矿井瓦斯基础知识1-1

第一章矿井瓦斯基础知识

在煤矿生产过程中,伴随着生产的进行,瓦斯涌出到生产空间,岁井下生产构成威胁。瓦斯，不论其涌出量的多少，一直是矿井生产最主要的一个危险源，瓦斯灭害的治理就成为矿井最根本的、最重要的任务。本章介绍煤矿井下瓦斯灭害治理的一些基本知识，包括瓦斯的基本特性以及瓦斯在煤矿井下的赋存、运动规律。

第一节瓦斯的性质

一、瓦斯的概念

瓦斯是指矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主要有害气体，有时单独指甲烷。由此可见，瓦斯指的是一种混合气体，其组分主要包括井下煤层中含有的所有的有毒有害气体。在外啊的各组分中，由煤体及巷道围岩涌出的甲烷往往占总量的90%以上，因此瓦斯的概念通常单独指甲烷（本书中如不特别指明，则瓦斯单独指甲烷）。

从广义上，瓦斯由于其组成成分的不同，性质具有很大的差别，从安全的角度可以将这些组分划分为四类：①可燃性气体，如甲烷等同系烷烃（CnH2n+2）、环烷烃（CnH2n）、H2、CO、H2S等等，这些气体具有可燃烧的特性，在一定浓度范围内与空气的混合气体往往具有爆炸性，对煤矿安全构成严重威胁；②有毒性气体，如H2S、CO、SO2、NH3、NO、NO2等等，这些气体达到一定的浓度时，会直接威胁人体的健康甚至生命；③窒息性气体如N2、CH4、CO2、H2等等，这些气体往往赋存在煤体或其围岩内，开采过程中大量涌出到生产空间，从而使空气中氧气的浓度降低，造成人员窒息；④放射性气体，如氡气。

矿井中的瓦斯主要来源于煤层及围岩内涌出到矿井中的气体。此外，矿井生产中生产的气体如放炮生产的炮烟，井下空气于煤、岩、矿用材料等反应生成的气体以及井下人员呼吸生成的气体等也都混入井下风流中，从而增加回风流中的瓦斯浓度。

二、瓦斯的基本性质

瓦斯是无色、无味的气体，标准状态下的密度为0.716kg/m3，为空气密度的0.554倍。瓦斯在空气中具有较强的扩散性，局部地点较高浓度的瓦斯会自动向低浓度的区域扩散，从而使瓦斯浓度趋于均匀。瓦斯的扩散过程是不可逆的，在煤矿井下巷道中，风流流动一般处于紊流状态，由煤壁等处涌出的瓦斯很容易与空气均匀混合。因此，在风量充足的巷道中，瓦斯的分布通常是均匀的。

在无风或微风的巷道，一方面涌出的瓦斯会挤占空气的空间，使空气中氧气浓度降低，从而使空气具有窒息性。当混合气体中瓦斯的浓度达到43%，空气中氧的浓度降低到12%，人在此环境下会感到呼吸短促，时间稍长就会昏迷并有死亡危险。另一方面，涌出的瓦斯只依赖扩散作用与空气混合，在涌出源附近它首先会上升并积聚在巷道的顶板上，形成瓦斯层，随着据涌出源距离的增加，瓦斯与空气混合才逐渐均匀。因此，测定风流中的瓦斯浓度通常要求在距离巷道顶板一定距离上测定，以防止测得数据不能真实反映巷道中瓦斯积聚的状况。

瓦斯的化学性质不活泼，微溶于水，在标准大气压下，20℃时100L水可溶3.31L瓦斯。

三、瓦斯的燃烧爆炸性

瓦斯是一种可燃性气体，当其在空气中的浓度达到某一范围时，遇适当的点火源就会发生爆炸。按瓦斯在空气中发生燃烧的性状不同，可以将它分为三个区间：①助燃区间，瓦斯浓度大于0%至小于爆炸下限（5%）。该区间内，瓦斯在点燃源附近发生氧化燃烧反应，但不能形成维持的火焰，只能起到助燃的作用。②爆炸区间，瓦斯浓度在爆炸界限内（5%~16%）。该区间内的瓦斯遇一定能量的点火源会形成可自动加速的燃烧锋面，该锋面在瓦斯一空气混合气体内加速传播从而形成强烈的爆炸。③扩散燃烧区间，瓦斯浓度大于爆炸浓度上限（16%）。该区域内瓦斯—空气的混合气体无法直接被点燃，但是，

