關(guān)注瓦斯災害-加強基礎(chǔ)研究

關(guān)注瓦斯災害加強基礎(chǔ)研究一、瓦斯災難造成重大人員傷亡和經(jīng)濟損失

近年來各種礦難頻發(fā)，特殊是瓦斯爆炸事故時見于報端。2004年僅瓦斯爆炸的報道的就有39起之多，普及重慶、河北、山西、遼寧、吉林、黑龍江、江西、河南、湖南、廣東、四川、貴州、陜西、新疆15個省市、自治區(qū)，死亡753人，受傷98人，后果觸目驚心。如此嚴峻的災難，引起了全社會的關(guān)注。國內(nèi)外科技工對此作了大量的討論，獲得了一些有意義的討論結(jié)果，災難發(fā)生的有關(guān)機理和掌握手段已經(jīng)把握，但還有更多的緣由和有效措施有待探究和討論。

二、已獲得的討論結(jié)果

人們知道，瓦斯是化石能源（煤炭、石油等）形成過程中的氣態(tài)物質(zhì)，其主要成分是甲烷（CH4），與民用自然氣（甲烷濃度到達96％以上）的主要成分一樣。瓦斯無色、無味、比空氣輕，化學性質(zhì)在常溫狀態(tài)下特別穩(wěn)定。但是，若其在空氣中到達肯定的濃度，遇見明火就會發(fā)生猛烈的爆炸。

瓦斯爆炸必需同時具備3個條件:一是火源（火花的能量到達0.28毫焦，溫度在400℃～500℃以上）;二是氧氣(氧氣含量在12%以上)；三是瓦斯本身的濃度在5％～15％范圍內(nèi)。當瓦斯?jié)舛鹊陀?％，無論如何都不會發(fā)生瓦斯爆炸；當空氣中瓦斯?jié)舛瘸^15％時，瓦斯也不再爆炸，而只是燃燒（在氧氣充分的狀況下）；當空氣中的氧氣濃度低于12％時，不管瓦斯?jié)舛热绾?，都不會爆炸也不會燃燒。人員在高濃度瓦斯的環(huán)境中也會引起窒息死亡。瓦斯爆炸和燃燒跟氧氣濃度的關(guān)系如下列圖所示。

瓦斯爆炸三角區(qū)

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因此，為了防止瓦斯爆炸，人們現(xiàn)在實行的主要措施就要避開瓦斯爆炸的3個條件同時成立。礦井生產(chǎn)中，常規(guī)的方法，一是防止瓦斯積聚，不允許采掘空間消失瓦斯?jié)舛瘸?，即采掘空間的瓦斯?jié)舛冗h遠低于瓦斯爆炸的最低值；二是防止瓦斯被引燃，采掘空間內(nèi)不能消失火源。三是防止瓦斯爆炸事故的擴大。根本措施是前面兩個。掌握氧氣的濃度目前不是很現(xiàn)實，采掘工作面的氧氣濃度不能低于12％，否則無法保證人員正常呼吸的要求，氧氣濃度太高簡單發(fā)生燃燒和煤塵爆炸。

三、瓦斯抽放和嚴格治理是避開瓦斯災難的必要條件

由于石油和煤炭的開采工藝不同，在化石能源的開采過程中，瓦斯爆炸主要發(fā)生在煤礦開采過程中。煤礦井工開采（相對于露天開采）是在受限空間內(nèi)進展的，瓦斯安全隱患在于礦井氣氛極易滿意爆炸條件。

