矿井瓦斯防治技术

矿井瓦斯防治技术

重点：瓦斯的概念及性质，瓦斯的成因，瓦斯赋存规律。

难点：瓦斯赋存和运移规律。

第一节矿井瓦斯的概念与性质

瓦斯爆炸是煤矿生产的主要灾害之一。近年来，我国连续发生了几起特别

重大瓦斯爆炸事故，造成大量的人员伤亡和财产损失，带来严重的社会影响。

一、矿井瓦斯的概念（什么是矿井瓦斯？）

矿井瓦斯是矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体的总称。有

时单独指甲烷（沼气）。

广义：井下除正常空气的大气成份以外，涌向采矿空间的各种有毒、有害

气体总称。

狭义：煤矿生产过程中从煤、岩内涌出的，以甲烷为主要成份的混合气体

总称。

矿井瓦斯成分很复杂，其主要成分是甲烷（CHJ,其次是二氧化碳（COJ和氮

气（NJ,还含有少量或微量的重燃类气体（乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等）、氢（乩）、

一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO?）、硫化氢（4S）等。

由于甲烷（俗称沼气）是矿井瓦斯的主要成分，因而人们习惯上所说的瓦

斯，通常指甲烷而言。

来源：

（1）煤、岩层涌出（烷烧、环烷烧、芳香煌）；

（2）生产过程中产生（C02>NO2、1等）

（3）井下化学、生物化学反应生成（CO2、H2S>S02）；

（4）放射性元素蜕变过程生成（Rn、He等）

二、矿井瓦斯性质（物理化学性质）

瓦斯是煤矿开采过程中释放出来的无色、无味、无嗅的气体，可燃烧、爆

炸；

分子量：16.049,分子直径：0.41nm）

密度：0.716Kg/m3（气态）、424.5Kg/m3（液态）

相对空气密度：0.554,

难溶入水：101.3KPa,20℃,3.311/1OO1H2O

瓦斯的燃烧、爆炸性是矿井主要灾害之一。

三、CH,的危害及其经济价值

1、危害性（有四大危害）：

（1）可以燃烧，引起矿井火灾；

（2）会爆炸，导致矿毁人亡；

（3）浓度过高时会导致人员缺氧窒息、甚至死亡；

（4）发生煤（岩）与瓦斯突出，摧毁、堵塞巷道，甚至引起人员窒息死亡、

瓦斯爆炸。

2、重要能源

-------->CH4+2。2-------►C02+2H2O+Q

_____>Im3cH4—►37022.2kJ相当于1〜1.5Kg烟煤。是重要的化工原料。

第二节煤层瓦斯赋存与含量

重点：煤层瓦斯压力概念、成因及分布规律，煤层瓦斯含量及影响因素。

难点：煤层瓦斯压力分布及煤层瓦斯含量。

一、瓦斯的成因与赋存

（一）矿井瓦斯的生成

煤层瓦斯是腐植型有机物（植物）在成煤过程中生成的。成气过程两个阶

段一是生物化学成气时期；二是煤化变质作用时期。

古代植物在成煤过程中，经厌氧菌的作用，植物的纤维质分解产生大量瓦

斯；此后，在煤的碳化变质过程中，随着煤的化学成分和结构的变化，继续有

瓦斯不断生成。在全部成煤过程中，每形成一吨烟煤，大约可以伴生600m3以

上的瓦斯。而由长焰煤变质为无烟煤时，每吨煤又可以产生约240m3的瓦斯。

1）生物化学阶段（从植物遗体到泥炭）

隔绝空气

4c6Hl0。5-............>7c乩+8c。2+C9H6。+3H20

（纤维素）微生物

特点：埋藏浅，覆盖层胶结不好，煤层保存气体少。

2）变质阶段（从泥炭到烟煤）

泥炭------►褐煤------A烟煤------>无烟煤

如：4ci6HI805-----------------------►C57H560io+4c（）2+3cH,1+2H2。

（褐煤）

C57H56。10C54H42。5+C（）2+2cHi+3H2。

（褐煤）（烟煤）

C54H42O5

>Cl3H4+2CH,+H,0

（烟煤）（无烟煤）

特点：

（1）碳化过程生成的大量气体。

初期：主要为C02,CH4不多。随着碳化程度的提高，C02减少，CH4增多，

同时生成重燃。

（2）碳化的同时，煤的物质分子式、结构发生变化；

（3）因覆盖层增厚，生成的气体大多得以保存。但煤层瓦斯含量远小于生

成量。

瓦斯减少的原因：

（1）地质构造运动；

（2）运移到适于贮存地点，形成气藏；

（3）溶解于水中（长久地质年代过程中）；

（4）逸散于大气中（从煤层露头）。

3）其它主要气体

>C02

成因：①变质生成。易逸散于大气中，溶解于水，生成碳酸盐，所以，深

部煤层中很少含有co2；

②生物化学作用，浅部生物圈内（微生物生化作用）；

③火山活动，岩浆接触变质，生成大量C02。如：窑街、营城局；

④煤氧化。特别是煤的低温氧化。

>N2

来自大气。与氢的比例与空气一致。

A

.TI-^X100=0.012-0.014

>HeN2

放射性元素蜕变的产物。

（二）瓦斯在煤体内存在的状态

煤体是一种复杂的多孔性固体，包括原生

孔隙和运动形成的大量孔隙和裂隙，形成了很大的自由空间和孔隙表面。

煤层中瓦斯赋存两种状态：

游离状态（图中1）

吸附状态（图中2、3）____________图2-1瓦斯在煤内的存在形态示意图

1-游离瓦斯；2—吸着瓦斯：3—吸收瓦斯：

4一煤体；5-孔隙

吸着状态（图中2）

吸收状态（图中3）.

