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矿井瓦斯与瓦斯事故的预防和处理
第一节 矿井瓦斯
一、瓦斯的生成
矿井瓦斯是指井下生产过程中煤岩体中释放出的各种有害气体的总称,其主要成分为甲烷，分子式为CH4。
煤层中瓦斯生成分为两个阶段
1、细菌分解有机物阶段
即在植物沉积后成煤初期，有机物被细菌分解进行着缓慢的氧化分解过程，产生少量的瓦斯、二氧化碳和水。此过程发生于地表附近生成的气体大部分散失于大气中。
2、煤炭的变质阶段
随地层沉积厚度的增加,生物化学作用终止，成煤过程进入漫长而复杂的变质过程。有机物在高温、高压作用下，挥发份减少，固定碳增加，这时生成的气体主要为瓦斯和二氧化碳。
由植物变成煤炭的过程中，生成多少瓦斯,可以下列化学议程式中得出:
2C6H10O5(纤维质）=5CH4+5CO2+2C（无烟煤）
4C6H10O5（纤维质)=7CH4+8CO2+3H2O+C9H6O（类烟煤)
按以上反应式计算，由褐煤转化成长焰煤时可生成70~80m3/t ，贫煤生成120~150m3/t ，无烟煤为240m3/t。但由于长期释放,至今保留在煤层中的瓦斯仅有几十,十几或几个立方米。
植物在成煤过程中，除产生上述气体外，还产生少量的乙烷C2H6、丙烷C3H10、丁烷C4H10与正茂烷C5H12等可燃爆气体。
二、CH4的性质
1、矿井瓦斯是一种无色、无味、无臭的气体。既看不见、尝不出也闻不到,要检查空气中是否含有瓦斯及其浓度，靠人的感官不行，必须使用专用的瓦斯检测仪器才能测出来。
2、瓦斯比空气轻，标准状态下一立方米的瓦斯的质量为0。716kg与空气相比相对密度0。554。
3、瓦斯有很强的扩散性。其在空气中的扩散率为1.344比CO2的扩散率大1.66倍，所以从一处涌出瓦斯就能扩散到巷道附近。增加了检查瓦斯涌出源的难度，也使瓦斯的危害范围扩大。
4、瓦斯的渗透性强.甲烷分子的直径仅有4埃(1埃=10—8cm)，所以在一定瓦斯压力和地压共同作用下,瓦斯能从煤岩层中向采掘空间涌出，甚至喷出或突出。
5、瓦斯难溶于水。在5Mpa300C时瓦斯的溶解度仅布1%,化学性质不活泼，在常温常压下，除卤素外,它很难与其它气体化合。
6、瓦斯无毒,但当矿内空气中沼气浓度超过50％时，能使人因缺O2而窒息死亡。矿井瓦斯中含有的乙烷和丙烷，有轻微的麻醉性。
7、瓦斯具有燃烧性爆炸性
8、瓦斯引火有迟延性。当瓦斯与高温火源接触时，并不能立刻发生燃烧，而是要经过一定的时间，才能发生燃烧.迟延时间的长短与瓦斯浓度及火源温度有关。瓦斯浓度越高,延迟性越长,温度越高延迟性越短。
第二节 煤层瓦斯含量和瓦斯压力
一、瓦斯含量
瓦斯含量
瓦斯含量是指在原始状态与单位体积或重量的煤岩体的瓦斯含量。以m3/t或m3/t表示。
煤体之所以能保存一定数量的瓦斯，与煤的结构有关.煤是一种复杂的孔隙性介质,有十分发达,各种步同直径的孔隙（由几埃到大于1000埃)和裂隙，形成了庞大的自由空间和孔隙表面。所以，成煤过程中生成的瓦斯就能以游离状态和吸附状态存在于这些孔隙内。
瓦斯含量的大小取决于下列条件
1、煤的变质程度
煤的变质程度越高，生成的瓦斯越多。
由于煤在炭化过程中，挥发份由孔隙中排出，增加了有效表面积与孔隙度，有利于吸附瓦斯。
2、围岩性质
从瓦斯地质角度分析，按保存瓦斯的条件将围岩分为三类:一是岩性致密的泥岩，砂质泥岩，其胶结物含量不低于15％的称为屏障层,二是胶结物含量在10～15％的粉砂岩，中粒砂岩夹薄层砂质泥岩的称为半屏障层；三是砂岩，砾岩等岩层称透气层。
3、煤层的赋存深度
浅部煤层，特别是有露头存在时,煤层中瓦斯含量较少，煤层的瓦斯含量随深度的增加而增加。
