矿井通风与安全-10_矿井瓦斯与防治

1,中国矿业大学,矿井通风与安全,10.1概述10.2矿井瓦斯的生成及赋存10.3矿井瓦斯涌出10.4矿井瓦斯的喷出及预防10.5煤和瓦斯突出及其预防10.6矿井瓦斯爆炸及其预防10.7矿井瓦斯检测及监测10.8矿井瓦斯抽放,第10章矿井瓦斯防治,10.1概述,10.1.1.矿井瓦斯的概念广义：井下有害气体的总称。来源：(1)煤岩内赋存的气体(2)生产过程中产生的气体(3)井下空气与矿物及其他材料反应产生的气体(4)放射性物质衰变产生惰性气体氡（放射性）和氦狭义：由于煤层中的瓦斯一般以甲烷为主，所以在煤矿中矿井瓦斯专指甲烷,10.1.2.甲烷的性质无色、无味，微溶于水，标准状况下100L水可溶解5.56L甲烷；可燃性、爆炸性、窒息性；密度为0.716kg/m3，为空气密度的0.554倍；分子直径0.41nm，扩散速度是空气的1.34倍；高热值：55.67MJ/kg；低热值：50.17MJ/kg热导率：0.0306W/m（在20时0.0328W/m）；动力粘度：（10.26+0.0305t）10.6Pas（温度t0100C）；,10.2矿井瓦斯的生成及赋存,10.2.1煤层瓦斯的生成煤层瓦斯是腐植型有机物在成煤过程中生成的，主要可以划分为两个生成阶段第一阶段：生物化学成气时期在植物沉积成煤初期的泥炭化过程中，有机物在隔绝外部氧气进入和温度不超过65的条件下，被厌氧微生物分解为CH4、CO2和H2O。,第二阶段：煤化变质作用时期随着煤系地层的沉降及所处压力和温度的增加，泥炭转化为褐煤并进人变质作用时期，有机物在高温、高压作用下，挥发分减少，固定碳增加，这时生成的气体主要为CH4和CO2。,10.2.2煤层瓦斯赋存1、瓦斯在煤体内存在的状态游离瓦斯：以自由气体形式存在；吸附瓦斯：分为吸着状态与吸收状态；在现今开采深度内，煤层内的瓦斯主要是以吸附状态存在，游离状态的瓦斯只占总量的10左右,2、煤层瓦斯垂向分带：当煤层直达地表或直接为透气性较好的第四系冲积层覆盖时，由于煤层中瓦斯向上运移和地面空气向煤层中渗透，使煤层瓦斯呈现出垂直分带特征:瓦斯风化带：“CO2N2”、“N2”、“N2-CH4”三带统称瓦斯风化带。瓦斯风化带内的井、区为低瓦斯井、区。甲烷带：位于瓦斯风化带下边界以下的瓦斯带。,表10-1煤层瓦斯垂直分带及各带气体成分,3、煤的孔隙特征煤的孔隙分类：微孔：直径100m，构成层流及紊流混合渗透的区间渗透容积：小孔至可见孔的孔隙体积之和煤的孔隙率：吸附容积与渗透容积之和称为总孔隙体积，总孔隙体积占煤的体积的百分比成为煤的孔隙率,4、煤层瓦斯压力概念：煤层裂隙和孔隙内由于气体分子热运动撞击所产生的作用力意义：煤层瓦斯压力是决定煤层瓦斯含量、瓦斯流动动力高低以及瓦斯动力现象的基本参数测量原理：打一穿透待测煤层(或直接打在煤层中)的钻孔，插入一根测压管(5mm12mm的铜管或10mm13mm的镀锌铁管)后再把钻孔封堵好，在测压管的外端接上压力表，待压力稳定后就可以读取瓦斯压力值。,5、煤层瓦斯含量1）概念：单位体积或重量的煤在自然状态下所含有的瓦斯量(标准状态下的瓦斯体积)，包括游离瓦斯和吸附瓦斯两部分2）影响因素煤岩结构(如透气性)和物理化学特性(如吸附性能)成煤后的地质运动和地质构造煤层的赋存条件,3）煤的瓦斯含量确定煤内游离瓦斯含量Xy(m3/t煤)式中V煤的渗透容积，m3/t煤；P瓦斯压力，kPa；T0标准状况下的绝对温度(273K)；T瓦斯的绝对温度；P0标准状况下的压力，等于101.3kPa；瓦斯的压缩系数,煤的吸附瓦斯含量煤的表面积是很大的，每克煤有数十至二百m2，其中微孔表面积占绝大多数，吸附瓦斯量主要取决于微孔隙表面积、瓦斯压力与温度。煤的吸附瓦斯服从朗缪尔吸附方程。按朗缪尔方程计算并考虑煤中水分、可燃物的百分比，温度的影响：式中p瓦斯压力，MPa；a在该温度下，极限吸附量，m3/t可燃物；b取决于温度和煤的吸附性能常数，kPa-1。,A,W煤中的灰分与水分，%；t0实测室测定吸附常数时的实验温度t煤层温度，n系数，无因次，按下式确定煤层瓦斯含量等于吸附含量与游离含量之和：XXyXx实测表明，在目前开采深度(10002000m以内)煤层的吸附瓦斯占7095%，而游离瓦斯占530%。