2014年註冊安全技術考試複習內容整理(第七章)

2014年註冊安全技術考試複習內容整理(第七章)

第七章 礦山生產安全技術

(2011版教材,2011~2013年考試分值為:10分。下同)

學習本章的要求:運用礦山安全相關技術和標準,辨識和分析礦山開採過程中的危險有害因素,採用相應技術措施,預防事故發生,重點預防瓦斯災害、地壓災害、水害、火災、尾礦庫潰壩和排土場泥石流等主要事故;運用田安全相關技術和標準,辨識和分析油氣田勘探、開發和儲運過程中的危險有害因素,採用相應技術措施,預防事故發生,重點預防井噴、火災、爆炸、中毒等主要事故。

【各節分值:1. 1~2分;2.5分;3. 1分;4. 0~1分;5. 0分;6. 0~1分;

7. 0~1分;8. 0~1分;9.0~2分。】

第七章礦山安全技術

第一節礦山安全基礎知識

一、概述

礦山是開採礦石或生產礦物原料的場所。一般包括一個或幾個露天采場、地下礦山和坑口.以及保證生產所需要的各種附屬設施(包括選礦廠、尾礦庫和排土場等)。

按開採礦種的不同,礦山分為煤礦和金屬非金屬礦山。煤礦是生產煤炭的礦山,而金屬非金屬礦山則是開採金屬礦石、放射性礦石、建築材料、輔助原料、耐火材料及其他非金屬礦物(煤炭除外)的礦山。按照開採方式的不同.礦山分為露天礦山和地下礦山及兩者聯合開採礦山。露天礦山是指在地表開挖區通過剝離圍岩、表土等,采出礦物的採礦場及其附屬設施;地下礦山(井工礦)則是以平硐、斜井、豎井等作為出入口,采出礦物的採礦場及其附屬設施。按礦山規模大小,礦山可分為大型礦山.中型礦山和小型礦山。

二、礦山開採技術

礦床開拓就是指按照一定的方式和程序.建立地面與採礦場各工作水平之間的運輸通道,以保證礦場正常生產的運輸聯繫,並藉助這些通道,及時準備出新的生產水平。露天礦床開拓主要分為鐵路運輸開拓、公路運輸開拓和平硐溜井開拓;地下礦山礦床開拓方法大致可分為單一開拓和聯合開拓兩大類。

(一)露天開採

用一定的開採工藝,按一定的開採順序,剝離岩石、采出礦石的方法。即在露天條件下,將埋藏較淺的礦石,從礦坑露天礦、山坡露天礦或剝離露天礦進行開採。包括挖掘一系列順序的溝槽。

露天開採工藝.按作業的連續性,分間斷式、連續式和半連續式。間斷式開採工藝適用於各種地質礦岩條件;連續式工藝勞動效率高,易實現生產過程自動化,但只能用於鬆軟礦岩;半連續式工藝兼有以上兩者的特點,但在硬岩中,需增加機械破碎岩石的環節。

(二)地下開採礦山

1.井巷掘進的施工方法

根據施工方法及地層賦存條件的不同,井筒(或巷道)施工分為普通鑿井法與特殊鑿井法。普通鑿井法是在穩定或含水較少的地層中採用鑽眼爆破或其他常規手段鑿井的方法。特殊鑿井法是在不穩定或含水量很大的地層中,採用非鑽爆法的特殊技術與工藝的鑿井方法。通常採用的有凍結法鑿井、鑽井法鑿井、注漿鑿井法鑿井。

1.普通鑿井法

普通鑿井法一般採用鑽眼爆破的方法。在岩體上鑽鑿一定直徑、一定深度及數量的炮眼,並在炮眼裝入炸藥,靠炸藥爆炸的力量破碎岩體,從而達到井巷掘進的目的。它的優點是操作簡單,易於掌握,設備簡單,安全可靠,可以根據要求,在岩體中鑽爆出不同形狀,不同深度的井筒或巷道。

根據炮眼深度與直徑的不同,我國將鑽爆法分為淺孔爆破法、中深孔爆破法和深孔爆破法。炮眼直徑小於50mm,深度小於2m時稱為淺孔爆破,多用於井巷工程;炮眼直徑小於50mm,深度2—4m稱為中深孔爆破,多用於井筒及大斷面硐室掘進;炮眼直徑大於50mm、深度大於5m則稱為深孔爆破,主要用於立井井筒及溜煤眼、大斷面硐室以及露天開採的台階爆破。

2.特殊鑿井法

特殊鑿井法是當井筒(或巷道)穿過不穩定含水地層時,一般是第四系和第三系,用普通鑿井法無法通過時採用的特殊施工方法。通常指凍結法、鑽井法、注漿法。

2.採礦方法

(1)井工採煤方法

井工煤礦採煤方法雖然種類較多,但歸納起來,基本上可以分為壁式、柱式兩大體系。

1)壁式體系採煤法

根據煤層厚度不同,對於薄及中厚煤層,一般採用一次采全厚的單一長壁採煤法;對於厚煤層,一般是將其分成若干中等厚度的分層,採用分層長壁採煤法。按照回採工作面的推進方向與煤層走向的關係,壁式採煤法又可分為走向長壁採煤法和傾斜長壁採煤法兩種類型。

(1)緩傾斜及傾斜煤層單一長壁採煤法。緩傾斜及傾斜煤層採用單一長壁採煤法所採用的回採工藝主要有炮采、普通機械化採煤(高檔普采)和綜合機械化採煤3種類型。在選擇回採工藝方式時,應結合礦山地質條件、設備供應狀況、技術條件以及技術管理水平和採煤系統統一考慮。

炮采工作面回採工序包括:破煤、裝煤、運煤、推移輸送機、工作面支護和頂板控制六大工序。

普通機械化採煤是用淺截式滾筒採煤機落煤、裝煤,利用可彎曲刮板輸送機運煤,使用單體液壓支柱(或摩擦金屬支柱)和鉸接頂梁組成的懸臂式支架支護的採煤方法。

綜合機械化採煤是指採煤的全部生產過程,包括落煤、裝煤、運煤、支護、頂板控制以及回採巷道運輸等全部實現機械化的採煤方法。

綜合機械化放頂煤開採技術。我國放頂煤開採主要是指長壁綜合機械化放頂煤開採(以下簡稱綜放開採)。綜放開採的實質是沿煤層底部布置一個長壁工作面,用綜合機械化方式進行回採,同時充分利用礦山壓力作用(特殊情況下輔以人工鬆動方法),使工作面上方的頂煤破碎,並在支架後方(或上方)放落、運出工作面的一種井工開採方式。

2)柱式體系採煤法

柱式體系採煤法分為3種類型:房式、房柱式及巷柱式。房式及房柱式採煤法的實質是在煤層內開掘一些煤房,煤房與煤房之間以聯絡巷相通。回採在煤房中進行,煤柱可留下不採;或在煤房采完後,再回採煤柱。前者稱為房式採煤法,後者稱為房柱式採煤法。

2.金屬非金屬地下礦山採礦方法

根據礦石回採過程中采場管理方法的不同,金屬非金屬礦山地下採礦方法可分為空場採礦法、充填採礦法和崩落採礦法等。

1)空場採礦法

空場採礦法在回採過程中,採空區主要依靠暫留或永久殘留的礦柱進行支撐,採空區始終是空著的,一般在礦石和圍岩很穩固時採用。根據回採時礦塊結構的不同與回採作業特點,空場採礦法又可分為全面採礦法、房柱採礦法、留礦採礦活、分段礦房法和階段礦房法等。

(1)全面採礦法。在薄和中厚的礦石和圍岩均穩固的緩傾斜(傾角一般小於30『)礦體中,應用全面採礦法。該方法的特點是:工作面沿礦體走向或傾向全面推進,在回採過程中將礦體中的夾石或貧礦留下,呈不規則的礦柱以維護採空區,這些礦柱一般作永久損失,不進行回採。

(2)房柱採礦法。房柱採礦法用於開採水平和傾斜的礦體,在礦塊或採空區礦房和礦柱交替布置,回採礦房時,留連續的或間斷的規則礦柱,以維護頂塊岩石。它比全面採礦法適用範圍廣,不僅能回採薄礦體,而且可以回採厚和極厚礦體。礦石和圍岩均穩固的水平和緩傾斜礦體,是這種採礦方法應用的基本條件。

(3)留礦採礦法。工人直接在礦房暴露面下的留礦堆上作業,自下而上分層回採,每次採下的礦石靠自重放出1/3左右,其餘暫留在礦房中作為繼續上採的工作台。礦房全部回採後,暫留在礦房中的礦石再行大量放出,即大量放礦。這種採礦方法適用於開採礦石和圍岩穩固、礦石無自燃性、破碎後不結塊的急傾斜礦床。

(4)分階段礦房法。分階段礦房法是按礦塊的垂直方向,再劃分為若干分段;在每個分段水平布置礦房和礦柱,中分段採下的礦石分別從各分段的出礦巷道運出。分段礦房回採結束後,可立即回採本分段的礦柱並同時處理採空區。

(5)階段礦房法。階段礦房法是用深孔回採礦房的空場採礦法。根據落礦方式的不同又可分為水平深孔階段礦房法和垂直深孔階段礦房法。前者要求在礦房底部進行拉底,後者除拉底外,有的還需在礦房的全高開出垂直切割槽。

2)崩落採礦法

崩落採礦法是以崩落圍岩來實現地壓管理的採礦方法,即隨著崩落礦石,強制(或自然)崩落圍岩充填採空區,以控制和管理地壓。主要包括單層崩落法、分層崩落法、分段崩落法、階段崩落法。

(1)單層崩落法。單層崩落法主要用來開採頂板岩石不穩固、厚度一般小於3m的緩傾斜礦層。將階段礦層劃分成礦塊,礦塊回採工作按礦體全厚沿走向推進。當回採工作面推進一定距離後,除保留回採工作所需的空間外,有計劃地回收支柱並崩落採空區的頂板,用崩落頂板岩石充填採空區,以控制頂板壓力。按工作面形式可分為長壁式崩落法、短壁式崩落法和進路式崩落法。

(2)分層崩落法。分層崩落法按分層由上向下回採礦塊,每個分層礦石采出之後,上面覆蓋的崩落岩石下移充填採礦區。分層回採是在人工假頂保護下進行的,將礦石與崩落岩石隔開,從而保證了礦石損失和貧化的最小化。

(3)有底柱分段崩落法。此法也稱有底部結構的分段崩落法,其主要特徵是:按分段逐個進行回採;在每個分段下部設有出礦專用的底部結構。分段回採由上向下逐分段依次進行。該採礦方法又可分為水平深孔落礦有底柱分段崩落法與垂直深孔落礦有底柱分段崩落法。  (4)無底柱分段崩落法。無底柱分段崩落法中分段下部未設有專用出礦巷道所構成的底部結構;分段的鑿岩、崩礦和出礦等工作均在回採巷道中進行。

(5)階段崩落法。其基本特徵是回採高度等於階段全高。可分為階段強制崩落法與階段自然崩落法。階段強制崩落法又可分為設有補償空間的階段強制崩落法和連續回採的階段強制崩落法。

3)充填採礦法

隨著回採工作面的推進,逐步用充填料充填採空區的採礦方法叫充填採礦法。有時還用支架與充填料相配合,以維護採空區。充填採空區的目的,主要是利用所形成的充填體進行地壓管理,以控制圍岩崩落和地表下沉,並為回採創造安全和便利的條件。有時還用來預防有自燃礦石的內因火災。按礦塊結構和回採工作面推進方向充填採礦法又可分為單層充填採礦法、上向分層充填採礦法、下向分層充填採礦法和分采充填採礦法。按採用的充填料和輸出方式不同,又可分為乾式充填採礦法、水力充填採礦法、膠結充填採礦法。

(1)單層充填採礦法。此法適用於緩傾斜薄礦體,在礦塊傾斜全長的壁式回採面沿走向方向、一次按礦體全厚回採,隨工作面的推進、有計劃地用水力或膠結充填採空區,以控制頂板崩落。

(2)上向水平分層充填採礦法。此法一般將礦塊劃分為礦房和礦柱,第一步驟回採礦房,第二步驟回採礦柱。回採礦房時,自下向上水平分層進行,隨著工作面向上推進,逐層充填採空區,並留出繼續上採的工作空間。充填體維護兩幫圍岩,並作為上採的工作平台。崩落的礦石落在充填體的表面上,用機械方法將礦石運至溜井中。礦房採到最上面分層時,進行接頂充填。礦柱則在采完若干礦房或全階段采空後,再進行回採。礦房的充填方法,可用乾式充填、水力充填或膠結充填。

(3)上向傾斜分層充填採礦法。這種方法與上向水平分層充填法的區別是,用傾斜分層回採,在采場內礦石和充填料的動搬主要靠重力。這種方法只能用乾式充填。

(4)下向分層充填採礦法。這種方法適用於開採礦石很不穩固或礦石和圍岩均很不穩固,礦石品位很高或價值很高的有色金屬或稀有金屬礦體。這種採礦方法的實質是從上往下分層回採和逐層充填,每一分層的回採工作是在上一分層人工假頂的保護下進行。回採分層水平或與水平成4°~10°或10°~15°傾角。傾斜分層主要是為了充填直接頂,同時也有利於礦石運搬,但鑿岩和支護作業不如水平分層方便。

(5)分采充填採礦法。當礦脈厚度小於0.3~0.4m時,只採礦石工人無法在其中工作,必須分別回採礦石和圍岩,使其採空區達到允許工作的最小厚度(0.8~0.9m),採下的礦石運出采場,而採掘的圍岩充填採空區,為繼續上采創造條件,這種採礦法就為分采充填法。

(6)方框支架充填採礦法。開採薄礦脈過去多採用橫撐支柱或木棚支架採礦法。在礦體厚度較大,礦石和圍岩極不穩固,礦體形態極其複雜,礦石貴重等條件下,這種採礦方法是開採薄礦脈的有效方法。

3.液體開採

又稱特殊採礦法。是從天然滷水里、湖裡、海洋里或地下水中提取有用的物質;將有用礦物加以溶解(或熱水融化),再將溶液抽至地面後進行提取;用熱水驅、氣驅或燃燒,把礦物質從一個井孔驅至另一井孔中采出。大多數液體採礦是用鑽井法進行的。

三、礦山安全技術規程和規範

1.目前,金屬非金屬礦山技術規程主要有《金屬非金屬礦山安全規程》、《尾礦庫安全技術規程》、《排土場安全生產規則》等,適用於金屬非金屬礦山開採及附屬設施的設計、建設和生產。

2.煤礦安全規程、規範和規定

煤礦安全規程、規範主要有:

(1)《煤礦安全規程》;

(2)《地下礦山瓦斯抽放管理規範》;

(3)《防治煤與瓦斯突出細則》;

(4)《地下礦山防滅火規範》;

(5)《煤礦粉塵防治規範》。

3.爆破安全規程

《爆破安全規程》(GB 6722--2003)規定了爆破作業、爆破施工和爆破器材的儲存、運輸、加工、檢驗與銷毀的安全技術要求及其管理工作要求,適用於各種民用工程爆破和中國人民解放軍、武裝警察部隊從事的非軍事目的的工程爆破。《爆破安全規程》的內容包括:爆破作業的基本規定、各類爆破作業的安全規定、安全允許距離與環境影響評價和爆破器材的安全管理等幾個部分的內容。

四、礦用爆破器材及安全管理

礦用爆破器材主要包括炸藥和起爆器材。

1.炸藥

礦用炸藥一般有酸銨類炸藥、水膠炸藥、硝化甘油炸藥和乳膠炸藥。其中硝酸銨類炸藥是我國礦山最廣泛使用的工業炸藥。硝酸銨類炸藥曾稱「硝安炸藥」或「硝銨炸藥」,是經硝酸銨為主加有可燃劑或再加敏化劑(硝化甘油除外),可用雷管起爆的混合炸藥。該炸藥的特點是氧平衡接近於零,有毒氣體產生量受到嚴格限制。硝酸銨炸藥均為粉狀,用紙包裝加工成圓柱形葯卷,外塗一層石蠟防水。硝酸銨炸藥的貯存期為4—6個月。

水膠炸藥是20世紀70年代研製成功的新型炸藥,是硝酸甲胺的微小液滴分散在以硝酸鹽為主的氧化劑水溶液中,經稠化、交聯而製成的凝膠狀含水炸藥。水膠炸藥具有抗水性能強、密度高、威力大、安全性好、生產工藝簡單、使用方便等特點,無硝酸銨類炸藥的主要缺點。

硝化甘油炸藥是硝化甘油被可燃劑和(或)氧化劑等吸收後組成的混合炸藥。其優點是威力高、耐水(可在水下爆破)、密度大、具有可塑性、爆炸穩定性高。缺點是會「老化」、「滲油」,機械敏度高,生產和使用安全度較差,價格昂貴,已經很少使用。

乳化炸藥是通過乳化劑的作用,使以硝酸鹽為主的氧化劑水溶液微滴均勻地分散在含有氣泡或多孔性物質的油相連續介質中而形成的油包水型膏狀含水炸藥。

在有瓦斯或煤塵爆炸危險的煤礦井下工作面或工作地點應使用經主管部門批准,符合國家安全規程規定的煤礦許用炸藥。

2.起爆器材

起爆器材可分為起爆材料和傳爆材料兩大類。雷管是爆破工程的主要起爆材料,導火線、導爆管屬於傳爆材料,繼爆管、導爆線既可起起爆作用,又可起傳爆作用,是兩者的綜合。

(1)雷管。雷管由外界能激發,能可靠地引起其後的起爆材料或各種工業炸藥爆轟的起爆材料。雷管有火雷管與電雷管兩種。使用導火索引爆的雷管稱火雷管,用通電點火引爆的雷管稱為電雷管。由於煤礦井下存在瓦斯和煤塵。因此,煤礦井下禁止使用明火起爆,只能採用電能激發的電雷管。

電雷管可以分成如下幾種:激發後瞬時爆炸的稱「瞬發電雷管」,隔一定時間爆炸的稱「延期電雷管」。按延期間隔時間不同,延期電雷管又可以分為「秒延期電雷管」和「毫秒延期電雷管」。延期電雷管是為了提高爆破效果,加大自由面,使工作面各種炮眼的爆炸有一定的先後順序。此外,還有抗靜電性能的雷管,稱「抗靜電電雷管」。

(2)導火索。導火索又叫導火線,用於引爆火雷管。由於導火索點燃後,自身是一發火體,因此不能在有瓦斯或礦塵爆炸的場所使用。

(3)導爆索。導爆索又叫傳爆線,是以副爆葯為索芯,以棉、麻、纖維等為被覆材料,能夠傳遞爆轟波的索狀起爆材料。導爆索可用來傳遞爆轟波並直接引爆炸藥或與之相連的另一根導爆索。

(4)繼爆管。繼爆管是專門與導爆索配合使用的延期起爆器材,藉助於繼爆管的微差延期繼爆作用與導爆索一起實現微差爆破。

(5)導爆管。導爆管是一種非電起爆器材,不能直接起爆炸藥,只能傳遞爆轟波起爆雷管,由雷管引爆炸藥。導爆管也不能用於有瓦斯或礦塵爆炸危險的作業場所。

3.爆破材料的安全管理

(1)爆破材料的儲存。為防止爆破器材變質、自燃、爆炸、被盜以及有利於收發和管理,《爆破安全規程》規定,爆破器材必須存放在爆破器材庫里。爆破器材庫由專門存放爆破器材的主要建構築物和爆破器材的發放、管理、防護和辦公等輔助設施組成。爆破器材庫按其作用及性質分總庫、分庫和發放站;按其服務年限分為永久性庫和臨時性庫兩大類;按其所處位置分為地面庫、永久性硐室庫和井下爆破器材庫等。

(2)爆破材料的運輸。爆破器材運輸過程中的主要安全要求是防火、防震、防潮、防凍和防殉爆。爆破材料的運輸包括地面運輸到用戶單位或爆破材料庫,以及把爆破材料運輸到爆破現場(包括井下運輸)。地面運輸爆破器材時,必須遵守《中華人民共和國民用爆炸物品管理條例》中有關規定。在井下運輸要符合《爆破安全規程》的有關規定。

