煤矿瓦斯危害形式分析与预防措施.docx

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煤矿瓦斯危害形式分析与预防措施

煤矿瓦斯危险性分析和安全防护措施

【摘 要】矿井瓦斯事故是煤矿安全生产中最严重的危害之一，在煤矿生产过程中，如果对瓦斯认识不足、控制不当或管理不到位，很可能造成灾难性事故。

文章以分析煤矿瓦斯危害形式与防治对策为切入点，介绍预防和控制瓦斯灾害事故的技术措施及发展趋势，说明瓦斯爆炸事故的防治是煤矿安全工作的一项系统工程，必须放在安全工作的首位，才能使瓦斯爆炸事故及其他灾害事故大幅度减少。

【关键词】煤矿瓦斯；危害形式；分析；防治对策

一、前言

       近几年来，煤矿事故已经明显下降，但是，瓦斯爆炸事故是当前煤矿安全生产中威胁最大、最突出的一个问题。

从每年的事故统计中来看，煤矿发生一次死亡10人以上的特大事故中，绝大多数是由于瓦斯爆炸，约占特大事故总数的70%左右，尤其是高瓦斯矿井或由于煤层瓦斯压力较高、地质构造较复杂、地应力较大、煤层破坏严重时，在此区域作业的采掘工作面极易发生煤与瓦斯突出导致瓦斯事故的发生。

二、实验：

原理

1、瓦斯性质：

瓦斯是指矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体，有时单独指甲烷。

瓦斯是一种无色、无味、无臭、可以燃烧或爆炸的气体，难溶于水，扩散性较空气高。

瓦斯无毒，但浓度很高时，会引起窒息。

　　瓦斯在煤层中的赋存形式主要有两种状态：

在渗透空间内的瓦斯主要呈自由气态，称为游离瓦斯或自由瓦斯，这种状态的瓦斯服从理想气体状态方程；另一种称为吸附瓦斯，它主要吸附在煤的微孔表面上和在煤的微粒内部，占据着煤分子结构的空位或煤分子之间的空间。

实测表明，在目前开采深度下（1000～2000m以内）煤层吸附瓦斯量占70％～95％，而游离瓦斯量占5％～30％。

煤层瓦斯含量是指单位质量煤体中所含瓦斯的体积，单位为m3/t。

煤层瓦斯含量是确定矿井瓦斯涌出量的基础数据，是矿井通风及瓦斯抽放设计的重要参数。

煤层在天然条件下，未受采动影响时的瓦斯含量称原始含量；受采动影响，已有部分瓦斯排出后而剩余在煤层中的瓦斯量，称残存瓦斯含量。

影响煤层原始瓦斯含量的因素很多，主要有：

煤化程度、煤层赋存条件、围岩性质、地质构造、水文地质条件等。

瓦斯和空气混合后，在一定条件下,遇高温热源发生的热-链式氧化反应，并伴有高温及压力（压强）上升的现象。

瓦斯爆炸有一定的浓度范围，我们把在空气中瓦斯遇火后能引起爆炸的浓度范围称为瓦斯爆炸界限。

瓦斯爆炸界限为5％～16％。

当瓦斯浓度低于5％时，遇火不爆炸，但能在火焰外围形成燃烧层，当瓦斯浓度为9．5％时，其爆炸威力最大（氧和瓦斯完全反应）；瓦斯浓度在16％以上时，失去其爆炸性，但在空气中遇火仍会燃烧。

