二、煤礦瓦斯及其防治技術(shù)
(一)瓦斯性質(zhì)及瓦斯參數(shù)測(cè)定
1．瓦斯性質(zhì)
瓦斯是指礦井中主要由煤層氣構(gòu)成的以甲烷為主的有害氣體，有時(shí)單獨(dú)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(kuò)散性較空氣高。瓦斯無毒，但濃度很高時(shí)，會(huì)引起窒息。
2．煤層瓦斯賦存狀態(tài)
瓦斯在煤層中的賦存形式主要有兩種狀態(tài)：在滲透空間內(nèi)的瓦斯主要呈自由氣態(tài)，稱為游離瓦斯或自由瓦斯，這種狀態(tài)的瓦斯服從理想氣體狀態(tài)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(nèi)部，占據(jù)著煤分子結(jié)構(gòu)的空位或煤分子之間的空間。實(shí)測(cè)表明，在目前開采深度下(1000～2000m以內(nèi))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(cè)定
煤層瓦斯含量是指單位質(zhì)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(chǔ)數(shù)據(jù)，是礦井通風(fēng)及瓦斯抽放設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。煤層在天然條件下，未受采動(dòng)影響時(shí)的瓦斯含量稱原始含量；受采動(dòng)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(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等。
煤層瓦斯含量測(cè)定方法目前主要有地勘鉆孔測(cè)定法，實(shí)驗(yàn)室間接測(cè)定法和井下快速直接測(cè)定法3種。
4．煤層瓦斯壓力及測(cè)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(yùn)動(dòng)對(duì)煤壁所表現(xiàn)的作用力。煤層瓦斯壓力是用間接法計(jì)算瓦斯含量的基礎(chǔ)參數(shù)，也是衡量煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性的重要指標(biāo)。測(cè)定方法主要有直接測(cè)定法和間接測(cè)壓法。
(二)礦井瓦斯涌出及瓦斯等級(jí)
1．礦井瓦斯涌出的形式
開采煤層時(shí)，煤體受到破壞或采動(dòng)影響，貯存在煤體內(nèi)的部分瓦斯就會(huì)離開煤體而涌入采掘空間，這種現(xiàn)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(shù)量，瓦斯涌出量的表示方法有兩種：絕對(duì)瓦斯涌出量——單位時(shí)間涌入采掘空間的瓦斯量，單位為m3／min；相對(duì)瓦斯涌出量——單位質(zhì)量的煤所放出的瓦斯數(shù)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(guī)模、開采程序、采煤方法與頂板管理方法、生產(chǎn)工序、地面大氣壓力的變化、通風(fēng)方式和采空區(qū)管理方法等。
3．礦井瓦斯等級(jí)及其鑒定
《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，一個(gè)礦井中只要有一個(gè)煤(巖)層發(fā)現(xiàn)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(jí)進(jìn)行管理。
根據(jù)礦井相對(duì)瓦斯涌出量、礦井絕對(duì)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(duì)瓦斯涌出量小于或等于10m3/t且礦井絕對(duì)瓦斯涌出量小于或等于40m3／min；
高瓦斯礦井：礦井相對(duì)瓦斯涌出量大于10m3/t 或礦井絕對(duì)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(fā)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(guī)程》規(guī)定：每年必須對(duì)礦井進(jìn)行瓦斯等級(jí)和二氧化碳涌出量鑒定。

(三)瓦斯噴出及預(yù)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(xiàn)象。在20m巷道范圍內(nèi)，涌出瓦斯量大于或等于1．0m3／min，且持續(xù)時(shí)間在8h以上時(shí)，該采掘區(qū)域即定為瓦斯噴出危險(xiǎn)區(qū)域。
瓦斯噴出的預(yù)兆：礦壓活動(dòng)顯現(xiàn)激烈，煤壁片幫嚴(yán)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(yù)防
(1)加強(qiáng)礦井地質(zhì)工作，摸清采掘地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造情況；
(2)在可能發(fā)生噴出的地區(qū)掘進(jìn)巷道時(shí)，打前探鉆孔或抽排鉆孔；
(3)加大噴出危險(xiǎn)區(qū)域的風(fēng)量；
