瓦斯的性质、危害与用途.doc

矿井瓦斯涌出量预测与治理技术 内容提要 瓦斯是成煤过程中的伴生气体，它源于煤层又储于煤层，一旦开采煤炭就会有瓦斯涌出。瓦斯是一种灾害气体，它不但污染环境，而且可以诱发多种形式的灾害事故，对煤矿安全生产具有极大的危害性；同时，瓦斯又是一种高效、洁净的能源，合理地开发与利用瓦斯可以让瓦斯造福于人类。瓦斯虽然无形但有“常”，“常”指的是瓦斯的规律性。本章根据国内外最新研究成果，简要介绍煤矿瓦斯的危害、瓦斯成因、瓦斯赋存规律、瓦斯含量测试技术、矿井瓦斯涌出量预测技术方法和矿井瓦斯治理技术。 第一节 瓦斯的性质、危害与用途 一、瓦斯的性质 广义上，瓦斯是煤矿井下有毒有害气体的总体；狭义上，瓦斯指的是甲烷。本文所指的瓦斯是甲烷。瓦斯是一种无色、无味、无嗅、可以燃烧或爆炸、微溶于水的气体，它具有如下的一些基本的物理性质。 化学式CH4； 分子直径0.4110-9m； 分子量16.042kg/kmol； 分子体积22.36m3/kmol（0℃，0.1MPa下）； 密度0.7168kg/m3（0℃，0.1MPa下）； 对空气的比重0.5545（空气的比重定义为1）； 沸点-161.7℃（0.1MPa下）； 溶点-182.5℃（0.1MPa下）； 液态密度415kg/m3； 扩散系数0.196cm2/s（0℃，0.1MPa）； 水中的溶解度55.6 l/m3（0℃，0.1MPa），33.1 l/m3（20℃，0.1MPa）； 空气中的爆炸下限5（体积百分比，相当于1m3空气中含33g CH4）； 空气中的爆炸上限15（体积百分比，相当于1m3空气中含100g CH4）； 发热量35.994MJ/m3（相当于8568大卡/m3，这里指的是100的CH4）。 为便于应用参考，表1－1中列出了煤矿井下一些常见气体的部分物理性质。 二、瓦斯的危害 我国是世界上煤炭产量最大的国家，同时也是世界上煤矿瓦斯灾害最严重的国家。 煤矿常见气体的部分物理性质 表1－1 性 质 甲烷 二氧化碳 一氧化碳 硫化氢 乙烷 氢气 CH4 CO2 CO H2S C2H6 H2 分子量 16.04 44.01 28.01 34.08 30.07 2.01 密度，kg/m3 0.7168 1.98 1.25 1.54 1.36 0.09 对空气的比重 0.5545 1.53 0.97 1.17 1.05 0.07 沸点，0℃，（0.1MPa下） -161.7 -78.5 -190 -61.8 -88.3 -252.8 爆炸上限， 5 / 12.5 4.3 3 4 爆炸下限， 15 / 74.2 45.5 12.5 74.2 发热量，MJ/m3 35.99 / 11.86 23.50 64.53 11.94 在我国现有的613个国有重点煤矿中，有高瓦斯矿井170个，占煤矿总数的27.73，突出矿井127个，占煤矿总数的20.72。据国家煤矿安全监察局统计，在1994～1997年间，我国煤矿各类灾害事故死亡人数24759人，其中瓦斯灾害死亡人数为11600人，占同期煤矿灾害事故死亡人数的46.85；四年间，国有重点煤矿各类灾害事故死亡人数为2784人，其中瓦斯灾害死亡1060人，占死亡人数的38.14；地方煤矿各类灾害事故死亡人数为3771人，其中瓦斯灾害死亡1108人，占死亡人数的29.38；乡镇煤矿各类灾害事故死亡18204人，其中瓦斯事故死亡8746人，占同期死亡总人数的48.04。有关详细的统计数据详见表1-2～1-5。由此可以看出，瓦斯灾害是我国煤矿最严重的自然灾害。因此，只要煤炭生产不停止，瓦斯灾害治理就必定会是我国煤矿安全工作的重中之重。 瓦斯的危害是多方面，下面通过一些典型事例来说明瓦斯的危害。 1．污染环境，加剧大气“温室效应” 瓦斯对环境的污染主要表现为加剧大气“温室效应”。据有关研究成果报道，瓦斯（CH4）是仅次于氟利昂的温室气体，它产生的温室效应是CO2的25～30倍，且产生温室效应的时效长达100～150年之久。全世界煤矿每年向大气排放600多亿m3，其中我国煤矿排放到大气中的瓦斯就多达190多亿m3，约占全世界煤矿排入大气瓦斯总量的三分之一。