瓦斯爆炸及其预防
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瓦斯爆炸及其预防
陈晓军1,侯海苗2
(1.-Z-南省煤矿安全监察局昭通监察分局,云南昭通657000;2.潞安职业技术学院,山西长治046204)摘要:瓦斯爆炸是煤矿生产中最严重的灾害之一,由于瓦斯爆炸而引起煤尘爆炸,后果更为严重,因此掌握瓦斯爆炸的原因、规律和防治措施是极为重要的。关键词:瓦斯爆炸;机理;效应;条件;措施中图分类号:TD712+.72
文献标识码:B
文章编号:1005-2798(2008)02.0053.03
瓦斯爆炸是煤矿生产中最严重的灾害之一,由于瓦斯爆炸而引起煤尘爆炸,后果更为严重。例如1942年4月26日辽宁本溪煤矿发生的瓦斯爆炸,死亡1549人,伤146人,成为世界煤矿开采史上最大的伤亡事故。20世纪60年代以来,由于大型高效通风机的研制成功,自动遥测监控装置的使用和采取了瓦斯抽放等一系列技术措施,矿井瓦斯爆炸事故已逐步减少,但是还不能完全杜绝。因此,掌握瓦斯爆炸的原因,规律和防治措施是极为重要的。
亦即爆炸对矿井造成的危害。2.1产生高温高压
瓦斯爆炸时反应速度极快,瞬间放出大量热量,使气体的温度和压力剧然升高。试验表明,空气中瓦斯浓度为9.5%时,在自由空间内爆炸后,气体温度可达1875℃;在密闭的空间可达2150~
2
650℃。爆炸压力是由于爆炸时产生的高温引起
150—2
的。根据计算,当温度为2爆炸压力为700一l力可能会更高。
000
650℃时,相应的
kPa。发生连续爆炸后的压
2.2产生冲击波和火焰锋面
1瓦斯爆炸的机理
物质从一种状态迅速变成另一种状态,并在瞬间放出大量能量的同时产生巨大声响的现象称为爆炸。瓦斯爆炸是瓦斯和氧气组成的爆炸性混合气体遇火源点燃所产生的一种复杂的激烈的氧化反应。其化学反应是:
CH4+202=C02+2H20+882.6kJ/tool
爆炸时产生的高温高压,促使爆源附近的气体以极大的速度向外传播,形成冲击波,它能造成人员的伤亡,破坏巷道和器材设施,扬起大量煤尘使之参与爆炸,还可能引燃坑木等可燃物而引起火灾。
伴随冲击波产生的另一种危害是火焰锋面。火焰锋面是瓦斯爆炸时沿巷道运动的化学反应带和烧热的气体总称。其传播速度可在宽阔的范围内变化,从每秒数米大到最大的爆炸传播速度可达
2500
上述反应是放热反应,当反应生成热的速度大于散热速度时,则热量积聚,反应物的温度上升,反应速度进一步加快,最后形成爆炸。矿井瓦斯爆炸是一种热—链反应过程。当爆炸混合物吸收一定能量后,反应分子的链即断裂,离解成两个或两个以上的自由基,这类自由基具有很大的化学性能,成为反应连续进行的活化中心。在适当的条件下,每一个自由基又可以进一步分解,再产生两个或两个以上的自由基,这样循环不已,自由基越来越多,化学反应速度也越来越快,最后发展成为燃烧或爆炸式的氧化反应。
m/s。火焰锋面好象沿巷道运动的活塞一样,
