矿山危险因素之十二——矿井瓦斯害及其安全风险

矿井瓦斯危害
    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。