4、煤层倾角
相同条件下煤层倾角越小，瓦斯含量越大。
5、水文地质条件
瓦斯在水中的溶解度很小，如果煤层中有较大的含水裂隙或流通的地下水通过时，能从煤层中带走大量瓦斯,降低煤层的瓦斯含量。
另，张性的开放型和半封闭型断层有利于瓦斯释放,故断层附近瓦斯释放,断层附近瓦斯含量大.
二、瓦斯压力
煤层的瓦斯压力，是处于煤的裂隙和孔隙中的游离瓦斯分子热运动的结果.煤层瓦斯压力不但决定着煤层的瓦斯含量，而且与瓦斯动力现象有密切关系。《规程》规定,开凿有煤与瓦斯突出危险煤层时，必须测定煤层瓦斯压力。一般情况下未受采动影响的煤层内的瓦斯压力，随深度的增加而有规律地增加，煤层的个别地区,特别是地质构造附近,瓦斯压力可能异常,煤体受瓦斯压力影响,煤的硬度会变软。
三、煤层的瓦斯垂直分带
即将煤层由露头自上向下分为四个带：CO2—N2带；N2带；N2—CH4带；CH4带.
前三个带又总称瓦斯风化带。瓦斯风化带下界深度可根据下列指标中任何一项确定
①煤层的相对瓦斯涌出量2 m3/t处；
②煤层内的瓦斯组分中瓦斯达80％(体积百分数）处；
③煤层内的瓦斯压力为0.2Mpa处；
④煤的瓦斯含量达到下列数值处；气煤1.5～20 m3/t，肥煤与焦煤2.0~2.5 m3/t，瘦煤2.5～3。0 m3/t,贫煤3。0～4。0 m3/t,无烟煤5.0～7.0 m3/t.
确定瓦斯风化带的意义，在于了解瓦斯带内煤层的瓦斯含量和涌出量随深度的增加而有规律地增大。开滦赵各庄矿瓦斯风化带深度为467米,唐山矿为388米。
瓦斯风化带深度决定于煤层的具体条件，变化很大。
第三节 瓦斯的赋存状态与涌出形式
一、瓦斯的赋存状态
煤休中的瓦斯以游离和吸着状态存在。
1、游离状态：游离状态也称自由状态,它是以压缩形式存在于煤体的微小孔隙中。游离瓦斯量的大小与贮存空间的容积和瓦斯压力成正比,与瓦斯温度成反比。
2、吸着状态：吸着又可以分为吸附与吸收两种，又称为结合状态。吸附是因煤的固体粒子和瓦斯分子间的引力作用，使后者紧密附着在微孔隙表面形成很薄的吸附层（一克无烟煤的比表面积可达200m2以上）。吸收是瓦斯分子已进入煤的分子团内部。
瓦斯的游离状态和吸附状态是在一定温度和压力条件下的动平衡.当压力升高或温度降低时，一部分瓦斯由游离状态转达为吸附状态,--吸附;反之,当压力降低或温度升高时，一部分瓦斯由吸附状态转为游离状态—解吸。
煤层内，无论浅部还是深部，吸附的瓦斯量约占煤层瓦斯含量的80~90％，游离瓦斯只占10～20％。
二、矿井瓦斯涌出及涌出形式
1、瓦斯涌出：当煤层被开采时，煤体受到破坏，贮在煤体内的部分瓦斯就会离开煤体而涌入采掘空间,这种现象叫做瓦斯涌出.
2、涌出形式
①普通涌出.即瓦斯从采落的煤炭及煤层、岩层的暴露面上，通过细小的孔隙缓慢而长时间的放出.其特点是：涌出范围大,时间长，涌出量均匀，涌出速度平缓。
②喷出：大量处于承压状态的瓦斯从煤、岩裂缝或孔洞中放出的动力现象。
③突出：在地应力和瓦斯(含CO2）的共同作用下，破碎的煤和瓦斯由煤体内突然喷出到采掘空间的现象。
三、矿井瓦斯涌出量及其表示方法
1、矿井瓦斯涌出量是指生产过程中涌进巷道的瓦斯量。
矿井瓦斯涌出量受着煤层瓦斯含量的大小.大气压力的变化，开采技术条件等因素的影响.煤层瓦斯含量大，瓦斯涌出量多地面气压低,矿井瓦斯涌出量增加，采用全部垮落法管理顶板,矿井瓦斯涌出量就高;厚煤层分层开采时回采上分层时，比回采下分层瓦斯涌出量要大.
2、瓦斯涌出量的表示方法
①绝对瓦斯涌出量
即单位时间内涌出的瓦斯量。单位：m3/d或m3/min
Qch4=Q×C％
Qch4—绝对瓦斯涌出量
Q—矿井总回风量
C—总回风流中的平均瓦斯浓度%
