矿井瓦斯爆炸及其预防

第5章矿井瓦斯爆炸及其预防§5.1概述危害:一种极其严重的灾害，一旦发生，不仅造成大量人员伤亡，而且还会严重摧毁矿井设施、中断生产。可能引起煤尘爆炸、矿井火灾、井巷垮塌和顶板冒落等二次灾害，使生产难以在短期内恢复。世界上最大一次瓦斯爆炸：1942年，辽宁本溪，死亡：1549人，伤:146人。新中国发生的最大一次瓦斯爆炸：大同，白洞矿发展趋势：随着开采深度增加，瓦斯涌出量增大，发生爆炸的可能性增大；机械化程度的提高，火源点增多，摩擦火花增多；导致伤亡的爆炸事故仍然不少，未杜绝；后果严重性没什么改变；多数事故是人为的、组织管理上的缺陷；爆炸次数与矿井瓦斯涌出量之间无必然联系，1/3的爆炸发生在低瓦斯矿井。∴预防矿井瓦斯爆炸是一项重大的任务，研究和掌握瓦斯爆炸的防治技术，对煤矿安全生产具有重要意义。§5.2矿井瓦斯爆炸及作用机理爆炸：气体快速扩展的结果。发生原因：物理变化、化学变化瓦斯爆炸：一定浓度的甲烷和空气中的氧气在高温热源的作用下发生激烈氧化反应的过程。最终反应式：或∵1体积CH4与2体积O2完全反应（即2×(1+79/21)=9.52体积）。此时，混合气体中因此，理论上瓦斯浓度为9.5%瓦斯爆炸最猛烈。molKJOHCOOCH/6.882222224molKJNOHCONOCH/6.88252.72)2179(2222224∴%5.9%10052.9114CH一、链反应参与反应的物质（CH4、O2）在一定能量作用下，产生链载体（活化中心，即：自由基、原子、原子团），它们化学活性很大，与体系中的稳定分子进行反应成为反应中心，产生新的载体or稳定的化合物，新的载体又迅速参与反应，如此延续下去形成一系列的连续反应。基本特点：（1）链反应（2）链反应有一个感应期。一个激发能量产生载体的过程。直链反应支链反应……燃烧爆炸（3）只要载体不消失，反应就一直进行下去。（4）链反应开始产生载体较困难，故反应开始进行迟缓。（5）周围环境对链反应产生较大影响。二、链反应过程1、链引发链反应产生载体的过程，即稳定分子分解产生自由基的过程（分子内原子间化学键断裂）。此过程需要相当大的能量，即反应水活化能。约800~1600KJ/mol。如：能量来源有：热引发----火源；高能引发----光照射、光电、激光、α-、β-、γ-等。化学能；复相引发（固体表面结构缺陷，引发稳定分子产生自由基）。HCHCH342、链传递最活跃的过程，旧载体消亡，新载体产生。3、链分支自由基增加，反应速度剧增，形成爆炸。如：4、链终止链载体消失的过程。链终止分类：（1）重结合反应如：乙基的重结合CABBCAOCHOHOOCH2221045.22HCHC（2）歧化反应如：乙基的歧化反应（3）阻化剂的作用阻化剂易于链体反应生成较稳定自由基分子等。阻化过程：6242522HCHCHCXTTX§5.3瓦斯爆炸的传播及其后果一、爆炸分类爆炸：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。1、根据反应后的产物分为：（1）物理爆炸----物理变化引起，物质因状态or压力发生突然变化而形成。特点：爆炸前后物理性质、化学成份均不改变。如：锅炉爆炸、气体超压爆炸。（2）化学爆炸----物质发生迅速的化学反应，产生高温、高压而引起的爆炸。特点：爆炸前后物理性质、化学成份均发生改变。如：瓦斯爆炸、放炮、液化气爆炸。2、根据爆炸传播速度分为：（1）爆燃：v=数十cm~几m/s（2）爆炸v=几m~几百m/s（3）爆轰v=声速~数千m/s二、瓦斯爆炸传播过程1、爆燃和爆炸的传播过程烷空气体----甲烷与空气混合物。燃烧速度----火焰面相对于未燃烷空气体的传播速度。烷空气体燃烧产物预热带反应带T0TiTb温度中间产物浓度CH4浓度爆炸过程：a)可爆炸甲烷浓度的烷空气体中出现点火燃，形成最初火焰----爆源。