【文章內(nèi)容簡介】 煤礦最危險(xiǎn)的事故，因?yàn)榇嬖诟邼舛鹊耐咚乖春突鹪矗@時(shí)如果處理不當(dāng)（如隨意停風(fēng)、減少風(fēng)量等），火源的燃燒雖然熄滅，但高濃度的瓦斯與空氣混合很容易使混合氣體達(dá)到爆炸界限，一旦遇殘余的火星就會(huì)引起爆炸。因此，對(duì)煤礦井下 瓦斯燃燒事故，在處理時(shí)應(yīng)格外小心。 三 、 肥城礦區(qū)瓦斯涌出來源分析 煤 (巖 )層中的瓦斯含量的大小取決于兩個(gè)方面的因素：一是成煤過程中生成 17 瓦斯量的多少，主要是煤系地層中煤層的多少、含煤系數(shù)、成煤條件、及煤的變質(zhì)程度等；二是瓦斯的后期保存、運(yùn)移條件，主要影響因素是煤層邊界條件、埋藏深度、煤層傾角、圍巖透氣性以及水文地質(zhì)等。肥城礦區(qū)開采煤層的煤種為氣煤和氣肥煤，屬中等變質(zhì)程度的煤種。與瓦斯含量相關(guān)的指標(biāo)如含碳量一般為%～ %，揮發(fā)份為 %～ %。理論上分析煤層中 的瓦斯含量應(yīng)是比較高的 (可達(dá)到 12～ 22m3/t)，但從日常檢測與鑒定結(jié)果看，瓦斯含量 (瓦斯涌出量 )并不高。初步分析主要原因是地質(zhì)構(gòu)造及地下水流活動(dòng)的影響，從而構(gòu)成了煤層中瓦斯的早期運(yùn)移與排放的良好條件。 肥城礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜，大小斷層縱橫交錯(cuò)，造山活動(dòng)形成的近似走向的 F F F F10，以及斜交地層走向的束狀斷層，如 F2 F F1 F27等，均為受張性應(yīng)力作用形成的高角度開放性正斷層，附生斷層也較多，且以正斷層居多。整個(gè)煤田受到了縱橫交錯(cuò)斷層網(wǎng)的切割，變得很不完 整。第四系沖積 (巖 )層形成前，多數(shù)斷層露出地表，直接與大氣連通，加之煤層埋藏較淺，煤層中的帶壓瓦斯受到斷層形成時(shí)的卸壓作用，便迅速向斷層處運(yùn)移，并通過斷層及破碎帶排放掉。煤層中現(xiàn)存瓦斯僅是保留下來的一小部分。由于礦區(qū)內(nèi)斷層較多，特別是開放性正斷層較多為瓦斯的早期逸散創(chuàng)造了條件，使煤層中瓦斯普遍較低，這是礦區(qū)瓦斯管理有利的一面。同時(shí)瓦斯在運(yùn)移、排放過程中，受到斷層應(yīng)力及破壞帶等因素的影響，形成了瓦斯含量分布的不均勻性，導(dǎo)致了生產(chǎn)過程中瓦斯的不均勻涌出，即瓦斯異常涌出，給礦區(qū)瓦斯管理帶來了難度。這種不均勻分布形 成原因初步分析有以下兩個(gè)方面： (1)沿較大斷層兩側(cè)形成瓦斯富集帶 落差較大斷層形成初期，由于直接連通地表，煤層中伴有壓力的瓦斯受到斷層的卸壓作用，沿煤層孔隙、裂隙向斷層處遷移，并通過斷層排到大氣中去。但隨著時(shí)間的推移，斷層應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定，斷層處受上覆巖層的應(yīng)力作用，在斷層兩側(cè)形成應(yīng)力集中帶，應(yīng)力相對(duì)增高，透氣性逐漸減弱。同時(shí)斷層充填物受地下水及上覆巖層的應(yīng)力作用，形成斷層泥等充填帶，致密性提高，透氣性減弱， 18 使向斷層處遷移的瓦斯在斷層附近保存下來，形成了斷層兩側(cè)的瓦斯富集帶。 (2)斷層附生構(gòu)造為瓦斯提供 了賦存空間 大斷層附近的附生構(gòu)造較多，如小斷層、褶曲、裂隙等，因受斷層形成時(shí)的應(yīng)力破壞而形成，自身比較破碎，微空隙、節(jié)理、裂隙發(fā)育，為瓦斯提供了賦存的空間，而這些小構(gòu)造的連通條件又不好，當(dāng)瓦斯向大斷層運(yùn)移時(shí)部分瓦斯便在此保留下來，形成了附生構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域的瓦斯含量富集。綜上所述，由于瓦斯的運(yùn)動(dòng)與滯留關(guān)系所致，形成了礦區(qū)瓦斯含量分布的不均勻，斷層構(gòu)造附近區(qū)域瓦斯含量較高。當(dāng)掘進(jìn)工作面接近或通過這些區(qū)域時(shí)瓦斯涌出量增加，即發(fā)生瓦斯的異常涌出現(xiàn)象。 流動(dòng)的地下水是瓦斯運(yùn)移、釋放的良 好媒介。肥城礦區(qū)富含地下水，主要含水層有四灰、五灰、奧灰，四灰分布在 8層煤的頂板，五灰、奧灰位于 10層煤的底板下平均 20余米。含水灰?guī)r的巖溶、裂隙發(fā)育，水的動(dòng)儲(chǔ)量大，約為 方米 /時(shí)，其補(bǔ)給水源來自地表，即通過裸露的大于 60平方公里的巖層，接受大氣降水進(jìn)入煤系地層。這種地下水長期補(bǔ)給與排瀉活動(dòng)，加之導(dǎo)水?dāng)鄬拥乃β?lián)系，使地下水直接或間接的對(duì)瓦斯產(chǎn)生影響。滲入煤層中的水分子與煤相互作用，破壞了煤與瓦斯之間的作用力場，減弱和破壞了瓦斯的吸附能力，使吸附狀態(tài)的瓦斯減少，游離狀態(tài)的瓦斯增多，而游離狀態(tài)的瓦斯又 受水活動(dòng)的直接影響，一部分溶解于水，另一部分隨重力水的流動(dòng)而被攜帶走，久而久之對(duì)后期瓦斯運(yùn)移、排放構(gòu)成了良好渠道。 地下水對(duì)煤層中瓦斯含量的影響，比較明顯的例證是 8層煤，其回采過程中瓦斯涌出量為各煤層中最低，主要是受頂板四灰水的影響。一是地下水長期流動(dòng)的熔解與攜帶的自然因素；二是開采前疏水降壓對(duì)瓦斯起到了排放作用的人為因素。 上面分析的地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)兩個(gè)因素是肥城礦區(qū)瓦斯含量較低，屬于低瓦斯礦井的主要原因。 19 礦井瓦斯涌出量統(tǒng)計(jì)表 (表 1) 單位 瓦斯 (m3/d) 二氧化碳 (m3/d) 2020年 2020年 2020年 2020年 楊莊礦 曹莊礦 1728 陶陽礦 國莊礦 查莊礦 白莊礦 6840 表 1統(tǒng)計(jì)了 兩年來各礦瓦斯涌出情況，從歷年瓦斯鑒定資料看，礦區(qū)西部礦井瓦斯涌出量明顯高于東部，以楊莊礦和曹莊礦為最低。而查莊礦和國家莊礦則偏高，楊莊和曹莊礦在日常瓦斯檢測中，采掘作業(yè)場所極少查到瓦斯，西部礦則大多數(shù)能夠檢測到瓦斯。瓦斯異常涌出現(xiàn)象也反映了這一規(guī)律。全公司統(tǒng)計(jì)的 40余起瓦斯異常涌出，東部四礦僅占 4起，且涌出量和涌出形式都低于西部三礦。形成這種現(xiàn)象的原因，初步分析與煤層埋藏深度及地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)。 由于礦井開采條件不同，在瓦斯鑒定時(shí)對(duì)和煤層瓦斯涌出情況進(jìn)行分別測定困難較大。特別是肥城 煤田的下組煤，煤層間距較近，一般采取聯(lián)合布置的開拓方式，多煤層同時(shí)開采，使各煤層特別是各層的采空區(qū)瓦斯涌出情況很難分別測定。