瓦斯防止技术.doc

煤矿瓦斯治理技术 第一节 煤科总院抚顺分院简介 煤炭科学研究总院抚顺分院以下简称抚顺分院始建于1953年，是我国煤炭行业建立最早的从事煤矿安全技术研究和产品开发的中央直属的科技企业。 经过50余年的发展，抚顺分院在抚顺经济开发区建有“安全装备生产基地”、在沈阳设有“煤矿安全技术研究中心”、在大连组建了“大连矿山安全科学技术研究院”。目前，以沈阳为中心，以大连为龙头，以抚顺为基地的一院三地，利用各自业务优势和地理优势，科学研究、科技产业及检验检测协调并举、相互促进的发展格局已经形成。 经煤科总院批准，抚顺分院已改名为“煤科总院沈阳研究院”。 第二节 矿井瓦斯性质和来源 矿井瓦斯是指矿井内以甲烷为主的有害气体总称，煤矿术语中的瓦斯有时专指甲烷。地面新鲜空气进入矿井后，受到有害气体和粉尘的污染就会变成有害的污浊气体。 一、空气的基本成分和性质 地面新鲜空气的主要成分是氧、氮和二氧化碳，另外尚含有少量的水蒸气。其组成详见表2-1。 表2-1 空气的基本成分和组成 气体名称 氧（O2） 氮（N2） 二氧化碳（CO2） 说明 按体积*计（） 20.96 79.00 0.04 氩、氪、氙、氖等惰性气体计在氧气中 按质量计（） 23.22 76.72 0.06 注如无特殊说明，气体的浓度均按体积百分比计算 1、 氧（O2） 氧气是人维持生命不可缺少的气体，人呼吸所需要的氧气量静止状态时为0.25L/min；运动状态时为1～3L/min。 2、 氮（N2） 氮气在高温下能与氧化合生成有毒气体NO2，因此，当井下有火区或采用易使采空区与上部有火区采空区贯通的采煤工艺（如放顶煤）时，应检测NO2浓度。 3、 二氧化碳CO2 煤矿安全规程规定，在采掘工作面的进风流中，二氧化碳浓度不得超过0.5；矿井总回风巷或一翼回风巷风流中，二氧化碳浓度不得超过0.75；采区回风巷、采掘工作面回风巷风流中，二氧化碳浓度不得超过1.5。 二、矿井内空气中的有害气体和性质 矿井内空气中常见的有害气体有一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硫化氢和甲烷等。 1、 一氧化碳（CO） 一氧化碳有剧毒，对人体内的红血球所含血色素的亲合力较氧气大250～300倍，一氧化碳被吸入人体后，阻碍着氧与血色素的正常结合，造成人体组织和细胞缺氧，使之中毒以至死亡。 煤矿安全规程规定，井下空气中一氧化碳最高允许浓度0.0024。 2、硫化氢（H2S） 硫化氢是一种无色、微甜、有臭鸡蛋味的气体。硫化氢有剧毒，能使血液中毒，对眼及呼吸系统有刺激作用。 煤矿安全规程规定，井下空气中硫化氢的最高允许浓度为0.00066。 3、二氧化硫（SO2） 二氧化硫浓度达到0.05时，会引起急性支气管炎、肺气肿，在短时间内使人死亡。 煤矿安全规程规定，井下空气中二氧化硫的最高允许浓度为0.0005。 4、二氧化氮（NO2） 二氧化氮是褐色、剧毒性气体，相对密度为1.57，易溶于水并生成硝酸。 煤矿安全规程规定，井下空气中二氧化氮的最高允许浓度为0.00025。 5、甲烷（CH4） 甲烷是无色、无味、无毒气体。甲烷不助燃，有爆炸性。 煤矿安全规程规定矿井总回风巷或一翼回风巷风流中的甲烷浓度不得超过0.75；采区回风巷、采掘工作面回风巷风流中的甲烷浓度不得超过1。 三、矿井瓦斯来源 矿井瓦斯（或称矿井有害气体）来源，大致可分为三个方面煤（岩）层和地下水释放出来的；化学及生物化学作用产生的；煤炭生产过程中产生的。 1、甲烷 甲烷是腐植型有机物，是在成煤过程中产生的。在漫长的地质年代中，煤中的瓦斯大部分逸散和释放，据试验室测定，保存至今的煤层瓦斯含量最高值不超过60m3/t燃。 在煤层开采过程中，矿井内的甲烷一般主要来自开采煤层和顶底板的邻近煤层和煤线，少量来至岩层。 2、重烃 重烃是煤变质过程中的伴生气体，煤的变质程度不同其重烃含量亦有差异，以中等变质煤的含量为最多。 3、二氧化碳 二氧化碳亦是成煤过程中的伴生气体；人均1小时呼出二氧化碳为50L； 1kg硝氨炸药爆炸时，产生150L二氧化碳。 4、一氧化碳 通常认为，成煤过程中不产生一氧化碳。 矿井内一氧化碳的主要来源是爆破工作与矿内火灾，1kg炸药爆炸后约生成100L一氧化碳；其次是瓦斯和煤尘爆炸，以及木支架、坑木燃烧，当1m3木材不完全燃烧时，能生成500m3的一氧化碳。