11煤矿瓦斯爆炸机理2012(朱红青)

煤矿重大爆炸事故理论中国矿业大学(北京)朱红青个人简介朱红青，中国矿业大学（北京）资安学院，教授国家安全生产专家组煤矿组成员全国标准化技术委员会煤矿安全分技术委员会委员国家煤矿安全监察局煤矿安全生产专家人事部“653”工程首席专家消防工程救援专业委员会委员多次作为国务院事故调查专家组成员参与煤矿重大事故的调查和救灾工作，主要从事煤自燃防治、瓦斯防治、安全管理的研究工作。电话：[phone]Email地址：[e-mail]爆炸事故的预防、监测及防止事故扩大的措施一、瓦斯煤尘爆炸的致因二、爆炸的发生及危害三、影响爆炸发生的因素3煤矿瓦斯煤尘爆炸事故理论瓦斯煤尘爆炸的致因及影响因素爆炸事故的防治3.1瓦斯煤尘爆炸的致因—1）瓦斯瓦斯的检测只能依靠仪器进行，人无法感知瓦斯的存在。主要成分：甲烷CH4，无色、无味、无嗅的气体，相对空气的比重为0.554具有爆炸性，在适当的浓度和引火源的作用下会产生强烈的燃烧和爆炸伴随煤的生成而产生，以一定压力赋存于煤层，在采动影响下涌入工作空间。新揭露煤壁释放瓦斯速率较高。瓦斯是什么？瓦斯的重要特性：它存在吗？如何判定瓦斯的存在？3.1瓦斯煤尘爆炸的致因—2）煤尘能悬浮于空气中一定时间的固体微小颗粒，主要成份是固体碳和挥发分。生成于采煤、掘进、运输和提升等过程中，以浮游和沉积两种形态存在。粒径在1mm以下的煤尘悬浮于空气中，一定浓度下遇火源会发生爆炸。浮尘能随人呼吸进入人体内，危害健康。浮尘的浓度可直接观察，凭经验大致判断。测定仪器能进行精确测定。煤尘是什么？煤尘的生成和存在：煤尘的危害：煤尘的判定：四大类型的主要点燃源！掘进面计算示例！3.1瓦斯煤尘爆炸的致因—3）瓦斯爆炸的条件局部地点或局部区域，在瓦斯涌出异常及通风异常或停风时，容易形成。地点：掘进面、工作面上隅角、封闭区域、冒落空洞。空气中21%，其它气体的混入和井下有机物等的氧化、人员呼吸使其减少，但一般仍达20%。瓦斯积聚浓度达40%时，氧浓度才下降到12%。总能满足！足够的能量0.28mJ；足够的温度650℃；足够长的时间爆炸感应期。①瓦斯浓度在爆炸界限内，一般为5%～16%。②混合气体中氧的浓度不低于12%。③有足够能量的点火源。瓦斯爆炸在井下存在的可能性3）瓦斯爆炸的条件—掘进面计算示例条件：断面积8m2的煤巷掘进工作面，供风量为200m3/min，回风瓦斯浓度0.5%。设：新揭露的断面及距该断面10m范围内涌出的瓦斯占总瓦斯涌出量的50%。计算：工作面停风时，该面10m范围内平均瓦斯浓度达到爆炸下限5%的时间？解：工作面绝对瓦斯涌出量：200*0.5=1m3/min瓦斯浓度达到爆炸下限的时间：8×10×5%/（1×50%）=8min返回包括电弧放电、电气火花和静电火花。如：井下输电线路短路、接头不符合要求、带电检修等。化纤衣服静电火花0.28mJ跑车时车辆和轨道的摩擦、金属器件之间的撞击、钢件与岩石的碰撞、火成岩等坚硬岩石间的碰撞等。3）瓦斯爆炸的条件—四大类瓦斯点燃源炽热的表面，如：白炽灯、过流引起的线路灼热、皮带打滑引起的金属表面炽热。炽热气体，如：炽热的废气，火灾产生的高温烟流等特点：伴随有燃烧化学反应。如明火、井下焊接火焰、放炮火焰、油火等明火火焰炽热表面和炽热气体机械摩擦及撞击火花电火花用于井下测量的激光、闪电、杂散电流等也具有点燃瓦斯的能力。其它点燃源返回3）瓦斯爆炸的条件—点燃源—静电火花瓦斯爆炸的最小点燃能量0.28mJ，就是使用电容放电产生火花的方法测定的。假设人体的电容为200pF，化纤衣服静电电位为15kV，则其放电的能量可达22.5mJ，大大超过最小点燃能量。井下工作人员的服装要求必须是棉织品。返回主要有两种形式，纯煤尘爆炸和有瓦斯参与的煤尘爆炸。以后一种为主。与瓦斯点燃相同。沉积煤尘飞扬计算示例！3.1瓦斯煤尘爆炸的致因—4）煤尘爆炸的条件必须经过专门部门的试验鉴定，一般煤的挥发分Vr10%属有爆炸性的煤尘。