(3)井下爆破作業的安全要求。井下爆破作業必須使用符合國家標準或行業標準的爆破器材。凡從事爆破工作的人員,都必須經過培訓,考試合格並持有合格證。爆破作業必須按爆破設計說明書或爆破說明書進行。禁止進行爆破器材加工和爆破作業的人員穿化纖衣服。  煤礦井下進行爆破作業必須嚴格遵守《煤礦安全規程》的相關規定。

第二節地下礦山災害及防治技術

一、地下礦山通風技術

(一)地下礦山通風系統

1.地下礦山通風的目的

礦井通風的目的有兩個:在正常生產時期,保證向礦井各用風地點輸送足夠數量的新鮮空氣,用以稀釋有毒有害氣體,排除礦塵和保持良好的工作環境,確保礦井安全生產;在發生災變時,能有效、及時地控制風向及風量,並與其他措施結合,防止災害擴大。

2.地下礦山通風系統

礦井通風系統是向礦井各作業地點供給新鮮空氣,排除污濁空氣的通風網路、通風動力及其裝置和通風控制設施(通風構築物)的總稱。

(1)通風方式。根據進風井和出風井的布置方式,地下礦山通風系統的類型可以分為中央式(中央並列式和中央分列式)、對角式(兩翼對角式和分區對角式)和混合式3類。

(2)通風方法。根據主要通風機的工作方法,地下礦山通風方式分為抽出式、壓入式和壓抽混合式。

3.地下礦山漏風

地下礦山漏風是指通風系統中風流沿某些細小通道與迴風巷或地面發生滲漏的短路現象。產生漏風的條件是有漏風通道並在其兩端有壓力差存在。礦井漏風按其地點可分為外部漏風和內部漏風,前者是指地表與井下之間的漏風,後者是指井下各處的漏風。

地下礦山漏風會造成動力的額外消耗;使礦井、採區和工作面的有效風量(送達用風地點的風量)減少,造成瓦斯積聚、氣溫升高等,影響生產和工人身體健康;大量的漏風會使通風系統穩定性降低,風流易紊亂,調風困難,易發生瓦斯事故;會使採空區、被壓碎的煤柱和封閉區內的煤炭及可燃物發生氧化自燃,易發生火災;當地表有塌陷區時,老窯裂隙的漏風會將採空區的有害氣體帶入井下,使井下環境條件惡化而威脅安全生產。

4.地下礦山反風

地下礦山反風是為防止災害擴大和搶救人員的需要而採取的迅速倒轉風流方向的措施。

(1)全礦性反風。全礦反風是指井下各主要風道的風流全部反向的反風。

在礦井進風井、井底車場、主要進風大巷或中央石門發生火災時常採用全礦性反風,避免火災煙流進入人員密集的採掘工作面。《煤礦安全規程》規定:礦井主要通風機必須裝有反風設施,並能在10min內改變巷道中風流方向,當風流方向改變後主要風機的供給風量不應小於正常供風量40%。每年應進行1次反風演習,反風設施至少每季度檢查1次礦井通風系統有較大變化時,應進行1次反風演習。

(2)局部反風。在採區內部發生災害時,維持主要通風機正常運轉,主要進風風道風向不變,利用風門開啟或關閉造成採區內部風流反向的反風。

(二)地下礦山風量計算及通風參數測定

1.煤礦礦井風量計算

煤礦礦井風量按下列要求分別計算,並選取其中的最大值:

(1)按井下同時工作的最多人數計算,每人每分鐘供風量不少於4m3;

(2)按採煤、掘進、硐室和其他地點實際需要風量的總和進行計算。各地點的實際需要風量,必須使該地點的風流中的瓦斯、二氧化碳、氫氣和其他有害氣體的濃度,風速以及溫度,每人供風量符合礦山安全規程的有關規定。

2.金屬非金屬地下礦山風量計算

金屬非金屬地下礦山風量按下列要求分別計算,並選取其中的最大值:

(1)按井下同時工作的最多人數計算,每人每分鐘供風量不少於4m3;

(2)按排塵風速計算。峒室型采場最低風速不小於0.15m/s,巷道型采場和掘進巷遣不小於0.25m/s;電耙道和二次破碎峒室巷道不小於0.5m/s;箕斗峒室、破碎峒室等作業地點,可根據具體條件.在保證作業地點空氣中有害物質的接觸限值符合《工作場所有害因素職業接觸限值》(GBZ2一2002)的前提下,分別採用計算風量的排塵風速;

(3)有柴油設備運行的礦井,按同時作業機台數每千瓦每分鐘供風量4m3計算。

3.通風參數測定

(1)壓力。靜壓是單位體積空氣具有的對外做功的機械能所呈現的壓力,是風流質點熱運動撞壓器壁面而呈現的壓力,包括絕對靜壓和相對靜壓。

位壓是單位體積內空氣在地球引力作用下,相對於某一基準面產生的重力位能所呈現的壓力。水平巷道的風流流動無位壓差,在非水平巷道,風流的位壓差就是該區段垂直空氣柱的重力壓強。

動壓是單位體積空氣風流定向流動具有的動能所呈現的壓力,又稱為速壓。風流動壓通常用皮託管配合壓差計測定。

全壓是單位體積風流具有的(靜)壓能與動能所呈現的壓力之和。

總機械能(總壓力)是礦井風流在井巷某斷面具有的(靜)壓能、位能和動能的總和。

(2)風速。風速的測定採用風表,風表一般分為高速風表(≥10m/s)、中速風表(0.5~10m/s)和微速風表(0.3~0.5m/s)。

(三)地下礦山通風設備和通風構築物

1.礦用通風設備

礦用通風設備中最主要的是通風機。通風機按其服務範圍的不同,可分為主要通風機、輔助通風機、局部通風機;按通風機的構造和工作原理,可分為離心式通風機和軸流式通風機。

主要通風機是用於全礦井或礦井某一翼(區)的通風;輔助通風機是用於礦井通風網路內的某些分支風路中藉以調節其風量、幫助主要通風機工作;局部通風機是用於礦井局部地點通風的,它產生的風壓幾乎全部用於克服它所連接的風筒阻力。

通風機工作基本參數是:風量、風壓、效率和功率,它們共同表達通風機的規格和特性。通風機的合理選擇是要求預計的工況點在H--Q曲線的位置應滿足兩個條件:

(1)通風機工作時穩定性好,預計工況點的風壓不超過H--Q曲線駝峰點風壓的90%,而且預計工況點更不能落在H--Q曲線點以左——非穩定工作區段;

(2)通風機效率要高,最低不應低於60%。

2.通風構築物

地下礦山通風建(構)築物是礦井通風系統中的風流調控設施,用以保證風流按生產需要的線路流動。礦井通風建(構)築物可分為兩大類:一類是通過風流的構築物,包括主要通風機風硐、反風裝置、風橋、導風板、調節風窗和風障;另一類是遮斷風流的構築物,包括風牆和風門等。

(四)局部通風技術

利用局部通風機或主要通風機產生的風壓對井下獨頭巷道進行通風的方法稱為局部通風。

1.局部通風方法

向井下局部地點進行通風的方法。按通風動力形式的不同,可分為局部通風機通風、礦井全風壓通風和引射器通風,其中以局部通風機通風最為常用。

(1)局部通風機通風。局部通風機的常用通風方式有壓入式、抽出式、壓抽混合式。

壓入式通風:局部通風機及其附屬裝置安裝在距離掘進巷道口10m以外的進風側,將新鮮風流經風筒輸送到掘進工作面,污風沿掘進巷道排出。

抽出式通風:局部通風機安裝在距離掘進巷道口10m以外的迴風側。新鮮風流沿巷道流入,污風通過風筒由局部通風機抽出。

混合式通風:混合式通風是壓入式和抽出式兩種通風方式的聯合運用,其中壓入式向工作面供新鮮風流,抽出式從工作面抽出污風,其布置方式取決於掘進工作面空氣中污染物的空間分布和掘進、裝載機的位置。

(2)地下礦山全風壓通風。全風壓通風是利用礦井主要通風機的風壓,藉助導風設施把新鮮空氣引入掘進工作面。其通風量取決於可利用的風壓和風路風阻。

(3)引射器通風。利用引射器產生的通風負壓,通過風筒導風的通風方法稱為引射器通風。引射器通風一般都採用壓入式。

2.地下礦山局部通風的安全管理規定

(1)瓦斯噴出和煤(岩)與瓦斯(二氧化碳)突出煤層的掘進通風方式必須採用壓入式;

(2)壓入式局部通風機和啟動裝置,必須安裝在進風巷道中,距掘進巷道迴風口不得小於10m;

(3)瓦斯噴出區域、高瓦斯礦井、煤(岩)與瓦斯(二氧化碳)突出礦井中,掘進工作面的局部通風機應採用三專(專用變壓器、專用開關、專用線路)供電;

(4)嚴禁使用3台以上(含3台)的局部通風機同時向1個掘進工作面供風。不得使用l台局部通風機同時向2個掘進工作面供風;

(5)恢復通風前,必須檢查瓦斯。只有在局部通風機及其開關附近10m以內風流中的瓦斯濃度都不超過0.5%時,方可人工開啟局部通風機。

(五)地下礦山通風機系統參數測定

1.風速測定

(1)用風表測定風速。常用風表有杯式和翼式兩種。

(2)用熱電式風速儀和皮託管壓差計測定風速。熱電式風速儀分熱線和熱球式兩種,熱電式風速儀操作比較方便,但現有的熱電式風速儀易於損壞,灰塵和濕度對它都有一定的影響,有待進一步改進以便在礦山廣泛使用。

(3)對很低的風速或者鑒別通風構築物漏風時,可以採用煙霧法或嗅味法近似測定空氣移動速度。

(4)利用風速感測器測定。常用的風速感測器有:超聲波渦街式風速感測器、超聲波時差法風速感測器、熱效式風速感測器等。

2.地下礦山通風阻力的測定

礦井通風阻力測定的方法一般有以下3種:精密壓差計和皮託管的測定法、恆溫壓差計的測定法和空盒氣壓計的測定法。

3.一氧化碳檢測

一氧化碳是劇毒性氣體,吸入人體後,造成人體組織和細胞缺氧,引起中毒窒息。煤礦火災、瓦斯和煤塵爆炸及爆破作業時都將產生大量的一氧化碳。為了礦工的身體健康,《煤礦安全規程》規定,井下作業場所的一氧化碳濃度應控制在0.0024%以下。煤礦常用的一氧化碳檢測儀器有電化學式、紅外線吸收式、催化氧化式等。

4.氧氣檢測

《煤礦安全規程》對礦井氧氣含量有嚴格規定。煤礦中檢測氧氣常用的方法主要有氣相色譜法、電化學法和順磁法。其中氣相色譜儀一般安裝在地面,通過人工取樣分析礦井氣體成分濃度。

5.溫度檢測

煤礦常用的溫度感測器有熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、半導體PN結、半導體紅外熱輻射探測器、熱雜訊、光纖等。熱電偶、熱電阻原理在工業(地面)上早已得到廣泛應用;半導體PN結原理在-100一+100℃範圍內的應用也很成功,煤礦井下應用較多。

二、煤礦瓦斯及其防治技術

(一)瓦斯性質及瓦斯參數測定

1.瓦斯性質

瓦斯是指礦井中主要由煤層氣構成的以甲烷為主的有害氣體,有時單獨指甲烷。瓦斯是一種無色、無味、無臭、可以燃燒或爆炸的氣體,難溶於水,擴散性較空氣高。瓦斯無毒,但濃度很高時,會引起窒息。

2.煤層瓦斯賦存狀態

瓦斯在煤層中的賦存形式主要有兩種狀態:在滲透空間內的瓦斯主要呈自由氣態,稱為遊離瓦斯或自由瓦斯,這種狀態的瓦斯服從理想氣體狀態方程;另一種稱為吸附瓦斯,它主要吸附在煤的微孔表面上和在煤的微粒內部,佔據著煤分子結構的空位或煤分子之間的空間。實測表明,在目前開採深度下(1000~2000m以內)煤層吸附瓦斯量佔70%~95%,而遊離瓦斯量佔5%~30%。

3.煤層瓦斯含量及測定

煤層瓦斯含量是指單位質量煤體中所含瓦斯的體積,單位為m3/t。煤層瓦斯含量是確定礦井瓦斯湧出量的基礎數據,是礦井通風及瓦斯抽放設計的重要參數。煤層在天然條件下,未受采動影響時的瓦斯含量稱原始含量;受采動影響,已有部分瓦斯排出後而剩餘在煤層中的瓦斯量,稱殘存瓦斯含量。

影響煤層原始瓦斯含量的因素很多,主要有:煤化程度、煤層賦存條件、圍岩性質、地質構造、水文地質條件等。

煤層瓦斯含量測定方法目前主要有地勘鑽孔測定法,實驗室間接測定法和井下快速直接測定法3種。

4.煤層瓦斯壓力及測定方法

煤層瓦斯壓力是存在於煤層孔隙中的遊離瓦斯分子熱運動對煤壁所表現的作用力。煤層瓦斯壓力是用間接法計算瓦斯含量的基礎參數,也是衡量煤層瓦斯突出危險性的重要指標。測定方法主要有直接測定法和間接測壓法。

(二)礦井瓦斯湧出及瓦斯等級

1.礦井瓦斯湧出的形式

開採煤層時,煤體受到破壞或采動影響,貯存在煤體內的部分瓦斯就會離開煤體而湧入採掘空間,這種現象稱為瓦斯湧出。礦井瓦斯湧出形式可分普通湧出和特殊湧出兩種。

2.礦井瓦斯湧出量及主要因素

礦井瓦斯湧出量是指開採過程中正常湧入採掘空間的瓦斯數量,瓦斯湧出量的表示方法有兩種:絕對瓦斯湧出量——單位時間湧入採掘空間的瓦斯量,單位為m3/min;相對瓦斯湧出量——單位質量的煤所放出的瓦斯數量,單位為m3/t。

影響礦井瓦斯湧出量的因素主要有煤層瓦斯含量、開採規模、開採程序、採煤方法與頂板管理方法、生產工序、地面大氣壓力的變化、通風方式和採空區管理方法等。

3.礦井瓦斯等級及其鑒定

《煤礦安全規程》規定,一個礦井中只要有一個煤(岩)層發現瓦斯,該礦井即為瓦斯礦井。瓦斯礦井必須依照礦井瓦斯等級進行管理。

根據礦井相對瓦斯湧出量、礦井絕對瓦斯湧出量和瓦斯湧出形式劃分為:低瓦斯礦井、高瓦斯礦井和煤(岩)與瓦斯(二氧化碳)突出礦井。

低瓦斯礦井:礦井相對瓦斯湧出量小於或等於10m3/t且礦井絕對瓦斯湧出量小於或等於40m3/min;

高瓦斯礦井:礦井相對瓦斯湧出量大於10m3/t或礦井絕對瓦斯湧出量大於40m3/min;

煤(岩)與瓦斯(二氧化碳)突出礦井:礦井在採掘過程中,只要發生過一次煤(岩)與瓦斯(二氧化碳)突出,該礦井即定為煤(岩)與瓦斯(二氧化碳)突出礦井。

《煤礦安全規程》規定:每年必須對礦井進行瓦斯等級和二氧化碳湧出量鑒定。

(三)瓦斯噴出及預防

1.瓦斯噴出

礦井瓦斯噴出是指從煤體或岩體裂隙、孔洞或炮眼中大量瓦斯異常湧出的現象。在20m巷道範圍內,湧出瓦斯量大於或等於1.0m3/min,且持續時間在8h以上時,該採掘區域即定為瓦斯噴出危險區域。

瓦斯噴出的預兆:礦壓活動顯現激烈,煤壁片幫嚴重、底板突然鼓起、支架承載力加大甚至破壞,煤層變軟、潮濕等。

2.瓦斯噴出的預防

(1)加強礦井地質工作,摸清採掘地區的地質構造情況;

(2)在可能發生噴出的地區掘進巷道時,打前探鑽孔或抽排鑽孔;

(3)加大噴出危險區域的風量;

(4)將噴出的瓦斯直接引入迴風巷或抽放瓦斯管路;

(5)掌握噴出的預兆,及時撤離工作人員,並配備自救器,安設壓氣自救系統;

(6)掌握礦壓規律,避免礦壓集中,及時處理頂板,以防大面積突然卸壓造成瓦斯噴出。

(四)煤(岩)與瓦斯(二氧化碳)突出及預防

煤(岩)與瓦斯(二氧化碳)突出是指在地應力和瓦斯的共同作用下,破碎的煤(岩)和瓦斯(二氧化碳)由煤體或岩體內突然向採掘空間拋出的異常動力現象。煤(岩)與瓦斯(二氧化碳)突出具有突發性、極大破壞性和瞬間攜帶大量瓦斯(二氧化碳)和煤(岩)衝出等特點,能摧毀井巷設施、破壞通風系統、造成人員窒息,甚至引起瓦斯爆炸和火災事故,是煤礦最嚴重的災害之一。

煤(岩)與瓦斯(二氧化碳)突出的機理有許多種假設,但基本公認的是綜合假說,即:煤(岩)與瓦斯(二氧化碳)突出是由地應力、瓦斯和煤的物理力學性質三者綜合作用的結果。

1.煤(岩)與瓦斯(二氧化碳)突出的一般規律

(1)突出危險性隨採掘深度的增加而增加;

(2)突出危險性隨煤層厚度的增加而增加,尤其是軟分層厚度;

(3)石門揭煤工作面平均突出強度最大,煤巷掘進工作面突出次數最多,爆破作業最易引發突出、採煤工作面突出防治技術難度最大;

(4)突出多數發生在構造帶、煤層遭受嚴重破壞的地帶、煤層產狀發生顯著變化的地帶、煤層硬度係數小於0.5的軟煤層中;

(5)突出發生前通常有地層微破壞、瓦斯湧出變化、煤層層理紊亂、鑽孔卡鑽夾鑽、煤壁溫度降低、散發煤油氣味、煤層產狀發生變化等預兆;(6)突出按動力源作用特徵可分為3種類型:突出、壓出和傾出;按突出物分類可分為4種類型:煤與瓦斯突出、煤與二氧化碳突出、岩石與瓦斯突出、岩石與二氧化碳突出。

2.煤(岩)與瓦斯(二氧化碳)突出預測

我國煤(岩)與瓦斯(二氧化碳)突出預測分為區域性預測和工作面預測兩類。

(1)區域性預測。區域性預測的任務是確定井田、煤層和煤層區域的危險性,在地質勘探、新井建設和新水平開拓時進行。區域性預測主要有如下幾種方法:

①單項指標法。採用煤的破壞類型、瓦斯放散初速度、煤的堅固性係數和煤層瓦斯壓力作為預測指標,各種指標的突出危險臨界值應根據實測資料確定。

②按照煤的變質程度。煤層的突出危險程度與其揮發分之間是密切相關的:在煙煤的揮發分大於35%和無煙煤的比電阻的對數值小於3.3時,沒有突出危險;而揮發分在18%~22%時突出危險最高。

③地質統計法。根據已開採區域突出點分布與地質構造的關係,然後結合未採區域的地質構造條件來大致預測發生突出可能發生的範圍。

(2)日常預測。日常預測也稱工作面預測,其任務是確定工作面附近煤體的突出危險性,即該工作面繼續向前推進時有無突出危險。

1)石門揭煤突出危險性預測。石門揭煤突出危險性預測的方法主要有:

①綜合指標法。在石門向煤層至少打2個測壓孔,測定煤層瓦斯壓力,並在打鑽過程中採樣,測定煤的堅固性係數和瓦斯放散初速度,按綜合指標進行預測。

②鑽屑指標法。在距煤層最小垂距3~5m時至少向煤層打2個預測鑽孔,用1—3mm的篩子沖洗液中的鑽屑,測定其瓦斯解吸指標。鑽屑瓦斯解吸指標的臨界值應根據現場實測數據確定。