(4)將噴出的瓦斯直接引入回風(fēng)巷或抽放瓦斯管路；
(5)掌握噴出的預(yù)兆，及時(shí)撤離工作人員，并配備自救器，安設(shè)壓氣自救系統(tǒng)；
(6)掌握礦壓規(guī)律，避免礦壓集中，及時(shí)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(yù)防
煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出是指在地應(yīng)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(nèi)突然向采掘空間拋出的異常動(dòng)力現(xiàn)象。煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出具有突發(fā)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(diǎn)，能摧毀井巷設(shè)施、破壞通風(fēng)系統(tǒng)、造成人員窒息，甚至引起瓦斯爆炸和火災(zāi)事故，是煤礦最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。
煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出的機(jī)理有許多種假設(shè)，但基本公認(rèn)的是綜合假說，即：煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出是由地應(yīng)力、瓦斯和煤的物理力學(xué)性質(zhì)三者綜合作用的結(jié)果。
1．煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出的一般規(guī)律
(1)突出危險(xiǎn)性隨采掘深度的增加而增加；
(2)突出危險(xiǎn)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(qiáng)度最大，煤巷掘進(jìn)工作面突出次數(shù)最多，爆破作業(yè)最易引發(fā)突出、采煤工作面突出防治技術(shù)難度最大；
(4)突出多數(shù)發(fā)生在構(gòu)造帶、煤層遭受嚴(yán)重破壞的地帶、煤層產(chǎn)狀發(fā)生顯著變化的地帶、煤層硬度系數(shù)小于0．5的軟煤層中；
(5)突出發(fā)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(fā)煤油氣味、煤層產(chǎn)狀發(fā)生變化等預(yù)兆；
(6)突出按動(dòng)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(yù)測(cè)
我國煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出預(yù)測(cè)分為區(qū)域性預(yù)測(cè)和工作面預(yù)測(cè)兩類。
(1)區(qū)域性預(yù)測(cè)。區(qū)域性預(yù)測(cè)的任務(wù)是確定井田、煤層和煤層區(qū)域的危險(xiǎn)性，在地質(zhì)勘探、新井建設(shè)和新水平開拓時(shí)進(jìn)行。區(qū)域性預(yù)測(cè)主要有如下幾種方法：
①單項(xiàng)指標(biāo)法。采用煤的破壞類型、瓦斯放散初速度、煤的堅(jiān)固性系數(shù)和煤層瓦斯壓力作為預(yù)測(cè)指標(biāo)，各種指標(biāo)的突出危險(xiǎn)臨界值應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)資料確定。
②按照煤的變質(zhì)程度。煤層的突出危險(xiǎn)程度與其揮發(fā)分之間是密切相關(guān)的：在煙煤的揮發(fā)分大于35％和無煙煤的比電阻的對(duì)數(shù)值小于3．3時(shí)，沒有突出危險(xiǎn)；而揮發(fā)分在18％～22％時(shí)突出危險(xiǎn)最高。
③地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法。根據(jù)已開采區(qū)域突出點(diǎn)分布與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系，然后結(jié)合未采區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造條件來大致預(yù)測(cè)發(fā)生突出可能發(fā)生的范圍。
(2)日常預(yù)測(cè)。日常預(yù)測(cè)也稱工作面預(yù)測(cè)，其任務(wù)是確定工作面附近煤體的突出危險(xiǎn)性，即該工作面繼續(xù)向前推進(jìn)時(shí)有無突出危險(xiǎn)。
1）石門揭煤突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)。石門揭煤突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的方法主要有：
①綜合指標(biāo)法。在石門向煤層至少打2個(gè)測(cè)壓孔，測(cè)定煤層瓦斯壓力，并在打鉆過程中采樣，測(cè)定煤的堅(jiān)固性系數(shù)和瓦斯放散初速度，按綜合指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)。