b)爆源传入未燃的烷空气体处的初始温度为T0；在预热带内将烷空气体预热到Ti，并进行放热的化学反应，形成反应带；反应带结束处达到的温度为Tb。c)燃烧带在传播过程中，燃烧带和未燃烷空气体和燃烧产物之间进行热量和质量交换。d)已燃气体膨胀（约5~15倍），形成燃气活塞，经过反复加热、加压，使火焰速度加快，波速加快。e)形成激波，该波足够强以致依靠本身的压缩温度就能点燃烷空气体形成爆轰。2、反向冲击形成原因：（1）爆炸发生时，爆源附近的气体向外冲出；（2）反应产物生成的水蒸气凝结成液态体积缩小；（3）爆源附近形成负压区。特点：（1）冲击能量小；（2）可能引起二次爆炸；（3）由于是二次破坏，破坏后果严重。三、瓦斯爆炸的危害1、火焰锋面----瓦斯爆炸时沿巷道运动的化学反应带和燃烧带的总称。特点：（1）传播速度几m/s~2500m/s；（2）温度大于1000℃；（3）传播距离几十m~几百m。危害：（1）造成人员大面积皮肤深度烧伤，呼吸器官粘膜烫伤；（2）破坏电气设备；（3）引燃井巷可燃物。2、冲击波正向冲击波：波峰压力几十kP~2Mpa。反向冲击波：压力波叠加，压力高达10MPa，冲击波传播速度≮音速。传播距离几千m，甚至波及地面。危害：（1）造成人体创伤；（2）移动、翻倒和破坏电气设备、机械设备；（3）破坏支架、引起冒落，堵塞巷道；（4）破坏通风设施和通风系统，不仅扩大灾情，而且会使抢险救灾、救人困难化复杂化。3、井巷大气成分变化特点：（1）O2；（2）产生大量有毒、有害气体（CO2、CO、H2O）；（3）形成爆炸性气体（CO）；（4）影响范围极远，与通风系统、通风量及爆炸时对通风系统的破坏情况等有关。危害：（1）引起人员中毒和死亡；（2）造成人员窒息死亡；（3）造成后果严重。§5.3煤矿爆炸性气体的安全技术参数一、爆炸界限及其主要影响因素爆炸界限----在正常的大气环境中，可燃气体与空气或氧气混合，遇火源可以爆炸的极限浓度。最低浓度----爆炸下限；最高浓度----爆炸上限。如：CH4在空气中的爆炸下限为5～6％，上限为14～16％。＜5%时，发生燃烧。＞15%时，新鲜空气界面处燃烧。CCH4=9.5%时，爆炸最剧烈。CCH4=7~8%时，爆炸最容易。爆炸界限受多种因素影响:1、环境温度T甲烷的爆炸下限下降、上限上升。即爆炸界限扩大。环境温度℃烷空气体爆炸界限（%）下限上限206.0013.401005.4513.502005.0513.803004.4014.254004.0014.705003.6515.356003.3516.407003.2518.752、气压爆炸初始时环境的气压对烷空气体的爆炸界限有很大的影响，P下限变化很小，上限上升。环境压力（MPa）烷空气体爆炸界限（%）下限上限0.15.614.31.05.917.25.15.429.412.75.745.73、氧浓度常温下，CH4的爆炸界限与混合气体中氧浓度的关系，呈三角形，人们称为“爆炸三角形”。246810121416182024681012141618200爆炸区不爆炸区混入新鲜空气后可能爆炸区ABCDE甲烷浓度，／％氧气浓度／％爆炸区BE----爆炸下限CE----爆炸上限CH4爆炸下限B(5,19.89)爆炸上限C(15,17.79)E—爆炸临界点。掺入惰性气体成分不同其值不同。掺入CO2时，E（5.69,12.32）掺入N2时，E（5.18,9.47）实际意义：（1）封闭火区，由于CH4涌出，烟气掺入，氧气浓度下降，可能进入△发生爆炸；（2）已封闭，而未爆炸火区，可能因漏风而进入△发生爆炸；（3）注入惰性气体可预防爆炸，CO2比N2效果好。4、煤尘的影响降低CH4的爆炸下限。因为煤尘本身有爆炸性，且煤尘遇热会干馏出可燃气体，使爆炸下限降低。5%15%5、其它可燃气体当烷空气体混有碳氢类气体或CO时，可用勒.查特里埃（Le.Chatelier）法则计算混合气体的爆炸界限。