（安全技术及工程专业论文）瓦斯爆炸水系抑制剂的实验研究.pdf

s u b j e c t：e x p e r i m e n tr e s e a r c ho nc o n t r o l l i n go fg a se x p l o s i o nb y w a t e r - d e p r e s s a n t s p e c i a l t y ：s a f e t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g n a m e ：l i n y i n g i n s t r u c t o r ：c h e nx i a o k n n ( s i g n a t u r e ( s i g n a t u r e a b s t r a c t t h eh e a l t h ya n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fc o a li n d u s t r yi sb a d l ym e n a c e db yg a s e x p l o s i o no n eo ft h en a t u r ef a c t o r st h a ti n f l u e n c ei n d u s t r i a ls e c u r i t yi nm i n ea l lt h ew h i l e m a n ya c h i e v e m e n t so ng a se x p l o s i o nc o n t r o l l i n gh a v eb e e ng o ta td o m e s t i ca n df o r e i g n ，b u t t h e r ea r eo n l yaf e wr e s e a r c h e so nt h et e c h n i q u et h a tc a nc o m p l e t e l ys t o pt h eg a se x p l o s i o n w h e t h e ra l lt h r e e e x p l o s i o ne l e m e n t sh a v eb e e ni ne x i s t e n c ea tt h es a r r l et i m e t h ef i r s t q u e s t i o nw es h o u l df a c ed u r i n gt h ep r o c e s so fc a r r y i n go u tt h i st e c h n i q u ei st of i n do u ts o m e c o n t r o l l i n gm a t e r i a lw h i c hc a nc o n t r o lg a se x p l o s i o na v a i l a b l ya n di s e c o n o m i c a la n d e n v i r o n m e n t a l s oi ti si m p o r t a n tt of i n do u tt h o s em a t e r i a l sa n dc a r r yo u tt h en e wt e c h n i q u e s u p e r f i n es p r a yi su s e da st h em a i nb o d yo fw a t e r - d e p r e s s a n tf o ri t sc h a r a c t e r i s t i cs u c h a sh i g hd e c a l e s c e n c e - e f f i c i e n c ya