当其与新鲜空气混合时，可以在混合界面上被点燃并形成稳定的火焰，称为扩散燃烧。

对煤矿井下安全威胁最大的是爆炸区间，局部区域的瞬间爆炸可以对井下的人员和设施造成很大的伤害和破坏，由此引发的煤尖爆炸、火灾及通风系统紊乱等又会使事故，因为存在高浓度的瓦斯的扩散燃烧是煤矿最危险的事故，因为存在高度瓦斯源，这是如果处理不当（如随意停风、减少风量等），火源的燃烧虽然熄灭，但高浓度的瓦斯与空气混合很容易使混合气体达到爆炸界限，一旦遇残余的火星就会引起爆炸。因此对煤矿井下瓦斯燃烧事故，在处理时应格外小心。

四、瓦斯的检测

瓦斯是五色、无味的气体，人体的感觉器官无法感知瓦斯的存在。在一些矿井有的老工人称可以闻到瓦斯的气味，这是错误的。井下煤层中有时赋存有微量的芳香烃气体，当其散发到空气中就会闻到一种清新或清香的气味，但这与空气中的瓦斯无关，不能反应瓦斯浓度的大小。空气中的瓦斯只能依靠检测一起来测定。

瓦斯是伴随着煤的生成而产生的，所有煤矿在生产过程中都有瓦斯涌出，因此，所有的生产矿井都必须配备检测瓦斯的仪器，对井下的瓦斯状况进行监视。当前，检查瓦斯的仪器种类很多，这些仪器多以正常生产环境为仪器的使用条件，在煤矿处于非正常状况或灭变状态时，应注意各种类仪器的使用条件。例如光学甲烷检查仪，在装备有二氧化碳过滤器时，它可以分别检查出CO2和CH4的浓度。但是，在任何条件下，它都无法分辩CH4与CO、H2、C2H4及其他烯块类气体，而只能测定其混合物的影响。由此可见。当空气中CO、H2及其他烯块类气体浓度较高时，检测仪所获得的读数就不能反映CH4的真实情况。

第二节煤矿井下瓦斯的存在

煤矿井下的瓦斯存在于两种介质中，一是赋存在煤（岩）层中，二是散布在井下空气中。在两种存在形式各有其不同的特点。

一、瓦斯在煤层中的赋存

二、煤层瓦斯含量

（一）煤层瓦斯沿深度的带状赋存

（二）煤层瓦斯压力与瓦斯含量的测算

1.煤层瓦斯压力

2.煤层瓦斯含量

三、矿井瓦斯等级划分及鉴定

（一）矿井瓦斯等级的划分

矿井瓦斯等级根据矿井相对瓦斯涌出量q0、矿井绝对瓦斯涌出量q和瓦斯

涌出量q和瓦斯涌出形式划分：

底瓦斯矿井：q0≤10m3/t且q≤40m3/min；

高瓦斯矿井：q0＞10m3/t或q＞40m3/min；

煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井。

第二章瓦斯爆炸及其防治

第一节瓦斯爆炸的条件

瓦斯具有爆炸性，在适当的浓度和引火源的作用下会产生强烈的燃烧和爆炸。煤矿井下的瓦斯爆炸是最严重的事故，每年都因此造成大量的人员伤亡和财产损失。

一、瓦斯爆炸的基本条件

瓦斯爆炸的发生必须具备三个基本条件，一是瓦斯浓度在爆炸界限内，一般为

5%~16%；二是混合气体中氧的浓度不低于12%；三是有足够能量的点火源。

（一）与空气混合气体中瓦斯的浓度

瓦斯爆炸发生的浓度界限指的是瓦斯与空气的混合气体中瓦斯的体积浓度，当瓦斯浓度达到9.5%时，理论上瓦斯可以同空气中的氧气完全反应，从而放出最多的热量，因此，爆炸的强度最大。在实际测量中，最大瓦斯爆炸强度往往比该浓度高一点，达到10%左右。当与瓦斯混合的空气成分发生变化时，例如其中混入了其他可燃气体或人为加入了过量的惰性气体，则上述瓦斯爆炸的界限就要发生变化，这种变化通常是不能糊略的。

（二）氧气的浓度

瓦斯空气混合气体中氧气的浓度必须大雨12%。否则爆炸反应不能持续。煤矿井下的封闭区域、采矿区及其他裂隙等处由于氧气消耗或没有供氧条件，可能会出现氧气浓度低于12%的条件，因为，在此条件下人员在短时间内就会窒息而死亡。

