基于技術層面深化礦井瓦斯事故防治研究

趙彥名，曹運江，蔣建華，蔡昌和，黃祥寬，曹建輝，吳興建，易海霞，羅福義

(1.湖南科技大學 煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201；2.云南省一九八煤田地質勘探隊，云南 昆明 650208；3.湖南省新化縣聯(lián)新煤礦，湖南 新化 417000；4.四川川煤華榮能源有限責任公司 廣元分部，四川 廣元 628017；5.湖南省煤田地質局第二勘探隊，湖南 株洲 412011；6.貴州省煤田地質局一四二隊，貴州 盤州 561600)

2013年3月29日，吉林省吉煤集團通化礦業(yè)公司發(fā)生特別重大瓦斯爆炸事故[1]，2016年10月以來全國又連續(xù)發(fā)生幾起瓦斯重特大事故，給本已平靜的煤礦安全管理工作蒙上一層陰影，說明現(xiàn)階段礦井瓦斯防治技術[2-3]的管理層面存在缺陷，在處理和總結此類事故時，沒有系統(tǒng)地總結深層次的技術管理問題和技術原因，這些未查明的技術原因或管理問題又為下次類似事故埋下了安全隱患。

1 基于技術層面的瓦斯防治理論

1.1 原有瓦斯防治理論的局限性

原有瓦斯防治理論是數(shù)代煤礦人實踐總結的成果，但并不完善。近十余年來，理論沒有實質性突破。瓦斯內涵泛指礦井有毒有害氣體，外延則有甲烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫、溴化氫、氰化氫等瓦斯以及甲烷前身甲基(-CH3)和亞甲基(-CH2-)等吸附瓦斯(這里吸附是指原煤層含有瓦斯，只是“附”，開采過程中有水的參與才稱為“吸”)。井下如何產生這些氣體，僅僅依賴于前人的種種假說，還未能得到有效證實，說明對礦井中存在哪些致命性氣體并未完全弄明白，以前礦井瓦斯防治理論建立于“綜合作用假說”，把所有瓦斯視為成煤過程中形成的既有成份、既有含量和既有體積等展開防治，把抽放和加大通風設定為萬能。

1.2 瓦斯防治理論的構建

礦井瓦斯化學分子的產生，離不開煤層開采過程中的化學反應，說明瓦斯不一定是煤層中原有的，可能具有新生性。

首先從瓦斯爆炸熱-鏈：CH4+2O2→CO2+2H2O+829.3 kJ去分析，這是瓦斯在氧氣參與的熱裂變反應，生成圖1的分子結構，也稱為化學反應還原，其中C和H2O是甲烷產生的原因。從早期湖南新化聯(lián)新煤礦煤層三種不同施工措施中獲知：干式排碴鉆孔瓦斯?jié)舛葍H10%以上，風力排碴瓦斯?jié)舛葎t有20%以上，水力排碴瓦斯?jié)舛葎t可達50%以上，甚至直接噴孔和突出。沼氣產生是碳水化合物在水浸泡下產生的，碳水化合物必須先碳化，然后在水作用下產生氣體。因碳原子有6個電離子，中間2個，外圍4個，由水對碳原子外圍4個電子產生化學影響氫健化合，而生成甲基(-CH3)和亞甲基(-CH2-)。僅有甲基和亞甲基是因為在一次性反應過程中碳原子中間兩電離子并未受水影響與氫健化合。

可做這樣一個簡易試驗驗證：選一小塊煤，于恒溫箱中加熱或暴曬，驅離塊煤里吸附的瓦斯。取出后達常溫，投入裝水的玻璃杯，通過直視和光學投影觀察，發(fā)現(xiàn)煤塊產生氣體(氣泡)和表面鈣化物。因此，水對碳原子外圍4個電子的影響產生類似效果。這也正是川煤集團唐家河煤礦為何地震后煤層瓦斯明顯增加的原因。當水和氧再度對另兩個電子影響后則生成甲烷，充分體現(xiàn)出瓦斯新生性機理。這種現(xiàn)象還能給最后時刻預警透水事故提供技術觀察依據(jù)，即每次礦井大透水前煤層小股水滲出會伴隨大量白色水泡排出，雖然時間只有幾分鐘至半小時不等，如果井下能及時觀察到，會對減少人員傷亡起決定性作用。