n ds t r o n ge f f e c to fo b s t r u c t i n gr a d i a n th e a t n a h c 0 3 ，n a c i a n dk c ia r eu s e da sa d d i t i v eo f w a t e r - d e p r e s s a n t ，t h e nb a s e do nt h es m a l l - s i z e de x p e r i m e n t a l i n s t a l l a t i o n ，t h ee x p e r i m e n to fg a se x p l o s i o nu n d e rs u p e r f i n es p r a yi sd o n e a p p r o x i m a t e 9 5 v o l u m ec o n c e n t r a t i o no fc h 4i su s e da sg a s ，a n df l e s hw a t e r , n a h c 0 3s o l u t i o n ，n a c i s o l u t i o na n dk c ls o l u t i o na r et u r n e dt of o gd u r i n ge x p e r i m e n t t h ei n f l u e n c eo fs u p e r f i n e s p r a yo nf l a m ep r o p a g a t i o na n di n d u c t i o np e r i o dd u r i n gg a se x p l o s i o ni so p e n e do u tt h r o u g h a n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n tr e s u l t i t i n d i c a t e st h a ti n d u c t i o np e r i o do fg a se x p l o s i o ni s p r o l o n g e d ；t h ea v e r a g ea n dm a x i m u mr a t eo ff l a m ep r o p a g a t i o na r eb o t hr e d u c e de v i d e n t l y a f t e rs u p e r f i n es p r a yb e i n gm i x e dw i t ht h eg a s m o r e o v e r , f l a m er e s i d e n c ea r i s e sf o rs u p e r f i n e s p r a yw e a k e n i n gt h ee n e r g yo ff l a m ep r o p a g a t i o n i ts h o w st h a ts u p e r f i n es p r a yc a r lc o n t r o l p r o p a g a t i o no fg a se x p l o s i o ni nac e r t a i ne x t e n t a n dt h es u p e r f i n es p r a yt h a ti sm a d ef r o m n a h c 0 ss o l u t i o n , n a c ls o l u t i o na n dk c ls o l u t i o ni sb e t t e rt h a nf l e s hw a t e ri nc o n t r o l l i n gg a s e x p l