防止煤矿瓦斯爆炸的方法及实现该方法的装置

摘要

一种防止煤矿瓦斯爆炸的方法及实现该方法的装置，利用瓦斯气在空气中受有浮力，无通风时很快升到巷道顶部，并沿顶部向外流动，从而在2/3巷道高度下不能形成瓦斯-空气可爆混气，有火源也不会爆炸的“优异特性”。为此，除在工作面(6)附近设置监测报警甲烷浓度和断电甲烷浓度的第一传感器(1)外，还设置了监测送风断/通临界甲烷浓度的第二传感器(2)，甲烷浓度≥3.2％停止送风，甲烷浓度＜3.2％重新通风；设置了监测撤离甲烷浓度的第三传感器(3)，甲烷浓度≥50％，发出工人撤离信号，自动控制器(4)根据各传感器信号完成控制，撤离通知器(5)发出撤离通知。实现了瓦斯涌出初期停止送风，巷道2/3高度下有火花也不能爆炸；特大瓦斯突出时，工人及时撤离并安全升井。

权利要求

1.一种防止煤矿瓦斯爆炸的方法，该方法包括

①在工作面附近设置瓦斯监测区，当瓦斯监测区测得的甲烷浓度达到与《煤矿安全规程》规定相配的报警甲烷浓度，进行报警；

②当瓦斯监测区的甲烷浓度达到与《煤矿安全规程》规定相配的断电甲烷浓度，对流程内全部非本质安全型电气设备进行断电；

其特征在于：

③当该瓦斯监测区的甲烷浓度高于或等于所选定的送风通/断临界甲烷浓度时，则停止送风，当甲烷浓度又降低到低于所选定的送风通/断临界甲烷浓度时，则重新送风，其中送风通/断临界甲烷浓度根据矿井为高、低瓦斯矿井性质在4.6％-2.6％之间选择；

④当瓦斯监测区的甲烷浓度高于撤离甲烷浓度时，发出通知人员撤离的信号，该撤离甲烷浓度根据矿井为高、低瓦斯矿井性质在65％-40％之间选择；

⑤当瓦斯监测区的甲烷浓度又重新降低到低于与《煤矿安全规程》规定相配的报警甲烷浓度，则解除报警，并对流程内全部非本质安全型电气设备进行复电。

2.按照权利要求1所述的防止煤矿瓦斯爆炸的方法，其特征在于：所述瓦斯监测区设置在工作面附近且高度为巷道高度的0.7-0.8倍之间的区域内。

3.按照权利要求1所述的防止煤矿瓦斯爆炸的方法，其特征在于：所述瓦斯监测区设置在距工作面＜5m、距侧面≥0.25m处、高度为巷道高度的0.7-0.8倍之间的区域内。

4.按照权利要求1至3中任一项所述的防止煤矿瓦斯爆炸的方法，其特征在于：所述送风通/断临界甲烷浓度为3.2％。

5.按照权利要求4所述的防止煤矿瓦斯爆炸的方法，其特征在于：所述撤离甲烷浓度为50％。

6.按照权利要求1至3中任一项所述的防止煤矿瓦斯爆炸的方法，其特征在于：所述撤离甲烷浓度为50％。

7.一种实现权利要求1所述防止煤矿瓦斯爆炸方法的装置，该装置包括

-设置在工作面附近、监测甲烷浓度的第一传感器(1)，在甲烷浓度达到与《煤矿安全规程》规定相配的报警甲烷浓度时发出报警信号；在甲烷浓度达到与《煤矿安全规程》规定相配的断电甲烷浓度时发出对流程内全部非本质安全型电气设备执行断电的断电信号；在其发出报警信号且随后发出断电信号后，其所测得的甲烷浓度又低于与《煤矿安全规程》规定相配的报警甲烷浓度时发出复电信号；

-设置于主巷道内的自动控制器(4)，该自动控制器(4)根据来自该第一传感器(1)的断电信号完成对流程内全部非本质安全型电气设备执行断电，根据来自该第一传感器(1)的复电信号对流程内全部非本质安全型电气设备恢复供电并解除报警；

其特征在于：该装置还包括

-设置在工作面附近、监测甲烷浓度的第二传感器(2)，该第二传感器(2)测得的甲烷浓度高于或等于所选定的送风通/断临界甲烷浓度时，则发出停止送风信号，此后所测得的甲烷浓度又降低到低于所选定的送风通/断临界甲烷浓度时，则再发出重新送风信号，其中送风通/断临界甲烷浓度根据矿井为高、低瓦斯矿井性质在4.6％-2.6％之间选择；

-设置在工作面附近、监测甲烷浓度的第三传感器(3)，该第三传感器(3)测得的甲烷浓度高于所选定的撤离甲烷浓度时，发出撤离信号，该撤离甲烷浓度根据矿井为高、低瓦斯矿井性质在65％-40％之间选择；

-自动控制器(4)还根据来自该第二传感器(2)的停止送风信号、重新送风信号控制送风设备停止送风或重新送风。

8.按照权利要求7所述的实现防止煤矿瓦斯爆炸方法的装置，其特征在于：第一传感器(1)发出的报警信号和第三传感器(3)发出的撤离信号是直接通过报警器和撤离通知器(5)进行报警或发出撤离通知，或者通过设置在主巷道内的自动控制器(4)再控制报警器和撤离通知器(5)进行报警或发出撤离通知。

