中国人民大学税号-中国人民大学税号
n
专题论坛
)
瓦斯防治
n
煤矿井下瓦斯爆炸的基本特性
周心权
吴
兵
徐景德
< br>(
中国矿业大学北京校区
北京市海淀区学院路
100083 )
*
摘
要
阐述了瓦斯爆炸发生的条件
;
从爆源能量
、
能量释放速度
、
爆源的特征时间和特
征尺寸
,
以及爆炸的火焰温度
、
冲击波的压力
、
火焰和空气的运动速度
、
爆 炸压力的上升速率等
方面
,
探讨了瓦斯爆炸的爆源特征和 爆炸特征
;
简要地介绍了瓦斯爆炸后的有害气体的组分
。
关键词
煤矿井
瓦斯爆炸
爆炸特征
爆炸条件
发生在煤 矿井下的瓦斯爆炸事故是最严重的煤
矿灾害
,
通常造成大 量的人员伤亡和巨大的经济损
失。不论是事故的防治
,
还 是进行事故的处理、
调
查
,
都需要了解和 研究瓦斯爆炸发生、
发展的基本特
性。长期以来
,
人们对瓦斯爆炸事故的认识仅仅局
限于爆炸发生的三要素
,
即
:
瓦斯爆炸浓度区间、
点
燃
源和混合气体中氧含量上
,
缺乏对这一现象的进
一步认识
。本文试图从更深入的角度来阐述发生在
煤矿井下的瓦斯爆炸事故的一些基本特性。
1
爆炸发生的条件
在瓦斯爆炸三要
素中最容易获得的条件是空气
中的氧气含量
,
爆炸发生要 求的条件是大于
12%
。
在正常通风风流中氧气的浓度通
常大于
20%
,
而引
起其浓度下降的原因
有两个
:
自身的消耗和其它气
体涌入后的稀释。瓦斯爆炸
和火灾都会消耗空气中
的氧
,
但由于风流的流动
,
对于开放的区域空气中的
氧气可以迅速得到补充。封闭区域内氧
浓度受到多
种因素的影响
,
准确估算通常十分困难
,
直接测量可
能是更有效的手段。瓦斯爆炸发生后
,
对灾害区域
进行大范围的封闭
(
基于 安全的考虑
)
通常不是一个
好的办法
,< /p>
特别是高瓦斯矿井
,
不能期望封闭会阻止
区
域内爆炸的再次发生
,
因为与封闭区域内空气中
氧气的量
相比
,
再次发生爆炸消耗的量只占很小的
部分
何况还可能有漏风存在。瓦斯涌入空气中会
挤占空气的体积
,
如
20%
氧浓度的空气中涌入瓦斯
后
,
瓦斯浓度达
10%
时
,< /p>
氧气的浓度降低到
18%
。这
*
50134040
的支持
一
过程在封闭的区域内表现十分显著。
0.
28M
J
的
点燃能量就足
以引起瓦
斯爆炸
,
因
此
,
瓦斯爆炸的点燃源是最难控制的因素。从 空间
上来看
,
点燃是从很小的一个点发展开来的
,
因此
,
集中放散的任何形式的能量都很容易点燃
瓦斯
,
而
均匀加热的一块热板
,
只有达到很高的温度
(
如接近
瓦斯的自燃温度
650
e
)
才能点燃瓦斯。例如
,
从顶
板落下的一块岩石
,
如果是落在输送机胶 带上
,
则能
量被柔软的胶带分散
,
因此很难引燃瓦斯
;
而如果是
落在坚硬的机械设
备表面或岩石上
,
能量集中在撞
击点上放散
,
则很
可能产生足以引
燃瓦斯的火花。
煤矿井下引起瓦斯爆炸的点燃源主要有如下几类
:
(
1)
机械类
包括机械运行中的摩擦、
坚硬岩石
及钢铁支架、
设备之间的撞击。
(
2)
电气类
与输电线路、
电气设备有关的电火
花、
电弧、
电器失爆等。
(
火焰类
有燃烧反应的点燃
,
< p>如吸烟、火灾、
气体切割和焊接等。
(
4)
炸药类
与炸药爆破有关的点燃
,
如使用非
许可炸药、
钻孔充填不当引起爆破火焰等。
(
5)
其它类
上述不包含的 点燃
,
如闪电、
压缩
管路破裂气体喷出等
。
实验表明高能量的点燃源可以引起更加强烈的
爆炸
而且瓦斯空气混合气体的爆炸下限也大大下
降
,< /p>
10000J
的点燃源可以引爆浓度
3.