o s i o n t h er e s u l to ft h i se x p e r i m e n tc a nb et o o k e na si m p o r t a n tr e f e r e n c ed u r i n ge x p l o i t i n gt h e w a t e r - d e p r e s s a n tf o rc o n t r o l l i n gg a se x p l o s i o n k e yw o r d s ：g a se x p l o s i o n s u p e r f i n es p r a y f l a m ep r o p a g a t i o n i n d u c t i o np e r i o df l a m er e s i d e n c e t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 姿料技夫学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者 日期： 憎名。t 。v 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名。甚j = 蹲指导教誓兰置二了搿少日 1 1 研究背景 1 绪论 我国是世界上少数几个能源以煤为主的国家之一，也是世界上最大的煤炭消费国， 特别是近几年来，由于经济的快速增长，各行各业对能源的需求与日俱增，2 0 0 0 年我国 的原煤产量不到1 0 亿吨，到2 0 0 4 年则达到了1 9 5 亿吨，四年产量翻了近一翻，却仍不 能满足需要。虽然我国的煤炭资源储量丰富，但我国煤炭资源的赋存条件和开采条件与 美国、西方发达国家甚至和发展中国家相比都有先天的不足，井工矿占了9 5 ，露天矿 却非常少，其中高瓦斯和瓦斯突出矿井占5 1 ，煤层容易自燃的占一半，煤炭开采条件 比较恶劣。此外，我国是百年产煤大国，现在矿井的平均深度是4 2 0 米，而且每年往下 延伸2 0 米。我们百万吨死亡人数为3 人，美国是o 0 3 ，波兰和南非是o 3 ，这一系列的 不利条件，客观上对我国煤矿的安全生产造成了巨大的威胁。我国煤矿产量占全世界的 3 1 ，但煤矿死亡人数却占到了全世界煤矿死亡人数的7 9 。2 0 0 4 年的1 9 5 亿吨煤炭 产量中，有安全保障能力的为1 2 亿吨，剩下的7 亿吨则安全保障能力不足。 矿井瓦斯是严重威胁煤矿安全生产的主要自然因素之一。据统计资料表明，煤矿是 矿山事故中伤亡最严重的行业，其事故死亡人数约占全国各类矿山事故伤亡总数的8 0 以上- 其中瓦斯灾害事故所造成的人员和经济损失最为严重，主要表现为瓦斯煤尘爆炸， 严重威胁着我国煤炭工业的健康、持续发展。据国家安全生产监督管理总局统计，建国 以来，全国煤矿共发生1 9 起一次死亡百人以上的矿难，死亡3 1 6 2 人。其中，1 5 起是瓦 斯爆炸事故，死亡2 1 4 0 人，事故起数和死亡人数分别占7 9 , 1 16 8 。2 0 0 2 年至2 0 0 5 年8 月2 1 日，全国煤矿发生2 9 起特别重大事故，死亡1 7 4 3 人。其中，瓦斯爆炸事故 2 4 起，死亡1 5 7 8 人，事故起数和死亡人数分别占8 3 j f n9 1 。2 0 0 1 年第1 季度我国发 生的重大伤亡事故中瓦斯爆炸事故占6 5 。2 0 0 2 年煤矿事故中8 0 以上为瓦斯爆炸事 故，一次死亡l o 人以上的特大事故中，瓦斯爆炸事故就占9 0 以上。2 0 0 5 年l 至5 月发 生一次死亡1 0 人以上的煤矿特大事故2 3 起、死亡6 8 2 人，其中瓦斯事故1 8 起、死亡 5 9 9 人，同比增加8 起、3 8 2 人。