关注瓦斯灾害-加强基础研究

关注瓦斯灾害加强基础研究一、瓦斯灾难造成重大人员伤亡和经济损失

近年来各种矿难频发，特殊是瓦斯爆炸事故时见于报端。2004年仅瓦斯爆炸的报道的就有39起之多，普及重庆、河北、山西、辽宁、吉林、黑龙江、江西、河南、湖南、广东、四川、贵州、陕西、新疆15个省市、自治区，死亡753人，受伤98人，后果触目惊心。如此严峻的灾难，引起了全社会的关注。国内外科技工对此作了大量的讨论，获得了一些有意义的讨论结果，灾难发生的有关机理和掌握手段已经把握，但还有更多的缘由和有效措施有待探究和讨论。

二、已获得的讨论结果

人们知道，瓦斯是化石能源（煤炭、石油等）形成过程中的气态物质，其主要成分是甲烷（CH4），与民用自然气（甲烷浓度到达96％以上）的主要成分一样。瓦斯无色、无味、比空气轻，化学性质在常温状态下特别稳定。但是，若其在空气中到达肯定的浓度，遇见明火就会发生猛烈的爆炸。

瓦斯爆炸必需同时具备3个条件:一是火源（火花的能量到达0.28毫焦，温度在400℃～500℃以上）;二是氧气(氧气含量在12%以上)；三是瓦斯本身的浓度在5％～15％范围内。当瓦斯浓度低于5％，无论如何都不会发生瓦斯爆炸；当空气中瓦斯浓度超过15％时，瓦斯也不再爆炸，而只是燃烧（在氧气充分的状况下）；当空气中的氧气浓度低于12％时，不管瓦斯浓度如何，都不会爆炸也不会燃烧。人员在高浓度瓦斯的环境中也会引起窒息死亡。瓦斯爆炸和燃烧跟氧气浓度的关系如下列图所示。

瓦斯爆炸三角区

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因此，为了防止瓦斯爆炸，人们现在实行的主要措施就要避开瓦斯爆炸的3个条件同时成立。矿井生产中，常规的方法，一是防止瓦斯积聚，不允许采掘空间消失瓦斯浓度超限，即采掘空间的瓦斯浓度远远低于瓦斯爆炸的最低值；二是防止瓦斯被引燃，采掘空间内不能消失火源。三是防止瓦斯爆炸事故的扩大。根本措施是前面两个。掌握氧气的浓度目前不是很现实，采掘工作面的氧气浓度不能低于12％，否则无法保证人员正常呼吸的要求，氧气浓度太高简单发生燃烧和煤尘爆炸。

三、瓦斯抽放和严格治理是避开瓦斯灾难的必要条件

由于石油和煤炭的开采工艺不同，在化石能源的开采过程中，瓦斯爆炸主要发生在煤矿开采过程中。煤矿井工开采（相对于露天开采）是在受限空间内进展的，瓦斯安全隐患在于矿井气氛极易满意爆炸条件。

采掘工作面的瓦斯随着工作面的生产不断地涌出，对于瓦斯涌出不太大的矿井，可以通过向工作面不断的供风将生产中产生的瓦斯稀释，并通过主要扇风机带出地面排入大气来解决采掘工作面的瓦斯问题。矿井的主要扇风机和通风网路的通风设计力量是有限的，在相当长的一段时期内是不变的，因而依靠通风排解瓦斯的力量也是肯定的。随着向前掘进，巷道渐渐加长，气流因摩擦阻力作用，所要求的风机功率和压头也越来越大。随着开采深度的不断增加，机械化程度的不断提高，开采强度的不断增加，瓦斯涌出量还会进一步增大。假如发生瓦斯突出，即瞬时大量的瓦斯涌出，再大的通风力量都无济于事。尤其对于瓦斯涌出量大的矿井，光靠通风排瓦斯已经不能解决采掘工作面的瓦斯超限问题，因此，要从根本上治理瓦斯灾难，必需做到有效猜测瓦斯状况，对高产矿井和高瓦斯矿井，公认的方法是进展瓦斯抽放。建立特地的瓦斯抽放系统，通过本煤层瓦斯（煤层气）预抽放，和（或）邻近层瓦斯预抽放，和（或）采空区抽放，目的就是提前将煤层中的瓦斯抽掉一局部，以削减瓦斯涌入采掘空间。这样，一是消退了瓦斯爆炸的危急，二是可以变废为宝，使瓦斯这一清洁能源得以回收利用，三是削减了瓦斯排入大气造成的环境问题。此外，掌握火源也特别重要，采掘工作面内的全部电器设备必需是质量安全的或是隔爆的（需经过严格的防爆检验和安全认证）；尽量避开金属物间的撞击；不使用产生静电的物品等。