采掘工作面的瓦斯隨著工作面的生產(chǎn)不斷地涌出，對于瓦斯涌出不太大的礦井，可以通過向工作面不斷的供風將生產(chǎn)中產(chǎn)生的瓦斯稀釋，并通過主要扇風機帶出地面排入大氣來解決采掘工作面的瓦斯問題。礦井的主要扇風機和通風網(wǎng)路的通風設(shè)計力量是有限的，在相當長的一段時期內(nèi)是不變的，因而依靠通風排解瓦斯的力量也是肯定的。隨著向前掘進，巷道漸漸加長，氣流因摩擦阻力作用，所要求的風機功率和壓頭也越來越大。隨著開采深度的不斷增加，機械化程度的不斷提高，開采強度的不斷增加，瓦斯涌出量還會進一步增大。假如發(fā)生瓦斯突出，即瞬時大量的瓦斯涌出，再大的通風力量都無濟于事。尤其對于瓦斯涌出量大的礦井，光靠通風排瓦斯已經(jīng)不能解決采掘工作面的瓦斯超限問題，因此，要從根本上治理瓦斯災難，必需做到有效猜測瓦斯狀況，對高產(chǎn)礦井和高瓦斯礦井，公認的方法是進展瓦斯抽放。建立特地的瓦斯抽放系統(tǒng)，通過本煤層瓦斯（煤層氣）預抽放，和（或）鄰近層瓦斯預抽放，和（或）采空區(qū)抽放，目的就是提前將煤層中的瓦斯抽掉一局部，以削減瓦斯涌入采掘空間。這樣，一是消退了瓦斯爆炸的危急，二是可以變廢為寶，使瓦斯這一清潔能源得以回收利用，三是削減了瓦斯排入大氣造成的環(huán)境問題。此外，掌握火源也特別重要，采掘工作面內(nèi)的全部電器設(shè)備必需是質(zhì)量安全的或是隔爆的（需經(jīng)過嚴格的防爆檢驗和安全認證）；盡量避開金屬物間的撞擊；不使用產(chǎn)生靜電的物品等。

目前人們已經(jīng)熟悉到，瓦斯以游離和吸附兩種方式賦存于煤體中，而吸附瓦斯約占90％以上。這導致煤層瓦斯抽放時，其運移路線為：微孔隙裂隙外表吸附瓦斯的解吸和集中，轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x瓦斯，賦存于較大的孔隙裂隙中，進而游離瓦斯?jié)B流進入采掘自由空間。瓦斯吸附與解吸是相互為條件轉(zhuǎn)化的，當游離瓦斯壓強低于吸附瓦斯壓強時，吸附瓦斯較快地轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x瓦斯，反之亦然。從這種意義上講，降低游離瓦斯壓強是瓦斯抽放的必要條件。因此。設(shè)法通過提高煤層滲透性，疏通滲流通道，使游離瓦斯排出，是瓦斯抽放的關(guān)鍵步驟。我國煤層大多屬于低滲透煤層，致使瓦斯抽放難以實施，效果甚差。討論說明，我國煤層滲透率一般在（0.1～0.001）×10－3ｕｍ２范圍，國內(nèi)滲透率最大的撫順煤田也僅為（0.54～3.8）×10－3ｕｍ２，滲透性比美國低2～3個數(shù)量級。按美國地面煤層氣開發(fā)標準，認為煤層滲透率在（3～4）×10－3ｕｍ２最正確，但不能低于1×10－3ｕｍ２。盡管在自然科學基金的資助下，探究了包括電磁等外場作用下加速解吸過程討論，采納切割增加縫隙以增加滲透性等，至今尚未發(fā)覺經(jīng)濟有效的抽放方法。

對于瓦斯突出，人們也提出了幾種假說和模型，如“煤與瓦斯突出的綜合作用假說“，“流變作用假說“，“球殼失穩(wěn)理論“，“地應力與煤儲層滲透性耦合作用假說“等，現(xiàn)有的討論工作極其有限，至今仍無牢靠有效的猜測模型。

