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全日制硕士学位论文 运裕矿井瓦斯地质规律与瓦斯预测 学生类别 ： 学术型研究生 申请人姓名: 姚 念 岗 指导教师 ： 崔洪庆 教授 、 张子敏 教授 专业名称 ： 安全技术及工程 研究方向 ： 瓦斯地质理论与技术 河南理工大学安全科学与工程学院 二○一一年 六 月
万方数据 中图分类号：TD712 密级：公开 UDC： 单位代码：10460 运裕矿井瓦斯地质规律与瓦斯预测 The Gas-geology Law and Gas Forecasting in Yunyu Mine 申请人姓名 姚念岗 申请学位 工学硕士 学 科 专 业
安全技术及工程
瓦斯地质理论与技术 导 师 崔洪庆 职 称 教 授 张子敏 教 授 提 交 日 期 2011.4 答辩日期 2011.6 河南理工大学
万方数据 河南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他 个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做 的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名 : 年
日 河南理工大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 河南理工大学 有权保留并向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 河南理工大 学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采 用影印、缩印或扫描等手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日
万方数据 致 谢 转眼间，三年的研究生生活即将结束，心中
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矿井瓦斯等级和二氧化碳涌出量鉴定报告
按照《煤矿安全规程》和公司有关文件要求，我矿于日、7月16日、7月26日三天9个班次进行了矿井年度瓦斯和二氧化碳涌出量等级鉴定工作，现数据整理完毕,报告如下：
一、矿井概况
十三矿位于平顶山市东北17 km的襄、郏两县交界处。井田东西走向长15km，南北倾斜宽2.35.0km，井田面积45km2。矿井年设计生产能力为180万吨，采用一对立井两个水平，一水平上、下山开采，二水平下山开采，现开采一水平。主要可采煤层为己组煤层，平均厚度5.85m，2011年在进行矿井瓦斯等级鉴定期间，全矿井共有二组主要通风机实行分区抽出式通风，主要生产采区己一、己二、己三共三个采区, 同属一个水平,己1517煤层。
2011年度瓦斯等级鉴定工作分七个工作小组，共15人，每旬分三个小班（0点班、8点班、4点班）分别对各地点风量、瓦斯、二氧化碳、温度进行测定义，使用DFA1、DFA2、DFA3型风表13块，AQJ1光学瓦斯鉴定器7块（所使用风表、瓦斯鉴定器全部经过平顶山市中南矿用产品检测检验有限公司检验合格），尺子7把。全矿井共布置测点25个，其中生产采煤工作面2个，停采面1个，备采面1个，高位瓦斯抽采巷1个，煤巷掘进工作面4个，岩巷掘进工作面5个，总回风5个，风硐2个，采面测点数据全部在测风站内完成，掘进工作面在回风道以里10―15m内完成。
二、矿井通风系统
十三矿采用分区抽出式通风方式，每个采区都按“二进一回”布置、专用回风巷回风，全矿共有三个进风井（中央主井、副井、东进风井），二个回风井（东回风井、西回风井）分别担负着己一采区、己二采区、己三采区的通风任务，己四采区准备采区。各主要通风机性能参数如下表：
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红外气体浓度监测技术在矿井瓦斯测量中的应用
煤矿瓦斯作为井下的重大隐患,需要采用一种可靠、稳定的方法对其浓度进行监测.本文首先对比了煤矿常用的几种瓦斯监测仪器,然后给出了瓦斯监测原理以及在井下瓦斯监测系统设计应该注意的问题,最后对文献中发表的一种简易监测系统进行了简要分析.