6%
的瓦斯。
风流中的瓦斯浓度是爆炸三要素中最容易控制
的因素
,
也是防治瓦斯爆炸最根本的方法。瓦斯从
暴露的
煤壁、
采空区及与瓦斯源沟通的岩石裂缝涌
出到风流中
,
通常积聚在有瓦斯涌出源且无风或风
中国煤炭第
28
卷第
9
期
2002
年
9
月
8
量过小的空间。当有其它可燃气体混入瓦斯
空气混
合气体中时
,
会造成两个方面的重要影响
,
一是改变
了混合气体的爆炸下限
,
这可以使用如下的里查特
(
Le
Chatelier)
法则计算
;
二是降低了混合气体中氧
气的
浓度。
P
T
P
1
P
2
P
n<
/p>
=
+
+
,
+
L
T
L
1
L
2
L
n
式中
:
L
T
、
P
T
)
混合气体的爆炸界限和可燃气体的
总浓度
,
%
;
L
1
、
L
2
,
L
n
)
)
)
各
可
燃
气
体
组
分
的
爆
炸
界
限
,
%
;
P
1
、
P
2
,
P
n
)
)
)
各可燃 气体组分的百分比
,
%
。
P
T
=
P
1
+
P
2
+
,
+
P
n
在矿井灾变 状况下
,
风流中的氧气被消耗或惰
气灭火时人为加入了过
量的惰气
,
这时
,
混合气体中
氧气与惰气的比例就不再保持正常情况下的比例
,
计算这种混合气体
的爆炸界限需要用到更复杂的方
法以确定爆炸三角形。
在井下局
部区域瓦斯浓度达到爆炸界限的情况
通常出现在风流改变的时期
,
例如排放独头巷道积
聚的瓦斯
,
巷道贯通、
风流短路造成的其它工作面无
风或微风
,
局部 通风机停止运转造成的停风等。大
量的事故案例都证实了上述情况
,
而其出现的原因
往往是通风管理的问题。一方面改变通风工作的被
动局面
,
另一方面加强风流变化时期的管理是防止
< br>瓦斯积聚的重点。
2
煤矿井下瓦斯爆炸的主要特 征参数
发生在煤矿井下的瓦斯爆炸属于可燃气体爆燃
现象
,
该过程通常是这样的
:
处于爆炸限内的瓦斯空
气混合气体首先在点火源处被引燃
,
形成厚度仅有
0.
01~
0.
1mm
的火焰锋面。该火 焰锋面向未燃的
混合气体中传播
,
传播的速度称为燃烧速 度。瓦斯
燃烧产生的热使燃烧锋面前方的气体受到压缩
,
产
生一个超前于燃烧锋面的压力波
,
该压力波以当地
音速向前传播
,
行进在
燃烧锋面前
< p>,称为前驱
冲击
波。压力波作用于未燃气体使其温度
升高
,
从而使
火焰的燃烧速度进一步增大
,
这样就产生压力更高
的压力波
,
从而获 得更高的火焰传播速度。层层产
生的压力波相互追赶并叠加
,
< p>形成具有强烈破坏作
用的冲击波
,
这就是爆炸。
衡量瓦斯爆炸的特征参数主要有爆源特征参数
和爆炸特征参数两方面
。
煤矿井下瓦斯爆炸的基本特性
*
2<
/p>
.
1
瓦斯爆炸的爆源特征
可燃气体的爆炸与炸药爆炸最根本的区别就是
爆源特征。炸药爆炸可以看作是理想的点源
爆炸
,
能量的释放是瞬时的
,
且爆源的尺 寸与爆炸的影响
范围相比表征为一个点。瓦斯爆炸则不同
,
爆炸性
混合气体的特征尺寸与火焰锋面可以达到的最远距
离相
比是不能忽略的
,
有时甚至为同一数量级。
2
1
.
1
爆炸源的能量
瓦斯爆炸的能量来源于瓦斯与氧的燃烧反应
,
每
1kg
瓦斯完全燃烧放出的热量是
55M
J,
而普通炸
药的爆炸热为
5M
J/
k g,
也就是
说同样质量的
瓦斯
含有爆炸燃
烧热是炸药的
10
倍。但是
,
瓦斯和炸药
的能量密度却差别很大。典型梯恩梯炸药的密度为
1600kg/m
,
能
量
密
度
为
8000M
J/
m
。
而
浓< /p>
度
为
9.
51%
的瓦斯空气 混合气体
,
瓦斯密度为
0.
068
kg/
m
3
,
能量密度 为
3.
74
M
J/
m
3
,
只有炸药的
0.
05%< /p>
,
浓度为
9.
5%
的
1m
瓦斯空气混合气体爆炸放出的
热量相当于
0 .
75kg
炸药爆炸放出的热量。
瓦斯爆炸要依靠空气中
氧气的参与才能完成
,
因此
,
爆炸实际释 放的能量要受到瓦斯、
空气混合是
否均匀、
空气的湿度、
周围环境状况等多种因素的影
响
,
通常不 能完全释放出来。对于密闭的容器
,
能量
基本可全部释放
;
对于井下巷道系统
,
释放率一般可
达
50%
~
70%
。
< br>2
.
1
.
2
爆炸源能量释放速率
燃烧速度是可燃气体燃烧锋面向未燃区域扩展
的速度
,
可以衡量爆炸能量释放的速率。瓦斯空气
混
合气体的层流燃烧速度约为
0.
5m/
s,
发生在 井下
的爆炸绝大多数属于爆燃
,
据已有的实验测定结果< /p>
,
燃烧速度不超过
150m/
s
< p>。爆炸火焰传播的速度是
相对于某固定位置火焰锋面的速度
,
实验中比较容
易测量
,
也常用来表征爆炸反应的 快慢。典型梯恩
梯炸药的爆轰速度为
6900m/
s,< /p>
而实验获得的井下
瓦斯爆炸最大火焰传播速度为
1500m /
s,
通常的值
都在
100~
< p>400m/s
之间。由此可见
,
瓦斯爆炸能量
的释放速率比炸药爆炸要小的多。
2
.
1
.
3
爆炸的特征时间
< br>爆炸的特征时间
t
B
用下式定义
:
t
B
=
R
e
v
R
3
3
3
式中
:
R< /p>
e
)
)
)
爆炸源的 特征尺寸
,
m;
v
R
)
)
)
爆炸的速度
,
m/
s
。
对于炸药爆炸
,
爆源的特征尺寸较小
,
可以使用
9