式中：N——混合气体爆炸上限或下限，％；C1、C2、C3...Cn——分别为各可燃气体占可燃气体总的体积百分比，％；C1+C2+C3+…+Cn=100％N1、N2、N3...Nn——分别为各可燃气体的爆炸上限或下限，％；nNnCNCNCN2211100注意：（1）此法则不适用有H2的情况；（2）上限计算不太准确；（3）必须预先知道混合物各可燃组分的浓度。气体名称化学符号爆炸下限，％爆炸上限，％甲烷CH45．0016．00乙烷C2H63．2212．45丙烷C3H82．409．50氢气H24．0074．2一氧化炭CO12．5075．00硫化氢H2S4．3245．00乙烯C2H42．7528．6戊烷C5H121．407．80例题：某矿封闭火区内的可燃气体成份与浓度分别为：CH44.5％，CO2.1％，C2H40.02％，C2H60.04％，求该火区内可燃气体的爆炸界限，并判断其爆炸危险性。解可燃气体的总浓度为：C＝CCH4＋CCO＋CC2H4＋CC2H6＝4.5+2.1+0.02+0.04=6.66％各种可燃气体占可燃气体总浓度的百分比为：CCH4＝4.5/6.66＝67.59％CCO＝2.1/6.66＝31.51％CC2H4＝0.02/6.66＝0.3％CC2H6＝2.1/6.66＝0.6％则该火区内可燃气体的爆炸界限为：下限上限%1.622.36.075.23.05.1251.31557.67100bN%27.2145.126.06.283.07551.311657.67100bN由此可知，因为火区可燃气体浓度为6.66%，大于爆炸下限6.1％，故有爆炸危险性。6、引火源点火能量的影响引火源向邻近的烷空气体传输的能量愈大，爆炸范围愈大。点火能量（J）CH4爆炸下限%CH4爆炸上限%爆炸范围%14.9013.88.9104.6014.29.61004.2515.110.8100003.6017.513.97、惰性气体的影响爆炸下限提高，上限降低，即爆炸范围缩小。式中N----混合气体惰化前的爆炸极限，%；N’----混入惰性气体后，混合气体爆炸极限，%；α----混合气体内加入惰气（CO2+N2）的体积浓度，α=0.01(CO2+N2)不同惰性气体惰化效果：卤化烃＞CO2＞N2＞He1100100)11('NNN二、最低点火温度和最小点燃能量1、最低点火温度可燃气体最低点火温度可在实验室测定得出。前苏联资料：甲烷空气最小点火温度绝热压缩时565℃；与烧热表面接触时650℃；正常大气时595℃。2、最小点燃能量不仅与可燃气体组分种类有关，而且随可燃气体的浓度而变化。在爆炸上、下限附近，需要的点火能量最大。正常大气条件下，CH4的最小点燃能量：0.28mJ。三、感应期----引火延时性(τ)----从接触火源到氧化反应转化为快速燃烧（爆炸）的时间间隔。τ与CH4浓度、火源温度、火源性质等有关。感应期过后烃类气体氧化反应速度骤增。一般地τ燃＜τ爆CτTτ正常条件下,CH4:τ=0.010~1.64s，在甲烷同系物中，CH4的感应期最长。意义：（1）放炮，使用安全炸药；（2）切断电源。四、火焰蔓延极限宽度（最大不传爆间隙）应用意义：在危险环境中工作设备上存在火源时，必须在火源外围加一个隔爆外壳，可燃气体在壳内爆炸时，隔爆外壳能可靠防止火焰蔓延到壳外，以防引起壳外危险环境瓦斯爆炸。要求：（1）间隙宽度＜火焰蔓延极限宽度。（2）通常采用固定间隙长度（L），保证间隙宽度（G）小于火焰蔓延极限宽度的方法进行。LG如：当L=25mm，CH4的G≤1.2mm。两者之间满足：KLaBbLcGln式中a、b、c、B和K为取决于可燃气体种类的常数。五、最大爆炸压力爆炸物质的一种性质，表明可燃物的爆炸危险性的大小。爆炸压力是由于爆炸产生的高温引起的。Exp:CH4浓度为9.5%时，在自由空间可测得1850℃和密闭空间达2650℃的瞬时高温。则爆炸压力为：即为爆炸前初