二、煤层中瓦斯垂直分带

1、形成原因：

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，使煤层内的瓦斯呈现出垂直分带特征。

垂直分为四带:

四带：C02-N2带、弗带、Nz—CA带、C也带。现场实际过程中，将前三带

CO2-N2带

瓦

斯

N2带

垂

直

N2-CH4带分

带

性

CH4带

表2-1煤层内的瓦斯垂直分带

瓦斯成分%

名称气带成因

N2CO2CH4

带生物化学一空气20-8020〜80

co2—N2<10

N2带空气>80<10-20<20

N2YH4带空气一变质20-80<10-2020〜80

CE带变质<20<10>80

*划分的意义：掌握本煤田煤层瓦斯垂直分带的痔卓，是搞好矿井瓦斯涌出量

预测和日常瓦斯管理工作的基础。＜2~3m3/Z

规律：①瓦斯风化带内，涌出量与深度之间无规律性。

②瓦斯风化带内，无突出危险性。

③在CH4带内，X.4sHqCH4sH

备"瓦斯风化带下界深度确定依据二

可以根据下列指标中的任何一项确定。

3.煤层的相对瓦斯涌出量等于2〜3m3/t处；

Wb煤层内的瓦斯组分中甲烷及重燃浓度总和达到80%(体积比工工

工3)煤层内的瓦斯压力为5Mp眼

(4)煤的瓦斯含量达到下列数值处：长焰煤L。〜1.5m3/t(C.MJ，气煤L5〜

2.0m3/t(C.M.),肥煤与焦煤2.0〜2.5m3/t(C.M),瘦煤2.5〜3.0m3/t(C.M,)2贫

煤3.0〜4.0m3/t(C.M.),无烟煤5.0〜7.0m3/t(C.M.)(此处的CM.是指煤中可燃质

既固定碳和挥发分)

三影响煤层瓦斯含量的因素

煤的瓦斯含量是指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），单位为m'/mtcm'/cn?）或m3/t（cm3/g）＜,