过去200～300年来大气中瓦斯浓度已增加了一倍。据有关专家估算，大气中瓦斯浓度每增加0.0001，可导致地球表面温度升高1℃。近几年来，地球冰川消融、海平面升高、全球气候变暖等现象的加剧无疑是排入大气瓦斯总量增多、大气温室效应增强的恶果。 2．可造成瓦斯窒息事故 当巷道长时间处于微风或停风状态时，由于煤层瓦斯的不断涌入会导致巷内瓦斯浓度升高；当巷内瓦斯浓度达到43时（空气中氧浓度降至12左右），人进入后会感到呼吸非常短促；当瓦斯浓度达到57时，巷内氧浓度将下降到9以下，人若进入会即刻处于昏迷状态，时间稍长就会有死亡危险。 我国煤矿每年都要发生多起井下作业人员误入盲巷而窒息死亡的事故。1988年10月19日，江苏徐州矿务局垞城煤矿3103工作面斜材料道，由于巷道中、下部低洼积水封堵而形成再生盲巷，致使巷内瓦斯积聚，造成了包括生产副矿长在内的三人窒息死亡。 5 1994～1997年中国煤矿灾害事故死亡人数统计 表1－2 年 份 顶 板 瓦 斯 机 电 运 输 放 炮 水 害 火 害 其 它 总 计 人 人 人 人 人 人 人 人 人 1994 2359 33.1 2935 41.2 204 2.9 552 7.8 142 2.0 521 7.3 106 1.5 302 4.2 7121 100 1995 2078 33.0 2565 40.7 165 2.6 540 8.6 113 1.8 506 8.0 61 1.0 267 4.3 6295 100 1996 1441 27.7 2593 49.8 120 2.3 379 7.3 73 1.4 367 7.1 56 1.1 173 3.3 5202 100 1997 1447 23.6 3502 57.0 138 2.2 397 6.5 67 1.1 367 6.0 46 0.7 177 2.9 6141 100 合 计 7325 29.6 11595 46.8 627 2.5 1868 7.5 395 1.6 1761 7.1 269 1.1 919 3.7 24759 100 1994～1997年中国国有重点煤矿灾害事故死亡人数统计 表1－3 年 份 顶 板 瓦 斯 机 电 运 输 放 炮 水 害 火 害 其 它 总 计 人 人 人 人 人 人 人 人 人 1994 219 29.3 202 27.0 56 7.5 137 18.3 11 1.5 25 3.3 35 4.7 62 8.3 747 100 1995 187 24.4 259 33.8 43 5.6 146 19.0 14 1.8 46 6 28 3.7 44 5.7 767 100 1996 188 33.6 197 35.3 36 6.4 87 15.5 14 2.5 9 1.6 3 0.5 26 4.6 560 100 1997 153 21.5 402 56.5 32 4.5 82 11.5 7 1.0 15 2.1 0 0 19 2.8 710 100 合 计 747 26.8 1060 38.1 167 6.0 452 16.2 46 1.7 95 3.4 66 2.4 151 5.4 2784 100 1994～1997年中国地方国有煤矿灾害事故死亡人数统计 表1－4 年 份 顶 板 瓦 斯 机 电 运 输 放 炮 水 害 火 害 其 它 总 计 人 人 人 人 人 人 人 人 人 1994 446 41.3 312 28.8 57 5.3 141 13.0 25 2.3 49 4.5 15 1.4 37 3.4 1082 100 1995 431 42.0 274 26.7 25 2.4 111 10.8 35 3.4 104 10.1 0 0 47 4.6 1027 100 1996 298 39.7 211 28.1 29 3.9 105 14.0 22 2.9 38 5.2 7 0.9 40 5.3 750 100 1997 331 36.3 311 34.1 37 4.1 87 9.5 19 2.1 77 