瓦斯爆炸及預防

武小練

（太原市南峪煤礦， 山西 太原 030054）

根據我國發生的大量事故統計分析，瓦斯在我國礦井事故的最大“殺手”，2009年，我國已發生4起特別重大煤礦事故：山西屯蘭礦難、重慶同華礦難、河南新華礦難、黑龍江新興礦難，其中3起發生在國有大型煤礦，還有2010年發生的3.31河南伊川瓦斯爆炸事故，4月6日在美國弗杰尼亞發生的瓦斯爆炸事故現在已改變原來瓦斯事故在小煤礦多發態勢，進而出現國有大型煤礦事故呈現多發態勢，形勢嚴峻。因此，剖析瓦斯爆炸的原因，掌握瓦斯發生的規律，制定瓦斯防治的防治措施，這些對安全生產具有極其重要的意義。

1 瓦斯爆炸事故的危害

1.1 瓦斯爆炸的特點

根據多年對煤礦瓦斯爆炸事故的統計分析，可以發現一些特點：①瓦斯爆炸多為大事故；②事故地點多發生在采煤工作面和掘進工作面；③瓦斯爆炸造成的破壞性和范圍大；④多為火花引爆；⑤高瓦斯礦井、低瓦斯礦井都有發生，一般低瓦斯發生比例大于高瓦斯礦井；⑥現在呈現出大、小礦皆有發生。

1.2 事故原因分析

煤礦發生瓦斯爆炸事故與眾多因素有關，但總得說來，主要與自然因素、安全技術手段、安全裝備水平、安全意識和管理水平等有關，發生瓦斯爆炸事故往往是以上因素相互綜合作用所導致的。

1.3 瓦斯爆炸的危害

礦井瓦斯爆炸的主要危害可以概括為高溫、沖擊波和有毒有害氣體。

1.3.1 高溫

火焰鋒面溫度可達到2 150～2 650℃，火焰鋒面的傳播范圍一般為幾十米到數百米，只有極少數情況會達到幾千米。

當具有高溫的火焰鋒面通過時，可以造成人員燒死，電氣設備與電纜燒壞，當電纜有電時，可能引起二次性的電氣火災；引燃井巷的可燃物造成二次性的災害（火災）；引爆井巷中具有爆炸性的混合物質造成二次性的災害（瓦斯爆炸或煤塵爆炸）。

1.3.2 沖擊波

正向、反向、斜向沖擊波通過時會引起：①人體創傷甚至造成人員死亡，大多數情況下，人體創傷具有綜合（創傷和燒傷綜合）、多樣的特征；②移動翻到和破壞機械設備、電氣設備，甚至可能發生二次性著火；③破壞支架、引起冒頂、巷道垮塌，導致通風設施損壞和通風系統的破壞，并使搶險救災和救護傷員復雜化、困難化。

1.3.3 有害氣體

瓦斯爆炸后會生成大量的以CO為主的有毒有害氣體，據調查，爆炸造成人員中的70%～80%是CO中毒引起的。因此，煤礦發生爆炸最大危險性以及造成的最嚴重后果，在大多數情況下，是礦井大氣成分的發生變化。

2 瓦斯爆炸的條件及影響因素

2.1 瓦斯爆炸的條件

①瓦斯濃度在爆炸界限內，一般為5%～16%；②具備一定條件的引燃火源（其條件包括：溫度高于最低點燃溫度650～750℃，點燃時間長于感應期）；③氧氣濃度超過失爆氧濃度（不低于12%）。

由于采掘工作面進風巷中的氧濃度要求不低于20%，因此，防止瓦斯爆炸事故的發生就必須從防止瓦斯積聚超限和火源兩個方面采取相應的控制措施。

2.2 影響瓦斯爆炸的主要因素

2.2.1 瓦斯的爆炸濃度

瓦斯在空氣中的爆炸下限為5%～6%，爆炸上限為14%～16%。瓦斯濃度為9.5%，是化學反應最完全、產生的溫度與壓力也最大，發生的爆炸最劇烈。瓦斯濃度為7%～8%時，最容易發生爆炸，稱為最佳爆炸濃度。

需要指出的是：瓦斯濃度界限不是固定不變的。如可燃氣體混入，可以降低瓦斯爆炸濃度的下限。惰性氣體或鹵素元素的混入，可以阻礙活化中心的形成，降低瓦斯爆炸濃度的危險性；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，可以使任何濃度的瓦斯失去爆炸性。煤塵的混入，可使瓦斯的爆炸下限降低，爆炸的危險性增加；如在其他條件相同的情況下，將空氣中的含塵量由5 g/m3增加到40 g/m3時，爆炸下限就由4%降低到0.5%。瓦斯的初溫越高，爆炸界限就越擴大；井下發生火災或爆炸時，高溫會使原來未達到爆炸濃度的瓦斯發生爆炸。

