第九章 矿井瓦斯爆炸.pdf

1 瓦 斯 地 质 学瓦 斯 地 质 学 河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 学 9 矿井瓦斯爆炸矿井瓦斯爆炸 9.1 9.1 瓦斯爆炸机理瓦斯爆炸机理 1.瓦斯爆炸的化学反应过程瓦斯爆炸的化学反应过程 化学反应式为化学反应式为 井下空气井下空气O2不足，反应的最终式为不足，反应的最终式为 OHCOOCH 2224 22 OHHCOOCH 2224 9 矿井瓦斯爆炸矿井瓦斯爆炸 2. 2. 瓦斯爆炸的传播过程瓦斯爆炸的传播过程瓦斯爆炸的传播过程瓦斯爆炸的传播过程 爆炸性的混合气体与高温火源同时存在，就将发生瓦斯的爆炸性的混合气体与高温火源同时存在，就将发生瓦斯的 初燃（初爆），初燃产生以一定速度移动的焰面，焰面后的爆初燃（初爆），初燃产生以一定速度移动的焰面，焰面后的爆 炸产物具有很高的温度，由于热量集中而使爆源气体产生高温炸产物具有很高的温度，由于热量集中而使爆源气体产生高温 和高压并急剧膨胀而形成冲击波。如果巷道顶板附近或和高压并急剧膨胀而形成冲击波。如果巷道顶板附近或冒落孔冒落孔 内积内积存存着着瓦斯，或瓦斯，或者者巷道中有巷道中有沉落沉落的的煤尘煤尘，在冲击波的，在冲击波的作用作用 下，下，它们它们就就能均匀分布能均匀分布，形成，形成新新的爆炸混合物，使爆炸过程的爆炸混合物，使爆炸过程得得 以以继续继续下下去去。。 爆炸时由于爆源附近气体高速爆炸时由于爆源附近气体高速向外向外冲击，在爆源附近形成冲击，在爆源附近形成 气体气体稀薄稀薄的的低低压压区区，于，于是是产生反产生反向向冲击波，使冲击波，使已迈破坏已迈破坏的的区域区域 再再一一次受到破坏次受到破坏。如果反。如果反向向冲击波的空气中冲击波的空气中含含有足有足够够的的CH4和和 02，而火源，而火源又未消失又未消失，就，就可可以发生以发生第二次第二次爆炸。爆炸。 9 矿井瓦斯爆炸矿井瓦斯爆炸 q9.2 9.2 瓦斯爆炸发生条件瓦斯爆炸发生条件 瓦斯爆炸的瓦斯爆炸的基本条件基本条件 引引爆火源爆火源瓦斯瓦斯浓浓度度 5～～15瓦斯瓦斯 。。 650～～750℃℃的的 引引爆火源。爆火源。 氧含氧含量量 空气中空气中氧含氧含 量不量不低低于于12 。。 瓦斯瓦斯浓浓度度单位单位体体积积空气中空气中所含所含瓦斯体瓦斯体积积的的百分数百分数。。 9 矿井瓦斯爆炸矿井瓦斯爆炸 q9.3 9.3 瓦斯爆炸界限瓦斯爆炸界限 不燃不爆 燃烧 爆炸界限 可燃、不爆 爆炸威力最强 5～100 15 9.5 5 3 淡 青 色 淡 兰 色 瓦斯爆炸界限 9 矿井瓦斯爆炸矿井瓦斯爆炸 q9.4 9.4 瓦斯爆炸的影响因素瓦斯爆炸的影响因素 可可燃气体的混燃气体的混入入 瓦瓦 斯斯 爆爆 炸炸 的的 主主 要要 影影 响响 因因 素素 混合气体的初混合气体的初始始温度温度 惰惰性气体的混性气体的混入入 惰惰性气体混性气体混入入，，减少氧浓减少氧浓度，爆炸度，爆炸界限缩小界限缩小。。 N2每每 增加增加1％％，下，下限上升限上升0.017，，上限上限下下降降 0.54％；％；CO2每每 增加增加1，下，下限上升限上升0.0033％％，，上限上限下下降降0.26％％。。 