2 0 0 2 年6 月东北某煤矿发生的特大瓦斯爆炸事故，导致 1 1 5 人死亡：2 0 0 3 年5 月1 3 日安徽淮北某煤矿发生特大瓦斯爆炸事故，8 6 名井下作业人 员遇难。而在2 0 0 4 年死亡3 0 人以上的特别重大瓦斯爆炸事故就多达6 起。其中，1 1 月2 8 号7 点1 0 分，发生在陕西省铜川矿务局陈家山煤矿的特大瓦斯爆炸事故造成了1 6 6 人死亡，是2 0 0 4 年中国最为严重的矿难。瓦斯爆炸已经成为我国煤矿安全的“第一杀手”。 更为严重的瓦斯爆炸事故是2 0 0 5 年2 月1 4 日1 5 时0 1 分在辽宁省阜新矿业( 集团) 有限责任公司孙家湾煤矿海州立井发生的一起特别重大瓦斯爆炸事故，该事故造成了 西安科技大学硕士学位论文 2 1 4 人死亡，3 0 人受伤，直接经济损失4 9 6 8 9 万元，是建国以来第二大、4 5 年以来最 大的一次煤矿事故。 海州立井的基本情况：通风方式为中央并列抽出式，总入风量为4 7 0 5 立方米分钟， 总回风量为4 9 5 7 立方米分钟，孙家湾斜井担负海州立井部分风量。海州立井绝对瓦斯 涌出量为2 3 0 1 立方米分钟，相对瓦斯涌出量为1 3 7 立方米吨，属高瓦斯矿井。井下 有移动抽放泵3 台，瓦斯传感器2 6 台，多功能断电仪1 5 台，对井下采掘工作面及硐室 进行监测监控，矿井瓦斯监控系统型号为k j 7 5 。 事故的直接原因是：冲击地压造成3 3 1 6 风道外段大量瓦斯异常涌出，3 3 1 6 风道里 段掘进工作面局部停风造成瓦斯积聚，瓦斯浓度达到爆炸界限；工人违章带电检修架子 道距专用回风上山8 米处临时配电点的照明信号综合保护装置，产生电火花引起瓦斯爆 炸。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 瓦斯爆炸防治技术现状 1 ) 防止瓦斯积聚的技术 瓦斯积聚是指矿井局部瓦斯浓度超过2 ，其体积超过o 5 m 3 的现象，瓦斯积聚场 所主要是掘进工作面、采煤工作而和盲巷密闭等其它工作面。据统计，瓦斯积聚的规律 是，越靠近瓦斯涌出源区瓦斯积聚的概率越高，越是供风停顿或供风不足的时间越长， 瓦斯积聚量越大。因此，在采掘工作面采掘机械落煤部、钻机钻孔见煤或瓦斯源处、放 炮落煤过程、排放瓦斯下游井巷、旧式采煤法冒高处、密闭区域、通风不良区( 含隅角 区) 、停风、无风区( 含独头巷道停风) 、瓦斯喷出、瓦斯突然大量涌出以及煤和瓦斯突 出等都是在时间上与空间上积聚瓦斯概率最高的。引起瓦斯积聚的直接原因是停风、无 风或通风不良。 ( 1 ) 矿井通风 矿井通风系统是由通风动力及其装置、通风井巷网络、风流监测与控制设施等构成。 其任务是利用通风动力，以最经济的方式，向井下用风地点提供优质量足的新鲜空气， 为矿井供给新鲜风量，冲淡并排出有毒、有害气体和粉尘，保证井下风流质量和数量符 合国家安全卫生标准；创造安全、健康的工作环境，防止各种伤害和爆炸事故；保障井 下人员身体健康和生命安全，保护国家资源和财产【l 】。 有效的通风可以稀释瓦斯浓度，使其降至煤矿安全规程所规定的l 以下，它 是防止瓦斯积聚的最基本最有效方法。矿井所需风量需按下列要求分别计算并选取其中 最大值： a 、井下同时工作的最多人数乘以单位时间内每人所需风量； b 、井下采煤、掘进、硐室和其他地点需风量的总和。 因此，通风能力一定时，就必须限制产量，以风定产，不能超能力开采。一旦超能 力开采瓦斯涌出量就会增大，瓦斯浓度就会升高，瓦斯爆炸的危险性就会增加。 容易产生局部瓦斯积聚的地方有：回采工作面的上隅角；顶板冒落的空洞内：低风 速巷道的顶板附近：停风的盲巷；回采工作面采空区边界以及采煤机附近等。对于这些 部位通常采用采取如下的措施： a 、在积聚瓦斯的地点加大风量或提高风速，将瓦斯冲淡和排除； b 、将局部瓦斯积聚的地点封闭隔绝，如封闭盲巷和积存瓦斯的空洞： c 、建立安全可靠的矿井通风系统。