,10.3矿井瓦斯涌出,10.3.1煤层瓦斯流动的基本规律煤层与围岩属于孔隙裂隙结构体，不同煤层和岩层的孔隙、裂隙尺寸、结构形式以及发育程度等的差别式很大，并且对地应力的作用很敏感。1、煤层瓦斯流场分类概念：煤层内瓦斯流动的空间称为煤层瓦斯流场，在流场内瓦斯具有流向、流速和压力梯度和浓度梯度,1）按流场的流向分类：单向流场：在x、y、z三维空间中，只有一个方向有流速；径向流场：在x、y、z三维空间中，在两个方向有分速度，可以用柱坐标系描述；球向流场：在x、y、z三维空间中，三个方向都有分速度，可以用球坐标系描述。2）按流场的稳定性分类：定常流场：流场中任何一点的流速、流向和瓦斯压力均不随时间变化。非定常流场；流场中的流速、流向或瓦斯压力中至少有一参数随时间变化。,2、扩散流与渗透流瓦斯在孔隙裂隙内的运移基本上可以分为两类：1）扩散流动：瓦斯在小孔（2.5m，必须根据试验资料来确定；煤层倾角，适用于上邻近层，适用于下邻近层。,10.4矿井瓦斯喷出及其预防,10.4.1概念：瓦斯喷出是指大量承压状态下的瓦斯从煤、岩裂缝中快速喷出的现象。它是瓦斯特殊涌出中的一种形式。10.4.2特点：是瓦斯在短时间内从煤、岩层的某一特定地点突然涌向采矿空间，而且涌出量可能很大，风流中的瓦斯突然增加。由于喷出瓦斯在时间上的突然性和空间上的集中性，可能导致喷出地点人员的窒息、高浓度瓦斯在流动过程中遇高温热源有可能发生爆炸、有时强大的喷出还可以产生动力效应并导致破坏作用。,10.4.3瓦斯喷出的分类：瓦斯喷出原因：天然的或因采掘工作形成的孔洞、裂隙内，积存着大量高压游离瓦斯，当采掘工作接近或沟通这样的地区时，高压瓦斯就能沿裂隙突然喷出，如同喷泉一样。根据喷瓦斯裂缝呈现原因的不同，可把瓦斯喷出分成地质来源和采掘卸压形成的两大类。,1、地质来源例如，四川中梁山煤矿南井在+390水平茅口石灰岩中掘进运输大巷时，当掘进工作接近一处积聚着大量游离瓦斯的溶洞时，放炮时与连通溶洞的裂隙(两条各宽10100mm)沟通引发了瓦斯喷出。当时，随炮声响起一轰鸣声，像压气管破裂似地从裂缝中大量喷出瓦斯(甲烷)，“雾”气弥漫，充满整个回风巷，两小时后测得瓦斯流量为486m3/min，喷出时间持续两周，共喷出瓦斯3.6105m3。,2、采掘卸压如南桐煤矿三号层（层厚0.4m，倾角27，距地表310m）0307工作面回采了346m2时出现瓦斯涌出的“嘶嘶”声，随后出现底板破裂，裂缝宽达100mm，底板上鼓最高达0.6m，支柱折断，瓦斯突然大量喷出。喷出的瓦斯使供风量为200m3min的风流逆转距离达180m，瓦斯浓度在50以上，估计初期的瓦斯喷出量为500m3min，4小时后为26m3min，喷出持续109小时，总喷出量为75100m3。这是典型的由卸压产生裂隙及原有构造裂隙张开，形成卸压瓦斯喷出的通道而引发的瓦斯喷出。,喷出的瓦斯量和持续时间，决定于积存的瓦斯量和瓦斯压力，从几m3到几十万m3，几分钟到几年，甚至几十年。瓦斯喷出的预兆，如风流中的瓦斯浓度增加，或忽大忽小，嘶嘶的喷出声，顶底板来压的轰鸣声，煤层变湿、变软等。,10.4.4瓦速喷出的防治1、原始洞缝中瓦斯喷出的防治1)加强地质工作。施工前一定要通过前探钻孔探明采掘区域与岩巷(井)前方的地质构造，溶洞裂缝的位置分布以及瓦斯的储量。预先制订好防治喷出的设计与安全措施。,2)利用封堵、引排、抽放等综合方法处理瓦斯。如果通风方法解决不了喷出的瓦斯，则可用罩子或其它设施将喷出裂隙封盖好，并利用管路把瓦斯引排到回风巷或地面。或设置引排罩，利用管路将瓦斯排出或抽出。不能使用引排罩时，可以打钻孔抽放。当瓦斯喷出十分强烈不能采用上述方法时，必须把喷出瓦斯巷道密闭。3)搞好通风和严格瓦斯检查制度、防止瓦斯超限。,2、采掘地压形成裂缝中瓦斯喷出的防治开采近距离煤层时，必须防止被解放层初期卸压的瓦斯突然涌入解放层的采掘工作面。1)搞好地质工作，掌握层间岩石性质与厚度的变化，了解邻近层的瓦斯压力和瓦斯含量，地压的大小等。2)根据初期卸压面积计算卸压瓦斯量。确定预排初期卸压瓦斯钻孔的数量及孔位。尽可能提高抽放瓦斯负压，以求增大预排瓦斯量。,3)加强职工安全教育，人人掌握瓦斯喷出预兆，配备隔绝式自救器，熟悉避灾路线4)搞好顶板管理，加强支架质量检查，必要时采取人工卸压措施，以防大面积突然卸压。5)搞好工作面通风，加强瓦斯检查，掌握瓦斯涌出动态与抽放动态，以便预报瓦斯喷出。