粉尘放出可粉尘放出可燃气体，爆炸下燃气体，爆炸下限降低限降低。。5g/m3，，3％％爆爆 炸，炸，8g/m3，，2.5％％爆炸。爆炸。 增增大爆炸气体大爆炸气体总浓总浓度，度，降低降低爆炸下爆炸下限限，，扩扩大爆炸大爆炸 界限界限。。 压压力越力越大，大，所需引所需引火温度火温度越低越低。。当当瓦斯压瓦斯压缩到原来缩到原来 体体积积1/120时，时，自身自身热量就热量就能能使使其自其自动爆炸。动爆炸。 初初始始温度温度越越高，爆炸高，爆炸界限越界限越大。大。20℃℃时瓦斯爆炸时瓦斯爆炸界界 限限6.0--13.4％；％；700℃℃时为时为3.25－－18.75％％n 瓦斯瓦斯浓浓度与度与引引火火源火火源 混合气体的压混合气体的压力力 瓦斯瓦斯浓浓度度7－－8％％时，时，引引火温度最火温度最低低，，即浓即浓度为，度为，7 －－8％％时，瓦斯最时，瓦斯最容易容易引引爆。爆。 爆炸性爆炸性粉尘粉尘的混的混入入 9 矿井瓦斯爆炸矿井瓦斯爆炸 q9.5 瓦斯爆炸的危害瓦斯爆炸的危害 1.瓦斯爆炸产生高温瓦斯爆炸产生高温 当当瓦斯瓦斯浓浓度为度为9.59.5％％％％时，爆炸时产生的时，爆炸时产生的瞬间瞬间温度温度 可可达达18501850- -26502650℃℃℃℃。。这样这样高的温度，不高的温度，不仅会烧伤人仅会烧伤人 员、烧员、烧坏坏设备设备，，还还可能可能点点燃燃支架支架和和煤尘煤尘，，引引起起井下井下 火火灾灾和和煤尘煤尘爆炸爆炸事故事故，，扩扩大大灾情灾情。。 9 矿井瓦斯爆炸矿井瓦斯爆炸 2.瓦斯爆炸产生高压瓦斯爆炸产生高压 瓦斯爆炸后的气体压瓦斯爆炸后的气体压力是力是爆炸爆炸前前压压力力的的7 7～～～～1010 倍倍。气体压。气体压力力骤然骤然增增大，形成大，形成强强大的冲击波，大的冲击波，推倒推倒 支架、损支架、损坏坏设备、设备、使巷道或工使巷道或工作作面的顶板面的顶板坍塌及造坍塌及造 成成现场人员伤亡现场人员伤亡将使将使矿矿井井遭遭受受严重严重破坏破坏。。 9 矿井瓦斯爆炸矿井瓦斯爆炸 3.瓦斯爆炸产生大量有瓦斯爆炸产生大量有害害气体气体 瓦斯爆炸后，不瓦斯爆炸后，不仅仅氧氧气气减少减少，，且且产生大量有产生大量有害害 气体。气体。 爆炸后爆炸后氧氧气气6～～10％％、、一一氧氧化化碳２碳２～～４４％％。。 而而当当空气中空气中氧氧化化碳碳浓浓度度达达到到0.40.4％％％％时，时，人人就就会会 中中毒死亡毒死亡；； 当氧当氧气气浓浓度度减少到减少到1010％－％－％－％－l2l2时，时，人人就就会会失去失去知知 觉窒息觉窒息而而死死。在瓦斯。在瓦斯、、煤尘煤尘爆炸爆炸事故事故中，中，死死于一于一氧氧 化化碳碳中中毒毒的的人人数数占死亡占死亡总总人人数数的的70％％以以上上。。 