③鑽孔瓦斯湧出初速度結合瓦斯湧出衰減係數。當石門距煤層3m以外時,至少打2個穿透煤層全厚的預測鑽孔,打鑽結束後馬上用充氣式膠囊封孔器封孔,充氣壓力0.5MPa。打鑽結束到開始測量的時間不應超過5min。封孔後先測第1min的瓦斯湧出初速度,第2min測定解吸瓦斯壓力,如果瓦斯湧出初速度超過預定的工作指標,還須測定第5min的鑽孔湧出速度,以便算出瓦斯湧出衰減係數。

2)煤巷突出危險性預測。煤巷突出危險性預測的方法主要有:

①鑽孔瓦斯湧出初速度法。在距巷道兩幫0.5m處,各打一個平行於巷道掘進方向的鑽孔,用充氣式膠囊封孔器封孔,測定鑽孔瓦斯湧出初速度,從打鑽結束到開始測量的時間不應超過2min。

②鑽屑指標法。在工作面打2個或3個鑽孔。鑽孔每打1m測定一次鑽屑量,每打2m測一次鑽屑解吸指標。根據每個鑽孔沿孔深每米的最大鑽屑量和鑽屑解吸指標預測工作面突出危險性。

3.防治煤(岩)與瓦斯(二氧化碳)突出的措施

(1)防治突出的技術措施。防治突出的技術措施主要分為區域性措施和局部性措施兩大類。區域性措施是針對大面積範圍消除突出危險性的措施,局部性措施主要在採掘工作面執行,針對採掘工作面前方煤岩體一定範圍消除突出危險性的措施。目前區域性措施主要有3種,即預留開採保護層、大面積瓦斯預抽放、控制預裂爆破;局部性措施有許多種,如卸壓排放鑽孔、深孔或淺孔鬆動爆破、卸壓槽、固化劑、水力沖孔等。

(2)「四位一體」綜合防治突出措施。所謂「四位一體」綜合防治突出措施,就是說首先應對開採煤層及其對開採煤層構成影響的鄰近煤層進行突出危險性預測。對確認的突出危險區域,應採取區域性防治突出技術措施,對確認的突出危險工作面,必須採取防治突出技術措施。在採取防治突出技術措施後,必須對防治突出技術措施和消除突出危險性的效果進行檢驗,如果檢驗有效,在採取安全防護措施的前提下進行採掘作業;如果檢驗無效,必須補充防治突出技術措施,直至再次檢驗為有效時方可在採取安全防護措施前提下進行採掘作業。否則,必須繼續補充技術措施。

(3)安全防護措施。安全防護措施是控制突出危害程度的措施,也就是說即使發生突出,也要使突出強度降低,對現場人員進行保護不致危及人身安全。如震動性放炮、遠距離放炮、反向防突風門、壓風自救器、個體自救器等。

(五)瓦斯爆炸及預防

礦井瓦斯不助燃,但它與空氣混合成一定濃度後,遇火能燃燒、爆炸。瓦斯爆炸時會產生3個致命的因素:爆炸火焰、爆炸衝擊波和有毒有害氣體。瓦斯爆炸不僅造成大量的人員傷亡,而且還會嚴重摧毀礦井設施、中斷生產。礦井瓦斯爆炸往往引起煤塵爆炸、礦井火災、井巷坍塌和頂板冒落等二次災害。

1.瓦斯爆炸的條件

引起瓦斯燃燒與爆炸必須具備3個條件:一定濃度的甲烷、一定溫度的引火源和足夠的氧氣。

2.預防瓦斯爆炸技術措施

預防瓦斯爆炸技術措施包括4個方面:

(1)防止瓦斯積聚和超限;

(2)嚴格執行瓦斯檢查制度;

(3)防止瓦斯引燃的措施;

(4)防止瓦斯爆炸災害擴大的措施。

(六)礦井瓦斯抽放

1.瓦斯抽放方法

瓦斯抽放系統主要由瓦斯抽放泵、瓦斯抽放管路(帶閥門)、瓦斯抽放鑽孔或巷道、鑽孔或巷道密封等組成。

根據抽放瓦斯的來源,瓦斯抽放可以分為:本煤層瓦斯預抽、鄰近層瓦斯抽放、採空區瓦斯抽放以及幾種方法的綜合抽放。

2.瓦斯抽放指標

(1)反映瓦斯抽放難易程度的指標:煤層透氣性係數、鑽孔瓦斯流量衰減係數、百米鑽孔瓦斯湧出量。

(2)反映瓦斯抽放效果的指標:瓦斯抽放量、瓦斯抽放率。

3.瓦斯抽放主要設備設施

(1)瓦斯抽放泵。瓦斯抽放泵是進行瓦斯抽放最主要的設備。

(2)瓦斯抽放管路。瓦斯抽放管路是進行瓦斯抽放必備也是使用量最大的材料。

(3)瓦斯抽放施工用鑽機。絕大多數的瓦斯抽放工程都需要利用鑽孔進行瓦斯抽放,因此,鑽機是進行瓦斯抽放的礦井使用最多的設備。

(4)瓦斯抽放參數測定儀錶。煤礦瓦斯流量測定儀錶主要有孔板流量計、均速管流量計、皮託管、渦街流量計等。

(5)瓦斯抽放鑽孔的密封。封孔是確保抽放效果的重要環節,採用先進的封孔技術和加強封孔的日常施工管理,是提高封孔質量的主要途徑。

(七)瓦斯檢測

瓦斯檢測實際上是指甲烷檢測,主要檢測甲烷在空氣中的體積濃度。使用攜帶型瓦斯檢測報警儀,可隨時檢測作業場所的瓦斯濃度,也可使用瓦斯感測器連續實時地監測瓦斯濃度。

煤礦常用的瓦斯檢測儀器,按檢測原理分類有:光學式、催化燃燒式、熱導式、氣敏半導體式等等,可以根據使用場所、測量範圍和測量精度等要求,選擇不同檢測原理的瓦斯檢測儀器。

①光干涉瓦斯檢定器。光干涉瓦斯檢定器主要用於檢測甲烷和二氧化碳,檢測範圍為0~10%、0—40%和0—100%。

②熱催化瓦斯檢測報警儀。熱催化瓦斯檢測報警儀主要檢測低濃度甲烷,檢測範圍0—5%。

③智能式瓦斯檢測記錄儀,主要檢測甲烷濃度,以單片機為核心,以載體催化元件及熱導元件為敏感元件,用載體催化元件檢測低濃度甲烷、熱導元件檢測高濃度甲烷,實現0~99%CH4的全量程測量,並能自動修正誤差。

④瓦斯、氧氣雙參數檢測儀。瓦斯、氧氣雙參數檢測儀裝有檢測甲烷和氧氣兩種敏感元件,同時連續檢測甲烷和氧氣濃度。最新研製出四參數檢測儀,同時測定甲烷、氧氣、一氧化碳和溫度,一氧化碳測量範圍:0—0.0999%,甲烷測量範圍:0~4%,氧氣檢測範圍:0—25%,溫度檢測範圍:0—40℃。

⑤瓦斯報警礦燈,在礦燈上附加一瓦斯報警電路,即為瓦斯報警礦燈。儀器以礦燈蓄電池為電源,具有照明和瓦斯超限報警兩種功能。現有數十種不同結構形式的產品,從報警電路的部位看,早期產品將電路裝於蓄電池內,近期產品則將電路置於頭燈或礦帽上。有的裝在礦帽前方,有的裝在礦帽後部,還有裝在礦帽兩側的。一氧化碳檢測報警儀,能連續或點測作業環境的一氧化碳濃度,儀器開機即可檢測,檢測範圍:0~0.2%。

(八)瓦斯、煤塵爆炸事故的救護及處理

1. 瓦斯煤塵爆炸事故

發生瓦斯煤塵爆炸事故時,礦山救護隊的主要任務是:

(1)搶救遇險人員;

(2)對充滿爆炸煙氣的巷道恢復通風;

(3)搶救人員時清理堵塞物;

(4)撲滅因爆炸而產生的火災。

首先到達事故礦井的小隊應對災區進行全面偵察,查清遇險遇難人員數量、地點、倒地方向和姿勢,遇險遇難人員傷害類型、部位和程度,並進行現場描述,發現倖存者立即佩戴自救器救出災區,發現火源要立即撲滅。

2.煤(岩)與瓦斯(二氧化碳)突出事故的救護及處理

1.一般原則

發生煤與瓦斯突出事故時,礦山救護隊的主要任務是搶救人員和對充滿瓦斯的巷道進行通風。

救護隊進入災區偵察時,應查清遇險遇難人員數量、地點、倒地方向和姿勢,遇險遇難人員傷害類型、部位和程度,並進行現場描述。

2.搶救遇險人員方法

採掘工作面發生煤與瓦斯突出事故後,首先到達事故礦井的礦山救護隊,應派1個小隊從迴風倒,另1個小隊從進風側進入事故地點救人。僅有1個小隊時.如突出事故發生在採煤工作面,應從迴風側進入救人。救護隊進入災區前,應攜帶足夠數量的隔絕式自救器或全面罩氧氣呼吸器,以供遇險人員佩戴。偵察中發現遇險人員應及時搶救,為其佩戴隔絕式自救器或全面罩氧氣呼吸器,引導出災區。對於被突出煤炭堵在裡面的人員,應利用壓風管路、打鑽等輸送新鮮空氣救人,並組織力量清除阻塞物。如不易清除,可開掘繞道,救出人員。

3.救護措施

(1)發生煤與瓦斯突出事故,不得停風和反風,防止風流紊亂擴大災情。如果通風系統及設施被破壞,應設置風障、臨時風門及安裝局部通風機恢復通風。

(2)發生煤與瓦斯突出事故時,要根據井下實際情況決定是否停電。如不會因停電造成被水淹的危險,應遠距離切斷災區電源;否則應加強通風,特別要加強電氣設備處的通風,做到運行的設備不停電,停運的設備不送電,防止產生火花,引起爆炸。

(3)瓦斯突出引起火災時,要採用綜合滅火或惰氣滅火。

(4)小隊在處理突出事故時,檢查礦燈,要設專人定時定點用100%瓦斯測定器檢查瓦斯濃度,設立安全崗哨。

(5)處理岩石與二氧化碳突出事故時,除嚴格執行處理煤與瓦斯突出事故各項規定外,還必須對災區加大風量,迅速搶救遇險人員。礦山救護隊進入災區時,要戴好防護眼鏡。

三、礦(地)壓災害及防止技術

(一)礦(地)壓災害的概念及成因

1.礦(地)壓的概念

在礦體沒有開採之前,岩體處於平衡狀態。當礦體開採後,形成了地下空間,破壞了岩體的原始應力,引起岩體應力重新分布,並一直延續到岩體內形成新的平衡為止。在應力重新分布過程中,使圍岩產生變形、移動、破壞,從而對工作面、巷道及圍岩產生壓力。通常把由開採過程而引起的岩移運動對支架圍岩所產生的作用力,稱為礦山壓力。

在礦山壓力作用下所引起的一系列力學現象,如頂板下沉和垮落、底板鼓起、片幫、支架變形和損壞、充填物下沉壓縮、煤岩層和地表移動、露天礦邊坡滑移、衝擊地壓、煤與瓦斯突出等現象,均稱之為礦山壓力顯現。因此,礦山壓力顯現是礦山壓力作用的結果和外部表現。

礦(地)壓災害的常見類型主要有採掘工作面或巷道的冒頂片幫、采場(採空區)頂板大範圍垮落和衝擊地壓(岩爆)。

2.礦(地)壓災害的成因

(1)在採礦生產活動中,採掘工作面或巷道的冒頂片幫、采場(採空區)頂板大範圍垮落是最常見的事故,主要原因有:

1)採礦方法不合理和頂板管理不善。採礦方法不合理,採掘順序、鑿岩爆破、支架放頂等作業不妥當,是導致這類事故發生的重要原因。

2)缺乏有效支護。支護方式不當、不及時支護或缺少支架、支架的初撐力與頂板壓力不相適應是造成此類事故的另一重要原因。

3)檢查不周和疏忽大意。在頂板事故中,很多事故都是由於事先缺乏認真、全面的檢查,疏忽大意.沒有認真執行「敲幫問頂」制度等原因造成的。

4)地質條件不好。斷層、褶曲等地質構造形成破碎帶,或者由於節理、層理髮育,破壞了頂板的穩定性,容易發生頂板事故。

5)地壓活動。地壓活動也是頂板事故的一個重要原因。

6)其他原因。不遵守操作規程、發現問題不及時處理、工作面作業循環不正規、爆破崩倒支架等都容易引起頂板事故。

(二)礦(地)壓災害的防止技術

1.井巷支護及維護。

井巷掘進出空間後,都要進行臨時支護或永久支護,以防止圍岩的破壞。井巷支護的方式主要有以下幾種:

(1)錨桿支護與錨噴支護

1)錨桿支護。錨桿支護是單獨採用錨桿的支護。掘進後即向巷道圍岩鑽孔,然後向孔中安裝錨桿,必要時也可安裝錨索,如在大斷面巷道或硐室支護時。目的是使錨桿和錨索與圍岩共同作用進行巷道支護。錨桿支護的作用機理有多種:懸吊作用、組合梁作用及擠壓連接、加固拱作用和鬆動圈支護理論等。

2)錨噴支護。錨噴支護又稱噴錨支護,聯合使用錨桿和噴射混凝土或噴漿的支護。從廣義上講可以將除錨桿支護以外的其他與錨桿聯合的支護型式都納入此範圍。如噴漿支護、噴混凝土支護、錨網支護、錨噴網支護、錨梁網(噴)支護以及錨索支護等。

(2)混凝土及鋼筋混凝土支護

混凝土支護是用預製混凝土塊或澆築混凝土砌築的支架所進行的支護。鋼筋混凝土支護是用預製的鋼筋混凝土構件或澆築的鋼筋混凝土砌築的支架所進行的支護。這兩種支護是立井井筒及運輸大巷及井底車場所採用的主要支護方式。

(3)棚狀支架

棚狀支架根據材質不同可以分為木支架和金屬支架。

2.采場地壓事故防治技術

(1)煤礦采場礦山壓力控制方法

直接頂是指直接位於煤層之上的易垮落岩層。煤礦直接頂穩定性分類主要以直接頂初次垮落步距為主要指標,將直接頂分為不穩定、中等穩定、穩定和非常穩定4類。老頂是位於直接頂之上較硬或較厚的岩層老頂壓力顯現分為4級,即老頂來壓不明顯、來壓明顯、來壓強烈和來壓極強烈。回採工作面支架主要有單體摩擦式金屬支柱、單體液壓支柱和液壓自移支架等幾種,少數礦井也還使用木支柱。

(2)金屬非金屬礦山采場地壓控制方法

1)空場採礦法地壓控制

空場採礦法藉礦柱控制采場頂板和圍岩的暴露面積。根據礦岩的強度,採取合適的礦房和礦柱尺寸,以維護采場的穩定。有時為了提高礦岩的承載能力,除留礦柱外,還可採取木支柱、錨桿支護等輔助性措施,以保證回採工作的安全。

2)充填採礦法地壓控制

充填採礦法在回採礦石的同時,用充填材料充填回採空間,實現采場地壓控制。充填體限制圍岩的位移和變形,減緩圍岩移動的危害和降低地表下沉的程度;充填體使礦柱由單向或雙向受力狀態變為三向受力狀態,從而提高了礦柱的強度;回採空間充填後,能降低蓄積在圍岩中的彈性應變能,從而提高了地下結構抵抗動荷的能力。

(3)崩落採礦法地壓控制

隨著回採工作面向前推進,頂板岩層中壓力波亦向前移動。在回採工作面前後方頂板岩層中形成應力降低區、應力升高區和原始應力區。頂板岩層強度越大,開採深度越深,其應力峰值越高。採用單層崩落法採礦時,為使工作面附近有一個安全地段.應根據頂板岩石的力學性質,合理確定最大懸頂距。為保證回採工作安全,使作用在工作面上方的壓力值較小,必須隨回採工作面的進行,工作面向前推進一定距離,在控頂距處架設密集切頂立柱,進行放頂。採用無底柱分段崩落法採礦時,為維持回採進路良好的穩定性,必須掌握回採進路周圍岩體中的應力分布,回採順序對進路的影響,以便採取相應的維護措施。採用有底柱崩落採礦法的地壓控制問題,主要是維護出礦巷道的穩定性。

3.搞好地質調查工作。

對於採掘工作面經過區域的地質構造必須調查清楚,通過地質構造帶時要採取可靠的安全技術措施。

4.堅持正規循環作業,嚴格頂板監測制度。

5.衝擊地壓(岩爆)預防技術

(1)衝擊地壓(岩爆)現象及特點

衝擊地壓(岩爆)是井巷或工作面周嗣岩體,由於彈性變形能的瞬時釋放而產生的一種以突然、急劇、猛烈的破壞為特徵的動力現象。根據原岩(煤)體應力狀態不同,衝擊地壓(岩爆)可分為3類:重力型衝擊地壓、構造應力型衝擊地壓、中間型或重力—構造型衝擊地壓。

衝擊地壓(岩爆)的特點:

1)一般沒有明顯的預兆,難於事先確定發生的時間、地點和衝擊強度;

2)發生過程短暫,伴隨巨大聲響和強烈震動;

3)破壞性很大,有時出現人員傷亡。

(2)衝擊地壓(岩爆)的預測方法

目前,衝擊地壓(岩爆)的預測方法主要有以下幾種:

1)鑽屑法。鑽屑法是通過在煤體中打小直徑(42—50 rnm)鑽孔,根據排出的煤粉量

及其變化規律以及鑽孔過程中的動力現象鑒別衝擊危險的一種方法,目前在我國應用較普遍。鑽屑法是我國《煤礦安全規程》規定採用的衝擊危險程度監測和解危措施效果檢驗的主要方法。

2)聲發射和微震監測方法。聲發射監測的過程主要是對衝擊地壓前兆信息的統計,衝擊危險的判別依據是能率、事件頻度及其變化規律,單個聲發射事件的幅度、延續時間、頻率等參數作為判別衝擊危險的參考指標。

3)綜合指數法。綜合指數法是在進行採掘工作前,首先分析影響衝擊地壓發生的主要地質和開採技術因素,在此基礎上確定各個因素對衝擊地壓的影響程度及其衝擊危險指數。然後綜合評定衝擊地壓危險狀態的一種區域預測方法。

(3)衝擊地壓(岩爆)的防治措施

根據發生衝擊地壓的成因和機理,防治措施分為兩大類:一類是防範措施;另一類是解危措施。

1)防範措施。防範措施主要包括:預留開採保護層;盡量少留煤柱和避免孤島開採;盡量將主要巷道和硐室布置在底板岩層中;回採巷道採用大斷面掘進;儘可能避免巷道多處交叉;加強頂板控制;確定合理的開採程序;煤層預注水,以降低煤體的彈性和強度等。

2)解危措施。衝擊地壓(岩爆)解危措施包括卸載鑽孔、卸載爆破、誘發爆破和煤層高壓注水等。

(三)地下礦山冒頂事故的救護及處理

1.一般原則

(1) 地下礦山發生冒頂事故後,礦山救護隊的主要任務是搶救遇險人員和恢復通風。

(2)在處理冒頂事故之前,礦山救護隊應向事故附近地區工作的幹部和工人了解事故發生原因、冒頂地區頂板特性、事故前人員分布位置、瓦斯濃度等,並實地查看周圍支架和頂板情況,必要時加固附近支架,保證退路安全暢通。

(3)搶救人員時,可用呼喊、敲擊的方法聽取回擊聲,或用聲響接收式和無線電波接收式尋人儀等裝置,判斷遇險人員的位置,與遇險人員保持聯繫,鼓勵他們配合搶救工作。對於被堵人員,應在支護好頂板的情況下,用掘小巷、繞道通過冒落區或使用礦山救護輕便支架穿越冒落區接近他們。