從分子式(1)～(5)可知：

C2+2H2O =CO2↑+CH4↑

(1)

C +2H2O+ Br-+S2-=CO2↑+HBr↑ +H2S↑

(2)

C2+2H2O+ Br-=CO2↑+-CH3+HBr↑

(3)

C2+2H2O+S2-=CO2↑+CH2-+H2S↑

(4)

C2+2H2O+N=CO2↑+H2↑+HCN

(5)

式中C2指碳分子篩，僅在溴乙烷(C2H5Br)中出現(xiàn)，一般C都以單原子與其他分子化學吸附。

上述(1)～(5)為較簡單化學反應等式，是瓦斯爆炸熱-鏈演變式，見圖1，可以看出其式前部分屬于加成反應，式后一個共同特點是碳的過氧化反應及氧化硫、氧化氮、氧化磷等，其中式(5)才具有真正爆炸性。煤炭原處于一個封閉狀態(tài)，開采改變了原有賦存條件，開采是煤體出現(xiàn)加成反應和過氧化反應的過程，加成反應是瓦斯事故準備期，過氧化反應則是瓦斯事故發(fā)展期。

圖1 加成反應和過氧化反應階段示意

加成反應可從掘進中的“霧氣找煤法”得知，掘巖時風鉆所排霧氣離煤層越遠越濃，離煤層越近則越稀薄。加成反應在△h-2值中為正數(shù)，為煤層吸附水強度(煤的水解性)，即瓦斯放散初速度。所謂吸附瓦斯就是甲基和亞甲基，是煤與水的結合體?？稍僮鲆粋€簡易試驗進行驗證，取一煤樣，一分為二，甲樣直接加溫分析吸附瓦斯含量；乙樣加2%的水再同等加溫分析其吸附瓦斯含量，證明煤體不能達到飽和前提下，通過加成反應產生甲基和亞甲基。

過氧化反應是煤體中的碳、硫、磷、氮等遇氧發(fā)生化學反應升溫階段，煤層開采隨著埋深變化基礎溫度也不同，一般14～17 ℃。隨著氧氣進入，溫度開始上升，正常狀態(tài)下一般25～30 ℃，不正常狀態(tài)下一直上升直至自燃，此時△h-2值為負數(shù)。溫度上升或爆破使甲基和亞甲基等吸附瓦斯轉換成甲烷，在溫室效應中合成微黃色果凍狀水溶液溴丙烷(CH3CH2CH2Br)，其熔點為-110 ℃，沸點70.97 ℃，pH值6.0～8.0，相對密度為1.36，化學反應活性鍵越多越疊加，向溴乙烷轉化C2H5Br，沸點38.4 ℃。

加成反應為吸熱反應，過氧化反應為放熱反應。圖1式后其他反應在化學上稱為雜化軌道，成鍵方式有一共同特點，推動煤體溫度上升，促使碳、氫成鍵。需要強調氰化氫(HCN)分子(極性分子，劇毒，易溶于水，具爆炸性)，生成原因與硫磷雜化軌道成鍵、氮離子鍵在溫度作用下產生CN-(氰根離子)有關，氮在干燥煤粉塵缺水制衡的條件下活性化成氫碳氮三鍵，其氣體(0.941)比重比甲烷(0.717)要重，比二氧化碳(1.517)要輕。在靜止風流的巷道中存在于巷道垂高的3/4處，上山盲巷中如果能觀察到綠色氣體，綠色由淺至深，說明濃度由低至高，它是瓦斯突出和盲巷事故的最大殺手，能造成細胞內窒息。此種中毒死亡者與其他窒息死亡不同，死亡2～5 h后會口吐血泡沫，表明肺部細胞和腦細胞被擊穿殺死。

礦井瓦斯演化三階段特征見表1。

表1 瓦斯形成三階段所表現(xiàn)的特征

1.3 加成反應、過氧化反應與礦井瓦斯事故關系

加成反應和過氧化反應是煤炭開采過程中兩種最基本的反應方式，采煤過程中是同步進行的。由于煤體的密度原因，空氣中的水分子、原有條件吸附的水分子和供入氧隨天氣、通風供入量的關系，這兩種反應速度也不一致，甚至某種反應停止。一般正常情況下比較遲緩，每天在接觸處向周圍擴展1 m多，隨接觸深度的增加而擴展速度放緩，通過抽放瓦斯，可促進這兩種反應提前完成。采煤實踐表明：只有通過完成加成反應和過氧化反應的煤體才是安全開采煤體和防突安全阻隔煤柱。