2.2.2 氧濃度

O2濃度減低時，爆炸下限變化不大，但爆炸上限降低明顯；O2濃度低于12%時，瓦斯失去爆炸性，遇火也不燃燒。

2.2.3 瓦斯最低點燃溫度和最小點火能量

最低點燃溫度不僅決定了在什么樣的爆炸混合氣體內，使用什么型號的防爆電器設備，而且決定了爆炸危險環境中設備的允許溫升。根據實驗可知，瓦斯的最低點燃溫度，一般為650～750℃。

最小點火能量是指在調節放電電路中電荷電纜及電容的大小以及電極之間的距離和電極的形狀，使在壓力為101.3 kPa和溫度為20℃條件下，最易點燃的可燃氣體與空氣混合物剛能點燃時的能量。由于對本質安全型防爆設備限制了其電路參數，使之在電路切換、短路放電燈能量低于工作環境中可燃氣體的最小點火能量，因此，這類設備無論在正常工作狀態，還是故障狀態都是安全的。根據實驗，瓦斯的最小點火能量是0.28 mJ。

根據瓦斯的最低點燃溫度和最小點火能量，煤礦井下出現的明火，煤田自燃、電弧、電火花、熾熱的金屬、撞擊火花、摩擦火花、靜電火花以及采空區的砂巖懸頂冒落時產生的碰撞火花等，都能點燃瓦斯或引起瓦斯爆炸。

2.2.4 瓦斯的引火延遲性

瓦斯和高溫熱源接觸后，不是立即燃燒和爆炸，而是要經過一個很短的間隔時間，這種現象叫引火延遲性，這段間隔時間稱為感應期。瓦斯濃度越高，感應期越長；火源溫度越高，感應期越短。見表1。

表1 瓦斯爆炸的感應期

瓦斯的引火延遲性對煤礦的安全有著重要意義，如在井下使用礦用安全炸藥進行爆破作業，雖然炸藥爆炸產物的溫度高達2 000℃，但高溫存在的時間極短，一般為16-6～18-7s，小于瓦斯爆炸的感應期，因此，不會引起瓦斯爆炸。如果炸藥質量不合格，就會發生瓦斯燃燒或爆炸。井下電氣設備必須采用安全火花型或隔爆型（電火花存在時間控制在16-2～18-6s，電弧存在時間控制在16-4～1 s，）就是使火焰或火花存在時間小于瓦斯引燃感應期，達到安全生產的目的。

3 預防瓦斯爆炸的措施

根據瓦斯發生爆炸的條件、特點及其影響因素，預防瓦斯爆炸的技術措施主要包括3個方面：即防止瓦斯積聚、防止瓦斯引燃和防止瓦斯爆炸事故的擴大。

3.1 防止瓦斯的積聚

防止瓦斯積聚的主要技術措施有：

3.1.1 加強通風

通風是防止瓦斯積聚的最基本、最有效的手段。除了加強日常通風管理外，必須做到以下幾個方面：

（1）優化通風系統，確保通風系統穩定、可靠。

（2）開采布局和巷道布置合理，有突出危險采掘面的回風嚴禁直接經過其他采掘面唯一的安全出口。各生產水平和采區必須實行分區通風；準備采區，必須在采區構成通風系統后，方可開掘其他巷道；采煤工作面必須在采區構成完整的通風、排水系統后，方可回采。采、掘工作面應實行獨立通風。

（3）通風設施可靠，永久風門聯鎖，主要風門安裝開關傳感器。

（4）掘進巷道應采用大功率對旋局部通風機和大直徑風筒。井下局部通風機必須做到“三專兩閉鎖”，“雙電源”必須做到自動切換。

3.1.2 及時處理局部積聚的瓦斯

（1）掘進巷道的瓦斯積聚處理。掘進巷道最常遇到的瓦斯積聚形式有：巷道頂板附近及頂板冒落孔洞和支架附近空洞中的積聚；回風巷矸石帶附近積聚；在報廢的風巷和采空區連接處積聚；鉆孔中和打鉆時的孔口附近積聚；掘進機組附近積聚。防止和消除巷道瓦斯積聚的主要方法是全面地或局部地增加風速。在獨頭巷道，應把靠近頂板的風速增加到不小于0.2 m/s；若增加的風速不能消除瓦斯積聚，應采取局部處理瓦斯的方法，如在巷道中鋪設帆布風障、靠頂板掛傾斜擋板、安裝壓風或水動力的引射器、安裝局部通風機等；當涌出的瓦斯面積較大時，可采用木板或黏土將其填實隔絕，或注入砂漿等凝固材料。堵塞較大的裂縫，將瓦斯源封閉隔絕。頂板冒落孔洞和支架附近空洞中瓦斯積聚的常用處理方法有：用砂土將冒落空間填實；用導風板或風筒接岔（俗稱風袖）引入風流吹散瓦斯。

