煤矿瓦斯爆炸事故防治与案例分析

煤矿瓦斯爆炸事故防治及案例分析俞启香(教授、博导、国家安全生产专家）中国矿业大学国家煤矿瓦斯治理工程研究中心主要内容第一部分煤矿瓦斯爆炸防治基本知识第二部分瓦斯爆炸事故案例分析■案例阜新孙家湾煤矿海州立井2005年“2.14”特别重大瓦斯爆炸事故第一部分主要内容煤矿瓦斯爆炸防治基本知识一、基本概念二、瓦斯爆炸预防煤矿瓦斯防治基本知识一、基本概念瓦斯：矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体，有时单独指甲烷瓦斯的来源：煤层、岩层（采落的煤炭、煤壁、采空区、顶底板、邻近的煤层、开采过程中产生）瓦斯的性质：比重0.554、无色、无味、窒息性、燃烧性、爆炸性煤矿瓦斯防治基本知识一、基本概念煤层瓦斯分布的主要特点：①具有区域性；②因煤层而异；③近地表为瓦斯风化带：N2与CO2为主，CH4分布无规律；远离地表为瓦斯带：主要为CH4,而且分布有规律，一般深度越深，瓦斯压力越高、瓦斯含量越大；④在地质构造带瓦斯含量分布异常；⑤在地应力异常区瓦斯含量分布异常。煤矿瓦斯防治基本知识一、基本概念几个术语：煤层瓦斯含量：m3/t煤相对瓦斯涌出量：m3/t煤绝对瓦斯涌出量：m3/min煤矿瓦斯防治基本知识一、基本概念瓦斯矿井：矿井生产过程中有瓦斯涌出的矿井（我国所有煤矿全是瓦斯矿井）瓦斯矿井的分类（参见《煤矿瓦斯等级鉴定暂行办法》）：煤与瓦斯突出矿井高瓦斯矿井（q矿相对＞10m3/t；Q矿绝对＞40m3/min；Q掘进面＞3m3/min；Q采煤面＞5m3/min；发生过瓦斯喷出）瓦斯矿井划分瓦斯等级的目的加强煤矿瓦斯管理，预防瓦斯事故，保障职工生命安全：编制瓦斯治理规划、措施、管理制度与作业规程等；选择机电设备；合理进行矿井设计、通风设计、瓦斯抽采与利用设计以及生产“抽、掘、采”接替计划。一、基本概念□瓦斯爆炸的实质CH4+2O2CO2+2H2O+热量CH4+2（O2+79N2/21)=CO2+2H2O+7.52N2+882.6kj/mol□瓦斯爆炸的条件（同时具备，缺一不可）1.瓦斯达到爆炸浓度（烷空混合气体5～15％CH4）2.火源（温度在595oC以上，存在时间超过感应期）3.有足够的氧（氧浓度在12%以上）煤矿瓦斯防治基本知识瓦斯爆炸实验管道系统中国矿业大学瓦斯煤尘爆炸试验管道中国矿业大学爆炸试验实验系统特色瓦斯爆炸实验研究系统特色：实验系统为复杂管网、测试和分析手段先进，利用这些手段可研究瓦斯爆炸过程中的特征参数变化规律及其抑爆、隔爆技术等。煤矿瓦斯防治基本知识一、基本概念□瓦斯爆炸浓度三角形规律：在标准空气中充入瓦斯时，•烷空气体的爆炸范围=5~15%，爆炸下限5%CH4、19.88O2；爆炸上限15%CH4、17.79O2。•爆力最强浓度=9.5％，化学反应完全,爆温最高与爆压最大。•最优爆炸浓度=7％—8％，最容易点火爆炸。瓦斯爆炸的界限15%15%火焰表面遇氧可燃、不爆7-8%最易8.5%煤矿瓦斯防治基本知识一、基本概念□当瓦斯浓度低于5%时，由于参加化学反应的瓦斯量较少，不能形成热量积聚，因此，只能在火焰表面燃烧，不能爆炸；□当瓦斯浓度高于15%时，由于氧气浓度不足，满足不了氧化反应的需要，即便是在点火点有瓦斯与不足的氧气发生反应，但所生成的热量少不能使周围介质升温至燃点，即不能传播爆炸；但当有新鲜空气供入时，可以在混合气体与新鲜空气的接触面上发生燃烧（根据这一性质，瓦斯可以用作燃料）。煤矿瓦斯防治基本知识一、基本概念□瓦斯爆炸威力最强的瓦斯浓度•在瓦斯混入新鲜空气中，爆炸最强烈的瓦斯浓度是9.5%。因为这时混合气体中的全部氧气和瓦斯都能参与化学反应，既无多余的瓦斯，也无多余的氧气，化学反应最完全、最充分，生成的热也最多，因而这时的爆炸力最强、威力最大。•对煤矿井下空气，瓦斯爆炸威力最强的瓦斯浓度为8.5%左右，这是因为井下空气氧浓度减小、湿度较大，氧化反应不可能进行得十分充分的缘故。