矿井瓦斯性质及矿山安全工程

第一节　矿井瓦斯及其性质

一、瓦斯性质

矿井瓦斯是指井下以甲烷为主的各种气体的总称。其成分主要为甲烷（约占有害气体的80%左右），其他为二氧化碳、氮气及少量硫化氢、氢气、稀有气体等。从狭义上讲，矿井瓦斯即指甲烷。

矿井瓦斯是亿万年以前，在地壳的运动下将森林、植物等有机物质埋入地下与空气隔绝，在水、地热和厌氧细菌的长期作用下生成煤炭，并伴生大量的瓦斯。其化学反应过程如下:

据计算，生成一吨煤可伴生1 000m³以上的瓦斯。但是，由于煤层及岩层的透气性和地下水的运动等原因，大量的瓦斯已渗漏至地表，少量留存在煤层中。

甲烷是一种无色、无味、无嗅并在一定条件下可以燃烧爆炸的气体，难溶于水，扩散性较空气高。甲烷无毒，但不能供呼吸。当井下混合气体中甲烷浓度较高时，氧气的浓度则相对降低，人会因缺氧而窒息。甲烷比空气轻，它的密度是空气密度的0.554倍。因此甲烷易在巷道的顶部、顶板冒落空洞处、由下向上施工的掘进工作面和其他较高的地方积聚。

瓦斯在煤尘中的附存形式主要有游离状态和吸附状态两种状态，如图3-1所示。游离状态也叫自由状态，即瓦斯以自由气体的状态存在于煤体或围岩的裂隙和孔隙内，其分子可自由运动，并呈现压力。吸附状态，即瓦斯分子浓聚在孔隙壁面上（吸着状态）或煤体微粒结构内（吸收状态）。吸附瓦斯量的大小与煤的性质、孔隙结构特点以及瓦斯压力和温度有关。

图3-1　煤矿瓦斯赋存状态示意图

1.游离瓦斯；2.吸着瓦斯；3.吸收瓦斯；4.煤体；5.空隙

煤层中瓦斯的存在状态不是固定不变的，而是处于不断交换的动态平衡状态。当温度与压力条件变化，平衡随着变化。例如，当压力升高或温度降低时，部分瓦斯由游离状态转化为吸附状态，这种现象叫做吸附。反之，如果温度升高或压力降低时，一部分瓦斯就由吸附状态转化为游离状态，这种现象叫做解吸。在现代开采深度条件下，煤层内的瓦斯主要是以吸附状态存在，游离状态的瓦斯仅占总量的10%左右。

二、瓦斯参数

表征瓦斯的参数主要有瓦斯压力、煤层透气性、瓦斯含量、瓦斯涌出量等。

（一）煤层瓦斯压力

煤层瓦斯压力是指煤孔隙中所含游离瓦斯的气体压力，即气体作用于孔隙壁的压力。煤层瓦斯压力随深度增加而成正比例增加，用公式表示为:

式中:P——在深度H处的瓦斯压力（MPa）；

P₀——瓦斯风化带H0深度的瓦斯压力（MPa），取0.15～0.2MPa；

H0——瓦斯风化带深度（m）；

H——距地表垂深（m）；

m——瓦斯压力梯度（MP/m），一般在0.007～0.001 2MP/m之间变化。

（二）煤层透气性

煤层透气性是煤层对于瓦斯流动的阻力，通常用透气性系数表示，单位为m²/（MPa²·d），相当于0.025mD（毫达西）。煤层透气性系数受多种地质因素的影响，变化较大。透气性系数越大，瓦斯在煤层中流动越容易。部分矿井煤层实测透气性系数如表3-1所示。

表3-1　部分矿井煤层实测透气性系数

（三）煤层瓦斯含量

煤层瓦斯含量是指煤层在自然条件下单位体积或质量所含有的瓦斯量，单位为m³/m³或m³/t。煤的瓦斯含量包括游离瓦斯和吸附瓦斯两部分。煤层瓦斯含量的大小，主要取决于煤层瓦斯的运移条件和保存瓦斯的自然条件。