一般认为，瓦斯的引火温度为650℃～750℃。

但因受瓦斯的浓度、火源的性质及混合气体的压力等因素影响而变化。

当瓦斯含量在7％一8％时，最易引燃；当混合气体的压力增高时，引燃温度即降低；在引火温度相同时，火源面积越大、点火时间越长，越易引燃瓦斯。

实践证明，空气中的氧气浓度降低时，瓦斯爆炸界限随之缩小，当氧气浓度减少到12％以下时，瓦斯混合气体即失去爆炸性。

　　2．矿井瓦斯涌出及瓦斯等级　　

　　开采煤层时，煤体受到破坏或采动影响，贮存在煤体内的部分瓦斯就会离开煤体而涌入采掘空间，这种现象称为瓦斯涌出。

矿井瓦斯涌出形式可分普通涌出和特殊涌出两种。

　　矿井瓦斯涌出量是指开采过程中正常涌入采掘空间的瓦斯数量，瓦斯涌出量的表示方法有两种：

绝对瓦斯涌出量——单位时间涌入采掘空间的瓦斯量，单位为m3／min；相对瓦斯涌出量——单位质量的煤所放出的瓦斯数量，单位为m3／t。

　　影响矿井瓦斯涌出量的因素主要有煤层瓦斯含量、开采规模、开采程序、采煤方法与顶板管理方法、生产工序、地面大气压力的变化、通风方式和采空区管理方法等。

　　《煤矿安全规程》规定，一个矿井中只要有一个煤（岩）层发现瓦斯，该矿井即为瓦斯矿井。

瓦斯矿井必须依照矿井瓦斯等级进行管理。

　　根据矿井相对瓦斯涌出量、矿井绝对瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式划分为：

低瓦斯矿井、高瓦斯矿井和煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井。

　　低瓦斯矿井：

矿井相对瓦斯涌出量小于或等于10m3／t且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于40m3／min；　　

　　高瓦斯矿井：

矿井相对瓦斯涌出量大于10m3／t或矿井绝对瓦斯涌出量大于40m3／min；　　

　　煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井：

矿井在采掘过程中，只要发生过一次煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出，该矿井即定为煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井。

　　《煤矿安全规程》规定：

每年必须对矿井进行瓦斯等级和二氧化碳涌出量鉴定。

　　3．瓦斯喷出　　

　　矿井瓦斯喷出是指从煤体或岩体裂隙、孔洞或炮眼中大量瓦斯异常涌出的现象。

在20m巷道范围内，涌出瓦斯量大于或等于1．0m3／min，且持续时间在8h以上时，该采掘区域即定为瓦斯喷出危险区域。

　　瓦斯喷出的预兆：

矿压活动显现激烈，煤壁片帮严重、底板突然鼓起、支架承载力加大甚至破坏，煤层变软、潮湿等。

　　另外，还存在煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出，即在地应力和瓦斯的共同作用下，破碎的煤（岩）和瓦斯（二氧化碳）由煤体或岩体内突然向采掘空间抛出的异常动力现象。

煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出具有突发性、极大破坏性和瞬间携带大量瓦斯（二氧化碳）和煤（岩）冲出等特点，能摧毁井巷设施、破坏通风系统、造成人员窒息，甚至引起瓦斯爆炸和火灾事故，是煤矿最严重的灾害之一。