计算矿井绝对瓦斯涌出量是用来分析瓦斯来源，计算矿井所需风量，决定抽放瓦斯的重要依据，所以它与安全生产和抢救事故的关系极大。因此，对每个掘进头、回采面、采区、矿井都应定期测定,并在通风系统中标明，在生产中对瓦斯绝对涌出量大的区域，应予以特别重视；在处理事故时,应向滞留在该区域的人中及时供氧，在发生火灾采取封闭时，应注意防止该区域发生瓦斯爆炸。
②相对瓦斯涌出量
矿井在正常生产情况下,平均日产——吨煤的瓦斯涌出量。
qch4 =Qch4/Ad
qch4 –相对瓦斯涌出量m3/t
Qch4—一天内瓦斯绝对涌出量m3/d
Ad—平均日产量吨/日
相对瓦斯涌出量，是以矿井产量为基础的,因此，它可以作为判定矿井瓦斯涌出严重程度的标准，也是矿井瓦斯等级划分的依据之一。
低瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量小于或等于10 m3/t且矿井绝对瓦斯涌出量小于或等于40 m3/min。
高瓦斯矿井：矿井相对瓦斯涌出量大于10 m3/t或绝对瓦斯涌出量大于40 m3/min。
煤与瓦斯突出矿井。
不同等级的瓦斯矿井，其供风标准、设备选型、瓦斯管理制度等均有所不同。
第四节 瓦斯燃烧与爆炸
一、瓦斯爆炸的化学反应过程
瓦斯爆炸是一种复杂的热—链反应过程。其反应式:
CH4+2O2—CO2+2H2O
如果井下空气中氧气不足，反应的最终式为：
CH4+O2—CO+H2+H2O
二、瓦斯爆炸的产生与传播过程
爆炸是火焰由火源所在处向整个爆炸混合物所在处空间连续传播的过程。如果火焰没有离开火源，或者离开后就熄灭了，这样的过程就不叫爆炸而称为燃烧.
初燃产生以一定速度移动的焰面,焰面后的爆炸产物具有高的温度和不同于矿内空气的成分。高温产生高压，形成前向冲击波，其速度大于焰面速度（特殊情况下两者相等）。当冲击波遇到阻塞物或巷道突然扩大、缩小、交叉时就能产生反向冲击波。
爆炸时由于爆源附近气体高速向外冲击，加之生成的水蒸气很快凝聚，在爆源附近形成气体稀薄的低压区，于是就产生了反向冲击波。如果反向冲击波的空气中含有足够的氧气和瓦斯而火源又未消失，就可以发生第二次爆炸.
三、瓦斯爆炸的危害
瓦斯爆炸的有害因素是：焰面、冲击波、大气成分的变化。
1、焰面:是巷道中运动着的化学反应区和高温气休。其速度变化范围很大。从正常的燃烧速度（1～5m/s）到爆轰式爆炸传播速度（2500m/s），焰面温度可高达2150—26500C，焰面经过之处，人被严重烧伤,可燃物被点燃而发生火灾。
2、冲击波:是传播着的聚变压力。在它通过前巷道内为正常大气压，随着冲击波的通过，巷道内的压力迅速上升，然后下降到等于或小于大气压，冲击波锋面压力，由几个大气压到20大气压，前向冲击波叠加和反射时，可达100大气压。其传播速度总是大于声速(340 m/s）。冲击波造成人员伤亡,支架设备和通风设施损坏，巷道垮塌。
3、瓦斯爆炸后生成大量有害气体。一般情况下爆炸后井下空气成分为：O2:6～10% N2：82～88％ CO2:4~8％ CO：2～4％.如果有煤尘参与爆炸，CO的生成量更大，造成大量人员伤亡。
四、瓦斯爆炸的主要参数
1、瓦斯的爆炸浓度
瓦斯爆炸需要一定的浓度范围5~16%
瓦斯浓度低于下限（5％）时，遇高温火源并不爆炸，只能在火焰外围形成稳定的燃烧层，此燃烧层浅兰或淡青色。浓度高于爆炸上限时（16％）在该混合气体内不会爆炸，也不燃烧,但当有新鲜空气供给时，可以在混合气体与新鲜空气的接触面上进行燃烧。这是因为瓦斯过多瓦斯的比热大，其热容量（0.59）约为空气容量(0.23）的2.5倍，因而不易引火传播。
瓦斯在空气中爆炸时发生的化学反应式为：
CH4+2（O2+4N2）—--—CO2+2H2O+8N2+198。4千卡/克分子

