瓦斯爆炸及预防

武小练

（太原市南峪煤矿， 山西 太原 030054）

根据我国发生的大量事故统计分析，瓦斯在我国矿井事故的最大“杀手”，2009年，我国已发生4起特别重大煤矿事故：山西屯兰矿难、重庆同华矿难、河南新华矿难、黑龙江新兴矿难，其中3起发生在国有大型煤矿，还有2010年发生的3.31河南伊川瓦斯爆炸事故，4月6日在美国弗杰尼亚发生的瓦斯爆炸事故现在已改变原来瓦斯事故在小煤矿多发态势，进而出现国有大型煤矿事故呈现多发态势，形势严峻。因此，剖析瓦斯爆炸的原因，掌握瓦斯发生的规律，制定瓦斯防治的防治措施，这些对安全生产具有极其重要的意义。

1 瓦斯爆炸事故的危害

1.1 瓦斯爆炸的特点

根据多年对煤矿瓦斯爆炸事故的统计分析，可以发现一些特点：①瓦斯爆炸多为大事故；②事故地点多发生在采煤工作面和掘进工作面；③瓦斯爆炸造成的破坏性和范围大；④多为火花引爆；⑤高瓦斯矿井、低瓦斯矿井都有发生，一般低瓦斯发生比例大于高瓦斯矿井；⑥现在呈现出大、小矿皆有发生。

1.2 事故原因分析

煤矿发生瓦斯爆炸事故与众多因素有关，但总得说来，主要与自然因素、安全技术手段、安全装备水平、安全意识和管理水平等有关，发生瓦斯爆炸事故往往是以上因素相互综合作用所导致的。

1.3 瓦斯爆炸的危害

矿井瓦斯爆炸的主要危害可以概括为高温、冲击波和有毒有害气体。

1.3.1 高温

火焰锋面温度可达到2 150～2 650℃，火焰锋面的传播范围一般为几十米到数百米，只有极少数情况会达到几千米。

当具有高温的火焰锋面通过时，可以造成人员烧死，电气设备与电缆烧坏，当电缆有电时，可能引起二次性的电气火灾；引燃井巷的可燃物造成二次性的灾害（火灾）；引爆井巷中具有爆炸性的混合物质造成二次性的灾害（瓦斯爆炸或煤尘爆炸）。

1.3.2 冲击波

正向、反向、斜向冲击波通过时会引起：①人体创伤甚至造成人员死亡，大多数情况下，人体创伤具有综合（创伤和烧伤综合）、多样的特征；②移动翻到和破坏机械设备、电气设备，甚至可能发生二次性着火；③破坏支架、引起冒顶、巷道垮塌，导致通风设施损坏和通风系统的破坏，并使抢险救灾和救护伤员复杂化、困难化。

1.3.3 有害气体

瓦斯爆炸后会生成大量的以CO为主的有毒有害气体，据调查，爆炸造成人员中的70%～80%是CO中毒引起的。因此，煤矿发生爆炸最大危险性以及造成的最严重后果，在大多数情况下，是矿井大气成分的发生变化。

2 瓦斯爆炸的条件及影响因素

2.1 瓦斯爆炸的条件

①瓦斯浓度在爆炸界限内，一般为5%～16%；②具备一定条件的引燃火源（其条件包括：温度高于最低点燃温度650～750℃，点燃时间长于感应期）；③氧气浓度超过失爆氧浓度（不低于12%）。

由于采掘工作面进风巷中的氧浓度要求不低于20%，因此，防止瓦斯爆炸事故的发生就必须从防止瓦斯积聚超限和火源两个方面采取相应的控制措施。

2.2 影响瓦斯爆炸的主要因素

2.2.1 瓦斯的爆炸浓度

瓦斯在空气中的爆炸下限为5%～6%，爆炸上限为14%～16%。瓦斯浓度为9.5%，是化学反应最完全、产生的温度与压力也最大，发生的爆炸最剧烈。瓦斯浓度为7%～8%时，最容易发生爆炸，称为最佳爆炸浓度。

需要指出的是：瓦斯浓度界限不是固定不变的。如可燃气体混入，可以降低瓦斯爆炸浓度的下限。惰性气体或卤素元素的混入，可以阻碍活化中心的形成，降低瓦斯爆炸浓度的危险性；如加入22.5%的CO2或36%的N2，或加入4.2%的二氟二溴甲烷或6.1%三氟乙溴甲烷，可以使任何浓度的瓦斯失去爆炸性。煤尘的混入，可使瓦斯的爆炸下限降低，爆炸的危险性增加；如在其他条件相同的情况下，将空气中的含尘量由5 g/m3增加到40 g/m3时，爆炸下限就由4%降低到0.5%。瓦斯的初温越高，爆炸界限就越扩大；井下发生火灾或爆炸时，高温会使原来未达到爆炸浓度的瓦斯发生爆炸。

