礦井瓦斯防治技術安全工程學院王亞年來全國煤礦瓦斯事故情況

2005年3月，國務院決定成立煤礦瓦斯防治部際協調領導小組。三年來，全國煤礦瓦斯事故總量和死亡人數均有較大幅度下降。

2005年，發生瓦斯事故414起、死亡2171人。2006年，發生瓦斯事故327起、死亡1319人。2007年，發生瓦斯事故272起、死亡1084人。2008年，發生瓦斯事故182起、死亡778人，

2008年共發生較大瓦斯事故63起、死亡290人，重特大瓦斯事故18起、死亡352人。

●瓦斯事故主要發生在低瓦斯礦井

“十一五”期間我國較大瓦斯事故礦井瓦斯等級分布情況

重大以上瓦斯事故：低瓦斯礦井占37.5%；高瓦斯礦井占23.9%；煤與瓦斯突出礦井占30.7%；未鑒定礦井占8%。煤礦安全生產存在的主要問題行業管理弱化對煤礦安全生產影響深遠

企業安全生產主體責任落實不到位煤礦安全投入不足、安全裝備水平低煤礦安全科技水平低，重大災害預防與治理關鍵技術亟待解決煤礦專業技術人才匱乏，從業人員整體素質偏低煤礦安全監管監察執法環境有待改善

我國煤礦的自然條件平均每年增加10m，我國最大開采深度已超過1000m。平均開采深度410m；美國煤層平均埋深200~300m，500m以上只占17.5%；露天礦比重：中國3.4%美國66%印度73.8%澳大利亞69.6%南非40%

煤礦瓦斯大，煤與瓦斯突出越來越嚴重

在724處國有重點煤礦中，高瓦斯礦井152處，占21.0％；煤與瓦斯突出礦井154處，占21.3％；低瓦斯礦井418處，占57.7％。地方國有煤礦和鄉鎮煤礦中，高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井占15％。隨著開采深度的增加，瓦斯涌出量的增大，高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井的比例還會增加。

自然發火危險性嚴重，比例大、覆蓋面廣大中型煤礦中，自然發火危險程度嚴重或較嚴重(Ⅰ、II、III級)的煤礦占總數的72.86％。國有重點煤礦中，具有自然發火危險的礦井占47.3％。小煤礦中，煤層自然發火期不足6個月的煤礦占47.41％，煤層自然發火期為6～12個月的煤礦占47.85％由于煤層自燃，我國每年損失煤炭資源2億噸左右。我國煤礦的自然條件沖擊地壓危險性增大，個別煤礦十分嚴重我國910處大中型煤礦中具有沖擊地壓危險的煤礦47處,占5.16％。隨著開采深度的增加，現有沖擊地壓礦井的沖擊地壓頻率和強度在不斷增加，少數礦井頻繁發生礦震煤塵爆炸危險普遍存在，危害嚴重全國煤礦中，具有煤塵爆炸危險的礦井占煤礦總數的60％以上，煤塵爆炸指數在45％以上的煤礦占16.3％。國有重點煤礦中具有煤塵爆炸危險性的煤礦占87.37％，其中具有強爆炸性的占60％以上。我國煤礦的自然條件

水文地質條件復雜，水害制約安全生產

我國大中型煤礦中，水文地質條件屬于復雜或極復雜類型的煤礦占25.04%。煤礦熱害已成為礦井新的災害

1999年，70處大中型生產井工煤礦的采掘工作面最高氣溫超過《煤礦安全規程》的要求，其中26處超過30℃，最高達到37℃。隨著開采深度的增加、圍巖溫度提高，礦井熱害問題越來越突出。職業危害嚴重

據衛生部統計，2002年底，中國塵肺病累計病例達到萬人，其中仍然存活者44萬多人。2002年，全國共報塵肺病患者12448例，其中煤礦系統的塵肺病例占47.6%(僅為原國有重點煤礦病例數，不包括地方煤礦和鄉鎮煤礦)。每年塵肺病造成的直接經濟損失達80億元人民幣。2003年，全國產煤17.4億噸，其中地方煤礦和鄉鎮煤礦占9億噸，占一半多。專家認為，全國估計有120多萬塵肺病患者，這意味著每1000個中國人中就有一個塵肺病患者。超能力、超強度開采