除少数无烟煤外，其余各类煤均属于爆炸性煤尘。浓度下限30～40g/m3。直接产生很难—40g/m3时25W的灯泡，2m内人看不见灯光。间接产生容易—积尘飞扬。能量4.5~40mJ；温度700~800℃；足够长的时间爆炸感应期。①煤尘本身具有爆炸危险性。②空气中煤尘的浓度处于爆炸界限范围内。③有足够能量的点火源。煤尘爆炸在井下存在的可能性4）煤尘爆炸的条件—沉积煤尘飞扬计算示例条件：断长、宽、高均为5m的房间，地面沉积有1mm厚的煤尘，其堆积的密度为500kg/m3。计算：当沉积的煤尘全部扬起，均匀分布在整个空间时，室内煤尘的浓度是否能达到爆炸限？解：整个空间体积：5×5×5=125m3房间中的煤尘重量：5×5×0.001×500=12.5Kg房间中的煤尘浓度：12.5/125=0.1Kg/m3=100mg/m310040，煤尘浓度已达到爆炸界限范围内。返回爆炸或爆轰爆燃扩散燃烧火焰锋面传播速度达每秒几十米至几百米，锋面前方形成超音速的冲击波，甚至发展为传播速度达每秒数千米的爆轰。火焰锋面传播、发展，速度每秒几米到十余米，在锋面前方形成压力波。形成爆炸3.2爆炸的发生及危害—1）爆炸发生的机理燃烧传播和发展燃烧，形成火焰锋面，放出的热量加速化学反应的进行。局部点燃爆燃（包括爆炸）、爆轰的特征参数对比，见表3-4-1。3.2爆炸的发生及危害—1）爆炸发生的机理项目数值范围备注爆轰爆燃Ub/C05～100.0001～0.03C0是未燃混合气体中的音速，U是燃烧速度，P是压力，T是绝对温度，ρ是密度。下标b表示燃烧后状态，0表示初始状态。Ub/U00.4～0.74～6Pb/P013～550.976～0.98Tb/T08～214～16ρb/ρ01.4～2.60.06～0.25表3-4-1可燃气体爆燃与爆轰间的定性判别固体碳颗粒粒径减小时，参与反应的表面积、反应的速度大幅度提高。爆炸发生时，煤颗粒受热分解，放出可燃气体，形成气体层。爆炸反应主要在这一气体层内以进行。瓦斯、煤尘爆炸都有一个感应期，感应期随火源温度的升高迅速下降。范围较小，一般为几十米到几百米。几千米，甚至冲出地面。速度大于音速，压力从几个~20个大气压。危害：人员创伤、巷道毁坏、冒顶、设备翻到破坏、摧毁矿井通风设施等。3.2爆炸的发生及危害—2）爆炸的危害与爆炸后通风系统状况有关，可波及下风侧的生产区域。氧浓度下降，燃烧生成大量的CO2和H2O，不完全反应产生的CO浓度一般也达到0.4%以上，成为井下人员伤亡的主要因素之一。速度从每秒几米到100m/s至音速以上。温度达2000℃以上。造成人体皮肤、呼吸器官等烧伤，烧坏电气设备、可引燃井巷中的可燃物。大气成份的变化火焰锋面冲击波作用范围特征及破坏作用作用过程3.2爆炸的发生及危害—2）爆炸的危害煤尘爆炸的特点：与瓦斯爆炸相比煤尘的爆炸有以下特点：①速度和压力较小，燃烧时间长，产生的能量大，破坏和焚烧更严重。②爆炸能够连续发生或被瓦斯爆炸引发。③燃烧产物中往往含有大量的CO。④在巷道壁面和支架上产生粘块和破渣。弱爆炸中等强度爆炸强爆炸计算方法：瓦斯爆炸三角形3.3影响爆炸发生的因素—1)瓦斯爆炸计算方法：里查特法则其它可燃气体的混入，使瓦斯的爆炸界限发生变化（通常是使下限降低）。在判断灾区气体的爆炸性时十分重要。加入惰性气体、减小氧浓度可升高瓦斯爆炸下限，降低其上限。在注惰进行矿井灭火、灾区防爆时非常重要。环境温度升高，爆炸下限下降，上限升高。其它可燃气体的影响氧浓度和过量惰气的影响温度的影响气压的影响点燃源能量的影响气压增高，爆炸下限变化很小，上限大幅度增高。见图点燃能量的增加，爆炸下限明显降低。煤矿井下各种点燃源的能量往往大大超过0.28mJ。