另外，井下煤炭自燃也会产生一氧化碳。 5、二氧化硫 在个别煤层中，二氧化硫以巢状聚集的形式存在。二氧化硫还来自于含硫矿物氧化与自燃及其矿尘的爆炸等。 6、硫化氢 矿内硫化氢来自于有机物的腐烂；硫化矿物的水解；含硫矿物的氧化、燃烧；在含硫矿体中爆破以及从含硫矿层中涌出等。 7、二氧化氮 煤层瓦斯组分中不含二氧化氮。炸药爆炸时产生一系列的氮氧化物，如NO、NO2等。 8、氢 煤层中含有少量氢，是有机质变质过程的产物；煤受热变质时，在高温下热分解能产生氢。 矿内火灾或爆炸事件时，可能产生氢；蓄电池充电同时有氢气泄出。 9、氮 煤层接近露头及瓦斯风化带内，由于生物化学作用，产生大量氮气； 1kg消化甘油炸药产生135L氮气；有机质的腐烂也是氮气的一种来源。 第三节 煤层瓦斯生成及分带 煤是一种腐植型有机质高度富集的可燃有机岩，是植物遗体经过复杂的生物、地球化学、物理化学作用转化而成。从植物死亡、堆积到转变为煤要经过一系列演变过程，这个过程称为成煤作用。在整个成煤过程中都伴随有烃类、二氧化碳、氢和稀有气体的产生。伴随成煤过程，大致可分为两个造气时期，即生物化学造气时期和煤化变质造气时期。 一、生物化学造气时期 这是成煤作用的第一阶段，即泥炭化或腐泥化阶段。在该阶段植物遗体在微生物作用下不断分解、化合和聚集。在这个阶段中起主导作用的是生物化学作用，低等植物遗体经生物作用形成腐泥，高等植物遗体形成泥炭。 植物各有机组分抵抗微生物分解的能力不同，以植物中主要组份之一的纤维素为例，当存在需氧性细菌时，可把纤维素水解为葡萄糖等单糖；当环境逐渐转化为缺氧状态时，单糖、果胶质又可在厌氧细菌作用下，产生发酵作用，形成甲烷、水、丁酸、醋酸等。其化学反应式可描述为 C6H12O5n（纤维素）nH2O 细菌分解 nC6H12O6单糖 3 C6H12O6单糖→2C4H8O2（丁酸）2C2H4O2（醋酸）2H2O2CH4甲烷 煤化过程初级阶段的造气规模取决于原始物质的组份、堆积厚度、范围等，由于在该阶埋藏深度不大，且覆盖层胶结、固化程度不够，故所产生的气体（包括甲烷）绝大部分逸散入大气中，一般不会保留在煤层内。 二、煤化变质作用时期 这是成煤作用的第二阶段，即泥炭、腐泥在以温度和压力为主的作用下变化为煤的过程。在该阶段，由于埋藏较深且覆盖层已固化，泥炭在地温和地压作用下进一步变为褐煤，随着地压和地温的不断加大，褐煤逐渐转变为烟煤和无烟煤。 成煤作用各阶段形成甲烷的示意反应式可描述为 4C16H18O5泥炭→C57H56O10（褐煤）4CO22H2O3CH4甲烷 C57H56O10（褐煤）→C54H42O5（沥青煤）CO23H2O2CH4甲烷 C15H14O（烟煤）→C13H4（无烟煤）H2O2CH4甲烷 一般认为，在埋藏深度小于1000m条件下，地温低于500C时，泥炭变为褐煤。这一阶段，仍以生物化学作用为主，可以产生甲烷、乙烷和丙烷等。随着埋藏深度增大，地温进一步增高到50～1600C时，细菌的生化作用已不明显，由温度产生的热分解起决定作用，这时煤化作用处于长焰煤到瘦煤的阶段，以甲烷为主的烃类物质大量产生。热模拟煤化过程的试验表明，两次甲烷生气高峰皆出现在该阶段内，甲烷产生量在焦煤时期达最高值。在焦煤和部分肥煤阶段是重烃产率最高的时期，也是液态烃主要的产出阶段。该阶段产气的特点是甲烷与重烃兼生并存。当埋藏深度达6000～7000m时，地温超过160～2000C，贫煤转变为无烟煤。在该阶段，由于有机质芳香化程度和苯环缩聚大为增加，大部分富氢侧键脱落，以及先期生成的重烃在高温下裂解等，均可导致甲烷生成。在该阶段生成的气体组分中，甲烷占绝对优势。 尽管不同热模拟煤化过程产气量所差异，但成煤过程生成的瓦斯量都很大，最高可达300～400m3/t。煤矿开采实践表明，煤层瓦斯含量一般不超过20～303m/t。由此看来，成煤过程生成的瓦斯绝大部分已逸散入大气中、扩散到煤层围岩或运移至储气构造形成的煤成气田中。 三、煤层瓦斯沿深度的带状分布 当煤层有露头或在冲积层下有含煤地层时，煤化过程生成的瓦斯经煤层、上覆岩层和断层不断由煤层深部向地表运移；而地表的空气和生物化学生成的气体，则由地表向煤层深部渗透和扩散。由于这两种反向运移的结果，造成了煤层瓦斯组份沿赋存深度的带状分布。