及时发现矿井通风系统中存在的问题和安全隐 患，调整和改造系统：优化通风设计，准确编制事故预防与处理方案【2 l 。 ( 2 ) 对煤层进行瓦斯抽放 瓦斯抽放是指在进行采区、工作面布置前，以及工作面回采前、开采中和开采之后， 通过矿井瓦斯抽放管路系统，将开采煤层、临近煤层和采空区中的瓦斯抽出加以利用， 或直接排放到矿井外大气、矿井回风系统中，确保矿井生产过程中不受或少受瓦斯因素 影响，实现安全生产的技术手段【3 】。 美国煤阳在没有开发之前通常都要通过三维地震、煤藏精细描述等方法把煤田区域 的地质情况搞得一清二楚，然后打立井、斜井、水平井、丛式井、羽状井等各式各样的 井，用一年多的时间把煤层的瓦斯抽出，然后再去丌巷道，人下去时瓦斯就很少了，这 样才是达到本质安全。早在1 9 5 3 年，美国就在圣胡安笳地钻探完成了第一口煤层气试 验井，当时由于受勘探技术的局限，未能进行大规模的丌采。直到1 9 8 1 年美国应用地 面钻井技术开采煤层气获得了突破性进展，使得美国煤层气生产基本上达到了商业化规 模。美国和澳大利亚等国的实践证明，煤层气的开发利用不仅能给社会提供一种优质能 源和化工原料，而且能极大的降低煤矿开采的瓦斯排放量，大大的减少矿井通风费用， 改善了生产安全条件，防止瓦斯灾害事故的发生【4 j 】。 我国煤矿最常用的瓦斯抽放方式是井下抽放瓦斯，我们所谓的先抽后采，是人与瓦 斯共存，边抽边采，根本达不到本质安全。白上个世纪5 0 年代初开始进行煤矿井下瓦 斯抽放试验，我国瓦斯抽放量已有了较大幅度的增长，原国有重点煤矿中的高瓦斯和突 出矿井大都建立了瓦斯抽放系统。截至2 0 0 3 年，全国国有重点煤矿共建有2 0 3 处矿井 瓦斯抽放系统，抽出瓦斯1 5 2 1 亿立方米【6 】。但是，我国煤矿目前的总体瓦斯抽放效果 不佳，具体表现为瓦斯抽放率低，主要有两个方面的原因：一方面是客观原因，我国9 5 以上的高瓦斯和突出矿井所开采的煤层属于低透气性煤层，煤层透气性系数只有 0 0 0 4 0 0 4 m 2 ( m p a 2 d ) ，瓦斯抽放( 特别是预抽) 难度非常大；另一方面是主观原因，主 要表现为抽放时间短、钻孔工程量不足、封孔质量差、抽放系统不匹配和管理不到位等 【7 1 。 西安科技大学硕士学位论文 衡量一个瓦斯矿井是否有必要抽放，可以根据以下几点来判断：对于生产矿井，由 于矿井的通风能力已经确定，所以矿井瓦斯涌出量超过通风所能稀释瓦斯量时，即应考 虑抽放瓦斯：对于新建矿井，当采煤工作面瓦斯涌出量 5 m 3 m i n ，掘进工作面瓦斯涌 出量 3 m 3 m i n ，采用通风方法解决瓦斯问题不合理时，应该抽放瓦斯；对于全矿井， 一般认为，绝对瓦斯涌出量 3 0 m 3 m i n ，或相对瓦斯涌出量 1 5 2 5 m 3 t 时应抽放瓦斯； 开采保护层时应考虑抽放保护层瓦斯；对于突出煤层，可以考虑用预抽瓦斯的方法防止 突出 8 1 。 目前的瓦斯抽放系统主要由瓦斯抽放泵、瓦斯抽放管路( 带阀门) 、瓦斯抽放钻孔或 巷道、钻孔或巷道密封等组成。根据抽放瓦斯的来源，瓦斯抽放可以分为：本煤层瓦斯 预抽、邻近层瓦斯抽放、采空区瓦斯抽放、几种方法的综合抽放等。抽放方法的选择必 须根据矿井瓦斯涌出来源的调查，考虑自然的与采矿的因素和各种抽放方法所能达到的 抽放率。 ( 3 ) 对瓦斯气体进行净化处理 9 a o 】 对瓦斯气体进行净化处理是指将瓦斯气体热分解净化和多孔电致发热陶瓷吸附净 化瓦斯气体。通过采用多级分解腔对瓦斯气体进行氧化分解和用分解腔金属网嵌涂覆催 化剂对瓦斯气体进行催化分解，并在分解腔后置一特定的多孔碳化硅蜂窝陶瓷和多孔碳 化硅泡沫陶瓷结构，对热分解后的残余气体进一步吸附、分解和净化，以使分解后的气 体中c h 。和c o 等含量降到o 5 o 。但是该技术对瓦斯气体的分解净化量还是很有 限的。 2 ) 安全检测技术 矿井安全检测主要包括风速测定、矿井通风阻力测定、瓦斯检测、一氧化碳检测、 氧气检测、温度检测、烟雾检测、开关量检测等。