【正文】 課 程 教 案第一章 礦井瓦斯災(zāi)害防治礦井瓦斯是嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要自然因素之一。本章在闡述瓦斯的賦存狀況、涌出形式與瓦斯災(zāi)害形式等基本理論的基礎(chǔ)上，著重介紹礦井瓦斯防治的有關(guān)措施。第一節(jié) 基本概念和理論概述一、 礦井瓦斯的定義及性質(zhì)1．礦井瓦斯的定義礦井瓦斯是指從煤層或巖層中放出或生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生并涌入到礦井內(nèi)的各種氣體。其基本成分是甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）和氮?dú)猓∟2），還有少量的硫化氫（H2S）、一氧化碳（CO）、氫氣（H2）、二氧化硫（SO2）及其它碳?xì)浠衔餁怏w。2．礦井瓦斯的性質(zhì)圖11l 頓巴斯煤田煤層瓦斯組分在各瓦斯帶中的變化I—N2CO2；II—N2；III—N2CH4；IV—CH4瓦斯是無(wú)色、無(wú)味、無(wú)臭、無(wú)毒的氣體。，溫度為0℃ 的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下， kg/m3。瓦斯比空氣輕， ，因此在煤礦井下常積聚在巷道頂部或上山迎頭。瓦斯不助燃，但條件適宜時(shí)能發(fā)生燃燒和爆炸。二、 礦井瓦斯的成因和分帶1． 礦井瓦斯的成因煤層瓦斯是腐植型有機(jī)物（植物）在成煤過(guò)程中生成的,是與煤炭共生的氣體產(chǎn)物。成氣過(guò)程可分為兩個(gè)階段。第一階段為生物化學(xué)成氣時(shí)期，第二階段為煤化變質(zhì)作用時(shí)期。2． 煤層瓦斯垂直分帶根據(jù)井下煤層瓦斯組分和含量，將煤層瓦斯按賦存深度不同自上而下分為4 個(gè)帶：N2—CO2帶、N2帶、N2—CH4 帶和CH4帶（見(jiàn)圖111）。圖112 煤體中瓦斯的賦存狀態(tài)示意圖1自由瓦斯 ；2吸著瓦斯；3吸收瓦斯瓦斯風(fēng)化帶的深度取決于煤層的地質(zhì)條件和賦存狀況，如圍巖性質(zhì)、煤層露頭、斷層、煤層傾角、地下水活動(dòng)等。圍巖透氣性越大、煤層傾角越大、開(kāi)放性斷層越發(fā)育、地下水活動(dòng)越劇烈，則瓦斯風(fēng)化帶下部邊界就越深。有露頭的煤層往往比無(wú)露頭的隱伏煤層瓦斯風(fēng)化帶深。三、 煤層瓦斯的賦存狀態(tài)1． 瓦斯的賦存狀態(tài)礦井瓦斯在煤、巖層中以?xún)煞N狀態(tài)存在，即自由狀態(tài)和吸附狀態(tài)，如圖112所示。自由狀態(tài)又稱(chēng)游離狀態(tài)，是指瓦斯以自由氣體狀態(tài)存在于煤、巖層的裂隙或空洞之中。吸附狀態(tài)分為兩種形式，即吸著狀態(tài)和吸收狀態(tài)。吸著狀態(tài)由氣體分子和固體分子之間的引力造成，瓦斯分子被吸著在煤體或巖體孔隙表面上，形成瓦斯薄膜。以吸著狀態(tài)存在的瓦斯稱(chēng)吸著瓦斯。吸收狀態(tài)的瓦斯被溶解于煤體或巖體之中，類(lèi)似氣體溶解于液體之中。以吸收狀態(tài)存在的瓦斯稱(chēng)吸收瓦斯。2． 影響煤層瓦斯含量的因素煤層瓦斯含量是指單位質(zhì)量（或體積）煤在自然狀態(tài)下所含有的瓦斯量（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的瓦斯體積），單位為m3/m3或m3/t。影響煤層瓦斯含量的因素有以下幾個(gè)方面：（1）煤田地質(zhì)史。（2）地質(zhì)構(gòu)造。（3）煤層的賦存條件。（4）煤層的圍巖性質(zhì)。（5）煤的變質(zhì)程度。（6）巖漿活動(dòng)。（7）水文地質(zhì)條件?？傊?，影響煤層瓦斯含量的因素是多種多樣的。