国内外的科研机构通过大量的煤层瓦斯组份和含量的测定，将煤层瓦斯组份按赋存深度自上而下分为以下四个瓦斯带氮气-二氧化碳带、氮气带、氮气-甲烷带和甲烷带。 瓦斯带的前三带统称为瓦斯风化带，瓦斯风化带的深度取决于井田地质和煤层赋存条件，如围岩性质、煤层有无露头、断层发育情况、煤层倾角、地下水活动情况等。围岩透气性越大，煤层倾角越大，开放性断层越发育，地下水活动越剧烈，则瓦斯风化带深度越大。瓦斯风化带深度通常为30～260m，局部地区也可能达到400m以上。瓦斯风化带下部边界煤层中甲烷组份含量通常为80左右，煤层瓦斯压力约为0.1～0.15MPa,煤的瓦斯含量约为2～3m3/t（烟煤）和5～7m3/t（无烟煤）。 各带的煤层瓦斯组份和含量详见表3-1。 表3-1 各瓦斯带煤层瓦斯组份及含量 瓦斯带名称 CO2 N2 CH4 m3/t m3/t m3/t 氮气-二氧化碳 20～80 0.19～2.24 20～80 0.15～1.42 0～10 0～0.16 氮气 0～20 0～0.27 80～100 0.22～1.86 0～20 0～0.22 氮气-甲烷 0～20 0～0.39 20～80 0.25～1.78 20～80 0.06～5.27 甲烷 0～10 0～0.37 0～20 0～1.93 80～100 0.61～10.5 第四节 地动力在煤炭形成过程中的作用 在第四节讲述的成煤、成气过程中，使用了很多先决条件，如“当存在需氧性细菌时，可”；“当环境逐渐转化为缺氧状态时，单”；“在埋藏深度小于1000m条件下，地温低于500C时，泥”；“当埋藏深度达6000～7000m时，地温超过160～2000C，贫”等。那么，这些先决条件是如何形成这就需要引用地质动力学来解释。 地质动力学诞生于上个世纪八十年代，它是在广泛吸取地质学、板块构造学、地貌学、地震学、航测遥感学、大陆漂移学、海底扩张学等的研究成果基础上形成的。 按照地质动力学观点，地球被一级断裂划分为七个面积超过一千万平方公里的一级板块，它们分别是欧亚板块、印度板块、太平洋板、南美块、北美板块、非洲板块和南极洲板块。这些板块在海底扩张作用下发生大陆漂移，飘移的结果导致板块间相互作用，产生二级断裂形成二级板块。二级板块间，以及二级板块和一级板块间在海底扩张作用下，继续产生三级断裂构成三级板块，以致产生四级、五级、六级及七级断裂和板块。根据目前地质动力区划的结果，矿区内的断裂大都属于六级或七级断裂，由其圈定的板块属于六级或七级板块。研究成果证明，目前的六级或七级板块间仍在相互作用，并不断产生更小级别的断裂。研究这些小断裂非常重要，因为它们是新生代板块间相互作用的结果，现代地貌形成于新生代板块间相互作用。 板块间相互作用的结果，不仅在板块内部形成次一级的断裂，构成次一级的板块，而且还使板块自身做平移、上升、下降、旋转、倾覆、折皱等运动。上升的结果形成山区和山脉；下降的结果形成盆地和沟谷。经过漫长的风吹、日晒、雨淋，高山因风化、侵蚀而降低，高山上风化的泥沙（包括其上生长的植物遗体），被雨水搬运到由盆地形成的湖泊（包括海洋），使盆地不断被填平而形成沉积岩。 由板块相互作用导致的地表升降运动是一个漫长和间歇式的过程，其周期通常是以千万年来计算，因此，才会形成几公里到十几公里厚的沉积岩层，这正是煤和瓦斯形成所需要的先决条件。 煤炭资源大都形成于石炭二叠纪和侏罗纪，少数形成于第三纪，按照地质动力学观点，石炭二叠纪和侏罗纪时期我国版图远比现在靠近赤道；另外，根据地球演化史，当时的雨量远比现在充沛，植被也比现在茂密。石炭二叠纪和侏罗纪相距一亿多万年，期间发生的地质或其他灾害（陨石撞击），导致大量植物死亡，其遗体在洪水搬运作用下到达湖泊或海洋，后来又被泥沙所覆盖，并随盆地的沉降而被深埋。 在植物遗体被搬运到湖泊的初期，在需氧性细菌的生化作用下，把纤维素水解为葡萄糖等单糖；随着植物遗体被埋藏深度的增加，单糖、果胶质又可在厌氧细菌作用下，产生发酵作用，形成甲烷、水、丁酸、醋酸等；随着植物遗体被埋藏深度的增加，地温不断升高、地压不断增大，细菌的生化作用已不明显，由温度产生的热分解起决定作用，这时煤化作用处于长焰煤到瘦煤的阶段。当埋藏深度达6000～7000m时，地温超过160～2000C，贫煤转变为无烟煤。这就是地质动力学对成煤、成气过程的完整、科学解释。 第五节 矿井瓦斯涌出及瓦斯等级鉴定 矿井瓦斯涌出量是指矿井生产过程中涌入采掘空间及抽入管道中的瓦斯量。