由上式可知：若使一个体积的甲烷完全反应，必须具备2个体积的氧.两个体积的氧需要多少个体积的空气呢？因空气中氧所为21％，所以两个体积的氧需要(2×100/21）个体积的空气，因此完全反应时，瓦斯在空气中的含量为9。5%
这说明,空气中瓦斯浓度为9.5％时,爆炸最剧烈,爆炸为最强.瓦斯浓度为7～8%时，最易爆炸,这个浓度称最优爆炸浓度.
瓦斯爆炸界限并不是固定不变的,煤尘的存在，其他可燃性气体的混入，都可使瓦斯爆炸上限提高，下限降低。
几种可燃性气体同时存在时，可根据下式求得混合气体的爆炸上下限。

式中：N—多种可燃气体同时存在时的混合气爆炸上、下限％
C1、C2、Cn—分别为各可燃气体的浓度百分比
C=C1+C2+……Cn
N1、 N2、 Nn—各可燃气体的爆炸上限或下限，%
几种可燃气体的爆炸上、下限

气体名称
化学分子式
爆炸下限
爆炸上限
甲烷
CH4
5
16
乙烷
C2H6
3。22
12。43
丙烷
C3H8
3。4
9。5
氢气
H2
4
74。2
一氧化碳
CO
12.5
75
硫化氢
H2S
4。32
45.5
乙烯
C2H4
2。75
28.6
例：某矿井空气中混有甲烷3%,乙烷1％,氢气0.5％，求混合气体的爆炸下限

一般说，瓦斯—空气混合气体中，如果混入的其它可燃气体的爆炸下限比瓦斯的爆炸下限低那末混合气体的爆炸下限也就比瓦斯单位独存在时的爆炸下限低，所以判断煤矿自燃火区内的爆炸危险时，不能只以瓦斯浓度为准，若只单独测定瓦斯浓度时，应以3。5%作为火区有无爆炸危险的下限浓度。
井下空气如有浮游煤尘存在时，瓦斯的爆炸下限同样会降低,因为在温度达300～400℃时,能从煤尘内挥发出多种可燃气体，形成混合的爆炸性气体,使瓦斯的爆炸危险性增加。因此,《煤矿安全规程》对瓦斯浓度的限制也考虑了这些因素,保留了一定的安全系数，工作面作业时，允许瓦斯浓度应在1。5％以下,达到1.5%时，即应停止工作，但由于放炮时，炮眼内的高温火焰,所以瓦斯浓度的限制为1％。
2、瓦斯的最低点燃温度和最小点燃能量
瓦斯的最低点燃温度和最小点燃能量决定于空气中的瓦斯浓度，初压和火源性质.
瓦斯和空气混合气体最低点燃温度
甲烷浓度
2
3。4
6。5
7.6
8.1
9.5
11
14.7
最低点燃温度℃
810
665
512
510
514
525
589
565
上表说明,甲烷浓度低时，需要的最低引火温度高，随着甲烷增大，需要的最低引火温度则降低.但当其浓度超过7～8%时，受甲烷热容量大的影响，其最低引火温度反而升高。
当甲烷浓度为8.5％时，在0.1Mpa,26℃时，甲烷与空气混合气体的引燃能量为0。28毫焦耳,随着甲烷浓度的下降或上升，引燃能量均上升
煤矿井下的明火(1000℃以上）煤炭自燃,电弧（4000℃）电火花、赤热的金属表面（1500℃）以及撞击和磨擦火花等都能点燃瓦斯。此外,采空区内砂岩是顶冒落时也能引起瓦斯的燃烧与爆炸，因岩石脆性破裂时，它的裂隙内可以产生高压电场（达180V/cm)电场内的电荷流动也能导致瓦斯燃烧和爆炸.
3、氧的含量
瓦斯爆炸时，空气中的氧含量一般在12%以上，低于这个数值,瓦斯失去爆炸性。
瓦斯浓度和氧含量存在一定的比例关系，二者必须经过混合后才能发生爆炸，如果混合后氧含量低于瓦斯爆炸反应最完全的需要量时，爆炸强度降低，一般讲空气中每增加1％的瓦斯,相应地就减少0。209%的氧气.
因此，甲烷浓度在9.5％时，混合气体中氧全部参与反应，而低于9。5%时，氧量有余，高于9。5%时氧量不足,在氧量不足的条件下会产生大量的一氧化碳。
在处理瓦斯爆炸事故时,爆炸区与回风流中必然有一氧化碳存在，都应视为灾区.
瓦斯爆炸时最低需氧量为12％，而其它可燃性气体最低需氧量均低于甲烷,所以对火区中封闭后的瓦斯与一氧化碳、氢气这三种可燃性气体混合后，爆炸时需氧量可用下式计算：
O2最低=5+7R(％)
R为瓦斯在三种气体中所占的百分数，如R=100%，即全部为瓦斯时，则Q2最低=12%
四、瓦斯爆炸事故的一般规律
1、井下一切高温热源都可以引起瓦斯燃烧或爆炸,但主要火源是放炮和机电火花。

