矿井瓦斯是煤矿生产过程中的主要不安全因素。矿井瓦斯是煤矿生产过程中,从煤、岩内涌出的各种气体的总称。矿井瓦斯的成分较复杂,除甲烷(可达80%~90%以上)还含有其他烃类,如乙烷、丙烷,以及二氧化碳和稀有气体。
瓦斯是一种无色,无味,无臭的气体,难溶于水。其密度为0.716 kg/m3,与空气的相对密度为0.554,易积聚于巷道的上部。因此,检查巷道内的瓦斯浓度时,应着重检查巷道顶板附近和拐角。瓦斯分子直径小,渗透性很强,为空气的1.6倍。
瓦斯虽然无毒,但是矿内空气中的瓦斯浓度如果超过40%能使人因缺氧而窒息死亡。瓦斯具有燃烧与爆炸性,瓦斯与空气混合达到一定浓度后,遇火能燃烧或爆炸,对矿井威胁很大。井下一旦发生瓦斯爆炸,产生高温、高压和大量有害气体,形成破坏力很强的冲击波,不仅造成严重的人员伤亡,而且会严重摧毁矿井巷道和井下设备,还可能引起煤尘爆炸和井下火灾。还有一些矿井,存在煤与瓦斯突出现象,危害就更大。
在一个矿井中,只要有一个岩层中发现瓦斯,该矿井即定为瓦斯矿井。矿井瓦斯等级,按照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:
a)低瓦斯矿井:矿井相对瓦斯涌出量≤10m3/t,且矿井绝对瓦斯涌出量≤40m3/min;
b)高瓦斯矿井:矿井相对瓦斯涌出量>10m3/t,或矿井绝对瓦斯涌出量>40m3/min;
c)煤(岩)与瓦斯突出矿井:矿井在采掘过程中,只要发生过一次煤(岩)与瓦斯突出,该矿井即定为煤(岩)与瓦斯突出矿井。
瓦斯从煤层或岩层表面非常微细的裂隙中缓慢、均匀而持久地涌出。这种涌出的范围广,时间长,涌出量所占比重最大,是瓦斯涌出的主要方式,称为普通涌出方式。
在很短时间内自采掘工作面的局部地区,突然涌出大量瓦斯或二氧化碳。这种涌出形式对安全生产威胁很大,称为特殊涌出方式。
矿井瓦斯涌出量的大小,取决于自然因素和开采技术因素的综合影响。
开采技术因素对瓦斯涌出的影响主要包括:
(1)开采规模。当开采深度越深时,随着瓦斯含量的增加,瓦斯涌出量也越大。在瓦斯赋存条件相同时,一般是开拓、开采范围越大,而瓦斯相对涌出量变化不大。
(2)开采顺序与开采方法。首先开采的煤层(或分层)能排放卸压邻近层的瓦斯,因此瓦斯涌出量就大;采用后退式开采程序比前进式开采程序时瓦斯涌出量要少。
(3)生产工艺过程。同一工作面,一般在放炮或割煤时的瓦斯涌出量最高。
(4)通风压力。矿井通风压力的变化对瓦斯涌出量的影响与大气压力的影响相似。抽出式通风时,瓦斯涌出量随矿井负压的提高而增加;压入式通风时,瓦斯涌出量随矿井通风压力的降低而增加。
瓦斯爆炸是煤矿生产中最严重的灾害之一,如果由于瓦斯爆炸而引起煤尘爆炸,后果更为严重。矿内瓦斯爆炸的有害因素是:焰面、冲击波和大气成分的变化。
(1)焰面是巷道中运动着的化学反应区和高温气体,其速度变化范围很大,从正常的燃烧速度(1m/s~2.5m/s)到爆轰式爆炸传播速度(2500m/s)。焰面温度高达2150℃~2 650℃。焰面经过之处,人被大面积烧伤,可燃物被点燃而发生火灾,成为二次火源。
(2)冲击波是传播着的聚变压力,在它通过前,巷道内为正常大气压,随着冲击波的通过,巷道内空气压力迅速上升。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(340m/s)。冲击波造成人员伤亡,支架、设备和通风设施损坏,巷道跨蹋。
(3)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分为:氧气6%~10%;氮气82%~88%;二氧化碳4%~8%;一氧化碳2%~4%。如果有煤尘参与爆炸,一氧化碳的生成量最大,往往成为人员大量伤亡的主要原因。
瓦斯在新鲜空气中的爆炸下限为5%~6%,上限为14%~16%,在新鲜空气时,瓦斯浓度9.5%时,混合气体中的瓦斯和氧全部参与反应,化学反应最完全,产生的温度与压力最大。瓦斯浓度7%~8%时最容易爆炸,这个浓度称为最优爆炸浓度。
必须强调指出,瓦斯的爆炸界限不是固定不变的,它受到许多因素的影响:
a)氧的浓度;
b)其他可燃气体的存在;
c)煤尘;
d)温度和压力。
瓦斯—空气混合气体的最低点燃温度,绝缘压缩时565℃,其他情况时650℃。最低点燃能量为0.28mJ。煤矿井下的明火、煤炭自燃、电弧、点火花、赤热的金属表面(可达1500℃)以及撞击和摩擦火花,都能点燃瓦斯。此外,采空区内沙岩悬顶冒落时,也能引起瓦斯的燃烧或爆炸。前苏联的研究认为,岩石脆性破裂时,它的裂隙可以产生高压电场(达108 V/cm数量级),电场内的电荷流动,也能导致瓦斯燃烧。发生瓦斯爆炸的一般规律为:
a)井下的一切高温热源都可以引起瓦斯燃烧或爆炸,但主要火源是放炮和机电
火花。
b)煤矿任何地点都有发生爆炸的可能性,但大部分爆炸事故发生在采掘工作面。
c)回采工作面容易发生瓦斯爆炸的地点是工作面的上隅角。
煤(岩)与瓦斯突出是采煤过程中发生的一种煤(岩)和瓦斯的突然运动。这是一种极其复杂的动力现象,它是在很短时间(几秒钟到几分钟)内,使采掘工作面的煤、岩壁突然遭到破坏,并从煤、岩层内以极快的速度向采空区喷出大量的煤(岩)和瓦斯,充塞巷道,在采掘工作面煤壁上形成口小肚子大,类似坛子状的孔洞,喷出煤(岩)和瓦斯时伴有巨大的声响和强大的冲击作用,能摧毁巷道设施、破坏通风系统、甚至风流逆转。喷出的瓦斯由几百到几百万立方米,能使井巷充满瓦斯,造成人员窒息,引起瓦斯燃烧或爆炸。喷出的煤、岩由几吨到几千吨,甚至万吨以上。
一般认为影响突出的因素有:地质构造、地压、瓦斯压力与含量、煤的结构与强度、水文地质、围岩性质,以及外力冲击及煤的自重等。
矿井瓦斯危害原因
a)自然因素;
b)技术因素:开采规模、顺序、方法、通风压力等不当。
矿井瓦斯危害安全风险
a)人员伤害:燃烧和爆炸、冲击波、致使空气缺氧导致人员伤害;
b)财产损失:燃烧火灾和冲击波会摧毁矿井系统。