煤礦瓦斯爆炸防控措施研究

彭英健，寧 虎

（1.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院,山西大同037003；2.內(nèi)蒙古鄂爾多斯市烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯 017300）

我國(guó)煤礦事故種類多種多樣，其中瓦斯爆炸事故最嚴(yán)重的井下災(zāi)害之一。瓦斯爆炸過(guò)程中會(huì)伴隨著高溫高壓，并且會(huì)帶動(dòng)附近的氣體做高速流動(dòng)，給人員、設(shè)備和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)極大的損失；此外爆炸還會(huì)產(chǎn)生大量的煤塵，并參與到爆炸當(dāng)中，使破壞力更加巨大；另外爆炸后產(chǎn)生大量有毒有害氣體也會(huì)致人員死亡。煤礦瓦斯爆炸具有隨機(jī)性大、突發(fā)性強(qiáng)、孕育過(guò)程隱蔽、危險(xiǎn)源空間分布廣等特點(diǎn)[1]，而且其影響因素錯(cuò)綜復(fù)雜，如環(huán)境溫度、初始?jí)毫?、CO濃度、惰性氣體含量等，也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)油氣[2]、氫氣及重?zé)N組分[3]對(duì)瓦斯爆炸也有很大影響，這就使得我國(guó)目前瓦斯爆炸事故的預(yù)防和控制工作形勢(shì)十分嚴(yán)峻。因此，有效預(yù)防與控制煤礦瓦斯爆炸災(zāi)害是我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)工作急需解決的迫切問(wèn)題之一。

1 發(fā)生瓦斯爆炸的條件

瓦斯爆炸的發(fā)生有三個(gè)必備的基本條件:一是瓦斯?jié)舛?，一般?～16%；二是氧氣濃度，一般不低于12%；三是有足夠的點(diǎn)火能量。

（1）瓦斯?jié)舛取Ｍ咚贡ǖ臐舛冉缦奘侵竿咚古c空氣的混合氣體中瓦斯的體積濃度。當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到9.5%時(shí)，在理論上可以與氧氣完全反應(yīng)，從而放出最多的熱量，爆炸的強(qiáng)度也最大。在實(shí)際生產(chǎn)中，瓦斯的濃度往往比理論上的瓦斯?jié)舛纫蟆?/p>

（2）氧氣濃度?？諝饣旌蠚怏w中氧氣的濃度必須大于12%，否則不會(huì)發(fā)生瓦斯爆炸。井下可能會(huì)出現(xiàn)氧氣濃度低于12%的情況，例如采空區(qū)，但是在工作場(chǎng)所等地方一但氧氣濃度低于12%，就會(huì)有窒息死亡事件的發(fā)生。

（3）足夠能量的點(diǎn)火源。引發(fā)瓦斯爆炸的點(diǎn)火源需要滿足的條件是溫度不低于650℃、能量大于0.28MJ且持續(xù)時(shí)間大于爆炸感應(yīng)期。在通常情況下，這個(gè)條件是很容易滿足的。在煤礦井下的生產(chǎn)過(guò)程中，可采取一些措施使點(diǎn)火源不能滿足條件從而防止瓦斯爆炸事故的發(fā)生。例如，井下爆破時(shí)產(chǎn)生的溫度很高，但持續(xù)的時(shí)間很短，小于瓦斯的爆炸感應(yīng)期，因此也不會(huì)發(fā)生瓦斯爆炸。

2 分階段防控瓦斯爆炸的措施

在詳細(xì)了解礦井地質(zhì)資料和瓦斯詳情基礎(chǔ)上，針對(duì)礦井開(kāi)采的不同時(shí)期，本文從開(kāi)采前、開(kāi)采中和開(kāi)采后三個(gè)階段提出分階段防控瓦斯爆炸的技術(shù)及措施。

2.1 采掘前預(yù)抽瓦斯降低瓦斯含量

近年來(lái)，傳統(tǒng)的以綜合抽采為基礎(chǔ)的瓦斯抽放方法發(fā)展迅速，一些新方法如本煤層抽放法、鄰近層抽放法、采空區(qū)抽放法等也正在被廣泛采用，并取得了良好效果。針對(duì)瓦斯“三害一用”的特點(diǎn)，瓦斯抽采既可以減少瓦斯對(duì)開(kāi)采過(guò)程中的威脅，如果達(dá)到抽采價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)，又可以提供大量的可利用能源[4-5]，所以有必要探討瓦斯抽放的必要性。

（1）瓦斯含量。煤層瓦斯含量達(dá)到10 m3/t以上時(shí)，應(yīng)考慮抽放。

（2）瓦斯涌出量。由于煤層瓦斯含量的測(cè)定和計(jì)算較困難，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)大多是利用瓦斯涌出量作為瓦斯抽放的必備條件，原則為:若用通風(fēng)方法很難將涌出的瓦斯稀釋至安全濃度以下，則滿足抽放瓦斯的第一步，反之，可不進(jìn)行抽放。

