煤矿气体红外光谱分析理论与应用

第1章绪论 我国煤矿灾害的种类较多，根据国家矿山安全监察局公布的历年煤矿灾害事故数据，2000～2020年由煤矿气体引发或参与的火灾、爆炸、突出、窒息等重特大事故达462起，占全国煤矿重特大事故起数的78.89%[1]。图1.1为2000～2020年煤矿重特大事故类型分析。因此，准确高效地分析煤矿气体种类和浓度(本书所述的气体浓度均为气体体积分数)对矿井火灾、瓦斯爆炸等事故的早期预警，尤其是救灾过程中的次生灾害预警，保障作业人员的生命安全等具有十分重要的意义，同时也为制定防灾减灾措施提供参考依据[2，3]。 图1.12000～2020年煤矿重特大事故类型分析 1.1煤矿气体概述 煤矿气体是煤矿井下环境各种气体的总称，主要包括氮气(N2)、氧气(O2)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、正丁烷(n-C4H10)、异丁烷(i-C4H10)、丙烯(C3H6)、氢气(H2)、二氧化硫(SO2)、硫化氢(H2S)及一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、氨气(NH3)等[4]。煤矿气体组分复杂且具有必需性、致灾性和预警性的特点[5]。必需性是指矿井通风风流对维系井下人员作业环境所必需的职业健康保障功能，如 O2；致灾性是指矿井灾害气体对煤矿安全生产的危害性，如 CH4是瓦斯爆炸过程中的主要灾害气体；预警性是指煤矿特定气体成分和浓度变化特征与灾害的发生发展存在一定的对应关系，可以预测灾害发生的概率和危险程度，如 CO是煤自然发火的主要标志气体[6]。 1.1.1煤矿气体来源 煤矿采动过程中，煤层赋存的气体(如 CH4、N2、CO2、H2S等)会逸散到采场空间。矿井采掘过程中也会产生新的有毒有害气体，例如，井下炸药爆炸后产生 CO2、CO、H2S、NO2等气体。采取防灭火措施时，往往要注入 N2、CO2。以上这些都是煤矿气体的来源，而不同种类的气体来源又有所不同[7]。 1. N2和 O2主要来源 矿井内 N2和 O2主要来源于地面空气，地面空气是由干空气和水蒸气组成的成分相对稳定的混合气体。其中干空气的组成如表1.1所示[8]，水蒸气的浓度随地区和季节而变化，平均浓度约为1%。 表1.1干空气的组成[8] 地面空气经过通风设施进入矿井后，与井下煤岩涌出的气体及煤炭生产所产生的气体混合，共同构成井下气体环境。井下气体在成分和性质上与地面空气相比有了较为显著的变化，如 O2浓度降低，CO2浓度增加，同时还混入了有害气体和物质，如 CO、SO2、H2S、NO2、NH3等，易燃易爆气体，如 CH4、H2等，以及尘埃和烟雾等。 2. CH4主要来源 CH4在煤体或围岩中以游离态和吸附态赋存，其中90%为游离态，10%为吸附态。游离态 CH4容易进入巷道，影响煤矿井下气体成分。进入巷道的游离态 CH4有三个主要来源，分别是煤壁落煤、采空区遗煤及邻近层涌出。裸露煤壁和开采落煤产生的 CH4，由于储存空间变大，压力减小而逸出至巷道。采空区遗煤同样逸出 CH4，由于风流作用进入巷道，邻近层 CH4由煤层发育裂隙或开采裂隙进入开采煤层的采场空间。 3. CO主要来源 CO普遍作为指标气体表征自然发火危险程度，其来源主要有： (1)矿井火灾。煤体氧化蓄热作用可导致自燃火灾，随着氧化自热的加剧， CO产生量随氧化速率的升高呈指数形式增加，且自燃火灾具备隐蔽性，极易产生高浓度 CO。 (2)瓦斯、煤尘爆炸。瓦斯、煤尘发生爆炸后，空气中 CO浓度范围为2%～4%。 (3)井下爆破。由于炸药爆炸反应不完全、与周围某些矿物介质起反应等，爆破会产生大量的 CO。 (4)其他来源。如煤体原生赋存、无轨胶轮车尾气、采煤机割煤等[9]。 4. CO2主要来源 井下 CO2主要来源有： (1)煤体缓慢氧化。煤体自热氧化具有缓慢性、持续性特征， CO2随着氧化作用不断产生，属于主要来源。 (2) 坑木腐朽变质。部分中小煤矿存在坑木支护的方式，木材在湿度较大的井下环境容易腐朽变质，可产生 CO2。 (3)采掘工作面爆破作业。岩巷掘进工作面、石门揭煤工作面等爆破作业产生 CO2。 (4) CO2突出等事故。煤矿井下地质条件复杂，处于地下深处的碳酸盐类岩分解产生的大量 CO2通过煤岩裂隙迁移至煤层后，由于煤体吸附 CO2的能力强于CH4，在井巷掘进和石门揭煤过程中容易发生 CO2突出事故。例如，2010年5月11日，甘肃窑街煤电公司金河煤业1号井发生 CO2突出事故，造成重大伤亡。 5. H2S主要来源 井下 H2S主要来源有： (1)含硫煤体氧化。煤体的成分较为复杂，含硫煤体发生氧化作用后，经过复杂的物化反应就会生成 H2S。 (2)硫化矿物的水解。煤矿井下环境潮湿，部分硫化矿物会在此环境发生水解。 (3)含有硫化氢的采空区积水。采掘工作会导致围岩含水层失去平衡条件，涌入采掘煤层后形成的采空区、废巷等区域，由于积水与外界不连通且含有成分不一的杂质，大量 H2S在积水中聚集。一旦发生透水事故，将会逸出大量 H2S。 (4)坑木的腐烂。 6. NO2主要来源 井下 NO2主要来源于爆破工作。空气中的 O2遇到爆破产生的 NO时，容易氧化生产 NO2。 7. SO2主要来源 井下 SO2主要来源有： (1)含硫煤炭的氧化。含有较高硫成分的煤炭在氧气氛围下缓慢氧化生成 SO2。 (2)爆破作业使用含硫量较高的炸药。 (3)含硫矿尘的爆炸。 8. H2主要来源 煤层中含有少量的 H2，属于有机质变质过程的产物。煤体受热变质时，在高温下热分解产生 H2。矿井发生火灾或爆炸事故可产生 H2。蓄电池充电硐室亦有少量 H2排出。 9.其他气体主要来源 煤层采空区存在漏风、采掘周期超过煤层自然发火期均可引发自燃火灾。由于煤分子化学结构复杂，煤层自然发火过程中可生成多种指标气体，包括 CO、烷烃(C2H6、C3H8等)、烯烃(C2H4、C3H6等)、炔烃(C2H2等)等。 指标气体随自燃火灾的发展而产生，且与煤温变化具有一定的对应关系。 CO 作为广泛使用的指标气体，出现时间较早、产生量较大。烯烃类大多出现在煤温100℃之后，表明煤自然发火已进入快速氧化阶段。烷烃类出现时间位于 CO和烯烃类之间。当煤自然发火处于激烈氧化阶段时，将出现炔烃类气体。因此，可通过检测不同的指标气体判断煤自燃火灾的发展阶段[10]。 1.1.2煤矿气体性质 煤矿气体的性质是气体分析方法的重要检测根据，需清楚地了解煤矿气体的性质。 1. N2的性质 N2无色、无味、无毒、不助燃，属于惰性气体，相对密度为0.97。若 N2浓度位于合理范围内，则对人体无害；若 N2浓度过高，则降低了 O2浓度，会导致人员窒息性伤害。例如，在废弃的煤矿井下旧巷或隔离火区内，由于通风条件差， O2被采空区遗煤缓慢氧化逐渐消耗，从而 N2浓度升高，人在该条件下易缺氧而窒息。由于 N2的不助燃性质，可用于井下防灭火工作；利用 N2可稀释瓦斯浓度，防止瓦斯积聚[11]。 2. O2的性质 O2无色、无味、化学性质活泼、可助燃，相对密度为1.11。凡是井下人员工作或者通行的地点，必须保证氧含量处于合理区间内。 劳动强度及体质强弱会影响人的耗氧量。劳动强度可用呼吸系数表示，即单位时间内人体产生的 CO2与消耗的 O2的体积比。 呼吸系数.所产生的CO2的体积(1.1) 所消耗的O2的体积一般人的呼吸系数为0.8～1.0。矿井的呼吸系数为单位时间内自矿井排出的 CO2量与矿井吸入 O2量之比，它随着井下化学和物理变化而异。矿井的呼吸系数一般为0.3～0.8，对于 CO2涌出量大的矿井，呼吸系数可能大于1。若采掘工作面劳动强度大的工人呼吸系数为1，则每人每分钟供风量为 V。 (1.2) 式中，n1为大气中 O2的浓度，20.9%；n2为《煤矿安全规程》规定的 O2浓度的下限值，20%[12]；V0为每人耗氧量，0.003m3/min。 将各参数代入式(1.2)，得到每人每分钟供风量为0.333m3/min。因人的耗氧量只占总耗氧量的一小部分，为满足该地区全部物质耗氧量的要求及必要的安全系数，《煤矿安全规程》[12]规定，每人每分钟供风量不得小于4m3/min。通风良好的巷道，浓度变化量不大，在通风不良或采空区的旧巷内， O2浓度显著降低。作业人员进入上述巷道之前，应进行 O2浓度检查，不能贸然进入，以免发生窒息危险。 *有利于人体呼吸的 O2浓度为21%左右，采掘工作面的进风流 O2浓度不得低于20%。人体缺氧症状与空气中 O2浓度的关系如表1.2所示。 表1.2人体缺氧症状与空气中 O2浓度的关系 3. CO2的性质 CO2无色、无味、易溶于水、不助燃，相对密度为1.52。由于 CO2比空气重，巷道底部、下山的掘进迎头等地方 CO2浓度较高。空气中微量的 CO2会刺激人体的呼吸作用，浓度过高会导致人员中毒或者窒息。采掘工作面的进风流中， CO2浓度不得超过0.5%。 采区回风巷和采掘工作面回风巷回风流中 CO2浓度达到1.5%时，必须停止工作，撤出人员，查明原因，制定处置措施。总回风巷或一翼回风巷中 CO2浓度超过0.75%时，必须查明原因，并及时进行处理。人体中毒症状与空气中 CO2浓度的关系如表1.3所示。 表1.3人体中毒症状与空气中 CO2浓度的关系 4. CO的性质 CO无色、无味、微溶于水，相对密度为0.97，能和空气混合均匀，可被少量吸附于活性炭，与酸、碱不起反应。 CO浓度处于13%～75%时具有爆炸危险性。