二、煤礦瓦斯及其防治技術

　　(一)瓦斯性質及瓦斯參數測定

　　1.瓦斯性質

　　瓦斯是指礦井中主要由煤層氣構成的以甲烷為主的有害氣體，有時單獨指甲烷。瓦斯是一種無色、無味、無臭、可以燃燒或爆炸的氣體，難溶于水，擴散性較空氣高。瓦斯無毒，但濃度很高時，會引起窒息。

　　2.煤層瓦斯賦存狀態

　　瓦斯在煤層中的賦存形式主要有兩種狀態：在滲透空間內的瓦斯主要呈自由氣態，稱為游離瓦斯或自由瓦斯，這種狀態的瓦斯服從理想氣體狀態方程;另一種稱為吸附瓦斯，它主要吸附在煤的微孔表面上和在煤的微粒內部，占據著煤分子結構的空位或煤分子之間的空間。實測表明，在目前開采深度下(1000～2000m以內)煤層吸附瓦斯量占70%～95%，而游離瓦斯量占5%～30%。

　　3.煤層瓦斯含量及測定

　　煤層瓦斯含量是指單位質量煤體中所含瓦斯的體積，單位為m3/t。煤層瓦斯含量是確定礦井瓦斯涌出量的基礎數據，是礦井通風及瓦斯抽放設計的重要參數。煤層在天然條件下，未受采動影響時的瓦斯含量稱原始含量;受采動影響，已有部分瓦斯排出后而剩余在煤層中的瓦斯量，稱殘存瓦斯含量。

　　影響煤層原始瓦斯含量的因素很多，主要有：煤化程度、煤層賦存條件、圍巖性質、地質構造、水文地質條件等。

　　煤層瓦斯含量測定方法目前主要有地勘鉆孔測定法，實驗室間接測定法和井下快速直接測定法3種。

　　4.煤層瓦斯壓力及測定方法

　　煤層瓦斯壓力是存在于煤層孔隙中的游離瓦斯分子熱運動對煤壁所表現的作用力。煤層瓦斯壓力是用間接法計算瓦斯含量的基礎參數，也是衡量煤層瓦斯突出危險性的重要指標。測定方法主要有直接測定法和間接測壓法。

　　(二)礦井瓦斯涌出及瓦斯等級

　　1.礦井瓦斯涌出的形式

　　開采煤層時，煤體受到破壞或采動影響，貯存在煤體內的部分瓦斯就會離開煤體而涌入采掘空間，這種現象稱為瓦斯涌出。礦井瓦斯涌出形式可分普通涌出和特殊涌出兩種。

　　2.礦井瓦斯涌出量及主要因素

　　礦井瓦斯涌出量是指開采過程中正常涌入采掘空間的瓦斯數量，瓦斯涌出量的表示方法有兩種：絕對瓦斯涌出量——單位時間涌入采掘空間的瓦斯量，單位為m3/min;相對瓦斯涌出量——單位質量的煤所放出的瓦斯數量，單位為m3/t。

　　影響礦井瓦斯涌出量的因素主要有煤層瓦斯含量、開采規模、開采程序、采煤方法與頂板管理方法、生產工序、地面大氣壓力的變化、通風方式和采空區管理方法等。

　　3.礦井瓦斯等級及其鑒定

　　《煤礦安全規程》規定，一個礦井中只要有一個煤(巖)層發現瓦斯，該礦井即為瓦斯礦井。瓦斯礦井必須依照礦井瓦斯等級進行管理。

　　根據礦井相對瓦斯涌出量、礦井絕對瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式劃分為：低瓦斯礦井、高瓦斯礦井和煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出礦井。

　　低瓦斯礦井：礦井相對瓦斯涌出量小于或等于10m3/t且礦井絕對瓦斯涌出量小于或等于40m3/min;

　　高瓦斯礦井：礦井相對瓦斯涌出量大于10m3/t或礦井絕對瓦斯涌出量大于40m3/min;