2、煤矿任何地点都有发生爆炸的可能性，但大部分爆炸事故发生在采掘工作面。
3、回采工作面容易发生瓦斯爆炸的地点是工作面上隅角和采煤机切割机构附近。
4、掘进工作面易发生瓦斯爆炸的主要原因是通风不良.
5、大多数瓦斯爆炸事故，人为因素较多,与生产工艺水平关系不大。
五、预防瓦斯爆炸的措施
1、防止瓦斯积聚
所谓瓦斯积聚是指瓦斯浓度超过2％，其体积超过0。5m3的现象。
㈠保持良好通风
所有巷道、采掘工作面、洞室必须保持一定的风量与风速，使瓦斯没有积聚的可能。
㈡及时处理局部瓦斯积聚
生产中容易积聚瓦斯的地点有：
回采工作面上隅角、独头掘进工作面的巷道隅角、顶板冒落的空洞内低风速巷道的顶板附近、停风的盲巷中、回采工作面采空区边界处、采掘机械切割部位周围。
回采工作面上隅角瓦斯积聚的处理方法
①风幛法 具体做法是在工作面上隅角附近设置本板隔墙或帆布风幛，迫使一部分风流流经工作面上隅角，将该处积存的瓦斯冲淡排出，此法多用于工作面瓦斯涌出量不大(小于2～3 m3/min）上隅角瓦斯浓度超限不多时。
②风筒排除法 在回风巷至上隅角处设置风幛、风筒使工作面的回风流流经上隅角时,将瓦斯带走由风筒排出。
③改变采空区内的漏风方向.
④采区采用并联掺新的通风系统。
综合机组工作面瓦斯积聚的处理
①加大工作面风量。
②提高工作面回风流中的瓦斯机限浓度。
③在采煤机上安装瓦斯自动检测仪，连续检查其附近的瓦斯浓度，一旦超限就停止机器的运转.
④增加工作面风速或采煤机附近风速.
顶板附近瓦斯层状积聚的处理方法
①加大巷道的平均风速,使瓦斯与空气充分地紊流混合，一般风速不得低于0.5～1m/s。
②加大顶板附近的风速。
③将瓦斯源封闭隔绝。
④抽放瓦斯。
⑤加强顶板附近瓦斯浓度的检查。
顶板冒落孔洞内积存瓦斯的处理方法
①用砂土将冒落空间填实.
②用导风板或风筒接岔（俗称风袖）引入风流吹散瓦斯。
㈢抽放瓦斯
㈣经常检查瓦斯浓度和通风状况
2、防止瓦斯引燃
严禁携带烟草及点火工具下井；井下禁止使用电炉；禁止在井下打开矿灯；井口房抽瓦斯泵房及扇风机房周围20米内禁止使用明火;井下进行电气焊和喷灯焊接时，严格遵守有关规定；加强火区管理；瓦斯矿井必须使用防爆设备，采用低电流、低电压，限制火花能量；局扇和掘进工作面内的电气设备，必须装有延时的风电闭锁装置；瓦斯矿井只准使用煤矿安全炸药和瞬发雷管，禁止糊炮，明火放炮和一次装药分次放炮；防止机械火花的产生;禁止使用铝或铝合金制作的部件和仪器设备；禁止井下使用高分子聚合材料制品,应采用抗静电难燃的聚合材料制品。
3、防止灾害扩大措施
①矿井、采区主要工作面必须采用独立通风系统,严禁大串联通风。经批准的串联通风必须严格执行有关规定和安全措施。
②通风系统力求简单，尽量避免角联网络，以便保持风向与风量的稳定。
③主要通风机的防爆门,反风设备应完好,随时能够开启。
④为防止爆炸时火焰的传播,扩大事故，防止引起连续爆炸在掘进区、回采区之间，工作面以及采区之间，应设立隔爆水棚，或岩粉棚,并撒布岩粉。
⑤井下避难洞室，各类事故撤退路线的标志,突出矿井的压风自救系统均应保持完好.
第五节 瓦斯喷出
《煤矿安全规程》将瓦斯喷出定义为:大量瓦斯(二氧化碳）在压力状态下,从煤岩裂缝中放出,包括短时间的喷出和长时间喷出。
产生瓦斯喷出的原因是,天然的或因采掘工作形成的孔洞、裂隙内,如果积存着大量高压游离瓦斯，当采掘工作接近或沟通这样的地区时，高压瓦斯就能沿裂隙突然喷出，如同喷泉一样.喷出的瓦斯量和持续时间，决定于积存的瓦斯量和瓦斯压力。
瓦斯喷出按其成因分为两类:一类发生于能贮存瓦斯的地质构造破坏带。如断层、断裂、折曲和石灰岩溶洞附近。另一类发生于顶（底)板围岩能分层断层断裂的回采工作面。如果围岩内又赋存有含瓦斯的煤层或夹层的情况下，煤层回采后，围岩形成空间，邻近层的瓦斯有可能转移到这些空洞内，瓦斯量和瓦斯压力逐渐增加，能以突破层间围岩喷向采空区，工作面的瓦斯涌出量也随之增加.
瓦斯喷出前常有预兆：如风流中的瓦斯浓度增加，或忽大忽小，嘶嘶的喷出声，顶底板来压的轰鸣声，煤层变湿、变软等。
第六节 煤与瓦斯突出
煤与瓦斯突出包括：
1、煤的压出并伴随着大量瓦斯的涌出，简称压出。
2、煤的倾出并伴随着大量瓦斯的涌出，简称倾出。
3、煤或岩石与瓦斯的突然喷出，简称突出。
一、突出的机理
煤与瓦斯突出是在机短的时间内，（几秒～几分钟），煤体或岩体在多种力的作用下，采掘工作面的煤岩壁突然遭到破坏，并从煤岩层内以极快的速度向采掘空间内喷出煤（岩）和瓦斯，并在煤（岩）体内形成某种特殊形状的孔洞.突出时含有细粒煤（岩）的气流产生动力冲击作用，能摧毁巷道设施，破坏通风系统，甚至风流逆转。喷出的瓦斯由几百到几百万立方米，能使井巷充满瓦斯，造成人员窒息,引起瓦斯燃烧或爆炸，喷出的煤岩由几吨到几千吨，甚至上万吨。
二、突出的一般规律
1、突出发生在一定的采掘深度以后。
2、突出多发生在地质构造附近。
3、突出多发生在集中应力区。
4、突出次数和强度,随煤层厚度,特别是软分层厚度的增加而增加,煤层倾角愈大，突出的危险性也愈大.
5、突出与煤层的瓦斯含量和瓦斯压力没有固定的关系。
6、大多数突出发生在落煤工序时，放炮震动更容易引起突出。
7、突出前常有预兆发生，如煤体和支架压力增大；煤壁移动加剧，煤壁向外鼓起,掉渣、煤块迸出、破裂声、煤炮声，煤质干燥，光泽暗淡，层理紊乱，瓦斯增大或忽大忽小，煤尘增多，气温降低，顶钻或夹钻等。