2.2.2 氧浓度

O2浓度减低时，爆炸下限变化不大，但爆炸上限降低明显；O2浓度低于12%时，瓦斯失去爆炸性，遇火也不燃烧。

2.2.3 瓦斯最低点燃温度和最小点火能量

最低点燃温度不仅决定了在什么样的爆炸混合气体内，使用什么型号的防爆电器设备，而且决定了爆炸危险环境中设备的允许温升。根据实验可知，瓦斯的最低点燃温度，一般为650～750℃。

最小点火能量是指在调节放电电路中电荷电缆及电容的大小以及电极之间的距离和电极的形状，使在压力为101.3 kPa和温度为20℃条件下，最易点燃的可燃气体与空气混合物刚能点燃时的能量。由于对本质安全型防爆设备限制了其电路参数，使之在电路切换、短路放电灯能量低于工作环境中可燃气体的最小点火能量，因此，这类设备无论在正常工作状态，还是故障状态都是安全的。根据实验，瓦斯的最小点火能量是0.28 mJ。

根据瓦斯的最低点燃温度和最小点火能量，煤矿井下出现的明火，煤田自燃、电弧、电火花、炽热的金属、撞击火花、摩擦火花、静电火花以及采空区的砂岩悬顶冒落时产生的碰撞火花等，都能点燃瓦斯或引起瓦斯爆炸。

2.2.4 瓦斯的引火延迟性

瓦斯和高温热源接触后，不是立即燃烧和爆炸，而是要经过一个很短的间隔时间，这种现象叫引火延迟性，这段间隔时间称为感应期。瓦斯浓度越高，感应期越长；火源温度越高，感应期越短。见表1。

表1 瓦斯爆炸的感应期

瓦斯的引火延迟性对煤矿的安全有着重要意义，如在井下使用矿用安全炸药进行爆破作业，虽然炸药爆炸产物的温度高达2 000℃，但高温存在的时间极短，一般为16-6～18-7s，小于瓦斯爆炸的感应期，因此，不会引起瓦斯爆炸。如果炸药质量不合格，就会发生瓦斯燃烧或爆炸。井下电气设备必须采用安全火花型或隔爆型（电火花存在时间控制在16-2～18-6s，电弧存在时间控制在16-4～1 s，）就是使火焰或火花存在时间小于瓦斯引燃感应期，达到安全生产的目的。

3 预防瓦斯爆炸的措施

根据瓦斯发生爆炸的条件、特点及其影响因素，预防瓦斯爆炸的技术措施主要包括3个方面：即防止瓦斯积聚、防止瓦斯引燃和防止瓦斯爆炸事故的扩大。

3.1 防止瓦斯的积聚

防止瓦斯积聚的主要技术措施有：

3.1.1 加强通风

通风是防止瓦斯积聚的最基本、最有效的手段。除了加强日常通风管理外，必须做到以下几个方面：

（1）优化通风系统，确保通风系统稳定、可靠。

（2）开采布局和巷道布置合理，有突出危险采掘面的回风严禁直接经过其他采掘面唯一的安全出口。各生产水平和采区必须实行分区通风；准备采区，必须在采区构成通风系统后，方可开掘其他巷道；采煤工作面必须在采区构成完整的通风、排水系统后，方可回采。采、掘工作面应实行独立通风。

（3）通风设施可靠，永久风门联锁，主要风门安装开关传感器。

（4）掘进巷道应采用大功率对旋局部通风机和大直径风筒。井下局部通风机必须做到“三专两闭锁”，“双电源”必须做到自动切换。

3.1.2 及时处理局部积聚的瓦斯

（1）掘进巷道的瓦斯积聚处理。掘进巷道最常遇到的瓦斯积聚形式有：巷道顶板附近及顶板冒落孔洞和支架附近空洞中的积聚；回风巷矸石带附近积聚；在报废的风巷和采空区连接处积聚；钻孔中和打钻时的孔口附近积聚；掘进机组附近积聚。防止和消除巷道瓦斯积聚的主要方法是全面地或局部地增加风速。在独头巷道，应把靠近顶板的风速增加到不小于0.2 m/s；若增加的风速不能消除瓦斯积聚，应采取局部处理瓦斯的方法，如在巷道中铺设帆布风障、靠顶板挂倾斜挡板、安装压风或水动力的引射器、安装局部通风机等；当涌出的瓦斯面积较大时，可采用木板或黏土将其填实隔绝，或注入砂浆等凝固材料。堵塞较大的裂缝，将瓦斯源封闭隔绝。顶板冒落孔洞和支架附近空洞中瓦斯积聚的常用处理方法有：用砂土将冒落空间填实；用导风板或风筒接岔（俗称风袖）引入风流吹散瓦斯。