煤的瓦斯含量包括游离瓦斯和吸附瓦斯含量之和。

主要影响因素：

1、煤的吸附特性煤的吸附性能决定于煤化程度，一般情况下煤的煤化程

度越高，存储瓦斯的能力越强。

2、.煤层赋存状态煤层如果有或曾经有过露头长时间与大气相通，瓦斯

含量就不会很大。反之，如果煤层没有通达地表的露头，瓦斯难以逸散，它的

含量就较大。

（1）露头

成煤的地质年代中，若有露头长时间与大气相通，瓦斯沿煤层流动，煤层

瓦斯往往沿煤层露头排放，瓦斯含量大为减少。

（2）煤层倾角

*/K垂直行

...煤层倾角愈大，煤层瓦斯含量愈低。

Exp:芙蓉矿，北翼：40°~80°，&“4=2。加〃

南翼：6。~12。，.=15面〃

（3）埋藏深度

在近代开采深度内，CH4带内，XccH,但是如果埋藏深度继续增大,

瓦斯含量增加的速度将要减慢。

煤层的埋藏深度越深，煤层中的瓦斯向地表运移的距离就越长，散失就越困

3、煤层和围岩的透气性

煤层透气性系数是煤层瓦斯流动难易程度的标志。

物理意义：断面为In?的煤体两侧，瓦斯压力平方梯度为lMPa2/m时,

流过的流量恰为InZ/d时的介质透气性。

O=lm3/d

S=lm2

注意：人表示给定气体在给定孔隙介质内的流动特性，对于其它气体必须

根据它们的绝对粘度进行换算。

说明：(D煤层透气性系数相差很大。

(2)与地压的关系。

4、地质构造

是影响煤层瓦斯含量的主要因素之一。

表现：一方面是造成了瓦斯分布的不均衡，另一方面是形成了有利于瓦斯

赋存或有利于瓦斯排放的条件。

(1)褶皱构造

褶皱的类型、封闭情况和复杂程度，对瓦斯赋存均有影响。

当煤层顶板岩石透气性差，且未遭构造破坏时，背斜有利于瓦斯的储存，

是良好的储气构造，背斜轴部的瓦斯会相对聚集，瓦斯含量增大。形成“气顶”。

在向斜盆地构造的矿区，顶板封闭条件良好时，瓦斯沿垂直地层方向运移

是大部分瓦斯仅能沿两翼流向地表。煤包、地垒、地堑都为高瓦斯区。

（2）断层

断层破坏了煤层的连续完整性，使煤层瓦斯运移条件发生变化。有的断层

有利于瓦斯排放，也有的断层对瓦斯排放起阻挡作用，成为逸散的屏障。前者

称开放型断层，后者称封闭型断层。

断层的开放与封闭性决定于下列条件：

a.断层的性质和力学性质。一般张性正断层属开放型，而压性或压扭性逆

断层封闭条件较好。

b.断层与地表或与冲积层的连通情况。规模大且与地表相通或与冲积层相

连的断层一般为开放型。

c.断层将煤层断开后，煤层与断层另一盘接触的岩层性质。若透气性好则

利于瓦斯排放。

d.断层带的特征。断层带的充填情况、紧闭程度、裂隙发育情况等都会影

响到断层的开放或封闭性。

一般地，开放性断层，不论其与地表是否连通，其附近，瓦斯含量低。

煤系岩性组合和煤层围岩性质对煤层瓦斯含量影响很大。如果围岩为致密

完整的低透气性岩层，围岩的透气性差，所以煤层瓦斯含量高，瓦斯压力大。

反之，围岩由厚层中粗砂岩、砾岩或裂隙溶洞发育的石灰岩组成，则煤层瓦斯

含量小。

5、水文地质条件

地下水与瓦斯共存于煤层及围岩之中，其共性是均为流体，运移和赋存都

与煤、岩层的孔隙、裂隙通道有关。由于地下水的运移，一方面驱动着裂隙和

孔隙中瓦斯的运移，另一方面又带动溶解于水中的瓦斯一起流动。

瓦斯在水中的溶解度仅为1〜4%。地下水和瓦斯占有的空间是互补的，这种

相逆的关系，常表现为水大地带瓦斯小，反之亦然。

6、岩浆活动

岩浆活动对瓦斯赋存的影响比较复杂。一方面，在岩浆热变质和接触变质

的影响下，煤的变质程度升高，增大了瓦斯的生成量和对瓦斯的吸附能力。另

一方面，在没有隔气盖层、封闭条件不好的情况下，岩浆的高温作用可以强化

煤层瓦斯排放，使煤层瓦斯含量减小。

所以说，岩浆活动对瓦斯赋存既有生成、保存瓦斯的作用，在某些条件下又

有使瓦斯逸散的可能性。

四、煤层内的瓦斯压力

瓦斯流动动力高低以及瓦斯动力现象的基本参数。

（一）、瓦斯压力的含义

一一煤层孔隙或裂隙内气体分子自由运动撞击所产生的作用力，它在某一

点上各向大小相等，方向与孔隙壁垒垂直。

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。

（二）、煤层瓦斯压力分布的一般规律

1、在未受采动影响煤层内

（1）沿深度（沿煤层倾向）

符合气体状态方程，即：P=f（v-l,t）,

其中：v为孔容，t为煤温。

VHt,V1,竹但不明显

二价t

未受采动影响的煤层内的瓦斯压力，随深度的增加而有规律地增加，可以

大于、等于或小于静水压。

存在:

（8-甲3（“2-J）"

n一一系数，通常取n=l。

存在：

g

IH2-Ht

gp--煤层瓦斯压力梯度，Mpa/mo

根据瓦斯压力梯度可以预测深部煤层瓦斯压力。

预测计算式:

P=gp（HF）+4

式中：尸一预测的甲烷带内深H(m)处的瓦斯压力，MPa

O—瓦斯压力梯度，MPa/m

特例:

P=gp（H—H。）+综

式中：Q一甲烷带上部边界处瓦斯压力，取0.2MPao

如一甲烷带上部边界深度，mo

举例:某矿瓦斯风化带深度为100m,在200m处测得煤层瓦斯压力为0.5MPa,

预测300m处煤层瓦斯压力。

(2)沿走向

在地质条件相近的块段内，相同深度的同一煤层，具有大体相同的瓦斯压

力。

条件:

A）孔隙、裂隙互相连通，形成一个统一的体系；

B）等量的瓦斯处于孔隙容积相同的不同体系内。

C）不等量的瓦斯处于孔隙容积按同比例的不同体系内。

即：X"X/2

实际上，只能“大体相同”，而且可能差别。

2、采动影响区煤层

Vft,Xfl,.•.P发生变化，十分复杂，一般随深度增加瓦斯压力逐渐

增大。

（三”煤层瓦斯压力测定

瓦斯压力测定：打钻、封孔、测压

1、主要设备及仪表

钻机、测定管、压力表。

2、测压步骤

A）打钻

要求：测定地点无大裂隙，不位于破坏带，含水小。

一般由围岩向煤层打穿层钻孔，钻孔直径645~75mll1。

B）封孔

封孔方法分为：

❖固体材料封孔

一般采黄泥作为固体材料。

封孔材料：炮泥、水泥，木楔；封孔器。

>5m

测压室

固体材料封孔测定瓦斯压力示意图

♦水泥砂浆封孔

为了克服粘土封孔费工费时劳动强度较大的缺点，国内外不少矿井采用以

压缩空气为动力，将水泥砂浆压入钻孔的封孔工艺。

适用条件：封孔倾角超过45。、深度大于15m的钻孔。

水泥沙浆配比：500号水泥：砂石：水：铝粉（或石膏）=1：1：1~0.5：

0.0008

测压管检查管

3m

注浆管

胶圈粘液封孔测定瓦斯压力

原理：用膨胀着的胶圈封高压粘液，再由高压粘液封高压瓦斯，由压力表

测定瓦斯压力。

测压管胶圈

(1)测压空间尽可能小；

(2)钻孔打完后，立即封孔，尤其是低透气性煤层；

(3)防止漏气；

(4)足够长的观察时间；

(5)防止地下水的影响，尽可能不穿含水层，必须穿过含水层时，封孔应超

过含水层。

第三节矿井瓦斯涌出

重点：煤层瓦斯流动规律，屎层瓦斯涌出量及主要影响因素。

难点：煤层瓦斯涌出量、普通涌出、特殊涌出。

一、瓦斯涌出量

1“含义瓦斯涌出量是指在矿井建设和生产过程中从煤与岩石内涌出的

瓦斯量，对应于整个矿井的叫矿井瓦斯涌出量，对应于翼、采区或工作面，叫

翼、采区或工作面的瓦斯涌出量。

2、瓦斯涌出量表示方法

1)绝对瓦斯涌出量

单位时间涌出的瓦斯体积，单位为n？/d或m3/min：

2g=QX〃100

式中Qg.—绝对瓦斯涌出量，m3/min；

Q—风量，mVmin；

C—风流中的平均瓦斯浓度，％。

2)相对瓦斯涌出量

平均日产一吨煤同期所涌出的瓦斯量，单位是m3/to

q?=2g/A

式中：qg—相对瓦斯涌出量，nP/t；

3

Qg—绝对瓦斯涌出量，m/d；

Ad—日产量，t/d

说明：

(1)相对瓦斯涌出量单位的表达式虽然与瓦斯含量的相同，但两者的物理

含义是不同的，其数值也是不相等的。

(2)相对涌出量的单位：m3/t,过去采用：m3/(t.d)是不正确的。

3)、瓦斯涌出强度

--单位时间(minord),单位暴露面积(cm20rm?)涌出的瓦斯体积。

323232

单位：m/(d.m),m/(min.m),cm/(min.cm)o

4)、瓦斯涌出形式

--指矿井瓦斯在时间、空间上的分布形式。

(1)普通涌出

--长时间地、均匀地从煤体中涌出瓦斯。

特点：时间上：连续不断

空间上：普遍存在

涌出强度：缓慢、均匀。

(2)特殊涌出

--矿井生产过程中，在某些特定地点、突然地于一段时间内大量涌出瓦斯

的现象。

特点：时间上：突然地、间隔的

空间上：非普遍存在

涌出强度：产生动力破坏。

5)、瓦斯涌出不均匀性

矿井瓦斯涌出在时、空上都是不均匀的。

正常变化：在某一地区瓦斯涌出的周期性变化，

变化幅度斗某一数值。

异常变化：特殊情况的变化（突出、喷出、大冒顶、大气压急剧变化）。

矿井风量计算时一般取平均瓦斯涌出量，为满足周期变化的需要，应考虑

一个系数。kg——瓦斯涌出不均系数。

瓦斯涌出不均系数的含义：

一一某一段时间内，周期性最大瓦斯涌出量与平均瓦斯涌出之比。

矿井瓦斯涌出不均系数表示为：

kg^Qmax/Qa

式中：kg一给定时间内瓦斯涌出不均系数，一般大于1；

Qmax—该时间内的最大瓦斯涌出量，m3/min；

Qa一该时间内的平均瓦斯涌出量，m3/min；

AQ/mOmin

Qmax

t

二、影响瓦斯涌出的因素

决定于自然因素和开采技术因素的综合影响。

（一）自然因素

1、煤层和围岩的瓦斯含量，

它是决定瓦斯涌出量多少的最重要因素。一般地，煤层的瓦斯含量越高，开

采时的瓦斯涌出量也越大。

%%0cx

Exp：焦作中马村矿，q（：H=（1.22~1.76）X

淮南谢二矿C13煤，^cw4=（1.58-1.73）%

2、地面大气压变化。地面大气压变化引起井下大气压的相应变化，它对采

空区（包括回采工作面后部采空区和封闭不严的老空区）或坍冒处瓦斯涌出的

影响比较显著。

美国：1910~1960,1/2的爆炸发生在气压急剧变化时期。

（-）开采技术因素

1*开采规模

（1）矿井达产之前，绝对瓦斯涌出量随着开拓范围的扩大而增加。绝对瓦

斯涌出量大致正比于产量，相对瓦斯涌出量数值偏大而没有意义。

（2）矿井达产阶段后，绝对瓦斯涌出量基本随产量变化并在一个稳定数值

上下波动。对于相对瓦斯涌出量来说，如果矿井涌出的瓦斯主要来源于采落的

煤炭，产量变化时，对绝对瓦斯涌出量的影响虽然比较明显，

但对相对瓦斯涌出量影响却不大，

（3）开采工作逐渐收缩时，绝对瓦斯涌出量又随产量的

时间t

减少而减少，并最终稳定在某一数值，这是由于巷道和采空图9-3-1瓦斯从暴露面

涌出的变化规律

区瓦斯涌出量不受产量减少的影响，这时相对瓦斯涌出量数

值又会因产量低而偏大，再次失去意义。

2、开采顺序与回采方法

首先开采的煤层（或分层）瓦斯涌出量大。采空区丢失煤炭多，回采率低

的采煤方法，采区瓦斯涌出量大。顶板管理采用陷落法比充填法能造成顶板更

大范围的破坏和卸压，临近层瓦斯涌出量就比较大。

3、生产工艺

瓦斯从煤层暴露面（煤壁和钻孔）和采落的煤炭内涌出的特点是，初期瓦

斯涌出的强度大，然后大致按指数函数的关系逐渐衰减。

4、风量变化

矿井风量变化时，瓦斯涌出量和风流中的瓦斯浓度会发生扰动，但很快就

会转变为另一稳定状态。

采区风量增大采区风量减少

5、采区通风系统

采区通风系统对采空区内和回风流中瓦斯浓度分布有重要影响。

进

回

皆

空二1

部分进入

进

空

回

煤

大全部进入

6、采空区的密闭质量

采空区内往往积存着大量高浓度的瓦斯（可达60〜70%）,如果封闭的密闭

墙质量不好，或进、回风侧的通风压差较大，就会造成采空区大量漏风，使矿

井的瓦斯涌出增大。

三、矿井瓦斯涌出来源的分析与分源治理

按划分目的的不同，对矿井瓦斯来源有三种划分方式:

.按水平、翼、采区来进行划分，作为风量分配的依据之一；

.按掘进区、回采区和已采区来划分，它是日常治理瓦斯工作的基础；

.按开采区、临近区划分，它是采煤工作面治理瓦斯工作的基础

一般是将全矿的（或翼的、水平的）瓦斯来源分为回采区（包括回采工作面

的采空区）、掘进区和已采区三部分。其测定方法是同时测定全矿井、各回采区

和各掘进区的绝对瓦斯涌出量。然后分别计算出各回采区、掘进区和已采区三

者各占的比例。测定回采区或掘进区的瓦斯涌出量时，要分别在各区进、回风

流中测瓦斯浓度和通过的风量，回风和进风绝对瓦斯涌出量的差值，即为该区

的绝对瓦斯涌出量。

四、瓦斯涌出不均系数

正常生产过程中，矿井绝对瓦斯涌出量受各种因素的影响其数值是经常变

化的，但在一段时间内只在一个平均值上下波动，峰值与平均值的比值称为瓦

斯涌出不均系数。

矿井瓦斯涌出不均系数表示为:

QmaJQa

式中：I一给定时间内瓦斯涌出不均系数；

Qmax—该时间内的最大瓦斯涌出量，m3/min；

3

Qa一该时间内的平均瓦斯涌出量，m/min;

方法:确定区域，进回风量、瓦斯浓度

确定瓦斯涌出不均系数的方法是：根据需要，在待确定地区（工作面、采区、

翼或全矿）的进、回风流中连续测定一段时间（一个生产循环、一个工作班、

一天、一月或一年）的风量和瓦斯浓度，一般以测定结果中的最大一次瓦斯涌

出量和各次测定的算术平均值代入上式，即为该地区在该时间间隔内的瓦斯涌

出不均系数

五、矿井瓦斯等级及其鉴定

1.矿井瓦斯等级划分

依据：《2009版规程133条》规定：一个矿井中，只要有一个煤（岩）层中发

现过瓦斯，该矿井即定为瓦斯矿井，并依照矿井瓦斯等级的工作制度进行管理,

矿井瓦斯等级按照日产吨煤涌出瓦斯量（相对瓦斯涌出量）和瓦斯涌出形式分

为：

低瓦斯矿井：

ion?及其以下且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于40立方米/分；

高瓦斯矿井：

1。m3以上且矿井绝对瓦斯涌出量大于40立方米/分；~

煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井。.

每年必须对矿井进行瓦斯等级和二氧化碳涌出量的鉴定工作，报省（自治

区、直辖市）煤炭管理部门审批，并报省（自治区、直辖市）煤矿安全监察机

构备案。

新矿井设计文件中，应有各煤层的瓦斯含量资料。

2、矿井瓦斯等级鉴定

（1）鉴定时间和基本条件

矿井瓦斯等级的鉴定工作应在正常生产的条件下进行。一般在七月或八月。

在鉴定月的上、中、下旬中各取一天（间隔10天），分三个班（或四个班）进行

测定工作。所谓正常生产，即被鉴定的矿井、煤层、一翼、水平或采区的回采

产量应达到该地区设计产量的60%o

（2）测点选择和测定内容及要求。

确定矿井瓦斯等级时，是按每一自然矿井、煤层、一翼、水平和各采区分

别计算相对瓦斯涌出量，并取其中最大值（而不是全矿井的平均值）。所以测点

应布置在每一通风系统的主要通风机的风响、各水平、各煤层和各采区的回风

道测风站内。如无测风站，可选取断面规整并无杂物堆积的一段平直巷道作测

点

（3）矿井瓦斯等级的确定。

矿井瓦斯等级以最大的相对瓦斯涌出量和有、无煤与瓦斯突出，按分级标

准确定。并附以必要的文字说明，如产量、采掘比例、地质构造等因素和瓦斯

喷出、煤与瓦斯突出等情况，报上级审批。

正在建设中的矿井，也应进行瓦斯等级的鉴定，如果鉴定结果，特别是在

煤层揭开以后，实际的瓦斯涌出量超过原设计确定的等级时，应提出修改矿井

瓦斯等级的专门报告，报原设计审批单位批准。

六、矿井瓦斯涌出量预测

瓦斯涌出量的预测：指根据某些已知相关数据，按照一定的方法和规律，

预先估算出矿井或局部区域瓦斯涌出量的工作。

瓦斯涌出量的预测的方法：

XI)统让法

A、应斯涌出量梯度:深度与相对涌出量的比值

B、物理含义：它的物理含义为相对瓦斯涌出量每增加ln?/t时，开采深度

增加的米数，其单位为瓦斯涌出量梯度愈小，矿井瓦斯涌出量随深度

增加的速度愈快。

Ci计算

gg=[(%-小)/(勿0)]”

式中:一瓦斯涌出量梯度，m/(m3/t)或t/n?；

出、区一甲烷带内的两个已采深度，m；

0、%—对应于同、区深度的相对瓦斯涌出量，m3/t；

n—指数系数，大多数煤田在垂深1000m内时〃=1。

已知瓦斯涌出量梯度和瓦斯风化带下界深度时，就可用下式预测相对瓦斯涌

出量。qm=qn+(H-Ho)/gm

3

式中：qm—预测的深"(m)处的相对瓦斯涌出量，m/t；

"o—瓦斯风化带下界深度，m；

g„,—瓦斯涌出量增深率，(m.t)/!!?