目前，煤炭行業(yè)對礦井瓦斯治理的方針是“以風定產(chǎn)、先抽后采、監(jiān)測監(jiān)控“，明確要求礦井的產(chǎn)量要依據(jù)礦井的通風力量來核定，產(chǎn)量越大，肯定瓦斯涌出量就越大，風排瓦斯的難度就越大。對高瓦斯礦井，是不行能通過通風來解決采掘空間的瓦斯問題的，必需進展抽放。瓦斯礦井必需通過建立監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)來加強安全治理?，F(xiàn)在很多礦井都建立了礦井安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，這是提高瓦斯礦井的安全治理的最有效的幫助手段，它能直接監(jiān)測井下主要采掘地點的瓦斯?jié)舛?，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)送到治理者的辦公室，因而治理者可以隨時把握井下的安全狀況。假如監(jiān)測到井下的瓦斯?jié)舛瘸蓿撓到y(tǒng)還具備自動斷電的功能，防止電器火花的產(chǎn)生。

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四、科學討論是最終解決瓦斯災難的牢靠保證

瓦斯的治理是一個世界性的難題，目前還沒有從根本上解決瓦斯災難的方法。因此，很多興旺國家，為了削減事故的發(fā)生，制止開采瓦斯涌出量大的礦井，而只開采瓦斯涌出量小的礦井。我國是一個進展中國家，能源非常緊缺，煤炭占我國能源總消耗量的70％以上，煤炭的產(chǎn)量直接影響國民經(jīng)濟的進展。這就導致了在我國只要有煤炭儲藏的地方，不管是低瓦斯還是高瓦斯礦區(qū)，都在樂觀地制造條件開礦，我國的礦井之多，分布之廣高居世界首位。我國全部煤礦均為瓦斯礦井。大中型煤礦中，高瓦斯礦井占20.34%，突出礦井占19.77%。小型煤礦中，高瓦斯礦井占15%左右，這是造成瓦斯災難較多的緣由之一。

假如不考慮人為的因素，應用現(xiàn)有的學問，有完善的監(jiān)測掌握系統(tǒng)和嚴格科學的治理，可以避開除瓦斯突出以外的大多數(shù)的瓦斯災難。目前大多數(shù)事故調(diào)查緣由都認為是中小煤礦安全措施差，通風力量差，工人及治理人員安全素養(yǎng)差造成的，但事情并非如此簡潔。

2002年國家下大力氣關(guān)停了一批安全檢查不合格的煤礦，處分了發(fā)生事故的有責任領(lǐng)導，然而煤礦瓦斯爆炸事故并未大幅度削減。2003年5月13日安徽蘆嶺煤礦發(fā)生瓦斯爆炸大事為各煤礦敲響了安全警鐘，要加強安全治理、通風。然而不幸的是5月13～21日的8天內(nèi)接連又發(fā)生了遼陽、山西和云南煤礦瓦斯爆炸，死亡130多人，這些煤礦的裝備和治理不都屬于應當關(guān)停之列。我們沒理由認為發(fā)生安徽蘆嶺煤礦瓦斯爆炸后，其它各礦礦長及治理人員不加強治理，不重視通風，或未進展安檢，但依舊發(fā)生了爆炸事故，這說明在以往歷次事故總結(jié)出的事故緣由外，還有許多本質(zhì)的東西未被熟悉，所以削減事故發(fā)生沒有收到顯著效果。

由此可見，我國的高瓦斯礦井的瓦斯災難問題也不僅僅是一個安全治理和裝備差的問題，在瓦斯爆炸機理、瓦斯在采掘空間的涌出和運移規(guī)律、煤層透氣性、瓦斯改性和生物降解、膜分別、瓦斯突出機理、人的行為和安全文化等討論領(lǐng)域仍存在很多的科學問題需要解決，在提高瓦斯抽放率、瓦斯區(qū)域的面監(jiān)測和空間監(jiān)測、阻爆和隔爆等諸多工程科學問題需要討論。由于地質(zhì)條件、采動掌握、人機環(huán)境等的簡單性與相互作用，現(xiàn)有的討論還無法清晰地表達相關(guān)的機理和作用規(guī)律（如煤與瓦斯突出機理、瓦斯爆炸傳播規(guī)律等），應當說還沒有成熟有效的檢測預報模型和裝備，也沒有找到避開在礦井條件下人行為失誤的有效方法（只是統(tǒng)計到井溫每上