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(xué) 煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201；2.云南省一九八煤田地質(zhì)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(zé)任公司 廣元分部，四川 廣元 628017；5.湖南省煤田地質(zhì)局第二勘探隊，湖南 株洲 412011；6.貴州省煤田地質(zhì)局一四二隊，貴州 盤州 561600)

2013年3月29日，吉林省吉煤集團(tuán)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(shù)[2-3]的管理層面存在缺陷，在處理和總結(jié)此類事故時，沒有系統(tǒng)地總結(jié)深層次的技術(shù)管理問題和技術(shù)原因，這些未查明的技術(shù)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(shù)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(jié)的成果，但并不完善。近十余年來，理論沒有實質(zhì)性突破。瓦斯內(nèi)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(chǎn)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(fēng)設(shè)定為萬能。

1.2 瓦斯防治理論的構(gòu)建

礦井瓦斯化學(xué)分子的產(chǎn)生，離不開煤層開采過程中的化學(xué)反應(yīng)，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(yīng)，生成圖1的分子結(jié)構(gòu)，也稱為化學(xué)反應(yīng)還原，其中C和H2O是甲烷產(chǎn)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(fēng)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(dá)50%以上，甚至直接噴孔和突出。沼氣產(chǎn)生是碳水化合物在水浸泡下產(chǎn)生的，碳水化合物必須先碳化，然后在水作用下產(chǎn)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(chǎn)生化學(xué)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(yīng)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(qū)離塊煤里吸附的瓦斯。取出后達(dá)常溫，投入裝水的玻璃杯，通過直視和光學(xué)投影觀察，發(fā)現(xiàn)煤塊產(chǎn)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(chǎn)生類似效果。這也正是川煤集團(tuán)唐家河煤礦為何地震后煤層瓦斯明顯增加的原因。當(dāng)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(yù)警透水事故提供技術(shù)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(xué)吸附。

上述(1)～(5)為較簡單化學(xué)反應(yīng)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(yīng)，式后一個共同特點是碳的過氧化反應(yīng)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(yīng)和過氧化反應(yīng)的過程，加成反應(yīng)是瓦斯事故準(zhǔn)備期，過氧化反應(yīng)則是瓦斯事故發(fā)展期。

圖1 加成反應(yīng)和過氧化反應(yīng)階段示意

加成反應(yīng)可從掘進(jìn)中的“霧氣找煤法”得知，掘巖時風(fēng)鉆所排霧氣離煤層越遠(yuǎn)越濃，離煤層越近則越稀薄。加成反應(yīng)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(jié)合體?？稍僮鲆粋€簡易試驗進(jìn)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(dá)到飽和前提下，通過加成反應(yīng)產(chǎn)生甲基和亞甲基。

過氧化反應(yīng)是煤體中的碳、硫、磷、氮等遇氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)升溫階段，煤層開采隨著埋深變化基礎(chǔ)溫度也不同，一般14～17 ℃。隨著氧氣進(jìn)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(fù)數(shù)。溫度上升或爆破使甲基和亞甲基等吸附瓦斯轉(zhuǎn)換成甲烷，在溫室效應(yīng)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(xué)反應(yīng)活性鍵越多越疊加，向溴乙烷轉(zhuǎn)化C2H5Br，沸點38.4 ℃。

加成反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，過氧化反應(yīng)為放熱反應(yīng)。圖1式后其他反應(yīng)在化學(xué)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(diào)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(chǎn)生CN-(氰根離子)有關(guān)，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(fēng)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(xì)胞內(nèi)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(xì)胞和腦細(xì)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(yīng)、過氧化反應(yīng)與礦井瓦斯事故關(guān)系

加成反應(yīng)和過氧化反應(yīng)是煤炭開采過程中兩種最基本的反應(yīng)方式，采煤過程中是同步進(jìn)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(fēng)供入量的關(guān)系，這兩種反應(yīng)速度也不一致，甚至某種反應(yīng)停止。一般正常情況下比較遲緩，每天在接觸處向周圍擴(kuò)展1 m多，隨接觸深度的增加而擴(kuò)展速度放緩，通過抽放瓦斯，可促進(jìn)這兩種反應(yīng)提前完成。采煤實踐表明：只有通過完成加成反應(yīng)和過氧化反應(yīng)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(dá)到筑高目的。高產(chǎn)快速推進(jìn)對于加成反應(yīng)和過氧化反應(yīng)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(dá)，事故危險性也自然會增加。

如進(jìn)入冬季，空氣干燥，正常煤體加成反應(yīng)達(dá)不到煤體所需，加成反應(yīng)過程緩慢，霧霾天氣水分或雨天集中增加供給加成反應(yīng)所需水分，導(dǎo)致加成反應(yīng)所產(chǎn)生的甲基和亞甲基成比例增加，再通過過氧化反應(yīng)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(guān)閉、停產(chǎn)造成局部不同程度停風(fēng)，停風(fēng)則造成加成反應(yīng)和過氧化反應(yīng)不同步，過氧化反應(yīng)不到位。停風(fēng)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(jìn)行吸收，生成大量甲基與亞甲基，停風(fēng)后過氧化反應(yīng)未能完成。下次恢復(fù)通風(fēng)時，過氧化反應(yīng)的基礎(chǔ)能量成倍增加，而一時從煤體排出量有限，導(dǎo)致煤體內(nèi)形成高壓瓦斯區(qū)，深部則達(dá)到沸點發(fā)生突出。停風(fēng)后復(fù)風(fēng)，短時間內(nèi)復(fù)風(fēng)比沒停更危險，《煤礦安全規(guī)程》中有“停工不能停風(fēng)”的規(guī)定。礦級管理人員依據(jù)教科書模板式通風(fēng)的三大任務(wù)，只注重一個巷道內(nèi)的瓦斯積聚問題，認(rèn)為只要及時把積聚瓦斯排出就行，卻忽視供風(fēng)促進(jìn)煤體過氧化反應(yīng)完成的基本目標(biāo)。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(guān)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(yīng)沒完成區(qū)域以及二次供風(fēng)維修、掘進(jìn)過程中。