　　煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出礦井：礦井在采掘過程中，只要發生過一次煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出，該礦井即定為煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出礦井。

　　《煤礦安全規程》規定：每年必須對礦井進行瓦斯等級和二氧化碳涌出量鑒定。

　　(三)瓦斯噴出及預防

　　1.瓦斯噴出

　　礦井瓦斯噴出是指從煤體或巖體裂隙、孔洞或炮眼中大量瓦斯異常涌出的現象。在20m巷道范圍內，涌出瓦斯量大于或等于1.0m3/min，且持續時間在8h以上時，該采掘區域即定為瓦斯噴出危險區域。

　　瓦斯噴出的預兆：礦壓活動顯現激烈，煤壁片幫嚴重、底板突然鼓起、支架承載力加大甚至破壞，煤層變軟、潮濕等。

　　2.瓦斯噴出的預防

　　(1)加強礦井地質工作，摸清采掘地區的地質構造情況;

　　(2)在可能發生噴出的地區掘進巷道時，打前探鉆孔或抽排鉆孔;

　　(3)加大噴出危險區域的風量;

　　(4)將噴出的瓦斯直接引入回風巷或抽放瓦斯管路;

　　(5)掌握噴出的預兆，及時撤離工作人員，并配備自救器，安設壓氣自救系統;

　　(6)掌握礦壓規律，避免礦壓集中，及時處理頂板，以防大面積突然卸壓造成瓦斯噴出。

　　(四)煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出及預防

　　煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出是指在地應力和瓦斯的共同作用下，破碎的煤(巖)和瓦斯(二氧化碳)由煤體或巖體內突然向采掘空間拋出的異常動力現象。煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出具有突發性、極大破壞性和瞬間攜帶大量瓦斯(二氧化碳)和煤(巖)沖出等特點，能摧毀井巷設施、破壞通風系統、造成人員窒息，甚至引起瓦斯爆炸和火災事故，是煤礦最嚴重的災害之一。

　　煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出的機理有許多種假設，但基本公認的是綜合假說，即：煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出是由地應力、瓦斯和煤的物理力學性質三者綜合作用的結果。

　　1.煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出的一般規律

　　(1)突出危險性隨采掘深度的增加而增加;

　　(2)突出危險性隨煤層厚度的增加而增加，尤其是軟分層厚度;

　　(3)石門揭煤工作面平均突出強度最大，煤巷掘進工作面突出次數最多，爆破作業最易引發突出、采煤工作面突出防治技術難度最大;

　　(4)突出多數發生在構造帶、煤層遭受嚴重破壞的地帶、煤層產狀發生顯著變化的地帶、煤層硬度系數小于0.5的軟煤層中;

　　(5)突出發生前通常有地層微破壞、瓦斯涌出變化、煤層層理紊亂、鉆孔卡鉆夾鉆、煤壁溫度降低、散發煤油氣味、煤層產狀發生變化等預兆;

　　(6)突出按動力源作用特征可分為3種類型：突出、壓出和傾出;按突出物分類可分為4種類型：煤與瓦斯突出、煤與二氧化碳突出、巖石與瓦斯突出、巖石與二氧化碳突出。

　　2.煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出預測

　　我國煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出預測分為區域性預測和工作面預測兩類。

　　(1)區域性預測。區域性預測的任務是確定井田、煤層和煤層區域的危險性，在地質勘探、新井建設和新水平開拓時進行。區域性預測主要有如下幾種方法：

　　①單項指標法。采用煤的破壞類型、瓦斯放散初速度、煤的堅固性系數和煤層瓦斯壓力作為預測指標，各種指標的突出危險臨界值應根據實測資料確定。

　　②按照煤的變質程度。煤層的突出危險程度與其揮發分之間是密切相關的：在煙煤的揮發分大于35%和無煙煤的比電阻的對數值小于3.3時，沒有突出危險;而揮發分在18%～22%時突出危險最高。