(4)處理冒頂事故的過程中,礦山救護隊始終要有專人檢查瓦斯和觀察頂板情況,發現異常,立即撤出人員。

(5)清理堵塞物時,使用工具要小心,防止傷害遇險人員;遇有大塊矸石、木柱、金屬網、鐵架、鐵柱等物壓人時,可使用千斤頂、液壓起重器、液壓剪刀等工具進行處理,絕不可用鎬刨、錘砸等方法扒人或破岩。

(6)搶救出的遇險人員,要用毯子保溫,並迅速運至安全地點進行創傷檢查,在現場開展輸氧和人工呼吸,止血、包紮等急救處理,危重傷員要儘快送醫院治療。對長期困在井下的人員,不要用燈光照射眼睛,飲食要由醫生決定。

2.搶救遇險人員方法

(1)頂板冒落範圍不大時,如果遇難人員被大塊矸石壓住,可採用千斤頂、撬棍等工具把大塊岩石頂起,將人迅速救出。

(2)頂板沿煤壁冒落,矸石塊度比較破碎,遇難人員又靠近煤壁位置時,可採用沿煤壁方向掏小洞,架設臨時支架維護頂板,邊支護邊掏洞,直到救出遇難人員。

(3)如果遇難者位置靠近放頂區,可採用沿放頂區方向掏小洞,架設臨時支架,背幫背頂,或用前探棚邊支護邊掏洞,把遇難人員救出。

(4)冒落範圍較小,矸石塊度小,比較破碎,並且繼續下落,矸石扒一點、漏一些。在這種情況下處理冒頂和搶救人員時,可採用撞楔法處理,以控制頂板。

(5)分層開採的工作面發生事故,底板是煤層,遇難人員位於金屬網或荊笆假頂下面時,可沿底板煤層掏小洞,邊支護邊掏洞,接近遇難者後將其救出;如果底板是岩石,遇難者位於金屬網或荊笆假頂下面時,可沿煤壁掏小洞,尋找和救出遇難人員。

(6)冒落範圍很大,遇難者位於冒落工作面的中間時,可採用掏小洞和撞楔法處理。當時間長不安全時,也可採取另掘開切眼的方法處理,邊掘進邊支護。

(7)如果工作面兩端冒落,把人堵在工作面內,採用掏小洞和撞楔法穿不過去,可採取另掘巷道的方法,繞過冒落區或危險區將遇難人員救出。

3.冒頂事故的處理方法

(1)局部小冒頂的處理。回採工作面發生冒頂的範圍小,頂板沒有冒實,而頂板矸石已暫時停止下落,這種局部小冒頂比較容易處理。一般採取掏梁窩、探大梁,使用單腿棚或懸掛金屬頂梁處理。

(2)局部冒頂範圍較大的處理。一種是偽頂冒落直接頂未落,一般採取從冒頂兩端向中間進行探梁處理;另一種是直接頂冒落,而且冒落區不停地沿煤壁空隙往下淌碎矸石,一般採取打撞楔的辦法處理。

(3)大冒頂的處理。緩傾斜薄煤層和中厚煤層,尤其是中厚煤層處理工作面大冒頂的方法基本上有兩種,一是恢復工作面的方法;一是另掘開切眼或局部另掘開切眼的方法。

四、礦山火災及防治技術

(一)礦山火災的分類和特點

凡是發生在礦山地下或地面而威脅到井下安全生產,造成損失的非控制燃燒均稱為礦山火災。礦山火災的發生具有嚴重的危害性,可能會造成人員傷亡、礦井生產接續緊張、巨大的經濟損失、嚴重的環境污染等。

根據引燃源的不同,礦山火災可分為外因火災和內因火災兩大類。外因火災是指由於外來熱源,如明火、爆破、瓦斯煤塵爆炸、機械摩擦、電路短路等原因造成的火災。外因火災的特點是突然發生,來勢兇猛,如不能及時發現,往往可能釀成惡性事故。內因火災是指煤(岩)層或含硫礦場在一定的條件和環境下自身發生物理化學變化積聚熱量導致著火而形成的火災。內因火災的特點是發生過程比較長,而且有預兆,易於早期發現,但很難找到火源中心的準確位置,撲滅此類火災比較困難。

(二) 地下礦山內因火災防治技術

1.煤炭自燃傾向性

煤炭自燃傾向性是煤的一種自然屬性,它取決於煤在常溫下的氧化能力,是煤層發生自燃的基本條件。煤的自燃傾向性分為容易自燃、自燃、不易自燃3類。

《煤礦安全規程》規定,新建礦井的所有煤層必須由國家授權單位進行自燃傾向性鑒定;生產礦井延深新水平時,必須對所有煤層的自燃傾向性進行鑒定。

2.煤炭自燃的預測預報

我國的煤炭自燃的預測預報主要採用氣體分析法。

(1)預測預報指標。最新研究成果表明,可以使用一氧化碳、乙烯及乙炔三個指標,綜合地將煤炭自燃劃分為三個階段:礦井風流中只出現10-6級的一氧化碳時的緩慢氧化階段,出現10-6級的一氧化碳、乙烯時的加速氧化階段,出現10-6級的一氧化碳、乙烯及乙炔時的激烈氧化階段,此時即將出現明火。

(2)束管集中檢測系統。束管集中檢測系統是基於氣體分析的檢測系統,與束管集中檢測系統相配套的設備包括礦用火災多參數色譜儀、火災氣體及溫度感測器等。該系統由束管將被測氣體送至井下分站,由各火災氣體感測器將所測到的電信號參數直接輸送至地面監控室,在地面進行集中的實時監控和預報。

3.煤炭自燃的預防技術

煤炭自燃的預防技術包括:惰化、堵漏、降溫等,以及它們的組合。

(1)惰化技術防滅火。惰化技術就是將惰性氣體或其他惰性物質送入擬處理區,抑制煤炭自燃的技術。主要包括黃泥灌漿、粉煤灰、阻化劑及阻化泥漿和惰氣等。

(2)堵漏技術防滅火。堵漏就是採用某些技術措施減少或杜絕向煤柱或採空區的漏風,使煤缺氧而不至於自燃。堵漏技術和材料主要有:抗壓水泥泡沫、凝膠堵漏技術、尾礦砂堵漏和均壓等。

4.火區封閉、管理和啟封

1)火區封閉

當防治火災的措施失敗或因火勢迅猛來不及採取直接滅火措施時,就需要及時封閉火區,防止火災勢態擴大。火區封閉的範圍越小,維持燃燒的氧氣越少,火區熄滅也就越快,因此火區封閉要儘可能地縮小範圍,並儘可能地減少防火牆的數量。

為了便於隔離火區,應首先封閉或關閉進風側的防火牆,然後再封閉迴風側,同時,還應優先封閉向火區供風的主要通道(或主幹風流),然後再封閉那些向火區供風的旁側風道(或旁側風流)。

2)火區管理

火區封閉以後,在火區沒有徹底熄滅之前,應加強火區的管理。火區管理技術工作包括對火區所進行的資料分析、整理以及對火區的觀測檢查等工作。

繪製火區位置關係圖,標明所有火區和曾經發火的地點,並註明火區編號、發火時間、地點、主要監測氣體成分、濃度等。必須針對每一個火區,都建立火區管理卡片,包括火區登記表、火區灌注滅火材料記錄表和防火牆觀測記錄表等。

3)煤炭自燃火區啟封

只有經取樣化驗分析證實,同時具備下列條件時,方可認為火區已經熄滅,才准予啟封:

a.火區內溫度下降到30℃以下,或與火災發生前該區的空氣日常溫度相同;

b.火區內的氧氣濃度降到5%以下;

c.區內空氣中不含有乙烯、乙炔,一氧化碳在封閉期間內逐漸下降,並穩定在0.00l%以下;

d.在火區的出水溫度低於25℃,或與火災發生前該區的日常出水溫度相同。

以上4項指標持續穩定的時間在1個月以上。

(三)火災時期救災技術

1. 地下礦山火災救護原則

2.風流控制技術:

選擇合理的通風系統,加強通風管理,減少漏風;

3.地下礦山反風技術:

根據井下火災具體情況,在保證作業人員和重大設備設施的安全條件下,可採用局部反風或全礦反風方法;

4.火災的常用撲救方法

直接滅火法

隔絕方法滅火

綜合方法滅火

五、水害及其防治技術

(一) 地下礦山突水源及涌水特徵

在礦山開採過程中,礦井突水水源主要有地表水、溶洞一溶蝕裂隙水、含水層水、斷層水、封閉不良的鑽孔水、採空區形成的「人工水體」等。

地下礦山水質分析方法有多種,其中用得較多的是重量法、容積法和比色法。重量法主要用於雜質含量較多的水樣;容積法適用於中等雜質含量的水樣;比色法適用於微量含量的水樣。

1.大氣降水為主要充水水源的涌水特徵

這裡主要指直接受大氣降水滲入補給的礦床,多屬於包氣帶中、埋藏較淺、充水層裸露、位於分水嶺地段的礦床或露天礦區。其充(涌)水特徵與降水、地形、岩性和構造等條件有關。

(1) 地下礦山涌水動態與當地降水動態相一致,具明顯的季節性和多年周期性的變化規律。

(2)多數礦床隨采深增加礦井涌水量逐漸減少,其涌水高峰值出現滯後的時間加長。

(3) 地下礦山涌水量的大小還與降水性質、強度、連續時間及入滲條件有密切關係。

2.以地表水為主要充水水源的涌水特徵

地表水充水礦床的涌水規律有:

(1) 地下礦山涌水動態隨地表水的豐枯作季節性變化,且其涌水強度與地表水的類型、性質和規模有關。受季節流量變化大的河流補給的礦床,其涌水強度亦呈季節性周期變化,有常年性大水體補給時,可造成定水頭補給穩定的大量涌水,並難於疏干。有匯水面積大的地表水補給時,涌水量大且衰減過程長。

(2) 地下礦山涌水強度還與井巷到地表水體間的距離、岩性與構造條件有關。一般情況下,其間距愈小,則涌水強度愈大;其間岩層的滲透性愈強,涌水強度愈大。當其間分布有厚度大而完整的隔水層時,則涌水甚微,甚或無影響;其間地層受構造破壞愈嚴重,井巷涌水強度亦愈大。

(3)採礦方法的影響。依據礦床水文地質條件選用正確的採礦方法,開採近地表水體的礦床,其涌水強度雖會增加,但不會過於影響生產;如選用的方法不當,可造成崩落裂隙與地表水體相通或形成塌陷,發生突水和泥沙沖潰。

3.以地下水為主要充水水源的礦床

能造成井巷涌水的含水層稱礦床充水層。當地下水成為主要涌水水源時,有如下規律:

(1)礦井涌水強度與充水層的空隙性及其富水程度有關。

(2)礦井涌水強度與充水層厚度和分布面積有關。

(3)礦井涌水強度及其變化,還與充水層水量組成有關。

4.以老窯水為主要充水水源的礦床

在我國許多老礦區的淺部,老採空區(包括被淹沒井巷)星羅棋布,且其中充滿大量積水。它們大多積水範圍不明,連通複雜,水量大,酸性強,水壓高。如現生產井巷接近或崩落帶達到老採空區,便會造成突水。

(二) 地下礦山導水通道及探測技術

礦體及其周圍雖有水存在,但只有通過某種通道,它們才能進入井巷形成涌水或突水。涌水通道可分為地層的空隙、斷裂帶等自然形成的通道和由於採掘活動等引起的人為涌水通道兩類。

1.自然導水通道

(1)地層的裂隙與斷裂帶。堅硬岩層中的礦床,其中的節理型裂隙較發育部位彼此連通時可構成裂隙涌水通道。依據勘探及開採資料,我們把斷裂帶分為兩類,即隔水斷裂帶和透水斷裂帶。

(2)岩溶通道。岩溶空間極不均一,可以從細小的溶孔直到巨大的溶洞。它們可彼此連通,成為溝通各種水源的通道,也可形成孤立的充水管道。我國許多金屬與非金屬礦區,都深受其害。欲認識這種通道,關鍵在於能否確切地掌握礦區的岩溶發育規律和岩溶水的特徵。

(3)孔隙通道。孔隙通道主要是指鬆散層粒間的孔隙輸水。它可在開採礦床和開採上覆鬆散層的深部基岩礦床時遇到。前者多為均勻涌水,僅在大顆粒地段和有豐富水源的礦區才可導致突水;後者多在建井時期造成危害。此類通道可輸送本含水層水入井巷,也可成為溝通地表水的通道。

2.人為導水通道

這類通道是由於不合理勘探或開採造成的,理應杜絕產生此類通道。

(1)頂板冒落裂隙通道。採用崩落法採礦造成的透水裂隙,如抵達上覆水源時,則可導致該水源湧入井巷,造成突水。

(2)底板突破通道。當巷道底板下有間接充水層時,便會在地下水壓力和礦山壓力作用下,破壞底板隔水層,形成人工裂隙通道,導致下部高壓地下水湧入井巷造成突水。

(3)鑽孔通道。在各種勘探鑽孔施工時均可溝通礦床上、下各含水層或地表水,如在勘探結束後對鑽孔封閉不良或未封閉,開採中揭露鑽孔時就會造成突水事故。

3.導水通道探測技術

導水通道的探測分析技術主要有:

(1)用音頻電穿透儀探測含水層與導水構造;

(2)用地震勘探儀和組合測井儀探測地質構造;

(3)通過地質構造檢測水位;

(4)用同位素質譜儀對礦山地下水中環境放射性同位素3H、14C的能譜進行測定用以判斷地下水年齡;  (5)用離子色譜儀、高壓液相色譜儀對礦山地下水中常量、微量的離子進行分析。

(三) 地下礦山防治水技術

1.地表水治理措施

(1)合理確定井口位置。井口標高必須高於當地歷史最高洪水位,或修築堅實的高台,或在井口附近修築可靠的排水溝和攔洪壩,防止地表水經井筒灌入井下。

(2)填堵通道。為防雨雪水滲入井下,在礦區內採取填坑、補凹、整平地表或建不透水層等措施。

(3)整治河流。①整鋪河床。河流的某一段經過礦區,而河床滲透性強,可導致大量河水滲入井下,在漏失地段用粘土、料石或水泥修築不透水的人工河床,以制止或減少河水滲入井下。②河流改道。如河流流入礦區附近,可選擇合適地點修築水壩,將原河道截斷,用人工河道將河水引出礦區以外。

(4)修築排(截)水溝。山區降水後以地表水或潛水的形式流人礦區,地表有塌陷裂縫時,會使礦區涌水量大大增加。在這種情況下,可在井田外緣或漏水區的上方迎水流方向修築排水溝,將水排至影響範圍之外。

2.地下水的排水疏干

在調查和探測到水源後,最安全的方法是預先將地下水源全部或部分疏放出來。疏干方法有3種:地表疏干、井下疏乾和井上下相結合疏干。

(1)地表疏干。在地表向含水層內打鑽,並用深井泵或潛水泵從相互溝通的孔中把水抽到地表,使開採地段處於疏干降落漏斗水面之上,達到安全生產的目的。

(2)井下疏干。當地下水源較深或水量較大時用井下疏乾的方法可取得較好的效果。根據不同類型的地下水,有疏放老孔積水和疏放含水層水等方法。

3.地下水探放

(1)礦井工程地質和水文地質觀測工作。水文地質工作是井下水害防治的基礎,應查明地下水源及其水力聯繫。

(2)超前探放水。在礦井生產過程中,必須堅持「有疑必探,先探後掘」的原則,探明水源後制定措施放水。

4.地下礦山水的隔離與堵截

在探查到水源後,由於條件所限無法放水,或者能放水但不合理,需採取隔離水源和堵截水流的防水措施。

(1)隔離水源。隔離水源的措施可分為留設隔離煤(岩)柱防水和建立隔水帷幕帶防水兩類方法。

①隔離煤(岩)柱防水。為防止煤(礦)層開採時各種水流進入井下,在受水威脅的地段留一定寬度或厚度的煤(礦)柱。防水煤(礦)柱尺寸的確定應考慮到含水層的水壓、水量、所開採煤(礦)的機械強度、厚度等因素及有關規定,並通過實踐綜合確定。

②隔水帷幕帶。隔水帷幕帶就是將預先制好的漿液通過由井巷向前方所打的具有角度的鑽孔,壓入岩層的裂縫中,漿液在孔隙中滲透和擴散,再經凝固硬化後形成隔水的帷幕帶,起到隔離水源的作用。由於注漿工藝過程和使用的設備都較簡單,效果也好,因此國內外均認為它是礦井防治水害的有效方法之一。

(2) 地下礦山突水堵截。為預防採掘過程中突然涌水而造成波及全礦的淹井事故,通常在巷道一定的位置設置防水閘門和防水牆。

5.礦山排水

礦山的排水能力要達到以下要求。

(1)金屬非金屬礦山。井下主要排水設備,至少應由同類型的3台泵組成。工作泵應能在20h內排出一晝夜的正常涌水量;除檢修泵外,其他水泵在20h內排出一晝夜的最大涌水量。井筒內應裝備2條相同的排水管,其中1條工作,1條備用。

水倉應由兩個獨立的巷道系統組成。涌水量大的礦井,每個水倉的容積,應能容納2~4h井下正常涌水量。一般礦井主要水倉總容積,應能容納6—8h小時的正常涌水量。

(2)煤礦。必須有工作、備用和檢修的水泵。工作水泵的能力,應能在20h小時內排出礦井24h的正常涌水量(包括充填水和其他用水)。備用水泵的能力應不小於工作水泵能力的70%。工作水泵和備用水泵的總能力,應能在20h內排出礦井24h的最大涌水量。檢修水泵的能力應不小於工作水泵能力的25%。水文地質條件複雜的礦井,可在主泵房內預留一定數量的水泵位置。必須有工作、備用的水管。工作水管的能力應能配合工作水泵在20h小時內排出礦井24h的正常涌水量。工作水管和備用水管的總能力,應能配合工作水泵和備用水泵在20h內排出礦井24h的最大涌水量。

主要水倉必須有主倉和副倉,當一個水倉清理時,另一個水倉能正常使用。新建、改擴建或生產礦井的新水平,正常涌水量在1000m3/h以下時,主要水倉的有效容量應能容納8h的正常涌水量。正常涌水量大於1000m3/h的礦井,主要水倉有效容量可按下式計算:

V=2(Q+3000)

式中V——主要水倉的有效容積,m3;

Q——礦井每小時正常涌水量,m3。

但主要水倉的總有效容量不得低於4h的礦井正常涌水量。

採區水倉的有效容量應能容納4h的採區正常涌水量。

(四) 地下礦山水災的預測和突水預兆

1.地下礦山水災的預測

礦井水災的預測是指礦井在開採前,根據地質勘探的水文地質資料及專門進行的水害調查資料,確定礦井水災的危險程度,並編製礦井水災預測圖。

(1) 地下礦山水災危險程度的確定

①用突水係數來確定礦井水害的危險程度。突水係數是含水層中靜水壓力(kPa)與隔水層厚度(m)的比值,其物理意義是單位隔水層厚度所能承受的極限水壓值。

②按水文地質的影響因素來確定礦井水害的危險程度。該方法是按水文地質的複雜程度將礦區的水害危險程度劃分為5個等級。

(2) 地下礦山水災預測圖的編製。根據隔水層厚度和礦區各地段的水壓值,計算某開採水平的突水係數,編製相應比例的簡單突水預測圖,然後根據礦區突水係數的臨界值,圈定安全區和危險區。水災預測圖的另一種編製方法是在開採平面圖上圈定地下水災的等級區域,據此制定最佳礦井規劃和防治水害的措施,加強危險區域的監測,保證安全生產。

2.地下礦山突水預兆

地下礦山突水過程主要決定於礦井水文地質及採掘現場條件。一般突水事故可歸納為兩種情況:一種是突水水量小於礦井最大排水能力,地下水形成穩定的降落漏斗,迫使礦井長期大量排水;另一種是突水水量超過礦井的最大排水能力,造成整個礦井或局部採區淹沒。在各類突水事故發生之前,一般均會顯示出多種突水預兆。