作者单位：
山西霍尔辛赫煤业有限责任公司
年，卷(期)：
在线出版日期：
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万方数据知识服务平台--国家科技支撑计划资助项目（编号：2006BAH03B01）(C)北京万方数据股份有限公司
万方数据电子出版社矿井瓦斯灾害防治瓦斯灾害是煤矿生产中的一大自然灾害，为了防止它的产生，在生产中都投入大量的人力与物力，但仍然不能杜绝其发生。为了提高我们与瓦斯灾害作斗争的水平，特编写此资料，供现场技术管理人员参考。1．瓦斯灾害的分类在煤矿中瓦斯是甲烷（CH4）的专用名词，农村中沼气池产出的沼气和石油勘探所产生的天然气，它们的主要成分也是甲烷。瓦斯是一种无嗅无色无味无臭，看不见摸不到的气体。比重为0。554，在标准状况下容重为0。716Kg/m3,它难溶于水，扩散性较空气高1。6倍。瓦斯无毒，但在当其在空气中瓦斯含量很高时，会使空气中的氧气含量减少到不能维持人们生存需要时，也会发声窒息事故。在空气中所占体积百分比（通常所说的瓦斯含有率或浓度）达到5~16%时，遇到温度达到650~750℃的火焰时，就会发生爆炸。其浓度为9。5%时，爆炸时产生的威力最大。当浓度超过16%后，遇火便可燃烧。瓦斯是一种宝贵的绿色能源，燃烧后产生二氧化碳和水，不污染大气。当煤层强度较低、垂深达到一定深度，且煤层瓦斯含量达到一定数量时，有可能产生煤与瓦斯突出动力现象。根据瓦斯对生产的危害原因可将瓦斯灾害分为三类。即瓦斯爆炸、瓦斯窒息和煤与瓦斯突出。(一).瓦斯爆炸瓦斯和空气混合后，在一定的条件下，遇高温火源发生的一链式氧化反应，并伴有高温及压力上升的现象。瓦斯爆炸时能出现高达℃的焰面、爆炸压力可达1.0~2.0 Mpa；爆速可达340m/s、还会产生每秒数千米速度的冲击波，并产生大量剧毒的CO等有害气体，会造成人员伤亡和摧毁井巷设施与设备。有时还会引起煤尘爆炸或火灾，是煤矿特有的后果最严重的自然灾害之一。例如：重庆中梁山煤矿南井在日12时40分启封5412工作面过程中发生特大瓦斯煤尘爆炸，死亡124人、重伤1人、轻伤49人。事故地点位于背斜轴部，瓦斯涌出量大，煤层极易自燃，煤层爆炸性指数为26%。日9时40分，5412工作面发生自燃发火后，将整个采取封闭并开始注浆。12月1日到7日，火区一氧化碳浓度由来0。35%逐渐下降到0。008%，在井下用一氧化碳检定管位未能检查出一氧化碳，决定启封火区恢复生产。14日下午启封并进行瓦斯排放。15日早班邻近火区5个掘进工作面均正常生产。中午12时40分便发生瓦斯煤尘爆炸事故。从上述事故我们不难看出煤层自燃发火不可能在20天内熄灭，即便是明火熄灭，但高温不是短时间内降低到正常温度的。在采空区中有大面积的瓦斯聚集，启封后高温区的煤层由于供氧充足而出现明火，引发出瓦斯爆炸，瓦斯爆炸产
生的暴风，吹扬起煤尘又引起瓦斯煤尘爆炸。而这些条件都是人们违反了客观规律造成的。瓦斯爆炸必须具备两个条件，一是瓦斯聚集到能爆炸的浓度，二是火源。三是要有足够的氧气。在矿井空气成分中，瓦斯含量的增加就意味着空气中氧气减少，所以瓦斯的爆炸浓度被限制在一定的范围内，当瓦斯浓度过低时，虽然空气中的氧气供应充足，但瓦斯氧化形成的热量与分解活动中心都不能发展成为连锁反应（爆炸）；而瓦斯浓度过高时，空气中的氧气浓度相对较少，不但不能形成足够的活动中心，而养活所产生的热量很容易被未参加反应的气体吸收掉，不能产生连锁反应（爆炸）。在新鲜空气中， 瓦斯浓度达到9。