矿井瓦斯爆炸及其预防.doc

3.7 矿井瓦斯爆炸及其预防 3.7.1矿井瓦斯的爆炸现象 （1）瓦斯爆炸的化学反应 瓦斯爆炸是瓦斯和空气组成混合爆炸性气体在火源作用下发生的一种迅猛的氧化反应。其化学反应式为 CH42O2CO22H2O 或CH42O279/21N2CO22H2O7.52N2 从上式可知,混合气体中的氧与瓦斯都全部燃尽时,一个体积的瓦斯要同两个体积的氧气化合,即一个体积瓦斯要同9.52个27.52体积的空气当空气中氮气浓度为79，氧气为21％时化合，这时瓦斯在混合气体中的浓度为1/（1＋9.25）100％＝9.5％。这一浓度是理论上瓦斯爆炸最猛烈的浓度。 链锁反应瓦斯氧化、燃烧、爆炸的连续过程。 瓦斯的燃爆类型根据瓦斯－空气混合气体燃烧、爆炸时的火焰传播速度及冲击波压力的大小，可以把瓦斯的燃爆类型分为三种 ①速燃 火焰传播速度在10m/s以内；冲击波压力在0.15大气压以内。它可以使人烧伤，引起火灾。 ②爆燃 火焰的传播速度在音速以内；冲击波压力高于0.15大气压。它对人和设施有较强的杀伤能力和摧毁作用。 ③爆炸 火焰传播速度超过音速，达到每秒数千米；冲击波压力达到数个至数十个大气压。它对人和设施具有强烈的杀伤能力和摧毁作用。 （2）瓦斯爆炸的效应 ①瓦斯氧化反应，其过程要放出大量的热，其热量使爆源周围的气体温度骤然升高；高温气体引起体积的骤然膨胀；气体压力升高；高温高压气体快速传播。 ②爆炸气体以极高的速度从爆源往外冲击，称为正向冲击波；由于往外冲击及爆炸时产生的部分水蒸气凝结，使爆源附近形成气体稀薄的低气压区，由于爆源以外的气体以很高的速度反向冲回爆源，称为反向冲击波。 ③瓦斯爆炸后，产生大量的有害气体。 综上所述，瓦斯爆炸将产生高温、高压、冲击波和大量的有害气体，给煤矿安全生产造成极大的危害。 （3）瓦斯爆炸的条件及影响因素 瓦斯爆炸的必要条件 一是瓦斯浓度达到一定范围5％～6至14％～16％时，混合气体有爆炸性； 二是存在高温火源，一般认为是650～750； 三是有足够的氧气，混合气体中氧气的浓度不低于12％。 三者缺一不可 1）瓦斯爆炸的浓度界限 试验证实当瓦斯浓度低于5％～6％时，混合气体无爆炸性，遇火后只能燃烧而不能爆炸；当瓦斯浓度为5％～6至14％～16％时，混合气体有爆炸性；当瓦斯浓度大于14％～16％时，混合气体无爆炸性，也不燃烧，但当有新鲜空气供给时，可以在混合气体与新鲜空气的接触面上燃烧。 当瓦斯浓度为9.5％发生爆炸时，其爆炸威力最大，这是因为此时混合气体中的氧气和瓦斯都全部参加了燃烧、爆炸。 2）引火温度 引火温度是指点燃瓦斯所需的最低温度，一般认为是650～750。它的高低与瓦斯的浓度有关。 瓦斯的浓度与点燃温度的关系 瓦斯浓度（％） 2 3.4 6.5 7.6 8.1 9.5 11 14.7 点燃温度（C） 810 665 512 510 514 525 539 565 瓦斯与高温热源接触时，并不立即燃烧、爆炸，而是经过一个很短的时间间隔，我们称此现象为引火延迟性，间隔的这段时间称感应期。 3）氧的含量 当氧在混合气体的浓度低于12％时，混合气体中的瓦斯失去爆炸性。 综上所述，瓦斯－空气混合气体爆炸一定要同时具备三方面的条件瓦斯在混合气体中的浓度超过爆炸下限，即形成瓦斯积聚；混合气体中氧气的浓度不低于12％；存在高于引燃瓦斯的热源并且其存在的时间比感应期长。 （4）影响瓦斯爆炸的因素 瓦斯爆炸界限并不是固定不变的，其变化同混合气体中其他可燃气体、煤尘、惰性气体的多少及混合气体所在环境温度的高低、压力大小等因素有关。 ①其他气体的掺入。多种气体混入，增加了爆炸性混合气体的浓度，使瓦斯爆炸界限扩大，即爆炸危险下限降低，爆炸危险上限增高。 ②煤尘掺入。煤尘能燃烧，有的本身还能爆炸；同时，当温度在300～400之间时，从煤尘之中可以可以发挥出可燃气体。因此，煤尘混入到瓦斯空气的混合气体中，使瓦斯的爆炸下限降低，爆炸的危险性增加。 初始温度。温度是热能的体现，温度高说明具有的热能大。瓦斯空气混合气体爆炸时的初始温度高低影响瓦斯的爆炸界限。实践证明，初始温度越高，瓦斯爆炸浓度范围越大（即上限上升，下限下降）。 初始压力。压力本身就是能量。瓦斯空气混合气体爆炸时的初始压力大小影响瓦斯的爆炸界限。实测表明，初始压力越大，瓦斯爆炸浓度范围越大。 点燃源能量的影响。瓦斯爆炸的最小点燃能量0.28mJ 3.7.2矿井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。 瓦斯爆炸产生的危害对人员和井下巷道、仪器设备等造成损害。 3.7.3矿井瓦斯爆炸的原因分析 根据瓦斯爆炸的必要条件，分析煤矿井下瓦斯爆炸的基本原因是积存瓦斯和热源。对过国内外煤矿发生瓦斯爆炸的地点统计表明，绝大多数的瓦斯爆炸发生在瓦斯煤层的采掘工作面，其中又以掘进工作面占多数。 （1）煤矿井下易发生瓦斯爆炸地点 ①掘进工作面较易发生瓦斯爆炸的原因，一是瓦斯涌出量大，局部通风机通风可靠性差，容易形成瓦斯积聚；二是使用的电器设备较多（电钻、扇风机、掘进机等）以及经常放炮，出现引火热源机会较多。 ②回采工作面容易发生瓦斯爆炸的地点是工作面上隅角以及采煤机工作时切割机构附近。 （2）瓦斯积累易发生瓦斯爆炸原因 所谓瓦斯积聚是指体积超过0.5m3 的空间瓦斯浓度超过2的现象。 1）工作面风量不足引起瓦斯积聚 2）通风设施质量差、管理不善引起瓦斯积聚 3）串联通风、不稳定分支等引起瓦斯积聚 4）局部通风机停止运转造成的瓦斯积聚 5）恢复通风排放瓦斯时期容易造成瓦斯事故 6）采空区及盲区中积聚的瓦斯 7）瓦斯异常涌出造成的瓦斯积聚 8）巷道冒落空洞等的瓦斯积聚 9）小煤矿瓦斯积聚的原因 （小煤矿瓦斯积聚原因多样，除上述几个方面外，许多情况是缺乏最基本的通风设施和通风基本技术造成的。主要有①独眼井开采，没有形成通风系统；②未安装主要通风机，依靠自然风压进行通风；③使用局部通风机代替主要通风机，风机能力不匹配，井下风量过小；④回风井兼做提升，矿井漏风严重，通风机不能发挥作用；⑤矿井停工停风或掘进工作面停工停风；⑥井下通风系统混乱，串联通风严重；⑦掘进工作面无局部通风机或一台局部通风机给多个掘进头通风；⑧矿井无瓦斯检查、监测制度或制度很不完善，矿井缺乏相应的瓦斯检查仪器或瓦斯检查仪器仪表超期使用，误差太大；⑨矿井无专门的安全技术人员从事安全管理工作，或安全技术及管理人员的素质太底等等。） （3）瓦斯爆炸的点火源 1）井下爆破 存在的问题主要有①使用了不符合安全要求的炸药或炸药已经超过安全有效期限；②充填炮泥不合格，造成放炮火焰存在时间过长；③爆破炮眼布置不合理，抵抗限过底，或者放明炮、糊炮等；④爆破电路连线不合格，产生点火花；⑤放炮器不合格或使用明电放炮等 电火花 2）电火花 因电火花引起的瓦斯爆炸与电器设备的不合格和人员违章操作有关。电火花主要包括电弧放电、电气火花和静电产生的火花。井下输电线路的短路、电器失爆、接头不符合要求、带电检修、违章私自打开矿灯或矿灯失爆，使用非煤矿用的电器设备等都是造成瓦斯爆炸的主要原因。 