1.煤的吸附特性

煤体中瓦斯含量的多少与煤的变质程度有关，一般情况下，随煤变质程度加深，瓦斯的生成量就越大；同时，其孔隙率也就越高，吸附瓦斯的能力越强。

2.煤层露头

煤层如果有或曾经有过露头长时间与大气相通，瓦斯含量就不会很大。因为煤层的裂隙比岩层要发育，透气性高于岩层，瓦斯能沿煤层流动而逸散到大气中去。反之，如果煤层没有通达地表的露头，瓦斯难以逸散，它的含量就较大。

3.煤层倾角

当埋藏深度相同时，煤层倾角越小，瓦斯含量越大。这是因为岩层的透气性比煤层低，瓦斯顺层流动的路程随倾角减小而增大的缘故。

4.煤层的埋藏深度

煤层的埋藏深度越深，煤层中的瓦斯向地表运移的距离就越长，散失就越困难。同时，深度的增加也使煤层在压力的作用下降低了透气性，也有利于保存瓦斯。在近代开采深度内，煤层的瓦斯含量随深度的增加而呈线性增加。

5.围岩透气性

煤系岩性组合和煤层围岩性质对煤层瓦斯含量影响很大。如果煤层的顶底板围岩为致密完整的低透气性岩层，如泥岩、完整的石灰岩，则煤层中的瓦斯就易于保存下来，煤层瓦斯含量就高；反之，围岩若是由厚层中粗粒砂岩、砾岩或裂隙溶洞发育的石灰岩组成，则瓦斯容易逸散，煤层瓦斯含量就小。

6.地质构造

地质构造是影响煤层瓦斯含量的最重要因素之一。在围岩属低透气性的条件下，封闭型地质构造有利于瓦斯的储存，而开放型地质构造有利于瓦斯的排放。同一矿区不同地点瓦斯含量的差别，往往是地质构造因素造成的结果。

7.水文地质条件

虽然瓦斯在水中的溶解度很小，但是如果煤层中有较大的含水裂隙或流通的地下水时，经过漫长的地质年代，也能从煤层中带走大量瓦斯，降低煤层的瓦斯含量。而且，地下水还会溶蚀并带走围岩中的可溶性矿物质，从而增加煤系地层的透气性，有利于煤层瓦斯的流失。

（四）矿井瓦斯的涌出

在采掘过程中，采掘空间附近的煤、岩层会受到不同程度的破坏，使原有的瓦斯平衡状态受到破坏，而沿煤、岩层的孔隙、裂隙涌入采掘空间。矿井瓦斯的涌出形式按其涌出特点，可分为普通涌出和异常涌出两种类型。

普通涌出是指由采动影响的煤、岩层以及由采落的煤、矸石向井下空间均匀地放出瓦斯的现象，又称“瓦斯涌出”。这种涌出是均匀的、缓慢的、经常性的。它是矿井瓦斯主要的涌出形式，煤矿日常所进行的瓦斯管理工作，主要是针对这部分瓦斯。

异常涌出包括瓦斯喷出、煤（岩）与瓦斯突出两种形式。瓦斯喷出是指从煤体或岩体裂隙中大量瓦斯异常涌出的现象，简称“喷出”。瓦斯喷出一般持续时间较短。煤（岩）与瓦斯突出是指在地应力和瓦斯的共同作用下，破碎的煤、岩和瓦斯由煤体或岩体内突然向采掘空间抛出的异常的动力现象，简称“突出”。煤（岩）与瓦斯突出持续时间极短，一般为数秒或数十秒。它会给矿井生产和人员安全造成严重危害。

1.瓦斯涌出量

矿井瓦斯涌出量是指涌入矿井风流中的瓦斯总量。

①绝对瓦斯涌出量

绝对瓦斯涌出量是指单位时间涌出的瓦斯量，单位为m³/min或m³/d，可用下式计算:

式中:QCH4——矿井绝对瓦斯涌出量（m³/min）；

Q——矿井总回风量（m³/min）；

C——回风流中的平均瓦斯浓度（%）。

②相对瓦斯涌出量

相对瓦斯涌出量是指矿井在正常生产条件下平均每产一吨煤所涌出的瓦斯量，单位是m³/t，可用下式计算:

式中:q_CH4——矿井相对瓦斯涌出量（m³/t）；

QCH4——矿井绝对瓦斯涌出量（m³/min）；

A——矿井月产煤量（t）；

N——矿井的月工作天数；

1 440——一昼夜的分钟数（min）。

必须指出，采用瓦斯抽放的矿井，在计算瓦斯涌出量时，应包括抽放的瓦斯量。

2.影响瓦斯涌出量的因素

矿井瓦斯涌出量受到诸多因素的影响，这些因素大体可以分为两类，即自然因素和开采技术因素。

（1）自然因素

1）煤层和围岩的瓦斯含量。它是决定瓦斯涌出量多少最重要的因素。开采煤层的瓦斯含量越高，其涌出量就越大。若开采煤层附近有瓦斯含量大的煤层或岩层，由于采动影响，这些煤层或岩层中的瓦斯就会不断地流向开采煤层的采空区。在此情况下，开采煤层的瓦斯涌出量可能大大超过它的瓦斯含量。

2）开采深度。在瓦斯带内，随着开采深度的增加，相对瓦斯涌出量增大，这是因为煤层和围岩的瓦斯含量随深度的增加而增加的缘故。

3）地面大气压力的变化。井下采空区或坍冒处积存有大量的瓦斯，在正常的情况下，这些地点积存的瓦斯与井巷风流处于相对平衡状态，瓦斯均衡地泄入风流中。当地面大气压突然下降时，井巷风流的压力也随之降低，这种平衡状态就被破坏，因而引起瓦斯涌出量增加。

（2）开采技术因素

1）开采顺序。首先开采的煤层（或分层）瓦斯涌出量大，是由于受采动影响，邻近煤层（或未采的其他分层）的瓦斯沿裂隙涌入的缘故。(www.chuimin.cn)

2）采煤方法与顶扳管理。机械化采煤，煤的破碎较严重，瓦斯涌出量高；水力采煤，水包围着采落的煤体，阻碍其中的瓦斯涌出，瓦斯涌出量较少，但湿煤中残余瓦斯含量增大；采空区丢失煤炭多、回采率低的采煤方法，采区瓦斯涌出量大。

采用全部陷落法管理顶板，由于能够造成顶底板更大范围的松动，以及采空区存留大量散煤等原因，其瓦斯涌出量比采用充填法管理顶板时要高。

3）开采速度和产量。当开采速度不高时，矿井的绝对瓦斯涌出量与开采速度或矿井产量成正比，而相对瓦斯涌出量则变化较小。当开采速度较高时，相对瓦斯涌出量中来自开采煤层和邻近煤层的涌出量反而相对减少，使得相对瓦斯涌出量降低。

4）生产工序。瓦斯从煤层暴露面（煤壁和钻孔）和采落的煤炭内涌出的特点是，初期涌出的强度大，随着时间的增长而下降（图3-2）。所以落煤时瓦斯涌出量总是大于其他工序。

5）风量变化。当风量突然增大或减小时，会引起瓦斯涌出量的变化，使瓦斯涌出量发生扰动。因此，对煤层群开采和综采放顶煤工作面的采空区以及煤巷的冒顶孔洞等积存大量高浓度瓦斯的地点，必须密切注意在增加风量时瓦斯涌出量所呈现的动态变化，防止因其峰值持续时间较长而引发瓦斯事故。

总之，影响矿井瓦斯涌出量的因素很多，应通过实际观测，找出其主要因素及影响规律，以制定和采取有针对性的防治措施。

三、矿井瓦斯等级

矿井瓦斯涌出量的大小和涌出形式的不同，不仅对矿井安全生产影响程度不同，而且它还直接影响矿井供风标准、电气设备选型及瓦斯管理制度等。因此，有必要根据矿井瓦斯涌出量和涌出形式划定矿井瓦斯等级，以便实行有针对性的、切实有效的瓦斯管理，确保矿井安全生产。

图3-2　瓦斯从暴露面涌出的变化规律

（一）矿井瓦斯等级划分

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:

（1）低瓦斯矿井。矿井相对瓦斯涌出量小于或等于10m³/t或矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于40m³/min。

（2）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。

（3）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，并报省（自治区、直辖市）负责煤炭行业管理的部门审批，并报省级煤矿安全监察机构备案。