,10.5煤与瓦斯突出及其预防,10.5.1煤矿井下动力现象及分类1、煤矿井下的动力现象，指的是发生在巷道周围的一切具有运动和声响特征的现象。2、任何一种井下动力现象的发生都离不开“力”和“介质”。因此，对井下动力现象的分类应该从“力”和“介质”两个方面进行。,3、动力现象分类的结果,煤与瓦斯突出实例及分析,煤与瓦斯突出在采掘过程中，突然从煤（岩）壁内部向采掘空间喷出煤岩和瓦斯的现象，称为煤与瓦斯突出，简称突出。,自行冲破岩柱突出实例,南桐东林矿石门突出,突出煤量130t,煤与瓦斯突出实例及分析,南桐东林矿石门突出,突出煤量130t,煤与瓦斯突出实例及分析,南桐东林矿石门突出,突出煤量130t,煤与瓦斯突出实例及分析,南桐东林矿石门突出,突出煤量130t,煤与瓦斯突出实例及分析,南桐东林矿石门突出,突出煤量130t,煤与瓦斯突出实例及分析,南桐东林矿石门突出,突出煤量130t,煤与瓦斯突出实例及分析,南桐东林矿石门突出,突出煤量130t,煤与瓦斯突出实例及分析,南桐东林矿石门突出,突出煤量130t,煤与瓦斯突出实例及分析,南桐东林矿石门突出,突出煤量130t,煤与瓦斯突出实例及分析,南桐东林矿石门突出,突出煤量130t,煤与瓦斯突出实例及分析,66,大平煤矿“10.20”特大瓦斯事故技术分析图示,大平煤矿“10.20”事故瓦斯突出及扩散过程演示,大平煤矿“10.20”瓦斯爆炸传播过程演示,10.5.2煤与瓦斯突出的概念：指煤与瓦斯在一个很短的时间内突然地连续地自煤壁暴露面抛向巷道空间所引起的动力现象。煤与瓦斯突出是煤矿最严重的灾害之一。,突出的基本特征：(1)抛出的固体物具有明显的气体搬运特征。在突出现场可以看到突出的煤和岩块从突出口搬至较远的地方，甚至拐了几个弯；煤、岩块的堆积角度小于自然安息角；堆积物中大的颗粒落在近处和下部，小的颗粒飘到远处并覆盖在突出物的上方，这种现象也称为分选性堆积。(2)突出物中呈现出明显的高压气体爆炸的特征。软煤被抛出后，由于其中的高压气体迅速膨胀，破碎煤体，因而突出物中含有大量的极细的粉尘。有时候突出过程还对抛出的软煤进行了重新固结和捣实，需要镐刨才能运走。,(3)突出的孔洞具有一些特殊的形状。有的呈梨形、倒瓶形，口小腔大，孔洞的轴线往往沿煤层倾斜方向延伸或与倾斜方向成一不大的角度，突出孔洞的长度约为几米到几十米。有时候则看不到突出孔洞，抛出煤体的地方充满了松散的碎煤。(4)突出过程中伴随有大量的瓦斯涌出。在突出过程中，抛出的煤量越大，涌出的瓦斯越多。当涌出的瓦斯量十分大时，瓦斯会逆着矿井的风流而行达到几十米，甚至几百米、上千米，严重地破坏矿井的通风系统和设施。,10.5.3突出概况1834年3月22日，法国伊萨克矿井发生了世界上第一次有记载的突出。支架工架棚子时，发现煤壁外移，三个工人立即撤离，但煤炭冲入巷道13m，巷道煤尘弥漫，一人被煤流埋没，一人窒息牺牲，一人幸免于难。迄今为止，世界各主要产煤国家都发生过煤和瓦斯突出现象。世界上最大的一次煤与瓦斯突出发生在1969年7月13日苏联加加林矿，在710m水平主石门揭穿厚仅1.03m煤层时，发生了这次突出，突出煤14000t，瓦斯25万m3。,我国记载的第一次突出是1950年吉林省辽源矿务局富国西二坑，在垂深280m煤巷掘进时突出。目前我国突出矿井达到200多个，突出次数一万多次。最大突出强度为12780t，喷出瓦斯120万m3，它是1975年8月8日在天府矿务局三汇坝一矿主平峒放震动炮揭穿6号煤层时发生的。,10.5.4突出的机理解释突出原因和突出过程的理论称为突出机理。突出是个很复杂的动力现象，至今巳提出许多假说，概括起来有三大类：1）瓦斯作用说认为煤内存储的瓦斯在突出中起着主要的作用；2）地应力说认为突出主要是地应力作用的结果；3）综合说认为突出是地应力、瓦斯压力和煤的结构性能综合作用的结果，国内外大多数学者拥护综合说。,10.5.5瓦斯突出的一般规律1）突出发生在一定深度上。随着深度增加，突出的危险性增加，这表现为突出次数增多、突出强度增大、突出煤层数增加，突出危险区域扩大。2）突出次数和强度，随着煤层厚度特别是软分层的厚度的增加而增多。,3）突出的气体主要是甲烷，个别矿区突出气体是CO2突出危险煤层开采时的相对瓦斯涌出量都在10m3/t以上，突出发生在高瓦斯矿。同一煤层，瓦斯压力越高，突出危险性越大。不同煤层，瓦斯压力与突出危险性之间无直接关系。（突出与瓦斯、应力、煤结构强度等因素有关），突出的瓦斯压力一般要在600kPa以上。