一些煤礦為了追求利潤，急功近利，不惜拚人力，搞人海戰術，無設計或不按設計施工作業，在局部區域內布置很多采掘工作面，導致井下一個班作業人員高達數百人。由于生產組織集中，導致事故擴大，傷亡慘重。河北承德暖兒河煤礦在513工作面布置上、下2個回采工作面，在走向長和傾斜寬都不到70米的區域內，采掘工作面和切眼多達9個，導致風流短路，致使513下采煤工作面瓦斯積聚發生爆炸事故，死亡50人。廣東梅州市大興煤礦井下布置46個采掘工作面，亂采亂挖，十分混亂。不少竟是文盲，不懂規程，難以實施有效管理。違法違規組織生產現象嚴重

一些煤礦礦主為追求高額利潤，無視國家法律法規，鋌而走險，抗拒執法，無證或證照不全違法組織生產，超層越界開采。據統計，2005年58起特大事故中有8起是超層越界開采造成的。

1本課程內容結構及考核方式研究對象煤礦瓦斯瓦斯特性賦存介質一般涌出特殊涌出災害能源噴出突出防治不防治瓦斯災害防治技術措施瓦斯爆炸瓦斯抽采瓦斯利用課程考核方式通風專業統招：平時30考試70%通風專業定向：平時20實驗10考試70%1瓦斯的概念概念：井下從煤巖中涌出的以甲烷（CH4）為主的有毒、有害氣體的總稱，有時單獨指甲烷。來源：主要來源于煤層及圍巖內涌出到礦井中的氣體。此外，礦井生產中產生的氣體如放炮產生的炮煙等，井下空氣與煤、巖、礦用材料等反應生成的氣體，井下人員呼吸生成的氣體也是礦井瓦斯重要來源。瓦斯賦存與含量

課題一：瓦斯基本知識瓦斯賦存與含量

課題一：瓦斯基本知識來源：

(1)煤巖內賦存的氣體

(2)生產過程中產生的氣體

(3)井下空氣與礦物及其他材料反應產生的氣體

(4)放射性物質衰變產生惰性氣體氡（放射性）和氦2瓦斯的性質瓦斯賦存與含量

課題一：瓦斯基本知識化學式：CH4分子量：16.042kg/kmol密度：0.7168kg/m3沸點：-161.7℃（0.1MPa下）液態密度：415kg/m3水中的溶解度：55.6l/m3發熱量：8568大卡/m3分子直徑：0.41×10-9m分子體積：22.36m3/kmol對空氣的比重：0.5545溶點：-182.5℃擴散系數：0.196cm2/s空氣中的爆炸下限：5%空氣中的爆炸上限：15%

污染環境，加劇大氣“溫室效應”：21倍/7倍可造成瓦斯窒息事故●瓦斯濃度≥43%時，呼吸短促●瓦斯濃度達≥57%時，即刻昏迷可釀成瓦斯燃燒事故●瓦斯濃度低于≤5%或≥15%

引起瓦斯爆炸事故●瓦斯濃度在5～15%

產生煤與瓦斯突出事故3瓦斯研究背景

之一：瓦斯的危害性

瓦斯利用可以獲得直接效益出售減排碳指標抽采利用財政補貼和稅收減免減排減少的污染罰款促進抽采帶來的安全和煤炭開采效益3瓦斯研究背景

之二：瓦斯利用的效益中國煤礦瓦斯對空直接排放量約135億m3直排低濃度瓦斯中約含15億m3的純甲烷，相當于180萬t標準煤，如將其用來發電，每年可發電4億kWh，節約電費20億元。中國煤礦瓦斯對空排放量占全部工業生產排放甲烷量的1/3，占中國年總溫室氣體排放量的近5%。5%~25%的低濃度瓦斯極容易爆炸,如果及時抽采用于利用，將很大程度地消除這一煤礦安全生產隱患。瓦斯利用節約能源環境保護安全生產3瓦斯利用技術研究背景

之三：我國瓦斯利用現狀低濃度煤礦瓦斯直接利用技術低濃度瓦斯氧化技術民用/工業燃氣CNG清潔能源汽車LNG瓦斯液化技術低濃度瓦斯發電技術高濃度煤礦瓦斯直接利用技術GH瓦斯固化技術PSA技術LNG技術GH技術4瓦斯直接利用技術

