第5章 煤矿瓦斯爆炸及其预防(第1讲 瓦斯爆炸机理、传播规律)

1矿井瓦斯防治矿井瓦斯防治手机：[phone]固话：0391-3987919，0391-3987439办公室：210，420E-mail：[e-mail]，[e-mail]；主讲：王兆丰研究员杨宏民教授级高工2第五章第五章煤矿瓦斯爆炸及其防治煤矿瓦斯爆炸及其防治本章要求：1.掌握链式反应机理、分类及特点，瓦斯爆炸的反应机理；2.熟悉瓦斯爆炸的传播及危害。3概述4概述1942年4月26日，日本帝国主义侵占我国东北期间，在辽宁本溪煤矿发生了瓦斯、煤尘爆炸，死亡1549人，成为世界采矿史上最大的伤亡事故。1.瓦斯爆炸是煤矿及其严重的事故5概述1.瓦斯爆炸是煤矿及其严重的事故煤矿是我国工矿企业灾害事故的主要来源：2002-2005年，工矿企业一次死亡10人以上特大事故中，煤矿事故(死亡人数)占72.8%-89.5%，经济损失数百亿元。煤矿企业一次死亡10人以上事故中，瓦斯事故死亡人数占71%。事故原因分析：与技术原因有关造成的事故占52.5%。2000-2005：死亡人数在6769人-5938人，百万吨死亡率6-3，与先进国家差距大。客观原因：中国煤层赋存条件复杂，国家能源结构及政策，缺乏有效的基础研究。6概述2.瓦斯爆炸是群死群伤事故的罪魁祸首建国以来煤矿一次死亡百人以上的事故：1）1950年2月27日义马局义洛矿老李沟井发生瓦斯爆炸事故，死亡174人，伤39人；2)1954年12月6日包头局大发矿火灯引燃瓦斯，发生瓦斯爆炸事故，死亡104人；3）1960年5月9日大同局老白洞矿井底车场14号井翻笼附近，架线电机车通过时的电火花引起煤尘爆炸，死亡684人；4）1960年5月14日江津专区同华煤矿石门穿k3煤层发生煤与瓦斯突出事故，突出煤1000吨，死亡125人，伤16人；5）1960年11月28日平顶山局龙山庙矿120配风巷电气设备失爆电火花引起瓦斯煤尘爆炸，死亡187人，伤36人；7概述建国以来煤矿一次死亡百人以上的事故：6）1960年12月15日中梁山煤矿南井5412采区发火后封闭，火未熄灭时启封，在启封排放瓦斯时发生瓦斯爆炸事故，死亡124人，重伤1人；7）1961年3月16日抚顺局胜利矿水泵房高压配电室电容器爆炸，酿成火灾，死亡110人，重伤6人，轻伤25人；8）1968年10月24日新汶局华丰矿煤巷掘进时，放第一茬炮扬起煤尘，放第二茬炮残药火引起煤尘爆炸，死亡108人，伤64人；9）1969年4月4日新汶局潘西矿风流中煤尘超标，电机车火花引起煤尘爆炸，死亡115人；10)1975年5月11日铜川局焦坪矿前卫斜井101采煤工作面9号硐炮火引燃瓦斯，并引起煤尘爆炸，死亡101人，轻伤15人；2.瓦斯爆炸是群死群伤事故的罪魁祸首8概述建国以来煤矿一次死亡百人以上的事故：11）1977年2月24日丰城局坪湖219采煤工作面三通接线盒失爆电火花，引起瓦斯爆炸，死亡114人，轻伤6人；12）1981年12月24日平顶山局五矿二水平戊二采区装煤机操作线电缆接头冒火，引起瓦斯煤尘爆炸，死亡133人，重伤8人，轻伤23人；13）1991年4月21日山西洪洞县三交河煤矿203掘进工作面，电煤钻火花引起瓦斯爆炸并引起全井煤尘发生连续爆炸，死亡147人，伤6人；14）1996年11月27日大同市新荣区东村煤矿煤巷无风作业，引起瓦斯积聚，电工带电检修开关，发生瓦斯爆炸，并引起煤尘爆炸，死亡110人，4人下落不明；2.瓦斯爆炸是群死群伤事故的罪魁祸首9概述建国以来煤矿一次死亡百人以上的事故：15）2000年9月27日水城局木冲沟矿掘进巷道停电停风积聚瓦斯，排放瓦斯期间局部通风机产生循环风瓦斯积聚，可能是矿灯引爆，发生瓦斯煤尘爆炸，死亡162人，直接损失1227万元；16）2002年6月20日鸡西矿业集团公司城子河矿掘进巷道停电停风积存瓦斯，水泵电器设备电火花引起瓦斯爆炸，死亡124人，其中有总经理赵文林等6位处级干部正在灾区检查工作罹难。