4）突出煤层的特点是煤的力学强度低、变化大，透气系数小于10m2/MPa2.d，瓦斯放散速度高，湿度小，层理紊乱，遭地质构造力严重破坏的“构造煤”。,5）煤自重的影响。突出的次数有随着煤层倾角的增大而增加的趋势。6）突出危险区呈带状分布。突出与地质构造有密切关系。7）绝大多数突出发生在落煤时，尤其在爆破时。其中放炮诱导突出作用最强，此外，水力冲刷，风镐落煤,手镐落煤都引起过突出。,8）大多数突出都有预兆地压显现方面的预兆：煤炮声，支架声响，岩煤开裂，掉碴，底鼓，煤岩自行剥落，煤壁颤动，钻孔变形，垮孔顶钻，夹钻杆，钻机过负荷等瓦斯涌出方面的预兆：瓦斯涌出异常，瓦斯浓度忽大忽小，煤尘增大，气温、气味异常，打钻喷瓦斯、喷煤、哨声、风声、蜂鸣声等煤层结构与构造方面的预兆，层理紊乱，煤强度松软或不均匀，煤暗淡无光泽，煤厚增大，倾角变陡，挤压褶曲，波状隆起，煤体干燥，顶底板阶梯凸起，断层等。9）突出危险性随着硬而厚的围岩(硅质灰岩、砂岩等)，存在而增高。,10.5.6预防煤与瓦斯突出的主要技术措施1、开采有突出危险的矿井，必须采取防治突出的措施。防突措施可以分为两大类：1)区域性防突措施：实施以后可使较大范围煤层消除突出危险性的措施；2)局部性防突措施：实施以后可使局部区域(如掘进工作面)消除突出危险性的措施。,防治突出技术归纳为“四位一体”的综合性防突措施：突出危险性预测；防治突出措施；防突措施的效果检验安全防护措施。,2、区域性防突1）开采保护层在突出矿井中，预先开采的、并能使其他相邻的有突出危险的煤层受到采动影响而减少或丧失突出危险的煤层称为保护层，后开采的煤层称为被保护层。保护层位于被保护层上方的叫上保护层，位于下方的叫下保护层。开采保护层的作用现以天府南井2号层(保护层)开采后，有突出危险的9号层内与突出有关的若干参数的变化，来说明保护层的作用。,从上图可见，保护层(2号层)采到距离测点0m处时，被保护层(9号层)已经开始膨胀，接着是透气系数增大。采过测点20m后，瓦斯流量开始上升，采过40m后的瓦斯压力开始下降，并稳定地保持很长时间。保护层开采后，由于采空区的顶底板岩石冒落，移动，引起开采煤层周围应力的重新分布，采空区上、下形成应力降低(卸压)区，在这个区域内的未开采煤层将发生下述变化：,a.地压减少，弹性潜能得以缓慢释放。b.煤层膨胀变形，形成裂隙与孔道，透气系数增加。所以被保护层内的瓦斯能大量排放到保护层的采空区内；瓦斯含量和瓦斯压力都将明显下降。煤层瓦斯涌出后，煤的强度增加。据测定，开采保护层后，被保护层的煤硬度系数由0.30.5增加到1.01.5。,保护范围保护范围是指保护层开采后，在空间上使危险层丧失突出危险的有效范围。它受地质采矿因素影响，各矿根据实际考察研究确定这个范围。也可以参考以下资料a.保护层与被保护层之间的有效垂距：,b.倾斜方向的保护范围。保护层开采以后，岩层沿倾斜方向的移动是沿着最大下沉角0方向发展的，所以倾斜方向的保护范围应以最大下沉角的斜线为基准，即以最大下沉角0的斜线为基准线向内偏一个角度。2）预抽煤层瓦斯预抽煤层瓦斯是指，通过一定时间的预先抽放瓦斯，降低突出危险煤层的瓦斯压力和瓦斯含量，并由此引起煤层收缩变形、地应力下降、煤层透气系数增加和煤的强度提高等效应，使被抽放瓦斯的煤体丧失或减弱突出危险性。,3、局部防突措施大型突出往往发生于石门揭开突出危险煤层时。所以石门揭开突出危险煤层，以及有突出倾向的建设矿井或突出矿井开拓新水平时，井巷揭开所有这类煤层都必须采取防治突出的措施，并编制专门设计。(1)松动爆破：在进行普通放炮时，同时爆破几个710m以上的深炮孔，使深部煤体破裂与松动，应力集中带和高压瓦斯带移向深部，以便在工作面前方造成较长的卸压和排放瓦斯区，从而预防突出的发生。,(2)钻孔排放瓦斯：石门揭煤前，由岩巷或煤巷向突出危险煤层打钻，将煤层中的瓦斯经过钻孔自然排放出来，待瓦斯压力降到安全压力以下时，再进行采掘工作。钻孔数和钻孔布置应根据断面和钻孔排放半径的大小来确定，每m2断面不得少于3.54.5孔。(3)水力冲孔:水力冲孔是在安全岩(煤)柱的防护下，向煤层打钻后，用高压水射流在工作面前方煤体内冲出一定的孔道，加速瓦斯排放。同时，由于孔道周围煤体的移动变形，应力重新分布，扩大卸压范围。,(5)超前钻孔:在煤巷掘进工作面前方始终保持一定数量的排放瓦斯钻孔。