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1、1,矿井瓦斯防治理论与技术,主讲人:李希建 贵州大学矿业学院,2,1 概述2 矿井瓦斯的生成及赋存3 矿井瓦斯涌出4 矿井瓦斯的喷出及预防5 煤和瓦斯突出及其预防6 矿井瓦斯爆炸及其预防7 矿井瓦斯检测及监测8 矿井瓦斯抽放,主要内容,3,1 概述,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。,4,1.2 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
2、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：50.17 MJ/kg热导率：0.0306W/m（在20时0.0328 W/m）；动力粘度：（10.26+0.0305t）10.6Pas（温度t0100C）；,5,2 矿井瓦斯的生成及赋存,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H2
3、O。,6,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。,7,2.2 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。,8,2、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”、
4、“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。,9,表1 煤层瓦斯垂直分带及各带气体成分,10,3、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,11,4、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
5、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。,12,5、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,13,3）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
6、数,14,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。,15,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
7、瓦斯占530%。,16,3 矿井瓦斯涌出,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,17,1）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
8、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。,18,2、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（1m）和微孔（0.1m）内的运移主要为扩散运动，瓦斯在浓度梯度驱动下从高浓度向的浓度的方向运移，可以用菲克定律描述：ux在x方向上的扩散流的速度（m/s）D扩散系数（m2/s但更多用的是cm2/s）c特定气体的浓度（m3/m3煤）,19,2）渗透流动瓦斯在中孔（1m）以上的孔隙或裂隙中的运移，可能有两种形式：层流和紊流层流：层流又可以分为线性层流和非线性层流线性层流：Re100，惯性力占优势，流动阻力与流速
9、的平方成正比。,20,达西定律：流体的流速与其压力梯度成正比，即 u瓦斯流速（m/s）k渗透率（m2）动态粘滞度（Pam）气压梯度（Pa/m）,21,3.2 瓦斯涌出量及主要影响因素矿井瓦斯涌出量是指在矿井生产建设过程中涌进巷道或管道的瓦斯量。其表达的方法有两种：绝对瓦斯涌出量单位时间内涌入巷道的瓦斯量，以体积表示，单位为m3/min 或m3/d；相对瓦斯涌出量每采一吨煤平均涌出的瓦斯量，单位是m3/t。,22,绝对瓦斯涌出量与相对瓦斯涌出量之间的关系为：qe相对瓦斯涌出量，m3/t；qa绝对瓦斯涌出量，m3/d；A单位时间内采掘地区的产煤量，t/d。,23,影响瓦斯涌出量的因素主要有：1)煤
10、层和围岩的瓦斯含量 在甲烷带内，开采越深、规模越大，绝对、相对瓦斯涌出量越高。2)开采顺序与回采方法 先开采的煤层或分层，其相对瓦斯涌出量大，后开采的瓦斯涌出量小。瓦斯工作面开始回采初期瓦斯涌出量小，当顶板第一次冒落以后，由于围岩及邻近层的瓦斯涌入开采层，所以涌出量增加。,24,3)生产工艺过程从暴露面采落煤炭和钻孔涌出的瓦斯量，一般都是随着时间的增长而逐渐下降。所以，落煤时瓦斯涌出量总是大于其它工序，老顶来压冒落时涌出量高于其它时期。落煤时瓦斯涌出量与煤的瓦斯含量、落煤速度、煤的粉碎程度等有关。风镐落煤时，瓦斯涌出量可增大1.11.3倍，打眼放炮时1.42.0倍，采煤机采煤时，1.31.6倍
11、，水枪落煤时，24倍等，其增加的倍数与工作面瓦斯来源的构成有关。开采单一中厚煤层，落煤时增加的倍数比开采有邻近层的煤层要大些。,25,4)通风压力与通风系统 抽出式通风负压增加时，瓦斯涌出量增大。U型通风系统的回采工作面，其上隅角容易聚积瓦斯。采用U型加尾巷的通风系统，瓦斯聚积点移至采空区内的尾巷入风口。Y形与W型通风系统由于采空区内有漏风通道，采空区与邻近层涌出的瓦斯很少会涌入工作面，加之进风多了一条风路，工作面的瓦斯浓度较低，适用于高瓦斯高产要求。,26,3.3 瓦斯涌出不均系数在正常生产过程中，矿井绝对瓦斯涌出量受各种因素的影响，其数值在一段时间内围绕平均值上下波动，我们把其峰值与平均值
12、的比值称为瓦斯涌出不均系数。在确定矿井总风量选取风量备用系数时，要考虑矿井瓦斯涌出不均系数。,27,矿井瓦斯涌出不均系数表示为：kg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，m3min；Qa该时间内的平均瓦斯涌出量，m3min。任何矿井的瓦斯涌出在时间上与空间上都是不均匀的。在生产过程中要有针对性地采取措施，使瓦斯涌出比较均匀稳定。例如尽可能均衡生产，错开相邻工作面的落煤、放顶时间等。,28,3.4 矿井瓦斯等级1、矿井瓦斯等级划分规程规定：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
13、瓦斯量和瓦斯涌出形式分为：,29,（一）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。（二）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。（三）煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井。煤与瓦斯突出矿井:矿井在采掘过程中，只要发生过一次煤与瓦斯突出，该矿井即为突出矿井煤层定为突出煤层。,30,2、矿井瓦斯等级鉴定新矿井设计前，地质勘探部门根据各煤层的瓦斯含量资料，预测矿井瓦斯等级，作为算风量的依据。生产矿井每年必须进行矿井瓦斯等级的鉴定工作，同时还应进行矿井二氧化碳涌出量的测定，作为核定和调整风量的依据。
14、,31,1)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。根据当地气候条件，选择矿井绝对瓦斯涌出量较大的月份进行，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。测定前必须做好组织分工和仪表校正等准备工作。,32,2)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峒、各水平、各煤层和各采