2.2 采掘中預(yù)防措施

采掘過(guò)程中的瓦斯爆炸防控的方法主要有防止瓦斯積聚、瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控、火源控制、隔爆阻爆措施和抑制措施等防止災(zāi)害擴(kuò)大的措施。

2.2.1 防止瓦斯積聚

瓦斯?jié)舛仁菍?dǎo)致瓦斯爆炸的重要條件，在實(shí)際生產(chǎn)中，發(fā)生瓦斯積聚的區(qū)域瓦斯的濃度往往非常高，很容易引發(fā)爆炸事故，因此防止瓦斯積聚就顯得尤為重要。瓦斯積聚是指濃度超過(guò)2%、體積超過(guò)0.5 m3的現(xiàn)象，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行預(yù)防:

（1）良好的通風(fēng)環(huán)境。礦井中通風(fēng)不好的地方最容易產(chǎn)生瓦斯積聚現(xiàn)象，應(yīng)盡量做到風(fēng)流穩(wěn)定，避免循環(huán)風(fēng)，盡可能在靠近工作面的地方設(shè)置局部通風(fēng)風(fēng)筒。哪怕發(fā)生了瓦斯爆炸也不能中斷通風(fēng)，還應(yīng)提高風(fēng)速、加大風(fēng)量，防止瓦斯繼續(xù)積聚。

（2）避免瓦斯局部積存。礦井中很多地方容易發(fā)生瓦斯積存:低風(fēng)速巷道的頂板附近、采煤工作面上隅角、頂板冒落的空洞內(nèi)、停風(fēng)的盲巷中、采空邊界處、采掘機(jī)械切割部分附近、綜放工作面放煤口等，在生產(chǎn)中應(yīng)極力避免在這些地方發(fā)生局部瓦斯積存。

（3）瓦斯檢查制度。瓦斯檢查員要認(rèn)真執(zhí)行有關(guān)瓦斯檢查制度，對(duì)瓦斯積聚應(yīng)做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)并妥善處理。

2.2.2 監(jiān)測(cè)監(jiān)控

監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)井下的瓦斯隱患，彌補(bǔ)人反應(yīng)上的不足。這個(gè)系統(tǒng)的主要裝置——甲烷傳感器在礦井的不同位置，設(shè)置上也有所不同。

（1）在回采工作面，需要設(shè)置在工作面附近，具體布置，見(jiàn)圖1（a）；回風(fēng)巷中，在風(fēng)流穩(wěn)定的位置測(cè)量瓦斯含量最接近真實(shí)值，見(jiàn)圖1（b）。圖中T表示甲烷傳感器，F(xiàn)表示局部通風(fēng)機(jī)，下同。

圖1 回采工作面及回風(fēng)巷甲烷傳感器的設(shè)置

（2）對(duì)于高瓦斯礦井，采煤工作面的瓦斯涌出量很大，所以應(yīng)靠近回采面設(shè)置，見(jiàn)圖2。

圖2 采煤工作面進(jìn)風(fēng)巷甲烷傳感器的設(shè)置

（3）掘進(jìn)面也是瓦斯涌出量較大的地方，所以設(shè)置在靠近工作面的位置，見(jiàn)圖3（a）；掘進(jìn)工作面回風(fēng)流中也需在風(fēng)流穩(wěn)定后再監(jiān)測(cè)，見(jiàn)圖3（b）；掘進(jìn)工作面進(jìn)風(fēng)流甲烷傳感器則應(yīng)設(shè)置在局部通風(fēng)機(jī)前，見(jiàn)圖3（c）。

圖3 掘進(jìn)工作面及回風(fēng)流、進(jìn)風(fēng)流中甲烷傳感器的設(shè)置

2.2.3 火源控制

防止井下出現(xiàn)火源要從源頭抓起，禁止所有非生產(chǎn)火源，并對(duì)生產(chǎn)火源嚴(yán)格管理控制。防止引爆火源的措施有:

（1）防止明火出現(xiàn)。井下很多區(qū)域應(yīng)禁用明火，例如瓦斯泵站和主要通風(fēng)機(jī)房周圍20 m的范圍內(nèi)；如果需要進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，必須制定具體安全措施，遵守操作規(guī)定。

（2）防止電火花出現(xiàn)。瓦斯礦井需要采用本質(zhì)安全型電器；機(jī)電設(shè)備下井前要嚴(yán)格進(jìn)行防爆性能檢查，使用中也要保持良好的防爆狀態(tài)，不具有防爆性的設(shè)備禁止下井使用；禁止帶電作業(yè)；瓦斯礦井必須設(shè)置和使用風(fēng)電閉鎖裝置，確保只有在局部通風(fēng)機(jī)送風(fēng)后工作面才能供電等。