煤矿瓦斯防治基本知识一、基本概念□瓦斯爆炸浓度三角形规律：•爆炸下限B(5%CH4、19.88O2)；•爆炸上限C(15%CH4、17.79O2)。•1-爆炸危险区；•2-不可能存在的烷空气体区；•3-甲烷浓度不足不爆区；•4-甲烷浓度过高不爆区；•5-贫氧窒息不爆区。•BE-爆炸下限界线[;•CE-爆炸上限界线;•EC02-在烷空气体中掺入CO2爆炸临界点（5.96%CH4、12.32%O2）•EN2-在烷空气体中掺入N2爆炸临界点（5.18%CH4、9.47%O2）。•在烷空气体中加入卤代烃，爆炸三角形更小，例E七氟丙烷临界点（9%CH4、17.4%O2）（CF3CHFCF3)不导电，无残留，对臭氧层无破坏性，是新型环保抑爆灭火剂。一、基本概念□瓦斯爆炸强度(严重程度)的主要影响因素：1、瓦斯积存量瓦斯积存量越大，瓦斯爆炸释放的能量(热能与机械能)越大，即瓦斯爆炸强度越高，甲烷等碳氢化合物与空气混合的爆炸效应：1kg碳氢化合物相当于4kgTNT炸药2、煤尘是否参与爆炸以及参与爆炸的煤尘量瓦斯爆炸风暴扬起可爆煤尘越多，瓦斯煤尘爆炸释放的能量越大，即不仅瓦斯煤尘爆炸强度越高。而且煤尘参与爆炸时，会产生大量的毒气CO,CO毒害作用越强。煤矿瓦斯防治基本知识一、基本概念□瓦斯爆炸的主要危害1.产生高温（1850～2650℃）2.产生高压（0.7MPa以上)3.产生冲击波4.产生大量的有毒有害气体，氧浓度极低(O2=6～10%，N2＝82～88%，CO2＝4～8%，CO＝2～4％）煤矿瓦斯防治基本知识瓦斯爆炸过程中火焰的发展变化特征0.s34/2000.s33/2000.s32/2000.s6/2000.s14/2000.s19/2000.s24/2000.s29/2000.s31/2000.s36/2000.s35/2000.s一、基本概念□瓦斯煤尘爆炸火焰压力传播规律煤矿瓦斯防治基本知识t(s)注：①图中数字为爆炸压力最大值（MPa）;②起爆瓦斯浓度10.5%CH4，200m3；③煤尘带36~86m,浓度500g/m3④实验地点：重庆煤科院爆炸试验大型巷道。一、基本概念□瓦斯煤尘爆炸火焰压力传播规律煤矿瓦斯防治基本知识t(s)由图可见：●在爆炸初期，火焰传播速度大于爆炸压力波传播速度，即火焰在前爆炸压力波峰在后；●随着爆炸的发展，爆炸压力波传播速度快速增大，超过火焰速度，在距爆源约40m时，爆炸波赶上并超过火焰面；●随着传播距离的增大，爆炸波超前火焰面越来越远。一、基本概念□爆炸过程中障碍物对火焰速度与超压的影响曲线00.050.10.150.20.250.30.35050100150200250火焰速度(m/s)超压(MPa)无障碍物两个障碍物四个障碍物六个障碍物煤矿瓦斯防治基本知识障碍物数对火焰传播速度的影响（a）没有障碍物(b)两个障碍物(c)六个障碍物障碍物数对温度场分布规律的影响（a）没有障碍物(b)两个障碍物(c)四个障碍物管道结构异常对瓦斯爆炸过程中火焰传播规律的影响图3.管道截面积突变对瓦斯爆炸火焰加速传播的影响关系曲线0100200300400500600700162228527098L/dV(m/s)80*80mm直管无加速环有加速环分叉管路对瓦斯爆炸火焰传播速度影响关系曲线（无加速环）2#1#点火系统加速环3#2#3#4'#4#5'#5#图5.（无加速环）主管道与分支管道中的火焰传播速度0204060801001201022284852L/DV(m/s)80*80mm主管道分支管道解释了分叉巷道破坏严重的问题？分叉管路对瓦斯爆炸火焰传播速度影响关系曲线（有加速环）0501001502002500102030405060带分叉管直管分叉管L/DV(m/s)2#1#点火系统加速环3#2#3#4'#4#5'#5#结论：湍流对瓦斯爆炸传播过程具有重要影响启示：消除湍流对阻爆具有重要的作用火焰速度m/s解释了分叉巷道破坏严重的问题？