二、煤矿瓦斯及其防治技术

　　(一)瓦斯性质及瓦斯参数测定

　　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。

　　2.煤层瓦斯赋存状态

　　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%。

　　3.煤层瓦斯含量及测定

　　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。

　　煤层瓦斯含量测定方法目前主要有地勘钻孔测定法，实验室间接测定法和井下快速直接测定法3种。

　　4.煤层瓦斯压力及测定方法

　　煤层瓦斯压力是存在于煤层孔隙中的游离瓦斯分子热运动对煤壁所表现的作用力。煤层瓦斯压力是用间接法计算瓦斯含量的基础参数，也是衡量煤层瓦斯突出危险性的重要指标。测定方法主要有直接测定法和间接测压法。

　　(二)矿井瓦斯涌出及瓦斯等级

　　1.矿井瓦斯涌出的形式

　　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。

　　2.矿井瓦斯涌出量及主要因素

　　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。

　　3.矿井瓦斯等级及其鉴定

　　《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。

　　(三)瓦斯喷出及预防

　　1.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。

　　2.瓦斯喷出的预防

　　(1)加强矿井地质工作，摸清采掘地区的地质构造情况;

　　(2)在可能发生喷出的地区掘进巷道时，打前探钻孔或抽排钻孔;

　　(3)加大喷出危险区域的风量;

　　(4)将喷出的瓦斯直接引入回风巷或抽放瓦斯管路;

　　(5)掌握喷出的预兆，及时撤离工作人员，并配备自救器，安设压气自救系统;

　　(6)掌握矿压规律，避免矿压集中，及时处理顶板，以防大面积突然卸压造成瓦斯喷出。

　　(四)煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出及预防

　　煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出是指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。

　　煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出的机理有许多种假设，但基本公认的是综合假说，即：煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出是由地应力、瓦斯和煤的物理力学性质三者综合作用的结果。

　　1.煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出的一般规律

　　(1)突出危险性随采掘深度的增加而增加;

　　(2)突出危险性随煤层厚度的增加而增加，尤其是软分层厚度;

　　(3)石门揭煤工作面平均突出强度最大，煤巷掘进工作面突出次数最多，爆破作业最易引发突出、采煤工作面突出防治技术难度最大;

　　(4)突出多数发生在构造带、煤层遭受严重破坏的地带、煤层产状发生显著变化的地带、煤层硬度系数小于0.5的软煤层中;

　　(5)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;

　　(6)突出按动力源作用特征可分为3种类型：突出、压出和倾出;按突出物分类可分为4种类型：煤与瓦斯突出、煤与二氧化碳突出、岩石与瓦斯突出、岩石与二氧化碳突出。

　　2.煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出预测

　　我国煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出预测分为区域性预测和工作面预测两类。

　　(1)区域性预测。区域性预测的任务是确定井田、煤层和煤层区域的危险性，在地质勘探、新井建设和新水平开拓时进行。区域性预测主要有如下几种方法：

　　①单项指标法。采用煤的破坏类型、瓦斯放散初速度、煤的坚固性系数和煤层瓦斯压力作为预测指标，各种指标的突出危险临界值应根据实测资料确定。

　　②按照煤的变质程度。煤层的突出危险程度与其挥发分之间是密切相关的：在烟煤的挥发分大于35%和无烟煤的比电阻的对数值小于3.3时，没有突出危险;而挥发分在18%～22%时突出危险最高。

　　③地质统计法。根据已开采区域突出点分布与地质构造的关系，然后结合未采区域的地质构造条件来大致预测发生突出可能发生的范围。

　　(2)日常预测。日常预测也称工作面预测，其任务是确定工作面附近煤体的突出危险性，即该工作面继续向前推进时有无突出危险。

　　1)石门揭煤突出危险性预测。石门揭煤突出危险性预测的方法主要有：

　　①综合指标法。在石门向煤层至少打2个测压孔，测定煤层瓦斯压力，并在打钻过程中采样，测定煤的坚固性系数和瓦斯放散初速度，按综合指标进行预测。

　　②钻屑指标法。在距煤层最小垂距3～5m时至少向煤层打2个预测钻孔，用1—3mm的筛子冲洗液中的钻屑，测定其瓦斯解吸指标。钻屑瓦斯解吸指标的临界值应根据现场实测数据确定。

　　③钻孔瓦斯涌出初速度结合瓦斯涌出衰减系数。当石门距煤层3m以外时，至少打2个穿透煤层全厚的预测钻孔，打钻结束后马上用充气式胶囊封孔器封孔，充气压力0.5MPa。打钻结束到开始测量的时间不应超过5min。封孔后先测第1min的瓦斯涌出初速度，第2min测定解吸瓦斯压力，如果瓦斯涌出初速度超过预定的工作指标，还须测定第5min的钻孔涌出速度，以便算出瓦斯涌出衰减系数。