之一：低濃度瓦斯發電技術瓦斯發電原理：井下抽采瓦斯與空氣混合后，在發電機燃燒室(汽缸)內發生爆燃，推動活塞往復運動做功，將爆燃熱能轉換為機械能；發動機與發電機通過彈性連軸器連接,將動力傳給發電機，將機械能轉化為電能。低濃度瓦斯發電(瓦斯濃度6%~25%)低濃度瓦斯輸送工藝流程是：瓦斯經水位自控水封阻火器和瓦斯專用干式阻火器，進入細水霧變送管道與細水霧混合輸送。4瓦斯直接利用技術

之二：低濃度瓦斯氧化技術

流向變換催化燃燒技術將預熱、反應和熱量回收三個部分集成在一個設備內，將低濃度瓦斯或礦井通風氣（甲烷濃度0.5~6.0vol%）中甲烷的燃燒熱安全、高效地轉化為中壓蒸汽或進一步用于發電，一方面回收了巨量低濃度甲烷的化學能，另一方面減少了溫室氣體甲烷的排放，可用于清潔發展機制的碳交易產生經濟效益。

國內，北京化工大學對流向變換催化反應技術進行了十多年的系統研究，近年在小型中試規模（催化劑裝填量1升）上開展了0.5~6.0vol%低濃度甲烷流向變換催化燃燒的研究，效果非常顯著；在甲烷濃度1.0%的條件下，反應混合物最高溫度即可達750度，完全可以作為中壓廢熱鍋爐的熱源利用。這項技術的研究我國走在前列，通過專利授權搜索，未發現國際專利。4瓦斯直接利用技術

之三：民用/工業燃氣→以晉煤集團為例2008年，已形成瓦斯井1400口，產氣能力6億立方米；投入運行339口，單井日產近2500立方米，日總產氣量80萬立方米。利用量抽采量地面鉆井2007年：地面利用量1.06億立方米2007年：地面抽采量2.1億立方米2007年，達到880口晉煤集團瓦斯項目寺河礦地面本煤層預抽采泵站的抽采能力為2億m3/a，井下采空區抽采泵站抽采能力為1億m3/a。地面泵站安裝了6臺CBF710型水環式真空泵。井下泵站安裝了5臺2BE1-705水環式真空泵。豐城合作區兩淮煤田沁水盆地河東合作區準格爾合作區準南煤田瓦斯輸送途徑之一：管道灌裝壓縮煤層瓦斯氣的運輸槽車

瓦斯壓縮機車間瓦斯輸送途徑之二：壓縮車載利用瓦斯的回轉窯居民燃氣燃氣鍋爐燃用瓦斯生產陶瓷4瓦斯直接利用技術

之四：CNG清潔能源汽車

被稱為綠色汽車，在環保方面具有顯著效益。與使用汽油作為動力相比較，汽車尾氣中的CO可減少97%，碳氫化合物減少72%，二氧化硫減少90%，噪聲減少40%，導致人體呼吸道疾病及癌癥的苯、鉛粉塵等減少100%。汽車燃“氣”與燃“油”相比，一、每年可節約40%至50%的費用；二、可大幅減少CO等污染物的排放。CNG技術是利用氣體的可壓縮性，將15～25MPa高壓瓦斯作為一種理想的車用替代能源。