15、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做测点。,33,测定内容为风量和风流中瓦斯浓度。如果进风流中含有瓦斯时，还应在进风流中测风量和瓦斯浓度。进、回风流的瓦斯涌出量之差，就是鉴定地区的瓦斯涌出量。抽放瓦斯的矿井，在鉴定月内应在相应的地区测定抽出的瓦斯量，矿井瓦斯等级划分时，必须包括抽放的瓦斯量。每一测定班的测定时间应选在生产正常时刻，并尽可能在同一时刻进行测定工作。,34,3)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
16、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。,35,3.5 矿井瓦斯涌出量预测设计矿井或生产矿井的新区(新采区、深部水平)，需要预先掌握其瓦斯等级和瓦斯涌出量，作为矿井、水平和采区设计的依据。根据某些巳知数据，按照一定的方法预先测算出设计区域瓦斯涌出量的数值，称作矿井瓦斯涌出量预测。,36,预测相对瓦斯涌出量的方法：矿山统计法（多用于生产矿井）瓦斯含量法（用于新矿井）1)矿山统计法 矿山统计法是根据已往矿井生产中的相对瓦斯涌出量与开采深度的统计规律，外推未来深部
17、水平相对瓦斯涌出量的预测方法。,37,实际使用这种方法时，一般分为两步：首先将矿井历年生产过程中积累的实际相对瓦斯涌出量按其对应的开采深度，计算出相对瓦斯涌出量的梯度；第二步根据相对瓦斯涌出量梯度a，计算出煤层深部开采时的相对瓦斯涌出量值。,38,注意事项：1)此法只适用于甲烷带内，外推的深度不应超过100200m，a值越小，外推的深度也应越小，否则可能有较大的误差。2)预测精度决定于原始统计资料的精度与数量以及预测区域同已采区域在地质条件和开采技术条件上的相似程度。,39,为了比较精确地预测相对瓦斯涌出量，应该在矿井开采层面图上标出各个已采区段的相对瓦斯涌出量，把相对瓦斯涌出量相同的点连成等
18、相对瓦斯涌出量线。对于外推的区域，根据对应地点的瓦斯涌出量梯度与底板等高线的深度，用虚线画出预测的等相对瓦斯涌出量线，如图2-14所示。这种等瓦斯涌出量线图清晰简明，不仅反映出倾斜方向上瓦斯涌出量变化，而且也反映出走向方向上的变化。,40,2）煤层瓦斯含量法采区相对瓦斯涌出量等于平均开采一吨煤各瓦斯源涌出的瓦斯量之和。预测公式为：式中：n围岩涌出瓦斯量占回采煤层瓦斯涌出的比例系数，应实测得出，无实测值时，对于全部陷落法管理顶板，可考虑，n0.2，局部充填法，n0.15,全部充填法，n0.1；m1、m分别为残留分层、回采分层的厚度，m；,41,1，分别为残留分层、回采分层煤的容重tm3；Z煤柱煤
19、量占回采煤量的百分比，；K采空区残留浮煤占回采煤量的百分比，；X开采层原始瓦斯含量，m3t；X1运出采区的煤残留的瓦斯含量，m3/t，需实测；X2煤柱残留瓦斯含量，m3/t；X3 采空区残留煤的残余瓦斯含量，m3/t；n向开采层采空区涌出瓦斯的邻近层的数目；ml第l邻近层(或煤线)的厚度，m；hl第l邻近层距开采层的法线距离，m。,42,Xl邻近层煤层的瓦斯含量，m3/t，需实测；Xl1邻近层煤若运出采区的残留瓦斯含量，m3/t；hj邻近层向开采层采空区涌出瓦斯的极限距离，无实测值时，可按下式近似求得；hjNm(DCOS)式中，N与D由顶板管理方法、层间岩性结构系数决定；对于采厚m2.5m条件
20、下：使用全部陷落法管理顶板时，N60，局部充填法管理顶板时，N45，D1.2；对于m2.5m，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。,43,4 矿井瓦斯喷出及其预防,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。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。,44,4.3
21、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。,45,1、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10100 mm)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
22、续两周，共喷出瓦斯3.6105 m3。,46,2、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180 m，瓦斯浓度在50以上，估计初期的瓦斯喷出量为500 m3min，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。,47,喷出的瓦斯量和持续时间，决定于积存的瓦斯量和瓦
23、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。,48,4.4 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。,49,2)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
24、。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。,50,51,2、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。,52,3)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
25、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。,53,5 煤与瓦斯突出及其预防,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。,54,3、动力现象分类的结果,55,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,56,南桐东林矿石门突出,突出煤量130t,煤与瓦斯突出实
26、例及分析,57,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,58,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,59,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,60,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,61,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,62,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,63,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,64,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,65,南桐东林矿石门突出,突出煤量130t,煤
27、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,67,大平煤矿“10.20”事故瓦斯突出及扩散过程演示,68,69,大平煤矿“10.20”瓦斯爆炸传播过程演示,70,5.2 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。,71,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