　　2)煤巷突出危险性预测。煤巷突出危险性预测的方法主要有：

　　①钻孔瓦斯涌出初速度法。在距巷道两帮0.5m处，各打一个平行于巷道掘进方向的钻孔，用充气式胶囊封孔器封孔，测定钻孔瓦斯涌出初速度，从打钻结束到开始测量的时间不应超过2min。

　　②钻屑指标法。在工作面打2个或3个钻孔。钻孔每打1m测定一次钻屑量，每打2m测一次钻屑解吸指标。根据每个钻孔沿孔深每米的最大钻屑量和钻屑解吸指标预测工作面突出危险性。

　　3.防治煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出的措施

　　(1)防治突出的技术措施。防治突出的技术措施主要分为区域性措施和局部性措施两大类。区域性措施是针对大面积范围消除突出危险性的措施，局部性措施主要在采掘工作面执行，针对采掘工作面前方煤岩体一定范围消除突出危险性的措施。目前区域性措施主要有3种，即预留开采保护层、大面积瓦斯预抽放、控制预裂爆破;局部性措施有许多种，如卸压排放钻孔、深孔或浅孔松动爆破、卸压槽、固化剂、水力冲孔等。

　　(2)“四位一体”综合防治突出措施。所谓“四位一体”综合防治突出措施，就是说首先应对开采煤层及其对开采煤层构成影响的邻近煤层进行突出危险性预测。对确认的突出危险区域，应采取区域性防治突出技术措施，对确认的突出危险工作面，必须采取防治突出技术措施。在采取防治突出技术措施后，必须对防治突出技术措施和消除突出危险性的效果进行检验，如果检验有效，在采取安全防护措施的前提下进行采掘作业;如果检验无效，必须补充防治突出技术措施，直至再次检验为有效时方可在采取安全防护措施前提下进行采掘作业。否则，必须继续补充技术措施。

　　(3)安全防护措施。安全防护措施是控制突出危害程度的措施，也就是说即使发生突出，也要使突出强度降低，对现场人员进行保护不致危及人身安全。如震动性放炮、远距离放炮、反向防突风门、压风自救器、个体自救器等。

　　(五)瓦斯爆炸及预防

　　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。

　　1.瓦斯爆炸的条件

　　引起瓦斯燃烧与爆炸必须具备3个条件：一定浓度的甲烷、一定温度的引火源和足够的氧气。

　　2.预防瓦斯爆炸技术措施

　　预防瓦斯爆炸技术措施包括4个方面：

　　(1)防止瓦斯积聚和超限;

　　(2)严格执行瓦斯检查制度;

　　(3)防止瓦斯引燃的措施;

　　(4)防止瓦斯爆炸灾害扩大的措施。

　　(六)矿井瓦斯抽放

　　1.瓦斯抽放方法

　　瓦斯抽放系统主要由瓦斯抽放泵、瓦斯抽放管路(带阀门)、瓦斯抽放钻孔或巷道、钻孔或巷道密封等组成。

　　根据抽放瓦斯的来源，瓦斯抽放可以分为：本煤层瓦斯预抽、邻近层瓦斯抽放、采空区瓦斯抽放以及几种方法的综合抽放。

　　2.瓦斯抽放指标

　　(1)反映瓦斯抽放难易程度的指标：煤层透气性系数、钻孔瓦斯流量衰减系数、百米钻孔瓦斯涌出量。

　　(2)反映瓦斯抽放效果的指标：瓦斯抽放量、瓦斯抽放率。

　　3.瓦斯抽放主要设备设施

　　(1)瓦斯抽放泵。瓦斯抽放泵是进行瓦斯抽放最主要的设备。

　　(2)瓦斯抽放管路。瓦斯抽放管路是进行瓦斯抽放必备也是使用量最大的材料。

　　(3)瓦斯抽放施工用钻机。绝大多数的瓦斯抽放工程都需要利用钻孔进行瓦斯抽放，因此，钻机是进行瓦斯抽放的矿井使用最多的设备。

　　(4)瓦斯抽放参数测定仪表。煤矿瓦斯流量测定仪表主要有孔板流量计、均速管流量计、皮托管、涡街流量计等。

　　(5)瓦斯抽放钻孔的密封。封孔是确保抽放效果的重要环节，采用先进的封孔技术和加强封孔的日常施工管理，是提高封孔质量的主要途径。

　　(七)瓦斯检测

　　瓦斯检测实际上是指甲烷检测，主要检测甲烷在空气中的体积浓度。使用便携式瓦斯检测报警仪，可随时检测作业场所的瓦斯浓度，也可使用瓦斯传感器连续实时地监测瓦斯浓度。

　　煤矿常用的瓦斯检测仪器，按检测原理分类有：光学式、催化燃烧式、热导式、气敏半导体式等等，可以根据使用场所、测量范围和测量精度等要求，选择不同检测原理的瓦斯检测仪器。