突出发生前通常有地层微破坏、瓦斯涌出变化、煤层层理紊乱、钻孔卡钻夹钻、煤壁温度降低、散发煤油气味、煤层产状发生变化等预兆

4．瓦斯爆炸　　

矿井瓦斯不助燃，但它与空气混合成一定浓度后，遇火能燃烧、爆炸。

瓦斯爆炸时会产生3个致命的因素：

爆炸火焰、爆炸冲击波和有毒有害气体。

瓦斯爆炸不仅造成大量的人员伤亡，而且还会严重摧毁矿井设施、中断生产。

矿井瓦斯爆炸往往引起煤尘爆炸、矿井火灾、井巷坍塌和顶板冒落等二次灾害。

瓦斯爆炸必须具备的三个条件

瓦斯浓度。

在新鲜空气中，瓦斯爆炸的界限一般为5%—16%。

引火温度。

瓦斯的引火温度一般认为是650—750℃。

充足的氧气含量。

氧气浓度不低于12%。

瓦斯爆炸的危害

瓦斯爆炸的危害性表现在以下几个方面：

瓦斯爆炸后产生剧毒气体——一氧化碳。

井下发生瓦斯爆炸以后，将会产生大量的一氧化碳。

空气中的一氧化碳浓度，按体积量达到0.4％时，人在短时间内就会中毒死亡。

一氧化碳中毒是瓦斯爆炸造成人员伤亡的主要原因。

瓦斯爆炸后产生高温。

瓦斯浓度为9.5％时，瓦斯爆炸的瞬间温度可达1850～2650摄氏度。

这样高的温度对井下人员和设备有很大的危害，还可能伴生火灾。

瓦斯爆炸以后产生高压气体。

瓦斯爆炸以后，巷道中的空气压力约为爆炸前的7倍左右。

高压空气以每秒几百米的冲击波浪向四周扩张，不仅摧毁巷道支架和设备，同时也是造成人员伤亡的重要原因之一；还可扬起煤尘，引发煤尘爆炸。

瓦斯爆炸后，在爆炸地点，由于空气稀薄，温度急剧下降，水蒸气凝结成水，在爆源附近会迅速形成低压区，因而爆炸波又会反向冲击，这对巷道的破坏性更大。

当低压区迅速积聚瓦斯，或反向冲击的空气中带来的瓦斯足够多，又有充足的氧气和引爆火源时，就可形成二次爆炸。

方法及数据处理

1、光学瓦斯鉴定器，用来测定瓦斯浓度，按照测量范围分为：

0~10%和0~100两种。

2、矿井安全监控系统及甲烷报警断电装置。

2、矿井瓦斯浓度及火源监测技术

       2.1矿井瓦斯浓度及火源的实时自动监测对于防止瓦斯爆炸非常重要，当发现瓦斯异常或有火源产生，立即采取措施可防止爆炸事故的发生。

我国目前开发了KJ90.KJ92.KJ94.KJ95.KJ73.KJ66等型号的矿井安全监控系统，以及各类检测传感器、报警仪和断电仪。

很多矿井安装了矿井安全综合监控系统，监控系统的安装极大地提高了煤矿的安全管理自动化水平，防止了许多事故的发生。

       2.2井下火源防治    对煤矿井下的爆破火花、电气火花、摩擦撞击火花、静电火花、煤炭自燃等火源都有一些相应的防治措施，除炸药安全性检验、电器防爆检验、摩擦火花检验外、还需防止火源与瓦斯积聚在同时同地点出现，如放炮时检测瓦斯浓度，采用风电闭锁、瓦斯电闭锁等措施。

另外加强明火的管理，严格动火制度，消除引爆瓦斯的火源。

       2.3优化通风网络及通风系统    合理可靠的通风系统是防止瓦斯事故和控制灾害扩大的重要措施，为此，瓦斯防治工程与采掘工程，必须同时设计，超前施工，同时投入使用。

       2.4隔爆措施

       矿井隔爆装置是控制瓦斯爆炸的最后一道屏障，当瓦斯爆炸发生后，依靠预先设置的装置可以阻止爆炸的传播，限制火焰的传播范围，主要有被动式隔爆棚和自动抑爆装置。

       2.4.1被动式隔爆棚。

隔爆岩粉棚、隔爆水槽棚和隔爆水袋棚因成本低、安装方便，因而得到了广泛的使用，其中隔爆水袋棚的使用最为广泛。

目前研制的XGS型和KYG型隔爆棚，具有适应性强，安装、拆卸和移动方便的特点。

       2.4.2自动式抑爆装置。

使用压力或温度传感器，在爆炸发生时探测爆炸波，及时将预先放置的水、岩粉、N2.CO2等喷洒到巷道中，从而达到抑制爆炸火焰传播的目的。

如ZGB-Y型自动隔爆装置采用高压氮气引射消焰剂，能将爆炸限制在距爆源40-60m之内;YBW-1型无电源触发式抑爆装置，适合安装在距爆源20-45m的巷道中;ZYB-S型自动产气式抑爆装置采用实时产气原理，当传感器接收到燃烧或爆炸火焰时，触发气体发生器快速产生的高压气体喷洒消焰剂，抑制火焰的传播。

      三、分析过程

1、煤矿瓦斯的具体危害性分析

       其主要危害形式有瓦斯窒息、瓦斯燃烧、瓦斯爆炸、瓦斯爆炸引起的煤尘爆炸或火灾等。

       1．1瓦斯窒息

       矿井瓦斯涌出量较大，如果通风系统管理不善；通风巷道风流反向、采空区或煤层中高浓度瓦斯涌出；工作人员误入未及时封闭停风的巷道；或由于停风导致瓦斯积聚而未采取相应措施等，都可能导致人员误入，缺氧窒息而亡。