　　③地質統計法。根據已開采區域突出點分布與地質構造的關系，然后結合未采區域的地質構造條件來大致預測發生突出可能發生的范圍。

　　(2)日常預測。日常預測也稱工作面預測，其任務是確定工作面附近煤體的突出危險性，即該工作面繼續向前推進時有無突出危險。

　　1)石門揭煤突出危險性預測。石門揭煤突出危險性預測的方法主要有：

　　①綜合指標法。在石門向煤層至少打2個測壓孔，測定煤層瓦斯壓力，并在打鉆過程中采樣，測定煤的堅固性系數和瓦斯放散初速度，按綜合指標進行預測。

　　②鉆屑指標法。在距煤層最小垂距3～5m時至少向煤層打2個預測鉆孔，用1—3mm的篩子沖洗液中的鉆屑，測定其瓦斯解吸指標。鉆屑瓦斯解吸指標的臨界值應根據現場實測數據確定。

　　③鉆孔瓦斯涌出初速度結合瓦斯涌出衰減系數。當石門距煤層3m以外時，至少打2個穿透煤層全厚的預測鉆孔，打鉆結束后馬上用充氣式膠囊封孔器封孔，充氣壓力0.5MPa。打鉆結束到開始測量的時間不應超過5min。封孔后先測第1min的瓦斯涌出初速度，第2min測定解吸瓦斯壓力，如果瓦斯涌出初速度超過預定的工作指標，還須測定第5min的鉆孔涌出速度，以便算出瓦斯涌出衰減系數。

　　2)煤巷突出危險性預測。煤巷突出危險性預測的方法主要有：

　　①鉆孔瓦斯涌出初速度法。在距巷道兩幫0.5m處，各打一個平行于巷道掘進方向的鉆孔，用充氣式膠囊封孔器封孔，測定鉆孔瓦斯涌出初速度，從打鉆結束到開始測量的時間不應超過2min。

　　②鉆屑指標法。在工作面打2個或3個鉆孔。鉆孔每打1m測定一次鉆屑量，每打2m測一次鉆屑解吸指標。根據每個鉆孔沿孔深每米的最大鉆屑量和鉆屑解吸指標預測工作面突出危險性。

　　3.防治煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出的措施

　　(1)防治突出的技術措施。防治突出的技術措施主要分為區域性措施和局部性措施兩大類。區域性措施是針對大面積范圍消除突出危險性的措施，局部性措施主要在采掘工作面執行，針對采掘工作面前方煤巖體一定范圍消除突出危險性的措施。目前區域性措施主要有3種，即預留開采保護層、大面積瓦斯預抽放、控制預裂爆破;局部性措施有許多種，如卸壓排放鉆孔、深孔或淺孔松動爆破、卸壓槽、固化劑、水力沖孔等。

　　(2)“四位一體”綜合防治突出措施。所謂“四位一體”綜合防治突出措施，就是說首先應對開采煤層及其對開采煤層構成影響的鄰近煤層進行突出危險性預測。對確認的突出危險區域，應采取區域性防治突出技術措施，對確認的突出危險工作面，必須采取防治突出技術措施。在采取防治突出技術措施后，必須對防治突出技術措施和消除突出危險性的效果進行檢驗，如果檢驗有效，在采取安全防護措施的前提下進行采掘作業;如果檢驗無效，必須補充防治突出技術措施，直至再次檢驗為有效時方可在采取安全防護措施前提下進行采掘作業。否則，必須繼續補充技術措施。

　　(3)安全防護措施。安全防護措施是控制突出危害程度的措施，也就是說即使發生突出，也要使突出強度降低，對現場人員進行保護不致危及人身安全。如震動性放炮、遠距離放炮、反向防突風門、壓風自救器、個體自救器等。