它的作用是排放瓦斯，增加煤的强度，在钻孔周围形成卸压区，使集中应力区移向煤体深部。(6)超前支架:多用于有突出危险的急倾斜煤层、厚煤层的煤层平巷掘进时。为了防止因工作面顶部煤体松软垮落而导致突出，在工作面前方巷道顶部事先打上一排超前支架，增加煤层的稳定性。,(7)卸压槽:预先在工作面前方切割出一个缝槽，以增加工作面前方的卸压范围，掘进时保持一定的超前距就可避免突出或冲击地压的发生。(8)震动放炮：震动放炮是采用增加炮眼数和装药量，一次爆破揭穿煤层并成巷的爆破方法。所以震动放炮基本上是一种人为的诱使突出的措施，而不是防止突出的方法。它使突出发生在没有人员在场和采取了预防瓦斯、煤尘爆炸措施的情况下。,10.6矿井瓦斯爆炸及其预防,瓦斯的最大危害就是发生爆炸。不仅能造成人员伤亡，而且会严重摧毁井下设施，中断生产。有时还会引起煤尘爆炸和井下火灾，从而加重灾害，使生产难以在短期内恢复。1942年日本霸占我国东北时期，在本溪煤矿由电气火花引起的瓦斯爆炸和煤尘爆炸，共有1549人死亡。2000年贵州木冲沟“927”1622004年河南大平“1020”1482004年陕西陈家山“11.28”1662005年辽宁孙家湾“214”214,10.6.1瓦斯爆炸过程及其机理1、瓦斯爆炸的总包化学反应式瓦斯爆炸是甲烷和空气组成的爆炸性混合气体在火源诱发下发生迅猛的氧化反应并伴随有强烈力学效应的现象。其方程式概括为：从上式知，混合气体中的氧与甲烷都全部燃尽时，一个体积的甲烷要同二个体积的氧气化合，也就是要同2+7.52=9.52个体积的空气化合。这时甲烷在混合气体中的浓度为1/(1+9.52)1009.5；这一浓度是理论上爆炸最猛烈的浓度。1摩尔的甲烷爆炸后将产生882.6kJ的热量。lkg碳氢化合物相当于4kgTNT炸药。,2、引燃甲烷空气混合物的感应期烃类氧化有感应期，感应期之后是一快速反应。从接触引火源起到烃类空气混合物转为快速燃烧爆炸的时间间隔称为感应期。随着引火源温度的升高和甲烷浓度的下降，感应期将缩短。,在甲烷同系物(甲烷、乙烷、丙烷等)与空气混合的爆炸性气体中，以甲烷的感应期最长，其它气体则较短。因此，在甲烷空气混合物中混有乙烷时，感应期缩短。矿用安全炸药正是利用了烷空混合气体存在感应期的特性。在感应期间内，保证安全炸药爆破时的高温产物能够冷却，不致于使烷空混合气体达到引火爆炸的温度。其原理是，在矿用安全炸药中加入了一定数量的消焰剂。消焰剂有两个作用，一是它的热容量较大，可以吸收一部分爆热从而降低爆温、减少火焰存在的时间，二是它对甲烷的氧化燃烧反应起负催化作用，可以破坏甲烷氧化燃烧链锁反应的活化中心，阻止烷空混合气体的爆炸。在消焰剂的这两个作用中，负催化作用是主要的。,3、链式反应理论化学反应式仅表示一系列复杂反应的最终结果，链式反应理论却能对甲烷爆炸的实际反应过程与机理作出解释。链式反应理论认为甲烷爆炸是反应物分子首先离解成一些自由基，自由基具有很大的化学活性，能成为反应连续进行的活化中心，经过一系列链锁反应步骤后完成整个反应。链起始：分子离解成自由基链传递：某自由基与某分子作用生成另一自由基链分支：该步骤每消耗一个自由基可生成两个自由基链破坏：自由基变成分子如果在连锁反应过程中链分支反应增多，自由基数目成倍增长，反应链数目增加，反应速度迅速增加短时间内将释放出大量的能量，如此循环，将使反应加速到爆炸速度。,较低温度下，甲烷氧化链式反应的基元反应方程组：CH4+O2CH3+HO2（1）链引发CH3+O2CH2O+OH（2）OH+CH4H2O+CH3（3）链传递OH+CH2OH2O+HCO（4）CH20+O2HO2+HCO（5）链分支HCO+O2CO+HO2（6）HO2+CH4H2O2+HCO（7）链传递HO2+CH2OH2O2+HCO（8）OH器壁（9）CH2O器壁（10）,链中止,加热法与光化法都可以使链起始，后者是指短波光线的照射引起分子离解。在矿井内，高温热源与火源加热是常见的起链方法。为了起链需要消耗一定的活化能。在甲烷气体爆炸的过程中，产生的自由基有CH3、H、CH2O、OH、O等，在甲烷爆炸的过程它们都是转瞬即熄中间产物，并且在这一过程中，这些中间产物增多或减少影响着爆炸过程的发展。如在含甲烷的空气中加入惰性的，吸热降温的物质，或能够同自由基结合形成分子的物质，就能起到链终止的效果，使含甲烷气体不爆炸或爆炸威力降低。