掘煤或采煤如于稀泥田筑坎，一次性想加至某一高度比較難，唯有一天一個高度才能達到筑高目的。高產快速推進對于加成反應和過氧化反應完成而形成安全開采煤層和安全阻隔距離來說，欲速則不達，事故危險性也自然會增加。

如進入冬季，空氣干燥，正常煤體加成反應達不到煤體所需，加成反應過程緩慢，霧霾天氣水分或雨天集中增加供給加成反應所需水分，導致加成反應所產生的甲基和亞甲基成比例增加，再通過過氧化反應自然增加甲烷的含量，即形成瓦斯事故高發(fā)期所需的能量條件。

放假、臨時性關閉、停產造成局部不同程度停風，停風則造成加成反應和過氧化反應不同步，過氧化反應不到位。停風后由于煤體與水分處于干濕兩個極端，煤體在不采動前提下是固態(tài)，會對動態(tài)的水和水蒸汽始終進行吸收，生成大量甲基與亞甲基，停風后過氧化反應未能完成。下次恢復通風時，過氧化反應的基礎能量成倍增加，而一時從煤體排出量有限，導致煤體內形成高壓瓦斯區(qū)，深部則達到沸點發(fā)生突出。停風后復風，短時間內復風比沒停更危險，《煤礦安全規(guī)程》中有“停工不能停風”的規(guī)定。礦級管理人員依據(jù)教科書模板式通風的三大任務，只注重一個巷道內的瓦斯積聚問題，認為只要及時把積聚瓦斯排出就行，卻忽視供風促進煤體過氧化反應完成的基本目標。2013年湖南共升煤礦“7.24”較大煤與瓦斯突出事故、蘆二井瓦斯事故以及全國相關礦井瓦斯事故資料顯示，瓦斯事故很容易發(fā)生于煤體過氧化反應沒完成區(qū)域以及二次供風維修、掘進過程中。

2 瓦斯事故防治理論

2.1 認清瓦斯來源，采取應對措施

瓦斯產生是煤物質去除碳性變化的產物之一，開采過程中依據(jù)各煤層密度掌握加成反應與過氧化反應關系、嚴格控制推進速度，可采取下列方法檢測加成反應和過氧化反應。

1) 用干濕度計檢測進風側與回風側的濕度對比，核實加成反應每分鐘吸附多少水分，按百分點計算對比煤體風排瓦斯量。

2) 用△h-2值衡量。△h-2>0，依據(jù)每9.8 Pa研判前方煤體吸附強度，上升則證明前方煤體所需能量增加，下降則證明其在衰減或是前方煤體已完成加成反應，下降快則表明其加成反應基本完成?！鱤-2<0，證明過氧化反應比加成反應要快，此時須核減供風量，不能任其在煤體深處發(fā)展，構成煤體瓦斯壓力、強分子力，隨即出現(xiàn)瓦斯突出預兆。筆者在湖南新化聯(lián)新煤礦研究基礎上，控制推進速度，原始煤體限產限進尺，采用深孔(措施孔準備推進前2 h完成，不宜過早、過晚)排放后，采煤工作面每天推進約0.8～1 m，煤掘頭(巷道式采煤迎頭)采用至少10 m深孔排放，每天僅允許掘進1 m?！鱤-2≤29.4 Pa，濕度對比不超過2%，工作面溫度不得高于進風側5 ℃。

3) 嚴格檢查通風過程中由離心力將水分子灑落相關區(qū)域，如工作面上隅角瓦斯過氧化反應情況，下隅角下次待掘區(qū)加成反應情形。

4) 加成反應到位，過氧化反應剛開始，煤層嚴禁隨意爆破升溫，確需爆破，遠距離起爆，全井撤人。

2.2 過氧化反應未完成，采掘點不能停風

煤體過氧化反應完成是煤層安全開采的前提，停風意味著煤體過氧化反應不能正常完成。煤體有突出現(xiàn)象是過氧化速度太快、煤體外排不及引起的。對于這種現(xiàn)象需調控風量，有意識地控量延時完成。當有突出預兆時，不要從本煤層施工防突措施孔，這是《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中局部“四位一體”所存在的缺陷。應該采取的具體措施：