一、基本概念□瓦斯爆炸的主要危害瓦斯煤尘爆炸最终产物组成表煤矿瓦斯防治基本知识大气成分变化甲烷爆炸时煤尘爆炸时甲烷和煤尘共同爆炸时浓度备注爆炸下限最佳爆炸浓度爆炸上限爆炸下限最佳爆炸浓度爆炸上限残余氧浓度%16~18625~162~53~80CO爆炸下限为12%；H2爆炸下限为4%CO%—微量121~24~82~7＜16CO2%微量9微量5~106~94~8＜12水蒸气%＜10＜16＜48~1612~206~10＜24H2%—微量120~1—0~5＜16甲烷及其同系物%———0~21~50~3＜5爆炸超压对人员的损伤程度表等级项目损伤程度超压╳100Kpa轻微轻微挫伤肺部和中耳、局部心肌撕裂0.2—0.3中等中度中耳和肺挫伤，肝、脾包膜下出血，融合性心肌撕裂0.3—0.5重伤重度中耳和肺挫伤，脱臼，心肌撕裂，可能引起死亡。0.5—1.0死亡体腔，肝脾破裂，两肺重度挫伤。1.0煤矿瓦斯防治基本知识一、基本概念□瓦斯爆炸的主要危害二、瓦斯爆炸预防预防瓦斯积聚常见瓦斯积聚原因如下：1.风量不足、风量短路、停风,末节风筒过远；2.采空区处理不及时，管理不善,积聚瓦斯涌出;3.瓦斯异常涌出；4.瓦斯抽采未达标进行采掘；5.瓦斯超限继续生产；6.积聚瓦斯处理不当；7.瓦斯检查、监测失误。总之瓦斯“零超限”目标管理制度未建立或不完善或未落实：①是否建立瓦斯超限立即停产撤人，并按瓦斯超限就是事故，并比照事故处理查明超限原因，落实防范措施相关制度；②1个月内发生2次瓦斯超限的矿井是否停产整顿；③矿井安全监测监控系统是否正常运转；传感器安装位置、数量是否符合相关标准要求，是否有空白死角；是否按规定对系统和传感器进行定期维护。煤矿瓦斯防治基本知识二、瓦斯爆炸预防预防火源瓦斯爆炸的主要引爆火源如下：1.明火、火灾；2.电气火花；3.爆破火源；4.静电火花；5.摩擦火花。煤矿瓦斯防治基本知识二、瓦斯爆炸预防瓦斯爆炸发生地点规律：采煤工作面：采煤机附近工作面上隅角放炮作业点掘进工作面：迎头放炮作业过程其它情况：排放瓦斯、处理大块矸石、处理煤仓溜煤眼堵塞煤矿瓦斯防治基本知识1949~1995年46年间，国有重点煤矿一次死亡3人以上瓦斯事故361起，死亡6931人。按发生地点及火源原因统计如下：•发生地点：掘进面156次，占43.2%采煤面131次，占36.24%巷道、硐室74次，占20.5%•引爆火源：电气火花………………………………41.44%放炮火焰……………………………29.92%摩擦撞击……………………………8.59%吸烟…………………………………1.94%其它（静电、煤自燃、高温热源等）18.00%各种火花引发瓦斯爆炸典型案例•炮火：①1993年10月11日，黑龙江省鸡东县保合煤矿局部通风机停风，掘进工作面瓦斯积聚，不仅不停止作业，而且不检查瓦斯就在迎头放炮，炮火引发特大瓦斯爆炸事故，死亡70人。②1997年4月9日，山西省临汾桥上村矿用煤块封堵炮眼，放炮炮火引起瓦斯爆炸，死亡26人。③1999年3月27日，山东省枣庄柴里矿放炮崩转载机处大块矸石炮火引爆瓦斯，死亡17人。④1996年5月1日，河南省平顶山十矿为了使瓦斯超限时不断电，矿安全办公会议做出了上调瓦斯监测报警点的错误决定，致使瓦斯超限，放炮时发生瓦斯爆炸，造成84人死亡。各种火花引发瓦斯爆炸典型案例•明电明火：①1997年5月2日，贵州省贵阳市花溪坪大坡煤矿，采煤工作面采用明电照明，电火花引发瓦斯爆炸，死亡13人。②1999年1月28日，四川省凉山甘洛斯觉矿使用手电照明，电火花引起瓦斯爆炸，死亡14人。③1994年1月24日，黑龙江省鸡西二道河子矿多经井使用煤电钻插销明电放炮，引起瓦斯爆炸，死亡99人。④1999年5月10日，陕西省铜川玉华煤矿一名工人在井下吸烟，烟头明火（吸烟时温度为650～800oC，香烟点燃未吸时温度为450～500oC）引起瓦斯爆炸，不仅自身死亡，还夺去另外42位矿工的生命。⑤1999年7月17日，黑龙江省农牧渔厅供应站矿，一工人在井下吸烟，明火引起瓦斯爆炸，死亡23人。各种火花引发瓦斯爆炸典型案例•电