為了便于瓦斯管理，掌握各煤層瓦斯涌出量情況，我公司曾在 2020年對(duì)具備條件的幾個(gè)礦井的瓦斯鑒定資料進(jìn)行總結(jié)，分層統(tǒng)計(jì)出各煤層的瓦斯相對(duì)涌出量 (見表 2) 各煤層瓦斯涌出量情況統(tǒng)計(jì)表 單位： m3/t (表 2) 煤層名稱 一般涌出量 最低涌出量 最高涌出量 二 1 三 ～ 3 五 ～ 1 六 ～ 七 ～ 八 ～ 九 十 4～ 5 統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，回采工作面瓦斯涌出量以七層煤為最高，其次是三層、十層，比較低的是八層。后期檢測結(jié)果及異常涌出次數(shù)證明，這個(gè)結(jié)果基本上符合各煤 20 層含量的實(shí)際情況。統(tǒng)計(jì)的 40余起瓦斯異常涌出案例有 21起發(fā)生在七層，有 4起發(fā)生在三層，十層煤統(tǒng)計(jì)的相對(duì)量雖然較高，但至今還沒有發(fā)生瓦斯異常涌出，分析原因是九、十層距離較近，十層煤瓦斯含量受九層煤采空區(qū)的影響，而本煤層瓦斯含量并不高。五層煤 1994年以前的回 采量較少，統(tǒng)計(jì)的相對(duì)涌出量不高，然而截止目前已發(fā)生瓦斯異常涌出 7起，應(yīng)列入瓦斯較高煤層管理。 查定瓦斯來源的具體方法是在礦井掘進(jìn)區(qū)、采煤區(qū)的回風(fēng)流中，測定瓦斯?jié)舛群屯ㄟ^的風(fēng)量，計(jì)算其絕對(duì)涌出量，然后以全礦井的絕對(duì)涌出量為百分之百，計(jì)算生產(chǎn)區(qū)、準(zhǔn)備區(qū)和采空區(qū)的瓦斯涌出量的百分比。 肥礦公司 2020～ 2020年瓦斯涌出來源情況統(tǒng)計(jì)表 (表 3) 項(xiàng)目 時(shí)間 (年 ) 涌出量 (m3/d) 準(zhǔn)備區(qū) 生產(chǎn)區(qū) 采空區(qū) 涌出量 % 涌出量 % 涌出量 % 瓦斯 (ch4) 2020 2020 2020 2020 2020 2020 2020 2020 總之，礦井瓦斯涌出來源的影響因素很多，變化也很大，所以我們每年都要對(duì)礦井進(jìn)行瓦斯鑒定，及時(shí)分析瓦斯涌出來源及其變化情況，以便采取措施進(jìn)行處理。為了摸清礦井瓦斯涌出來源及其分布規(guī)律，因地制宜地采取治理措施，在近幾年的瓦斯鑒定工作中，我們注重了對(duì)礦井瓦斯涌出來源的分析，在設(shè)點(diǎn)上實(shí)行了準(zhǔn)備區(qū)、生產(chǎn)區(qū)、采空區(qū)的分別控制和統(tǒng)計(jì)分析，基本上掌握了各區(qū)域瓦斯涌出量在礦井瓦斯涌出量中所占的比例 (見表 3) 由表 3可以看出，肥城礦區(qū)瓦斯涌出來源主要來自采空區(qū)，采空區(qū)瓦斯涌出所占比例約為 65%，特別是近兩年達(dá)到了 70%以上，其次 是生產(chǎn)區(qū)占 20%左右，最小的是準(zhǔn)備區(qū)占 15%左右。 從以上分析可以看出，采空區(qū)是我們礦區(qū)瓦斯涌出的主要來源，所以我們要 21 制定相應(yīng)的措施防治采空區(qū)瓦斯異常涌出，一是要加強(qiáng)對(duì)采空區(qū)密閉的檢查，及時(shí)維修損壞的密閉，密閉前要設(shè)置柵欄和警標(biāo)，嚴(yán)禁人員隨便進(jìn)入，二是殘采、帶采幫煤、回收煤柱等要制定專門的安全措施，防止采空區(qū)瓦斯異常涌出。 