调度培训教材3
矿井安全监控系统及其管理
矿井安全监控系统
一、矿井监控系统概述
矿井监控系统是指对煤矿井上、下的环境参数及有关生产环节进行检测，用计算机对采集的数据进行分析处理，对设备、局部生产环节或过程进行控制的智能化系统。
1。矿井监控系统的组成
一般由三个功能部分组成：
1) 传感器和执行装置。包括声光报警器、断电控制器等。
传感器及执行装置都安装在生产现场,传感器负责采集各种环境参数并把它输送给传输系统。
执行装置的功能是接收来自传输系统的信息，并根据它执行开、停、断电等指令，从而完成各种控制功能.
2) 信息传输装置。包括传输接口、分站、传输线、接线盒等.
这部分的主要功能是接收传感器传来的各种信息，并把它转换成数字或频率信号,再通过发送、接收装置及电缆和各种接口传递给地面中心站的计算机进行处理。同时接受计算机发来的各种指令，并通过上述设备传递给执行装置。
3)地面中心站 包括计算机及外围设备、应用程序、操作系统等.
2.矿井监控系统的分类
1）.按用途分:
安全监控、生产监控、电力监控
2).按传输线复用方式分：
时分、频分、空分
3）.按网络结构分
树形、星形、环形
3。我国矿井监控系统主要技术指标
1）中心站到分站的距离不小于20km。
2)传感器到分站的传输距离不小于2km。
3）系统的传输处理误差不大于0.5％。
4）用于监控的装置的误码率不大于10-8；仅用于监测的装置的误码率不大于10—6。
5）系统最大巡检周期不超过30s.
6）系统软件死机率不大于1次/720小时。
7）系统调出整幅实时数据画面的响应时间应小于5秒.
二、矿井安全监控系统发展概况
矿井安全监控系统是由瓦斯监测发展而来。
二十世纪四十年代，美国开始生产用铂丝催化元件做传感器的瓦斯检测仪；
1954年，英国首先研制出了载体催化元件;随后， 日本、法国也相继研制出载体催化元件；
由于载体催化元件体积小、结构简单、不易受背景气影响，二十世纪六十年代以来，其在主要产煤国家得到了广泛的应用,开始用来制造小型化个人携带式仪器，后来又用于瓦斯断电仪；
二十世纪七十年代，随着电子技术和计算机技术的发展，瓦斯检测逐步由“就地显示"发展到“远方遥测”,由“单一参数”发展到“多种参数”的矿井安全生产监控系统；
安全监控系统监控的参数：
模拟量：瓦斯、风速、压差、温度、CO
开关量：设备开停、风门开关
控制量:瓦斯超限断电、火灾引流装置
矿井安全监控系统在我国的发展
我国在瓦斯监测方面起步较晚,但发展速度很快。
1972年上海电子元件二厂研制出ABD-1型瓦斯断电仪；
1975年重庆煤矿安全仪器厂研制出AYJ-1型瓦斯遥测仪;
随后西安煤矿仪表厂研制出MJC—100集中监测装置 ；
从八十年代开始,引进国外和自行开发了多种矿井监控系统。
在开滦使用过的安全监控系统有：
MJC-100 （西安) ;SEC—80ⅡB （山西6904厂);A—1 （镇江)；KJ—1 、KJ—2 (常州）;CMC-1 、CMM-20 （波兰)、 KJ-66（北京仙岛）
目前开滦使用的安全监控系统：
KJ—65（南昌)、KJ-95（常州)、KJ101（镇江）、KJG2000（山西阳光）
上述四种安全监控系统全部采用时分制复用方式，主、从式结构，树形网络结构，传输方式：KJ-95、KJ101采用数字基带传输,KJ—65、KJG2000采用数字频带传输（FSK移频键控）.
近年，继续完善系统功能：
2003年1月，11个矿的监测信息全部上网。
2004年6月，11个矿的安全监测实时发送报警信息系统正式运行。

20

安全监控系统示意图

监控分站

负压传感器
风速传感器
开停传感器
监控主机
显示器
模拟盘
投影仪
网络服务器
工作站
工作站

甲烷断电仪

甲烷传感器
开停传感器
监控分站

压差传感器
CO传感器
温度传感器
监控分站

烟雾传感器
馈电传感器
风门传感器

监控分站
甲烷传感器
风速传感器
开停传感器

。。。

三、传感器
传感器是借助于敏感元件，对被测物理量进行检测和信号变换，输出模拟量信号或开关量信号的装置。传感器的组成框图如图所示:

（一）敏感元件
敏感元件用于将被测物理量转换成适于测量的电量信号，变换方法有直接和间接两种.
如热电偶可将温度变化转变为电势输出,即为直接变换.
有些敏感元件的输出并不是电量，需要通过转换器件将其变为电量，如载体催化元件是将瓦斯气体浓度的变化转换为电阻值的变化，再通过电桥将其变为电压信号输出,即为间接变换。
煤矿气体检测采用的敏感元件主要有：
1.催化燃烧式(热线型、载体催化型）,用于测量低浓度甲烷。
2。热传导式(热线型、热敏电阻型)，主要用于检测高浓度甲烷。
3。光学式(光干涉式和红外吸收式），主要检测甲烷、CO2。
检测其它参数用的敏感元件原理有热敏、敏磁等。例如，测量温度可用半导体PN结敏感元件；风速检测用超声波敏感元件;矿井通风压力检测用压差膜盒变换器。
（二）测量及变换电路
测量及变换电路的作用是对敏感元件输出的电信号进行放大、变换和处理，并输出标准信号。通常包括放大、非线性补偿、信号转换（如U／I、A／D）、显示和标准信号输出等电路.
（三）统一信号制
传感器的输出可以是开关量，也可以是模拟量或累计量。
开关量:只取两种不同状态的非连续变化的量。
模拟量：在确定的两个极值范围内取值连续变化的量.
累计量：随时间具有累加特性的量。
为了使传感器标准化、系列化、通用化,原煤炭部对各种传感器的输出信号及其电平参数作了统一规定。
遵循统一规定，有助于推广性能优良的传感器,扩展监控系统的功能。
(四）传感器的分类
煤矿安全监测传感器通常是根据检测对象分类，如瓦斯传感器、风速传感器、一氧化碳传感器、烟雾传感器、设备开停传感器、风门开关传感器等。（插图）
(五）传感器的技术要求
1。对传感器的主要技术要求
（1）测量范围
被测物理量可以按规定的精度进行测量的范围。
(2）量程
测量范围上限与下限的代数差。
(3）基本误差
在正常实验条件下确定的传感器测量误差值,
(4)稳定性
在规定的工作条件和时间内传感器性能变化的允许范围。
(5)响应时间
输入变量产生阶跃变化,输出量从初始值到达90％最终值的时间间隔。
2。对瓦斯传感器的技术要求
(1)检测范围及基本误差（％CH4)
0~1.00 ≤土0.1
〉1。00~2。00 ≤土0。2
〉2.00-4.00 ≤土0.3
(2)报警范围及基本误差(%CH4）
0。50~1。50 ≤土0。1
(3）声光报警
lm处≥85dB，能见度≥20m。
(4）相应时间≤30s
(5）稳定性 ≥7d
(六)瓦斯传感器
目前，瓦斯传感器使用的敏感元件，主要是载体催化元件.
1. 载体催化元件工作原理
（1）载体催化元件结构
载体催化元件一般由一个带催化剂的敏感元件（黑元件）和一个不带催化剂的补偿元件（白元件）构成.两个元件的结构和尺寸均相同,如图所示：

载体催化元件最里层是铂丝线圈，通常用ф0.02～ф0.05mm高纯铂丝绕制；
外面是载体和催化剂形成的催化外壳，载体催化元件使用Pt、Pd（常用氯化钯)等金属催化剂。
催化剂的作用：加快氧化反应的速度。甲烷在空气中进行无焰燃烧需650℃，在催化剂的作用下,可降低到300～400℃。
铂丝线圈用于通电加热催化外壳，维持瓦斯催化燃烧反应所需温度，同时又兼作感温元件,检测在催化反应中催化外壳温度的变化。
（2)检测原理：
甲烷与空气中的氧在一定温度条件下,经过催化剂的作用,在元件表面发生无焰燃烧，放出热量，使元件温度上升，铂丝线圈的电阻值增加,从而将瓦斯浓度的变化，转变成了电阻值的变化。再通过惠斯登电桥测量出元件电阻变化量，即可测知瓦斯浓度.
2. 瓦斯传感器工作原理

开机延时:传感器刚通电时，催化元件需要一段时间的预热，在此时间内,可能产生“正冲”,造成误报警、误断电，开机延时电路可在开机30秒内使信号输出为零，防止误报警、误断电。
四、信息传输装置
包括传输接口、分站、传输线、接线盒等,这部分的主要功能是接收传感器传来的各种信息,并把它转换成数字或频率信号，再通过发送、接收装置及电缆和各种接口传递给地面中心站的计算机进行处理.同时接受计算机发来的各种指令，并通过上述设备传递给执行装置。形象地说，其功能是“上传下达”:
分站的作用：
1. 接收传感器送来的信号，变成便于传送的信号;
2. 接收中心站发来的控制指令，将指令送到指定的执行机构。