       1．2瓦斯燃烧

       煤层瓦斯含量较高，生产过程中瓦斯涌出量较大，通风不能将瓦斯及时稀释并排出，将在局部地点形成瓦斯积聚，一旦接近火源就可能发生瓦斯燃烧，酿成火灾，火灾引起瓦斯爆炸等一系列灾难性事故。

       1．3瓦斯爆炸

       瓦斯爆炸发生的条件是瓦斯积聚达到爆炸极限浓度、引爆火源和足够的氧气。

井下的照明、爆破火焰、电气火花、摩擦火花等都可能成为引爆火源。

在煤矿的生产过程中要完全杜绝这些火花的产生是很困难的。

在井下瓦斯超限和局部瓦斯积聚达到爆炸极限浓度时，接近火源都有可能发生瓦斯爆炸，甚至引起煤尘、瓦斯联锁爆炸，造成人员伤亡、财产巨大损失。

2．建议及防护措施

       2．1煤矿瓦斯事故的根本措施----抽放技术

       2.1.1瓦斯抽放是减少矿井瓦斯涌出量、防止瓦斯爆炸和突出的治本措施，同时也是开发利用瓦斯能源、保护大气环境的重要手段。

       2.1.2为提高瓦斯抽放率，目前主要需解决长钻孔定向钻进技术，包括测斜、纠偏技术;提高单一低透气性煤层的抽放率;研制钻进能力更强的钻机具;完善和提高扩孔技术、排渣技术、造穴技术和封孔技术;开发新的瓦斯抽放技术及设备。

       2.1.3瓦斯抽放方法有本煤层抽放、邻近层抽放和采空区抽放等;抽放工艺有顺层长钻孔、大直径钻孔、地面钻孔、顶板岩石和巷道钻孔等。

目前已研制出多种抽放泵及配套的监控系统和仪表等，大大提高了瓦斯抽放量和抽放率，使安全环境得到进一步改善。

       2.1.4利用多分支羽状适用技术，解决低渗煤层瓦斯治理问题，以提高抽采率。

       2.1.5煤矿瓦斯治理应该与煤层气产业化紧密结合起来。

2.2瓦斯事故预防和应急措施

2.2.1组织措施

进一步完善各工种岗位责任制及管理制度，并严格执行。

其中包括各工种岗位责任制，工种操作规程，矿领导对瓦斯日报审批签字制度、瓦斯检查制度、瓦斯员现场交接班制度、通风设施管理制度、局部通风管理制度、防灭火管理制度、机电设备维修管理制度、瓦斯检定器定期检查维修制度、爆破材料管理制度、瓦斯管理制度等。