　　(五)瓦斯爆炸及預防

　　礦井瓦斯不助燃，但它與空氣混合成一定濃度后，遇火能燃燒、爆炸。瓦斯爆炸時會產生3個致命的因素：爆炸火焰、爆炸沖擊波和有毒有害氣體。瓦斯爆炸不僅造成大量的人員傷亡，而且還會嚴重摧毀礦井設施、中斷生產。礦井瓦斯爆炸往往引起煤塵爆炸、礦井火災、井巷坍塌和頂板冒落等二次災害。

　　1.瓦斯爆炸的條件

　　引起瓦斯燃燒與爆炸必須具備3個條件：一定濃度的甲烷、一定溫度的引火源和足夠的氧氣。

　　2.預防瓦斯爆炸技術措施

　　預防瓦斯爆炸技術措施包括4個方面：

　　(1)防止瓦斯積聚和超限;

　　(2)嚴格執行瓦斯檢查制度;

　　(3)防止瓦斯引燃的措施;

　　(4)防止瓦斯爆炸災害擴大的措施。

　　(六)礦井瓦斯抽放

　　1.瓦斯抽放方法

　　瓦斯抽放系統主要由瓦斯抽放泵、瓦斯抽放管路(帶閥門)、瓦斯抽放鉆孔或巷道、鉆孔或巷道密封等組成。

　　根據抽放瓦斯的來源，瓦斯抽放可以分為：本煤層瓦斯預抽、鄰近層瓦斯抽放、采空區瓦斯抽放以及幾種方法的綜合抽放。

　　2.瓦斯抽放指標

　　(1)反映瓦斯抽放難易程度的指標：煤層透氣性系數、鉆孔瓦斯流量衰減系數、百米鉆孔瓦斯涌出量。

　　(2)反映瓦斯抽放效果的指標：瓦斯抽放量、瓦斯抽放率。

　　3.瓦斯抽放主要設備設施

　　(1)瓦斯抽放泵。瓦斯抽放泵是進行瓦斯抽放最主要的設備。

　　(2)瓦斯抽放管路。瓦斯抽放管路是進行瓦斯抽放必備也是使用量最大的材料。

　　(3)瓦斯抽放施工用鉆機。絕大多數的瓦斯抽放工程都需要利用鉆孔進行瓦斯抽放，因此，鉆機是進行瓦斯抽放的礦井使用最多的設備。

　　(4)瓦斯抽放參數測定儀表。煤礦瓦斯流量測定儀表主要有孔板流量計、均速管流量計、皮托管、渦街流量計等。

　　(5)瓦斯抽放鉆孔的密封。封孔是確保抽放效果的重要環節，采用先進的封孔技術和加強封孔的日常施工管理，是提高封孔質量的主要途徑。

　　(七)瓦斯檢測

　　瓦斯檢測實際上是指甲烷檢測，主要檢測甲烷在空氣中的體積濃度。使用便攜式瓦斯檢測報警儀，可隨時檢測作業場所的瓦斯濃度，也可使用瓦斯傳感器連續實時地監測瓦斯濃度。

　　煤礦常用的瓦斯檢測儀器，按檢測原理分類有：光學式、催化燃燒式、熱導式、氣敏半導體式等等，可以根據使用場所、測量范圍和測量精度等要求，選擇不同檢測原理的瓦斯檢測儀器。

　　①光干涉瓦斯檢定器。光干涉瓦斯檢定器主要用于檢測甲烷和二氧化碳，檢測范圍為0～10%、0—40%和0—100%。

　　②熱催化瓦斯檢測報警儀。熱催化瓦斯檢測報警儀主要檢測低濃度甲烷，檢測范圍0—5%。

　　③智能式瓦斯檢測記錄儀，主要檢測甲烷濃度，以單片機為核心，以載體催化元件及熱導元件為敏感元件，用載體催化元件檢測低濃度甲烷、熱導元件檢測高濃度甲烷，實現0～99%CH4的全量程測量，并能自動修正誤差。