（二）矿井瓦斯等级鉴定

1.鉴定的条件

矿井瓦斯等级的鉴定工作应在正常生产条件下进行。按每一矿井的全矿井、煤层、一冀、水平和采区分别计算月平均日产1吨煤瓦斯涌出量；在测定时，应采取测定中的最大值作为确定瓦斯等级的依据。

2.鉴定时间

根据矿井生产和气候的变化规律，选择瓦斯涌出量较大的一个月份进行鉴定工作，一般为7月份或8月份。

3.鉴定内容与测定要求

矿井瓦斯鉴定时，应在鉴定月份的上、中、下三旬中各选一天（间隔10天），分三班（或四班）进行测定。测定前必须做好组织分工和仪表校准等准备工作。

测定内容包括在矿井、煤层、一翼、水平和采区的回风巷内，在每一测点处测定风量、风流中的瓦斯和二氧化碳浓度。每班应测定三次，取其平均值作为该班的测定结果。如果进风流中含有瓦斯，鉴定地区的瓦斯涌出量应为进回风流中瓦斯量之差。

测定地点应选择在测风站内进行。如果附近无测风站，可选断面规整、无杂物堆积的平直巷道段作为观测站。抽放瓦斯的矿井，在鉴定日应在相应的地区测定抽放瓦斯量。

在鉴定月中，地面和井下气温、气压和湿度等气象条件也应记录，以备参考。

4.测定数据的整理与计算

每一测点所测得的瓦斯和二氧化碳等基础数据可按表3-2格式填写。表中三班平均瓦斯涌出量按下式计算:

式中:Q₁、Q₂、Q₃——分别为一、二、三班测得的风量（m³/min）；

C₁、C₂、C₃——分别为一、二、三班风流中的瓦斯浓度（%）。

测定地区抽放瓦斯时，QCH4值应包含抽放瓦斯量。

5.瓦斯等级鉴定报告

在鉴定月上、中、下旬进行测定的3天中，选取瓦斯涌出量最大一天的瓦斯涌出总量值作为计算瓦斯相对瓦斯涌出量的依据，按式（3-3）计算出矿井相对瓦斯涌出量。根据《煤矿安全规程》关于矿井瓦斯等级划分的规定，即可确定出该矿井瓦斯的等级。

表3-2瓦斯和二氧化碳测定基础数据表

四、瓦斯爆炸及其危害

（一）瓦斯爆炸过程

瓦斯和空气混合后，在一定条件下，遇高温热源发生氧化反应，并伴有高温及压力上升的现象，称为瓦斯爆炸。处于爆炸浓度极限内的瓦斯空气混合气体，首先在点火源处被引燃，形成厚度仅有0.01～0.1mm的火焰层面向未燃的混合气体中传播，瓦斯燃烧产生的热使燃烧波前方的气体膨胀，产生一个超前于燃烧波的压缩波（冲击波），压缩波作用于未燃气体使其温度升高，从而使火焰的传播速度进一步增大，这样就产生压力更高的压缩波，从而获得更高的火焰传播速度，最终形成依靠压缩波本身高压产生的温度就能点燃瓦斯的爆轰波。

（二）瓦斯爆炸危害

矿井一旦发生瓦斯爆炸，危害是十分严重的，主要表现在以下两个方面。

1.高温高压及冲击

由于瓦斯爆炸是激烈的氧化放热反应，井下爆炸地点及其附近的温度可达1 850℃以上，压力可达0.74MPa以上，促使爆源附近的气体以极大的速度（每秒数百米以上）向外冲击，造成人员伤亡、巷道和机电设备严重破坏。

此外，爆炸时产生的高温很可能引燃井下可燃物，造成矿井火灾。爆炸时产生的冲击会将煤尘扬起，使空气中煤尘浓度增加，若煤尘具有爆炸性，煤尘浓度又处在爆炸浓度范围内，加之又有高温热源，将会引发煤尘爆炸，使灾害更为严重。