（三）足够能量的点火源

点火源能够引起瓦斯爆炸的三个条件是温度不低于650℃、能量大于0.28mj和持续时间大雨爆炸感应期。着三个条件通常很容易满足。在煤矿开采过程中，对一些不可避免的火源有时需要采取特殊的技术，是其不能满足点燃瓦斯的点火条件。例如，井下爆破时产生的火焰，温度高大2000℃，但持续的时间很短，小于爆炸感应期，因此，不会引起瓦斯爆炸。

二、瓦斯爆炸条件在煤矿井下存在的可能性

引起瓦斯爆炸的三个条件必须同时具备才能引起爆炸，却一不可。在煤矿井下生产环境中，这三个条件可能同时存在吗？在哪些地点出现的可能性较大呢？

煤矿井下生产过程中，涌出的瓦斯被六国工作面的风流稀释、带走。当工作面风量不足或停止供风时，以瓦斯涌出地点为中心，瓦斯浓度将迅速升高，形成局部瓦斯积聚。

《煤矿安全规程》规定：采掘工作面内，体积大于0.5m3的空间内瓦斯浓度到2%时即构成局部瓦斯积聚，就必须停止工作，撤出人员。以一个断面积8m2的煤巷掘进工作面为例，若正常通风时期供风量为200m3/min，回风流瓦斯浓度为0.5%，则工作面绝对瓦斯涌出量为1m3/min。假设新揭露断面及距该断面10m范围内的煤壁涌出的瓦斯占掘进工作面总瓦斯涌出量的50%，则如果工作面停止供风，该10m范围内平均瓦斯浓度达到爆炸下限5%只需要：=8min。若考虑空间瓦斯分布的不均匀，在局部区域达到瓦斯爆炸限的时间将更短。当工作面有一定风量供给时，稀释该10m范围内的瓦斯（0.5m3/min），使其低于爆炸下限的风量仅需大于10m3/min。由此可见，在井下停风时，很容易形成瓦斯爆炸的第一个基本条件，即使是低瓦斯矿井也应该特别注意。

进入井下的新鲜空气中，氧气浓度为21%。由于瓦斯、CO2等其他气体的混入忽然井下煤炭、设备、有机物的氧化、人员呼吸消耗，风流中的氧含量会逐渐下降，但到达工作地点的风流中，氧含量一般都在20%以上。在形成瓦斯积聚时，混合气体中瓦斯浓度增高到10%时，混合气体中氧浓度才能下降到18%；只有当瓦斯浓度升高到40%以上时，其氧浓度才能下降到12%。因此，在瓦斯积聚的地点，往往都具备爆炸的第二个条件：氧浓度大于12%。在恢复工作面通风、排放瓦斯的过程中，高浓度的瓦斯与新鲜风流混合后得到稀释，氧浓度迅速恢复并超过12%。此时，如果不能很好地控制排放量，则这种混合气流的瓦斯浓度很容易达到爆炸范围。因此，排放瓦斯必须制定专门的措施。

能引起瓦斯爆炸的点火源很多，主要可分为四大类。炽

1.明火火焰

这类点火源的特点是伴随有燃烧化学反应。如明火、井下焊接产生的火焰、放

炮火焰、煤炭自然产生的明火、电器设备失爆产生的火焰、油火等。

2.炽热表面和炽热气体

炽热的表面，如电炉、白炽灯、过热引起的线路灼烧、皮带打滑机械摩擦引起的金属表面炽热等都会引起瓦斯爆炸。白炽灯中钨丝的工作温度高达2000℃，在该温度下钨丝暴露于空

气中就会发生激烈的氧化，从而立刻便会点燃瓦斯。织热的废气或火灾产生的高温烟流也会引起瓦斯爆炸，这主要是由于它们与瓦斯相遇时发生氧化~燃烧等化学反应所致。瓦斯的引燃温度在650摄氏度，机械. 电气设备等的表面温度持续升高或防暴电器内部发生矢暴时都可能达到这一温度，保持机械设备地点的供风可大大降低其表面温度。

3.机械摩擦及撞击火花

矿用设备在使用过程中的摩擦和撞击所产生的火花可引然瓦斯。如跑车时车辆和轨道的摩擦金属器件之间的撞击刚件与岩石的碰撞矿用机械的割齿同港道坚固岩石的摩擦港道塌落时岩石同岩石的碰撞[主要是火成岩等坚硬岩石间的碰撞]等都能产生足以引燃瓦斯的火花。