2.2.2防止瓦斯积聚

1、采区设计。

布置采掘工作面从通风角度（通风系统、巷道风速等）来考虑并保证通风合理高效。

从设计上避免串联通风。

2、安排生产计划时，考虑风量情况，以风定产以防风量不足。

3、通风科每旬全面进行一次风量测定工作，同时还要测定回风流中的瓦斯、氧气、一氧化碳、二氧化碳的浓度和空气温度等，并及时地作出通风旬报。

另外还要调查漏风情况，制定配风计划，及时合理地调配矿井风量。

4、通风科要加强通风设施的施工质量，提高矿井的有效风量率。

对任意破坏通风设施的，要追究责任并从严处罚。

5、加强通风管理，要有足够的风量和适宜的风速，不得发生循环风，减少漏风，局部通风风筒到迎头距离符合作业规程要求，放炮时不得断开风筒。

6、掘进下山、工作面回采过程中，要加强瓦斯检查与管理，防止瓦斯积聚，要加强瓦斯检查与监测。

7、及时封闭采空区。

采面结束后，巷道内的机电设备应及时回收，在采面回收完毕后，尽快砌筑永久性密闭，最迟不得超过45天。

8、加强盲巷管理。

风机一旦停止运转，掘进单位要马上撤出人员，切断巷道中电源，揭示警标，并派人站岗警戒，防止人员进入。

9、凡超过6米，停风的独头巷道，均要在24小时内予以封闭，密闭前在巷道口要设栅栏，并挂有“禁止入内”的警标牌。

10、瓦斯员按规定进行巡回检查。

对瓦斯异常地区设专职瓦斯员检查，并安设瓦斯报警断电仪（瓦斯报警断电仪的位置要符合作业规程要求），同时制定相应的瓦斯管理措施。

11、在掘进巷道贯通时，施工单位要制定专门措施，报总工批准，并认真实施，通风科做好调整风流的准备工作。

加强瓦斯检查，确保风机正常运转，风筒符合质量要求，放炮执行“—炮三检”、“三人联锁放炮制”制度。

12、在巷道贯通时，通风科要加强通风和瓦斯检查工作。

贯通双方均要保证局扇正常供风，风筒距迎头符合作业规程规定，双方工作面瓦斯浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度等均不超过规程中有关规定（CH4浓度不超过1%，CO2浓度不超过1．5％，O2浓度不低于18％），贯通后通风科及时调整通风系统。

13、及时处理局部瓦斯积聚，对生产中容易积存瓦斯的地点由通风科进行处理，处理方法如下：

（1）回采工作面上隅角瓦斯积聚的处理。

一般情况下在工作面上隅角附近设置木板隔墙或布风障，冲淡排除。

如果采空区涌出的瓦斯比较大，不仅工作面上隅角经常超限，而且工作面采空区边界附近和回风流中也经常超限，采用临时隔离、风机风幛配合解决上隅角瓦斯积聚。

（2）顶板附近瓦斯层状积聚的处理，在巷道（包括回采工作面）煤壁不断涌出瓦斯的情况下，积聚在巷道顶板附近，形成稳定的瓦斯层，处理方法：

一是加大巷道的平均风速，使瓦斯得到排除；二是加大顶板附近的风速可在顶梁下面加导风板或沿顶板铺设风障或风袖，将积存的瓦斯吹散；三是加强顶板附近瓦斯浓度的检查，检查时仪器进气口橡皮管必须送到积聚的瓦斯处。

（3）在恢复使用有大量瓦斯的积聚盲巷或启封密闭墙时，制定专门的安全技术措施，首先应有救护队员佩戴氧气呼吸器进入，测量瓦斯浓度，二氧化碳浓度和氧气浓度，估算积聚量，确定排放速度，切断回风流中所有电源，停止工作、撤出人员，并在所有通往回风系统的通道上派专人站岗警戒。

排放瓦斯时局扇严禁发生循环风，要严格控制风流，使排出的风流与全风压风流混合处的瓦斯浓度不超过1%，二氧化碳浓度不超过1.5％，氧气浓度不得低于19％。

任何不能进入瓦斯浓度达到3％或氧气低于17％的区域内（除救护队员佩戴氧气呼吸器外）。

14、在有条件时，掘进工作面的独头巷道超过500米时设避难硐室，硐室内设有压风管路，使避难人可以随时打开压风管路得到新鲜空气。

15、对发现一氧化碳及形成高温点的工作面，要尽快安排回采争取在最短的时间内回采完毕，并按要求封闭注浆，通风科要加强瓦斯，温度检查工作，加强注浆、洒水降温工作，提前备好应急材料。