9.按照权利要求7或8所述的实现防止煤矿瓦斯爆炸方法的装置，其特征在于：将所述第二传感器(2)和第三传感器(3)组成一个复合传感器。

10.按照权利要求7或8所述的实现防止煤矿瓦斯爆炸方法的装置，其特征在于：将所述第二传感器(2)和第三传感器(3)与第一传感器(1)一起组合成一个复合传感器。

11.按照权利要求7或8所述的实现防止煤矿瓦斯爆炸方法的装置，其特征在于：所述第一传感器(1)、第二传感器(2)和第三传感器(3)设置在工作面附近且高度为巷道高度的

0.7-0.8倍之间的区域内。

12.按照权利要求7或8所述的实现防止煤矿瓦斯爆炸方法的装置，其特征在于：所述第一传感器(1)、第二传感器(2)和第三传感器(3)设置在距工作面＜5m、距侧面≥0.25m处、高度为巷道高度的0.7-0.8倍之间的区域内。

13.按照权利要求8所述的实现防止煤矿瓦斯爆炸方法的装置，其特征在于：所述撤离通知器(5)设置在距工作面至少25m、距巷道底面0.3-0.5m处。

说明书

防止煤矿瓦斯爆炸的方法及实现该方法的装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种防止煤矿瓦斯爆炸的方法，在工作面附近设置瓦斯监测区，当瓦斯监测区测得的甲烷浓度达到与《煤矿安全规程》规定相配的报警甲烷浓度，进行报警，当
瓦斯监测区的甲烷浓度达到与《煤矿安全规程》规定相配的断电甲烷浓度，对流程内全部非
本质安全型电气设备进行断电。

[0002] 本发明还涉及一种实现防止煤矿瓦斯爆炸方法的装置，其包括设置于工作面附近瓦斯监测区内、用于监测报警甲烷浓度和断电甲烷浓度的第一传感器以及设置于主巷道
内、根据来自第一传感器断电信号对流程内全部非本质安全型电气设备执行断电的自动控
制器。

背景技术

[0003] 目前煤矿按照《煤矿安全规程》(国家安全生产监督管理局 国家煤矿安全监察局)规定用风筒向掘进工作面送风，稀释、排除掘进过程中涌出或突出的瓦斯气，由设置
于采煤工作面和掘进工作面的甲烷传感器在甲烷浓度≥1.0％时报警，≥1.5％时断电，
＜1.0％时复电来保证安全生产。每年发生的爆炸事故表明这些措施是不够安全的。

[0004] 本发明专利申请人在“煤矿巷道瓦斯爆炸的产生模式”(科学研究月刊，2006，9：64-66)一文中指出，瓦斯突出时喷出的瓦斯气与风筒送风形成很长的瓦斯-空气混气段，
其中包含有可爆混气段。按照《煤矿安全规程》规定的复电条件复电时，可爆混气段可能仍
在巷道内，有火源就会产生爆炸。据此提出确认混气段流出巷道后再复电的防止瓦斯爆炸
的方法，有关这一方法在本发明专利申请人的发明专利申请(公开号为CN1648414)中作了
更具体的说明。这种方法的缺点是仍然生成了很长的瓦斯-空气可爆混气段，人在巷道中
活动产生静电火花，撞击火花，或由于判断可爆混气段流出巷道的装置因故障出现误判而
过早复电，均可能产生爆炸。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种更安全地防止煤矿瓦斯爆炸的方 法。

[0006] 本发明要解决的另一个技术问题是提供一种实现上述更安全地防止煤矿瓦斯爆炸方法的装置。

[0007] 为解决上述更安全地防止煤矿瓦斯爆炸这一技术问题，本发明中防止煤矿瓦斯爆炸的方法包括：

[0008] ①在工作面附近设置瓦斯监测区，当瓦斯监测区测得的甲烷浓度达到与《煤矿安全规程》规定相配的报警甲烷浓度，进行报警；

[0009] ②当瓦斯监测区的甲烷浓度达到与《煤矿安全规程》规定相配的断电甲烷浓度，对流程内全部非本质安全型电气设备进行断电；

[0010] ③当该瓦斯监测区的甲烷浓度高于或等于所选定的送风通/断临界甲烷浓度时，则停止送风，当甲烷浓度又降低到低于所选定的送风通/断临界甲烷浓度时，则重新送风，
其中送风通/断临界甲烷浓度根据矿井为高、低瓦斯矿井性质在4.6％-2.6％之间选择；

