赵彦名，曹运江，蒋建华，蔡昌和，黄祥宽，曹建辉，吴兴建，易海霞，罗福义

(1.湖南科技大学 煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201；2.云南省一九八煤田地质勘探队，云南 昆明 650208；3.湖南省新化县联新煤矿，湖南 新化 417000；4.四川川煤华荣能源有限责任公司 广元分部，四川 广元 628017；5.湖南省煤田地质局第二勘探队，湖南 株洲 412011；6.贵州省煤田地质局一四二队，贵州 盘州 561600)

2013年3月29日，吉林省吉煤集团通化矿业公司发生特别重大瓦斯爆炸事故[1]，2016年10月以来全国又连续发生几起瓦斯重特大事故，给本已平静的煤矿安全管理工作蒙上一层阴影，说明现阶段矿井瓦斯防治技术[2-3]的管理层面存在缺陷，在处理和总结此类事故时，没有系统地总结深层次的技术管理问题和技术原因，这些未查明的技术原因或管理问题又为下次类似事故埋下了安全隐患。

1 基于技术层面的瓦斯防治理论

1.1 原有瓦斯防治理论的局限性

原有瓦斯防治理论是数代煤矿人实践总结的成果，但并不完善。近十余年来，理论没有实质性突破。瓦斯内涵泛指矿井有毒有害气体，外延则有甲烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、溴化氢、氰化氢等瓦斯以及甲烷前身甲基(-CH3)和亚甲基(-CH2-)等吸附瓦斯(这里吸附是指原煤层含有瓦斯，只是“附”，开采过程中有水的参与才称为“吸”)。井下如何产生这些气体，仅仅依赖于前人的种种假说，还未能得到有效证实，说明对矿井中存在哪些致命性气体并未完全弄明白，以前矿井瓦斯防治理论建立于“综合作用假说”，把所有瓦斯视为成煤过程中形成的既有成份、既有含量和既有体积等展开防治，把抽放和加大通风设定为万能。

1.2 瓦斯防治理论的构建

矿井瓦斯化学分子的产生，离不开煤层开采过程中的化学反应，说明瓦斯不一定是煤层中原有的，可能具有新生性。

首先从瓦斯爆炸热-链：CH4+2O2→CO2+2H2O+829.3 kJ去分析，这是瓦斯在氧气参与的热裂变反应，生成图1的分子结构，也称为化学反应还原，其中C和H2O是甲烷产生的原因。从早期湖南新化联新煤矿煤层三种不同施工措施中获知：干式排碴钻孔瓦斯浓度仅10%以上，风力排碴瓦斯浓度则有20%以上，水力排碴瓦斯浓度则可达50%以上，甚至直接喷孔和突出。沼气产生是碳水化合物在水浸泡下产生的，碳水化合物必须先碳化，然后在水作用下产生气体。因碳原子有6个电离子，中间2个，外围4个，由水对碳原子外围4个电子产生化学影响氢健化合，而生成甲基(-CH3)和亚甲基(-CH2-)。仅有甲基和亚甲基是因为在一次性反应过程中碳原子中间两电离子并未受水影响与氢健化合。

可做这样一个简易试验验证：选一小块煤，于恒温箱中加热或暴晒，驱离块煤里吸附的瓦斯。取出后达常温，投入装水的玻璃杯，通过直视和光学投影观察，发现煤块产生气体(气泡)和表面钙化物。因此，水对碳原子外围4个电子的影响产生类似效果。这也正是川煤集团唐家河煤矿为何地震后煤层瓦斯明显增加的原因。当水和氧再度对另两个电子影响后则生成甲烷，充分体现出瓦斯新生性机理。这种现象还能给最后时刻预警透水事故提供技术观察依据，即每次矿井大透水前煤层小股水渗出会伴随大量白色水泡排出，虽然时间只有几分钟至半小时不等，如果井下能及时观察到，会对减少人员伤亡起决定性作用。

从分子式(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指碳分子筛，仅在溴乙烷(C2H5Br)中出现，一般C都以单原子与其他分子化学吸附。

上述(1)～(5)为较简单化学反应等式，是瓦斯爆炸热-链演变式，见图1，可以看出其式前部分属于加成反应，式后一个共同特点是碳的过氧化反应及氧化硫、氧化氮、氧化磷等，其中式(5)才具有真正爆炸性。煤炭原处于一个封闭状态，开采改变了原有赋存条件，开采是煤体出现加成反应和过氧化反应的过程，加成反应是瓦斯事故准备期，过氧化反应则是瓦斯事故发展期。

图1 加成反应和过氧化反应阶段示意

加成反应可从掘进中的“雾气找煤法”得知，掘岩时风钻所排雾气离煤层越远越浓，离煤层越近则越稀薄。加成反应在△h-2值中为正数，为煤层吸附水强度(煤的水解性)，即瓦斯放散初速度。所谓吸附瓦斯就是甲基和亚甲基，是煤与水的结合体。可再做一个简易试验进行验证，取一煤样，一分为二，甲样直接加温分析吸附瓦斯含量；乙样加2%的水再同等加温分析其吸附瓦斯含量，证明煤体不能达到饱和前提下，通过加成反应产生甲基和亚甲基。