(1)一般預兆:

①煤層變潮濕、鬆軟;煤幫出現滴水、淋水現象,且淋水由小變大;有時煤幫出現鐵鏽色水跡。

②工作面氣溫降低,或出現霧氣或硫化氫氣味。

⑧有時可聞到水的「嘶嘶」聲。

④礦壓增大,發生片幫,冒頂及底鼓。

(2)工作面底板灰岩含水層突水預兆:

①工作面壓力增大,底板鼓起,底鼓量有時可達500mm以上。

②工作面底板產生裂隙,並逐漸增大。

③沿裂隙或煤幫向外滲水,隨著裂隙的增大,水量增加。當底板滲水量增大到一定程度時,煤幫滲水可能停止,此時水色時清時濁,底板活動時水變渾濁;底板穩定時水色變清。

④底板破裂,沿裂縫有高壓水噴出,並伴有「嘶嘶」聲或刺耳水聲。

⑤底板發生「底爆」,伴有巨響,地下水大量湧出,水色呈乳白或黃色。

(3)鬆散孔隙含水層水突水預兆:

①突水部位發潮、滴水且滴水現象逐漸增大,仔細觀察發現水中含有少量細砂。

②發生局部冒頂,水量突增並出現流砂,流砂常呈間歇性,水色時清時混,總的趨勢是水量、砂量增加,直至流砂大量湧出。

③頂板發生潰水、潰砂,這種現象可能影響到地表,致使地表出現塌陷坑。

以上預兆是典型的情況,在具體的突水事故過程中,並不一定全部表現出來,所以應該細心觀察,認真分析、判斷。

(五) 地下礦山水災事故的救護及處理

1.井巷發生透水事故時,礦山救護隊的任務是搶救受淹和被困人員,防止井巷進一步被淹和恢復井巷通風。

2.處理地下礦山水災事故時,礦山救護隊到達事故礦井後,要了解災區情況、突水地點、性質、涌水量、水源補給、水位、事故前人員分布、礦井具有生存條件的地點及其進入的通道等,並根據被堵人員所在地點的空間、氧氣、瓦斯濃度以及救出被困人員所需的大致時間,制定相應的救災方案。

3.礦山救護隊在偵察時,應判定遇險人員位置,涌水通道、水量、水的流動線路,巷道及水泵設施受水淹程度、巷道沖壞和堵塞情況,有害氣體濃度及巷道分布情況和通風情況等。

4.採掘工作面發生透水事故時,第1個小隊一般應進入下部水平救人,第2個小隊應進入上部水平救人。

5.對於被困在井下的人員,其所在地點高於透水後水位時,可利用打鑽等方法供給新鮮空氣、飲料及食物;如果其所在地點低於透水後水位時,則禁止打鑽,防止泄壓擴大災情。

6.地下礦山透水量超過排水能力,有全礦或水平被淹危險時,應組織人力物力強行排水,在下部水平人員救出後,可向下部水平或採空區放水。如果下部水平人員尚未撤出,主要排水設備受到被淹威脅時,可用裝有粘土、砂子的麻袋構築臨時防水牆,堵住泵房口和通往下部水平的巷道。

7.如果透水威脅水泵安全,在人員撤退的同時要保護泵房不致被淹。

8.排水過程中要切斷電源、保持通風、加強對有毒有害氣體的檢測,並且要注意觀察巷道情況,防止冒頂和掉底。

(六) 地下礦山淤泥、粘土和流砂潰決事故的救護及處理

1.地下礦山潰決事故的類型

(1)岩溶突泥。大量的岩溶充填物(如黃泥等)潰人井巷,威脅礦井生產,造成人員傷亡。

(2)地面淤泥從塌陷區裂縫潰人井下。由於采動的影響,採空區冒落造成地表塌陷,導致地面淤泥從裂縫潰入井下,給煤礦的正常生產和人員安全帶來威脅。

(3)煤層頂部含水泥砂層潰人。當煤層頂部有含水、含泥沙層,開採後由於頂板冒落不實,黃泥、泥漿從裂隙潰人井巷,形成災害。

2.處理地下礦山潰決事故的行動準則

(1)處理淤泥、粘土和流砂潰決事故時,礦山救護隊的主要任務是救助遇險人員,清除透人井巷中的淤泥、粘土和流砂,加強有毒有害氣體檢測,恢復通風。

(2)潰出的淤泥、粘土和流砂使遇險礦工被困堵時,在搶救時應首先確定遇險人員所處的位置,並儘快清通淤堵區,向被困堵人員輸送新鮮空氣、食物和飲料等生活必需品。

(3)當泥砂有潰人下部水平的危險時,應將下部水平人員撤到安全處。

(4)在淤泥已停止流動,尋找和救助人員時,應在鋪於淤泥上的木板上行進。

(5)在拆除阻擋淤泥的阻塞物時,可在其中開一些小孔,供淤泥逐漸流放之用。如果阻塞物內的淤泥帶具有壓力,則應在防護牆的掩護下拆除阻塞物。

(6)遇險人員救出後,應將處於淤堵地點附近人員迅速繞過災區進入安全地帶,禁止逆著淤泥蔓延的方向撤運人員。

六、礦山粉塵及其防治技術

(一)1.粉塵的概念

(1)全塵。全塵是指用一般敞口採樣器採集到一定時間內懸浮在空氣中的全部固體微粒。

(2)呼吸性粉塵。呼吸性粉塵是指能被吸入人體肺部並滯留於肺泡區的浮游粉塵。空氣動力直徑小於7.07μm的極細微粉塵,是引起塵肺病的主要粉塵。

(3)浮塵和落塵,懸浮於空氣的粉塵稱浮塵,沉積在巷道頂、幫、底板和物體上的粉塵稱為落塵。

2.粉塵性質

(1)粉塵中遊離二氧化硅的含量。粉塵中遊離二氧化硅的含量是危害人體的決定因素,含量越高,危害越大。遊離二氧化硅是引起矽肺病的主要因素。

(2)粉塵的粒度。粉塵粒度是指粉塵顆粒大小的尺度。一般來說,塵粒越小,對人的危害越大。

(3)粉塵的分散度。粉塵的分散度是指粉塵整體組成中各種粒級的塵粒所佔的百分比。粉塵組成中,小於5μm的塵粒所佔的百分數越大,對人的危害越大。

(4)粉塵的濃度。粉塵的濃度是指單位體積空氣中所含浮塵的數量。粉塵濃度越高,對人體危害越大。

(5)粉塵的吸附性。粉塵的吸附能力與粉塵顆粒的表面積有密切關係,分散度越大,表面積也越大,其吸附能力也增強。主要指標有吸濕性、吸毒性。

(6)粉塵的荷電性。粉塵粒子可以帶有電荷,其來源是煤岩在粉碎中因摩擦而帶電,或與空氣中的離子碰撞而帶電,塵粒的電荷量取決於塵粒的大小並與溫濕度有關,溫度升高時荷電量增多,濕度增高時荷電量降低。

(7)煤塵的燃燒和爆炸性。煤塵在空氣中達到一定的濃度時,在外界明火的引燃下能發生燃燒和爆炸。

3.礦塵的危害性

礦塵的危害性主要表現在以下4個方面:

(1)污染工作場所,危害人體健康,引起職業病;

(2)某些礦塵(如煤塵、硫化塵)在一定條件下可以爆炸;

(3)加速機械磨損,縮短精密儀器使用壽命;

(4)降低工作場所能見度,增加工傷事故的發生。

(二)礦山粉塵防治技術

礦山防塵技術包括風、水、密、凈和護等5個方面,並以風、水為主。風就是通風除塵;水是指濕式作業;密是指密閉抽塵;凈是凈化風流;護是採取個體防護措施。下面分別敘述礦山生產過程中的主要防塵技術。

1.採煤工作面防塵

(1)煤層注水;

(2)合理選擇採煤機截割機構;

(3)噴霧降塵;

(4)採用除塵設備。

2.掘進工作面防塵

(1)炮掘工作面防塵。風動鑿岩機或電煤鑽打眼是炮掘工作面持續時間長,產塵量高的工序。一般干打眼工序的產塵量占炮掘工作面總產塵量的80%~90%,濕式打眼時佔40%~60%。所以,打眼防塵是炮掘工作面防塵的重點。

①打眼防塵。打眼防塵的主要技術有濕式鑿岩、乾式鑿岩捕塵等。

風鑽濕式鑿岩:這是國內外岩巷掘進行之有效的基本防塵方法。

乾式鑿岩捕塵:在無法實施濕式作鑿岩時,如岩石遇水會膨脹,岩石裂隙發育,實施濕式作業其防塵效果差等情況下,可用乾式孔口捕塵器等乾式孔口除塵技術。

煤電鑽濕式打眼:在煤巷、半煤巷炮掘中,採用煤電鑽濕式打眼能獲得良好的降塵效果,降塵率可達75%~90%。

②放炮防塵。放炮是炮掘工作面產塵最大的工序,採取的防塵措施主要有以下幾種:

水炮泥:這是降低放炮時產塵量最有效的措施。

放炮噴霧:這是簡單有效的降塵措施,在放炮時進行噴霧可以降低粉塵濃度和炮煙。

(2)機掘工作面通風除塵。掘進工作面雖然採取了相應的防塵措施,但一些細微的粉塵仍然是懸浮於空氣中,尤其是掘進機械化程度的不斷提高,產塵強度劇增,機掘工作面的產塵強度就大大高於炮掘工作面,用一般的防塵措施難於控制粉塵,因此國內外研究了通風除塵技術,以便有效控制高濃度塵源。

①通風除塵系統。合理的通風除塵系統是控制工作面懸浮粉塵運動和擴散的必要條件,主要有三種通風系統在國內外使用:長壓短抽通風除塵系統、長抽通風除塵系統和長抽短壓通風除塵系統。

②通風除塵設備。主要設備有濕式除塵風機、濕式除塵器、袋式除塵器以及配套的抽出式伸縮風筒、附壁風筒等。

③通風工藝的要求。壓、抽風筒口相互位置的關係:壓抽風量的匹配;局部通風機安裝位置;抽出式局部通風機與除塵局部通風機的串聯要求。

(3)錨噴支護防塵。錨噴支護技術發展很快,它也是煤礦的主要產塵源之一。錨噴支護的粉塵主要來自打錨桿眼、混合料轉運、拌料和上料、噴射混凝土以及噴射機自身等生產工序和設備。

針對這些產塵源,錨噴支護主要採取配製潮料向噴射機上料、雙水環加水、加接異徑葫蘆管、低壓近噴、水幕凈化和通風除塵等。

3.運輸、轉載防塵

(1)機械控制自動噴霧降塵裝置。該類裝置的特點是結構簡單、容易製造,使用和維護方便而且降塵效果較好。

(2)電器控制自動噴霧降塵裝置。該裝置適用於煤礦轉載運輸系統中不同的塵源,它是靠電器控制實現自動噴霧,有光控、聲控、觸控、磁控等多種形式。

4.綜合防塵措施

綜合防塵措施包括濕式鑽眼、沖刷井壁巷幫、使用水炮泥、放炮噴霧、裝岩(煤)洒水和凈化風流等措施。

(三)煤塵爆炸和防、隔爆措施

1.礦山粉塵(煤礦煤塵)爆炸的條件

礦山粉塵(煤礦煤塵)爆炸必須同時具備以下4個條件:粉塵本身具有爆炸性;粉塵懸浮在空氣中並達到一定濃度;有足以點燃粉塵的熱源;有可供爆炸的助燃劑。

2.煤塵爆炸性評價方法

(1)煤塵爆炸指數。煤塵爆炸指數,也被稱作可燃揮發分含量,在煤礦設計時,可作為初步判定煤塵爆炸危險的指標。

(2)煤塵爆炸性鑒定。雖然用煤塵爆炸指數可以判定其爆炸性,但鑒於煤種和煤質的複雜性,爆炸指數只是一個初步判斷。還必須按《煤礦安全規程》規定進行煤塵爆炸性鑒定試驗。我國標準中規定,採用大管狀煤塵爆炸鑒定裝置進行試驗,並由國家授權單位承擔鑒定試驗。

3.防止煤塵爆炸的技術措施

煤塵爆炸必須在4個條件同時具備時才可能發生,如果不讓這些條件同時存在,或者破壞已經形成的這些條件,就可以防止煤塵爆炸的發生和發展。這是制定各種防止煤塵爆炸措施的出發點和基本原則。

(1)防塵措施。一般情況下,生產場所的浮游煤塵濃度是遠低於爆炸下限濃度的。但是,因空氣震蕩(放炮的衝擊波)等原因使沉積煤塵重新飛揚起來,這時的煤塵濃度大大超過爆炸下限濃度。據估算4㎡斷面小巷道的周邊上,只要沉積0.04mm厚的一層煤塵,當它全部飛揚起來,就達到了爆炸下限。實際上,井下的沉積煤塵都超過了這個厚度,所以,減少巷道內的沉積煤塵量並清除出井,是最簡單有效的防爆措施。

各生產環節採用有效的防塵,降塵措施,減少煤塵的產生,降低空氣中的煤塵濃度,也就降低了沉積煤塵量。因此,綜合防塵措施既是減少粉塵危害工人健康的措施,也是防止煤塵爆炸的治本措施。

(2)杜絕著火源。井下能引起煤塵爆炸的著火源有電氣火花、摩擦火花、摩擦熱、煤自燃而形成的高溫點、爆破作業出現的爆燃以及瓦斯爆炸所產生的高溫產物等。消除這類著火源的主要技術措施有:保持礦用電氣設備完好的防爆性能,加強管理防止出現電器設備失爆現象;選用非著火性輕合金材料避免產生危險的摩擦火花;膠帶、風筒、電纜等常用的非金屬材料必須具有阻燃,抗靜電性能;採用阻化劑、凝膠或氮氣防止煤柱、採空區殘留煤發生自燃,同時,加強瓦斯管理防止瓦斯爆炸事故的發生。

(3)撒布岩粉法。由於煤礦自然條件十分複雜,發生煤塵爆炸的隨機性很大,除了上述一般性的安全技術措施外,針對煤塵爆炸的特點,各國還研究了防止煤塵爆炸的專門技術,其中使用歷史最長,應用面廣、簡單易行的防止煤塵爆炸技術措施是撒布岩粉法。

這種方法是定期向巷道周邊撒布惰性岩粉,用它覆蓋沉積在巷道周邊上的沉積煤塵。岩粉層在巷道風速很低時,它的粘滯性起到了阻礙沉積煤塵重新飛揚的作用。

當發生瓦斯爆炸等異常情況時,巨大的空氣震蕩風流把岩粉和沉積煤塵都吹揚起來形成岩粉一煤塵混合塵雲。當爆炸火場進入混合塵雲區域時,岩粉吸收火焰的熱量使系統冷卻,同時岩粉粒子還會起到屏蔽作用,阻止火焰或燃燒的煤粒向未著的煤塵粒子傳遞熱量,最終達到阻止煤塵著火的目的。這一措施在英、美、俄等主要產煤國家大量應用,而且效果顯著。

4.防止煤塵爆炸傳播技術

防止煤塵爆炸傳播技術也稱為隔絕煤塵爆炸傳播技術(以下簡稱隔爆技術),是指把已經發生的爆炸控制在一定範圍內並撲滅,防止爆炸向外傳播的技術措施。該技術不僅適於對煤塵爆炸的控制,也適用於對瓦斯爆炸、瓦斯煤塵爆炸的控制。該技術分為兩大類,被動式隔爆技術和自動式隔爆技術。

(1)被動式隔爆技術(也稱隔爆措施)。發生爆炸的初期,爆炸火焰峰面是超前於爆炸壓力波向前傳播,隨著爆炸反應的繼續和加強,壓力波逐漸趕上並超前於火焰峰面傳播,兩者之間有一時間差。被動式隔爆技術就是利用這一規律,利用壓力波的能量使隔爆措施動作,在巷道內形成撲滅火焰的消焰抑製劑塵雲,後續到達的火焰進入抑製劑塵雲時被撲滅,阻止了爆炸繼續向前傳播。被動式隔爆技術主要有:岩粉棚,水槽棚和水袋棚,統稱為被動式隔爆棚。

被動式隔爆棚的設置方式有3種形式,集中式布置,分散式布置和集中分散式混合布置。根據隔爆棚在井巷系統中限制煤塵爆炸的作用和保護範圍,可將它們分為主要隔爆棚(重型棚)和輔助隔爆棚(輕型棚),重型棚的作用是保護全礦性的安全,設置在礦井兩翼與井筒相通的主要運輸大巷和迴風大巷;相鄰煤層之間的運輸巷和迴風石門;相鄰採區之間的集中運輸巷和迴風巷。輕型棚的作用是保護一個採區的安全,在採煤工作面的進風、迴風巷;採區內的煤及半煤岩掘進巷道;採用獨立通風並有煤塵爆炸危險的其他巷道內設置。

(2)自動隔爆技術。被動式隔爆技術的作用原理決定了該技術措施只能在距爆源60~200m(岩粉棚300 m)範圍內發揮抑制爆炸的作用。因此,在爆炸發生的初期該技術是無效的。此外,在低矮、狹窄和拐彎多的巷道中使用也極其不利,不能發揮抑爆效果。針對這些缺點各國研究並使用了自動隔爆技術。

感測器、控制器和噴洒裝置是自動隔爆裝置三大組成部分,由若干台自動隔爆裝置組成的隔爆系統即為自動式隔爆措施,採用的感測器主要有3類:接受瓦斯煤塵爆炸動力效應的壓力感測器,利用爆炸熱效應的熱電感測器和利用爆炸火焰發出的光效應的光電感測器。控制器是向噴洒抑製劑的執行機構發出動作指令的儀器;噴洒機構一般由執行機構、噴洒器和抑製劑儲存容器組成。它的作用是將抑製劑(岩粉、乾粉或水)擴散於巷道空間形成粉塵雲或水霧帶。它的動作應迅速、可靠、能適應爆炸的快速發展。

抑製劑的選擇原則是抑制火焰用量少、效果好、價格便宜。雖然岩粉在煤礦應用最廣,但是在弱的瓦斯煤塵爆炸條件下以及在劇烈的強爆炸時,它的抑制效果不理想。適用於自動隔爆裝置的抑製劑主要有液體抑製劑水、水加鹵代烷、粉末無機鹽類抑製劑和鹵代烷。粉末無機鹽類有(NH4)H2PO4、NaCl、KCl、KHCO、NaHCO3、CaCO3等粉劑。鹵代烷有二氟一氯一溴甲烷等,雖然滅火效果好,但它有破壞臭氧層的缺點,已經開始禁用。

(四)礦山粉塵檢測方法

粉塵檢測是以科學的方法對生產環境空氣中粉塵的含量及其物理化學性狀進行測定、分析和檢查的工作。從安全和衛生學的角度出發,日常的粉塵檢測項目主要是粉塵濃度、粉塵中遊離二氧化硅含量和粉塵分散度(也稱為粒度分布)。

1.礦山粉塵濃度測定

(1)礦山粉塵濃度標準。我國對作業場所空氣中粉塵的允許濃度規定為:岩礦中遊離二氧化硅含量大於10%的礦山,粉塵允許濃度為1mg/m3;岩礦中遊離二氧化硅含量小於10%的礦山,粉塵允許濃度為4mg/m3。

(2)粉塵濃度測定。礦的粉塵濃度測定主要有濾膜測塵法和快速直讀測塵儀測定法。

①濾膜採樣測塵。測塵原理是用粉塵採樣器(或呼吸性粉塵採樣器)抽取採集一定體積的含塵空氣,含塵空氣通過濾膜時,粉塵被捕集在濾膜上,根據濾膜的增重計算出粉塵濃度。

②快速直讀測塵儀。用濾膜採樣器測塵是一種間接測量粉塵濃度的方法。由於準備工作、粉塵採樣和樣品處理時間比較長,不能立即得到結果,在衛生監督和評價防塵措施效果時顯得不方便。為了滿足實際工作的需要,各國研製開發了可以立即獲得粉塵濃度的快速測定儀。