3）摩擦撞击火花 井下工作中的摩擦和撞击有时难以避免。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、金属器之间的撞击、钢件与岩石的撞击、矿用机械的割齿同巷道坚固岩石的摩擦、巷道塌落时岩石同岩石的碰撞（主要是火成岩等坚固岩石间的碰撞）等都能产生足以引燃瓦斯的火花。 4）明火点燃 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。 5）炽热表面和炽热气体 炽热的表面，如电炉、白 灯、过流引起的线路灼热、皮带打滑机械摩擦引起的金属表面 热等都会引起瓦斯爆炸。煤矿井下使用专用的照明灯具，以防止灯泡破裂时引然瓦斯。 3.7.4 矿井瓦斯爆炸的防治 预防煤矿爆炸事故基本思路就是消除引发爆炸的基本条件，既防止瓦斯的积聚和点火源的出现。 （1）防止瓦斯积聚的技术措施 1）保证工作面的供风量 2）处理采煤工作面回风隅角的瓦斯积聚 正常生产时期，采煤工作面的回风隅角容易积聚瓦斯，及时有效地处理该区域积聚的瓦斯是日常瓦斯管理的重点。采用的方法主要有风障引流、移动泵站采空区抽放、尾巷排放、增加风量、密实工作面上下隅角以减少向采空区的漏风、充填置换等，也可以改变工作面的通风方式，如采用Y型通风、Z型通风等消除回风隅角瓦斯积聚的现象。 ①挂风障引流 该方法是在工作面支柱或支架上悬挂风帘或苇席等阻挡风流，改变工作面风流的路线，以增大向回风隅角处的供风。 ②尾巷排放瓦斯法 尾巷排放瓦斯是利用与工作面回风巷平行的专门瓦斯排放巷道，通过其与采空区相连的联络巷拍放瓦斯的方法。 ③风筒导风法 该方法是利用铁风筒和专门的排放管路引排回风隅角积聚的瓦斯。 ④移动泵站排放法。该方法是利用可移动的瓦斯抽放泵通过埋设在采空区一定距离内的管路抽放瓦斯，从而减少回风隅角处的瓦斯涌出。 ⑤液压局部通风机吹散法。该方法在工作面安设小型液压通风和柔性风筒，向上隅角供风，吹散上隅角出积聚的瓦斯。 3）掘进工作面局部瓦斯积聚的处理 掘进工作面的供风量一般都比较小，因此，出现瓦斯局部积聚的可能性较大。应该特别注意防范，加强监测工作。对于瓦斯涌出大的掘进工作面尽量使用双巷掘进，每隔一定距离离开掘联络巷，构成全负压通风，以保证工作面的供风量。盲巷部分要安设局部通风机供风，使掘进排除啊瓦斯直接流入回风道中掘进工作面或巷道中的瓦斯积聚，通常出现一些，冒落空洞或裂隙发育、涌出速率较大的地点。对于这些地点积聚的瓦斯可以使用下列的方法处理。 ①充填法。充填法是将沙土等惰性物质充填到冒落的空洞内，以消除瓦斯积聚的空间， ②引风法。该方法是利用安设在巷道顶部的挡风板将风流引入冒落的空洞中，稀释其中积聚的瓦斯。 ③风筒分支排放法。在局部通风机风筒上安设三通或直径较小的风管，将部分风流直接送到冒落的空洞中，排放积聚的瓦斯。该方法适用与积聚的瓦斯量较大、冒落空间较大、挡风引起难以凑效的情况下。 ④黄泥抹缝法。该方法是在顶板裂隙发育、瓦斯涌出量大而又难以排除时使用。它首先将巷道棚顶用木板背严，然后用黄泥抹缝将其封闭，以减少瓦斯的涌出或扩大瓦斯涌出的面积。 ⑤钻孔抽放裂隙带的瓦斯。当巷道顶底板裂隙大量涌出瓦斯时，可以向裂隙带打钻孔，利用抽放系统对该区域进行定点抽放。这种方法适用于通风难以解决掘进面瓦斯用处的情况下，否则，因工程量大，而使用期较短，在经济上不合理。 4）刮板输送机底槽瓦斯积聚的处理 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，保证底槽通畅，使瓦斯不易积聚。 ②保证输送机经常运转，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，可以把输送机吊起来，使空气流畅而排除瓦斯。 ④压风排瓦斯。有压风灌入的地点可以将压风引至底槽进行通风，排除积聚的瓦斯。 （2）防止点火源的出现 防止点火源的出现，就是要禁止一切非生产火源，严格管理和限制生产中可能出现的火源、热源，特别是容易瓦斯积聚的地点更应该重点防范。 1）加强管理，提高防火意识 2）防止放炮火源 ①煤矿井下的爆破必须符合煤矿安全规程规定的安全炸药，严禁使用不合格或变质、超期的炸药。 ②有爆破作业的工作面必须严格执行“一炮三检”的瓦斯检查制度，保证放炮前后的瓦斯浓度在规定的界限内。 ③禁止使用明接头或裸露的放炮母线，放炮连线、放炮等工作要有专门的人员操作。放炮员尽量在入风流中执行放炮操作，要严格“三人链锁放炮”制度。 ④炮眼的深度、位置、装要量要符合该工作面作业规程的要求，炮眼充填要填满、填实，严禁使用可燃性物质代替炮泥充填炮眼，坚持使用水炮泥。 ⑤禁止放明炮、糊炮。 ⑥严格执行井下火药、雷管的存放、运输管理制度，放炮员要持证上岗。 3）防止电器火源和静电火源 井下严禁带电检修、搬迁电器设备。井下供电应做到无“鸡爪子”、“羊尾巴” 和明接头，有过电流和漏电保护，有接地装置；坚持使用检漏继电器、煤电钻综合保护、局扇风电闭锁和瓦斯电闭锁装置；发放的矿灯要符合要求，严禁在井下拆开、敲打和撞击矿灯灯头和 灯盒。为防止静电火花，井下使用的高分子材料（如塑料、橡胶、树脂）制品，其表面电阻应低于其安全限定值。 4）防止摩擦和撞击点火 随着井下机械化程度的日益提高，机械摩擦、冲击引燃瓦斯的危险性也相应增加。防治的注意措施有在摩擦发热的装置上安设过热保护装置盒温度检测报警装置；在摩擦部件金属表面附着活性低的金属，使其形成的摩擦火花难以引燃瓦斯，或在合金表面涂苯乙烯醇酸，以防止摩擦火花的产生；工作面遇到坚硬夹石或硫化铁夹层时，不能强行截割，应放炮处理；定期检查截齿和其后的喷水装置，保证其工作正常。 5）防止明火点燃 ①严禁携带烟草、点火物品入井，严禁携带易燃品入井。必须带入井下的易燃品要经过矿总工程师的批准，并指定专人负责其安全。 ②严禁在井口房、通风机房、瓦斯泵房周围20m范围内使用明火、吸烟或用火炉取暖。 ③不得在井口或井下房内从事电气旱工作，如必须在井下主要硐室、主要进风巷道和井口房内进行从事电气旱或使用喷灯工作时，每次都必须指定安全措施，报矿长批准，并遵守煤矿安全规程的有关规定，防止火源出现。在回风巷道内不准进行焊接工作。 ④严禁在井下存放汽油、煤油、变压器油等，井下使用的棉纱、布头、润滑油等都必须放在有盖的铁桶内，严禁乱扔乱放或抛弃在巷道、硐室及采空区内。 ⑤井下严禁使用电炉或灯泡取暖。 ⑥必须加强井下火区管理。 6）防止其它火源 井下火源的出现具有突然性，在工作场所，由于机械场所和金属材料的大量使用，很多情况下撞击、摩擦等火源难以避免，这些地点的通风工作就显得更为重要。但对灾害区域、封闭的瓦斯积聚区域，必须采取措施防止点火源的出现。除上述方面以外，地面的闪电或其它突发的电流也可能通过井下管道进入这些可能爆炸的区域而引燃瓦斯，因此，通常当截断通向这些区域的铁轨、金属管道等。 （3）防止灾害扩大的措施 瓦斯爆炸的突发性、瞬时性，使得在爆炸发生时难以进行救治。因此，防止灾害扩大的措施应该集中在灾害发生前的预备设施的灾害发生时的快速反应。