5%时混合气体中的瓦斯与氧气全部参加反应，爆炸产生的压力与温度也最高。瓦斯爆炸是指火焰从火源占据的空间不断地传播到爆炸混合气体所在的整个空间程，因而，把使或源锋面传播到混合气体占据的全部空间的瓦斯最低浓度，称为爆炸下限，反之称为上限；把最容易（即在最低着火能量下）激发着火（爆炸）并在爆炸中能释放出大量能量的浓度称为最佳爆炸浓度。瓦斯在新鲜空气中的爆炸下限为5%~6%，上限为14%~16%，在新鲜空气中最佳爆炸浓度为7%~8%。当瓦斯浓度处于爆炸下限时，遇火焰不爆炸，只能自火源外围形成稳定的浅蓝色的燃烧层；当瓦斯浓度高于爆炸上限时，遇火源也不发生爆炸、燃烧，如有新鲜空气供入，则在其接触面上燃烧。发生最初着火（爆炸）的瓦斯浓度因火源不同而异。见表（ 1
最初爆炸的瓦斯浓度表着火源 爆炸下限（%） 最佳爆炸浓度（%） 爆炸上限（%）正常条件下的弱火源 5 6．5~8。5最低着火能量0．28mj 15强火源 2 8．5~10 75瓦斯爆炸浓度的上、下限是随着爆炸初始温度与压力的变化而改变，当初始压力增加，其爆炸上限提高了，但其下限不变见表（2
）。当爆炸的初始温度增加，爆炸下限降低，爆炸上限则提高了见表（ 3
）。瓦斯浓度所需的点火温度也有差异，见表（ 4
）当空气中含有煤尘其他可燃性气体时瓦斯爆炸的上、下限也会发生变化。表 2 爆炸浓度与初始压力的关系表混合气体初始压力（Mpa） 爆炸下限（%） 爆炸上限（%）0．1 5．6 14．31．0 5．9 17．25．0 5．4 29．412．5 5．7 45．7表
3瓦斯爆炸浓度与初始温度的关系表混合气体初始温度（℃） 爆炸下限（%）
爆炸上限（%）20 6．00 13． 13． 14． 16． 18．7表
4 不同瓦斯浓度的最低点火温度表斯浓度（%） 2 3 3．95 7 9 10 11．75 14．35
最低点火温度（℃） 710 700 691 697 701 714 724 742瓦瓦斯与高温热源开始接触到发生爆炸或燃烧所需的时间间隔称为感应期。瓦斯与高温热源接触并不立即发生爆炸或燃烧，而需要经过一段时间才发生爆炸或燃烧，具有一定的延迟性。任何一个热源，只有当其作用延迟时间超过感应期，才是最危险的。感应期与瓦斯浓度、热源温度的关系见表（
），当瓦斯混合气体压力升高时，起感应期也会缩短。表5感应期与瓦斯浓度、热源温度的关系瓦斯浓度（%）热源温度℃775 825 875 925 975 感应期（S）6 1．08 0．58 0．35 0．20 0．12 0.039 7 1．15 0．60 0．36 0．21 0．13 0．041 0. 0．62 0．37 0．22 0．14 0．042 0. 0．65 0．39 0．23 0．14 0．044 0. 0．68 0．41 0．24 0．15 0．049 0. 0．74 0．44 0．25 0．16 0．055 0.020在各种热源中，炸药爆破后的产物和电火花的作用时间很短（10-6~10-2S）电弧及瓦斯爆炸的火焰锋面有较长的作用时间（10-4~1S），明火和灼热体的作用时间最长。对于瓦斯矿井，在炸药与雷管质量合格，炮泥充填符合要求，尽管炸药爆破产物温度可达4500℃，但由于作用时间短，不会引起瓦斯爆炸。预防瓦斯爆炸的措施包括搞好矿井通风、分源治理瓦斯、及时检查和处理局部积聚瓦斯、杜绝活源等措施。(二)、窒息人们无时无刻都需要氧气，这为大家所共知的。空气主要由氧气（21%）和氮气（79%）所组成。