如在含甲烷的空气中加入4.2%的一溴三氟甲烷CF3Br（哈龙1301）能防止甲烷爆炸，就是由于它可以捕获自由基。,10.6.2瓦斯爆炸的传播及后果1、瓦斯爆炸的传播爆炸可以分为物理性爆炸和化学性爆炸物理性爆炸：物质因状态和压力发生突然变化而形成的爆炸，如锅炉爆炸、液化气体超压爆炸等化学性爆炸：物质发生迅速的化学反应、产生高温、高压而引起的爆炸。瓦斯爆炸属于化学性爆炸。火焰锋面：在可爆炸甲烷浓度的混合气体中出现了点火源，则此气体就会在火源点被点燃形成最初火焰(人们称这一点为爆源)，在大气压条件下，该火焰厚度非常薄，仅0.10.01mm，它是一个燃烧带并在烷空气体中传播。燃烧速度：火焰锋面相对于未燃混合气体的传播速度叫做燃烧速度。,瓦斯爆炸根据爆炸传播速度可分为以下三类：爆燃传播速度为每秒数十厘米至数米，爆炸传播速度为每秒数十米至数百米，爆轰传播速度超过声速，可达每秒数千米。冲击波：火焰锋面后的爆炸产物具有很高的温度，由于热量集中而使爆源气体产生高温和高压并急剧膨胀而形成冲击波。如果巷道顶板附近或冒落孔内积存着瓦斯，或者巷道中有沉落的煤尘，在冲击波的作用下，它们就能均匀分布，形成新的爆炸混合物，使爆炸过程得以继续下去。爆炸时由于爆源附近气体高速向外冲击，在爆源附近形成气体稀薄的低压区，于是产生反向冲击波，使已遭破坏的区域再一次受到破坏。如果反向冲击波的空气中含有足够的CH4和O2，而火源又未消失，就可以发生第二次爆炸。,2、瓦斯爆炸的危害瓦斯爆炸时会产生三个致命的因素：火焰锋面，冲击波，井巷大气成分的变化。1）火焰锋面：火焰锋面是瓦斯爆炸时沿巷遣运动的化学反应带和烧热的气体总称。其传播速度可在宽阔的范围内变化，从数米每秒到最大的爆轰传播速度2500m/s。火焰锋面好象沿巷道运动的活塞一样，把烷空气体收集起来并点燃。这种活塞的长度从火焰锋面最慢传播时的几十厘米到爆轰时的几十米。火焰锋面通过时，可使人的衣服被扯下，造成大面积皮肤的深度烧伤、呼吸器官甚至食道和胃的粘膜烫伤，烧坏电气设备与电缆，当电缆有电时可能引起二次性的电气火灾，引燃井巷的可燃物造成二次性灾害火灾。,2）冲击波在正向冲击波传播时，其波峰的压力可从数十kPa到2MPa的范围内变化：当正向冲击波叠加和反回时，可形成高达1OMPa的压力。冲击波的传播速度不可能低于音速。如果爆炸减弱，则冲击波就转变为声波。正向、反向和斜向冲击波通过时会引起：人体的创伤，在大多数情况下这些创伤具有综合和多样的特征，如创伤和烧伤综合，这给急救造成困难，需要细心护理，移动，翻倒和破坏电气设备、机械设备，甚至可能发生二次性着火，破坏支架、堵塞巷遭、引起冒顶，破坏通风设施与通风系统，这不仅会扩大灾情，而且会使抢险救灾、救人困难化复杂化。,3）井巷大气成分的变化瓦斯爆炸时矿井大气成分会发生下列变化：氧浓度下降，产生有毒有害气体，形成爆炸性气体。在数量上的变化与参加爆炸的可燃组分及其浓度有关例如甲烷是一种物理性质与化学性质固定的气体，它的每一浓度对应着一定的气体产物。瓦斯与煤尘爆炸的最终产物的大概组成下表。,上述三个有害因素的可比危险程度首先与它们的波及范围大小有关，火焰锋面(爆燃与爆炸)的传播范围较小，一般为数十米到数百米，只在极少的情况下达到几千米，冲击波(爆轰)的传播范围就大得多，一般为几千米，有时甚至波及到地面。爆炸产物的波及范围与通风系统、通风风量以及爆炸时对通风系统破坏情况等有关，爆炸产物的运动，在冲击波消失和火焰锋面停止后继续随风流进行，因此甲烷和煤尘爆炸的最大危险性在于矿井大气成分的改变，它在大多数情况下造成严重的后果。,10.6.3煤矿爆炸性气体的安全技术参数1、爆炸极限爆炸性气体与空气混合，只在某些浓度范围之内才可能爆炸。可能产生爆炸的最低浓度称为爆炸下限，最高浓度为上限。上、下爆炸极限常用气体与空气混合的体积百分比浓度表示。这些值是在混合气体的压力为101.3kPa，温度为20时测定的。这时甲烷的爆炸上限是15%，下限是5%。在100以下的环境温度时，爆炸极限与混合气体的温度无关；在100以上时，随爆炸地点温度增加，下限下降，上限上升，就是爆炸范围扩大。,随着混合气体中氧气浓度的降低，甲烷爆炸范围缩小，爆炸下限几乎保持不变，而爆炸上限下降较大；当氧浓度降至极限值(即失爆氧浓度10%左右)时，爆炸上、下限重合在一点(5%CH4)，见图234。我们将BCE区域称作爆炸三角形。