qo、qi—瓦斯风化带下界或M处的相对瓦斯涌出量，qo=2m%；

例如，利用公式来预测抚顺龙凤矿深500m处的瓦斯涌出量：

3

qm=qmi+(H-H])/gm=330.0+(500.0-410.0)710.9=41.2m/t

统计法预测瓦斯涌出量时，必须注意以下两点：

1）此法只适用于瓦斯带以下已回采了1〜2个水平的矿井，而且外推深度不

得超过100-200m,煤层倾角和瓦斯涌出量梯度值越小，外推深度也应越小，否

则误差可能很大。

2）积累的瓦斯涌出量资料，至少要有一年以上，而且积累的资料愈多、

精度愈高，已采水平（或区域）的瓦斯地质情况和开采技术条件与新设计水平

（或区域）愈相似，预测的可靠性也愈高。否则，应根据有关资料进行相应的

修正，或按相似程度进行分区预测。

（2）计算法

以煤层瓦斯含量为基础进行计算。

瓦斯含量法

瓦斯含量法又称分源预测法。这种方法以煤层瓦斯含量为矿井瓦斯涌出量

预测的主要依据，故称瓦斯含量法。

世界上一些主要产煤国家如英国、前西德、法国、波兰、前苏联等，开始

进行煤层瓦斯含量法预测矿井瓦斯涌出量的研究，提出了各自的计算公式。

原理：采区相对瓦斯涌出量等于平均每采一吨煤各瓦斯涌出分量之和。

每一分钟涌出量为：q=处1%）。

,版°'100

式中：mi/ml一一瓦斯涌出源所在煤层厚度与采高之比;