[0011] ④当瓦斯监测区的甲烷浓度高于撤离甲烷浓度时，发出通知人员撤离的信号，该撤离甲烷浓度根据矿井为高、低瓦斯矿井性质在65％-40％之间选择；

[0012] ⑤当瓦斯监测区的甲烷浓度又重新降低到低于与《煤矿安全规程》规定相配的报警甲烷浓度，则解除报警，并对流程内全部非本质安全型电气设备进行复电。

[0013] 由于瓦斯气相对于空气的比重为0.6，因此当测得甲烷浓度高于或等于所选定的送风通/断临界甲烷浓度时，停止送风，一旦送风停止，工作面的工人立即退到距工作面较
远处(如25m外)的准备撤离位置；此时涌出或突出的瓦斯气在浮力作用下，很快上升到巷
道顶部沿顶部向其它顶部区流动，并快速流出巷道，从而在巷道高度2/3以下区域不会生
成瓦斯-空气可爆混气段，考虑到煤矿巷道中的点火源都位于巷道高度2/3以下区域，因此
即使在这一区域出现点火源也就不会引发爆炸；此后，若工作面瓦斯涌出逐渐减少甚至不
再涌出，则上升到顶部的瓦斯气在自然通风的作用下会排送到巷道外，瓦斯监测区的甲烷
浓度就会逐渐降低，当甲烷浓度低于送风/通断临界甲烷浓度时重新送风，由于送风甲烷
浓度会迅速下降，当甲烷浓度又低于报警甲烷浓度，进行复电并解除报警，则工人又可回到
工作面继续进行开采；相反，如果工作面发生瓦斯突出，当瓦斯监测区的甲烷浓度高于撤离
3
甲烷浓度时，大约突出的瓦斯气总量≥100m，对工作面附近的人员有窒息危险，万一发生
爆炸对整个矿井人员会产生窒息死亡，所以发出通知人员撤离信号，退到准备撤离位置的
工人弯腰向外撤离。由此可知采用此方法后，可以更安全地防止煤矿瓦斯爆炸而造成人员
伤亡。

[0014] 作为本发明防止煤矿瓦斯爆炸的方法的一种改进是将瓦斯监测区设置在工作面附近且高度为巷道高度的0.7-0.8倍之间的区域内；尤其是设置在距工作面＜5m、距侧面
≥0.25m处、高度为巷道高度的0.7-0.8倍之间的区域内。这样设置瓦斯监测区在停止送风
后，监测到的甲烷浓度与设定的送风通/断临界甲烷浓度及撤离甲烷浓度匹配，能更快速、
正确地控制送风的通/断与撤离。

[0015] 作为本发明防止煤矿瓦斯爆炸的方法的另一种改进是将送风通/断临界甲烷浓度选定为3.2％，和/或将撤离甲烷浓度选定为50％，这是安全与经济折中的优选值。

[0016] 为解决上述更安全地防止煤矿瓦斯爆炸这一技术问题，本发明中实现防止煤矿瓦斯爆炸方法的装置包括：

[0017] -设置在工作面附近、监测甲烷浓度的第一传感器，在甲烷浓度达到与《煤矿安全规程》规定相配的报警甲烷浓度时发出报警信号；在甲烷浓度达到与《煤矿安全规程》规定
相配的断电甲烷浓度时发出对流程内全部非本质安全型电气设备执行断电的断电信号；在
其发出报警信号且随后发出断电信号后，其所测得的甲烷浓度又低于与《煤矿安全规程》规
定相配的报警甲烷浓度时发出复电信号；

[0018] -设置于主巷道内的自动控制器，该自动控制器根据来自该第一传感器的断电信号完成对流程内全部非本质安全型电气设备执行断电，根据来自该第一传感器的复电信号
对流程内全部非本质安全型电气设备恢复供电并解除报警；

[0019] -设置在工作面附近、监测甲烷浓度的第二传感器，该第二传感器测得的甲烷浓度高于或等于所选定的送风通/断临界甲烷浓度时，则发出停止送风信号，此后所测得的甲
烷浓度又降低到低于所选定的送风通/断临界甲烷浓度时，则再发出重新送风信号，其中
送风通/断临界甲烷浓度根据矿井为高、低瓦斯矿井性质在4.6％-2.6％之间选择；

[0020] -设置在工作面附近、监测甲烷浓度的第三传感器，该第三传感器测得的甲烷浓度高于所选定的撤离甲烷浓度时，发出撤离信号，该撤离甲烷浓度根据矿井为高、低瓦斯矿井
性质在65％-40％之间选择；

[0021] -自动控制器还根据来自该第二传感器的停止送风信号、重新送风信号控制送风设备停止送风或重新送风。

[0022] 正如前面对防止煤矿瓦斯爆炸的方法所分析的那样，由于在实现防止煤矿瓦斯爆炸的方法的装置中还在工作面附近设置了监测甲烷浓度的第二传感器和第三传感器，并在
甲烷浓度分别达到送风通/断临界甲烷浓度和撤离甲烷浓度时，分别发出停止送风信号和
重新送风信号或者撤离信号，从而保证在瓦斯涌出或突出的早期，停止送风，瓦斯气在浮力
作用下，上升到巷道顶部，防止了送风与瓦斯气形成可爆混气，达到了有火源也不爆炸的效
果。当发生重大瓦斯突出时，工人撤离矿井，保证了工人安全。由此可知，这种装置可以更
安全地防止煤矿瓦斯爆炸。