在含瓦斯煤层中进行采掘作业时，瓦斯涌出是威胁煤矿安全生产的最主要因素，而且瓦斯涌出严重制约煤矿机械化生产力的发挥。 一、矿井瓦斯涌出 1、煤层瓦斯涌出形式 正常式瓦斯涌出是指从煤层、岩层以及采落的煤（岩）体中比较均匀地释放出瓦斯的过程。 喷出式瓦斯涌出大量瓦斯在压力作用下，从肉眼可见的煤、岩裂缝及空洞中集中喷出的过程。 突出式瓦斯涌出含瓦斯的煤、岩体，在压力（地层应力、重力、瓦斯压力）作用下，破碎的煤和解吸的瓦斯从煤体内部突然向采掘空间大量喷出的动力现象。 2、矿井瓦斯涌出量 矿井瓦斯涌出量是指掘进影响空间、回采工作面影响空间、采空区影响空间的瓦斯涌出量总和。 二、矿井瓦斯等级鉴定 矿井每年都要进行瓦斯等级鉴定，大家对矿井瓦斯等级鉴定过程都比较熟悉，这里主要讲一下瓦斯等级鉴定经常存在的问题 1、瓦斯等级鉴定存在的问题 大家知道，影响矿井瓦斯鉴定结果的因素很多，有的因素（瓦斯浓度、风量、日产量）可直接影响瓦斯鉴定结果（是高瓦斯矿井还是低瓦斯矿井），正因如此，个别矿主、矿井主要领导，为了应付检查、索取有关证件，唆使瓦斯鉴定人员（自鉴）、中介机构将高瓦斯矿井人为鉴定为低瓦斯矿井。曾发生重大瓦斯恶性事故的拜城县亚吐尔煤矿就是真实例子。另一实例是拜城县某矿区，其中80矿井为高瓦斯矿井，其中某矿瓦斯涌出量在该矿区最高，曾发生煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸、瓦斯燃烧和瓦斯窒息事故，死亡多人，但2006年却被鉴定为低瓦斯矿井。2007年5月5日发生在山西蒲邓煤矿的特大瓦斯爆炸事故，该矿同样也是低瓦斯矿井。 因此，主观和客观将高瓦斯矿井鉴定为低瓦斯矿井后患无穷。首先，不利于监、管部门监查、管理。监、管部门通常因为其被鉴定为低瓦斯矿井而放松对其的监、管力度。其次，使不知情的矿井管理人员和职工放松对瓦斯的警惕性，以为低瓦斯矿井对瓦斯检测、监控、火源等可以放松管理，这就为重、特大事故埋下安全隐患。这可能正是重、特大瓦斯事故多发生在低瓦斯矿井的主要原因。简介宝山煤矿。 2、鉴定瓦斯高低的简易方法 新煤办发[2006]346号文要求，相对瓦斯涌出量为6m3/t以上的矿井，必须装备瓦斯监控系统，并保证其正常运转。因此，我们可以根据矿井总回风巷（或风井）中监控系统瓦斯浓度、矿井总风量、当日矿井产量，立即算出矿井瓦斯相对涌出量 N1440Qq／A 式中N矿井瓦斯相对涌出量； Q矿井总风量，m3/min; q矿井总回风巷（或风井）中瓦斯浓度，； A当日矿井产量，t/d。 第六节 瓦斯爆炸的条件及影响因素 一、瓦斯爆炸及其危害 瓦斯事故历来都是煤矿的主要灾害之一。煤矿中瓦斯的主要成分是甲烷。 瓦斯和空气混合后，遇高温热源会发生剧烈的连锁反应。在瓦斯爆炸过程中，火焰从火源占据的空间不断地传播到爆炸性混合气体所在的整个空间。 瓦斯爆炸通常会产生三种危害火焰锋面、冲击波、矿井空气成分变化。 火焰锋面的传播速度可达2500m/s，火焰锋面沿巷道运动好似活塞一样，在运动过程中收集愈来愈多数量的空气和可燃组分，火焰锋面长度可达几十米，使遭遇的人们被烧伤；电气设备被烧坏；还会发生火灾。 冲击波是传播的压力突变，冲击波分为正向、反向、斜向三种，冲击波在叠加后可形成高达10MPa的压强，其传播速度通常均高于音速，冲击波可创伤人体；移动和破坏电气设备；破坏支架，引起巷道冒落，导致通风系统瘫痪，阻止救灾和救护人员。 瓦斯爆炸会大幅度降低氧气浓度，使人缺氧窒息；会产生高达12的一氧化碳，使人中毒。 普通自救器在一氧化碳浓度达到1.5以上时则失去救护作用，因此，发生瓦斯爆炸事故矿井的井下抢险救灾作业人员要佩戴压氧式自救器。一般矿井（高瓦斯和低瓦斯矿井）佩带过滤式自救器。突出矿井佩带化学氧式自救器。抢险救灾作业人员（救护队）要佩戴压缩氧式自救器 二、瓦斯爆炸的条件及影响因素 瓦斯爆炸必须具备三个条件有一定浓度的瓦斯；有一定温度的引燃火源；有足够的氧气。瓦斯爆炸的边界条件详见表6-1。 表6-1 瓦斯混合气爆炸的边界条件 爆炸条件 爆炸下限（） 爆炸最佳浓度（） 爆炸下限（） 正常条件下的微弱火源 5 8 16 强火源 2 8.5～10 75 氧气浓度 12 16 因此，煤矿安全规程规定，采区回风巷、采掘工作面及其回风巷瓦斯浓度不得高于1；特殊情况下以上场所瓦斯浓度也不得高于1.5。 