当空气中的氧气含量下降到12%以下时，由于大脑缺氧而发生昏迷，时间一长，便会死亡。当井下瓦斯涌出量很大时，新鲜空气不能稀释瓦斯，空气中的瓦斯浓度迅速增加，使混合气体中的空气浓度减少而导致混合气体中的氧气含量降低。根据粗略的计算，当与空气混合气体中的瓦斯含量每上升10%，混合气体中的氧气浓度就下降2%。由此可计算出当混合气体中的瓦斯浓度达到40%以上时，人们进入该地区，就会发生窒息事故。(三).煤与瓦斯突出煤与瓦斯突出是煤矿生产瓦斯事故中危害性最严重的自然灾害之一。因它具有突发性，且强度大，防治困难，因而至今在世界各主要产煤国家还未得到有效的解决。煤与瓦斯突出现象是发生在采掘工作面，由于受应力、瓦斯与煤的物理力学性质综合作用下，煤体突然破坏，破坏的煤层与解吸出来的瓦斯形成了混合流，向采掘工作面抛出，形成了煤与瓦斯突出。煤块与瓦斯的混合气流所到之处，破坏支架与装备，并使人员伤亡。我国是世界上发生煤与瓦斯突出现象最严重、危害性最大的国家之一。建国前在辽源矿务局富国二矿就曾发生过煤与瓦斯突出现象。建国
后， 随着我国煤炭工业的飞速发展，采掘深度不断加深、地压与瓦斯压力不断加大， 煤与瓦斯突出的次数、强度也不断增加，图( 1)图
全国国有重点煤矿历年煤与瓦斯突出次数统计表已成为我国煤矿主要自然灾害之一。 根据1995年的调查统计，建国以来，我国先后在45个矿务局、138个国有重点煤矿的178个井口，共发生煤与瓦斯突出10815次，死亡1266人，共突出煤量815800t，平均突出强度为27.5t/次，最大突出强度为12780t（突出瓦斯140万m3）。随着人们对煤与瓦斯突出动力显现认识的不断深入，为了防止它的发生， 采用了突出危险性预测预报、煤层预先抽放瓦斯及各种直径的超前排放钻孔等防治煤与瓦斯突出的措施，有效的控制了煤与瓦斯突出对煤矿安全生产的危害， 从全国煤与瓦斯突出突出次数统计图图(3-1-1)可以看出,自1950年后，全国的煤与瓦斯突出呈逐年上升的趋势，到1980年突出次数达到高峰，而后又呈下降的趋势。尤其是在原煤炭工业部1998年颁发了防治突出细则后，全国推行预测煤层的突出危险性，根据突出危险程度采取相应的防治突出措施， 并在采取措施后必须再经过措施效果检验，确认防治突出措施有效后， 方可在采用安全防护措施施工的综合防治突出体系后，全国的煤与瓦斯突出现象得到了有力的控制。应当指出的是，上述的效果是在采掘深度不断加深、 煤层的突出危险性继续加大等不利的条件下取得的，使年突出次数维持在200~300次。另外从历年的煤与瓦斯突出类型分类图上（图2）看，也间接地证实了这一点。图 2 历年煤与瓦斯突出类型分类图众所周知，随着采掘深度的不断增加，地应力与瓦斯压力也日趋增大，尤其是过去一些没有发生过突出的煤层与矿井，也会出现突出动力现象， 此种现象在四川、贵州等严重突出的矿区已日趋普遍，就连低瓦斯矿井也会转变成突出矿井；例如：石嘴山矿务局的石嘴山矿，因而， 我国的煤与瓦斯突出的发展趋势是不容不容乐观的。煤与瓦斯突出是一种极其复杂的自然动力现象， 其发生与发展过程容易受自然与人为因素的相互制约， 因而用现有的突出假说都很难解释清楚煤与瓦斯突出的发生与发展过程，所以造成了一些防治突出的措施有时起作用， 而有时其效果就难以使人满意， 这也是世界各国在防治煤与瓦斯突出工作中未能有效的防止煤与瓦斯突出产生的根蒂所在。从世界发生突出后150余年的防治突出措施发展来看，防治突出措施可分以下三个阶段：第一阶段为避免发生人身伤亡而采取的安全防护措施，主要是采取震动放炮；第二阶段以消除突出