它对封闭或启封火区以及在密闭区内灭火时，判断火区有无瓦斯爆炸危险，以及采用惰气灭火时判断瓦斯爆炸危险的变化趋势具有指导意义。例如，封闭火区过程中，由于切断了向火区的供风，火区内的瓦斯浓度将逐渐增加，如果没有惰气混入，那么甲烷浓度与氧浓度所决定的座标点落入BCE区内时，遇火便会发生瓦斯爆炸。,惰化过程：用不同的惰性气体(N2，CO2)充入采空区，与烷空气体混合，使烷空气体的爆炸范围减小的过程。这时爆炸地点的失爆氧浓度是不同的(N2：9.47%；CO2：12.32%)。与氮气相比，二氧化碳的惰化效果良好，因为CO2的失爆氧浓度比N2高2.53%。因此，用CO2作为惰化气时，其用量要比N2节省10以上。但是不少矿区由于当地有廉价的液氮来源，所以实际上用N2惰化火区的矿井还是比较多的。,2、最低点燃温度取少量被测定气体试样放进爱伦迈尔烧瓶中，把烧瓶放在电炉上加热，改变瓶壁温度和气体浓度，用一系列测定试验找出使气样直接发生燃烧的瓶壁最低温度，这个温度称为该气体的自燃温度(气样的测试环境压力为101.3kPa)，亦即最低点燃温度。最低点燃温度是重要的安全技术参数之一。它不仅可以决定在什么样的爆炸混合气体内，使用什么型式的防爆电器设备，而且还可以决定矿井里其它设备的允许温升。甲烷的最低点燃温度是595，在含有甲烷的环境下，设备的温升必须远低于此值。,3、最大爆炸压力最大爆炸压力是衡量物质特性的一种参数，可以判断它的爆炸危险性的大小。最大爆炸压力是指在一个5L的密闭容器内，改变可燃气体的浓度，进行一系列爆炸试验，测得爆炸压力的极大值(环境压力为101.3kPa，温度为20)。井下发生瓦斯爆炸，是在长度很大的巷道中进行的，可能会出现更高的压力。爆炸压力是由于爆炸时产生的高温引起的。当甲烷浓度为9.5时，在自由空间可测得1850或在密闭空间达到21502650的瞬时高温，相应的爆炸压力为7001000kPa。,4、最小点燃能量点燃爆炸性混合气体所需的最小能量是另一重要参数。它是在空气中可燃性组分处于最易点燃浓度时所需的最低点燃能量。它与引火源的种类有关。用电火花点燃与用加热体点燃其数值是不同的。通过调节放电电路中电容的大小以及电极间的距离和电极的形状，在环境压力为101.3kPa和温度为20时，测定最易点燃的混合气体刚刚能够点燃的能量为最小点燃能量。甲烷的最小点燃能量为0.28mJ。,最低点燃温度是重要的安全技术参数之一。它不仅可以决定在什么样的爆炸混合气体内，使用什么型式的防爆电器设备，而且还可以决定矿井里其它设备的允许温升。甲烷的最低点燃温度是595，在含有甲烷的环境下，设备的温升必须远低于此值。安全火花型电气设备通过限制电路的参数，使之在电路切换时放电的能量低于工作环境中可燃气体的最小点燃能量。这种设备适用于一切有爆炸危险的矿井。这是矿井弱电系统防爆技术的发展方向。,5、火焰蔓延极限宽度(最大不传爆间隙)在爆炸危险环境中工作的设备上存在火源时(例如电路开关火花等)，必须在火源外围加上一个隔爆外壳。爆炸混合气体在壳内爆炸时，能可靠地防止火焰蔓延到壳外，以防引起壳外的瓦斯爆炸。壳体采用固定间隙长度结构，并保证间隙的宽度小于火焰蔓延极限宽度。它还用于各种危险物质爆炸级别的分类。最大允许不传爆间隙在隔爆电气设备设计加工以及使用时非常重要。只有保证间隙的宽度小于最大不传爆宽度，才能保证设备的隔爆性能。,10.6.4煤矿井下瓦斯爆炸原因分析必要条件：甲烷的浓度超过爆炸下限(即形成瓦斯积存)，氧的浓度不低于12；具有超过最小点燃能量、长于感应期和高于甲烷最低点燃温度的点火源。1、瓦斯积聚：煤矿中有各种各样的瓦斯源，它们主要处于掘进和回采工作面附近。瓦斯源的所在地甲烷易于积存，危险性大。我国掘进工作面的瓦斯爆炸占总爆炸次数的46.9，回采工作面占49.2，其它仅占3.3。在这些爆炸中，产生积聚瓦斯的直接原主要还是通风不正常。,2、引火源：井下瓦斯爆炸的引火源很多。各种明火、煤炭和可燃物的自燃、电线短路、过载电流，电弧，电火花，灯泡破坏时赤热灯丝、摩擦或冲击火花、静电火花，炸药爆破火焰、赤热产物(气体与粒子)、冲击波压缩热等。,炮采炮掘为主的矿井，爆破热源引燃瓦斯的百分比可以增加到40以上。随着井下机械化程度的提高，使用电气设备的数量、种类和功率越来越大，因电气设备电火花和机械摩擦火花引燃的事故百分比增加到50以上。