把烷空气体收集起来并点燃。这种活塞的长度从火焰锋面最慢传播时的几十厘米到爆轰时的几十米。2.3产生有害的气体
瓦斯爆炸后生成大量有害的气体,实验中对某些煤矿爆炸后的气体成分进行分析,结果为0::6%一
10%;N2:82%一88%;C02:4%~8%;CO:2%一4%。
如果有煤尘参与爆炸,CO的生成量将更大,往往成为人员大量伤亡的主要原因。例如,日本三池煤矿在1963年发生特大瓦斯煤尘爆炸,死亡1200余人,其中90%以上为中毒致死。
3
2瓦斯爆炸的效应
瓦斯爆炸的效应是指瓦斯爆炸的效果或结果,
收稿日期:2007-10-03
瓦斯爆炸的条件
瓦斯爆炸必须同时具备三个条件:即一定浓度
作者简介:陈晓军(1975一),男,山西长治人,助理工程师,从事机电技术工作。
53
万方数据
2008年2月陈晓军等:瓦斯爆炸及其预防第17卷第2期
的瓦斯、一定温度的引燃火源和足够的氧气含量,三者缺一不可。3.1瓦斯浓度
瓦斯只有在一定的浓度范围内爆炸,这个浓度范围称为瓦斯的爆炸界限。其最低浓度界限为爆炸下限,最高浓度界限为爆炸上限。瓦斯在新鲜空气中的爆炸下限为5%一6%,上限为14%一16%。瓦斯浓度低于爆炸下限时,遇到温火源并不爆炸,只能在火焰外围形成稳定的燃烧层,此燃烧层呈浅兰或淡青色。瓦斯浓度高于爆炸上限时,在该混合气体内不会爆炸,也不燃烧。如有新鲜空气供给时,可以在混合气体与新鲜空气的接触面上进行燃烧。
实践证明,瓦斯的爆炸界限不是固定不变的,他受到许多因素的影响,其中重要的有:
1)
其它可燃气体的存在。两种以上的可燃
气体同时存在时,这类混合气体的爆炸界限决定于各可燃气体的爆炸界限和它们的浓度。所以判断煤矿自燃火区内的爆炸危险时,不能只以瓦斯浓度为准,通常建议,只单独测定瓦斯浓度时,应以3.5%作为火区有无爆炸危险的下限浓度。
2)
煤尘的混入。浮游在瓦斯混合气体中的
具有爆炸危险陛的煤尘,不仅能增加爆炸的猛烈程
度,还可降低瓦斯的爆炸下限。这是因为在温度300—400℃时,煤尘会干馏出可燃气体。试验表明,当煤尘浓度达68g/m3时,瓦斯的爆炸下限降低到2.5%。
3)
惰性气体的混入。如果在瓦斯混合气体
中加入了惰性气体,则爆炸下限提高,上限降低,即爆炸的外围缩小。因为惰性气体具有捕捉燃烧反应中起活化中心作用的自由基的能力,从而抑制了链式反应,可终止燃烧过程。
4)
混合气体的初温和初压。实验表明,瓦斯
的爆炸界限随爆炸前环境的温度(初温)和压力(初压)而变化,随着温度的升高,瓦斯爆炸下限下降,上限升高,即爆炸范围扩大,见表1。爆炸初始时环境的气压对瓦斯气体的爆炸界限也有很大影响,随着环境压力的升高,瓦斯爆炸下限变动很小而上限
上升很大,这个规律对烃类气体都适用,见表2。所
以井下发生火灾或爆炸时,高温和高压会使正常条件下末达爆炸浓度的瓦斯发生爆炸。
表1
瓦斯爆炸界限与初始温度的关系
初始/o温g,度
100
200
300
400
500
600
700
爆豫限5.45
5.054.404.003.653.353.25
爆炸/o上l限
.
..
1
...
