瓦斯爆炸与煤层自燃

(一)瓦斯爆炸

瓦斯突出后，若遇有燃火点则极易发生瓦斯爆炸。瓦斯爆炸是煤矿的一种主要地质灾害。

1.瓦斯的生成与聚集

矿井瓦斯是在矿床或煤炭形成过程中所伴生的天然气体产物的总称，其主要成分是甲烷(CH4)，其次为二氧化碳和氮气，有时还含有少量的氢、二氧化硫及其他碳氢化合物。狭义的瓦斯是指煤矿井下普遍存在而且爆炸危险性最大的甲烷(隋鹏程，1998)。

瓦斯的赋存分为游离状态和吸附状态两种。游离状态瓦斯呈自由气体存在于煤层的较大孔隙或孔洞中，吸附状态的瓦斯则在煤颗粒的分子引力作用下以分子形式被吸着在孔隙表面。在一定条件下，这两种状态瓦斯处于动态平衡之中。在采掘过程中，煤体内的瓦斯不断向采掘空间涌出。如果煤层中的吸附瓦斯在地压作用下突然大量地解吸为游离瓦斯，就会发生瓦斯突然喷出。

2.瓦斯爆炸的危害方式

一般认为，在正常压力下，瓦斯的引火温度是650～750℃。不论是明火、电火花、摩擦热生火花，还是火药爆破，均可点燃瓦斯与空气的混合物而引起爆炸。瓦斯爆炸或瓦斯与煤尘联合爆炸不仅出现高温，而且爆炸压力所构成的冲击破坏力也相当大。煤矿瓦斯爆炸产生的瞬间温度可达1850～2650℃，压力可达初始压力的9倍。当发生瓦斯连续爆炸时，会越爆越猛，出现很高的冲击压力。

瓦斯爆炸火焰前沿的传播速度，最大为2500m/s。当火焰前沿通过时，井下人员从皮肤到五官均可烧焦。井下设备由于爆炸的高压作用可深陷到岩石内，爆炸的冲击波还可破坏巷道、引起冒顶垮帮等其他灾害。

爆炸冲击波的传播速度最大可达2000m/s，冲击破坏力极强。在爆炸波正向冲击过程中，由于内部形成真空，压力降低，外部压力相对增大，结果空气返回后又形成反向冲击。这种反向冲击虽然速度较前者为慢，但因氧气的补充可能造成二次或多次瓦斯爆炸，其破坏力往往更大。

3.瓦斯爆炸灾害的预防措施

瓦斯积聚达到引爆浓度是发生瓦斯爆炸事故的物质基础，而引燃瓦斯的火种主要来自于管理不善，技术上的原因占少数。因而可以说，这种频率较大、严重程度极高的煤矿爆炸灾害几乎全部是人为致灾。因此，预防瓦斯爆炸主要应从防止瓦斯积聚和杜绝引爆火种两个方面入手。

(1)防止瓦斯积聚的措施

1)确保矿井通风:矿井通风是防止瓦斯积聚的有效预防措施，“无风不作业”是矿工们代代相传的“座右铭”。所有矿井都应实行机械通风，入风道布置单独回风道，实行分区并联通风。此外，要注意防止漏风，主要进出风巷道要密闭，控制风流的设施要严格按标准施工。

2)及时处理积存的瓦斯:井下易于发生瓦斯积聚的地点有回采工作面上隅角、冒顶顶拱处以及采空区密闭不严的地方等处。对这些地方要及时采取相应的措施，或排，或堵，及时有效地处理瓦斯的积聚。

3)抽放瓦斯:是指将未开采煤层或采空区中的瓦斯用钻孔或专用抽放巷道、管道、真空泵等直接抽吸到地面加以利用，变害为利。这是一项防止瓦斯爆炸的根本性措施，但这项措施往往受到煤层构造、瓦斯蕴藏量、生产强度、通风能力等因素的限制。

4)建立严格的瓦斯检查制度:每一矿井都必须建立瓦斯检查制度，配备专用仪表并安排专业瓦斯检查人员定时检查巷道内的瓦斯含量。对含量超过检限的地方，要及时采取措施加以处理。

(2)杜绝瓦斯爆炸火种的措施

1)严禁明火:严格禁止携带烟草及点火工具下井井下严禁使用灯泡或电炉取暖井下和井口不准从事电焊、气焊和喷灯等焊接工作，如果必须使用，则需采取必要的安全措施。为防止摩擦冲击火花，镐尖、手锤刃上要包上铜。

2)加强防爆电器的管理，防止电火花引燃:瓦斯矿井应选用矿用安全型、防爆型或防火花型电器设备。使用过程中要经常检查维护，使其保持良好的防爆性能。

3)加强火药管理，严格遵守安全爆破制度，放炮前后要检查瓦斯含量，瓦斯超限时不准放炮。

4)严格管理自然发火区，注意防火，加强检查火区内有毒气体及瓦斯浓度。

(二)煤层自燃

煤层自燃是指在自然环境下，有自燃倾向的煤层在适宜的供氧储热条件下氧化发热，当温度超过其着火点时而发生的燃烧现象。一般情况下，煤层自燃首先从煤层露头开始，然后不断向深部发展，形成大面积煤田火区，因此有时也称为煤田自燃。煤层自燃是人类面临的重大地质灾害之一。印度、美国、俄罗斯、印度尼西亚和中国等国家普遍存在煤层自燃现象。