四 、 瓦斯爆炸的條件 瓦斯爆炸的發(fā)生必須具備三個(gè)基本條件，一是瓦斯?jié)舛仍诒ń缦迌?nèi)，一般為 5%16%；二是混合氣體中氧的濃度不低于 12%；三是有足夠能量的點(diǎn)火源。 中瓦斯的濃度 瓦斯爆炸發(fā)生的濃度界限指的是瓦斯與空氣的混合氣體中瓦斯的體積濃度，當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到 %時(shí)，理論上瓦斯可以同空氣中的氧氣完全反應(yīng)，從而放出最多的熱量，因此，爆炸的強(qiáng)度最大。在實(shí)際測量中，最大瓦斯爆炸強(qiáng)度往往比該濃度高一點(diǎn)，達(dá)到 10%左右。當(dāng)與瓦斯混合的空氣成分發(fā)生變化時(shí)，例如其中混入了其他可燃?xì)怏w或人為加入了過量的惰性氣體，則上述瓦斯爆炸的界限就要發(fā)生變化，這種變化通常是不能忽略的。 瓦斯空氣混合氣體中氧氣的濃度必須大于 12%，否則爆炸反應(yīng)不能持續(xù)。煤礦井下的封閉區(qū)域、采空區(qū)內(nèi) 及其他裂隙等處由于氧氣消耗或沒有供氧條件，可能會(huì)出現(xiàn)氧氣濃度低于 12%的情況，其他巷道、工作場所等一般不存在氧氣濃度低于 12%的條件，因?yàn)?，在此條件下人員在短時(shí)間內(nèi)就會(huì)窒息而死亡。 點(diǎn)火源能夠引起瓦斯爆炸的三個(gè)條件是溫度不低于 650℃、能量大于 和持續(xù)時(shí)間大于爆炸感應(yīng)期。這三個(gè)條件通常很容易滿足。在煤礦開采過程中，對(duì)一些不可避免的火源有時(shí)需要采取特殊的技術(shù)，使其不能滿足點(diǎn)燃瓦斯的點(diǎn)火條件。例如，井爆破時(shí)產(chǎn)生的火源，溫度高達(dá) 2020℃，但持續(xù)的時(shí)間很短，小于爆炸感應(yīng)期，因此， 不會(huì)引起瓦斯爆炸。 五 、 瓦斯爆炸條件在煤礦井下存在的可能性 引起瓦斯爆炸的三個(gè)條件必須同時(shí)具備才能引起爆炸，缺一不可。在煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境中，這三個(gè)條件可能同時(shí)存在嗎？在哪些地點(diǎn)出現(xiàn)的可能性較大呢？ 22 煤礦井下生產(chǎn)過程中，涌出的瓦斯被流過工作面的風(fēng)流稀釋、帶走。當(dāng)工作面風(fēng)量不足或停止供風(fēng)時(shí)，以瓦斯涌出地點(diǎn)為中心，瓦斯?jié)舛葘⒀杆偕?，形成局部瓦斯積聚?！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定：采掘工作面內(nèi)，體積大于 的空間內(nèi)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到 2%時(shí)即構(gòu)成局部瓦斯積聚，就必須停止工作，撤出人員。以一個(gè)斷面積 8m2 的煤巷掘進(jìn)工作面為 例，若正常通風(fēng)時(shí)期供風(fēng)量為 200m3/min，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葹?%，則工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為 1m3/min。假設(shè)新揭露斷面及距該斷面 10m 范圍內(nèi)的煤壁涌出的瓦斯占掘進(jìn)工作面總瓦斯涌出量的 50%，則如果工作面停止供風(fēng)，該 10m 范圍內(nèi)平均瓦斯?jié)舛冗_(dá)到爆炸下限 5%只需要 8min。