28、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。,72,(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
29、坏矿井的通风系统和设施。,73,5.3 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。,74,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
30、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。,75,5.4 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。,76,5.5 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
31、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。,77,3）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”。,78,5）煤自重的影响。突出的次数有随着煤层倾角的增
32、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。,79,8）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
33、。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。,80,5.6 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。,81,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。,82,2、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
34、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。,83,84,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：,85,a.地压减少，弹性潜能得以缓慢释
35、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。,86,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：,87,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
36、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。,88,3、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
37、和排放瓦斯区，从而预防突出的发生。,89,(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。,90,(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
38、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。,91,(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。,92,6 矿井瓦斯爆炸及其预防,瓦斯的最大危害就
39、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”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“214”214,93,6.1 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
40、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4kg TNT炸药。,94,2、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。,95,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
41、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。,96,3、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
42、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。,97,较低温度下，甲烷氧化链式反应的基元反应方程组：CH4+O2 CH3+HO2（1）链引发 CH3+O2 CH2O+OH（2）OH+CH4 H2O+CH3（3）链传递 O
43、H+CH2O H2O+HCO（4）CH20+O2 HO2+HCO（5）链分支 HCO+O2 CO+HO2（6）HO2+CH4 H2O2+HCO（7）链传递 HO2+CH2O H2O2+HCO（8）OH 器壁（9）CH2O 器壁（10）,链中止,98,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，
44、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。,99,6.2 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
45、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。,100,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
46、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。,101,2、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
47、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。,102,2）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，
48、而且会使抢险救灾、救人困难化复杂化。,103,3）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。,104,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
49、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。,105,106,6.3 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
50、上升，就是爆炸范围扩大。,107,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。,108,惰化过程：用不同的惰性气体(N2，CO2)充入