火源通常分为强火源和弱火源，统计资料表明，引起瓦斯爆炸的火源主要是强火源，弱火源（明火和燃烧的物体）仅占23.1。 引爆瓦斯的电火花能量0.28毫焦耳目前又认为是0.54毫焦耳,煤矿使用本质安全型电源就是使其短路时的火花能量不能引爆瓦斯。 常导致瓦斯爆炸事故的强火源有电气设备、线路失爆产生的电弧、电火花；未按规定封炮孔或使用不合格的炸药、雷管产生的强火源等。 电弧、电火花的平均温度为40000C。统计资料显示，井下近80的瓦斯爆炸恶性事故是由电气设备、线路失爆引起的，其中绝大多数发生在掘进过程中。因此，应加强电气设备、线路，尤其是掘进工作面的电气设备、线路的检查、维护，发现隐患应及时排除。 火源除了为瓦斯爆炸提供一定的温度外，另一个重要特性是其作用的持续时间，因为导致瓦斯爆炸的连锁反应需要一定的时间。达到爆炸浓度的瓦斯遇到火源时不会立即爆炸，而需要延迟很短的时间。通常把开始着火到产生运动的火焰锋面的这段延迟时间称为感应期，任何一个火源，只有当其作用延续时间超过感应期时才是危险的。 感应期与瓦斯浓度、火源温度有关，炸药爆炸后的感应期为130毫秒，这对瓦斯矿井的爆破工作具有重要意义，只要炸药、雷管质量合格，炮泥充填符合要求，尽管炸药爆炸产物可达45000C高温，但水炮泥会迅速降低其温度，使其作用时间短于感应期，因而不会引起瓦斯爆炸。反之，若炸药、雷管质量不合格，充填炮泥（包括水炮泥）不符合要求，则因爆破后爆炸产物作用时间超过感应期，引起瓦斯爆炸。 “一炮三检”、“三人连锁”放炮制度是无数条矿工兄弟生命换来的宝贵经验，其目的就是要控制放炮时的瓦斯浓度和封孔质量，必须严格执行才能确保放炮作业的安全。 三、防治瓦斯爆炸的措施 1、防治瓦斯超限和积聚 采掘巷道瓦斯超限的主要原因是通风不好引起的，其次是发生局部瓦斯积聚和瓦斯突然涌出。 （1）防治巷道瓦斯超限和积聚 据统计，掘进巷道瓦斯超限次数是回采工作面5～18倍；有80～90的瓦斯燃烧和瓦斯爆炸事故发生在掘进巷道，尤其是急倾斜特厚煤层中巷道顶板的瓦斯涌出，在其掘进过程中，由于瓦斯比重小于空气，沿底板和两帮涌出的瓦斯被风流带走或上浮到顶板附近，而沿顶板涌出的瓦斯，不易被风流带走，与上浮到顶板附近的瓦斯一道，在顶板附近形成局部积聚和层状积聚，使顶板瓦斯浓度高于底板5～6倍。 防止巷道瓦斯层状积聚 巷道瓦斯层状积聚一般是由于巷道中风速低和巷道顶板上有附加的瓦斯涌出源（煤线或含瓦斯的岩石）引起的。此外，在石门接近煤层或煤线时，在巷道穿过地质破坏地带时，也可能遇到瓦斯层状积聚。有时，从巷道底板或侧帮发生瓦斯喷出时，在巷道顶板附近同样可形成层状积聚。 在普通的瓦斯涌出条件下，瓦斯层状积聚发生在风速小于0.5m/s时；在有增大的瓦斯涌出量条件下，只要巷道风速小于1m/s，就会形成层状积聚；在个别情况下，如果从顶板煤层或岩石中涌出的瓦斯量达到0.5m3/min或更高，即使巷道风速大于1m/s，仍会发生危险的层状积聚。 通常在距工作面后方10∼20m的回风巷道中形成瓦斯层状积聚。对于正在掘进的巷道，一般层状积聚发生在靠工作面的最近1∼1.5月掘出来的区段。 最可能形成瓦斯层状积聚的地点是顶板附近风速小的地点，例如巷道断面变化较大处，风筒附近等。 影响层状积聚范围的主要因素是形成瓦斯积聚的瓦斯涌出量、巷道中的风速、回风流的瓦斯平均浓度和巷道断面。 防治巷道瓦斯局部积聚 在沿软岩掘进巷道时，在其顶板可能形成各种尺寸的空洞，在空洞中会积聚由开采层或邻近层涌出的瓦斯。 在从巷道顶板涌出瓦斯时，空洞中的瓦斯浓度可高达50∼80。回风巷空洞中的瓦斯积聚，通常是由采空区瓦斯涌出引起的。靠近支架的空洞的瓦斯局部积聚，同样可发生在巷道中风速较大时（1.5∼2.0m/s）。 国外对空洞中局部积聚和层状积聚，以及对瓦斯空气混合气体的着火和爆炸研究表明，瓦斯层能作为火焰通向远离火源的瓦斯超限地区的传导体。火焰沿瓦斯层的运动速度大于30m/s时，可扬起巷道壁的煤尘，并导致煤尘爆炸。 在巷道顶板存在充满瓦斯的空洞时，形成的层状积聚特别危险，在瓦斯着火时，无论层内瓦斯，还是以外空间的瓦斯都参与反应，并且燃烧能很快转化为爆炸，甚至在引燃地点，火焰的传播速度也可达到100m/s。 为了及时发现和消除巷道顶板附近的瓦斯层状积聚和靠支架空洞的瓦斯局部积聚，首先要加强可能出现瓦斯积聚地区的瓦斯浓度检测，测量时应将导气管置于巷道顶板附近及伸入靠支架的空洞中。 