　　①光干涉瓦斯检定器。光干涉瓦斯检定器主要用于检测甲烷和二氧化碳，检测范围为0～10%、0—40%和0—100%。

　　②热催化瓦斯检测报警仪。热催化瓦斯检测报警仪主要检测低浓度甲烷，检测范围0—5%。

　　③智能式瓦斯检测记录仪，主要检测甲烷浓度，以单片机为核心，以载体催化元件及热导元件为敏感元件，用载体催化元件检测低浓度甲烷、热导元件检测高浓度甲烷，实现0～99%CH4的全量程测量，并能自动修正误差。

　　④瓦斯、氧气双参数检测仪。瓦斯、氧气双参数检测仪装有检测甲烷和氧气两种敏感元件，同时连续检测甲烷和氧气浓度。最新研制出四参数检测仪，同时测定甲烷、氧气、一氧化碳和温度，一氧化碳测量范围：0—0.0999%，甲烷测量范围：0～4%，氧气检测范围：0—25%，温度检测范围：0—40℃。

　　⑤瓦斯报警矿灯，在矿灯上附加一瓦斯报警电路，即为瓦斯报警矿灯。仪器以矿灯蓄电池为电源，具有照明和瓦斯超限报警两种功能。现有数十种不同结构形式的产品，从报警电路的部位看，早期产品将电路装于蓄电池内，近期产品则将电路置于头灯或矿帽上。有的装在矿帽前方，有的装在矿帽后部，还有装在矿帽两侧的。一氧化碳检测报警仪，能连续或点测作业环境的一氧化碳浓度，仪器开机即可检测，检测范围：0～0.2%。

　　(八)瓦斯、煤尘爆炸事故的救护及处理

　　1. 瓦斯煤尘爆炸事故

　　发生瓦斯煤尘爆炸事故时，矿山救护队的主要任务是：

　　(1)抢救遇险人员;

　　(2)对充满爆炸烟气的巷道恢复通风;

　　(3)抢救人员时清理堵塞物;

　　(4)扑灭因爆炸而产生的火灾。

　　首先到达事故矿井的小队应对灾区进行全面侦察，查清遇险遇难人员数量、地点、倒地方向和姿势，遇险遇难人员伤害类型、部位和程度，并进行现场描述，发现幸存者立即佩戴自救器救出灾区，发现火源要立即扑灭。

　　2.煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出事故的救护及处理

　　1.一般原则

　　发生煤与瓦斯突出事故时，矿山救护队的主要任务是抢救人员和对充满瓦斯的巷道进行通风。

　　救护队进入灾区侦察时，应查清遇险遇难人员数量、地点、倒地方向和姿势，遇险遇难人员伤害类型、部位和程度，并进行现场描述。

　　2.抢救遇险人员方法

　　采掘工作面发生煤与瓦斯突出事故后，首先到达事故矿井的矿山救护队，应派1个小队从回风倒，另1个小队从进风侧进入事故地点救人。仅有1个小队时.如突出事故发生在采煤工作面，应从回风侧进入救人。救护队进入灾区前，应携带足够数量的隔绝式自救器或全面罩氧气呼吸器，以供遇险人员佩戴。侦察中发现遇险人员应及时抢救，为其佩戴隔绝式自救器或全面罩氧气呼吸器，引导出灾区。对于被突出煤炭堵在里面的人员，应利用压风管路、打钻等输送新鲜空气救人，并组织力量清除阻塞物。如不易清除，可开掘绕道，救出人员。

　　3.救护措施

　　(1)发生煤与瓦斯突出事故，不得停风和反风，防止风流紊乱扩大灾情。如果通风系统及设施被破坏，应设置风障、临时风门及安装局部通风机恢复通风。

　　(2)发生煤与瓦斯突出事故时，要根据井下实际情况决定是否停电。如不会因停电造成被水淹的危险，应远距离切断灾区电源;否则应加强通风，特别要加强电气设备处的通风，做到运行的设备不停电，停运的设备不送电，防止产生火花，引起爆炸。

　　(3)瓦斯突出引起火灾时，要采用综合灭火或惰气灭火。

　　(4)小队在处理突出事故时，检查矿灯，要设专人定时定点用100%瓦斯测定器检查瓦斯浓度，设立安全岗哨。

　　(5)处理岩石与二氧化碳突出事故时，除严格执行处理煤与瓦斯突出事故各项规定外，还必须对灾区加大风量，迅速抢救遇险人员。矿山救护队进入灾区时，要戴好防护眼镜。

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