2 瓦斯事故防治理論

2.1 認(rèn)清瓦斯來源，采取應(yīng)對措施

瓦斯產(chǎn)生是煤物質(zhì)去除碳性變化的產(chǎn)物之一，開采過程中依據(jù)各煤層密度掌握加成反應(yīng)與過氧化反應(yīng)關(guān)系、嚴(yán)格控制推進(jìn)速度，可采取下列方法檢測加成反應(yīng)和過氧化反應(yīng)。

1) 用干濕度計檢測進(jìn)風(fēng)側(cè)與回風(fēng)側(cè)的濕度對比，核實加成反應(yīng)每分鐘吸附多少水分，按百分點計算對比煤體風(fēng)排瓦斯量。

2) 用△h-2值衡量?！鱤-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(yīng)，下降快則表明其加成反應(yīng)基本完成?！鱤-2<0，證明過氧化反應(yīng)比加成反應(yīng)要快，此時須核減供風(fēng)量，不能任其在煤體深處發(fā)展，構(gòu)成煤體瓦斯壓力、強分子力，隨即出現(xiàn)瓦斯突出預(yù)兆。筆者在湖南新化聯(lián)新煤礦研究基礎(chǔ)上，控制推進(jìn)速度，原始煤體限產(chǎn)限進(jìn)尺，采用深孔(措施孔準(zhǔn)備推進(jìn)前2 h完成，不宜過早、過晚)排放后，采煤工作面每天推進(jìn)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(jìn)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(jìn)風(fēng)側(cè)5 ℃。

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

4) 加成反應(yīng)到位，過氧化反應(yīng)剛開始，煤層嚴(yán)禁隨意爆破升溫，確需爆破，遠(yuǎn)距離起爆，全井撤人。

2.2 過氧化反應(yīng)未完成，采掘點不能停風(fēng)

煤體過氧化反應(yīng)完成是煤層安全開采的前提，停風(fēng)意味著煤體過氧化反應(yīng)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(diào)控風(fēng)量，有意識地控量延時完成。當(dāng)有突出預(yù)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(yīng)該采取的具體措施：

1) 有意識地限制氣化劑的供應(yīng)，搞好安全防護(hù)(如打密閉)。

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

始終牢記供風(fēng)是煤體過氧化反應(yīng)需要完成的基本目標(biāo)，無論放假、整頓、停產(chǎn)、采區(qū)關(guān)閉或停風(fēng)，都要以保證過氧化反應(yīng)完成為前提，否則二次供風(fēng)掘進(jìn)或維修比第一次供風(fēng)掘進(jìn)或維修更危險。如確需暫時停風(fēng)，10 m內(nèi)△h-2值應(yīng)為0，用干濕度器測量進(jìn)風(fēng)側(cè)與回風(fēng)側(cè)濕度基本持平，用瓦斯檢測儀檢查該處停風(fēng)5～8 h瓦斯不超限才能關(guān)閉和停風(fēng)。生產(chǎn)過程中嚴(yán)格注意相關(guān)區(qū)域局扇開停傳感器的使用情況，認(rèn)真記錄供風(fēng)情況，對比供風(fēng)與瓦斯產(chǎn)生的關(guān)系。已停風(fēng)的采區(qū)巷道要開啟時，先要長時間限量供風(fēng)(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(fù)工。也就是說，要等10 m相應(yīng)距離內(nèi)過氧化反應(yīng)基本完成，△h-2值為0，且嚴(yán)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(hù)措施的建立

在前述的化學(xué)反應(yīng)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(jìn)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(nèi)，利用過氧化反應(yīng)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(xué)者研究水可抑制瓦斯(水達(dá)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(dá)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(yīng)的條件而不會反風(fēng)，這樣就構(gòu)筑了對其他區(qū)域的安全保障。

4 結(jié)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(chǎn)要求的硬性條件；

2) 煤體開采過程存在加成反應(yīng)和過氧化反應(yīng)是不爭事實；

3) 控制好推進(jìn)速度與加成反應(yīng)、過氧化反應(yīng)的關(guān)系，通風(fēng)任務(wù)中增加一條“供風(fēng)要確保過氧化反應(yīng)正常完成”；

4) 復(fù)風(fēng)者要戴好濕式口罩，復(fù)風(fēng)回風(fēng)口噴水消毒；

5) 復(fù)工復(fù)產(chǎn)要嚴(yán)格控制復(fù)風(fēng)區(qū)過氧化反應(yīng)的無限發(fā)展，明白其影響因素并認(rèn)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。