[0023] 作为本发明实现防止煤矿瓦斯爆炸方法的装置的一种改进，让第一传感器发出的报警信号和第三传感器发出的撤离信号直接通过报警器和撤离通知器进行报警或发出撤
离通知，这样就可直接发出报警信号或撤离信号；当然也可以通过设置在主巷道内的自动
控制器再控制报警器和撤离通知器进行报警或发出撤离通知。

[0024] 作为本发明实现防止煤矿瓦斯爆炸方法的装置的另一种改进，可以将第二传感器和第三传感器组成一个复合传感器，甚至可以将第二传感器和第三传感器与第一传感器一
起组合成一个复合传感器。采取这种改进结构便于传感器安装与维修。

[0025] 作为本发明实现防止煤矿瓦斯爆炸方法的装置的再一种改进，将第一传感器、第二传感器和第三传感器设置在工作面附近且高度为巷道高度的0.7-0.8倍之间的区域内，
尤其是设置在距工作面＜5m、距侧面≥0.25m处、高度为巷道高度的0.7-0.8倍之间的区域
内。这样设置第一传感器、第二传感器和第三传感器，就能够快速、正确地断电、停止送风与发出撤离指示。

[0026] 作为本发明实现防止煤矿瓦斯爆炸方法的装置的又一种改进，将撤离通知器设置在距工作面至少25m、距巷道底面0.3-0.5m处，即将撤离通知器设置在工人听到送风停止
后所停留的准备撤离区，从而使这些工人能直接清楚地听到或看到撤离通知，尽早从煤矿
巷道撤离。

附图说明

[0027] 下面在本专利申请人所作大量试验的基础上结合附图及所示实施方式对本发明作进一步详细说明。

[0028] 图1示出了本发明对于煤矿掘进工作面发生瓦斯涌出或突出时防止瓦斯爆炸方法的装置的实施方式示意图。

[0029] 图2示出了本发明对于煤矿回采工作面发生瓦斯涌出或突出时防止瓦斯爆炸方法的装置的实施方式示意图。

具体实施方式

[0030] 本发明的专利申请人近几年来以天然气(其成分和性质与瓦斯气十分相近)作为试验气体做了大量的爆炸试验，总结出了天然气具有一种对防止煤矿瓦斯爆炸来说十分
“优异的特性”，即由于其比空气轻得多，因而在浮力作用下上升到试验装置的顶部，且沿着试验空间的顶部流动，从而在该试验空间的2/3高度之下的空间不会形成天然气-空气可
爆混气。在此基础上，形成了本发明的核心构思，在瓦斯涌出或突出的早期停止送风，让涌
出的或突出的瓦斯气于无通风工况下，沿煤矿巷道顶部流动，使巷道2/3高度下不会形成
瓦斯-空气可爆(瓦斯浓度处于爆炸上、下限之间)混气段，有火源不会爆炸。

[0031] 下面对为形成本发明核心构思所进行的爆炸试验的试验条件和试验结果作简要说明。

[0032] 第一类试验：

[0033] 无通风情况下，天然气(瓦斯气)在试验装置顶部流动，2/3高度下的空间不能形成可爆混气，有火源也不会爆炸。

[0034] 1-A.20次没爆炸的7m3爆炸装置的爆炸试验

[0035] 7m3爆炸装置是截面1×1m长7m，一端封闭一端开口，能以不同斜率置放的钢板结构试验装置。因天然气的主要成分和瓦斯气相同，主要是甲烷气，相对空气的比重为0.6，容
3
易得到，故用天然气代替瓦斯气进行爆炸试验。将天然气通过管路向7m 爆炸装置输入不同
3
的气量，各次试验输气总量与容器容积(7m)之比在3％～40％范围变化。没有通风。点火
源为电火花，点火源位置：距底部0.5m，0.7m；距封闭端面1m，2m，3m，5m。点火程序：停止进气后，响三次铃，接通点火电源，产生火花。20次试验全部没炸。这20次没爆炸的“爆炸试
验”是有了天然气气源最初想寻找爆炸规律希望爆炸的试验。以前用液化石油气在这个装
置内做过上百次爆炸试验，均顺利爆炸。这次无论怎样变换天然气浓度，点火位置，都不能
3
用电火花引爆。这和1998年在25m 单砖建筑物内注入平均浓度10％的甲烷气，用10千焦
耳的强焰火点火器点火而不能爆炸的情况相同(该建筑物随后4次分别充4％～4.8％液
化石油气均发生爆炸)。这些试验揭示了瓦斯气与天然气的一个“优异特性”，即比空气轻，相对空气比重为0.6，逸出后，在浮力作用下，很快上升到顶部。上述这些试验，充完甲烷气或天然气后，点火前响三次铃，从充完气到点火相隔≥2min。输入的天然气已达到顶部并
沿顶点向其它顶部快速流动，在≤2/3高度下的空间不能形成可爆(浓度在爆炸上、下限之
间)混气，所以不 能用火花引爆。