目前人们已经熟悉到，瓦斯以游离和吸附两种方式赋存于煤体中，而吸附瓦斯约占90％以上。这导致煤层瓦斯抽放时，其运移路线为：微孔隙裂隙外表吸附瓦斯的解吸和集中，转变为游离瓦斯，赋存于较大的孔隙裂隙中，进而游离瓦斯渗流进入采掘自由空间。瓦斯吸附与解吸是相互为条件转化的，当游离瓦斯压强低于吸附瓦斯压强时，吸附瓦斯较快地转变为游离瓦斯，反之亦然。从这种意义上讲，降低游离瓦斯压强是瓦斯抽放的必要条件。因此。设法通过提高煤层渗透性，疏通渗流通道，使游离瓦斯排出，是瓦斯抽放的关键步骤。我国煤层大多属于低渗透煤层，致使瓦斯抽放难以实施，效果甚差。讨论说明，我国煤层渗透率一般在（0.1～0.001）×10－3ｕｍ２范围，国内渗透率最大的抚顺煤田也仅为（0.54～3.8）×10－3ｕｍ２，渗透性比美国低2～3个数量级。按美国地面煤层气开发标准，认为煤层渗透率在（3～4）×10－3ｕｍ２最正确，但不能低于1×10－3ｕｍ２。尽管在自然科学基金的资助下，探究了包括电磁等外场作用下加速解吸过程讨论，采纳切割增加缝隙以增加渗透性等，至今尚未发觉经济有效的抽放方法。

对于瓦斯突出，人们也提出了几种假说和模型，如“煤与瓦斯突出的综合作用假说“，“流变作用假说“，“球壳失稳理论“，“地应力与煤储层渗透性耦合作用假说“等，现有的讨论工作极其有限，至今仍无牢靠有效的猜测模型。

目前，煤炭行业对矿井瓦斯治理的方针是“以风定产、先抽后采、监测监控“，明确要求矿井的产量要依据矿井的通风力量来核定，产量越大，肯定瓦斯涌出量就越大，风排瓦斯的难度就越大。对高瓦斯矿井，是不行能通过通风来解决采掘空间的瓦斯问题的，必需进展抽放。瓦斯矿井必需通过建立监测监控系统来加强安全治理。现在很多矿井都建立了矿井安全生产监测监控系统，这是提高瓦斯矿井的安全治理的最有效的帮助手段，它能直接监测井下主要采掘地点的瓦斯浓度，并将监测数据送到治理者的办公室，因而治理者可以随时把握井下的安全状况。假如监测到井下的瓦斯浓度超限，该系统还具备自动断电的功能，防止电器火花的产生。

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四、科学讨论是最终解决瓦斯灾难的牢靠保证

瓦斯的治理是一个世界性的难题，目前还没有从根本上解决瓦斯灾难的方法。因此，很多兴旺国家，为了削减事故的发生，制止开采瓦斯涌出量大的矿井，而只开采瓦斯涌出量小的矿井。我国是一个进展中国家，能源非常紧缺，煤炭占我国能源总消耗量的70％以上，煤炭的产量直接影响国民经济的进展。这就导致了在我国只要有煤炭储藏的地方，不管是低瓦斯还是高瓦斯矿区，都在乐观地制造条件开矿，我国的矿井之多，分布之广高居世界首位。我国全部煤矿均为瓦斯矿井。大中型煤矿中，高瓦斯矿井占20.34%，突出矿井占19.77%。小型煤矿中，高瓦斯矿井占15%左右，这是造成瓦斯灾难较多的缘由之一。

假如不考虑人为的因素，应用现有的学问，有完善的监测掌握系统和严格科学的治理，可以避开除瓦斯突出以外的大多数的瓦斯灾难。目前大多数事故调查缘由都认为是中小煤矿安全措施差，通风力量差，工人及治理人员安全素养差造成的，但事情并非如此简洁。

2002年国家下大力气关停了一批安全检查不合格的煤矿，处分了发生事故的有责任领导，然而煤矿瓦斯爆炸事故并未大幅度削减。2003年5月13日安徽芦岭煤矿发生瓦斯爆炸大事为各煤矿敲响了安全警钟，要加强安全治理、通风。然而不幸的是5月13～21日的8天内接连又发生了辽阳、山西和云南煤矿瓦斯爆炸，死亡130多人，这些煤矿的装备和治理不都属于应当关停之列。我们没理由认为发生安徽芦岭煤矿瓦斯爆炸后，其它各矿矿长及治理人员不加强治理，不重视通风，或未进展安检，但依旧发生了爆炸事故，这说明在以往历次事故总结出的事故缘由外，还有许多本质的东西未被熟悉，所以削减事故发生没有收到显著效果。

由此可见，我国的高瓦斯矿井的瓦斯灾难问题也不仅仅是一个安全治理和装备差的问题，在瓦斯爆炸机理、瓦斯在采掘空间的涌出和运移规律、煤层透气性、瓦斯改性和生物降解、膜分别、瓦斯突出机理、人的行为和安全文化等讨论领域仍存在很多的科学问题需要解决，在提高瓦斯抽放率、瓦斯区域的面监测和空间监测、阻爆和隔爆等诸多工程科学问题需要讨论。由于地质条件、采动掌握、人机环境等的简单性与相互作用，现有的讨论还无法清晰地表达相关的机理和作用规律（如煤与瓦斯突出机理、瓦斯爆炸传播规律等），应当说还没有成熟有效的检测预报模型和装备，也没有找到避开在矿井条件下人行为失误的有效方法（只是统计到井温每上