防止和消除巷道顶板附近瓦斯层状积聚的主要方法是，全面地或局部地（靠瓦斯涌出源）增加风速。 在独头巷道，只要每平方米煤层涌出的瓦斯达到0.015m3/min，即可形成层状瓦斯积聚，为了消除瓦斯层状积聚，靠近顶板的风速应不小于0.2m/s。 如果不能保证消除危险区段瓦斯积聚所需的风速，应该采取局部增加风速的方法，例如，采用铺设在巷道中的帆布风幛；靠顶板挂倾斜挡风板；安装引射器和局部通风机等。 在集中瓦斯涌出源的流量不大于0.5m3/min时，用风障是合适的，它应铺设在瓦斯源的前方3m以内，与风流斜交铺设，以便增加顶板下的风速。 如果风速不低于消除积聚所需的风速，且形成瓦斯层的瓦斯涌出源流量不超过4m3/min时，建议在距顶板0.2∼0.3m，用宽1m，倾角450，挡板间距约3m的倾斜挡板排瓦斯。 为消除分散瓦斯涌出源（流量0.3m3/min）形成的层状积聚，可采用压风或水作动力的引射器，引射器应挂在巷道顶板下0.2∼0.3m处，其长度等于分散瓦斯源长度。 在具有流量达0.5m3/min的分散或集中瓦斯涌出源时，要用局部通风机消除瓦斯层状积聚，局部通风机设在新鲜风流中，风筒尽量铺到瓦斯涌出源附近，并靠巷道顶板悬挂。 在具有大流量（1m3/min及更高）的分散瓦斯涌出源时，应用木板把巷道上部隔开，并把风管直接插入封闭去。 当大面积的瓦斯涌出形成层状积聚时，可用带孔眼（直径2∼4mm）的专门风管送风以消除积聚。 在难以确定瓦斯涌出源地点，可采用喷射器消除层状积聚。喷射器安装在形成瓦斯层地点的附近，在观察到层状积聚的区段铺设风管，风流沿巷道中风流相反的方向运动，风管中出来的空气与主风流一起沿瓦斯层流动，增加该区段的风量和风速。 俄罗斯东方煤矿安全研究所，近来研制了一种向掘进巷道工作面连续脉冲式供风的新装置。脉冲式供风是依靠在风筒的末端安设一个专门装置（风流截止器）来实现的。试验表明，脉冲式供风促使风流扰动，造成了风流和涌出的瓦斯沿巷道全长和全断面的强烈流动，防止瓦斯层状积聚。 回风巷矸石带附近的瓦斯局部积聚，发生在回采工作面瓦斯涌出量大于3m3/min的条件下，通常是在离工作面20∼200m处可见到这种积聚，此处的高浓度瓦斯，是在回风巷风流平均风速小于1m/s时，由采空区漏风造成的。 瓦斯浓度为5的积聚层厚度通常不超过0.15m，报废的独头回风巷的局部积聚通常发生在独头巷道顶板下。 积聚在矸石带附近瓦斯的危险性，类似于前述的顶板瓦斯层，也可作为火源的传导体，当充填物空洞中具有爆炸危险浓度的瓦斯时，这种瓦斯积聚最危险，因为此时火焰能通过充填物传入，并引燃采空区的瓦斯空气混合气体。 当由于某种原因不能增加供入该区段的风量时，应该应用斜挡板和引射器消除矸石带的瓦斯积聚。 防治回风巷矸石带附近，以及报废的独头回风巷的局部瓦斯积聚的主要方法是，采用采空区和工作面上隅角瓦斯抽放。 防治打钻时的瓦斯局部积聚 在向含瓦斯煤层和岩层打勘探钻孔、抽放钻孔或其他钻孔时，特别是在地质构造区，极易在钻孔本身和孔口附近形成瓦斯积聚。在打钻过程中及结束后经常观测到高浓度瓦斯，有时孔底瓦斯浓度达80以上，孔口瓦斯浓度经常接近爆炸浓度。研究表明，当钻孔中瓦斯被引燃时，依靠燃烧产物的膨胀力，可窜出很长火焰。 防止和消除打钻时瓦斯层状和局部积聚的主要方法是增加打钻巷道的供风量；依靠在巷道中安设风障、倾斜挡板、局部通风机、喷射器等，局部增加钻孔孔口附近的风速；在钻孔中瓦斯涌出量很大时，应在孔口安设专门的密封装置，并把瓦斯引入抽放管路中。 防治掘进机附近的瓦斯积聚 英国在1970∼1980年期间，有70的瓦斯燃烧、瓦斯、煤尘混合物燃烧，发生在采掘机工作时，燃烧是由截齿碰到含石英的硬石及黄铁矿包体产生的摩擦火花引起的。 为了防止掘进机工作机构附近的瓦斯积聚，可在掘进机工作机构的上方安装水风式喷射器，以便风流沿工作机构吹到工作面，总风量应不小于16m3/min。在上述的风量和煤层瓦斯含量不高于20m3/t的条件下，即使掘进速度很高，在工作机构附近也不会形成瓦斯积聚。当瓦斯涌出量很高或瓦斯喷出时，为了防止机组附近瓦斯混合气体被引燃，应该用水风式喷射器建立水幕，为此喷嘴的水压应不小于1MPa，每个喷嘴的水量应不小于8L/min。 当掘进巷道局部地区的瓦斯涌出量很大（长200m的巷道瓦斯涌出量达3.0∼3.5m3/min），并且用以上的方法不能消除瓦斯积聚时，可进行隔离式瓦斯抽放，该方法是将巷道顶部和两帮的煤壁用木板与风流隔开，并将钢管插入隔离区进行抽放。