CNG加氣站的主要設備包括壓縮機、儲罐、控制系統及加氣機等。瓦斯經壓縮機從供氣管路抽氣并直接通過加氣機的軟管送入加氣汽車的CNG鋼瓶之中。4瓦斯直接利用技術

之五：LNG瓦斯液化技術

低溫液化后的煤層氣體積縮小625倍，一臺35立方米的標準液化氣槽車可運輸21000標方煤層氣，相當于8個標準氣井的全部日產量。液化槽車是“高速公路上的天然氣管道”，“通公路的地方就通液化天然氣”，“液化技術為煤層氣裝上了輪子”。液化后便于進行經濟可靠的運輸。儲存效率高、占地少、投資省。建成1MPa的6座l000m3的天然氣球罐的投資，要比建成1座儲氣量相當的0.5MPa的100m3LNG儲罐的投資高出80倍之多。有利于城市負荷的平衡調節。目前，在美國、日本、歐洲已建成投產100多座LNG調峰裝置。LNG可作為優質的車用燃料。瓦斯成因生物化學成氣時期煤化變質作用時期1瓦斯的生成煤礦瓦斯--殺手.wmv從圖中可以看出，CH4的生成是個連續相，即在整個變質階段的各個時期都不斷地有CH4生成，只是各階段生成的數量有較大的波動而已；但是，重烴的生成則是個不連續相。實踐表明，這個以人工熱演化產生瓦斯為基礎的模型與實測的結果在趨勢上是一致的。瓦斯生成的影響因素及其分折1煤巖組分煤的有機顯微組分可以分為鏡質組(鏡質體)、惰質組（絲質體）和殼質組（角質體）。這些組分產烴的能力大小次序是殼質組＞鏡質組＞惰質組，其結果見表1-1-2。

實際資料證實：煤巖組分與瓦斯吸附量之間存在著十分清楚的依附關系，即甲烷吸附量隨著煤不同的煤化作用階段而發生變化(如圖1-2-1所示)。

從圖中可以看出，鏡質組在肥煤階段甲烷吸附量最小，肥煤以后吸附量迅速增加，并在焦煤、瘦煤階段以后超過惰質組。因此，肥煤階段是鏡質組甲烷吸附量的一個轉折點；惰質組的甲烷吸附量是隨著煤化作用程度的提高而呈直線型緩慢增長。2煤化作用程度及其變質分帶

◆第一，煤層瓦斯的伴生量直接依賴于煤化作用程度；

◆第二，隨著煤化作用程度的加深，煤的氣體滲透率下降，煤的儲氣能力提高，氣體沿煤層向地表運移能力減弱；

◆第三，煤化作用程度越高，煤中微孔隙和超微孔隙所占比例提高，煤的吸附能力增強。

在成煤初期，褐煤的結構疏松，孔隙率大、瓦斯分子能滲入煤體內部，但是，由于該階段瓦斯生成量較少且不易保存，煤中實際所含瓦斯量并不大。在變質作用過程中，由于地應力的作用，煤的孔隙率減少，煤質漸趨致密，如長焰煤，其孔隙和表面積都比較小，所以吸附瓦斯的能力并不大。

隨著變質作用程度提高，在高溫、高壓作用下，煤體內部因干餾作用而生成許多微孔隙，使煤的表面積到無煙煤時為最大；因此，無煙煤吸附瓦斯的能力最強。以后，煤體內部的微孔又收縮、減少，到石墨時變為零，從而導致吸附瓦斯能力消失(如圖1-2-1所示)。

變質作用總的規律表現為：

◆晚古生代以中、高煤化煤占較大比例，尚未發現低煤化煤如褐煤；

◆中生代雖有褐煤，但以中、低煤化煤為主，并伴隨有高煤化煙煤以至無煙煤；

◆第三紀則不僅有褐煤，而且也有低煤化煙煤。因此，目前的研究結果基本上反映出成煤時期越久，經歷的地質歷史越長，煤化作用程度就越高的趨勢。

◆從地區上看，大致在北緯38°以北，包括東北地區和西北大部分地區，基本上是以褐煤和低、中煤化作用煙煤為主；

◆而北緯38°以南的華北地區則具有各種變質作用程度的煙煤和無煙煤；

◆西南地區主要是中、高煤化煙煤賦存的地區，而東南地區則以高煤化煙煤和無煙煤占優勢。這種分布規律與煤礦瓦斯分布有一定的吻合性，其具體表現在西北地區為低、中瓦斯區，華北地區為中瓦斯區，而華南地區則為高瓦斯區。■以上事實表明，煤化作用分帶在一定程度上影響著煤層瓦斯的生成與賦存。1.1瓦斯在煤體內賦存狀態瓦斯在煤體內存在狀態吸附瓦斯游離瓦斯吸收狀態吸著狀態以自由氣體分子存在于煤體或圍巖的較大裂隙、孔隙和空洞之中。在與顆粒固體在分子之間引力作用下，被吸著在煤體孔隙的內表面上。瓦斯分子進入煤體顆粒結構內部，與煤體固體分子相結合。1瓦斯的生成及賦存1.2、煤層瓦斯垂向分帶：當煤層直達地表或直接為透氣性較好的第四系沖積層覆蓋時，由于煤層中瓦斯向上運移和