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★专题论坛 瓦斯防治 ★ 煤矿井下瓦斯爆炸的基本特性 3 周心权 吴 兵 徐景德 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,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,氧气的浓度降低到18 。这 3 受国家自然基金重点项目50134040的支持 一过程在封闭的区域内表现十分显著。 0.28MJ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℃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。 3火焰类 有燃烧反应的点燃,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,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 8中国煤炭第28卷第9期2002年9月 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。 PT LT P1 L1 P2 L2 ⋯ Pn Ln 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 各可燃气体组分的爆炸界 限, ; P1、P2⋯Pn 各可燃气体组分的百分比, 。 PT P1 P2⋯ Pn 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 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,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,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。 2. 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55MJ ,而普通炸 药的爆炸热为5MJ/ kg ,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/m3,能量密度为8000MJ/ m3。而浓度为 9. 51 的瓦斯空气混合气体,瓦斯密度为0. 068 kg/ m3,能量密度为3. 74 MJ/ m3,只有炸药的0. 05 , 浓度为9. 5 的1m3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 。 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, 燃烧速度不超过150m/ s。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 ,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100～400m/ 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 爆炸的特征时间tB用下式定义 tB Re vR 式中Re 爆炸源的特征尺寸,m; vR 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煤矿井下瓦斯爆炸的基本特性3 圆形的半径来表征。对于独头巷道发生的爆炸,火 焰向巷道的开口端传播,其爆源的特征尺寸可以使 用积聚空间的巷道长度来表征。使用一个简单的例 子来计算炸药爆炸和瓦斯爆炸的特征时间 炸药爆炸500g梯恩梯炸药,密度1. 6g/ cm3,爆 源的初始半径为4. 2cm ,使用上述的典型爆轰速度 6900m/ s ,可得tB 0.042 6900 610 - 3ms 。 瓦斯爆炸 9. 5 浓度的瓦斯空气混合气体 1m3,爆源特征尺寸为1m ,使用普通的爆燃速度 100m/ s ,可得tB 1 100 10ms。 由上可见,炸药爆炸是微秒级,瓦斯爆炸是毫秒 级。在井下瓦斯爆炸过程中,爆源的体积会急剧膨 胀,瓦斯聚集区域的特征尺寸也较大,所以,爆燃的 速度可能会大于100m/ s ,但其特征时间仍然会保持 为几毫秒至几百毫秒。 2. 1. 4 爆源的特征尺寸 积聚瓦斯空间的体积在爆炸发生时会急速膨 胀,设初始温度为27℃,爆炸后温度升高了2000℃, 则理论上可以大致估算如下 V1 T1 V2 T2 V2 T2 T1 V1 2300 300 V17.7V1 即爆炸时体积膨胀了7. 7倍。实验巷道的测 试数据以火焰锋面到达的位置为依据通常小于理 论计算的值,且受到断面积、 环境条件等多种因素的 影响,一般可以达到3～5倍。爆炸产生的冲击波在 巷道中的传播距离要远远大于爆源的尺寸。 2. 2 瓦斯爆炸的爆炸特征 衡量瓦斯爆炸特征的参数主要有火焰锋面的传 播速度、 爆炸火焰的温度、 爆炸产生的最大压力、 爆 炸压力的上升速率等,这些参数由于爆燃过程的多 样性和井下环境的复杂性,其值受到多种因素的影 响,因此,不论是实验矿井的测试数据还是管道实验 的数据都有差别 2. 2. 1 爆炸火焰的温度 爆炸火焰的最高温度在实验中比较容易测量, 根据燃烧产物的组分也可以较精确地计算出反应放 出的热量和火焰的绝热温度。不同浓度的可燃气体 燃烧具有不同的火焰温度,当火焰温度低于某一值 时,火焰锋面就不能自动传播,该温度对应的可燃气 体浓度即为爆炸界限。大多数可燃气体引燃的温度 在630～900℃ 之间,瓦斯的点燃温度为650℃。 可燃气体混合物的最高火焰温度在2500K左 右,表1给出了一些可燃气体的实测火焰温度值。 表1 几种可燃气体混合物的火焰温度 可燃气体名称浓度/ 实测火焰温度/ K 甲烷10. 02230 乙烯6. 52380 乙炔7. 72600 丙烷4. 02250 2. 2. 2 爆炸产生冲击波的压力 煤矿井下瓦斯爆炸产生两类压力,即静压和冲 击动压。静压在所有方向上的作用力相等,这是由 于高温气体膨胀和沿巷道流动产生的,并推动冲击 波面的前进。