2.2.3防止瓦斯引燃

1、严格执行《煤矿安全规程》中有关规程，杜绝一切引燃瓦斯的热源。

2、搞好电气设备维修与管理，防止电气火花的产生。

（1）井下电气设备的选用符合《煤矿安全规程》中的规定。

（2）井下电气设备的运行，维修工作符合防爆性能的各项技术要求，防爆性能受到损坏的电气设备必须立即处理或更换，杜绝失爆。

（3）井下供电做到“三无、四有、两齐、三全、三坚持”。

2.2.4严格放炮管理

（1）、使用煤矿安全炸药和瞬发电雷管，如使用毫秒电雷管，最后一段的延期时间不得超过130毫秒，不合格或变质的炸药不准使用，雷管经过导通，合格后方可使用。

（2）、每次放炮前后，放炮地点附近20米内洒水降尘。

（3）、严格禁止放糊炮、明火放炮和一次装药分次放炮。

（4）、严格执行瓦斯检查制度，确保工作面风流瓦斯浓度不超过1％。

（5）、每次放炮严格执行“一炮三检”制度。

2.2.5防止磨擦火花和静电火花的产生

（1）、禁止使用铅和铝合金制作的部件和仪器设备。

（2）、井下各种机械外露的部分和电动机附近由司机分工负责，要经常擦拭或清理机头、机尾及电机等，严禁浮煤埋压，防止传热而引起的煤尘燃烧，皮带机顶底辊转动灵敏，皮带机下不得有浮煤活碴，皮带机开不动或打滑时严禁硬开，防止摩擦着火。

液压联轴节使用配套的易熔合金塞，皮带使用不延燃性的，皮带机头机尾备灭火器、沙箱、铁锨及水管等灭火用具，皮带机使用具有四种保护（低速、跑偏、煤位、超温）并每班试验一次以保证灵敏可靠。

强力皮带使用好制动装置，严禁任意拆掉，检修时，一个检修，另一个灵敏可靠起作用。

（4）、严格履行井下电焊和气焊审批手续，制定专门安全措施报相应的领导批准后严格执行。

2.3技术性预防和管理措施

（一）煤矿编制采区设计、采掘作业规程和安全技术措施，对安全监控设备的种类、数量和位置信号电缆和电源电缆的敷设、断电区域等做出明确规定，并绘制布置图和断电控制图。

（二）安全监控设备之间使用专用阻燃电缆连接，严禁与调度电话电线和动力电缆等共用。

（三）井下分站设置在便于人员观察、调试、检验及支护良好、无滴水、无杂物的进风巷道或硐室中，安设时应垫支架，或吊挂在巷道中，使其距巷道底板不小于300mm。

（四）隔爆兼本质安全型防爆电源设置在采区变电所，严禁设置在下列区域：

1、断电范围内；2、低瓦斯矿井的采煤工作面和回风巷道内；3、掘进工作面内；5、采用串联通风的被串采煤工作面、进风巷和回风巷；4、采用串联通风的被串掘进巷道内。

（五）安全监控设备的供电电源取自被控开关的电源侧，严禁接在被控开关的负荷侧。

（六）安装断电控制时，根据断电范围要求，提供断电条件，并接通井下电源及控制线。

断电控制器与被控开关之间必须正确接线，具体方法由煤矿主要技术负责人审定。

（七）与安全监控设备关联的电器设备、电源线和控制线在改线和拆除时，与安全监控管理部门共同处理。

检修与安全监控设备关联的电器设备，需要监控设备停止运行时，经矿主要负责人或主要技术负责人同意，并制定安全措施后方可进行。

（八）模拟量传感器应设置在能正确反映被测物理量的位置。

开关量传感器设置在能正确反映被监测状态的位置。

声光报警器设置在经常由人工作便于观察的地点。

（九）甲烷传感器垂直悬挂，距顶板（顶梁、屋顶）不得大于300MM，距巷道侧壁（墙壁）不得小于200MM，安装维护方便、不影响行人和行车。

（一十）甲烷传感器的报警浓度、断电浓度、复电浓度和断电范围及便携式甲烷检测报警仪的报警浓度符合《煤矿安全规程》规定。

       四、结束语

       瓦斯爆炸事故的防治是煤矿安全工作的一个系统工程，除了完善可靠的安全装备和采取有效的措施外，还应加强安全管理和安全监督，重视员工安全意识的培养。

只有把安全放在首位，认真落实瓦斯治理的“十二字”方针，健全各项规章制度，合理加大安全投入，瓦斯爆炸事故及其他灾害事故才能大幅度地减少，煤矿的安全状况才能得到根本好转。

参考文献：

【1】《煤矿安全培训教材》煤炭工业出版社

【2】《煤矿安全规程》2009版煤炭工业出版社