1) 有意識地限制氣化劑的供應，搞好安全防護(如打密閉)。

2) 選擇煤層底板向有突出預兆地帶溴水施工不大于5 cm孔徑的措施孔，施工時并嚴防鉆桿沖出傷人。

始終牢記供風是煤體過氧化反應需要完成的基本目標，無論放假、整頓、停產、采區(qū)關閉或停風，都要以保證過氧化反應完成為前提，否則二次供風掘進或維修比第一次供風掘進或維修更危險。如確需暫時停風，10 m內△h-2值應為0，用干濕度器測量進風側與回風側濕度基本持平，用瓦斯檢測儀檢查該處停風5～8 h瓦斯不超限才能關閉和停風。生產過程中嚴格注意相關區(qū)域局扇開停傳感器的使用情況，認真記錄供風情況，對比供風與瓦斯產生的關系。已停風的采區(qū)巷道要開啟時，先要長時間限量供風(時間為巷道每米長度1 d，再增加一個月)，再重新施工措施孔才能復工。也就是說，要等10 m相應距離內過氧化反應基本完成，△h-2值為0，且嚴格檢查瓦斯?jié)舛壬仙闆r，以及上升是否平穩(wěn)等等。

3 安全防護措施的建立

在前述的化學反應式中有兩個元素，一是硫(S)，另一個是溴(Br)。這兩種元素都能生成氫化物(溴化氫、硫化氫)。湖南新化聯(lián)新煤礦2號煤層和3號煤層上覆含水砂巖，一般酸性越高這兩種元素含量也越高。2號煤層開采時，只見二氧化碳，未見甲烷，均是溴化氫和硫化氫的緣故，低瓦斯礦井也是因為這兩種元素含量高于高瓦斯礦井及突出礦井。突出礦井防突措施孔及石門揭煤鉆孔均可利用2號煤層含溴或含硫的水進行水力排碴施工，施工完后再抽放，將水分抽出來，溴和硫留于煤體內，利用過氧化反應造成溴的活性化剝奪甲烷的氫分子，化解回至甲基和亞甲基，減少突出事故的發(fā)生。有學者研究水可抑制瓦斯(水達到飽和也可抑制瓦斯)或煤層注水可防止煤與瓦斯突出，就是這個原因。同理，可以利用這種原理，采用2號煤層中流出的水在采區(qū)、煤掘頭石門揭煤處建立強力噴水裝置，一旦有煤與瓦斯突出跡象，將噴水閥一推，向整巷噴灑含溴水，突出的煤層由水達到飽和與所含的溴發(fā)生鹵代，甲烷不同程度得到化解。利用突出動能使巷道中的空氣濕化，空氣中的氮不能活性化，生成不了HCN氣體(因甲烷微溶于水，HCN則溶于水、即突出事故發(fā)生后用濕毛巾捂住口鼻能保命，而如果僅甲烷窒息，濕毛巾是不起作用的)，鹵代后礦井突出煤層大部分失去了與空氣中水分反應的條件而不會反風，這樣就構筑了對其他區(qū)域的安全保障。

4 結語與建議

目前瓦斯理論不足以解釋所有瓦斯突出事故，前述理論可彌補某些不足，如果能克服下列問題，煤礦發(fā)生瓦斯事故概率則會大大降低。

1) 去掉《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》不適合安全生產要求的硬性條件；

2) 煤體開采過程存在加成反應和過氧化反應是不爭事實；

3) 控制好推進速度與加成反應、過氧化反應的關系，通風任務中增加一條“供風要確保過氧化反應正常完成”；

4) 復風者要戴好濕式口罩，復風回風口噴水消毒；

5) 復工復產要嚴格控制復風區(qū)過氧化反應的無限發(fā)展，明白其影響因素并認真落實。

建議：依據(jù)現(xiàn)有理論去粗取精、去偽存真，煤礦瓦斯防治必將跨入新時代。