过氧化反应是煤体中的碳、硫、磷、氮等遇氧发生化学反应升温阶段，煤层开采随着埋深变化基础温度也不同，一般14～17 ℃。随着氧气进入，温度开始上升，正常状态下一般25～30 ℃，不正常状态下一直上升直至自燃，此时△h-2值为负数。温度上升或爆破使甲基和亚甲基等吸附瓦斯转换成甲烷，在温室效应中合成微黄色果冻状水溶液溴丙烷(CH3CH2CH2Br)，其熔点为-110 ℃，沸点70.97 ℃，pH值6.0～8.0，相对密度为1.36，化学反应活性键越多越叠加，向溴乙烷转化C2H5Br，沸点38.4 ℃。

加成反应为吸热反应，过氧化反应为放热反应。图1式后其他反应在化学上称为杂化轨道，成键方式有一共同特点，推动煤体温度上升，促使碳、氢成键。需要强调氰化氢(HCN)分子(极性分子，剧毒，易溶于水，具爆炸性)，生成原因与硫磷杂化轨道成键、氮离子键在温度作用下产生CN-(氰根离子)有关，氮在干燥煤粉尘缺水制衡的条件下活性化成氢碳氮三键，其气体(0.941)比重比甲烷(0.717)要重，比二氧化碳(1.517)要轻。在静止风流的巷道中存在于巷道垂高的3/4处，上山盲巷中如果能观察到绿色气体，绿色由浅至深，说明浓度由低至高，它是瓦斯突出和盲巷事故的最大杀手，能造成细胞内窒息。此种中毒死亡者与其他窒息死亡不同，死亡2～5 h后会口吐血泡沫，表明肺部细胞和脑细胞被击穿杀死。

矿井瓦斯演化三阶段特征见表1。

表1 瓦斯形成三阶段所表现的特征

1.3 加成反应、过氧化反应与矿井瓦斯事故关系

加成反应和过氧化反应是煤炭开采过程中两种最基本的反应方式，采煤过程中是同步进行的。由于煤体的密度原因，空气中的水分子、原有条件吸附的水分子和供入氧随天气、通风供入量的关系，这两种反应速度也不一致，甚至某种反应停止。一般正常情况下比较迟缓，每天在接触处向周围扩展1 m多，随接触深度的增加而扩展速度放缓，通过抽放瓦斯，可促进这两种反应提前完成。采煤实践表明：只有通过完成加成反应和过氧化反应的煤体才是安全开采煤体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较难，唯有一天一个高度才能达到筑高目的。高产快速推进对于加成反应和过氧化反应完成而形成安全开采煤层和安全阻隔距离来说，欲速则不达，事故危险性也自然会增加。

如进入冬季，空气干燥，正常煤体加成反应达不到煤体所需，加成反应过程缓慢，雾霾天气水分或雨天集中增加供给加成反应所需水分，导致加成反应所产生的甲基和亚甲基成比例增加，再通过过氧化反应自然增加甲烷的含量，即形成瓦斯事故高发期所需的能量条件。

放假、临时性关闭、停产造成局部不同程度停风，停风则造成加成反应和过氧化反应不同步，过氧化反应不到位。停风后由于煤体与水分处于干湿两个极端，煤体在不采动前提下是固态，会对动态的水和水蒸汽始终进行吸收，生成大量甲基与亚甲基，停风后过氧化反应未能完成。下次恢复通风时，过氧化反应的基础能量成倍增加，而一时从煤体排出量有限，导致煤体内形成高压瓦斯区，深部则达到沸点发生突出。停风后复风，短时间内复风比没停更危险，《煤矿安全规程》中有“停工不能停风”的规定。矿级管理人员依据教科书模板式通风的三大任务，只注重一个巷道内的瓦斯积聚问题，认为只要及时把积聚瓦斯排出就行，却忽视供风促进煤体过氧化反应完成的基本目标。2013年湖南共升煤矿“7.24”较大煤与瓦斯突出事故、芦二井瓦斯事故以及全国相关矿井瓦斯事故资料显示，瓦斯事故很容易发生于煤体过氧化反应没完成区域以及二次供风维修、掘进过程中。

2 瓦斯事故防治理论

2.1 认清瓦斯来源，采取应对措施

瓦斯产生是煤物质去除碳性变化的产物之一，开采过程中依据各煤层密度掌握加成反应与过氧化反应关系、严格控制推进速度，可采取下列方法检测加成反应和过氧化反应。

1) 用干湿度计检测进风侧与回风侧的湿度对比，核实加成反应每分钟吸附多少水分，按百分点计算对比煤体风排瓦斯量。

2) 用△h-2值衡量。△h-2>0，依据每9.8 Pa研判前方煤体吸附强度，上升则证明前方煤体所需能量增加，下降则证明其在衰减或是前方煤体已完成加成反应，下降快则表明其加成反应基本完成。△h-2<0，证明过氧化反应比加成反应要快，此时须核减供风量，不能任其在煤体深处发展，构成煤体瓦斯压力、强分子力，随即出现瓦斯突出预兆。笔者在湖南新化联新煤矿研究基础上，控制推进速度，原始煤体限产限进尺，采用深孔(措施孔准备推进前2 h完成，不宜过早、过晚)排放后，采煤工作面每天推进约0.8～1 m，煤掘头(巷道式采煤迎头)采用至少10 m深孔排放，每天仅允许掘进1 m。△h-2≤29.4 Pa，湿度对比不超过2%，工作面温度不得高于进风侧5 ℃。