在礦井瓦斯管理工作中，必須結(jié)合本井田或本礦具體情況，做全面的調(diào)查和深入細(xì)致的分析研究，找出影響本煤田、本礦井瓦斯含量的主要因素，作為預(yù)測(cè)瓦斯含量和瓦斯涌出量的參考。3. 煤層瓦斯壓力煤層瓦斯壓力是指煤孔隙中所含游離瓦斯的氣體壓力，即氣體作用于孔隙壁的壓力。它是決定煤層瓦斯含量的一個(gè)主要因素，當(dāng)煤吸附瓦斯的能力相同時(shí)，煤層瓦斯壓力越高，煤中所含的瓦斯量也就越大。在煤與瓦斯突出的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中，瓦斯壓力起著重大作用。四、 礦井瓦斯的涌出1．礦井瓦斯涌出形式瓦斯從煤層或圍巖中涌出的形式有兩種：（1）普通涌出。隨著采掘工作的不斷進(jìn)行，瓦斯從煤層或圍巖中不斷地向采掘空間涌出。其特點(diǎn)是：范圍大、時(shí)間長(zhǎng)、量均勻，速度緩。普通涌出是煤礦瓦斯涌出的主要形式。（2）特殊涌出。包括瓦斯的噴出和煤與瓦斯突出。其特點(diǎn)是涌出地點(diǎn)為局部地點(diǎn)，涌出時(shí)間短、速度快、量大而集中、有機(jī)械破壞力。它是瓦斯礦井中極具危害的一種涌出形式。2．礦井瓦斯涌出量礦井瓦斯涌出量是指在礦井生產(chǎn)過(guò)程中涌入巷道內(nèi)的瓦斯量，可用絕對(duì)瓦斯涌出量和相對(duì)瓦斯涌出量?jī)蓚€(gè)參數(shù)來(lái)表示。礦井絕對(duì)瓦斯涌出量（Q絕）是指礦井在單位時(shí)間內(nèi)涌出瓦斯的體積，單位為m3／min 或m3/d ?？捎孟率接?jì)算：Q絕=QC6024 （111）式中 Q—礦井總回風(fēng)道風(fēng)量，m3/d； C—回風(fēng)流中的平均瓦斯?jié)舛龋?。 相對(duì)瓦斯涌出量（q相）是指在正常生產(chǎn)條件下開(kāi)采1噸煤所涌出的瓦斯體積，其單位為m3/t。q相=（ Q絕n）/T （112）式中 Q絕—礦井絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/d； n—礦井瓦斯鑒定月的工作天數(shù)，d/月； T—礦井瓦斯鑒定月的產(chǎn)量，t/月。五、 瓦斯涌出的影響因素（1）煤層和圍巖的瓦斯含量。（2）開(kāi)采深度。（3）開(kāi)采規(guī)模。（4）開(kāi)采順序與開(kāi)采方法。（5）地面氣壓的變化。六、 礦井瓦斯等級(jí)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：一個(gè)礦井中，只要有一個(gè)煤（巖）層中發(fā)現(xiàn)過(guò)瓦斯，該礦井即定為瓦斯礦井，并依照礦井瓦斯等級(jí)的工作制度進(jìn)行管理，礦井瓦斯等級(jí)，按照平均日產(chǎn)一噸煤涌出瓦斯量和瓦斯涌出形式劃分為：低瓦斯礦井：10 m3 及其以下；高瓦斯礦井：10 m3以上；煤與瓦斯突出礦井。礦井在采掘過(guò)程中，只要發(fā)生過(guò)一次煤與瓦斯突出，該礦井即為突出礦井，發(fā)生突出的煤層定為突出煤層。第二節(jié) 瓦斯爆炸及突出的規(guī)律一、瓦斯爆炸（一）瓦斯爆炸的過(guò)程及其危害1． 瓦斯爆炸的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程瓦斯爆炸是一定濃度的甲烷和空氣中的氧氣在高溫?zé)嵩吹淖饔孟掳l(fā)生激烈氧化反應(yīng)的過(guò)程。最終的化學(xué)反應(yīng)式為：CH4＋2O2＝CO2+2H2O 如果煤礦井下O2不足，反應(yīng)的最終式為：CH4+O2＝CO+H2+H2O2．瓦斯爆炸的產(chǎn)生與傳播過(guò)程爆炸性的混合氣體與高溫火源同時(shí)存在，就將發(fā)生瓦斯的初燃（初爆），初燃產(chǎn)生以一定速度移動(dòng)的焰面，焰面后的爆炸產(chǎn)物具有很高的溫度，由于熱量集中而使爆源氣體產(chǎn)生高溫和高壓并急劇膨脹而形成沖擊波。