54
万
方数据3.2一定温度的引燃火源
3.2.1
瓦斯的点燃温度与点燃能量
点燃瓦斯所需的最低温度是它的点燃温度,所需的最低点的能量为点燃能量,一般认为,正常大气压条件下,瓦斯在空气中的着火温度为650—750℃,瓦斯的最小点燃能量为0.28MJ。煤矿井下明火、煤炭自燃、电弧、电火花、赤热的金属表面和撞击或摩擦火花都能点燃瓦斯。
表2瓦斯爆炸界限与初始压力的关系
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爆炸下限/%5.65.95.45.7爆炸上限/%
14.3
17.2
29.4
45.7
3.2.2瓦斯的引火延迟性
瓦斯与高温热源接触时,不是立即燃烧或爆炸,而是要经过一个很短的间隔时间,这种现象称为引火延迟性,间隔的这段时间称为感应期。感应期的长短与瓦斯浓度、火源温度和火源性质有关,而且瓦斯燃烧的感应期总是小于爆炸的感应期。瓦斯爆炸的感应期与火源温度关系,见表3。火源温度升高,感应期迅速下降;瓦斯浓度,感应期略有增加。
表3瓦斯爆炸感应期与火源温度及瓦斯浓度关系
3.2.3井下引燃瓦斯的热源种类
1)
明火和热辐射。例如,香烟点燃未吸时的
温度是450—500oC,再有用大功率的白炽灯泡取暖烤焦了木板着火等。
2)放炮火焰。使用不合格炸药,放糊炮,炮孔封泥不足或不严等都有可能产生火焰引燃瓦斯。
3)
冲击,摩擦火花。岩石与岩石,岩石与金
属,金属与金属等之间的强力撞击与摩擦都有可能引燃瓦斯。
4)电弧,静电火花。3.2.4足够的氧含量
瓦斯爆炸是一种迅猛的氧化反应,没有足够的氧含量,就不会发生瓦斯爆炸。瓦斯的爆炸界限随混合气体中氧气浓度的降低而缩小。当氧气浓度额
外降低时,爆炸下限变化不大,爆炸上限则明显降低,氧浓度低于12%时,混合气体失去爆炸性。
2008年2月陈晓军等:瓦斯爆炸及其预防第17卷第2期
4预防瓦斯爆炸的措施
瓦斯爆炸必须同时具备三个条件:即瓦斯浓度在爆炸界限内;高温热源存在时间大雨瓦斯的引火感应期;瓦斯与空气混合气体中氧的浓度大于12%。在正常生产的矿井,所有工作的地点和井巷中氧气的浓度始终大于12%,所以预防瓦斯爆炸的措施,就只能是防止瓦斯的积聚和杜绝,限制高温热源的出现。
4。1防止瓦斯积聚
瓦斯积聚是指局部空间的瓦斯浓度达到2%,其体积超过0.5m3现象。防止瓦斯积聚的基本方法:
4.1.1保证工作面的供风量
用适当的风量将井下涌出的瓦斯及时冲淡并排至地面,是预防瓦斯积聚的基本措施,为此应做到:
1)合理选择通风系统,正确确定矿井风量,并合理分配,使井下所有工作地点都有足够的风量。
2)
每一矿井都必须采用机械通风,主要通风机的安装和使用,必须符合《规程》规定。3)
每一生产水平和每一采区,都必须布置单独的回风巷,实行分区通风。
4)采煤工作面和掘进工作面都应采用独立通风。
5)
掘进巷道应采用矿井全风压通风或局部通风机通风,不采用扩散通风。6)
正确选择构筑物的位置,并加强维护与管
理,防止大量漏风。
4.1.2认真进行瓦斯检查与监测
严格按照《规程》规定进行瓦斯检查与监测是及时发现和处理瓦斯积聚的前提。瓦斯燃烧和爆炸事故统计资料表明,大多数这类事故都是由于瓦斯检查员不负责任,玩忽职守,没有认真执行有关瓦斯检查制度造成的。
4.1.3及时处理局部积存的瓦斯
生产中容易积存瓦斯的地点有:采煤工作面上隅角、独头掘进工作面的巷道隅角、顶板冒落的空洞内、低风速巷道的顶板附近、停风的盲巷中、采煤工作面采区边界处、以及采掘机械切割不周围等等。及时处理生产井巷中局部积存的瓦斯是矿井日常瓦斯管理的重要内容,也是预防瓦斯爆炸事故,保证安
万
方数据全生产的关键工作。通常采用的方法有:向瓦斯积聚地点加大风量和提高风速,将瓦斯冲淡排出,将盲巷和顶板空洞内积存的瓦斯封闭隔绝,必要时应采取抽放瓦斯的措施。4.2防止瓦斯引燃的措施
防止瓦斯引燃的原则是对一切非生产必须的热源要坚决禁绝。生产中可能发生的热源,必须严加管理和控制,防止它的发生或限制其引燃瓦斯的能力。引燃瓦斯的火源有明火、放炮、电火及摩擦火花四种。针对这四种火源,应采取下列预防措施:
1)
严禁携带烟草和点火物品下井。
2)采掘工作面都必须使用取得产品许可证的煤矿允许用炸药和煤矿用电雷管。
3)井下使用的机械和电气设备,供电网路都必须符合《规程》规定。
4)