2.粉塵遊離二氧化硅的測定

測定方法是焦磷酸質量法和紅外分光光度計測定法。呼吸性粉塵中遊離二氧化硅含量的測定,煤礦粉塵採用紅外光譜法,非煤礦山粉塵採用X射線沿設法。

(1)焦磷酸質量法。在245~250℃的溫度下,焦磷酸能溶解硅酸鹽及金屬氧化物,面對遊離二氧化硅幾乎不溶,因此,用焦磷酸處理粉塵試樣後,所得殘渣的質量即為遊離二氧化硅的量,以百分比表示。為了求得更精確的結果,可將殘渣再用氫氟酸處理,經過這一過程所減輕的質量則為遊離二氧化硅的含量。

(2)紅外分光分析法。當紅外光與物質相互作用時,其能量與物質分子的振動或轉動能級相當會發生能級的躍遷,即分子電低能級過渡到高能級。其結果是某些波長的紅外光被物質分子吸收產生紅外吸收光譜。遊離二氧化硅的吸收光譜的波長為12.5μm,12.8μm,14.4 μm。

3.粉塵分散度的測定

第三節尾礦庫災害及防治技術

一、尾礦庫及尾礦壩類型

尾礦庫是指築壩攔截谷口或圍地構成的用以儲存金屬非金屬礦山進行礦石選別後排除尾礦的場所。

尾礦壩是由尾礦堆積而成的壩,它是尾礦庫中最主要的構築物。按照尾礦堆積方式的不同,尾礦壩可分為上游法、中線法、下游法、高濃度尾礦堆積法和水庫式尾礦堆積法5種主要形式。其中,上游式堆壩法由於工藝簡單、便於管理、經濟合理而被廣泛採用,我國有85%以上的尾礦庫是採用該法堆壩。

(1)尾礦庫的等別

尾礦庫各使用期的設計等別是根據該期的全庫容和壩高分別確定的。當兩者的等差為一等時,以高者為準;當等差大於一等時,按高者降低一等。尾礦庫失事將使下游重要城鎮、工礦企業或鐵路幹線遭受嚴重災害者,其設計等別可提高一等。

(2)尾礦庫安全度的分類

尾礦庫安全度主要根據尾礦庫防洪能力和尾礦壩壩體穩定性確定,分為危庫、險庫、病庫和正常庫四級。

1)危庫

危庫是指安全沒有保障,隨時可能發生垮壩事故的尾礦庫。危庫必須停止生產並採取應急措施。

尾礦庫有下列工況之一的為危庫:

a)尾礦庫調洪庫容嚴重不足,在設計洪水位時,安全超高和最小干灘長度都不滿足設計要求,將可能出現洪水漫頂;

b)排洪系統嚴重堵塞或坍塌,不能排水或排水能力急劇降低;

c)排水井顯著傾斜,有倒塌的跡象;

d)壩體出現貫穿性橫向裂縫,且出現較大範圍管涌、流土變形,壩體出現深層滑動跡象;

e)經驗算,壩體抗滑穩定最小安全係數小於規定值的0 95;

f)其他嚴重危及尾礦庫安全運行的情況。

2)險庫

險庫是指安全設施存在嚴重隱患,若不及時處理將會導致垮壩事故的尾礦庫。險庫必須立即停產,排除險情。

尾礦庫有下列工況之一的為險庫:

a)尾礦庫調洪庫容不足,在設計洪水位時安全超高和最小干灘長度均不能滿足設計要求;

b)排洪系統部分堵塞或坍塌,排水能力有所降低,達不到設計要求;

c)排水井有所傾斜;

d)壩體出現淺層滑動跡象;

e)經驗算,壩體抗滑穩定最小安全係數小於規定值的0 98;

f)壩體出現大面積縱向裂縫,且出現較大範圍滲透水高位出逸,出現大面積沼澤化;

g)其他危及尾礦庫安全運行的情況。

3)病庫

病庫是指安全設施不符合設計要求,但符合基本安全生產條件的尾礦庫。病庫應限期整改。

尾礦庫有下列工況之一的為病庫:

a) 尾礦庫調洪庫容不足,在設計洪水位時不能同時滿足設計規定的安全超高和最小干灘長度的要求;

b)排洪設施出現不影響安全使用的裂縫、腐蝕或磨損;

c)經驗算,壩體抗滑穩定最小安全係數滿足規定值,但部分高程上堆積邊坡過陡,可能出現局部失穩;

d)浸潤線位置局部較高,有滲透水出逸,壩面局部出現沼澤化;

e)壩面局部出現縱向或橫向裂縫;

f)壩面未按設計設置排水溝,沖蝕嚴重,形成較多或較大的沖溝;

g)壩端無截水溝,山坡雨水沖刷壩肩;

h)堆積壩外坡未按設計覆土、植被;

i) 其他不影響尾礦庫基本安全生產條件的非正常情況。

4)正常庫

同時滿足下列工況的為正常庫:

a)尾礦壩的最小安全超高和尾礦庫的最小干灘長度均符合設計要求;

b)排水系統各構築物符合設計要求,工況正常;

c)尾礦壩的輪廓尺寸符合設計要求,穩定安全係數及壩體滲流控制滿足要求,工況正常。

 二、尾礦壩(庫)事故的主要類型及防治技術

(1)尾礦壩潰壩事故

尾礦壩潰壩事故的主要原因是尾礦庫建設前期對自然條件了解不夠,勘察不明、設計不當或施工質量不符合規範要求,生產運行期間對尾礦庫的安全管理不到位,缺乏必要的監測、檢查、維修措施以及緊急預案等,一旦遇到事故隱患,不能採取正確的方法,導致危險源狀態惡化並最終釀成災難。

可以通過聲發射,位移監測等技術手段監測尾礦壩潰壩事故。

(2)邊坡失穩事故

尾礦庫的穩定性包括壩體的穩定性和天然邊坡的穩定性。由於壩體和岩土體的物質組成不同,它們有著不同的結構,工程地質、水文地質及力學特性差異顯著,使得力學性能很不相同,它們的變形機理和破壞模式的差別也十分顯著。自然邊坡的破壞方式可分為崩塌、滑坡和滑塌等幾種類型,尾礦壩壩坡除會發生滑坡和滑塌破壞外,還可能發生塌陷、滲漏及管涌潰堤、滲流沖刷造成尾礦堆石壩破壞等事故。

(3)洪水漫頂事故

造成洪水漫頂事故的原因包括:

1)設計、施工的防洪標準、設施不符合現行尾礦設施設計施工規範,導致的洪水漫頂、潰壩事故;

2)洪水超過尾礦庫設計標準導致的漫頂、潰壩事故;

3)對氣候、地質、地形等發生變化而引起的尾礦庫最小安全超高和最小干灘長度等發生的不利變化,沒有及時採取正確的應對方法所導致的事故。

4)疏於日常管理,對庫區、壩體、排洪設施等出現的事故隱患未能採取及時處理措施,導致的洪水漫頂、潰壩;

5)缺乏抗洪準備和防汛應急措施,對洪水可能造成的破壞沒有應急預案而造成的事故。

(4)排洪設施破壞

造成排洪構築物損壞的事故原因包括:

1)構築物的設計、施工不符合水工構築物設計規範,在實際生產運營過程中,不能承擔排洪作用;

2)疏忽構築物的日常檢查、維修工作,導致漏砂、漂浮雜物沉積並堵塞在進、出水管道;從而影響排洪的功能;

3)臨近山坡的溢洪溝(道)、截洪溝等設施,由於氣候、地質變化而毀壞,不能滿足排洪要求;

4)廢棄的排水構築物未能處理或處理不符合規範,產生事故;

5)暴雨、洪水過後,未能對構築物全面檢查和清理,對已有隱患沒有及時修復,在連續暴雨期內發生事故;

6)因負重、鏽蝕等因素導致排水管道、隧洞破損、斷裂、垮塌,地形、地質變化導致構築物發生變形、沉降,而不能承擔防汛功能。

(5)地震液化事故

根據遭受地震破壞的尾礦壩情況分析,地震對尾礦壩的破壞具有下列特點:1)尾礦壩的破壞是尾礦的液化引起的;2)尾礦壩的破壞形式表現為流滑;3)遭受地震破壞的尾礦壩,其壩坡大都在30。~40。。經驗表明,影響砂土液化最主要的因素為:土顆粒粒徑、砂土密度、上覆土層厚度、地震強度和持續時間、與震源之間的距離及地下水位等。砂土有效粒徑愈小、不均勻係數愈小、透水性愈小、孔隙比愈大、受力體積愈大、受力愈猛,則砂土液化可能性愈大。

三、尾礦庫安全檢查和監測技術

(1)防洪安全檢查和監測

防洪安全檢查的主要內容包括:防洪標準檢查、庫水位監測、灘頂高程的測定、干灘長度及坡度測定、防洪能力複核和排洪設施安全檢查等。

(2)尾礦壩安全檢查和監測

尾礦壩安全檢查內容:壩的輪廓尺寸,變形、裂縫、滑坡和滲漏,壩面保護等。

(3)尾礦庫庫區安全檢查

尾礦庫庫區安全檢查的主要內容包括周邊山體穩定性,違章建築、違章施工和違章採選作業等情況。

四、尾礦壩(庫)事故處理技術措施

(一)尾礦庫潰壩事故

1在滿足回水水質和水量要求前提下,盡量降低庫水位;

2.水邊線應與壩軸線基本保持平行;

3尾礦庫實際情況與設計要求不符時,應在汛期前進行調洪驗算。

(二)尾礦壩滑坡事故

滑坡搶護的基本原則是:上部減載,下部壓重.即在主裂縫部位進行削坡,而在壩腳部位進行壓坡。儘可能降低庫水位,沿滑動體和附近的坡面上開溝導滲,使滲透水很快排出。若滑動裂縫達到坡腳,應該首先採取壓重固腳的措施。因土壩滲漏而引起的背水坡滑坡.應同時在迎水坡進行拋土防滲。

因壩身填土碾壓不實、浸潤線過高而造成的背水坡滑坡,一般應以上游防滲為主,輔以下游壓坡、導滲和放緩壩坡j以達到穩定壩坡的目的。對於滑坡體上部已鬆動的土體,應徹底挖出.然後按壩坡線分層回填夯實,並做好護坡。

壩體有軟弱夾層或抗剪強度較低且背水坡較陡而造成的滑坡,首先應降低庫水位。如清除夾層有困難時,則以放緩壩坡為主.輔以在壩腳排水壓重的方法處理。地基存在淤泥層、濕陷性黃土層或液化等不良地質條件,施工時又沒有清除或清除不徹底而引起的滑坡,處理的重點是清除不良的地質條件,並進行固腳防滑。因排水設施堵塞而引起的背水坡滑坡,主要是恢復排水設施效能,築壓重台固腳。

滑坡處理前.應嚴格防止雨水滲入裂縫內。可用塑料薄膜、瀝青油氈或油布等加以覆蓋。同時還應在裂縫上方修截水溝,以攔截和引走壩面的積水。

第四節油氣田事故的主要類型

一、石油天然氣的危險性

(一)石油

石油是一種黃色乃至黑色、有綠色熒光的稠厚性油狀液體。

石油閃點範圍較寬,凝固點較高,其蒸氣與空氣形成爆炸混合物,遇明火、高熱能引起燃燒爆炸,與氧化劑能發生強烈反應,遇高熱可分解出有毒的煙霧。表7—2列出了石油燃燒爆炸特性考數。

石油的危險性主要表現在以下幾個方面:

1易燃性

石油閃點較低,介於-6.67℃一32.22℃之間,根據《石油天然氣工程設計防火規範》(GB 50183—2004)的規定,石油火災危險性分類為甲B類。

2易爆性

當石油蒸氣與空氣混合,達到爆炸極限時,遇到點火源即可發生爆炸。物質的爆炸極限濃度范嗣越寬,爆炸極限濃度下限越低,該物質爆炸危險性越大。石油的爆炸下限較低.易發生爆炸。

3易蒸發性

石油易蒸發。石油蒸發主要有靜止蒸發和流動蒸發兩種。蒸發的油蒸氣密度比較大,不易擴散,往往在儲存處或作業場地空間地面瀰漫飄蕩,在低洼處積聚不散,大大增加了火災危險程度。

4靜電荷積聚性

石油的電阻率一般在1011Ωcm~1012Ωcm左右,在管道輸送時.打油與管壁摩擦會產生靜電.且不易消除。當靜電放電時會產生電火花,其能量達到或大於石油的最小電火能並且石油的蒸氣濃度處在爆炸極限範圍內時,可立即引起爆炸、燃燒。

5擴散、流淌性

石油有一定黏度,受熱後其黏度會變小,泄漏後可流淌擴散。其蒸氣密度比空氣大,泄漏後的石油及揮發的蒸氣易在地表、地溝、下水道及凹坑等低洼處滯留,並貼地面流動,往往在預想不到的地方遇火源而引起火災。國內外均發生過泄漏液體沿排水溝擴散遇明火燃燒爆炸的惡性事故。

6.熱膨脹性

石油體積由溫度改變引起的變化相對不大。但如著火現場附近的石油受到火焰輻射的高熱時,其體積會有較大的增長(由於石油中低沸點組分會膨脹氣化).會因膨脹而頂爆固定容積的容器或溢出容器,從而參與燃燒甚至爆炸。釀成更大事故。

7易沸溢性

石油容易受熱膨脹、沸溢。石油受熱膨脹.蒸氣壓升高,會造成儲存容器受壓增加。  相反.高溫油品在儲存中冷卻,又會造成油品收縮而使儲油容器產生負壓。當石油含水0.3%~4%時.遇高熱或發生火災時,容易產生沸溢或噴濺燃燒的油品大量外溢,甚至從罐中噴出,從而造成重大火災事故。

(二)天然氣

天然氣是從油氣藏中開採出的可燃氣體,其主要成分為氣體烷烴(CnH2n+2);非烷烴氣體有氮氣、硫化氫、一氧化碳、二氧化碳、水、氧、氫和微量的惰性氣體,這些氣體與烷烴組成互相不起化學反應的混合物。

天然氣中含量最多的成份是甲烷,它是比空氣稍輕的無色可燃氣體,在20℃標準大氣壓下甲烷的凈熱值是32926kJ/m3。

天然氣屬易燃、易爆物質,極易引起燃燒和爆炸。逸散的天然氣和空氣混合,當濃度達到爆炸下限時,如遇明火就會發生爆炸;如果未達到爆炸下限,遇明火則會發生燃燒。天然氣主要組分性質見表7-3。

l易燃性

根據《石油天然氣工程設計防火規範》(GB 50183—2004)中可燃物質火災危險性分類,天然氣火災危險等級為甲B類。

2易爆性

天然氣的爆炸極限較寬,爆炸下限較低,泄漏到空氣中能形成爆炸性混合物,遇明火、高熱極易燃燒爆炸,燃燒分解產物為CO、CO2。在儲運過程中,若遇高熱,容器內壓增大,有開裂和爆炸的危險。

天然氣在大口徑輸氣管線里和空氣混合發生爆炸時,出現迅速著火爆燃現象,火焰傳播速度將超過音速而達到1 000m/s——4000m/s,局部壓力可達到8MPa,甚至更高。該爆炸現象的產生是由於著火介質中有衝擊波產生,並迅速運動,致使介質溫度、壓力和密度急劇增大,加速了化學反應,使破壞力增強o

3.易擴散性

天然氣的密度比空氣小,泄漏後不易留在低凹處,有較好的擴散性。

4.焦爾一湯姆遜效應

當天然氣在管道中流動時,遇到狹窄的通道,如閥門、孔板等。由於存在摩擦損耗-使壓力顯著下降。體積膨脹,溫度降低,這種現象稱為節流效應,也稱為焦爾一湯姆遜效應。天然氣溫度降低可能產生的危害有天然氣產生水合物、低溫對管材的破壞作用等。

5.水合物

天然氣水合物是在高壓低溫狀態下由水和氣體組成的冰態物,其結構特點是結晶水晶格的籠形結構氣體分子,外形如冰雪狀,通常呈白色,結晶體斟緊湊的格子構架排列,與冰的結構非常相似。

天然氣水合物能堵塞管道,影響生產,引發事故。

天然氣水合物的生成主要需要以下3個條件:

(1)天然氣與液態水接觸。

(2)天然氣一液態水體系的溫度低於其所在壓力下的水合物形成溫度o

(3)氣體流速、壓力的波動以及水合物晶種的存在將加速水合物形成。

6.高壓縮性

天然氣屬於壓縮性很強的可壓縮流體,在管道發生破裂漏氣後泄壓速度慢,在管材韌性低的情況下可能導致大範圍裂紋擴展。

二、火災

火災(燃燒)是可燃物與氧化劑結合,並釋放出能量的化學反應,釋放出能量中的一部分用來維持其反應。

(一)燃燒的形式

燃燒是可燃物質與氧或氧化劑化台時發生的一種伴有放熱和發光的激烈氧化反應。由於可燃物質可以是氣體、液體或固體,所以它們的燃燒形式是多種多樣的。

按照產生燃燒反應相的不同,可分為均相燃燒和非均相燃燒。均相燃燒是指燃燒反應在同一相中進行,如天然氣在審氣中燃燒是在同一的氣相中進行的,就屬於均相燃燒。與此相反的情況則為非均相燃燒,如石油、木材等液體和固體的燃燒就屬於非均相燃燒。非均相燃燒較為複雜,必須考慮到可燃液體及固體物質的加熱,以及由此而產生的相變化。

1.可燃性氣體的燃燒有混合燃燒和擴散燃燒2種形式:

(1)混合燃燒。將可燃性氣體預先與空氣混合,在這種情況下發生的燃燒成為混合燃燒。混合燃燒反應速度快、溫度高,通常的混合氣體爆炸就屬於這一類。

(2)擴散燃燒。可燃氣體從管中噴出,與周圍空氣接觸,邊混合邊燃燒,這種形式的燃燒稱為擴散燃燒。在擴散燃燒中,由於反應不完全,所以經常產生沒有完全燃燒的炭黑。

2可燃性液體和固體的燃燒分別屬手蒸發燃燒、分解燃燒或表面燃燒等3種形式:

(1)蒸發燃燒。可燃液體燃燒時,通常液體本身並不燃燒,而只是由液體蒸發產生的蒸氣進行燃燒,這種形式的燃燒叫做蒸發燃燒。蒸氣被點燃起火後。形成的火焰溫度進一步加熱了可燃物體表面,從而加速易燃液體的蒸發。使燃燒繼續蔓延和擴大。汽油、酒精等易燃液體的燃燒就屬於蒸發燃燒。

(2)分解燃燒。很多固體或不揮發性液體,由於受熱分解而產生可燃性氣體,這種氣體的燃燒稱為分解燃燒。例如木材和油脂,大多是先分解產生可燃氣體再行燃燒,所以是分解燃燒的一種。

(3)表面燃燒。可燃固體燃燒到後期,分解不出可燃氣體,就剩下無定形炭和灰,此時沒有可見火焰。燃燒是在高溫可燃固體與空氣相接觸的表面上進行的,這種燃燒稱為表面燃燒。金屬的燃燒也是男一種表面燃燒,沒有汽化過程,燃燒溫度較高。

(二)燃燒條件

燃燒必須同時具備3個條件,即:

(1)有可燃物質存在;

(2)有助燃物質存在,常見者為空氣、氧氣等;

(3)有能導致燃燒的能源即點火源,如撞擊、摩擦、明火、靜電火花、雷電等。

可燃物、助燃物和點火源是構成燃燒的三要素,缺少其中任何一個燃燒都不能發生。但是燃燒在可燃物濃度、溫度、點火能等方面都存在著極限值。在某些情況下,如可燃性混合物未達到燃燒極限濃度範圍之內或不具備足夠的點火能量,那麼即使具備了上述3個條件,燃燒也不會發生。例如當空氣中的含氧量低於14%時,一般可燃物質便不會發生燃燒:又如一根火柴的熱量不能點燃一根木柴。對於已經進行著的燃燒,若消除3個條件中的任何一個,燃燒就會終止,這就是滅火的基本原理。