（3）防止炮火出現(xiàn)。必須使用安全炸藥，禁止引藥反裝，禁止一次裝藥分次爆破、裸露爆破等。

（4）避免摩擦撞擊火花。在設(shè)備的移動(dòng)和安設(shè)過(guò)程中要避免摩擦和撞擊；割煤作業(yè)時(shí)應(yīng)注意灑水和噴霧，掘割煤機(jī)一般情況下不準(zhǔn)割頂或割底，以防止截齒和巖石摩擦出現(xiàn)火花等。

2.2.4 隔爆阻爆

實(shí)際生產(chǎn)中，不僅需要預(yù)防瓦斯事故的發(fā)生，還應(yīng)做好一旦發(fā)生事故以后的抑制措施?？梢栽O(shè)置各種隔爆裝置從爆炸強(qiáng)度和燃燒溫度上進(jìn)行抑制，破壞傳播條件，限制傳播范圍。

（1）巖粉阻止蔓延。用于阻止爆炸蔓延的巖粉應(yīng)不可燃，粒徑也應(yīng)該符合規(guī)定。撒布的巖粉要求與煤塵混合，長(zhǎng)度大于等于300 m，不燃物含量不小于80%。靠近頂板處安裝一些巖粉棚，每塊臺(tái)板（巖粉棚）上都存放著大量巖粉。

（2）用水預(yù)防和阻隔爆炸。這種方法與上一種類似，只不過(guò)是用水槽做阻爆裝置。要求每個(gè)水槽容量為40～75 L，總水量根據(jù)巷道斷面積計(jì)算且不低于400 L/m2，水棚長(zhǎng)度要大于30 m。使用巖粉做阻爆材料有很多弊端，一是它很容易吸收空氣中的水分而結(jié)成塊狀，所以必須經(jīng)常性更換；二是巖粉的更換既費(fèi)時(shí)又費(fèi)料，且價(jià)格偏高。另外，使用水的一個(gè)重要原因是其比熱容很高，并且在阻止爆炸的過(guò)程過(guò)程中會(huì)汽化，汽化可以吸收外界的熱量，也會(huì)降低爆炸的危害性，所以用水做阻爆材料的效果要更好。

（3）自動(dòng)式防爆棚。井下發(fā)生瓦斯爆炸后，自動(dòng)式防爆棚依靠自身安裝的壓力和溫度等傳感器，預(yù)先感知空氣中的異常壓力和溫度，間接起到探測(cè)爆炸波傳播的效果。然后將水槽中的水迅速向巷道中噴灑，這種裝置可以更加及時(shí)地起到阻爆隔爆的效果。

2.2.5 抑制爆炸

瓦斯爆炸抑制主要是在瓦斯爆炸初始階段，噴灑抑爆材料對(duì)反應(yīng)進(jìn)程進(jìn)行抑制，通過(guò)各種阻隔技術(shù)來(lái)控制爆炸的傳播范圍和傳播速度，降低沖擊波的強(qiáng)度。

（1）噴灑荷電細(xì)水霧[6]。在瓦斯爆炸反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的帶未成對(duì)電子的自由基和中間產(chǎn)物，作為活化中心參與瓦斯燃燒爆炸過(guò)程，促進(jìn)基元的自由基反應(yīng)，使爆炸反應(yīng)延續(xù)、加速和終止。帶有不同極性的荷電霧滴在火焰中受到帶同種電荷的粒子和中間產(chǎn)物時(shí)會(huì)產(chǎn)生排斥作用，使火焰的穩(wěn)定性降低，同時(shí)受到火焰反應(yīng)區(qū)內(nèi)部異種電荷的作用，以及火焰的卷吸作用使霧滴更易進(jìn)入火焰內(nèi)部活性反應(yīng)區(qū)，增強(qiáng)了火焰的蒸發(fā)吸熱作用。此外霧滴還有增加與火焰的接觸面積、中和正離子、消耗自由基、稀釋燃燒區(qū)氧氣濃度等作用，都可以起到抑制瓦斯爆炸的作用。

（2）噴灑粉體抑制劑[7]。瓦斯爆炸發(fā)生后，粉體抑制劑能夠在一定范圍內(nèi)形成懸浮顆粒的兩相反應(yīng)介質(zhì)，當(dāng)爆炸火焰和懸浮顆粒與這種介質(zhì)接觸時(shí)，爆炸的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)受到抑制和衰減，使瓦斯爆炸所造成的范圍和程度減小。