[0036] 1-B.点火开始时间≥2s的试验全部未爆炸

[0037] 点火开始时间指关闭天然气输气阀门到接通点火源的时间。天然气上升到装置顶部与试验装置的倾斜状态(相当煤矿的巷道走向)有关，故用向下倾斜，向上倾斜与水平放
3
置的7m 试验装置进行爆炸试验。试验结果列于表1、表2、表3。这些试验结果表明无通风
情况下，点火时间≥2s，都没有爆炸，也即停止输入天然气≥2s后，2/3高度下的空间已没
有形成可爆混气。

[0038] 表1.顶部向下倾斜的7m3试验装置爆炸试验数据

[0039]序 点火源 距底部 点火源 距封闭 端 下倾斜角 天然气 输入量 通气时 点火开 始时间 爆炸情 号 距离/m 距离 /m 度/(°) m3 间/s /s 况
1 0.5 2 3.93 1.1 238 240 未爆炸
2 0.5 2 3.93 1.2 264 90 未爆炸
3 0.5 2 3.93 1.1 150 60 未爆炸
4 0.5 2 3.93 1.5 139 30 未爆炸
5 0.5 2 3.93 1.3 140 15 未爆炸
6 0.5 2 3.93 1.5 85 5 未爆炸
7 0.5 2 3.93 1.5 85 2 未爆炸
8 0.5 2 2.7 1.3 145 120 未爆炸
9 0.5 2 2.7 1.5 65 50 未爆炸
10 0.5 2 2.7 1.3 62 15 未爆炸
11 0.5 2 2.7 1.5 62 5 未爆炸
12 0.5 2 2.7 2.8 141 20 未爆炸
13 0.5 2 2.7 2.8 155 10 未爆炸
14 0.5 2 1.9 1.2 71 20 未爆炸
15 0.5 2 1.9 1.2 120 5 未爆炸
16 0.5 2 1.9 2.2 150 8 未爆炸
17 0.5 2 1.9 2.2 150 2 未爆炸

[0040] 表2.顶部向上倾斜的7m3试验装置爆炸试验数据

[0041]

[0042] 表3.水平放置的7m3试验装置爆炸试验数据

[0043]序 点火源距底 点火源距 封闭端面 天然气 输入量 通气 时间 点火 开始 时 通 引爆结号 部的距离/m 的距离/m /m3 /s 间 /s 风 果
1 0.5 0.5 1.2 70 10 无 未爆炸，
无火焰
2 0.5 0.5 1.1 65 9 无 未爆炸，
无火焰
3 0.5 0.5 1.3 75 9 无 未爆炸，
无火焰
4 0.5 0.5 1.4 80 8 无 未爆炸，
无火焰
5 0.5 1.0 1.4 82 5 无 未爆炸，
无火焰
6 0.5 1.0 1.5 85 5 无 未爆炸，
无火焰
7 0.5 1.0 1.6 80 5 无 未爆炸，
无火焰
8 0.4/0.6 1.0 1.0 70 3 无 未爆炸，
无火焰
9 0.4/0.6 1.5 1.2 65 3 无 未爆炸，
无火焰
10 0.4/0.6 1.5 1.1 65 3 无 未爆炸，
无火焰
11 0.4/0.6 1.5 1.3 70 2 无 未爆炸，
无火焰
12 0.4/0.6 2.0 1.0 60 2 无 未爆炸，
无火焰
13 0.4/0.6 2.0 1.1 65 2 无 未爆炸，
无火焰
14 0.4/0.6 3.0 1.2 65 2 无 未爆炸，
无火焰
15 0.4/0.6 3.5 1.5 80 2 无 未爆炸，
无火焰
16 0.4/0.6 3.5 1.6 83 2 无 未爆炸，
无火焰

[0044] 在做这些试验时，因天然气是从20MPa气瓶中经两个阀门减压流出，减压过程温度降低，故从7m3试验装置的开口端流出时，可以目视观察到它的流动气流。观察发现，充
天然气开始，依充气速度不同，大约在7～13s可以看到从开口端顶部区向大气流出的天然
气流。这说明在无通风情况下，天然气是沿顶部向外流出。在2/3高度下的空间用火花不
能引爆，说明2/3高度下的区域没有形成天然气-空气可爆混气。

[0045] 1-C.20m实验巷道中的爆炸试验

[0046] 为模拟瓦斯在煤矿中的突出，在20m实验巷道中做的爆炸试验更具有说服力。20m实验巷道，长20m，宽3.1m，高2.0m，一端封闭一端开口，相当煤矿掘进巷道的前20m。在它
的封闭端面，用管路喷出天然气。天然气出口 朝向开口端，共输入25m3天然气，输入总时间为16min。送气结束25s后开始用点火器产生火花。共5个点火器，距底面1.6m，距巷道水
平封闭端面分别为3，6，9，12，15m。位于左、右侧面的中间位置，点火依次进行，每次一个点火器打火约5s，接着另一个点火器打火5s，一共持续打火花30min未炸。这次试验所以在
送气结束(相当瓦斯突出结束)后25s点火，是考虑万一爆炸，实验巷道会炸飞，无法进行
其它试验。点火时间25s不是不能爆炸的最小值，是个保险不炸的值。煤矿瓦斯突出从发
生到结束，也就几分钟，相当一个高压瓦斯气穴被挖开放气。这个爆炸试验表明没有通风，
瓦斯突出结束25s后即使在2/3巷道高度下空间有火源也不能爆炸，表示没有瓦斯-空气
可爆混气段，也是瓦斯气的一种对安全来说十分宝贵的“优异特性”。