见图3.3影响爆炸的因素—2)其它可燃气体混入里查特法则计算：(3-4-2)式中：LT、PT—混合气体的爆炸界限和可燃气体的总浓度，%；L1、L2…Ln—各可燃气体组份的爆炸界限，%P1、P2…Pn—各可燃气体组份的百分比，%nnTTLPLPLPLP2211nTPPPP21举例计算如下（各可燃气体的爆炸限见表3-4-4）：算例3.3影响爆炸的因素—2)其它可燃气体混入算例：某矿井封闭区域内可燃气体的组成和浓度为CH44.5%，CO1.5%，C2H40.1%，H20.05%，试计算该混合气体的爆炸界限，并判断其爆炸性。解：可燃气体的总浓度为：混合气体的爆炸界限为：混合可燃气体的浓度为6.15%，介于爆炸下限5.75%和爆炸上限20.14%之间，因此，该混合气体具有爆炸性。%15.605.01.05.15.42424HHCCOCHPPPPPT%14.202.7405.06.281.00.755.10.165.415.6%75.50.405.075.21.05.125.10.55.415.6TUTUTLTLLLLL返回3.3影响爆炸的因素—3)瓦斯爆炸三角形图3-4-3常温常压下瓦斯爆炸界限与氧浓度的关系混合气体中的氧浓度混合气体中瓦斯的浓度%20161284016201284C31245BEA瓦斯爆炸界限与混合气体中氧浓度的关系如图3-4-3。顶点B、C、E分别表示瓦斯爆炸下限、上限和爆炸临界点瓦斯和氧气的浓度。临界点E是指空气中掺入过量的惰性气体时，瓦斯爆炸界限。掺入CO2时临界点CH45.96%、O212.32%。B、C、E构成瓦斯爆炸三角形，1区为瓦斯爆炸危险区，2区不可能存在，3区是瓦斯浓度不足区，4区是瓦斯浓度过高失爆区，若有新鲜风量掺入会进入爆炸危险区；5区是贫氧失爆区，混合气体中氧含量不足。公式3.3影响爆炸的因素—3)瓦斯爆炸三角形E点，即失爆点的计算，需求出其相应的爆炸界限LTn和氧浓度LTO2。LTn由里查特法则计算，以下式求LTO2：(3-4-3)式中LTn—混合气体鼻点限对应的可燃气体百分比（图3-4-3中横坐标）；Nex—使混合气体惰化应加入的惰气体积百分比，可按下式计算：(3-4-4)NI—使单位体积的某种可燃气体惰化所应加入的惰气体积量（i=1，…，n）,由表3-4-5中第三列数据查得；)(%)100(2093.02TnexTOLNL)(%)(2211nnTTnexPNPNPNPLN算例3.3影响爆炸的因素—3)瓦斯爆炸三角形算例：一个井下气体试样的化验结果为CH48％，CO5％，H23％，O26％，和N278％，确定其爆炸上、下限及混合气体的爆炸性。求解：由表3-4-4查得甲烷等可燃气体的爆炸上、下限，根据式3-4-2计算混合气体爆炸上、下限值：LTL=5.82%，LTU=26.35%。由表3-4-5第4列查得可燃气体失爆点浓度，计算混合气体失爆点浓度：由表3-4-5第3列，查得Ni值：由式3-4-3求出失爆点氧浓度：混合气体的失爆点坐标为(6.75％，9.1％)，实际组分点(16，6)位于爆炸三角形之外，该混合气体无爆炸性。%1635824HCOCHPPPPT%75.63.439.1351.6816TnTnLL%88.49)355.16512.486(1675.6exN%1.9)75.688.49100(2093.02TOL返回3.3影响爆炸的因素—4)温度影响返回3.3影响爆炸的因素—5)点燃能量的影响返回3.3影响爆炸发生的因素—6)煤尘爆炸挥发份：增高时爆炸下限降低，强度增大。水份：水份增高能增大颗粒粒度和自重，降低飞扬能力，有抑制爆炸的作用。灰份：灰份及含有的惰性粉尘量越高，发生燃烧和爆炸的可能性越小。含硫量：硫分越高，爆炸性越强。粒度：粒度（1mm，10μm)越小，爆炸性越强。瓦斯的含量：瓦斯存在时，煤尘爆炸的下限会降低。氧浓度：较高时，点燃煤尘的的温度降低，爆炸的压力升高，当氧气的浓度小于17%时，煤尘失去爆炸性。点燃源特性：温度、能量越高，越容易点燃煤尘。其它：爆炸空间形状和容积大小、有无障碍物和拐弯、煤尘的飞扬性、风