(三)閃點

可燃液體的表面都有一定量的蒸氣存在,蒸氣的濃度取決於液體的溫度。可燃液體的蒸氣與空氣所組成的混合物遇明火時產生閃燃,引起閃燃的最低溫度稱為閃點。閃燃不能使液體燃燒,原因是在閃點溫度下,液體蒸發緩慢,可燃液體蒸氣與空氣的混合物瞬間燃盡,新的可燃蒸氣來不及補充,故閃燃瞬間就熄滅。雖然僅是閃燃,但閃點卻是衡量石油及油品火災危險性的主要標誌。閃點數據通過標準儀器測定,有開杯式和閉杯式2種。常溫下能閃燃的液體常用閉杯閃點儀測定,閃點較高的液體則用開杯容器測定。同系列的可燃液體,其閃點變化規律是:隨分子量的增加而增高;隨密度的增加而增高;隨沸點的增高而增高:隨蒸氣壓的降低而增高。可燃液體混合物的閃點不具有加和性,高閃點液體中即使加入少量低閃點液體也會大大降低閃點,增加火災危險性。石油的密度比煤油高,但石油的閃點卻比煤油低就是一個例子。

(四)引燃溫度

引燃溫度是指物質(不論是固態、液態或氣態)在沒有外部火花或火焰的條件下,能自動引燃和繼續燃燒的最低溫度。

對石油產品來講,密度愈大,閃點愈高,而引燃溫度卻愈低。因此,從引燃溫度來說,重質油料比輕質油料的火災危險性大。

對天然氣來講無閃點數據,但是天然氣中氣態烴的引燃溫度則具有隨分子量增加而降低的規律,例如甲烷時引燃溫度高於乙烷、丙烷的引燃溫度。

(五)石油的燃燒速度

液體燃料的燃燒速度有2種表示方法:①以每平方米面積上l小時燒掉液體的質量表示,稱為液體燃燒的質量速度;②以l小時(或1分鐘)燒掉液體屢的高度來表示,稱為液體燃燒的直線速度。

液體燃料燃燒前須先蒸發而後燃燒,故液體燃燒速度取決於液體鈞蒸發,並且與很多因素有關。例如液體的初溫越高,燃燒速度越快;儲罐中低液位燃燒比高液位燃燒的速度要快(因為受火焰加熱的罐壁可以進一步加速油品的蒸發);不含水的比含水的石油產品燃燒速度要快;蒸氣壓高的比蒸氣壓低的石油產品燃燒速度要快。

油品燃燒時。火焰靠輻射向油品表面傳熱,使油品液面溫度逐漸升高,同時油品蒸發加劇。油品蒸發要吸收大量蒸發熱,最後在液面上保持熱平衡,液面溫度不再升高而維持定值。輕質油品揮發強度大,吸收的蒸發熱量多,故液面溫度較低。重質油品揮發強度小,液面溫度較高。

油品著火後火焰便很快沿油品表面蔓延。火焰沿液面蔓延的速度取決於液體的初溫、熱容、蒸發熱和火焰的輻射能力。此外,風速對火焰蔓延速度也有很大影響。

(六)天然氣的燃燒速度

天然氣的燃燒不需要像固體、液體那樣經過熔化蒸發等過程,所以燃燒速度很快。

氣體燃燒分混合燃燒和擴散燃燒,通常情況下混合燃燒速度高於擴散燃燒速度。氣體的燃燒速度常用火焰傳播速度來衡量,火焰傳播速度在不同直徑的管道中測試時其值不同。一般講火焰傳播速度隨著管道直徑增加而增加,當達到某個直徑時速度就不再增加。同樣,隨著管道直徑的減少而減少,當直徑小到一定程度時火焰就不再傳播而熄滅,這是因為管子直徑減小時熱損失增加所致,這也就是阻火器的原理。

(七)燃燒溫度

燃燒溫度實質上就是火焰溫度。因為可燃物質燃燒所產生的熱量是在火焰燃燒區域內析出的,因而火焰溫度也就是燃燒溫度。

油品著火燃燒時,火焰的中央部分由於空氣供應不足,燃燒不充分,所以溫度不高。因此火焰的溫度是:在比油麵稍高的位置上,火焰溫度相當於油品的沸點溫度:隨著高席增加,火焰溫度急劇升高,約距油麵1. 5 m高度上,火焰溫度可達最高值;當高度繼續增加,火焰溫度有所下降。此外,火焰的高度則取決於燃燒液面直徑和燃燒速度。一般說,燃燒速度越快,火焰高度與燃燒液面直徑之比值越大。

三、爆炸

爆炸是物質發生非常迅速的物理或化學變化的一種形式。這種變化在瞬間放出大量能量,使其周圍壓力發生急劇的突變,同時產生巨大的聲響。

(一)爆炸極限

可燃氣體或液體蒸氣與空氣的混合物,在一定的濃度範圍內,遇有火源才能發生爆炸。這個遇有火源能發生爆炸的濃度範圍。稱為爆炸濃度極限,通常用體積百分數來表示。其中遇火源能發生爆炸的最低濃度稱為爆炸濃度下限,而能夠發生爆炸的最高濃度稱為爆炸濃度上限。

一切可燃物質與空氣所形成的可燃性混合物。從爆炸下限到爆炸上限的所有中間濃度,在遇有引爆源時都有爆炸危險。混合物的濃度低於爆炸下限,既不爆炸也書燃燒,因為空氣量過多,可燃物過稀,使反應不能進行下去。混合物濃度高於爆炸上限時。一般也不會爆炸。但能夠燃燒。

由於爆炸性混合物的爆炸與可燃性氣體的混合燃燒的不同點僅在於爆炸是在瞬間完成的,故一般很難將可燃性混合物與爆炸性混合物加以嚴格的區別,因此,這兩個名詞往往也就是指同一事物。同樣的道理,爆炸極限與燃燒極限也很相似,一般講爆炸極限範圍在燃燒極限範圍之內,即爆炸下限與燃燒下限大體相同。而爆炸上限則比燃燒上限稍低。

幾種易燃液體蒸氣在空氣巾的爆炸濃度極限(體積百分數)為;車用汽油l.58%一6.48%,煤油7.4%一7.5%,苯1.5%一9.5%,酒精3.3%~19.0%o

因為液體的蒸氣濃度是在一定溫度下形成的,所以可燃液體除了有爆炸濃度極限外,還有一個爆炸溫度極限。可燃液體在一定溫度下,由於蒸發而形成等於爆炸濃度極限的蒸氣濃度,這時的溫度稱為「爆炸溫度極限」。對應於爆炸濃度的上、下限,相應有爆炸溫度極限的上、下限。

幾種可燃液體的爆炸溫度極限為,車用汽油36℃一7℃,煤油45℃一86℃,甲苯0℃~30℃。酒精ll℃~40℃。需要指出的是,汽油的爆炸溫度極限為36℃~7℃,這個爆炸溫度範圍在北方冬天是常出現的,這表明汽油罐的爆炸危險性冬天要比夏天大,但是煤油夏天則更易爆炸。

爆炸極限不是一個固定值,它隨著各種因寒而變化,主要的影響因素有以下幾點:

1.爆炸性混合物的原始溫度越高,則爆炸極限範圍越大;

2.爆炸性混合物的原始壓力越大,則爆炸極限範圍越大;

3.容器的直徑越小爆炸極限範圍縮小發生爆炸的危險性降低;

4.混合物中所含惰性氣體(氮、二氧化碳、水蒸氣等)的百分數增加,則爆炸極限範圍縮小;

5.火源性質,如電源強度、熱表面的面積,火源與混合物的接觸時間等也有影響。

(二)爆炸的類型

石油天然氣爆炸可分為物理性爆炸和化學性爆炸。

1.物理性爆炸

物質因狀態或壓力發生突變等物理變化而引起的爆炸稱為物理性爆炸。物理性爆炸前後物質的性質和化學成分不改變。例如鍋爐的爆炸,壓縮氣體、液化石油氣超壓引起的爆炸,壓力容器內液體過熱汽化引起的爆炸均屬於物理性爆炸。這種爆炸能夠間接地造成火災或促使火勢的擴大蔓延。

2.化學性爆炸

由於物質發生極迅速的化學反應,產生高溫、高壓而引起的爆炸稱為化學性爆炸。化學爆炸前後物質的性質和成分均發生了根本的變化。化學性爆炸按爆炸時所發生的化學變化,可分為:

(1)簡單分解爆炸,如乙炔在壓力下的分解爆炸。這種爆炸不一定發生燃燒反應,所需熱量由爆炸物質本身分解時產生,受輕微震動即可引爆。

(2)複雜分解爆炸,如炸藥的爆炸。

(3)爆炸性混合物爆炸,即所有可燃氣體、蒸氣、霧滴和粉塵與空氣混合所形成的混合物的爆炸,包括石油、天然氣的爆炸,均屬於此類。這類爆炸需要一定條件,如爆炸物質含量、空氣含量及激發能源等。其危險性雖較前兩類化學性爆炸為低,但很普遍,造成的危害也較大。

(三)爆炸的過程

爆炸雖然發生於瞬間,但它還是存在一個發生過程。以化學性爆炸中爆炸性混合物爆炸為例,其發生過程大體分為3個階段:

1.爆炸性混合物的形成階段

此時可燃物質與助燃物質相互擴散形成爆炸性混合物,遇明火後,燃爆開始。

2.連鎖反應階段

爆炸性混合物與點火源接觸後便有自由原子或自由基生成而成為連鎖反應的作用中心,熱和連鎖載體向外傳播,促使鄰近—層爆炸混合物起化學反應,然後這一層又成為熱和連鎖載體的灝泉,而引起另一層爆炸混合物的反應,火焰是以一層層同心圓球面的形式往各方面蔓延。火焰的速度從著火點附近0.5一l m處的每秒若干米開始,逐漸加速到每秒數百米:(爆炸)以至數千米(爆轟)。若在火焰擴散的路程上有遮擋物,燃燒、熱的積聚導致氣體溫度上升,連鎖反應速度急劇加速引起壓力的急劇增加,使爆炸威力升級。

3.完成爆炸階段

此時爆炸力造成破壞,甚至是災難性的破壞。

四、井噴

在我國石油行業中,井噴定義為:地層流體(油、氣或水)流入井內並引起井內流體噴出鑽檯面的現象。井噴不會突然發生,在其最終發生之前往往伴隨井噴序列事件發生,通常要經歷下面幾個階段:

(一)溢流階段

地層中的油氣等高壓流體侵入井內引起井口返出的鑽井液量比泵入量大,或停泵後井口鑽井液自動外溢的階段。實際工作中存在一些井控裝置和程序用於控制和安全處置形成的高壓流體,通常情況下鑽井液的靜水壓力會阻止地層中的油氣進入鑽井孔,但當存在一些潛在的危險或威脅時,將會導致油氣溢流。例如:鑽井泥漿密度不夠、突然鑽進至未意料到的高壓油氣層、泥漿循環失效導致靜水壓頭損先、不正確的制動行為、以及可能導致任何威脅的任何階段的人為失誤等。

(二)井涌階段;

溢流的進一步發展到鑽井液湧出防溢管口階段。在溢流階段,若井控的裝置發生故障或操作程序失誤,則未受控制的油氣釋放將會發生。即井涌階段。但該流動仍能被井噴的閥門或防井噴裝置關閉,或者,若井筒雖不能確信被關閉,但其壓力沒有超過最大允許的封井壓力,這時可以將釋放的油氣排放到確定位置並點火,該階段可通過使用現場現存的備用裝置,使得未受控制的油氣釋放現象得到迅速的控制。當然,某些井控設備的失效也會導致井噴,如泥漿—氣體分離裝置失效等,不過這類失效可以通過設備的冗餘設計來解決。

(三)井噴階段,

鑽井井筒中的流體向大氣環境釋放的流動完全失去控制的階段。在井涌階段,若備用的井控裝置故障或操作程序失誤,則失去控制的油氣釋放將會發生,即進入井噴階段。一旦形成了井噴,為了恢復井控,只有通過安裝或用替代的特殊的設備必關閉井口、封井或另鑽釋放井筒。

第五節鑽井安全技術

鑽井作業中,一旦井噴將導致井下情況複雜化,被迫終止正常作業進行壓井。井噴後的壓井作業將對油氣層造成較嚴重的損害。同時,井噴極易導致失控。井噴失控將使油氣資源受到嚴重破壞,易釀成火災,造成人員傷亡、設備毀壞。油氣井報廢和自然環境的污染。井噴失控是鑽井工程中性質嚴重、損失巨大的災難性事故。全力防止井噴,杜絕井噴失控是鑽井安全工程首要解決的問題。

一、井控裝置

(一)作用

井控裝置是為了實施平衡鑽井工藝而裝設的。即在鑽井中當井內液柱壓力與地層壓力之間的平衡被破壞時,利用井控裝置去及時發現、正確控制和處理溢流,儘快重建井底壓力平衡。

(1)井控設備

井控裝置,系指實施油氣井壓力控制技術的所有設備、專用工具和管匯。按井控設備的功能可分為:

1,監溯設備

監測設備對溢流顯示能及時、準確地監測和預報,這是實現平衡鑽井和實施井控作業的前提。它包括:泥漿池液面監測儀、報警儀等。

2,控制設備。

控制設備對溢流能迅速準確地控制。控制設備配套工作壓力鹿與地層壓力基本一致。

控制方式應儘可能自動或半自動化,並輔以手動,做到安全可靠。

控制設備包括:各種類型的防噴器,防噴器遠程控制台,司鑽控制台,各種閘閥,鑽具內專用工具(方鑽桿上、下旋塞,鑽具止回閥)和旁通閥。

3,處理設備

溢流處理設備應配套。適應性要強。處理設備包括:節流管忙及控制系統、壓井管匯、放噴管匯、泥漿氣體分離器、真空豫氣器、泥漿罐、自動灌泥漿裝置等。處理設備也包括特殊作業設備,如:滅火設備、加壓裝置、旋轉頭、自封頭等。

(二)閘板防噴器

閘板防噴器按殼體內閘板室的數量。可分為單閘板防噴器、雙閘板防噴器、三閘板防噴器。在國內使用最多的是雙閘板防噴器。

1,功能

(1)當井內有鑽具(或其他管柱時),能封閉套管與鑽具之間的環形空間;

(2)當井內無鑽具時,能全封閉井口;

(3)在封閉情況下,可通過殼體旁側出口所連接的管匯,進行泥漿循環、節流放噴、壓井作業;

(4)在特殊情況下。可切斷鑽具,並達到關井的目的;

(5)可懸掛鑽具。

2,工作原理

閘板防噴器由殼體、側門、油缸、活塞、活塞桿、鎖緊軸、閘扳總成等主要零部件組成。當高壓油進入左右油缸關閉腔時,推動活塞、活塞桿,使左右閘板沿著閘板室內導向筋限定的軌道,分別向井口中心移動,達到關井的目的。當高壓油進入左右油缸開啟腔時,左右兩個閘板總成分別向離開井口中心的方向移動,達到開井的目的。閘板開和關的方向是由換向閥控制的。一般在3—8s時間內即能關閉,滿足鑽井工藝的需要。

(三)環形防噴器

環形防噴器具有承壓高、密封可靠、操作方便、開關迅速等優點,特別適用於密封各種形狀和不同尺寸的管柱。也可全封閉井口。

1,功能

(1)當井內有鑽具、油管或套管時,能用一種膠芯封閉各種不同尺寸的環形空間;

(2)當並內無鑽具時,能全封閉井口:

(3)在進行鑽井、取心、測井等作業過程中發生溢流時,能封閉方鑽桿、取心工具、電纜及鋼絲繩等與井筒所形成的環形空間;

(4)在使用減壓溢流閥或緩衝儲能器控制的情況下。能通過18無細扣對焊鑽桿接頭,強行起下鑽具。

2,工作原理

環形防噴器形式各不相同,但主要由殼體、頂蓋、膠芯及活塞4大部分組成。環形防噴器關閉時,高壓油從殼體下部油口進入活塞下部關閉腔。推動活塞上行。活塞錐面擠壓膠芯,由於頂蓋的限制,膠芯不能上行,只能被擠向中心,儲備在膠芯支承筋之間的橡膠因支承筋相互靠攏被擠向井口中心,直至抱緊鑽具或全封閉井口,實現其封井的目的。

當需要打開井口時,操縱液壓系統換向閥,使高壓油從殼體上油口進入活塞上部的開啟腔,推動活塞下行,消除了在膠芯錐面上的擠壓力,膠芯在本身彈性力的作用下逐漸複位,打開井口。

(四)節流壓井裝置

1,用途和適用範圍

節流壓井裝置作為液壓防噴器的配套裝置是排除溢流,實施油氣井壓力控制技術的必要設備。在油氣鑽井中,井筒里的泥漿一旦被地層流體所浸污。就會造成泥漿靜液柱壓力低於地層壓力,導致溢流發生。這時需要關閉防噴器,調節節流閥的開啟程度,控制一定的回壓,以維持穩定的井底壓力,加重泥漿或泵入重泥漿壓井。除此之外,節流壓井裝置還可以用於洗井等作業。

2分類

(1)手動節流壓井裝置。由壓井管匯和只能手動操作的節流管匯組成。

(2)遙控節流壓井裝置。由壓井管匯、可以遙控操作的節流閥組成的節流管匯和節流管匯控制箱組成。

二、井控裝置的安全要求

(一)防噴器

防噴器安裝完畢後,必須校正井口。轉盤、天車中心偏差不大於lOmm。應用16mm的鋼絲繩在井架底座的對角線上繃緊防噴器。

1閘板防噴器,

(1)必須裝齊閘扳手動操縱桿,靠手輪端應支撐牢固,操作桿與鎖緊軸中心線的偏斜不大於30。

(2)井噴時可用閘板防噴器封閉空井或與閘扳尺寸相同的鑽具,需長時間關閉時,應手動鎖緊閘板。鎖緊或解鎖手輪均不得強行扳緊,扳到位後迴轉l/4~l/2圈。

(3)現場應配備備用閘板一旦閘板損壞,能及時更換。

(4)嚴禁用打開閘板來泄掉井內壓力。每次打開閘板前,應檢查手動鎖緊裝置是否解,鎖(到底):打開後,要檢查閘板是否全開(後退到體內),不得停留在中間位置,以防鑽具損壞閘板。

(5)打開和關閉側門時應先泄掉控制管匯壓力,以防損壞鉸鏈的「O」形圈。側門螺栓未上好時,不得開關閘板形,以免憋壞閘板、閘板軸或鉸鏈。用旋轉式側門時,不許同時打開兩個側門。

(6)裝有二次密封裝置的閘板防噴器,只有在活塞桿密封處嚴重漏失時,才能注入三次密封膏(EMOS)。注入量不宜過多,止漏即可,以免損壞活塞桿。一有可能就立即更換活塞桿密封,不可長久依賴二次密封裝置。

(7)當井內有鑽具時,嚴禁關閉全封閉閘板。

(8)進入油氣層後,每天應開啟閘板1次,檢查開關是否靈活,並檢查手動鎖緊裝置是否開關靈活。

(9)用完後,。閘板應處於打開位置。

2.環形防噴器

(1)如井內有鑽具發生井噴時,可先用環形防噴器控制井口。但盡量不要長時間封閉,避免膠芯過早損壞,或因無鎖緊裝置在控制壓力下降時易封閉失效。非特殊情況不用來封閉空井。