（3）使用多孔材料[8]。瓦斯爆炸產(chǎn)生的沖擊波和多孔材料表面接觸時(shí)，首先由于多孔材料結(jié)構(gòu)獨(dú)特，可以吸收和傳導(dǎo)大量的熱，進(jìn)而減弱壓力波，使爆炸得到抑制；同時(shí)多孔材料表面具有反射作用，可以反射并消耗掉一部分沖擊波能量；再者，沖擊波進(jìn)入到材料內(nèi)部后，部分能量因?yàn)槎嗫撞牧媳诘膹椥孕巫冏饔棉D(zhuǎn)化為彈性能；最后，多孔材料的孔隙結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊波的剪切破壞作用，發(fā)生相互撞擊摩擦，消耗掉一部分能量，從而達(dá)到衰減沖擊波的作用，減小了瓦斯爆炸沖擊波的影響。而且多孔材料的結(jié)構(gòu)特征使其具有吸收浮塵，過(guò)濾和凈化空氣的功能。

2.3 采掘后采空區(qū)預(yù)防措施

采空區(qū)是易自燃礦井最容易發(fā)生火災(zāi)的地方，如果礦井采空區(qū)積聚瓦斯，密閉不良就會(huì)導(dǎo)致漏風(fēng)提供氧氣，引起采空區(qū)瓦斯爆炸，嚴(yán)重的將波及工作面，造成更加嚴(yán)重的瓦斯和煤塵爆炸。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2000年至今已發(fā)生過(guò)近20起煤礦采空區(qū)重特大瓦斯爆炸事故[9]。很多學(xué)者從防滅火角度提出了預(yù)防采空區(qū)瓦斯爆炸的措施，較為常用的方法有灌漿、注氮、注砂[10]、均壓防火等。

2.3.1 灌漿系統(tǒng)

灌漿系統(tǒng)對(duì)瓦斯爆炸的必要條件——火源，有很好的抑制性，最常用的為黃土注漿防滅火系統(tǒng)。按采空區(qū)覆蓋土面積計(jì)算需土量，井筒內(nèi)管路和井下大巷內(nèi)管路都選擇無(wú)縫鋼管，見(jiàn)圖4。

圖4 黃土注漿防滅火系統(tǒng)流程框圖

2.3.2 采空區(qū)瓦斯抽采

目前減少采空區(qū)瓦斯涌出量的常用且有效方法是對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽放。在采取抽放措施前，首先摸清采空區(qū)瓦斯來(lái)源、涌出特征、采空區(qū)瓦斯涌出量大小、流動(dòng)帶范圍等抽放技術(shù)指標(biāo)，做到有的放矢。

進(jìn)行采煤作業(yè)時(shí)，尤其是開(kāi)采煤層群時(shí)，很多區(qū)域會(huì)向采空區(qū)涌出瓦斯，例如鄰近層、尚未開(kāi)采的煤層、圍巖、煤柱和工作面的丟煤等。采空區(qū)瓦斯在工作面開(kāi)采過(guò)程中甚至開(kāi)采完密閉后都會(huì)向工作面涌出，這就大大增加了采空區(qū)發(fā)生瓦斯爆炸的可能性。采空區(qū)的瓦斯抽放量比本煤層預(yù)抽的瓦斯量要大，但抽放濃度相對(duì)較低，其大小由采空區(qū)瓦斯涌出量的大小來(lái)決定。

某煤礦采空區(qū)瓦斯抽放系統(tǒng)布置如下:隨著回采工作面的移動(dòng)，將抽放管路預(yù)埋在采空區(qū)的風(fēng)巷位置，預(yù)埋管口距工作面的距離在15～30 m左右時(shí)投入抽放，在采空區(qū)上下兩巷大密閉，密閉位置距離抽放管口5 m左右，密閉的間距為15 m。瓦斯抽放濃度為5～10%，平均為8%，瓦斯抽放純流量為1.0～3.0 m3/min，平均為2.0 m3/min，見(jiàn)圖5。

圖5 某采空區(qū)瓦斯抽采系統(tǒng)布置圖

3 結(jié)論

（1）對(duì)一般煤礦來(lái)說(shuō)，開(kāi)采前可以通過(guò)預(yù)抽瓦斯的方法來(lái)降低整個(gè)礦井的瓦斯含量，這不僅降低了開(kāi)采前的瓦斯爆炸的危險(xiǎn)性，而且有助于減少開(kāi)采過(guò)程中瓦斯爆炸防控的困難。

（2）在開(kāi)采過(guò)程中，主要從防止瓦斯積聚、監(jiān)測(cè)監(jiān)控、火源控制、隔爆阻爆措施和其它瓦斯爆炸抑制措施五個(gè)方面來(lái)進(jìn)行瓦斯爆炸的防治。

（3）礦井采空區(qū)經(jīng)常發(fā)生火災(zāi)，如果有瓦斯積聚的話極易發(fā)生瓦斯爆炸事故，可以通過(guò)灌漿防滅火和采空區(qū)瓦斯抽采2個(gè)方面來(lái)預(yù)防。