8.4 1 0.1 49 5.4 912 100 合 计 1506 39.9 1108 29.4 148 3.9 444 11.8 101 2.7 268 7.1 23 0.6 173 4.6 3771 100 1994～1997年中国乡镇煤矿灾害事故死亡人数统计 表1－5 年 份 顶 板 瓦 斯 机 电 运 输 放 炮 水 害 火 害 其 它 总 计 人 人 人 人 人 人 人 人 人 1994 1601 33.2 2127 44.1 76 1.6 252 5.2 91 1.9 440 9.1 53 1.1 182 3.8 4822 100 1995 1361 31.2 1988 46.4 90 2.1 269 6.3 64 1.5 318 7.4 33 0.8 163 3.7 4286 100 1996 883 24.3 2046 56.3 51 1.4 164 4.5 35 0.9 311 8.6 46 1.3 97 2.7 3633 100 1997 899 21.6 2585 62.2 62 1.5 197 4.7 37 0.9 252 6.1 39 0.9 83 2.0 4154 100 合 计 4744 28.1 8746 51.8 279 1.7 882 5.2 227 1.3 1321 7.8 171 1.0 525 3.10 16895 100 3．可酿成瓦斯燃烧事故 当巷道内的瓦斯浓度低于5或超过15时，一旦存在点火源，会酿成瓦斯燃烧事故。据统计，我国煤矿每年至少要发生10起以上的有人员伤亡的瓦斯燃烧事故。1987年4月6日，抚顺矿务局胜利矿－650m水平四条带，由于更换矿井东翼主扇造成采区停风，造成四条带采空区瓦斯大量向巷道涌出，因涌出过程遇到采空区未熄灭的火区，发生了第一次瓦斯燃烧事故，事故发生后，矿救护队员在井下抢险时，瓦斯二次燃烧，造成4人死亡，5人受伤。 4．引起瓦斯爆炸事故 当巷道或采场空气中的瓦斯浓度在5～15范围内时，一旦存在点火源，将会引起瓦斯爆炸事故。据统计，1995年中，仅乡镇煤矿就发生瓦斯爆炸事故212起，死亡1371人。近几年，瓦斯爆炸事故次数和死亡人数有显著降低的趋势，但每年仍有近千人由于瓦斯爆炸而丧生。1988年11月26日3时50分，河南省平顶山市鲁山县靳家门煤矿－95m水平东翼采区三切眼，由于串联通风、停电恢复送电后不检查瓦斯浓度、放炮不用水炮泥封堵炮眼三个原因的共同作用，发生了一起掘进放炮引发的特大瓦斯爆炸事故，死亡23人，伤3人，直接经济损失21万多元，间接经济损失约60万元。 5．产生煤与瓦斯突出事故 当煤层瓦斯压力较高、地质构造复杂、地应力较大、煤层破坏严重时，在此区域作业的采掘工作面易于发生煤与瓦斯突出。我国各类煤矿中，有突出矿井近千个，每年要发生大小突出100多次，伤亡100多人。1988年4月19日4时10分，河南省郑州市荥阳县徐庄煤矿三井东翼主下山第四煤柱回采工作面在采煤过程中，由于违反作业规程盲目生产，发生了一起煤与瓦斯突出特大事故，突出煤量185吨，涌出瓦斯3.86万m3，造成12人死亡，2人重伤。 三、瓦斯的用途 瓦斯是一种洁净、便利、高热值的能源，同时又是一种有着广泛用途的化工原料。目前，我国煤矿抽出的瓦斯主要应用在如下几个方面。 1．用作城镇煤气 1952年抚顺矿务局龙凤矿本煤层预抽瓦斯获得成功，开创了中国煤层瓦斯规模化民用的纪元。目前，全国已有24万多户城镇居民用煤矿瓦斯取代煤或液化气作燃料。 2．用作锅炉和窑炉的燃料 3．瓦斯发电 早在1990年，抚顺矿务局老虎台矿从瑞典引进一套1500kw燃气发电机组，建造了中国第一座瓦斯发电站。1991年，六枝矿务局利用退役的飞机发动机，建成了一座2400kw的瓦斯发电站，在发电的同时，并利用尾气余热向职工浴池供应热水。目前，山西晋城的许多大、中、小煤矿建立了坑口瓦斯发电站。 4．作为机动车的燃料 5．用作化工原料生产化工产品 利用瓦斯作原料可以生产炭黑、氢、氨、乙炔、甲醛、甲醇、福尔马林等化工产品。阳泉矿务局一矿利用抽出的瓦斯为原料建立了一座炭黑厂，年产炭黑200多吨。