具体的措施有隔爆、阻爆两个方面，即分区通风和利用爆炸产生的高温、冲击波设置自动阻爆装置。 1）采取分区通风 分区通风是防止灾害蔓延扩大的有效措施。利用开拓开采的分区布置，在各个采区之间、不同生产水平之间、矿井两翼之间自然分割的基础上，布置必要的防止爆炸传播设施，可以实现井下灾害的分区管理。 ①每一生产水平，每一采区都必须布置单独的回风道，严格禁止各采区、水平之间的串连通风，尽量避免采区之间的角联风路的存在。 ②采区内回采工作面和掘进工作面应采用独立的通风路线防止互相影响。 ③对于矿井主要进、风巷之间的联络巷必须构筑永久性挡风墙，生产必须使用的，应安设正反两道风门。 ④装有主要通风机的出风口应安设防爆门。 ⑤在开采有煤尘爆炸危险的矿井两翼、相邻采区、相邻煤层和相邻工作面时，应安设岩粉棚或水棚隔开。 ⑥在所有运输巷和回风巷中必须撒布岩粉，防止爆炸传播。 ⑦对于多进风井、多主要通风机的矿井，应尽量减少各风机所辖风网之间的联络巷道，如果无法避免，则应保证风流的稳定并安设必要的隔爆设施。 ⑧各主要通风机的特性最好相近，并与负担的通风需求相匹配。 2）设置隔爆、阻爆装置 当瓦斯爆炸发生后，依靠预先设置的隔爆装置可以阻止爆炸的传播，或减少爆炸的燃烧温度，以破坏其传播的条件，尽可能地限制火焰的传播范围。 ①用水预防和阻隔爆炸 在巷道中架设水棚的作用和岩粉棚的作用相同，只是用水槽或水袋代替岩粉板棚。要求每个水槽的容量为40L～75L，总水量按巷道断面计算不低于400L/m2 ，水棚长度不小于30m。岩粉的缺点是易受潮结块，需要经常更换，成本较高，国内外现在都广泛的使用水代替岩粉隔爆。水的比热比岩粉高5倍，气化时吸热并能降低氧气的浓度，在爆炸作用下比岩粉飞散快，隔爆效果好。 ②自动式防爆棚 使用压力或温度传感器，在爆炸发生时探测爆炸波的传播，及时将预先放置的水、岩粉、氮气、二氧化碳、磷酸铵等喷洒到巷道中，从而达到自动、准确、可靠的扑灭火焰，防止爆炸蔓延的目的。常用的有自动水幕等。 （4）编制矿井灾害预防和处理计划 煤矿安全规程第9条规定“煤矿企业必须编制年度灾害预防和处理计划，并根据具体情况即使修改。灾害预防和处理计划由矿长负责组织实施。煤矿企业每年必须至少组织一次矿井救灾演习。矿井灾害处理计划除了必须掌握灾害发生时必须通知的相关人员、救护队的情况外，还应包括当前矿井的基本情况。 1）反映矿井安全、生产状况的资料 每一矿井都必须有反映当前实际情况的图纸，主要包括矿井地质图；地面、井下巷道、采掘工程对照图；通风系统图；管路（排水、防火、压风、瓦斯抽放等）布置系统图；安全监测系统控制图；井下配电系统图以及井下避灾路线图。这些矿井的基本资料是进行和及时救治的保证。 2）灾害处理计划 对井下主要的采掘工作面和其它可能发生爆炸灾害的地点，应根据自己不同的特点，制定合适的救灾计划。每年都要根据井下状况的变化作出相应的修改。计划的内容包括 ①爆炸发生后可能造成的影响爆炸对通风系统的影响，爆炸蔓延传播的可能性，爆炸会对井下哪些区域的工作人员造成威胁； ②如何恢复灾区的通风和确定灾区人员的避灾路线，对爆炸破坏了的通风系统采取什么措施及时恢复采区的通风，如何调整通风保证可能受影响的区域的人员的安全撤退； ③灾害区域的断电方法，包括局部区域的断电措施和更大区域的断电措施、地点； ④如何防止爆炸引起的火灾、二次爆炸以及灾害额扩大；制定可行的救灾方案控制灾害的范围； ⑤救灾人员的安全路线。根据灾害的状况，计划救灾人员下井探测、救灾时行进的路线。