9 矿井瓦斯爆炸矿井瓦斯爆炸 q9.6 9.6 瓦斯爆炸的原因瓦斯爆炸的原因 瓦斯瓦斯积积聚聚管管理不理不善、人员善、人员失失职职引引爆火源爆火源 瓦斯爆炸的瓦斯爆炸的引引起起原原因因 明明 火火 电电 火火 花花 放放 炮炮 火火 花花 撞撞 击击 、、 摩摩 擦擦 火火 花花 局局 扇扇 出出 现现 循循 环环 风风 局局 部部 通通 风风 机机 停停 止止 运运 转转 风风 筒筒 断断 开开 或或 严严 重重 漏漏 风风 采采 掘掘 面面 风风 量量 不不 足足 瓦瓦 斯斯 异异 常常 涌涌 出出 风风 流流 短短 路路 通通 风风 系系 统统 不不 合合 理理 采采 空空 区区 或或 盲盲 巷巷 存存 在在 9 矿井瓦斯爆炸矿井瓦斯爆炸 q9.6 9.6 瓦斯爆炸发生原因瓦斯爆炸发生原因 局部通风机停止运转局部通风机停止运转 引引 起起 瓦瓦 斯斯 积积 聚聚 的的 常常 见见 主主 要要 因因 素素 局扇局扇出出现循环风现循环风 采掘采掘面面风风量不足量不足 风筒断开风筒断开或或严重漏风严重漏风 未未按要求配风、按要求配风、巷道巷道堵塞、堵塞、单单台局扇供多头、台局扇供多头、 风筒风筒出出口距掘进口距掘进面面太远等太远等 施施工工人员人员不不爱护爱护，，通风人员通风人员不不及及时时维修维修，，造造成成 掘进掘进面面风风量不足而量不足而导致导致瓦斯瓦斯积积聚聚 包括检修计划包括检修计划停风、机停风、机电电故故障障停风、采掘停风、采掘面面停停 工工停风、风机管停风、风机管理混理混乱乱停风等停风等 打打开风开风门门不不关闭关闭、、巷道巷道贯贯通通后不后不及及时时调整调整通风通风 系统系统等造等造成成风风流短路流短路而而导致导致瓦斯瓦斯积积聚聚 局扇局扇位位置置不合不合规规程程要求、要求、全全风风压压供供给给 风风量量 小小于于局扇局扇的的吸吸入分入分量量等等出出现循环风现循环风 风风流短路流短路 通风通风系统系统不合理不合理 自自然通风、然通风、不合不合规规定的定的串联串联通风、通风、无回无回风风道的道的 独眼独眼井井、通风设、通风设施施不不全全等等 采采空空区区或或盲盲巷存在巷存在 瓦斯瓦斯异常涌异常涌出出 采采空空区区或或盲盲巷巷无无风风流流通通过，发生瓦斯过，发生瓦斯突突然然涌涌出出 裁决裁决通通过地质过地质构构造、造、瓦斯瓦斯富富集集带带，瓦斯，瓦斯涌涌出出异异 常常，发生瓦斯，发生瓦斯喷喷出出、、煤煤与瓦斯与瓦斯突突出出等等 9 矿井瓦斯爆炸矿井瓦斯爆炸 q9.6 9.6 瓦斯爆炸发生原因瓦斯爆炸发生原因 电电火火花花 引引 起起 瓦瓦 斯斯 爆爆 炸炸 的的 火火 源源 明明火火 撞撞击击、、摩擦摩擦火火花花 放放炮炮火火花花 主主要要是是炮泥填装炮泥填装不不满满、、最最小小抵抗线抵抗线不不够够 、、放放明炮明炮、、放放糊炮糊炮、、接线接线不不良良、、炸炸药药不不符符 合合要求等要求等引引起起火火花花。。 煤煤炭炭自自然然发火发火及及火火区区、、井下井下焊接焊接、、吸烟吸烟等等 照明照明、机、机械械设备、设备、电器电器设备设备的的管管理不理不善善 、、操操作作不不当当，如，如矿矿灯灯失失爆爆、、电钻电钻失失爆爆、、带带 电电作作业业、、电缆明电缆明头、开头、开关关失失爆爆等等产生的产生的电电 火火花花。。 机机械械设备设备之之间间的的撞撞击击、、截齿截齿与与坚硬岩石坚硬岩石 摩擦摩擦、、坚硬坚硬顶板顶板冒落冒落撞撞击击、、金属表金属表面面之之间间 摩擦摩擦等等等等产生的火产生的火花花。。 