[0047] 第二类试验：通风破坏了这个“优异特性”

[0048] 2-A.7m3爆炸装置中做了有通风与无通风的对比试验。

[0049] 表4有通风与无通风的对比爆炸试验

[0050]序 上倾角度 天然气 输气 通气 时间 点火 开始 通 试验结果
号 /(°) 量 m3 /s 时间 /s 风
1 4.1 1.4 58 5 无 未爆炸
2 4.1 1.2 58 2 无 未爆炸
3 4.1 1.5 31 2 无 未爆炸
4 4.1 1.0 49 2 无 未爆炸
5 4.1 1.4 92 3 有 爆炸。点火后约2s，火才从口 上喷出。有轻微响
声，喷出的 火炬逐渐增大，喷出约4m远。
6 4.1 1.4 151 4 有 同上，火更强一些。
7 4.1 1.4 132 4 有 同上，火焰更大一些，声音更 响一些
8 2.6 1.4 66 10 有 有明显火炬喷出，火焰比试验6 和7短、细，声音
稍小。
9 1.4 1.4 54 7 有 比试验8火炬还短一些，声音 还小一些。

[0051] 表4给出的试验结果表明通风情况下，点火开始时间10s仍可以爆炸。无通风点火开始时间2s都未炸。

[0052] 2-B.强通风产生强爆炸

[0053] 表5还给出强通风并且能产生涡流的天然气爆炸试验结果。点火开始时间13s。爆炸不仅声响，喷出的火焰黄亮，有8m之远。这证明通风，尤其是强通风，将天然气与空气
混合成混气，其中包含可爆混气，于是“优异特性”被破坏，有火源爆炸，甚至强爆炸。

[0054] 表5强通风与天然气混合产生的强爆炸

[0055]

[0056] 第三类试验：天然气输入初期有5～15s通风(空气)，仍具有“优异特性”

[0057] 3-A.7m3试验装置天然气输入初期有通风的爆炸试验

[0058] 煤矿不能不通风，做不到瓦斯涌出或突出处于无通风状态，只能做到瓦斯涌出或3
突出早期停止通风。为了模拟这种工况，在7m 爆炸装置内，输入天然气的前5s及8s用1
3
台小鼓风机及用2台小鼓风机同时通风，然后停止通风，继续输入天然气。7m 试验装置的
试验结果(表6)与无通风基本相同，点火开始时间为3s，全部不炸。

[0059] 表6.输入天然气初期有通风的爆炸试验

[0060]点火源距 底 点火 源距 封 天然 气输 天然 气输 早期 通空 通风 量 点火 开始 引爆 序面距离 /m 闭 端距 离/m 入量 /m3 入时 间/s 气时 间/s m3/min 时间 /s 结果
号
0.5/0.66 2,3 1.1 201 5 0.8 3 未爆
1 炸
0.5/0.66 2,3 1.1 203 8 0.8 3 未爆
2 炸
0.5/0.66 2,3 1.1 190 5 1.6 3 未爆
3 炸
0.5/0.66 2,3 1.1 195 8 1.6 3 未爆
4 炸
0.5/0.66 2,3 2.8 230 5 0.8 3 未爆
5 炸
0.5/0.66 2,3 2.8 231 8 0.8 3 未爆
6 炸
0.5/0.66 2,3 2.8 232 5 1.6 3 未爆
7 炸
0.5/0.66 2,3 2.8 234 8 1.6 3 未爆
8 炸

[0061] 3-B.20m实验巷道天然气输入初期有通风的爆炸试验

[0062] 为模拟煤矿在瓦斯涌出或突出的初期停止通风的状态，在20m实验巷道做了两次试验。

[0063] 第一次试验：在巷道封闭端输入12.2m3天然气，输入总时间为3min。用110m3/min的风机通过风筒送空气，风筒出口距封闭端7m。在输入天然气的前5s通风，然后关闭风机。
天然气输入阀门关闭25s后开始用点火器产生火花。共5个点火器，距底面1.6m，距巷道水
平封闭端面分别为3，6，9，12，15m。位于左、右侧面的中间位置，点火依次进行，每次一个点火器打火约5s，接着另一个点火器打火5s，一共持续打火花30min未炸。

[0064] 第二次试验：天然气输入12.6m3，输入总时间3min。风筒送风时间为前15s。其它同第一次试验。未炸。

[0065] 这两次试验停止送风时的平均天然气浓度为3.7％。实际情况是因天然气气瓶内初始压力高，最初输入天然气流量大，故停止送风时的天然气浓度要高于3.7％。这表明发
明方法中给出的送风通/断临界甲烷浓度在4.6％～2.6％之间选择是合适的。选值低安
全些，送风设备通/断频率高，经济性差。反之亦然。