动压是冲击波作用使波面经过的局部 区域空气高速流动产生的,具有方向性。静压主要 会破坏联络巷道的密闭或风门,动压则摧毁巷道中 的障碍物并在巷道转弯等处造成强烈的破坏。 爆炸产生的最大静压就是实验室中使用封闭球 体测定的定容爆炸压力,10. 1 的瓦斯空气混合气 体测定得到的定容爆炸压力大约为0. 71～0. 81MPa。1952年舒尔茨-容霍夫Schultze - Rhon2 hof 在美国一个废弃矿井进行了两次瓦斯浓度9. 5 、 积聚区域300m的大型爆炸实验,爆炸测得峰 值压力1. 01MPa ,火焰传播速度接近1000m/ s。其 它实验矿井进行的9. 5 瓦斯36m3、58m3实验,获 得了0. 23MPa、0. 36MPa的压力,火焰传播的最大 距离约为初始距离的5倍。在重庆实验巷道进行的 爆炸实验,瓦斯浓度8. 6 ,体积50m3,测得的最大 压力约为65. 86kPa ;浓度9. 5 ,体积100m3,测得 的最大压力0. 18MPa ;200m3,9. 5 的瓦斯测得的 最大压力为0. 46MPa。 爆炸产生的动压使用P 1 2 ρv2来计算,其中 v为爆炸波的速度。 2. 2. 3 火焰及空气的运动速度 爆炸发生后,对井下空气产生的第一道压力波 立即以音速沿巷道传播,此后加速燃烧产生的压力 波都在前一压力波扰动的区域内传播。前导冲击波 和爆炸燃烧产生的膨胀作用使得扰动区域内的空气 以一定的速度运动,这种运动持续的时间不长,距离 较短,但速度较快不超过音速 , 通常可达100m/ s 以上。测定该速度比较困难,里查蒙德Richmod 01中国煤炭第28卷第9期2002年9月 给出了火焰传播速度与空气运动速度之间的关系, 如下图。 图1 瓦斯爆炸时空气运动速度与火焰传播速度的关系 火焰的传播是由慢到快的一个加速过程,爆轰 时测得的最大速度可达1500m/ s ,实验巷道和管道 中测得的速度大多在100～200m/ s之间。 2. 2. 4 爆炸压力的上升速率 爆炸压力的上升速率也是反映爆炸强度的重要 指标,它是压力差除以时间差的商。可燃气体体积 的不同是造成压力上升速度差异的首要因素,此外, 混合气体的湍流度对压力的上升速率也有巨大的影 响。压力上升的速率越快,则燃烧反应速度越快,产 生的冲击波压力也就越高。通常使用KG值来衡量 可燃气体的爆炸压力上升速率 KG dP dt max V 1/3 Pam/ s 瓦斯爆炸的KG值为55。 3 瓦斯爆炸产生的有害气体 不同浓度的瓦斯空气混合物爆炸产生的有害气 体浓度不同,表2给出了3种浓度下瓦斯爆炸产生 的气体成分。由表2可见,混合气体中瓦斯浓度超 过当量比浓度约9. 5 时,生成气体中一氧化碳 的量大幅度增加。需要注意的是,瓦斯爆炸灾害调 查时由于各种因素的影响,很难获得灾后气体的样 本,且煤尘等也会显著改变灾后气体的成分。 表2 瓦斯爆炸后的气体成分 瓦斯浓度/ 爆炸后的气体组分/ COCO2H2CH4O2N2Ar 809. 200. 033. 886. 01. 0 90. 510. 70. 30. 20. 586. 81. 0 128. 05. 98. 50. 40. 575. 80. 9 4 结束语 瓦斯爆炸是一种强烈的气体燃烧动力现象,其 中涉及到爆轰物理、 化学反应动力学、 燃烧学及流体 力学等多方面的知识,由于这一现象的复杂性,因 此,当前仍有许多领域还处于研究探讨之中。本文 针对煤矿井下巷道环境中瓦斯爆炸的一些特征进行 了探讨,希望对瓦斯爆炸事故的防治有所裨益。 参考文献 1 John Nagy , The explosion hazard in mining , MSHA IR1119 ,1981 2 赵衡阳编著.气体和粉尘爆炸原理.北京北京理工 大学出版社,1996 3 费国云.独头巷道中瓦斯爆炸引爆沉积煤尘的试验. 煤炭工程师,1997. 04 4 吴兵等编写.矿井瓦斯防治,全国煤矿安全培训统编 教材.徐州中国矿业大学出版社,2002 小 资 料 矿井瓦斯是指矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体。主要成分有甲烷CH4、 重烃 CnHm、 氢H2、 二氧化碳CO2、 一氧化碳CO、 二氧化氮NO2、 二氧化硫SO2、 硫化氢H2S等。矿井瓦斯具有 很大的危害性,矿井瓦斯事故是煤矿五大自然灾害之一,是煤矿生产过程中的重点治理对象。瓦斯爆炸 是煤矿特有的后果极严重的自然灾害。可造成重大经济损失和人员伤亡。瓦斯爆炸必须有一定浓度的 瓦斯、 高温热源和足够的氧气3个条件。瓦斯爆炸浓度,正常条件下弱火源为5 ～15 ;强火源为2 ～75 。瓦斯防治主要有加强瓦斯检查、 进行瓦斯抽放、 防治煤与瓦斯突出、 控制和消除引爆火源、 强化 矿井通风等。 11瓦斯治理 “十五” 攻关项目在淮南矿区的试验研究 Abstracts in English Challenges and countermeasures in front of China’s energy security and energy management system This paper holds that the lack of lasting strength in energy development , diminishing energy reserves , changing world political situation and China’s official accession to the WTO as well as the dispersing energy management system in this country present challenges to the national energy security and energy management system in this country. The pa2 per thus proposes the following measures in a hope to safeguard the energy security and re the energy manage2 ment of China setting up national energy management department , working out energy security and energy devel2 opment strategy that safeguard the sustained social and economic development of China , working out overseas oil development strategy , attaching due attention to the sustained development of coal industry , intensifying efforts on joint operation of coal and power and coal liquefaction. Basic characters of gas explosion in underground coal mines This paper gives an account of the factors and con2 ditions for gas explosion. This paper also discusses the characters of explosion source and gas explosion proper from the angles of energy magnitude at the explosion center , energy release speed , size and time characters of the explo2 sion center as well as the explosion flame temperature , explosion shock wave pressure , flame and air velocity and explosion pressure raising rate , etc. This paper also gives a brief account about the compositions of the toxic gases released from the gas explosion. Test research of tenth”Five - Year - Plan”mine gas control key project conducted in Huainan coal mine area With complicated mining conditions , Huainan coal mine area is under bad threat of mine gas disasters. All its 12 coal mines are outburst prone and coal/ gas outbursts are becoming increasingly serious. Mine gas control technolo2 gy developed in Huainan mining area is typical of this activity around the whole country. The State thus decided to implement”major mine gas - dust explosion prevention and control technology”which is among the key technical task - forcing projects to be conducted in the tenth”Five - Year - Plan”period 2001 2005 of this country. This paper also introduces the basic conditions of mine gas control in Huainan and the main contents of some related key R D projects conducted. A study of mine gas control in fully mechanized long w all face in highly gaseous inflammable coal seams This paper introduces the use of”U I”ventilation mode in fully mechanized long wall face in highly gaseous and in2 flammable coal seams. The paper also introduces the use of this technology to help reach the high production rate of 2. 0Mt/ a and gas controls. A research on the development of coal sector statistical ination management system The coal industry sta2 tistical ination system developed at the beginning of 1990’s is no longer suitable to the present needs for coal industry management. It becomes necessary to develop appropriate ination systems that are adapted to serving the coal industry statistical work of this country. This paper hence proposes the targets for the development work , implementing principles and relevant designs. The paper also introduces the main functions of the main sub - sys2 tems.