②鉆屑指標(biāo)法。在距煤層最小垂距3～5m時(shí)至少向煤層打2個(gè)預(yù)測(cè)鉆孔，用1—3mm 的篩子沖洗液中的鉆屑，測(cè)定其瓦斯解吸指標(biāo)。鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)的臨界值應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定。
③鉆孔瓦斯涌出初速度結(jié)合瓦斯涌出衰減系數(shù)。當(dāng)石門距煤層3m以外時(shí)，至少打2個(gè)穿透煤層全厚的預(yù)測(cè)鉆孔，打鉆結(jié)束后馬上用充氣式膠囊封孔器封孔，充氣壓力0.5 MPa。打鉆結(jié)束到開始測(cè)量的時(shí)間不應(yīng)超過5min。封孔后先測(cè)第1min的瓦斯涌出初速度，第2min測(cè)定解吸瓦斯壓力，如果瓦斯涌出初速度超過預(yù)定的工作指標(biāo)，還須測(cè)定第5min 的鉆孔涌出速度，以便算出瓦斯涌出衰減系數(shù)。
2）煤巷突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)。煤巷突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)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(gè)平行于巷道掘進(jìn)方向的鉆孔，用充氣式膠囊封孔器封孔，測(cè)定鉆孔瓦斯涌出初速度，從打鉆結(jié)束到開始測(cè)量的時(shí)間不應(yīng)超過2min。
②鉆屑指標(biāo)法。在工作面打2個(gè)或3個(gè)鉆孔。鉆孔每打1m測(cè)定一次鉆屑量，每打2m測(cè)一次鉆屑解吸指標(biāo)。根據(jù)每個(gè)鉆孔沿孔深每米的最大鉆屑量和鉆屑解吸指標(biāo)預(yù)測(cè)工作面突出危險(xiǎn)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(shù)措施。防治突出的技術(shù)措施主要分為區(qū)域性措施和局部性措施兩大類。區(qū)域性措施是針對(duì)大面積范圍消除突出危險(xiǎn)性的措施，局部性措施主要在采掘工作面執(zhí)行，針對(duì)采掘工作面前方煤巖體一定范圍消除突出危險(xiǎn)性的措施。目前區(qū)域性措施主要有3種，即預(yù)留開采保護(hù)層、大面積瓦斯預(yù)抽放、控制預(yù)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(dòng)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(yīng)對(duì)開采煤層及其對(duì)開采煤層構(gòu)成影響的鄰近煤層進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)。對(duì)確認(rèn)的突出危險(xiǎn)區(qū)域，應(yīng)采取區(qū)域性防治突出技術(shù)措施，對(duì)確認(rèn)的突出危險(xiǎn)工作面，必須采取防治突出技術(shù)措施。在采取防治突出技術(shù)措施后，必須對(duì)防治突出技術(shù)措施和消除突出危險(xiǎn)性的效果進(jìn)行檢驗(yàn)，如果檢驗(yàn)有效，在采取安全防護(hù)措施的前提下進(jìn)行采掘作業(yè)；如果檢驗(yàn)無效，必須補(bǔ)充防治突出技術(shù)措施，直至再次檢驗(yàn)為有效時(shí)方可在采取安全防護(hù)措施前提下進(jìn)行采掘作業(yè)。否則，必須繼續(xù)補(bǔ)充技術(shù)措施。
(3)安全防護(hù)措施。安全防護(hù)措施是控制突出危害程度的措施，也就是說即使發(fā)生突出，也要使突出強(qiáng)度降低，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行保護(hù)不致危及人身安全。如震動(dòng)性放炮、遠(yuǎn)距離放炮、反向防突風(fēng)門、壓風(fēng)自救器、個(gè)體自救器等。
 

(五)瓦斯爆炸及預(yù)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(shí)會(huì)產(chǎn)生3個(gè)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(huì)嚴(yán)重摧毀礦井設(shè)施、中斷生產(chǎn)。礦井瓦斯爆炸往往引起煤塵爆炸、礦井火災(zāi)、井巷坍塌和頂板冒落等二次災(zāi)害。
1．瓦斯爆炸的條件
引起瓦斯燃燒與爆炸必須具備3個(gè)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(yù)防瓦斯爆炸技術(shù)措施
預(yù)防瓦斯爆炸技術(shù)措施包括4個(gè)方面：
(1)防止瓦斯積聚和超限；
(2)嚴(yán)格執(zhí)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(zāi)害擴(kuò)大的措施。
(六)礦井瓦斯抽放
1．瓦斯抽放方法
瓦斯抽放系統(tǒng)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(jù)抽放瓦斯的來源，瓦斯抽放可以分為：本煤層瓦斯預(yù)抽、鄰近層瓦斯抽放、采空區(qū)瓦斯抽放以及幾種方法的綜合抽放。