[0066] 正如前面所指出的，本发明专利申请人通过上述大量爆炸试验得出了本发明的核心构思，即在瓦斯涌出或突出的早期停止送风，让涌出的或突出的瓦斯气于无通风工况下，
沿煤矿巷道顶部流动，使巷道2/3高度下不会形成瓦斯-空气可爆(瓦斯浓度处于爆炸上、
下限之间)混气段，有火源不会爆炸。

[0067] 为实现上述核心构思，本发明防止煤矿瓦斯爆炸的具体实施方法是在工作面附近设置瓦斯监测区，优选该瓦斯监测区设置在工作面附近且高度为巷道高度的0.7-0.8倍之
间的区域内，尤其是优选在距工作面＜5m、距侧面≥0.25m处、高度为巷道高度的0.7-0.8
倍之间的区域内。本方法根据该瓦斯监测区所监测到的甲烷浓度的变化情况按四种模式进
行工作。

[0068] 模式1：涌出少量瓦斯气的情况。在这种情况下，瓦斯监测区测得的最大甲烷浓度≥1％(即目前《煤矿安全规程》规定的报警甲烷浓度，此值可以根据《煤矿安全规程》规定
的变化而改变)且＜1.5％(即目前《煤矿安全规程》规定的断电甲烷浓度，此值可以根据
《煤矿安全规程》规定的变化而改变)，进行报警；此后若瓦斯涌出停止，随着通风，甲烷浓度逐渐减低，当瓦斯监测区测得的甲烷浓度降低到＜1％后停止报警。在这个期间，采煤工作
不停止。

[0069] 模式2：涌出的瓦斯量较多的情况。该模式2的初期，如同模式1的前期那样，瓦斯监测区测得的甲烷浓度≥1％且＜1.5％时进行报警，随着瓦斯量的增多，瓦斯监测点区测
得的最大甲烷浓度≥1.5％但＜3.2％(此值为综合考虑优选所选定的送风通/断临界甲
烷浓度，通常可根据矿井性质进行选择，对于高瓦斯矿井可选为4.6％，低瓦斯矿井可选为
2.6％)时，发出断电信号，对巷道内非本质安全型电气设备断电；此后，若瓦斯涌出停止，随着通风，甲烷浓 度会逐渐减低，当瓦斯监测区测得的甲烷浓度降低到＜1％后，停止报警，
恢复供电，继续采煤。

[0070] 模式3：涌出瓦斯量再增多的情况。该模式3的初期，如同模式2的前期那样，随着瓦斯监测区测得的甲烷浓度的增加，先进行报警，再发出断电信号，对巷道内非本质安全型
电气设备断电，当瓦斯监测区测得的最大甲烷浓度≥3.2％但＜50％(此为综合考虑优选
所选定的撤离甲烷浓度，通常可根据矿井性质进行选择，对于高瓦斯矿井可选为65％，低瓦
斯矿井可选为40％)，则停止送风，工作面附近人员察觉到通风停止就立即退离到距工作面
较远处(例如≥25m处)的待撤退区，蹲或坐在地面等待。此后若瓦斯涌出停止，瓦斯气上
升到巷道顶部并向外流出，甲烷浓度也随之减低，即瓦斯监测区测得的甲烷浓度逐渐降低，
当测得的甲烷浓度降低到＜3.2％，重新送风，随着送风，甲烷浓度迅速下降，当瓦斯监测区测得的甲烷浓度＜1％后，停止报警，恢复供电，继续采煤；

[0071] 模式4：发生瓦斯突出的情况。该模式4的初期，如同模式3的前期那样，随着瓦斯监测区测得的甲烷浓度的增加，先进行报警，再发出断电信号，对巷道内非本质安全型电
气设备断电，然后停止送风。此后，由于发生瓦斯突出，当瓦斯监测区测得的最大甲烷浓度
≥50％时发出撤离信号，通知井下工作人员撤离，于是井下工作人员弯腰向外撤离，待井下
工作人员全部升井后，由井上工作人员启动巷道通风装置，直到井下瓦斯监测区测得的甲
烷浓度都＜1％，工作人员下井重新采煤。