如果巷道頂板附近或冒落孔內(nèi)積存著瓦斯，或者巷道中有沉落的煤塵，在沖擊波的作用下，它們就能均勻分布，形成新的爆炸混合物，使爆炸過(guò)程得以繼續(xù)下去。3．瓦斯爆炸的危害礦內(nèi)瓦斯爆炸的有害因素是：高溫、沖擊波和有害氣體。瓦斯爆炸后生成大量有害氣體，某些煤礦分析爆炸后的氣體成分為O2 6%～10% , N2 82 %～88 % , CO2 4%～8%，CO 2%～4％。如果有煤塵參與爆炸，CO 的生成量更大，往往成為人員大量傷亡的主要原因。圖121 柯瓦德爆炸三角形（二）瓦斯爆炸的條件及影響因素1．瓦斯爆炸的基本條件① 瓦斯?jié)舛仍诒ń缦迌?nèi)，一般為5％～16％。② 混合氣體中的氧濃度不低于12％。③ 有足夠能量的點(diǎn)火源。2．影響瓦斯爆炸發(fā)生的因素（1）其它可燃?xì)怏w的影響。（2）氧濃度和過(guò)量惰氣的影響。（3）溫度的影響。（4）氣壓的影響。（三）礦井瓦斯爆炸的致因 1．瓦斯積聚％的現(xiàn)象。局部地點(diǎn)的瓦斯積聚是造成瓦斯爆炸事故的根源，積聚原因主要有以下幾個(gè)方面：（1）通風(fēng)系統(tǒng)不合理、供風(fēng)距離過(guò)長(zhǎng)、采掘布置過(guò)于集中、工作面瓦斯涌出量過(guò)大而又沒(méi)有采取抽放措施、通風(fēng)路線(xiàn)不暢通等，都容易造成采煤工作面風(fēng)量供給不足。（2）正常生產(chǎn)時(shí)期，煤礦井下的通風(fēng)設(shè)施被隨意改變其狀態(tài)。（3）采掘工作面的串聯(lián)通風(fēng)，上工作面的污濁空氣未經(jīng)監(jiān)測(cè)控制進(jìn)入下工作面，導(dǎo)致與下工作面風(fēng)流中的瓦斯疊加而超限。（4）局部通風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)可能使掘進(jìn)工作面很快達(dá)到瓦斯爆炸的界限。（5）對(duì)封閉的區(qū)域或停工一段時(shí)間的工作面恢復(fù)通風(fēng)，未制定專(zhuān)門(mén)的排放瓦斯措施。（6）氣壓發(fā)生變化或采空區(qū)發(fā)生大面積冒頂時(shí)。（7）當(dāng)采掘工作面推進(jìn)到地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)域時(shí)。（8）巷道冒落空洞由于通風(fēng)不良容易形成瓦斯積聚。2．瓦斯爆炸的點(diǎn)火源煤礦井下的明火、煤炭自燃、電弧、電火花、赤熱的金屬表面以及撞擊和摩擦火花，都能點(diǎn)燃瓦斯。此外，采空區(qū)內(nèi)巖石懸頂冒落時(shí)產(chǎn)生的碰撞火花，也能引起瓦斯的燃燒或爆炸。原蘇聯(lián)的研究認(rèn)為，巖石脆性破裂時(shí)，它的裂隙內(nèi)可以產(chǎn)生高壓電場(chǎng)（達(dá)108V/cm ），電場(chǎng)內(nèi)電荷流動(dòng)，也能導(dǎo)致瓦斯燃燒。二、煤(巖)與瓦斯突出煤(巖)與瓦斯突出是煤礦井下發(fā)生的一種復(fù)雜的瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，即在很短時(shí)間內(nèi)，大量的煤(巖)和瓦斯由煤（巖）體向采掘巷道空間噴出的現(xiàn)象。（一）煤(巖)與瓦斯突出分類(lèi)按照突出物質(zhì)的不同，突出可分為煤與甲烷突出、巖石與甲烷突出、砂巖和二氧化碳突出，以及煤、巖、二氧化碳和甲烷突出。按照突出動(dòng)力源的不同，突出又可分為傾出、壓出和突出。其中，傾出的主要?jiǎng)恿κ堑貞?yīng)力，其基本能源是煤的重力位能，它經(jīng)常發(fā)生在急斜松軟煤層中；壓出的主要?jiǎng)恿κ堑貞?yīng)力，其基本能源是煤中所積聚的彈性能；突