17)2004年10月20日郑州煤炭(集团)公司大平矿瓦斯突出引起瓦斯爆炸事故,造成148人的死亡,直接经济损失4000多万元。2.瓦斯爆炸是群死群伤事故的罪魁祸首10概述建国以来煤矿一次死亡百人以上的事故：18)2004年11月28日，陕西铜川矿务局陈家山矿发生瓦斯爆炸事故，造成166人死亡。19)2005年2月14日，阜新孙家湾煤矿发生瓦斯爆炸事故，造成214人死亡。20)2005年11月27日，七台河东风煤矿发生煤尘爆炸事故，造成171人死亡。21)2007年12月5日，山西临汾洪洞瑞之源煤业有限公司瓦斯爆炸事故，造成105人死亡。建国以来煤矿一次死亡百人以上的事故共23起，这23起事故共死亡3500多人，其中瓦斯(煤尘)爆炸事故21起，死亡3419人，分别占起数与人数的91.3%和96.3%。火灾事故和水灾事故各1起。2.瓦斯爆炸是群死群伤事故的罪魁祸首1122时09分12秒～22时12分26秒瓦斯浓度从0.12%升到40%以上.大平煤矿大平煤矿““10.2010.20””事故瓦斯突出及扩散过程演示事故瓦斯突出及扩散过程演示22时31分31秒~22时35分15秒,瓦斯浓度从0.17%升到4.0%.21轨道下山岩石掘进工作面,突出煤岩量约1894t,瓦斯量25万m322时32分16秒~22时39分45秒,瓦斯浓度从0.5%升到6.3%.12大平煤矿大平煤矿““10.2010.20””瓦斯爆炸传播过程演示瓦斯爆炸传播过程演示13概述2000年以来，国家加大了对煤矿安全的管理、投入和事故处罚力度，在全国煤炭总产量持续增长的情况下，百万吨死亡率稳步降低，2009年首次降到1以下，2011年煤矿事故总死亡人数首次降到2000人以下：3.瓦斯爆炸是可以预防和避免的051015202530351990年1995年2000年2005年2010年01,0002,0003,0004,0005,0006,0007,0008,000死亡率产量人数14一、矿井瓦斯爆炸及其机理爆炸分为物理爆炸、化学爆炸和核爆炸。瓦斯爆炸属于化学爆炸。瓦斯爆炸是一个复杂的化学反应过程，是连锁反应。爆炸性混合气体吸收一定能量后，反应分子链断裂，离解成两个或两个以上游离基（自由基）。在适合条件下，每一个游离基又进一步分解，再产生两个或两个以上的游离基。如此分离下去，游离基愈来愈多，与氧发生的化学反应也愈激烈，最后发展为燃烧或爆炸。15一、矿井瓦斯爆炸及其机理52.9217912）（一般只用最终结果来表达瓦斯爆炸的化学反应，即：CH4+2O2→CO2+2H2O+833.6J/molCH4+2(O2+79/21N2)→CO2+2H2O+7.52N2833.6J/mol1体积CH42体积空气1+%5.952.911空气）（甲烷甲烷甲烷浓度理论上爆炸最猛烈甲烷浓度。16反应中心反应中心一、矿井瓦斯爆炸及其机理1.链式反应与链载体链式反应中存在“链载体”，“链载体”就是自由基，化学活性很大;链载体产物稳定分子反应中心（新）链载体（新）链载体稳定分子稳定分子产物（新）链载体（新）链载体产物（新）链载体（新）链载体17一、矿井瓦斯爆炸及其机理1.链式反应与链载体链式反应直链反应支链反应18一、矿井瓦斯爆炸及其机理1.链式反应与链载体(1)当反应物浓度恒定时：①非链式反应：速度恒定；②直链反应：反应稳步加速；③支链反应：起初稳步加速（感应期），之后迅猛加速，最后到激烈反应（燃烧、爆炸）。(2)当反应物浓度消耗无补充时：①非链式反应：速度衰减；②直链反应：速度逐渐趋于恒定；③支链反应：先迅猛增加，后迅速衰减。反应时间t反应速度W感应期τ19一、矿井瓦斯爆炸及其机理1.链式反应与链载体(3)感应期：链式反应产生链载体需要吸收一定的能量，产生链载体比较困难。