3) 严格检查通风过程中由离心力将水分子洒落相关区域，如工作面上隅角瓦斯过氧化反应情况，下隅角下次待掘区加成反应情形。

4) 加成反应到位，过氧化反应刚开始，煤层严禁随意爆破升温，确需爆破，远距离起爆，全井撤人。

2.2 过氧化反应未完成，采掘点不能停风

煤体过氧化反应完成是煤层安全开采的前提，停风意味着煤体过氧化反应不能正常完成。煤体有突出现象是过氧化速度太快、煤体外排不及引起的。对于这种现象需调控风量，有意识地控量延时完成。当有突出预兆时，不要从本煤层施工防突措施孔，这是《防治煤与瓦斯突出规定》中局部“四位一体”所存在的缺陷。应该采取的具体措施：

1) 有意识地限制气化剂的供应，搞好安全防护(如打密闭)。

2) 选择煤层底板向有突出预兆地带溴水施工不大于5 cm孔径的措施孔，施工时并严防钻杆冲出伤人。

始终牢记供风是煤体过氧化反应需要完成的基本目标，无论放假、整顿、停产、采区关闭或停风，都要以保证过氧化反应完成为前提，否则二次供风掘进或维修比第一次供风掘进或维修更危险。如确需暂时停风，10 m内△h-2值应为0，用干湿度器测量进风侧与回风侧湿度基本持平，用瓦斯检测仪检查该处停风5～8 h瓦斯不超限才能关闭和停风。生产过程中严格注意相关区域局扇开停传感器的使用情况，认真记录供风情况，对比供风与瓦斯产生的关系。已停风的采区巷道要开启时，先要长时间限量供风(时间为巷道每米长度1 d，再增加一个月)，再重新施工措施孔才能复工。也就是说，要等10 m相应距离内过氧化反应基本完成，△h-2值为0，且严格检查瓦斯浓度上升情况，以及上升是否平稳等等。

3 安全防护措施的建立

在前述的化学反应式中有两个元素，一是硫(S)，另一个是溴(Br)。这两种元素都能生成氢化物(溴化氢、硫化氢)。湖南新化联新煤矿2号煤层和3号煤层上覆含水砂岩，一般酸性越高这两种元素含量也越高。2号煤层开采时，只见二氧化碳，未见甲烷，均是溴化氢和硫化氢的缘故，低瓦斯矿井也是因为这两种元素含量高于高瓦斯矿井及突出矿井。突出矿井防突措施孔及石门揭煤钻孔均可利用2号煤层含溴或含硫的水进行水力排碴施工，施工完后再抽放，将水分抽出来，溴和硫留于煤体内，利用过氧化反应造成溴的活性化剥夺甲烷的氢分子，化解回至甲基和亚甲基，减少突出事故的发生。有学者研究水可抑制瓦斯(水达到饱和也可抑制瓦斯)或煤层注水可防止煤与瓦斯突出，就是这个原因。同理，可以利用这种原理，采用2号煤层中流出的水在采区、煤掘头石门揭煤处建立强力喷水装置，一旦有煤与瓦斯突出迹象，将喷水阀一推，向整巷喷洒含溴水，突出的煤层由水达到饱和与所含的溴发生卤代，甲烷不同程度得到化解。利用突出动能使巷道中的空气湿化，空气中的氮不能活性化，生成不了HCN气体(因甲烷微溶于水，HCN则溶于水、即突出事故发生后用湿毛巾捂住口鼻能保命，而如果仅甲烷窒息，湿毛巾是不起作用的)，卤代后矿井突出煤层大部分失去了与空气中水分反应的条件而不会反风，这样就构筑了对其他区域的安全保障。

4 结语与建议

目前瓦斯理论不足以解释所有瓦斯突出事故，前述理论可弥补某些不足，如果能克服下列问题，煤矿发生瓦斯事故概率则会大大降低。

1) 去掉《防治煤与瓦斯突出规定》不适合安全生产要求的硬性条件；

2) 煤体开采过程存在加成反应和过氧化反应是不争事实；

3) 控制好推进速度与加成反应、过氧化反应的关系，通风任务中增加一条“供风要确保过氧化反应正常完成”；

4) 复风者要戴好湿式口罩，复风回风口喷水消毒；

5) 复工复产要严格控制复风区过氧化反应的无限发展，明白其影响因素并认真落实。

建议：依据现有理论去粗取精、去伪存真，煤矿瓦斯防治必将跨入新时代。