[0072] 图1、图2分别示出了反映本发明在煤矿掘进工作面6或回采工作面6’发生瓦斯涌出或突出时防止瓦斯爆炸方法的装置的实施方式示意图

[0073] 这两幅图分别示出了煤矿掘进工作面6或回采工作面6’。在该工作面6或6’的附近，优选在高度为巷道高度的0.7-0.8倍之间的区域内，尤其是优选在距工作面＜5m、距
侧面≥0.25m处、高度为巷道高度的0.7-0.8倍之间的区域内，设置了用于监测甲烷浓度的
第一传感器1、第二传感器2和第三传感器3以及设置在主巷道(其中的优选方案为如图1
和图2所示的那样设置在主巷道的进风巷)内的自动控制器4。第一传感器1可以是一个
复合传感器，当其监测到的甲烷浓度达到与《煤矿安全规程》规定的报警甲烷浓度(按照目
前的《煤矿安全规程》的规定为≥1％)时发出报警信号，该报警信号或者直接通过报警器
进行报警，或者通过设置在主巷道内的自动控制器4再控制报警器进行报警。此后，若第一
传感器1监测到的甲烷浓度又低于报警甲烷浓度，则解除报警；若第一传感器1监测到的甲
烷浓度达到与《煤矿安全规程》规定的断电甲烷浓度(按照目前的《煤矿安全规程》的规定
为≥1.5％) 时发出断电信号，该断电信号通过设置在主巷道内的自动控制器4完成对流
程内全部非本质安全型电气设备执行断电。在第一传感器1发出报警信号且随后发出断电
信号后，该第一传感器1所测得的甲烷浓度又低于《煤矿安全规程》规定的报警甲烷浓度时
发出复电信号，解除报警或通过自动控制器4解除报警，与此同时通过自动控制器4对流程
内全部非本质安全型电气设备恢复供电。在图1和图2中，该第一传感器1是一种复合传
感器，即该复合传感器同时监测报警甲烷浓度和断电甲烷浓度。当然，该第一传感器1也可
以是两个监测单一甲烷浓度的传感器，其中一个监测报警甲烷浓度，另一个监测断电甲烷
浓度。前一个测得的甲烷浓度达到报警甲烷浓度时发出报警信号。此后，若前一个测得的
甲烷浓度又低于报警甲烷浓度，则解除报警；若另一个测得的甲烷浓度达到断电甲烷浓度
时发出断电信号，随后若瓦斯停止涌出，随着甲烷浓度的降低，前一个测得的甲烷浓度又低
于报警甲烷浓度，在解除报警的同时又通过自动控制器4对流程内全部非本质安全型电气
设备恢复供电。对于第一传感器1来说，无论是采用复合传感器，还是由两个监测单一甲烷
浓度的传感器组成，都在本发明的保护范围之内。

[0074] 在图1或图2所示的防止瓦斯爆炸方法的装置的实施方式中，第二传感器2用于监测送风通/断临界甲烷浓度，此送风通/断临界甲烷浓度根据矿井为高、低瓦斯矿井性质
进行选择，对于高瓦斯矿井可选定为4.6％，低瓦斯矿井可选为2.6％，作为综合考虑的一
种优选方案，可选为3.2％。第二传感器2测得的甲烷浓度高于或等于所选定的送风通/断
临界甲烷浓度时，则发出停止送风信号，该停止送风信号通过设置在主巷道内的自动控制
器4控制送风设备停止送风，工作面附近人员察觉到通风停止就立即退离到距工作面较远
处(例如≥25m处)的待撤退区，蹲或坐在地面等待；此后，若瓦斯涌出停止，瓦斯气上升到
巷道顶部并向外流出，甲烷浓度也随之减低，第二传感器2所测得的甲烷浓度又降低到低
于所选定的送风通/断临界甲烷浓度时，则再发出重新送风信号，该重新送风信号通过设
置在主巷道内的自动控制器4控制送风设备重新送风。随着送风，甲烷浓度迅速下降，当第
一传感器1所测得的甲烷浓度又低于《煤矿安全规程》规定的报警甲烷浓度时发出复电信
号，解除报警或通过自动控制器4解除报警，与此同时通过自动控制器4对流程内全部非本
质安全型电气设备恢复供电，继续采煤。

[0075] 在图1或图2所示的防止瓦斯爆炸方法的装置的实施方式中，还在距工作面较远处，优选在在距工作面至少25m(即停止送风后工作人员所停留的待撤退区)、距巷道底面
约0.3-0.5m(相当于人坐下或蹲下时眼睛和耳朵的高度)处，设置了一个撤离通知器5。第
三传感器3用于监测撤离甲烷浓度。 撤离甲烷浓度根据矿井为高、低瓦斯矿井性质进行选
择，对于高瓦斯矿井选择65％，低瓦斯矿井选择40％，作为综合考虑的一种优选方案，可选
为50％。第三传感器3测得的甲烷浓度高于或等于所选定的撤离甲烷浓度时，发出撤离信
号，直接通过撤离通知器5发出撤离通知，或者通过自动控制器4再控制撤离通知器5发出
撤离通知，通知井下工作人员撤离，于是井下工作人员弯腰向外撤离，待井下工作人员全部
升井后，由井上工作人员启动巷道通风装置，直到井下传感器监测到的甲烷浓度都又低于
报警甲烷浓度，按照目前《煤矿安全规程》的规定都小于1％，工作人员下井重新采煤。

[0076] 对于第二传感器2和第三传感器3来说，可以将他们组成一个复合传感器，当然也可以将第二传感器2和第三传感器3与第一传感器1一起组成一个复合传感器。也就是说，
在本发明中，即使将第二传感器2和第三传感器3组合成一个复合传感器，或者将这两个传
感器2和3和第一传感器1一起组合成一个复合传感器，仍落入本发明的保护范围之内。

[0077] 以上对防止煤矿瓦斯爆炸的方法和实现该方法的装置的具体实施方式作出了具体说明，但并不局限在这些具体实施方式，凡是在瓦斯监测区不仅仅测量报警甲烷浓度、断
电甲烷浓度、复电甲烷浓度，还通过测量送风通/断临界甲烷浓度和撤离甲烷浓度来防止
巷道内引发爆炸的方法和装置都落入在本发明的保护范围之中。