(2)用環形防噴器進行井下作業,必須使用帶18。接頭的鑽具;過接頭的時候,起、下鑽速度不得大於1m/s:所有鑽具上的膠皮護箍應全部卸掉。

(3)環形防噴器處於關閉狀態時,允許有限制地上、下活動鑽具,不許旋轉鑽具和懸掛鑽具。

(4)嚴禁用打開環形防噴器的辦法來泄井內壓力,以防刺壞膠芯。

(5)每次開啟後,必須檢查是否全開,以防掛壞膠芯。

(6)進入油氣層後,每起下鑽2次,要試開關瑋形防噴器1次,檢查封閉效果,發現膠芯失效立即更換。

(二)節流、壓井裝置和被噴管線

1.平行閘板閥在閥板處於浮動狀態時才能密封,因此開或關到底後必須再迴轉l/4一l/2圈,嚴禁開關扳死。

2.被動放噴閥作打開放噴管線用;此閥住l一3 s時間內即可開關。嚴禁在井內有高壓的情況下,用液動放噴閥來泄壓或節流。進入油氣層後每起下鑽具1次,可開關活動液動放噴閥1—2次。液動放噴閥應處於常閉狀態。

3.平板閥只能作截止閥用,而不能作節流閥用。

4.節流閥只能作節流用,不能作截止閥用。

5.節流、壓井管匯的承壓能力應與防噴器工作壓力相匹配,應能滿足反循環、回收鑽井液、消防作業和節流壓井等要求。

6.壓力變送器應垂直安裝,在測試壓力的管路上應裝一截止閥,以便在無氣源時,截斷壓力信號。返回壓力表是氣液比為l:200的壓力表,不能用普通壓力表代替。

三、鑽開油氣層的防噴  井噴最根本的原因是井內液柱壓力低於地層孔隙壓力,使井底壓力不平衡。防止井噴的關鍵是及時發現溢流和及時控制溢流。

(一)準確預報地層壓力

鑽進中要加強地層對比,及時提出地質預告,尤其對異常高壓層的蓋層預報一定要準確。根據地質資料掌握準確的地層壓力,確定合理的鑽井液密度。

(二)及時發現溢流

溢流顯示,往往有下列表現:

(1)憋跳鑽、鑽時加快或放空。油氣層岩性往往比較疏鬆,鑽速快,可能發生憋鑽。當鑽進碳酸鹽岩裂縫性油氣層時,常因裂縫或溶洞發生憋跳鑽或放空等情況。

(2)鑽井液循環出口流量增大、減少或斷流,池液面上升或降低。

(3)泵壓上升或下降。當溢流速度快時,會發現鑽井液循環出口量劇增。由於流動阻力增大,循環泵壓突然上升;當溢流量不大,特別是氣體時,由於環形空間鑽井液平均密度降低,泵壓下降。

(4)鑽井液中出現油、氣、水顯示。當溢流物是石油時,鑽井液中有油花或油流,鑽井液密度降低、黏度上升。

當溢流是氣體時,鑽井液密度降低、黏度上升,氣泡多,取氣樣能點燃,出口管返出不均勻,有井涌情況。

(5)懸重變化。當鑽進中發生鑽時加快或放空時,能使懸重增加,甚至恢復到「原懸重」;當溢流速度很大時,由於循環阻力增加,泵壓上升而對鑽具「上頂」,使懸重降低,甚至將鑽具衝出井口。

溢流、井噴有多種早期顯示,其中循環出口流量和池液面變化是發現溢流、井噴的主要依據。因此,必須採用可靠的儀器對循環出口和池液面高度進行自動監測。同時應當固定崗位,定點、定時觀察對比,及時發現溢流。

短起下鑽是及時發現起鑽中溢流的可靠方法。在以下情況下應進行短起下鑽:

(1)鑽進中發現溢流經循環排除後;

(2)鑽進中其他錄井(如砂樣、鑽時錄井等)發現有可能鑽遇油氣層時;

(3)由於各種原因造成鑽井液密度下降而未加重時;

(4)正常起鑽中發現灌不進鑽井液或灌量偏少時。

短起下鑽的具體作法是以正常的速度起鑽至鑽頭高於檢驗的油氣層10柱鑽桿,再下鑽過油氣層循環一周以上,觀察有無溢流發生4r

(三)溢流控制

發現溢流後,應儘快關井,將溢流量控制到儘可能小的程度。在條件相同的情況下,溢流量愈太,排除溢流過程中的套壓愈高,壓井的困難程度愈大。因此,對溢流量應作明確的規定。一般情況下,Φ152 mm一Φ251mm的井眼,溢流量不超過3 m3;Φ311mm的井眼,溢流量不超過5 m3。-

不同的溢流速度會發生不同的地面反應。少量的溢流會發生後效反應,使鑽井液氣侵、井涌。成段的氣柱上升至井口附近時,將其上部鑽井液舉出地面而形成間隙井噴。大量的溢流能將鑽井液呈柱狀推出。即使溢流為氣體,其產量達106m3/d時,初期也只能看到鑽井液循環出口流量突然增大而看不到噴勢。只有當井筒液體將要噴空,氣體接近井口時,鑽井液才能形成衝出轉盤面的直立液柱。為了保護防噴器膠芯,在控制溢流時,應先關環封,再關半封。

四、井漏後的防噴

井漏和井噴是井下壓力失去平衡的兩種極端狀況。

井漏後,井內鑽井液將降至一個與地屢壓力相當的靜液面。當井內液柱壓力與地層壓力平衡後,地層流體將以置換、擴散等形式進入井內,氣體不斷滑脫上竄膨脹,使鑽井液氣侵,密度降低,體積增加,直至液面上升至井口後外溢。一旦發生外溢,井內鑽井液減少,平衡破壞而加劇溢流速度。直至井噴。在井漏以後再進行起下鑽作業,會因抽吸、掏空而誘發井噴。因此,發生井漏後。為了防止井噴,應向井內補究液體,使井內始終處於低壓頭的漏失狀態。當反灌補充鑽井液的速度使液面保持的高度足以補償抽吸掏空時,就可以在井漏條件下進行起下鑽作業。如起鑽後下堵漏管串進行堵漏作業或起鑽下油管進行完井作業。

第六節作業安全技術

一、射開油氣層的防噴

(一)一般射孔井的防噴

射孔井的一般施工方式是利用射孔車動力,將電纜連接的射孔槍(含槍身、炮彈)及下井儀器下入套管井內,使射孔槍對準目的層通電引爆射孔彈,射穿套管、水泥環,形成油流孔道。此種射孔工藝一般採用泥漿和清水壓井,同時井口裝有防噴裝置。防噴施工經濟、簡單、操作方便,是一種正壓井的射孔作業。射孔時不具備短時控制高壓油氣的防噴能力,只適用於一般井液壓力與產層壓力相近的油井。在防噴工作中要注意以下幾個問題:

1,合理地選擇壓井液

根據產層壓力數據,合理選擇壓井液,使井液壓力大於產層壓力(正壓),同時又要保證壓井液不對產層孔道周圍形成二次污染。具體有以下2點要求:一是控制壓井液化學與機械雜質成分,保證在射後壓井液進入射孔孔道時不造成堵塞;二是合理確定壓井液密度,使其既能保證射後壓住產層,又不將產層壓殛,二者必須兼顧,做到既控制井噴叉保護油層產能。

2,強化井口防噴措施

根據產層壓力,相應選好井口防噴裝置。施工前,詳細檢查各部位性能是否可靠,還必須進行井口裝置試壓,保證其無泄漏。如在射開油層後發生井噴也能及時關井控制住井噴。

(二)過油管受壓射孔井的防噴

過油管負壓射孔是指在射孔時保持壓井液柱形成的壓力小於產層壓力,當射開油氣層後,如果負壓差控制得當,油氣能較快地從射孔孔道流向井筒內。該射孔工藝有誘噴作用。在油氣流向井筒內時可將射孔彈的殘留碎屑及其它他雜質從油管帶出井筒,清洗了油流通道,消除了射後對產層的污染,是普遍採用的射孔新工藝。

過油管負壓射孔是負壓射孔中的一種施工方法。其施工工藝流程是:射孔前井內泥漿以清水或泡沫液替代並進行掏空,使井筒內壓力與產層壓力形成合理的負壓差,然後將油管下入井內距離產屢上部50m處(預置套管短節位置),同時地面安裝採油樹與井幾密封防噴裝置。井口還需接一根通向放噴池的硬管線。管線口要固定牢固。射孔施工時,作業隊配備一部與防噴裝置連接的注脂泵車。當電纜接上儀器下連過油管射孔槍(槍身內裝好須射層厚的射孔彈)通過油管下入套管內目的層,引爆射孔後,在負壓差的作用下。高壓油氣流通過射孔孔道流向井筒內,井口采池樹上安裝的油、套壓力表可以顯示井內壓力情況。此時可根據壓力情況通過注脂泵車打壓注入密封脂,以使井口密封防噴裝置的密封壓力與井內壓力達到平衡狀態。由於以上施工是在密封情況下進行的,因此可以在井噴時提出電纜、儀器和射孔槍。

過油管負壓射孔的地面全套防噴控制系統包括:井口防噴密封裝置、油脂打壓泵裝置、放噴管線。

1井口防噴密封裝置。

由控制頭、防噴管、井口採油樹3部分自上而下連接組成。

(1)控制頭。電纜從其上部控制頭橡皮盤根通過,其下部接防噴管、採油樹。當射孔後井內壓力有升高顯示時,油脂泵車通過注脂管線向控制頭內流管短節與電纜的間隙加壓密封,以確保井液不噴出地面。一般國產控制頭耐壓指標為35 MPa。

(2)防噴管。上都與控制頭連接,下部連接井口採油樹a其作用是射孔後射孔槍身和下井儀器起出井口後進入防噴管內:井口才能關閉以保障工作正常進行。防噴管的長度根據射孔槍身和下井儀器的長度確定,其耐壓指標為35 MPa。

(3)井口採油樹。上部接防噴管、下部與井口四通相連。它直接控制井口油管、套管的各種閘門,並裝有油、套壓力表。採油樹的耐壓應與防噴管、控制頭的耐壓指標相匹配。

2油脂打壓泵裝置

由注脂泵車、手壓泵、高壓管線3部分組成。

(1)注脂乘車。車內設有儲脂罐、空壓機、高壓泵、操作控制裝置及連接各部的管線。當空壓機工作後,帶壓氣體進入控制台,經調壓後再進入高壓油泵,高壓油泵通過注脂管線對控制頭進行打壓注脂。一般油脂泵車的工作壓力為35 MPa。

(2)手壓泵。為手動操作的小型液壓油泵。當井液發生噴濺時,可用手壓泵通過管線對控制頭打壓進行控制。另外在井口起吊槍身、儀器時。也可用它對控制頭加壓將電纜抱死,以便進行射孔槍的換接工作,手壓泵的工作壓力為O.15 MPa。

(3)高壓管線。系指控制頭與l注脂泵連接的膠質管線和控制頭上的泄流管線。高壓管線的耐壓性能應與相連接的各部分壓力匹配。

3,放噴管線

是與井口採油樹套管閘門相連接的一條硬管線,用來放噴調壓。

(三)油管輸送負壓射孔井的防噴

油管輸送負壓射孔是最遺幾年發展完善的一種射孔新工藝,其工作過程是:在套管井內呈負壓的狀態下,油管柱與射孔槍連接並下到應射孔層位,其深度由放射性測井曲線及磁定位曲線確定。井口裝有採油樹及油、套壓力表。當油管輸送的射孔槍到達目的層位後,打開井口採油樹閘門向油管柱內投棒。撞擊槍身頭部的起爆器起爆射孔(或在油管、套管問的環室內加壓引爆輪身頭部的壓力起爆器引爆射孔)。該工藝與其他射孔工藝相比,甩掉了電纜,比較徹底地解決了高壓油氣層射孔的井噴問題;與過油管負壓射孔比較t其施工工藝可靠,是解決射孔防噴的理想工藝,現已在我國各油田推廣應用。缺點是射孔後彈渣及槍身留在井中。-,

該工藝在施工中,產層與井液的負壓差的合理選擇是防噴工作的關鍵。選擇壓差時,要考慮到防噴施工的安全性和可靠性,還要防止產層受到損害。所以要求設計施工人員掌握齊全準確的各項資料,科學合理地選擇負壓差值。

二、壓裂酸化作業安全技術

(一)施工設計的安全要求

1,壓裂施工井場布置原則、

(1)井場道路及電力線路的要求。壓裂酸化施工井場,要根據施工規模統一規劃。施工車輛停放位置距井口要保持一定距離,最少不要小於ldm。施工區內應填平夯實,保持一定坡度,不存積水。不窩車輛。規劃時應考慮到在施工過程中拉運支撐劑(或拉運液體)的車輛能順利出入。進出井場道路的轉彎處,應根據施工車輛的轉彎半徑適當加寬路面,做到不打倒車,進出方便。所有施工車輛和液罐的擺放位置應遠離已架高的各種電力線路,更不要擺在其線路下面。橫穿道路的電線要在過車前檢查,高度不夠者應提前加高。

(2)液罐、施工車輛、放噴管線和排污池的規塒布局。為了施工安全,所有液罐、施工車輛應擺在井口的上風方向。與施工無直接關係的車輛(如交通車、餐車、救護車等)應停放在井場以外的安全處。排污池應設在井口的下風方向20 m以外。放噴管線用硬管線,並分段固定牢固,兩固定點之間距離不能大於10m。出口端不能接90彎頭。

(3)氣井施工過程中對放噴流程的安裝布局要求。為了在壓裂酸化前後對氣井進行試氣而在井場安裝臨時測氣流程時,應結合施工l進行統一布局。全部流程應避開車輛通過區和壓裂設備擺放區。放磺管線和井口出氣流程管線應分開。需進哪條管線應可隨意用閘門控制。天然氣出口點火位置應處於距井口100m以外的下風方向。

2,井口裝置的安全要求

(1)井口裝置的選擇與試壓。井口裝置應根據壓裂酸化設計的最高施工壓力來確定,也就是說所選井口裝置的公稱壓力必須大於或等於施工設計的最高壓力。井口裝置在安裝前必須整體試壓,合格後才能上井。屬油井的按水密封試壓標準試壓,屬氣井者按氣密封試壓標準試壓。

(2)套管短節的檢驗與安裝0壓襲井所角套管短節的材質與覯范應與井內所連接套管相符,凡退火部分應切除不用,以保證套管短節的強度。,所車新扣應光潔無毛刺,經試壓合格(試壓標準為原廠家試壓壓力值的80%,,在井口用手上緊,應餘3—3.5扣(指8扣/英寸的套管),余扣過多或過少都不舍格,不能使用。上緊前塗絲扣油,用鏈鉗上緊後應無餘扣。

套管短節如漏失。應卸掉更換,不要焊死,因為焊後焊縫兩側的管壁被退火,強度被降低。

(3)井口裝置的安裝。套管短節、底法蘭、套管四通應分段安裝,以保護套管絲扣和保證上扣質量。套管四通以上部分的安裝可根據施工要求而定。

井口裝置的鋼圈由低碳鋼材料製成,較軟,應防止碰壞。注意檢查鋼圈和鋼圈槽,應無損傷、無鏽蝕、無泥土,擦洗乾淨。上緊法蘭盤螺栓時應對角上緊,將法蘭緊平。安裝完後用鋼絲繩將井口裝置四角平衡崩緊。

3,油基壓裂液施工的安全要求

油基壓裂液罐應擺放在距井口較遠(最好50 m以外)的地勢低洼處j罐與混砂車應保持5 cm以上的距離,中間應設高度不低於0.5 m的防護堤,將罐區與設備區隔開。最好用帶有呼吸器的密封液罐。不要在高溫天氣(尤其是30℃以上天氣)施工。進井場車輛排氣管要裝阻火器,防止火花排出。

4,壓裂酸化施工區內的安全要求。

現場應禁絕明火。施工,開始各崗位人員應嚴守崗位,注意力集中,高壓區內人員全部撤離。非施工人員應遠離施工現場。大型施工應划出警戒區,派專人負責警戒。在警戒區內禁止閑人停留或穿越。

5,確定施工壓力時應注意的問題

在有關的各種手冊中所列出的套管(或油管)各項強度值,是指在單一應力作用下的最小破壞強度。但在井內的套管(或油管)在施工中是受多種應力綜合作用的,所以其單項實際強度低於表列數值,這一點要特別注意。

(二)施工設備的安全保障

1,高壓管匯系統的定期監測

高壓管匯系統在壓裂酸化中是直接承壓、受腐蝕的部位,也是最容易出問題的部位,應當引起足夠重視。在新投用前就應逐根逐件探傷、測壁厚,將測得結果作為基礎資料存檔。自投用之日起,應當每年定期探傷、測壁厚1次。如發現異常應增加探傷、測壁厚次數。在探傷中如發現有裂紋管件,該管件應立即報廢。同期投用的成套管匯,如發現其中20%以上管件有裂紋者,建議全套管彙報廢。

在測壁厚中,如發現管件壁厚變薄,應按最薄處核算管匯內抗壓強度。現場施工最高壓力應低於核算後的管匯抗壓強度。如滿足不了現場施工要求,應換掉抗壓強度不夠的管件。

2,壓裂泵液力端(泵頭)的檢查與監測,,

合理使用、精心維護泵頭,是延長泵頭使用壽命、防止泵頭突發事故的重要措施。

每次施工完後應認真清洗泵頭內腔,以防止酸、鹼、鹽的腐蝕造成應力集中點,使泵頭過早損壞。裝有緩衝器的泵頭。應每月校對一次緩衝器壓力,低於額定壓力者應及時充氣,如漏氣要及時修理。緩衝器是防止高壓系統產生水擊的主要手段,應當引起足夠重視。另外在換凡爾時要認真觀察泵頭腔內有無裂紋,、如發現裂紋應立即更換新的泵頭。

有些泵頭上裝有放空閘門,在泵運轉時戚承壓時不要打開此閘門放空,以防止發生事故。

3,施工壓力顯示系統的校對與檢查

隨著壓裂酸化設備自動化程度的提高,顯示施工壓力的部位也在增多,如儀錶車自動記錄壓力、數字顯示壓力、各壓裂車泵壓表指示壓力等。如各部位壓力顯示不同,施工時就無所適從。所以整個壓力顯示系統應當每季度標定一次,與標準壓力的誤差應小於土2%。,

4,超壓保護裝置的檢查與部件更換

安裝超壓保護裝置的目的主要是為了防止泵壓過高,超過承壓系統的額定壓力,引起機械和人身事故。所以不論原車組配備何種型式的超壓保護裝置,都必須使用。而且要定期檢查,使其性能可靠。

5,緊急熄火裝置的保養與檢查

安裝緊急熄火裝置的主要目的是在特殊情況下,採用正常方法熄火停機無效時,用機械的辦法將發動機進氣管關死。強制發動機熄火。關閉進氣管的動作是通過在進氣管中裝一可控制的活門來實現的。控制活門動作的方法有:

(1)直接手動控制

(2)通過連桿機構。連接到便於操作部位,手動控制;

(3)電磁閥控制;

(4)連桿機構和電磁l閥配套控制。

這種裝置要經常檢查維修,電路部分要保持完好、正常;電磁閥要能正常動作;連桿機構要清理窪油,防止銹死;操作手柄要能拉到規定位置。建議每半年試用一次,使之經常處於完好狀態。這種裝置是在緊急情況下使用的,非繁急情況不要使用。一旦使用緊急熄火裝置將發動機熄火後,注意要將熄滅活門恢復到原來位置,以便下次啟動發動機。

6,對酸化施工設備的配套要求

酸化用的酸液屬於強酸類型液體,稍有漏失就直接威脅人身安全、造成環境污染。所以總的要求虛當是人雨見酸、酸不見天、密閉施工。

推薦按下述要求配套:所用酸液在酸站配好,用酸罐車拉至現場。施工前高低壓管匯用無酸液體試壓。注酸完後用無酸液體清洗高低壓管匯,此清洗液應作為替置液注入井內。

7,其他安全配套要求

在壓裂(酸化)地面管茫中,對應的每台泵車,混砂車、酸泵車的每條進出口管線都應配有單向閥,以備施工申發生問題時便於處理。

8施工時消防設備的配備,

(1)常規施工按正常規定配備消防設施,並保證性能可靠;

(2)大型施工、高產油氣井和在施工中認為應重點防護的井,除常規消防設施外,應加配消防車,至少應有2台在現場值班。


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