在抽放负压为20∼27kPa条件下，每分钟可抽放710.4m3混合气体（瓦斯浓度为20∼30），使巷道瓦斯涌出量降低30∼35以上。 据统计,有57的采掘巷道瓦斯超限是由于停电、局部通风机故障和风筒破损引起的。因此，应保证掘进巷道的有效供风。 新疆瓦斯爆炸资料显示，瓦斯事故绝大多数发生在巷道掘进过程中的瓦斯突然涌出。据地质动力区划研究成果，这些瓦斯突然涌出的地点，大都位于压扭性北西向逆掩活断层附近。研究证明，煤层瓦斯压力在很大程度上取决于该区域的地应力。压扭性逆掩活断层是新生代板块相互作用的结果，在其形成的过程中，不仅为瓦斯赋存提供了空间，还使瓦斯具有很大的压力。这就为瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出事故的发生提供了先决条件。 就目前新疆矿井开采情况看，绝大多数老矿井开采的是有露头的煤层；开采深度小，大都位于瓦斯风化带内。因此，煤层瓦斯含量较低。但随着规划矿井的建成，开采深度不断加大，煤层瓦斯含量、瓦斯压力正逐渐增大，瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等危险性也在不断增加。 人们常时间再无瓦斯或瓦斯涌出量很低的情况下掘进，很容易放松对瓦斯的警惕性；另一方面，瓦斯是无色、无味的气体，在瓦斯突然涌出时无明显的征兆，不易被发现。当瓦斯给人们造成惨痛教训时已悔之晚矣。因此，掘进工作面必须有瓦检员跟班作业，跟踪检查瓦斯变化情况，发现异常立即采取措施，排除安全隐患。同时应做好掘进工作面的通风和电气设备、线路的检修工作。 （2）防治回采工作面的瓦斯危险浓度 通风是防止回采工作面瓦斯危险浓度的最基本和最有效的措施。因此，所有的瓦斯矿井都要建立安全可靠的、独立的矿井通风系统，并实行分区通风。回采工作面和掘进工作面都应采用独立通风方式。 回采工作面的瓦斯有3个来源来自于工作面煤壁和落煤的瓦斯，一般占10∼60；采空区中来自邻近煤层、丢煤和岩石的瓦斯，约占30∼90；来自于运输机上的煤和运输巷煤壁的瓦斯，约占5∼40。回采工作面的瓦斯主要来自前两部分，因而，在采用通常的U形通风方式时，即使在采空区的瓦斯涌出量达2∼3m3/min时，在回采工作面上隅角也常常形成瓦斯局部积聚，因为工作面的瓦斯源都在这里集中，同时这里的风速低，风量不足。 消除回采工作面瓦斯超限和积聚的最有效的方法是改善通风方式。当前，最有前途的通风方式是分源处理瓦斯的通风方式，其中包括Y形、W形通风方式；从进风顺槽向工作面上部供新风；采用专门排瓦斯巷道；利用局部通风机向工作面上隅角供新风。 其中Y形通风方式和利用局部通风机掺风的两种方式，并不增加巷道数量。大多数矿井及瓦斯大的高产工作面均可采用。Y形通风是利用在采空区中维护回风巷，由于采空区向回风巷的漏风，使采空区涌入回采工作面的瓦斯减少到最小（与U形通风相比，可减少80以上），加之上部的新风流可以冲淡采空区进入回风巷的瓦斯，消除了工作面上隅角的瓦斯危害；利用局部通风机向工作面上隅角供新风的通风方式，由于这部分风流绕开工作空间直接进入上隅角，除冲淡上隅角瓦斯外，还减少了采空区的瓦斯涌出量。 根据国外资料，采用分源处理瓦斯的通风方式，不但有效地消除了工作面上隅角的瓦斯超限和积聚，并且可使产量提高1.1∼3.9倍。 采煤机工作时常造成瓦斯积聚，即使在回风流瓦斯不超限的情况下也可能发生。 在开采缓倾斜和倾斜煤层时，在采煤机与煤壁间最易造成瓦斯积聚。模拟试验证明，如果使这一积聚的瓦斯着火，火焰传播速度能达到10m/s，传播距离3m（向采空区方向）。在开采急倾斜煤层时，在采煤机上方，最容易形成瓦斯积聚，甚至在瓦斯涌出量小于1m3/min的条件下也可能发生。 可采用水力引射器或环隙式引射器向机组局部送风和增加采煤机附近风速的方法，消除采煤机附近的瓦斯积聚。 在开采含瓦斯煤层时，如顶板含坚硬的石英砂岩，在其冒落时能产生火花，引燃瓦斯，甚至引起积聚在采空区的瓦斯空气混合气体爆炸。 瓦斯燃烧的最可能火源是冒落的岩石块互相摩擦所产生的热能。 防止这一现象的最好方法是改变顶板管理方法，即由全部冒落法改为局部充填或全部充填法。 瓦斯大量涌出是引起采掘巷道瓦斯超限和积聚的根本原因。