井下分站要求与传感器形成独立监测单元，当地面中心站出故障时，井下监控工作仍能照常进行。
五、地面中心站
地面中心站包括计算机及外围设备、应用程序、操作系统等.（硬件、软件两部分）
这部分的主要功能是接收来自传输装置的信息，并对其进行综合分析判断，同时通过屏幕、模拟盘对各监测参数或状态进行显示。当某些环境参数超过设定值时，能自动报警，并可向井下发出控制信号，切断相关区域电源，防止事故发生。
（一)硬件部分
监控主机、接口设备、网络服务器、显示设备（投影、大屏幕、模拟盘）、打印机、不间断电源等。
1. 监控主机:必须配备两台,一台工作，另一台备用。
2.接口设备:（调制解调器、接口板）与井下分站相连。
（二）软件部分
1。基础软件
基础软件是计算机的操作系统软件.监控系统的操作系统软件应是实时、多任务操作系统，如Windows98、Windows2000、WindowsNT等.
2。高层软件
高层软件是以某种程序语言编写的监控系统软件，现在一般采用VB、C语言等编程.
高层软件又可划分为核心软件和外围软件两类。
核心软件一般包括传输、时钟、中断、自检、任务调度、键盘管理、屏幕管理等模块软件;
外围软件则十分丰富，像数据计算、显示格式、报表格式、图形绘制、数据库、控制模式、报警定义、初始化定义等等模块软件.
3。监控系统软件的技术要求
（1)实时性：系统最大巡检周期不超过30s。
（2)死机率：系统软件死机率不大于1次/720小时（30天）。
（3）精度：系统的传输处理误差不大于0.5％。
（4）响应时间:系统调出整幅实时数据画面的响应时间应小于5秒。

矿井安全监控系统的管理
一、安全监控系统装备标准
1。 各类传感器装备标准（见下表)
各类传感器装备标准
类型
使用人员或安装地点
备注
2.瓦斯传感器
1.采、掘工作面及串联通风地点.（169、170条）
2。回风流中的机电硐室。（171条）
＊3.赵、山、马及林、吕高瓦斯区域使用架线电机车时，装煤点的下风流。（172条）
＊4。 赵、山、马及林、吕高瓦斯区域使用架线电机车时，瓦斯涌出巷道的下风流.（172条）（矿根据情况自定）
5.瓦斯抽放泵站（地面、井下），抽放泵输入管路中，利用瓦斯时抽放泵输出管路中。（174条)

不断电

不断电
3。流量、温度、压力传感器
1.抽放泵吸入管路中.（175条）
2。利用瓦斯时抽放泵输出管路中。（175条）

4。风速传感器
每一个采区、一翼回风巷及总回风巷的测风站。(175条）

5。压力传感器
主要通风机的风硐。（175条)

6。 一氧化碳、温度传感器
开采容易自燃、自燃煤层的矿井，应设置一氧化碳、温度传感器。鉴于目前一氧化碳传感器质量不太稳定，各矿应装备不少于3台一氧化碳和温度传感器.但当煤层出现发火倾向时，应能满足监测需要。(175条)

7。设备开停传感器
1.主要通风机.(175条)
2。所有局部通风机.（175条）

8.风门开关传感器
主要风门(行人和行车频繁的采区进回风石门、主要进回风巷的联络石门）.(175条)

9. 馈电状态传感器
所有瓦斯超限断电被控设备开关的负荷侧。（175条）

2.瓦斯传感器的设置要求
(1）回采工作面传感器的布置要求 回采工作面的瓦斯传感器布置示意图如下所示：

回采工作面瓦斯传感器布置示意图
图注：T1—回采工作面风流中的瓦斯传感器；
T2—回采工作面回风流中的瓦斯传感器；
T3一回采工作面进风巷中的瓦斯传感器
在低瓦斯矿井的回采工作面只须安装传感器T1，该传感器的瓦斯报警点为≥1％CH4，瓦斯断电点为≥1．5％CH4，复电点为＜1%CH4，其断电范围为工作面及其回风巷内全部非本质安全型电器设备。
在高瓦斯矿井的回采工作面，瓦斯传感器须安装图中的T1和T2。其中T1的规定同上，T2的报警点为≥1％CH4，瓦斯断电点为≥1％CH4，复电点为＜1％CH4,断电范围为工作面及其回风巷内全部非本质安全型电器设备.
若煤(岩)与瓦斯突出矿井采煤工作面的甲烷传感器不能控制其进风巷内全部非本质安全型电气设备，则必须在进风巷设置甲烷传感器T3,T3的报警点为≥0。5％CH4，瓦斯断电点为≥0.5％CH4,复电点为＜0.5％CH4，断电范围为进风巷内全部非本质安全型电器设备。
（2)掘进工作面
传感器的布置要求 在瓦斯矿井的煤巷、半煤岩巷和有瓦斯涌出的岩巷掘进工作面，瓦斯传感器按下图所示设置。