xO一一瓦斯涌出源所在煤层原始瓦斯含量；

xl一一运到地面煤的残余瓦斯含量；

Ci一一i个瓦斯涌出源的瓦斯涌出率。

矿井瓦斯涌出来源：

矿井瓦斯涌出可分为七个基本涌出源（如下图所示）。

矿井瓦斯涌出来源图

第四节瓦斯爆炸及其预防

一、概述

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。

危害：

＞一种极其严重的灾害，一旦发生，不仅造成大量人员伤亡，而且还会严

重摧毁矿井设施、中断生产。

＞可能引起煤尘爆炸、矿井火灾、井巷垮塌和顶板冒落等二次灾害，使生

产难以在短期内恢复。

世界上最大一次瓦斯爆炸：

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人死亡伤：146人。

2000年贵州木冲沟''9T1"162

2004年河南大平''1020”148

2004年陕西陈家山''11.28”166

2005年辽宁孙家湾''2•14〃214

发展趋势：

＞随着开采深度增加，瓦斯涌出量增大，发生爆炸的可能性增大；

＞机械化程度的提高，火源点增多，摩擦火花增多；

＞导致伤亡的爆炸事故仍然不少，未杜绝；

＞后果严重性没什么改变；

＞多数事故是人为的、组织管理上的缺陷；

＞爆炸次数与矿井瓦斯涌出量之间无必然联系，1/3的爆炸发生在低瓦斯矿

井。

，预防矿井瓦斯爆炸是一项重大的任务，研究和掌握瓦斯爆炸的防治技术，对

煤矿安全生产具有重要意义。

二'瓦斯爆炸及作用机理

爆炸：气体快速扩展的结果。

发生原因：物理变化、化学变化

瓦斯爆炸：一定浓度的甲烷和空气中的氧气在高温热源的作用下发生激烈

氧化反应的过程。

最终反应式：CH4+2O2-^CO2+2H2O+8826KJ/mol

79

或C”4+2（a+五M）fCO2+2%O+7.52N2+882.6KJ/mol

V1体积CH4与2体积02完全反应（即2X（1+79/21）=9.52体积）。

此时，混合气体中仁”』=看豆*100%=9.5%

因此，理论上瓦斯浓度为9.5%瓦斯爆炸最猛烈。

链反应

参与反应的物质（CH4、02）在一定能量作用下，产生链载体（活化中心，

即：自由基、原子、原子团），它们化学活性很大，与体系中的稳定分子进行反

应成为反应中心，产生新的载体or稳定的化合物，新的载体又迅速参与反应，

如此延续下去形成一系列的连续反应。

1、基本特点：

（1）链反应

「直链反应—►—►……—►燃烧

L支链反应

爆炸

（2）链反应有一个感应期。一个激发能量产生载体的过程

（3）只要载体不消失，反应就一直进行下去。

（4）链反应开始产生载体较困难，故反应开始进行迟缓。

（5）周围环境对链反应产生较大影响。

2、链反应过程

1）、链引发

链反应产生载体的过程，即稳定分子分解产生自由基的过程（分子内原子

间化学键断裂）。此过程需要相当大的能量，即反应水活化能。约800~1600

KJ/molo

如：C%7仁旧］*

能量来源有：

＞热引发一一火源；

＞高能引发一一光照射、光电、激光、a-、8-、丫-等。

＞化学能；

＞复相引发（固体表面结构缺陷，引发稳定分子产生自由基）。

2）、链传递

最活跃的过程，旧载体消亡，新载体产生。

A+BC—＞C

3）、链分解

自由基增加，反应速度剧增，形成爆炸。

如：

CH2O+O2HO2+HCO

4）、链终止

链载体消失的过程。

链终止分类：

（1）重结合反应

如：乙基的重结合2G方

（2）歧化反应

如：乙基的歧化反应2G%fG”4+G”6

（3）阻化剂的作用

阻化剂易于链体反应生成较稳定自由基分子等。

阻化过程：X+T^XT

3、瓦斯爆炸的传播及其后果

1）爆炸分类

爆炸：物质从一种状态迅速变成另一种状态，并在瞬间放出大量能量的同

时，产生巨大声响的现象。

（1）＞根据反应后的产物分为：

物理爆炸一物理变化引起，物质因状态or压力发生突然变化而形成。

特点：爆炸前后物理性质、化学成份均不改变。

如：锅炉爆炸、气体超压爆炸。

8一一物质发生迅速的化学反应，产生高温、高压而引起的爆炸。

特点：爆炸前后物理性质、化学成份均发生改变。

如：瓦斯爆炸、放炮、液化气爆炸。

（2）、根据爆炸传播速度分为：

爆燃：v=数十cm〜几m/s

爆炸：v=几01〜几百m/s

爆轰：v=声速〜数千m/s

4、瓦斯爆炸传播过程

1）、爆燃和爆炸的传播过程

烷空气体——甲烷与空气混合物。

燃烧速度一一火焰面相对于未燃烷空气体的传播速度。

爆炸过程：

a）可爆炸甲烷浓度的烷空气体中出现点火燃，形成最初火焰--一爆源。

b）爆源传入未燃的烷空气体处的初始温度为TO；在预热带内将烷空气体预

热到Ti,并进行放热的化学反应，形成反应带；反应带结束处达到的温

度为Tbo

c）燃烧带在传播过程中,燃烧带和未燃烷空气体和燃烧产物之间进行热量和

质量交换。

d）已燃气体膨胀（约5〜15倍），形成燃气活塞，经过反复加热、加压，使

火焰速度加快，波速加快。

e）形成激波,该波足够强以致依靠本身的压缩温度就能点燃烷空气体形成爆

轰。

2）、反向冲击

形成原因：

（1）爆炸发生时，爆源附近的气体向外冲出；

（2）反应产物生成的水蒸气凝结成液态体积缩小；

（3）爆源附近形成负压区。

特点：(1)冲击能量小;