特别是对瓦斯浓度及火源的实时自动 监测对于防止瓦斯爆炸非常重要，当发现瓦斯异常或有火源产生，立即采取措施就可以 有效的避免瓦斯爆炸事故的发生。e l 前，我国在矿井安全包括瓦斯、c o 、氧气、 风速、温度、烟雾等监测技术及装备方面，已经开发出了k j 9 0 、k j 5 4 、k j 6 6 、k j 9 5 、 k j 9 2 等型号的矿井综合监控系统，以及各类检测传感器、报警仪和断电仪。 矿井瓦斯检测方法主要有实验室取样分析法和井下直接测量法两种。使用便携式瓦 斯检测报警仪，可随时检测作业场所的瓦斯浓度，也可使用瓦斯传感器连续实时地监测 瓦斯浓度。煤矿常用的瓦斯检测仪器，按检测原理分类有：光学式、催化燃烧式、热导 式、气敏半导体式等等，可以根据使用场所、测量范围和测量精度等要求，选择不同检 测原理的瓦斯检测仪器。 3 ) 隔绝火源的技术 防止引燃瓦斯的主要措施是隔绝火源，严格管理和控制生产中可能发生的火、热源， 防止火源达到瓦斯爆炸的最小点燃能量并与“瓦斯空气”混合气体接触。隔绝火源主 i 绪论 要采取以下几种措施： ( 1 ) 井下的电气设备必须使用符合煤安标准的防爆器材，并坚持定期组织对 电气设备和电缆进行检查、调整和维修，确保电火花存在的时间控制在1 0 - 2 1 0 - 6 s 内， 电弧存在时间在1 0 _ 1 s 内；使用抗静电、阻燃的材料；采用风电闭锁等技术；锤打冲 击工具应使用安全合格的材质：保证矿灯完好，严禁在井底拆开、敲打、撞击矿灯；为 防止机械摩擦产生火花，对切割部件使用难以引燃的合金，在摩擦部件金属表面镀敷活 性小的金属( 铬等) ，在运转部件上安设过热保护装置和温度检测报警装置，并积极使 用洒水降温设施。 ( 2 ) 井下严禁携带烟火及其他引火物品；严格禁止从事电焊工作；不得使用电炉； 在井1 ：3 房、风机房和抽放瓦斯泵房周围2 0 m 内禁止使用一切明火；井下发现外因火灾， 应立即灭火并进行处理，必要时进行隔离，对内因火区要按照规程规定严格管理。 ( 3 ) 井下采掘工作面应使用煤矿安全许用的炸药：应使用许用的毫秒延期电雷管： 严格执行打眼、装药、封泥的规定，严禁明火放炮和采用糊炮，确保高温存在的时间小 于瓦斯爆炸感应期。 但是，由于井下生产系统的庞大，机电设备的多元化以及人员素质和管理水平的限 制，产生火源和井下火灾的情况仍时有出现，尤其是易自燃煤层矿井，自燃火灾更是经 常发生。 4 ) 减小爆炸影响范围的抑爆、隔爆技术 抑爆是利用爆炸探测器感应初始爆炸，中心控制单元触发抑爆器动作，扑灭爆炸传 播的火焰，阻止爆炸向更大的范围发展。隔爆技术则是利用爆炸探测器感应爆炸，监控 单元对火焰速度进行计算，同时触发隔爆装置，把已经发生的爆炸控制在一定范围内并 扑灭以防止爆炸向外传播的技术措施。该技术主要分为两大类：被动式隔爆技术和自动 式隔爆技术。 ( 1 ) 被动式隔爆技术( 也称隔爆措施) 。发生爆炸的初期，爆炸火焰峰面是超前于爆 炸压力波向前传播的，随着爆炸反应的继续和加强，压力波逐渐赶上并超前于火焰峰面 传播，两者之间有一时间差。被动式隔爆技术就是利用这一规律，利用压力波的能量使 隔爆措施动作，在巷道内形成扑灭火焰的消焰抑制剂尘云，后续到达的火焰进入抑制剂 尘云时被扑灭，阻止了爆炸继续向前传播。被动式隔爆技术主要有：岩粉棚、水槽棚和 水袋棚，统称为被动式隔爆棚。 被动式隔爆棚的设置方式有3 种形式：集中式布置、分散式布置和集中分散式混合 布置。根据隔爆棚在井巷系统中限制煤尘爆炸的作用和保护范围，可将它们分为主要隔 爆棚( 重型棚) 和辅助隔爆棚( 轻型棚) 。重型棚的作用是保护全矿性的安全，在矿井两翼 与井筒相通的主要运输大巷和回风大巷、相邻煤层之间的运输和回风石门、相邻采区之 间的集中运输巷和回风巷内设置。