9 矿井瓦斯爆炸矿井瓦斯爆炸 q9.6 9.6 瓦斯爆炸危险性判别瓦斯爆炸危险性判别 国际国际上上一一般都般都采采用用Coward爆炸爆炸三三角角形形进进行判别行判别。。 Coward以瓦斯混合气体的以瓦斯混合气体的可可燃气体体燃气体体积百分积百分比比浓浓度为度为 横坐标横坐标，以空气或，以空气或氧氧的体的体积百分积百分比比浓浓度度作作纵坐标纵坐标，将，将 可可燃气体的下燃气体的下限浓限浓度度ＬＬ、、上限浓上限浓度度ＶＶ及及临临界浓界浓度度N在在 坐标图坐标图上上表表示示，，构构成一成一个个三三角角形，形，即即Coward瓦斯爆炸瓦斯爆炸 三三角角形。 不形。 不论何种组论何种组分分的的可可燃气体一空气一燃气体一空气一惰惰气混气混 合气体，合气体，都都可可在大在大三三角角形形AOC内用内用适适当当的的坐标坐标表表示示。。 ⅢⅢⅢⅢ区区区区为空气过量为空气过量区区，混合气体不，混合气体不能能爆炸，爆炸，但但如混合气体中的如混合气体中的 空气空气被被吸吸收收或或掺掺人人了了无无空气的混合气体空气的混合气体则仍则仍能能爆炸爆炸；； ⅣⅣⅣⅣ区区区区为为惰惰气过量气过量区区，，即即混合气体中混合气体中惰惰气与气与可可燃气体的混合燃气体的混合比比 已已超超过过窒息窒息比比，不，不论论混合气体混合气体被被空气空气稀稀释释或混合气体中的空或混合气体中的空 气气被被吸吸收收都都不不会会爆炸爆炸；； ⅤⅤⅤⅤ区区区区不不可能可能存在的存在的甲烷甲烷－－空气混合气体空气混合气体区区。。 102050100 0 5 10 15 20 ⅣⅣ ⅡⅡ ⅠⅠ ⅢⅢ C 甲烷甲烷浓浓度度体体积积 20.93 Li Ui V A 大大三三角角形形内分内分成成5个个区区 I I区区区区即即爆炸爆炸三三角角形形LUV，如，如 混合气体混合气体组组分分的的坐标坐标位位于于I 区内区内，，该该混合气体混合气体能能爆炸爆炸；； ⅡⅡⅡⅡ区区区区为空气不足为空气不足区区，混合，混合 气体不气体不能能爆炸，爆炸，但但混混入入空气空气 使混合气体使混合气体稀稀释释，，其其组组分分坐坐 标标进进入入I 区区时时仍仍能能爆炸爆炸；； 9 矿井瓦斯爆炸矿井瓦斯爆炸 防治防治瓦斯瓦斯超超限限和和积积聚聚措措施施杜绝杜绝火源火源 防治防治瓦斯爆炸瓦斯爆炸措措施施 管管理理措措施施 严严 禁禁 明明 火火 按按 要要 求求 配配 备备 防防 爆爆 设设 备备 使使 用用 安安 全全 炸炸 药药 及及 时时 封封 闭闭 盲盲 巷巷 防防 治治 巷巷 道道 瓦瓦 斯斯 积积 聚聚 防防 治治 工工 作作 面面 回回 风风 瓦瓦 斯斯 超超 限限 防防 治治 工工 作作 面面 上上 隅隅 角角 瓦瓦 斯斯 超超 限限 加加 强强 通通 风风 管管 理理 加加 强强 机机 电电 防防 爆爆 管管 理理 加加 强强 瓦瓦 斯斯 检检 查查 管管 理理 加加 强强 监监 察察 系系 统统 管管 理理 提提 高高 人人 员员 素素 质质 防防 止止 撞撞 击击 、、 摩摩 擦擦 火火 花花 局局 部部 瓦瓦 斯斯 排排 放放 措措 施施 q9.79.7防治瓦斯爆炸措施防治瓦斯爆炸措施 9 