防止机械摩擦火花引燃瓦斯,国内外都在
对这类问题进行广泛的研究。
4.3
限制瓦斯爆炸范围扩大的措施
井下局部地区一旦发生瓦斯爆炸,应使其波及范围尽可能缩小,不致引起全矿井的瓦斯爆炸。为此,应采取以下措施:
1)
实行分区通风。每一生产水平和每一产
区,都必须布置单独的回风巷道,采煤工作面和掘进工作面都应采用独立通风。
2)
通风系统力求简单。总进风道与总回风
道布置间距不得太近,以防发生爆炸时使风流短路。采区必须及时封闭。
3)装有主要通风机的出风井口,应安装防爆门,以防止发生爆炸时通风机被毁,造成救灾和恢复生产的困难。
4)生产矿井主要通风机必须装有反风设旅,必须能在10min内改变巷道中的风流方向。
5)
开采有煤尘、瓦斯爆炸危险的矿井,在矿
井的两翼,相邻的采区,相邻的煤层和相邻的工作面,都必须用岩粉棚或水棚隔开。在所有运输巷道和回风巷道中必须撒布岩粉。
6)每一矿井,每年必须由矿井技术负责人组织编制矿井灾害预防和处理计划。
[责任编辑:王玉梅】
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瓦斯爆炸及其预防
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):引用次数:
陈晓军, 侯海苗, CHEN Xiao-jun, HOU Hai-miao
陈晓军,CHEN Xiao-jun(云南省煤矿安全监察局,昭通监察分局,云南,昭通,657000), 侯海苗,HOU Hai-miao(潞安职业技术学院,山西,长治,046204)煤COAL
2008,17(2)0次
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本文主要运用理论分析、数值模拟与实验相结合的方法对煤尘爆炸的机理,以及瓦斯爆炸卷扬沉积煤尘参与爆炸的过程进行了深入研究。本文的主要工作及研究成果包括:
1)运用热爆炸理论和链式反应理论分析了煤尘爆炸的机理,认为煤尘爆炸是热反应和链式反应共同造成的一种非均质反应。在实际巷道中,由于其爆炸过程是一高温、高压、高速的爆炸传播过程,并且在两相间存在显著的质量、动量和能量的输运效应,是一湍流多相燃烧过程,通过手里分析认为,颗粒在流体中运动所受的力中,所要考虑的力主要有气动阻力和Saffman升力,以及由于湍流效应而引起的附加“漂移力”和重力。
2)建立了瓦斯爆炸卷扬沉积煤尘物理和数学模型,从理论分析和数值模拟两个方面讨论了沉积煤尘在瓦斯爆炸诱导作用下的运动状态,认为沉积煤尘的扬起主要是激波及波后气体的湍流效应引起的。在煤尘颗粒上扬过程中,表面剪切力维持于某一阈值,使得煤尘颗粒的上扬速度基本维持在一定范围内。通过对数值模拟中煤尘颗粒速度场的分析,认为煤尘的扬起过程可分为启动阶段、加速阶段和减速阶段。
3)运用煤炭科学研究总院重庆分院大型实验巷道对瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸的过程进行了实验研究。与单纯瓦斯爆炸相比,有煤尘参与时,爆炸压力波衰减慢,压力峰值更高,传播距离更远,火焰传播速度更快,火焰波及范围更广。单纯的瓦斯空气混合气体爆炸和单纯的煤尘云爆炸都会形成冲击波,冲击波在传播过程中都存在着叠加、反射以及衰减等过程。在瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸的过程中,在煤尘参与爆炸的起始阶段,爆炸超压有一个很长的持续时间,压力在很长一段时间内都有持续的回升现象。这一点说明,在煤尘参与爆炸的起始阶段势必对巷道及设施造成更大的破坏作用。压力峰值的出现时间并不是随着传播距离的加长和压力峰值的加大而依次后延。若将爆炸过程分为起爆阶段、与煤尘接触引起煤尘扬起并起爆煤尘阶段、瓦斯煤尘爆炸传播阶段以及衰减四个阶段,通过实验分析认为,在起爆阶段压力峰值出现时间最早,与煤尘接触引起煤尘扬起并起爆煤尘阶段压力峰值
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本文链接:http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_m200802019.aspx
下载时间:2010年6月21日