（2）采煤工作面瓦斯积聚处理。采煤工作面的瓦斯来源主要有3个方面：①来自工作面煤壁和采落煤的瓦斯；②来自采空区的瓦斯；③来自进风巷或运输巷中煤壁和运输煤的瓦斯。采煤工作面的瓦斯主要来自前两个方面。消除采煤工作面瓦斯超限和积聚的最有效方法是采用分源处理瓦斯的通风方式，主要有Y形、W形通风方式从掺风平巷向工作面上部供新风；采用专门排瓦斯巷道；在工作面上隅角附近设置木板隔墙或帆布风障，设置高压水的或压气的引射器排放上隅角瓦斯，利用局部通风机向工作面上隅角供新风。

（3）采煤机附近的瓦斯积聚。防止采煤机附近瓦斯积聚的主要方法是增加工作面风速或采煤机附近风速；采用小型局部通风机、水力引射器或环隙式引射器加大机组附近的风速。

（4）采空区岩石冒落时的瓦斯燃烧。防止采空区岩石冒落时瓦斯燃烧的最好方法是改变顶板管理方法，即由全部冒落法改为局部充填法或全部充填法。

3.1.3 加强瓦斯监测与监控

（1）人工监测。矿井必须建立瓦斯、二氧化碳和其他有害气体检查制度，并要落到实处，做到严格执行。通风瓦斯日报必须送矿长、技术负责人审阅，一矿多井的矿必须同时送井长、井技术负责人审阅。对重大的通风、瓦斯问题，应制定措施，进行处理。

（2）自动化监控。所有矿井必须装备矿井安全监控系统，矿井安全监控系统的安装、维护、使用、管理和系统联网必须符合《煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范》（AQ1029—2007）的要求。

（3）实施地质构造、瓦斯异常带“五位一体”现场管理措施。地质人员加强地质预测预报，及时提供预测资料；打钻人员在钻进过程中发现时立即停机，并及时汇报；掘进施工人员发现地质、矿压、瓦斯异常时，立即停工；监控人员保证瓦斯超限时，立即切断掘进巷道及其回风系统内电源；瓦检员发现瓦斯异常时，立即撤出人员。

3.1.4 瓦斯抽放

（1）瓦斯抽放的效益。瓦斯抽放目前在高瓦斯煤矿广泛应用，对治理瓦斯达到明显效果，并且对抽放瓦斯利用以后，对煤矿有明显的经济效益，是节能减排很好的一项综合利用方法。

（2）瓦斯抽放的方法。瓦斯抽放的方法有本煤层抽放、邻近层抽放和采空区抽放等；抽放工艺有顺层长钻孔、大直径钻孔、地面钻孔、顶板岩石和巷道钻孔等。

3.2 防止瓦斯引燃

防止瓦斯引燃的原则是：严禁和杜绝一切非生产必需的热源；严格管理和限制生产中可能发生的火、热源。面之间的串联通风。

（3）通风系统力求简单。进、回风井之间和主要进、回风巷道之间的每个联络巷中，必须砌筑永久性风墙；需要使用的联络巷，必须安设两道联锁的正向风门和两道反向风门；采空区及不用的巷道必须及时封闭。

（4）装有主要通风机的出风井口应安装防爆门；生产矿井主要通风机必须装有反风设施。

（5）矿井必须设地面消防水池和井下消防管理系统。高瓦斯矿井煤巷掘进工作面应安设隔（抑）爆设。

3.3 防止瓦斯爆炸灾害事故扩大的措施

4 结束语

为了防止万一发生瓦斯爆炸，使灾害局限在尽可能小的区域内，以减少损失，必须做好以下工作：

（1）编制瓦斯事故应急预案。

（2）实行分区通风。每一水平和每一采区都必须布置单独的回风道；采、掘工作面应实行独立通风；开采有瓦斯喷出或有煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出危险的煤层时，严禁任何两个工作

瓦斯爆炸事故的防治是煤矿安全工作的一个系统工程，除了完善可靠的安全装备和采取有效的措施外，还应加强安全管理和安全监督，重视员工安全意识的培养。只有把安全放在首位，认真落实瓦斯治理的“十二字”方针，健全各项规章制度，合理加大安全投入，瓦斯爆炸事故及其他灾害事故才能大幅度地减少，煤矿的安全状况才能得到根本好转。