2．瓦斯抽放指標(biāo)
(1)反映瓦斯抽放難易程度的指標(biāo)：煤層透氣性系數(shù)、鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)、百米鉆孔瓦斯涌出量。
(2)反映瓦斯抽放效果的指標(biāo)：瓦斯抽放量、瓦斯抽放率。
3．瓦斯抽放主要設(shè)備設(shè)施
(1)瓦斯抽放泵。瓦斯抽放泵是進(jìn)行瓦斯抽放最主要的設(shè)備。
(2)瓦斯抽放管路。瓦斯抽放管路是進(jìn)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(jī)。絕大多數(shù)的瓦斯抽放工程都需要利用鉆孔進(jìn)行瓦斯抽放，因此，鉆機(jī)是進(jìn)行瓦斯抽放的礦井使用最多的設(shè)備。
(4)瓦斯抽放參數(shù)測(cè)定儀表。煤礦瓦斯流量測(cè)定儀表主要有孔板流量計(jì)、均速管流量計(jì)、皮托管、渦街流量計(jì)等。
(5)瓦斯抽放鉆孔的密封。封孔是確保抽放效果的重要環(huán)節(jié)，采用先進(jìn)的封孔技術(shù)和加強(qiáng)封孔的日常施工管理，是提高封孔質(zhì)量的主要途徑。
(七)礦井瓦斯檢測(cè)及監(jiān)測(cè)
瓦斯檢測(cè)實(shí)際上是指甲烷檢測(cè)，主要檢測(cè)甲烷在空氣中的體積濃度。使用便攜式瓦斯檢測(cè)報(bào)警儀，可隨時(shí)檢測(cè)作業(yè)場(chǎng)所的瓦斯?jié)舛�，也可使用瓦斯傳感器連續(xù)實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛�。煤礦常用的瓦斯檢測(cè)儀器，按檢測(cè)原理分類有：光學(xué)式、催化燃燒式、熱導(dǎo)式、氣敏半導(dǎo)體式等等，可以根據(jù)使用場(chǎng)所、測(cè)量范圍和測(cè)量精度等要求，選擇不同檢測(cè)原理的瓦斯檢測(cè)儀器。
1．便攜式瓦斯檢測(cè)儀表
(1)便攜式熱催化型甲烷檢測(cè)報(bào)警儀。當(dāng)一定的工作電流通過黑元件(用鉑絲制成)時(shí)，其表面即被加熱到一定溫度，當(dāng)含有瓦斯的空氣接觸到黑元件表面時(shí)，便被催化燃燒，燃燒放出的熱量又進(jìn)一步使元件的溫度升高，使鉑絲的電阻值明顯增加，于是電橋就失去平衡，輸出一定的電壓。在甲烷濃度低于4％的情況下，電橋輸出的電壓與瓦斯?jié)舛然�本上呈直線關(guān)系，因此可以根據(jù)測(cè)量電橋輸出電壓的大小測(cè)算出瓦斯?jié)舛鹊臄?shù)值；當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸�過4％時(shí)，輸出電壓就不再與瓦斯?jié)舛瘸烧�比關(guān)系，所以按這種原理做成的甲烷檢測(cè)報(bào)警儀只能測(cè)濃度低于4％的瓦斯。
(2)攜便式光學(xué)甲烷檢測(cè)儀。光學(xué)甲烷檢測(cè)儀是根據(jù)光干涉原理制成的。由于光通過氣體介質(zhì)的折射率與氣體的密度有關(guān)，如果以空氣室和瓦斯室都充入同密度的新鮮空氣時(shí)產(chǎn)生的條紋為基準(zhǔn)(對(duì)零)，當(dāng)瓦斯室充入含有瓦斯的空氣時(shí)(抽氣測(cè)定)，由于空氣室中的新鮮空氣和瓦斯室中的含瓦斯氣體的密度不同，引起折射率的變化，光程也就隨之發(fā)生變化，于是干涉條紋產(chǎn)生位移(移動(dòng))，從目鏡可以看到干涉條紋移動(dòng)的距離。由于干涉條紋的位移量與瓦斯?jié)舛瘸烧�比例關(guān)系，所以根據(jù)干涉條紋的位移量就可以測(cè)得瓦斯的濃度，從目鏡可以觀察到干涉條紋移動(dòng)后所處的瓦斯?jié)舛瓤潭戎�，于是便可測(cè)得瓦斯?jié)舛取?
2．瓦斯自動(dòng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)
(1)礦井瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)組成。礦井瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)終端、監(jiān)控中心站、通信接口裝置、井下分站、傳感器組成。
(2)礦井瓦斯監(jiān)測(cè)、監(jiān)控系統(tǒng)。目前國內(nèi)在用的礦井瓦斯監(jiān)測(cè)、監(jiān)控系統(tǒng)有：KJ4、KJ90、KJ95、KJl01、KJP2000、KJ4／KJ2000和KJG2000等監(jiān)控系統(tǒng)，以及MSNM、WEBGIS等煤礦安全綜合化和數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。
【例題】《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：礦井主要通風(fēng)機(jī)必須裝有反風(fēng)設(shè)施，并能在（）min內(nèi)改變巷道中風(fēng)流方向，當(dāng)風(fēng)流方向改變后主要風(fēng)機(jī)的供給風(fēng)量不應(yīng)小于正常供風(fēng)量（）。
A. 10    30%    
B. 10    40% 
C. 30    30%
D. 30    40%
【答案】B