径的超前排放钻孔等防治煤与瓦斯突出的措施，有效的控制了煤与瓦斯突出对煤矿安全生产的危害， 从全国煤与瓦斯突出突出次数统计图图(3-1-1)可以看出,自1950年后，全国的煤与瓦斯突出呈逐年上升的趋势，到1980年突出次数达到高峰，而后又呈下降的趋势。尤其是在原煤炭工业部1998年颁发了防治突出细则后，全国推行预测煤层的突出危险性，根据突出危险程度采取相应的防治突出措施， 并在采取措施后必须再经过措施效果检验，确认防治突出措施有效后， 方可在采用安全防护措施施工的综合防治突出体系后，全国的煤与瓦斯突出现象得到了有力的控制。应当指出的是，上述的效果是在采掘深度不断加深、 煤层的突出危险性继续加大等不利的条件下取得的，使年突出次数维持在200~300次。另外从历年的煤与瓦斯突出类型分类图上（图2）看，也间接地证实了这一点。
图 2 历年煤与瓦斯突出类型分类图
众所周知，随着采掘深度的不断增加，地应力与瓦斯压力也日趋增大，尤其是过去一些没有发生过突出的煤层与矿井，也会出现突出动力现象， 此种现象在四川、贵州等严重突出的矿区已日趋普遍，就连低瓦斯矿井也会转变成突出矿井；例如：石嘴山矿务局的石嘴山矿，因而， 我国的煤与瓦斯突出的发展趋势是不容不容乐观的。
煤与瓦斯突出是一种极其复杂的自然动力现象， 其发生与发展过程容易受自然与人为因素的相互制约， 因而用现有的突出假说都很难解释清楚煤与瓦斯突出的发生与发展过程，所以造成了一些防治突出的措施有时起作用， 而有时其效果就难以使人满意， 这也是世界各国在防治煤与瓦斯突出工作中未能有效的防止煤与瓦斯突出产生的根蒂所在。
从世界发生突出后150余年的防治突出措施发展来看，防治突出措施可分以下三个阶段：
第一阶段为避免发生人身伤亡而采取的安全防护措施，主要是采取震动放炮；
第二阶段以消除突出
因素为主要目的的防止突出措施，例如：以采取开采保护层为主的区域措施和以超前排放钻孔的为主的局部措施，在采取局部措施后仍然要采用安全防护措施施工。此阶段存在的主要问题是局部措施的防止突出效果不理想，由于没有可靠有效的措施效果检测手段，无法知道措施防治突出效果的有效性；由于没有预测技术，在突出矿井中不能有效的划分出真正的突出危险地带。为了防止突出，只好广泛地采用防止突出措施，造成了防止突出的工作量过大，影响了突出矿井的技术经济指标；
第三阶段为综合防治突出阶段，此阶段起源于80年代末期，在80年代初期我国解决了工作面突出预测方法后，为综合防治突出措施打下了良好的技术基础，在此以前，所研究的突出预测方法，都是单项指标法，属于区域突出预测的范围。综合防治突出措施，是由突出危险性预测、防止突出措施、防止突出措施效果有效性检验。为防止人员伤亡而采取安全措施施工所组成。目前我国已有了一套完整的操作程序，先进的仪表及科学的判断指标，并研究出一套确定其突出时的临界指标值的方法，使我国的突出事故有所控制，突出矿井的安全情况有明显的好转。
随着矿井的采掘深度的不断加深，采掘强度不断的加大，对防治突出的要求也将不断的提高，主要表现为目前的方法已不能适应自然条件和采掘方式的变化，主要矛盾表现在自然条件进一步的对防治突出措施不利，受市场经济的影响，突出矿井要求高效低成本，因而要求防止突出措施必须在提高效率降低成本上下功夫，其发展趋势必然是采用高科技的手段来预测煤层的突出危险性和提高措施的作用范围及其有效性。在预测方法上应采用不间断的工作面突出预测方法，例如声发射（地音检测）电磁辐射等，在区域预测方法上要用物探方法，例如：采用无线电坑透、地质雷达或槽波地震CT成像技术等。在防治突出措施方面，主要应提高措施的有效作用范围，例如：水力扩孔技术、气体致裂低透气性煤层技术等