　　④瓦斯、氧氣雙參數檢測儀。瓦斯、氧氣雙參數檢測儀裝有檢測甲烷和氧氣兩種敏感元件，同時連續檢測甲烷和氧氣濃度。最新研制出四參數檢測儀，同時測定甲烷、氧氣、一氧化碳和溫度，一氧化碳測量范圍：0—0.0999%，甲烷測量范圍：0～4%，氧氣檢測范圍：0—25%，溫度檢測范圍：0—40℃。

　　⑤瓦斯報警礦燈，在礦燈上附加一瓦斯報警電路，即為瓦斯報警礦燈。儀器以礦燈蓄電池為電源，具有照明和瓦斯超限報警兩種功能。現有數十種不同結構形式的產品，從報警電路的部位看，早期產品將電路裝于蓄電池內，近期產品則將電路置于頭燈或礦帽上。有的裝在礦帽前方，有的裝在礦帽后部，還有裝在礦帽兩側的。一氧化碳檢測報警儀，能連續或點測作業環境的一氧化碳濃度，儀器開機即可檢測，檢測范圍：0～0.2%。

　　(八)瓦斯、煤塵爆炸事故的救護及處理

　　1. 瓦斯煤塵爆炸事故

　　發生瓦斯煤塵爆炸事故時，礦山救護隊的主要任務是：

　　(1)搶救遇險人員;

　　(2)對充滿爆炸煙氣的巷道恢復通風;

　　(3)搶救人員時清理堵塞物;

　　(4)撲滅因爆炸而產生的火災。

　　首先到達事故礦井的小隊應對災區進行全面偵察，查清遇險遇難人員數量、地點、倒地方向和姿勢，遇險遇難人員傷害類型、部位和程度，并進行現場描述，發現幸存者立即佩戴自救器救出災區，發現火源要立即撲滅。

　　2.煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出事故的救護及處理

　　1.一般原則

　　發生煤與瓦斯突出事故時，礦山救護隊的主要任務是搶救人員和對充滿瓦斯的巷道進行通風。

　　救護隊進入災區偵察時，應查清遇險遇難人員數量、地點、倒地方向和姿勢，遇險遇難人員傷害類型、部位和程度，并進行現場描述。

　　2.搶救遇險人員方法

　　采掘工作面發生煤與瓦斯突出事故后，首先到達事故礦井的礦山救護隊，應派1個小隊從回風倒，另1個小隊從進風側進入事故地點救人。僅有1個小隊時.如突出事故發生在采煤工作面，應從回風側進入救人。救護隊進入災區前，應攜帶足夠數量的隔絕式自救器或全面罩氧氣呼吸器，以供遇險人員佩戴。偵察中發現遇險人員應及時搶救，為其佩戴隔絕式自救器或全面罩氧氣呼吸器，引導出災區。對于被突出煤炭堵在里面的人員，應利用壓風管路、打鉆等輸送新鮮空氣救人，并組織力量清除阻塞物。如不易清除，可開掘繞道，救出人員。

　　3.救護措施

　　(1)發生煤與瓦斯突出事故，不得停風和反風，防止風流紊亂擴大災情。如果通風系統及設施被破壞，應設置風障、臨時風門及安裝局部通風機恢復通風。

　　(2)發生煤與瓦斯突出事故時，要根據井下實際情況決定是否停電。如不會因停電造成被水淹的危險，應遠距離切斷災區電源;否則應加強通風，特別要加強電氣設備處的通風，做到運行的設備不停電，停運的設備不送電，防止產生火花，引起爆炸。

　　(3)瓦斯突出引起火災時，要采用綜合滅火或惰氣滅火。

　　(4)小隊在處理突出事故時，檢查礦燈，要設專人定時定點用100%瓦斯測定器檢查瓦斯濃度，設立安全崗哨。

　　(5)處理巖石與二氧化碳突出事故時，除嚴格執行處理煤與瓦斯突出事故各項規定外，還必須對災區加大風量，迅速搶救遇險人員。礦山救護隊進入災區時，要戴好防護眼鏡。

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