（2）采煤工作面瓦斯積聚處理。采煤工作面的瓦斯來源主要有3個方面：①來自工作面煤壁和采落煤的瓦斯；②來自采空區的瓦斯；③來自進風巷或運輸巷中煤壁和運輸煤的瓦斯。采煤工作面的瓦斯主要來自前兩個方面。消除采煤工作面瓦斯超限和積聚的最有效方法是采用分源處理瓦斯的通風方式，主要有Y形、W形通風方式從摻風平巷向工作面上部供新風；采用專門排瓦斯巷道；在工作面上隅角附近設置木板隔墻或帆布風障，設置高壓水的或壓氣的引射器排放上隅角瓦斯，利用局部通風機向工作面上隅角供新風。

（3）采煤機附近的瓦斯積聚。防止采煤機附近瓦斯積聚的主要方法是增加工作面風速或采煤機附近風速；采用小型局部通風機、水力引射器或環隙式引射器加大機組附近的風速。

（4）采空區巖石冒落時的瓦斯燃燒。防止采空區巖石冒落時瓦斯燃燒的最好方法是改變頂板管理方法，即由全部冒落法改為局部充填法或全部充填法。

3.1.3 加強瓦斯監測與監控

（1）人工監測。礦井必須建立瓦斯、二氧化碳和其他有害氣體檢查制度，并要落到實處，做到嚴格執行。通風瓦斯日報必須送礦長、技術負責人審閱，一礦多井的礦必須同時送井長、井技術負責人審閱。對重大的通風、瓦斯問題，應制定措施，進行處理。

（2）自動化監控。所有礦井必須裝備礦井安全監控系統，礦井安全監控系統的安裝、維護、使用、管理和系統聯網必須符合《煤礦安全監控系統及檢測儀器使用管理規范》（AQ1029—2007）的要求。

（3）實施地質構造、瓦斯異常帶“五位一體”現場管理措施。地質人員加強地質預測預報，及時提供預測資料；打鉆人員在鉆進過程中發現時立即停機，并及時匯報；掘進施工人員發現地質、礦壓、瓦斯異常時，立即停工；監控人員保證瓦斯超限時，立即切斷掘進巷道及其回風系統內電源；瓦檢員發現瓦斯異常時，立即撤出人員。

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礦廣泛應用，對治理瓦斯達到明顯效果，并且對抽放瓦斯利用以后，對煤礦有明顯的經濟效益，是節能減排很好的一項綜合利用方法。

（2）瓦斯抽放的方法。瓦斯抽放的方法有本煤層抽放、鄰近層抽放和采空區抽放等；抽放工藝有順層長鉆孔、大直徑鉆孔、地面鉆孔、頂板巖石和巷道鉆孔等。

3.2 防止瓦斯引燃

防止瓦斯引燃的原則是：嚴禁和杜絕一切非生產必需的熱源；嚴格管理和限制生產中可能發生的火、熱源。面之間的串聯通風。

（3）通風系統力求簡單。進、回風井之間和主要進、回風巷道之間的每個聯絡巷中，必須砌筑永久性風墻；需要使用的聯絡巷，必須安設兩道聯鎖的正向風門和兩道反向風門；采空區及不用的巷道必須及時封閉。

（4）裝有主要通風機的出風井口應安裝防爆門；生產礦井主要通風機必須裝有反風設施。

（5）礦井必須設地面消防水池和井下消防管理系統。高瓦斯礦井煤巷掘進工作面應安設隔（抑）爆設。

3.3 防止瓦斯爆炸災害事故擴大的措施

4 結束語

為了防止萬一發生瓦斯爆炸，使災害局限在盡可能小的區域內，以減少損失，必須做好以下工作：

（1）編制瓦斯事故應急預案。

（2）實行分區通風。每一水平和每一采區都必須布置單獨的回風道；采、掘工作面應實行獨立通風；開采有瓦斯噴出或有煤（巖）與瓦斯（二氧化碳）突出危險的煤層時，嚴禁任何兩個工作

瓦斯爆炸事故的防治是煤礦安全工作的一個系統工程，除了完善可靠的安全裝備和采取有效的措施外，還應加強安全管理和安全監督，重視員工安全意識的培養。只有把安全放在首位，認真落實瓦斯治理的“十二字”方針，健全各項規章制度，合理加大安全投入，瓦斯爆炸事故及其他災害事故才能大幅度地減少，煤礦的安全狀況才能得到根本好轉。