铝作为金属结构材料应用在许多工业部门，不久之前还被认为是安全的。但是，煤矿中由于采用铝合金制造矿用设备而发生了多起矿井瓦斯爆炸事故。1955年1960年在德国，1954年1955年在日本等，都有因使用铝合金衬垫刚支架在操作时摩擦产生电火花而点燃瓦斯的爆炸。此后，英德前苏联等国都进行了铝合金同生锈刚件碰撞摩擦产生火花点燃瓦斯的研究，结果表明，由铝合金及纯铝制成的试件同生锈刚表面摩擦碰撞都产生足以引燃瓦斯的火花。因此，世界各国都做出煤矿井下限制使用带有铝制零件的金属支架和铝合金制造的设备，在高瓦斯矿井禁止使用由含镁铝合金制造外壳的电钻和禁止使用没有防碰撞装置的铝合金仪表。

4电火花

电火花主要包括电弧放电电气火花和静电产生的火花。瓦斯爆炸的最小点燃能量是0.28mj，该值就是使用电容放电产生火花的方法测定的。在瓦斯爆炸的事故按例中，电火花引燃瓦斯的例子很多，井下输电线路的短路电器失暴接头不符合要求及带电检修等都是造成瓦斯爆炸的主要原因。假设人体的电容为200pf，化纤衣服静电电位为15kv，则其放电的能量可达22.5mj，大大超过最小点燃能量。因此，要求井下工作人员的服装必须是棉织品。对井下容易形成瓦斯积聚的工作场所，应特别加强电器设备的传输到井下也可能引燃瓦斯。

此外，俄罗斯的研究表明，用于井下测量的激光，因其光束窄能量集中也具有点燃瓦斯的能力。在使用该类设备时，不仅应保证其外壳和电路的安全性，而且还应该保证其激光辐射的安全性。

第三节煤矿井下瓦斯爆炸的过程及危害

一.瓦斯爆炸的原理和过程

瓦斯爆炸是空气中的氧与甲烷进行的一种自加速反应，反映的同时放出大量的热，形成二氧化碳和水蒸气。其反应方程式如下；

CH4+2O2=CO2+2HO2+831.2KJ/g

瓦斯爆炸是一个复杂的链式化学反应过程,当空气中的氧气不足或反应进行不完全时会产生大量的CO。根据爆炸的传播速度，可燃混合气体的燃烧爆炸可分为暴燃和暴轰两种状态。暴燃的传播速度为每秒几米至每秒几百米；暴轰的传播速度超过音速[334m/s]，最高可达2000m/s。发生在煤矿井下的瓦斯爆炸属于较强烈的暴燃，具体的爆炸强度与瓦斯的积聚的能量点燃源的强度及爆炸发展过程中的巷道状况等都有关系。

煤矿井下的瓦斯爆炸可以认为是这样发生的；处于爆炸限内的瓦斯空气混合气体首先在点火源处被引燃，形成厚度仅有0.01mm~0.1mm的火焰层面。该火焰锋面向未燃的混合气体中传播，传播的速度称为燃烧的速度。瓦斯燃烧产生的热使燃烧锋面前方的气体受到压缩，产生一个超前于燃烧锋面的压缩波，压缩波作用于未燃气体使其温度升高，从而使火焰的传播速度进一步增大，这样就产生压力更高的压缩波，从而获得更高的火焰传播速度。层层产生的压缩波相互叠加，形成具有强烈破坏作用的冲击波，这就是爆炸。沿巷道传播的冲击波和跟随其后的燃烧波受到巷道壁面的阻力和散热作用的影响，冲击波强度和火焰温度都

会衰减，而供给爆炸能量的瓦斯一般不可能的范围积聚。因此，当波面传播出瓦斯积聚区域后，爆炸强度就逐渐减弱，直只恢复正常。若存在大范围的瓦斯积聚和良好的爆炸波传播条件，则燃烧锋面的不断加速将使得前驱冲击波的压力越来越高，最终形成依靠本身高压产生的压缩温度就能点燃瓦斯的冲击波，这种状况就是暴轰。煤矿井下的爆炸一般不能发展为暴轰这主要使井下环境条件的影响所致。

二.瓦斯爆炸的主要危害

瓦斯爆炸产生的有害因素主要有火焰锋面冲击波和巷道中大气成分的变化。这三方面都会对人员和井下巷道仪器设备等造成损害。

[一]爆炸冲击波

[二]火焰锋面

[三]大气成份的变化