2.爆炸后产生大量有毒有害气体

据分析，瓦斯爆炸后的气体成分为:O₂占6%～10%，N₂占82%～88%，CO₂占4%～8%，CO占2%～4%。由上述数据可以看出，爆炸后空气中氧的含量会大为减少，并产生大量的一氧化碳，这将造成人员窒息及中毒。在瓦斯爆炸所造成的人员伤亡中，绝大部分是因一氧化碳中毒和缺氧窒息所致。

（三）瓦斯爆炸的条件

引起瓦斯燃烧与爆炸必须具备三个条件:①一定浓度的甲烷；②一定温度的引火源；③足够的氧气。

1.瓦斯浓度

（1）瓦斯爆炸浓度极限。试验证实，在新鲜空气中瓦斯浓度低于5%时，混合气体无爆炸性，遇高温火源后只能在火焰外围形成稳定的燃烧层；当浓度在5%～16%时，混合气体有爆炸性；当瓦斯浓度高于16%时，混合气体无爆炸性，也不燃烧，如有新鲜空气供给时，可以在混合气体与空气的接触面上进行燃烧。

上述结论说明，瓦斯只有在一定浓度范围内才有爆炸性，这个浓度范围称为爆炸浓度极限。其最低爆炸浓度（5%）称为爆炸下限；最高爆炸浓度（16%）称为爆炸上限。

当瓦斯浓度为9.5%时，化学反应最完全，爆炸威力最大。瓦斯浓度在7%～8%时最容易爆炸，这个浓度称最优爆炸浓度（图3-3）。

图3-3　瓦斯爆炸浓度极限示意图

（2）影响瓦斯爆炸极限的因素。瓦斯爆炸的极限并不是固定不变的，它受到许多因素的影响，其中重要的有:

1）其他可燃气体的混入。在瓦斯和空气的混合气体中，如果有一些可燃性气体（如硫化氢、乙烷等）混入，则由于这些气体本身具有爆炸性，不仅增加了爆炸气体的总浓度，而且会使瓦斯爆炸下限降低，从而扩大了瓦斯爆炸的极限。表3-3为常见的几种可燃气体的爆炸极限。经计算表明，这些可燃性气体的混入都能使瓦斯爆炸极限扩大。因此，当井下发生火灾或可能产生其他可燃性气体时，即使平时瓦斯涌出量不大的矿井、采区或工作面，也可能发生瓦斯爆炸，对此应引起特别注意。

2）爆炸粉尘的混入。煤尘能燃烧，有的煤层本身还具备爆炸性，在300℃～400℃时，能挥发出可燃气体。因此，煤尘的混入会使爆炸下限下降。

3）惰性气体的混入。瓦斯和空气的混合气体中混入惰性气体将使氧气浓度降低，阻碍活化中心的形成，可以缩小瓦斯的爆炸极限，降低瓦斯爆炸的危险性。

2.引燃温度

引燃温度是指点燃瓦斯所需要的最低温度，一般为650℃～750℃，它的高低与瓦斯的浓度有关。甲烷爆炸极限随环境温度的变化如表3-4所示。

表3-3　煤矿中常见可燃气体的爆炸极限

瓦斯与高温热源接触时并不是立即燃烧、爆炸，而需经过一个较短的时间间隔，此现象称为瓦斯的引燃延迟性，间隔的这段时间称为瓦斯爆炸的感应期。感应期的长短与瓦斯浓度、引燃温度有关，瓦斯浓度越高，感应期越长；引燃温度越高，感应期越短。表3-5为瓦斯爆炸的感应期。

瓦斯爆炸的感应期对指导煤矿安全生产有着十分重要的意义。井下高温热源是不可避免的，但关键是控制其存在时间在感应期内。

表3-4　甲烷爆炸极限随环境温度的变化

表3-5　瓦斯爆炸的感应期

3.氧含量

正常大气压和常温时，瓦斯爆炸极限与氧浓度关系如图3-4所示。氧浓度降低时，爆炸下限变化不大（BE线），爆炸上限则明显降低（CE线）。氧浓度低于12%时，混合气体就失去爆炸性。爆炸三角形对火区封闭或启封以及惰性气体灭火时判断有无瓦斯爆炸危险均有一定的参考意义，我国已利用其原理研制出煤矿气体可爆性测定仪。

图3-4　科瓦德爆炸三角形