(2)可能引起二次爆炸；

(3)由于是二次破坏，破坏后果严重。

5、瓦斯爆炸的危害

矿内瓦斯爆炸的有害因素是，高温、冲击波和有害气体。

焰面是巷道中运动着的化学反应区和高温气体，其速度大、温度高。从正

常的燃烧速度(1〜2.5m/s)到爆轰式传播速度(2500m/s)。焰面温度可高达2150〜

2650℃0焰面经过之处，人被烧死或大面积烧伤，可燃物被点燃而发生火灾。

冲击波锋面压力由几个大气压到20大气压，前向冲击波叠加和反射时可达

100大气压。其传播速度总是大于声速，所到之处造成人员伤亡，设备和通风设

施损坏，巷道垮塌。

瓦斯爆炸后生成大量有害气体，某些煤矿分析爆炸后的气体成份为02：

6%〜10%,N2：82%〜88%,CO2：4%〜8%,CO：2%〜4%。如果有煤尘参

与爆炸，CO的生成量更大，往往成为人员大量伤亡的主要原因。主要危害有：

IX火焰锋面一一瓦斯爆炸时沿巷道运动的化学反应带和燃烧带的总称。

特点：

(1)传播速度几m/s〜2500m/s；

(2)温度大于1000℃；

(3)传播距离几十!!!〜几百mo

危害：

(1)造成人员大面积皮肤深度烧伤，呼吸器官粘膜烫伤；

(2)破坏电气设备；

(3)引燃井巷可燃物。

2)、冲击波

在瓦斯爆炸过程中，由于能力突然释放即会产生冲击波，它是由压力波发

展而成的。正向冲击波传播时，其压力一般为10kPa〜2MPa,但其遇叠加或反

射时，常常可形成高达lOMPa的压力。冲击波的传播速度高于音速(340m/s)o

正向冲击波：波峰压力几十kP〜2Mpa。

反向冲击波：压力波叠加，压力高达lOMPa,

冲击波传播速度《音速。

传播距离几千m,甚至波及地面。

危害：

冲击波通过时会对人体造成危害，多数情况下，这些创伤具有综合（创伤、

烧伤等）多样的特点。

冲击波前沿剩余压力对人的作用特点如下：

0.003~0.01MPa:无仓伤

0.011~0.02MPa:头昏、轻伤

0.04MPa：中度创伤：震伤、失去知觉、骨折

0.06MPa：重伤：内脏受伤，严重脑震荡、骨折

0.3MPa；有较大死亡可能性（75%）

0.4MPa：死亡率为100%

冲击波前沿剩余压力对物体或巷道的作用特点如下：

移动和破坏设备，可能发生二次着火；破坏支架、顶板冒落、垮塌岩石堆积

物导致通风系统破坏，使救灾复杂化。

0.011~0.02MPa：支架部分破坏，密闭被破坏（密闭不稳定时）

0.021~0.06MPa：木支架相当程度被破坏，金属支架移动，混凝土整体支

护发生片状脱落。

0.061〜0.3MPa：木支架完全破坏，金属支架部分破坏，发殖巷道出现裂隙,

片况脱落，铁轨变形，枕木脱开，小于1吨的设备整体破坏、变形、位移，大于

1吨设备翻倒、位移、部分变形。

0.31~0.65MPa：金属支架巷道全长全面破坏，形成密实堆积物，整体钢筋

混凝土支架部分破坏，混凝土整体遭破坏，设备和设施完全破坏。

0.66〜1.17MPa：混凝土支架完全破坏，形成密实堆积物，整体钢筋混凝土

支架相当大破坏，可能形成冒落拱。

3）、高温灼热

在瓦斯浓度为9.5%条件下，爆炸时的瞬时温度在自由空间内可达1850C；

在封闭空间内最高可达2650C。井下巷道呈半封闭状态，其爆温将在1850C与

2650C之间。这样高的火焰温度，很短时间内足以灼伤人的皮肤和肌肉、损伤人

的器官，点爆煤尘，点燃坑木。

在煤炭科学研究总院重庆分院爆炸试验基地进行的瓦斯爆炸损伤试验研究

表明，瓦斯爆炸的高温灼热严重损伤呼吸系统，可造成10%试验大白鼠死亡(48

小时内)。

4)、井巷大气成分变化

由瓦斯爆炸反应，我们知道，由于瓦斯浓度和氧气浓度的不同，使得爆炸

产生的有毒气体CO和CO2的浓度差异很大，特别是由于瓦斯爆炸破坏了通风

系统，使爆炸后的有毒气体CO和CO2不易扩散和稀释。从以往事故分析看：

爆炸后的有毒有害气体的中毒是造成人死亡的主要原因，占死亡总数的70〜

80%o

特点：

(1)大幅度下降；

(2)产生大量有毒、有害气体(C02>CO、H20)；

(3)形成爆炸性气体(C0)；

(4)影响范围极远，与通风系统、通风量及爆炸时对通风系统的破坏情况

等有关。

危害：

(1)引起人员中毒和死亡；

(2)造成人员窒息死亡；

(3)造成后果严重。

瓦斯爆炸最终气体产物表

矿井空气成分爆炸下限时最佳爆炸浓度爆炸上限时

。26%2%

CO

微量12%

co

2微量9%微量

水蒸气小于10%小于10%小于4%

H

2微量12%

从人身安全考虑，各国对工作场所的co允许浓度都有明确的规定如下表:

各国co允许浓度

国别CO允许浓度值

中国（煤矿安全规程）24ppm(0.03mg/L)

中国（工业厂房）24ppm

前苏联18ppm(0.02mg/L)

英国50ppm

日本50ppm

德国50ppm

美国50ppm

CO对人的危害是由于人体内的血红蛋白（Hb）通过肺与CO结合生成碳

氧血红蛋白（co-Hb）,妨碍了Hb向体内运送氧的功能，因而使人的体内

缺氧。CO与Hb的结合力比02与Hb的结合力强210〜300倍。CO—Hb的

浓度达到50〜60%时，人就会产生痉挛、昏睡、假死。

人对CO的耐受程度是随浓度增加和随时间的延长而减弱，具体如下表所

Zj\O

人对co的耐受程度

CO浓度耐受程度

Vol%PPmMg/L

0.011000.11可耐受2—3h

0.04-0.05400〜5000.46—0.6在lh内无明显作用

0.06-0.07600—7000.7-0.8lh后才有作用

0.1—0.121000—12001.1-1.4lh内有不快感

0.15-0.221500〜22001.7-2.3lh内有生命危险

>0.440004.0lh内致死

同样，各国对工作场所的CO2允许浓度都有明确的规定，下表为各国CO2

允许浓度。

各国CO2允许浓度值

国别CO会许浓庶值

中国5000DDm

英国SOOODDIII

日本1%

德国5000DDITI

美国5000DDm

CO2对人的伤害机理与co相仿。人对CO2的耐受程度如下：

当CO2浓度达2.5%(45mg/L)时，在lh内不呈现任何中毒症状；

达到3%时才加深呼吸；

达到4%(72mg/L)时，才略呈局部刺激，有头痛感、耳鸣、心悸、血压

升高、眩晕等;

达到6%时，症状更加明显；

达到8%时，呼吸变得十分困难；

达到8〜10%时，立即发生意志昏沉、痉挛、虚脱，进而停止呼吸，以致死

亡；

达到20%时，数秒内立即引起中枢神经障碍，生命陷于危险状态。

三瓦斯爆炸的条件及其影响因素

瓦斯爆炸必须同时具备三个条件：即一定浓度的瓦斯；一定温度的引燃火

源和足够的氧含量，三者缺一不可。

（一）、爆炸界限及其主要影响因素

爆炸界限「--在正常的大气环境中，可燃气体与空气或氧气混合，遇火源

可以爆炸的极限浓度。

最低浓度一--爆炸下限；

最高浓度一--爆炸上限。

如：C出在空气中的爆炸下限为5〜6%,上限为14〜16%。

CcH4<5%时,发生燃烧。

CC»4>15%时，新鲜空气界面处燃烧。

CcH4=9.5%时，爆炸最剧烈。

CcH4=7〜8%时，爆炸最容易。

爆炸界限受多种因素影响，主要有以下几个方面：

1、环境温度

什->甲烷的爆炸下限下降、上限上升。即爆炸界限扩大。

2、气压

爆炸初始时环境的气压对烷空气体的爆炸界限有很大的影响,

pt，下限变化很小，上限上升。

常温下，CH.的爆炸界限与混合气体中氧浓度的关系，呈三角形，人们称为

“爆炸三角形”。（教材28页）大量实验表明，瓦斯爆炸界限随混合气体中氧

浓度的降低而缩小。当氧浓度降低时，瓦斯爆炸下限缓慢地增高，如图中的BE

线所示，爆炸上限则迅速下降，如图中的CE线所示。氧浓度降低到12%时，

瓦斯混合气体即失去爆炸性，遇火也不会爆炸。

《煤矿安全规程》规定，井下工作地点的氧浓度不得低于20%,上述关系

似乎没有什么实际意义，但在密封区特别是火区内情况却不同，其中往往积聚

大量瓦斯，且有火源存在，只有氧浓度很低时，才不会发生爆炸；一旦重开火

区或火区封闭不严而大量漏风，新鲜空气不断流入，氧浓度达到12%以上，就

可能发生爆炸。

综上所述，在新鲜空气中，瓦斯浓度为5〜16%,在遇到650〜750C以上的

火源才会爆炸。但是这些数值受很多因素的影响，而在较大范围内变化，加上

矿井通风和瓦斯涌出的不稳定性，所以《规程》中对井下各地点的瓦斯浓度与

可能产生的火源都作了严格限制，以防爆炸事故的发生。这是十分必要的，必

须认真执行。

从试验中得到了瓦斯一空气混合气体爆炸极限与氧浓度的关系，如下图所

ZjSo

BE一—爆炸下限

CE-----爆炸上限

CH爆炸下限B(5,19.89)

氧爆炸上限C(15,17.79)

气E—爆炸临界点。

浓