因此，起初链载体产速度缓慢，反应有一个感应期；(4)添加物：链载体活泼，如加入物使之“消除”（阻化剂）或“产生”（引发剂），则会严重影响反应速度。因此，链式反应对添加物是敏感的；(5)容器：链载体的产生与消亡对器壁的材质、尺寸和形状等也很敏感；(6)“惰性”添加物：也对链载体的产生与消亡起促进或延缓作用，故链式反应对“情性”添加物也敏感。瓦斯爆炸有一个最小感应时间。可以加入阻爆剂抑制爆炸速度或加入助燃剂促进燃烧。可以采用加入惰性岩粉或水抑制爆炸速度（阻爆岩粉棚、隔爆水袋）。20一、矿井瓦斯爆炸及其机理RMk1PMRMRMRkk322.链式反应过程的构成链式反应链的引发链的传递链的支化链的终止气体破坏器壁破坏54kkRR分子自由基链载体反应速度自由基产生过程，通常情况下不易产生，需要获得巨大能量而激发。激发后化学键断裂，形成自由基。链传递过程（A*+BC→AB+C*）当α=1时，为直链反应；当α1时，为支链反应。产物产物生成，链转移。链终止——反应中链载体消失的过程。阻化剂21一、矿井瓦斯爆炸及其机理23124OHHCOCHOCHOHOCHHOHCOHCHHOHOOCHOHC24232342223OCHOHOOCH25223.较低温度下，瓦斯爆炸的基元反应OCHOHOCHOHHCOHCHOHOHCOOOCH22822322742262器壁器壁1029OCHOH链引发特点：反应缓慢，生成带电自由基链传递反应快速，生成中间产物甲醛有反应物和链载体参与，反应快速。低温燃烧，产生甲酰基。甲烷氧化加速，对达到爆炸有决定性意义。反应快速，高温氧化时加H转化为CO2。有反应物和链载体参与，反应快速。链传递低温燃烧，产生甲酰基。链分支22一、矿井瓦斯爆炸及其机理4.较高温度下，瓦斯爆炸的基元反应1.5×1019exp(-100,600/RT)1.0×1014exp(-45,400/RT)3.6×1018T-1exp(-118,800/RT)1.7×1013exp(-8,760/RT)6.3×1013exp(-12,700/RT)2.8×1013exp(-5,000/RT)1013-10151011-10141013-10151012-1015CH4+M→CH3+H+MCH4+O2→CH3+HO2O2+M→2O+MCH4+O2→CH3+OHCH4+H→CH3+H2CH4+OH→CH3+H3OCH3+O→H2CO+HCH3+O3→H2CO+OHH2CO+OH→HCO+H2OHCO+OH→CO+H2O12345678910反应速度常数，Kf基元反应式编号2000K时，唯一的链引发反应表示CH4受到各个链载体的化学作用甲基与O或O2化合生成甲醛，及甲醛与自由基反应23一、矿井瓦斯爆炸及其机理4.较高温度下，瓦斯爆炸的基元反应3.1×1011exp(-600/RT)2.2×1014exp(-16,600/RT)4.0×1014exp(-9,460/RT)8.4×1014exp(-18,240/RT)1.0×1014exp(-20,400/RT)2.0×10T-11011-10122.0×1013T0.5exp(-28,800/RT)CO+OH→CO2+HH+O2→OH+OO+H2→OH+OO+H2O→2OHH+H2O→H2+OHH+OH+M→H2O+MCH3+O2→HCO+H2OHCO+M→H+CO+M1112131415161718反应速度常数，Kf基元反应式编号高温反应生产氢基，+Q链分支反应，引起13连分支反应，需要高温吸热反应，-16Kcal/mol吸热反应，-2Kcal/mol放热反应，+Q爆炸实验证明，在高温和低温下，加入甲醛能使甲烷氧化的感应期缩短，并通过产生链分支步骤影响爆炸条件，因此甲醛及其浓度在甲烷爆炸中想着重要作用。24一、矿井瓦斯爆炸及其机理4.较高温度下，瓦斯爆炸的基元反应瓦斯爆炸的最大反应速度：甲烷反应速度与氧、甲烷