井下岩石与岩石，岩石与金属，金属与金属撞击或摩擦产生的火花都可能引燃瓦斯。如截煤机截齿与坚硬顶板和坚硬硫化铁结核的碰撞，都可能引起火化。此外，皮带摩擦起火，高分子材料产品发生的静电火花，及漏电形成的杂散电流火花都有可能引爆瓦斯。,3、思想麻痹、管理松懈及违章作业国内外的事故统计表明，思想麻痹、管理松懈、违章指挥、违章作业，违犯劳动纪律、作业前后不检查瓦斯浓度或漏检”等是发生事故的重要因素。例如有的矿井，在瓦斯涌出量很小的区域甚至在平常几乎都检查不出瓦斯存在的地点却发生了爆炸，就是这种原因所致。,10.6.5预防瓦斯爆炸技术措施1、防止瓦斯积聚的措施所谓瓦斯积聚是指局部瓦斯浓度超过2，其体积超过0.5m3的现象。a.搞好通风b.及时安全地处理积聚瓦斯c.分源治理瓦斯d.严格井下瓦斯浓度的检查与检测,2、防止瓦斯引燃措施防止瓦斯引燃的措施是严禁和杜绝一切火源，严格管理和控制生产中可能发生的火、热源，防止它的产生或限制其引燃瓦斯的能力。3、防止瓦斯爆炸灾害事故扩大的措施a.编制预防和处理瓦斯爆炸事故计划。使矿工熟悉这个计划，掌握预防瓦斯的基本知识和有关的规章制度。b.实行分区通风。各水平、各采区都必须布置单独的回风道，回采工作面和掘进工作面都应采用独立通风。这样一条通风系统的破坏将不致影响其它区域。,c.通风系统力求简单。入风流与回风流的布置应保证当发生瓦斯爆炸时不会发生短路。不用的巷道都要及时封闭。d.装有主扇的出风井口，应安装防爆门，防止爆炸波冲毁扇风机，影响救灾与恢复通风。e.各回采面、采区，各翼均有隔爆措施。f设立避灾峒室，配带自救器。,10.7矿井瓦斯检测及监测,检测瓦斯浓度是预防瓦斯事故的前提，也是研究瓦斯涌出规律和评价预防瓦斯措施效果的基本依据。煤矿检测瓦斯的方法有以下三种方式：1）实验室分析2）便携式仪器分析3）瓦斯监测,10.7.1我国煤矿现在使用的便携式瓦斯检测仪表1.光学瓦斯检定器1）结构,2)原理检定器根据光干涉原理制成。它的光学系统如图。灯泡1发出的一束白光，经光栅2和透镜3射到平行平面镜4。平行平面镜使光束分成两路：一路自平面镜的a点反射，经右空气室、大三棱镜和左空气室回到平行平面镜，再经镜底反射到镜面的b点；另一路光在a点折射进入平行平面镜镜底，经镜底反射、镜面折射，往返通过瓦斯室也到达平面镜，于b点反射后与第一束光一同进入三棱镜，再经90反射进入望远镜。,2瓦斯检定灯1815年发明瓦斯检定灯，直到本世纪四十年代它一直是煤矿主要使用的瓦斯检测装置，它还可以显示出空气中CO2浓度和氧浓度降低的情况。1)构造：如图所示。,2)原理当空气中的瓦斯浓度低于爆炸下限时，进入检定灯内的瓦斯就在灯焰上燃烧，形成淡兰色的第二火焰(一般称为焰冠)。瓦斯浓度越大(但不能大于爆炸下限)，淡兰色的火焰越高，因此，根据火焰高度能判断瓦斯浓度的大小。瓦斯检定灯的火焰是在双层金属网内燃烧的，即使网内发生瓦斯爆炸，由于金属网的良好散热作用，以及链式反应的活化中心与密集的网丝碰撞而失去能量，就不会引起网外瓦斯的爆炸，所以它是安全的。但如网罩破损、烧红、网罩将失去隔爆炸用，故使用时要特别小心谨慎。,3）使用方法(1)检查瓦斯时，必须先用正常火焰(焰长约25mm)进行。如若出现火焰发暗、伸长、摆动等现象，表明瓦斯浓度超过4%，必须立即停止检查。如果正常火焰无变化或变化很小，则将灯芯慢慢拧低到黄色火焰消失，根据淡兰色火焰的高度确定瓦斯的浓度。(2)检查二氧化碳时，必须用正常火焰，将灯由上向下移动。二氧化碳浓度为1时，火焰开始发暗，34%时，火焰逐渐缩小而熄灭。当空气中的氧浓度降低到19%时，灯焰减为原来的三分之一，17%时，灯即熄灭，应立即撤出人员。瓦斯检定灯构造简单，使用方便，但测量范围小，精度较低。,3热效式瓦斯检定器检定器的电桥电路由R1、R2、R3、R4等电阻元件组成。其中R1是工作元件，R2是补偿元件，R3和R4的电阻相同。电桥供电后，无瓦斯时，电桥静态平衡，即R1/R2R3/R4，对角电路中无电压输出。R1与R2都是由同样的铂丝绕成螺卷形，外表都涂上一层白色的Al2O3多孔粉末，称为载体。但工作元件R1上涂了一层催化剂(钯)变成黑色，称为黑元件。有瓦斯时，检测气室中的黑元件表面将产生瓦斯的无焰燃烧(温度仅420)，黑元件的温度升高，电阻增大。而白元件上无催化剂，仅起补偿平衡的作用。这时电桥的平衡破坏，R1/R2R3/R4，对角电路有电压输出。在沼气浓度4