煤层自燃必须具备的3个基本条件是:具有低温氧化特性的煤、充足的空气供氧以维持煤的氧化过程不断进行、在氧化过程中生成的氧化热大量蓄积。

1.影响煤层自燃的因素

1)决定煤层自燃的条件:煤的炭化变质程度越高，其自燃倾向越小。烟煤矿井发生自燃火灾的几率高于褐煤矿井，含有一定水分的煤更易于自燃。从煤岩成分来看，含丝煤愈多，愈易自燃。此外，煤的粒度、孔隙度、瓦斯含量及导热能力也是影响其自燃的重要因素。

2)煤层自燃的地质因素:主要有煤层的厚度、倾角以及地质构造条件，煤层愈厚，愈易发生自燃火灾，这是因为煤层厚、难于全部采出，常遗留大量浮煤残柱，而且厚煤层采区回采时间过长，大大超过煤层的自燃火期。据鹤岗矿区统计，86.6%的自燃火灾发生在5m以上的厚煤层中。煤层倾角对于自燃也有影响，煤层倾斜愈大，自燃危险性愈大。

在断层、褶皱、破碎带、岩浆入侵地区，由于煤层破碎吸氧条件好而更易氧化，因而煤层发生火灾几率较大。

采矿过程中的回采率、回采速度以及通风条件等也对煤层自燃有影响。如大巷开采时切割煤层少、保留矿柱少、回采速度慢、地压易于集中，很容易产生煤层自燃。从通风条件看，漏风大不仅有效风量低，而且向采空区、煤柱区渗漏供氧，促进了煤的自燃。

中国北方煤田自燃大部分发生在煤质好、灰分低、埋藏浅、易于开采的厚煤层地区，且多处于气候干旱、特干旱的中西部地带。新疆已成为世界上煤田自燃灾害最严重的地区。

2.煤层自燃的危害

我国研究人员利用遥感技术发现，自燃在我国北方煤田普遍存在，共有火区56处，主要分布在新彊、宁夏、内蒙古、甘肃、青海、陕西、山西7个省、自治区，火区燃烧面积累计达720km2。每年直接燃烧损失的煤炭资源达(1000～1360)×104t。据初步统计，全国由煤层自燃造成的煤炭资源损失达1200×104t/a。

新疆的煤田自燃损失最大。据统计，近一二百年以来，新疆已白白烧掉21×108t煤炭。位于乌鲁木齐市西北侧的硫磺沟煤田火区面积达120km2，煤田几十年的自燃已损失煤炭储量4270×104t。造成火灾的主要原因是地壳变动导致煤层祼露而自燃起火，周围一些小煤窑的无序开采也助长了火势。新彊环境监测中心对火区的监测表明，硫磺沟火区燃烧已向大气排放10.8×104t的各种有毒、有害气体，这些气体如果瞬间进入到任何一个城市，都足以使该城市毁灭。此外，它还污染了河流水质，造成水土流失，土壤荒漠化。

宁夏和内蒙古因自燃而烧掉的优质无烟煤每年达230×104t。我国北方煤田自燃每年排放一氧化碳、二氧化硫、二氧化氮及粉尘约105×104t。

煤田自燃除破坏资源、污染环境外，还危害煤矿的安全生产。由于煤田自燃导致的煤矿井下起火在我国中西部频繁发生。

3.预防煤层自燃的技术措施

1)开采技术措施:①选择合理的开采方法。优先采用石门、岩石大巷的脉外掘进方式，以减少煤层的切割量，便于少留煤柱，易于及时封闭和隔离采空区②坚持先上层后下层、自上而下的开采顺序和由边界向中央的后退式回采方式。选用回采率高、回采速度快、不留煤柱、采空区容易封闭的采煤方法③根据煤的自燃发火期的长短和回采速度来决定采区尺寸，合理布置采区，必须保证在煤体自燃发火期到来之前回采完毕并及时封闭采区④提高回收率，降低煤炭损失减少采区残煤，提高回采程度，适时清扫工作面，及时充填采空区。

2)通风防火措施:①实行机械通风，建立稳定可靠的通风系统，加强通风管理②采用分区通风，避免串联，及时安设调节风流，控制和隔绝火区，缩小火区范围③最大限度地降低风压、减少漏风，及时安设调节风门、密闭墙等通风构筑物，并正确选择安设地点，保证施工质量④加强通风系统的测定和管理，特别注意有自燃危险区域的风量、风压、风向、漏风状况、空气中瓦斯浓度、一氧化碳含量的测定⑤调节风门均压，减少并联网路漏风，即在工作面回风巷道里安装调节风门，降低工作面压差，减少风量。

3)预防性灌浆:对厚度较大的煤层或老采空区过多而极易自燃的煤田，易采用预灌浆的方法进行隔断，防止煤层自燃。随采随灌的方法可防止遗煤自燃，同时可胶结冒落的矸石形成再生顶板，为下部一采层创造了安全防火条件。采后灌浆，则可以填充易自燃的采空区而避免煤层自燃。为降低灌浆材料成本，在保障有效阻隔和一定胶结强度的前提下，可根据具体情况采用粘土浆、粘土泥浆、粘土石灰浆。

4)阻化剂防火:采用阻止氧化剂溶液喷洒在采空区的煤块上，以阻止残煤氧化自燃或向已氧化发热的煤壁打钻孔压注阻化剂，控制煤的自燃。阻化剂可采用无机盐化合物，通常由氯化钙(CaCl2)、氯化镁(MgCl2)、氯化铵(NH4Cl)、氯化钠(NaCl)或三氯化铝(AlCl3)等溶液制成。