若考慮空間瓦斯分布的不均勻，在局部區(qū)域達(dá)到瓦斯爆炸界限的時(shí)間將更短。當(dāng)工作面有一定風(fēng)量供給時(shí)，稀釋該 10m 范圍內(nèi)的瓦斯（ ） ,使其低于爆炸下限的風(fēng)量僅需大于 10m3/min。由此可見，在井下停風(fēng)時(shí)，很容易形成瓦斯爆炸的 第一個(gè)基本條件，即使是低瓦斯礦井也應(yīng)特別注意。 進(jìn)入井下的新鮮空氣中，氧氣濃度為 21%。由于瓦斯、二氧化碳等其他氣體的混入和井下煤炭、設(shè)備、有機(jī)物的氧化、人員呼吸消耗，風(fēng)流中的氧含量會(huì)逐漸下降，但到達(dá)工作地點(diǎn)的風(fēng)流中，氧含量一般都在 20%以上。在形成瓦斯積聚時(shí)，混合氣體中瓦斯?jié)舛仍龈叩?10%時(shí)，混合氣體中氧濃度才下降到 18%；只有當(dāng)瓦斯?jié)舛壬叩?40%以上時(shí)，其氧濃度才能下降到 12%。因此，在瓦斯積聚的地點(diǎn)，往往具備爆炸的第二個(gè)條件：氧濃度大于 12%。在恢復(fù)工作面通風(fēng)、排放瓦斯的過程中，高濃度的瓦斯與新鮮風(fēng) 流混合后得到稀釋，氧濃度迅速恢復(fù)并超過 12%。此時(shí)，如果不能很好地控制排放量，則這種混合氣流的瓦斯?jié)舛群苋菀走_(dá)到爆炸范圍。因此，排放瓦斯必須制定專門的措施。 能引起瓦斯爆炸的點(diǎn)火源很多，主要可分為四大類。 這類點(diǎn)火源的特點(diǎn)是伴隨有燃燒化學(xué)反應(yīng)。如明火、井下焊接產(chǎn)生的火焰、放炮火焰、煤炭自燃產(chǎn)生的明火、電器設(shè)備失爆產(chǎn)生的火焰、油火等。 熾熱的表面，如電爐、白熾燈、過流引起的線路灼熱、皮帶打滑機(jī)械摩擦引 23 起的金屬表面熾熱等都會(huì)引起瓦斯爆炸。白熾燈中鎢絲的工作溫度高達(dá) 2020℃ ，在該溫度下鎢絲暴露于空氣中就會(huì)發(fā)生激烈的氧化，從而立刻便會(huì)點(diǎn)燃瓦斯。因此，煤礦井下使用專用的照明燈具，以防止燈泡破裂時(shí)引燃瓦斯。熾熱的廢氣或火災(zāi)產(chǎn)生的高溫?zé)熈饕矔?huì)引起瓦斯爆炸，這主要是由于它們與瓦斯相遇時(shí)發(fā)生氧化、燃燒等化學(xué)反應(yīng)所致。瓦斯的引燃溫度在 650℃，機(jī)械、電器設(shè)備等的表面溫度持續(xù)升高或防爆電器內(nèi)部發(fā)生失爆時(shí)都可能達(dá)到這一溫度，保持機(jī)械設(shè)備地點(diǎn)的供風(fēng)可大大降低其表面溫度。 礦用設(shè)備在使用過程中的摩擦和撞擊所產(chǎn)生的火花可引燃瓦斯。如跑車時(shí)車輛和軌道的摩擦、金屬器件之間的撞擊、 鋼件與巖石的碰撞、礦用機(jī)械的割齒通巷道堅(jiān)固巖石的摩擦、巷道塌落時(shí)巖石通巖石的碰撞（主要是火成巖等堅(jiān)硬巖石間的碰撞）等都能產(chǎn)生足以引燃瓦斯的火花。 鋁作為金屬結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用在許多工業(yè)部門，不久之前還被認(rèn)為是安全的。但是，煤礦中由于采用鋁合金造礦用設(shè)備而發(fā)生了多起礦井瓦斯爆炸事故。由于鋁合金及純鋁制成的試件同生銹鋼表面摩擦碰撞都產(chǎn)生足以引燃瓦斯的火花，因此，世界各國都