由于瓦斯涌出量大，不但有引起瓦斯爆炸的潜在危险，也限制了生产能力充分发挥。由于风流速度有限，目前靠通风方法已无法控制瓦斯涌出，只有依靠瓦斯抽放。同时，抽放的瓦斯还可能利用，变害为利。 2、杜绝火源 井下禁止使用一切明火；井下必须使用防爆型和本质安全型电气设备、电缆；对易产生撞击火花的采空区应采取局部充填或全部充填措施，防止产生撞击火花；对易产生摩擦火花的设备，应采取有针对性的措施，防止产生摩擦火花。 3、局部瓦斯积聚的处理方法 （1）临时停风盲行积聚瓦斯的排放方法 通常包括盲巷外风筒接头断开调风法、三通风筒调风法、稀释筒调节法、自动控制装置排瓦斯法。 （2）密闭巷道积聚瓦斯的排放方法 对于已经密闭的巷道，如果其中积聚大量瓦斯，必须采用分段排除瓦斯的方法。首先检查密闭墙外瓦斯是否超限，若超限就启动风机吹散稀释，如不超限，就在密闭墙上隅角开两个洞，随之开动风机吹风，起初风机不要正对着密闭，要视吹出瓦斯浓度的高低进行风向控制，当不超限时，风筒才可偏向巷道口，并逐渐移向密闭上的孔洞，再慢慢扩大孔洞，直至风筒全部插入孔洞，排出的瓦斯被稀释均匀，并且不超限，才可拆除密闭实施分段排瓦斯。 密闭拆除后，工作人员进入巷道检查瓦斯，随之延长风筒和排放瓦斯。待巷道中风筒出口附近瓦斯浓度降至界限之下，可将风筒口缩小加大风流射程，吹出前方的瓦斯；当瓦斯浓度降下来之后，接上一个短风筒，同样加大风流射程排除前方的瓦斯；取下短风筒，换上长风筒（一般10m）继续排放前方的瓦斯，直至工作面。 在排完巷道瓦斯后，应全面检查巷道的瓦斯浓度，如局部地点仍有瓦斯超限，仍可采用断开风筒接头的方法，排出该区段的瓦斯。 （3）顶板冒落空洞积聚瓦斯的处理方法 该方法包括充填空洞法、风流吹散法和封闭抽放法。 （4）回采工作面上隅角瓦斯积聚的处理方法 该方法包括引导风流稀释带走瓦斯法（风障法和尾巷法）、向上阶段采空区漏风排瓦斯法和抽放上隅角瓦斯法。 （5）其他瓦斯积聚的处理方法 其中包括顶板附近瓦斯层状积聚的瓦斯处理法、链板输送机底槽积聚瓦斯的处理方法。 4、防止瓦斯爆炸事故扩大的措施 其中包括撒布岩粉法、被动式隔绝瓦斯煤尘爆炸传播法、自动隔爆法。 5、矿井瓦斯监测监控 新煤办发[2006]346号文要求，相对瓦斯涌出量为6m3/t以上的矿井，必须装备瓦斯监控系统，并保证其正常运转。 这里不对瓦斯监控系统进行详细介绍，只提几点建议 （1）尽可能使用大企业的监控设备，因为大企业有完善的售后服务，这对保证瓦斯监控系统正常运转非常重要；另一方面，瓦斯监控系统需要不断升级换代，只有大企业才能做到这一点； （2）监控系统的瓦斯探头数量、位置等必须按设计布置，不然难以保证矿井安全； （3）监控系统的瓦斯探头必须按规定标校，确保瓦斯监控系统正常运转； （4）在移动探头位置时，不能随意拖动线路，导致设备、线路失爆；对设备、线路要经常检查、维护，发现隐患要及时排除。 第七节 矿井瓦斯抽放可行性论证 为了研究原始煤层中的瓦斯能否直接抽放，必须观测煤的孔隙率、煤对瓦斯的吸附性、煤层瓦斯压力、煤层瓦斯含量、钻孔瓦斯流量衰减系数、煤层透气性系数等基础参数，并用统计法和分源预测法对矿井瓦斯涌出量进行预测，对较难抽放的煤层，应通过增加钻孔暴露煤面、加大钻孔的密度、提高煤层透气性等方法，降低开采空间的瓦斯涌出量。由于时间关系，具体的方法只能在需要时再详细介绍。 第八节 矿井瓦斯抽放设计 瓦斯抽放应根据矿井瓦斯抽放可行性论证提供的数据，按照矿井瓦斯抽放工程设计规范进行设计，其中包括抽放设备、管线，安全防护设备的选型设计；供电系统、供水系统、地面设施等的设计；抽放地点、抽放管线的布置；安全措施制定；瓦斯利用系统设计（由于甲烷是仅次于二氧化碳的对大气污染的主要污染源之一，它增大了大气层的温室效应，其增温潜能是二氧化碳的20倍。因此，国办发〔2006〕47号文件关于加快煤层气（煤矿瓦斯）抽采利用的若干意见规定，“限制企业直接向大气中排放煤层气，对超标准排放煤层气的企业依法实施处罚”。由于时间关系，具体的方法也只能在需要时再详细介绍。 第九节 煤与瓦斯突出的综合防治 近年来，随着开采深度的不断加大，受地质构造影响较大的矿区，煤与瓦斯突出威胁已逐渐显现。但由于新疆绝大多数矿井的开采深度较小，煤与瓦斯突出并不多见，因此，这里仅就拜城县怡泽煤矿实例，对煤与瓦斯突出作简单介绍。 新疆拜城县怡泽煤矿为“十五”规划矿井，