矿井瓦斯爆炸矿井瓦斯爆炸 q9.7 9.7 防治瓦斯爆炸措施防治瓦斯爆炸措施 （（1））撒撒布布岩岩粉粉措措施施 当当发生瓦斯爆炸时，发生瓦斯爆炸时，风风流流把把岩岩粉粉和和沉积煤尘沉积煤尘同时同时扬扬起起形成形成 岩岩粉粉一一煤尘煤尘混合混合粉尘粉尘云云；；瓦斯爆炸火焰瓦斯爆炸火焰进进入入混合混合尘尘云云区区时，时，岩岩 粉粉吸吸收收爆炸火焰热量使爆炸火焰热量使系统系统冷却冷却降降温，同时温，同时岩岩粉粉粒子粒子可可把把煤尘煤尘 粒子隔粒子隔开起开起到到屏蔽屏蔽热热辐射辐射、、热热传传导导等等，，可可以有以有效效地地阻阻止止瓦斯爆瓦斯爆 炸的发炸的发展传播展传播，最终将，最终将其其扑灭扑灭。。 规规程程规规定，在定，在所所有有运运输输巷和巷和回回风风巷中巷中必须撒必须撒布布岩岩粉粉。。 岩岩粉可粉可燃物的燃物的含含有有率率不不得得超超过过5％；％；游离游离二氧二氧化化硅硅含含有有率率不不得得 超超过过10％；％；不不含含砷砷，，五五氧氧化化二二磷磷含含量不量不超超过过0.01％；％；岩岩粉粉的的粒粒 度度必须必须全全部部小小于于0.5mm，，其其中中70％％以以上小上小于于0.075mm。。 9 矿井瓦斯爆炸矿井瓦斯爆炸 q9.7 9.7 防治瓦斯爆炸措施防治瓦斯爆炸措施 （（2））隔隔爆爆措措施施 原原理理当当发生爆炸时，发生爆炸时，超超前前于爆于爆 炸火焰的冲击波将炸火焰的冲击波将隔隔爆爆棚棚上上装装有有岩岩粉粉 、、水水等等抑抑爆爆剂剂的的容容器器被被击击碎碎或或掀翻掀翻，， 使使抑抑爆爆剂飞散剂飞散开开，在巷道中形成一高，在巷道中形成一高 浓浓度的度的岩岩粉粉云云区区或或水雾水雾区区，，当当滞滞后于后于 爆爆风风传播传播的爆炸火焰的爆炸火焰到到达这达这一一区域区域时时 被抑被抑爆爆剂扑灭剂扑灭，，阻阻止止了了爆炸爆炸继续向继续向前前 传播传播。。 l被被动动岩岩粉粉棚棚 l被被动动水棚水棚 l被被动动水袋棚水袋棚 l自自动动隔隔爆爆棚棚 9 矿井瓦斯爆炸矿井瓦斯爆炸 河南郑州大平河南郑州大平10.20事故死亡事故死亡148人人 辽宁阜新孙家湾辽宁阜新孙家湾2.14事事 故故/死亡死亡214人人 陕西铜川陈家山陕西铜川陈家山11.28 事故事故/死亡死亡166人人 22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事故瓦斯突出及扩散过程 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 1894t其中煤1300, 瓦斯量25万m3 22时32分16秒22时39分45秒, 瓦斯浓度从0.5升到6.3. 时间时间20042004年年1010月月2020日日2222时时 3939分分5050秒秒. . 22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m3 22时32分16秒22时39分45秒, 瓦斯浓度从0.5升到6.3. 大平煤矿大平煤矿大平煤矿大平煤矿“ “10.2010.20” ”瓦斯爆炸传播过程演示瓦斯爆炸传播过程演示瓦斯爆炸传播过程演示瓦斯爆炸传播过程演示