轻型棚的作用是保护一个采区的安全，在采煤工作面 西安科技走学硕士学位论文 的进风、回风巷和采区内的煤及半煤岩掘进巷道以及采用独立通风并有煤尘爆炸危险的 其他巷道内设置。 ( 2 ) 自动隔爆技术。被动式隔爆技术的作用原理决定了该技术措施只能在距爆炸 源6 0 2 0 0 m ( 岩粉棚3 0 0 m ) 范围内发挥抑制爆炸的作用。因此，在爆炸发生的初期该技 术是无效的。此外，在低矮、狭窄和拐弯多的巷道中使用也极其不利，不能发挥抑爆效 果。针对这些缺点各国研究并使用了自动隔爆技术。 传感器、控制器和喷洒装置是自动隔爆装置三大组成部分，由若干台自动隔爆装置 组成的隔爆系统即为自动式隔爆措施。传感器主要有3 类：接受瓦斯煤尘爆炸动力效应 的压力传感器、利用爆炸热效应的热电传感器和利用爆炸火焰发出的光效应的光电传感 器；控制器是向喷洒抑制剂的执行机构发出动作指令的仪器；喷洒装置一般由执行机构、 喷撒器和抑制剂储存容器组成。它的作用是将抑制剂( 岩粉、干粉或水) 扩散于巷道空间 形成粉尘云或水雾带，其动作应迅速、可靠、能适应爆炸的快速发展。 5 ) 瓦斯防治中存在的问题 强化矿井通风是为了稀释瓦斯浓度，但我国目前有不少高瓦斯突出矿井存在总供风 量不足、通风系统复杂、稳定性差、风流调节与控制困难等问题。要增加供风量，需要 增加或扩大进回风井硐和巷道，优化通风网络，减少通风阻力，更换大功率通风机械设 施等，这需要投入大量的工程和资金；要增强通风系统的稳定性和可调控性，应调整采 掘部署，实现集约化生产，完善通风设施，强化通风管理：要扩大单工作面的生产能力， 又受到瓦斯威胁的制约，风速太大会加速采空区煤炭自燃发火，扬起煤尘，恶化生产环 境，甚至会引起煤尘爆炸，国内矿井回采工作面通风量一般应控制在2 0 0 0 m 3 m i n 以内。 矿井通风的最高、最低允许风速见表】1 。 表1 1 井巷中允许的风流速度 对于瓦斯抽放，部分矿井采用无金属支护的尾巷排放瓦斯，尾巷瓦斯浓度可控制在 1 绪论 3 以内，尾巷和回风巷稀释的瓦斯量可达3 0 m 3 m i n 以上，但由于瓦斯涌出和瓦斯浓度 分布的不均衡性，这种做法并非安全可靠。而且由于我国高瓦斯突出矿井的煤层具有低 渗透率和高可塑性的特点，使得沿煤层打钻孔困难，煤层采前预抽效果较差，限制了我 国高瓦斯突出矿井井下瓦斯抽放。美国的开发区标准认为，煤层渗透率不能低于l 1 0 一 3 a m 2 ，最佳渗透率为3 1 0 - 3 4 1 0 - 3 9 m 2 ，且要求煤层的内生裂缝发育良好。但我国煤 矿的煤层渗透率一般在o 1 l o - 3 l a m 2 o 0 0 1 1 0 j 3 9 m 2 ，条件较好的抚顺煤田煤层渗透率 为o 5 4 x l o u m 2 3 ，8 1 0 - 3 9 m 2 ，开滦、柳林、水城等矿区煤层渗透率只有o 1 1 0 1 u m 2 1 8 x 1 0 - 3 9 m 2 。因此，我国瓦斯抽放科研工作的重点就是要对具有压力封闭型构造、低 渗透率煤层的瓦斯抽放技术进行攻关j 。表1 2 是按照煤层的透气系数评价未卸压煤层 预抽瓦斯的难易程度的指标。 表1 2 煤层抽放瓦斯难易程度分级表 1 2 2 抑爆、隔爆材料的研究1 2 抑制剂的选择原则是抑制火焰用量少、效果好、价格便宜。虽然岩粉在煤矿应用最 广，但是在弱的瓦斯煤尘爆炸条件下，以及在剧烈的强爆炸时，它的抑制效果并不理想。 现在常用的抑制剂主要有液体抑制剂水、水加卤代烷、粉末无机盐类抑制剂和卤代烷。 粉末无机盐类有( n h 4 ) h 2 p 0 4 、n a c i 、k c l 、k h c 0 3 、n a h c 0 3 、c a c 0 3 等粉剂。卤代烷 有二氟一氯一溴甲烷等，虽然灭火效果好，但它有破坏臭氧层的缺点，已禁用。 抑爆剂主要是应用在抑爆、隔爆装置中。有的抑爆剂是用来稀释瓦斯和氧气浓度的， 有的是可以中止瓦斯链反应，从而抑制瓦斯爆炸及其火焰传播。例如，颗粒较大的水在 瓦斯爆炸反应过程中，主要就是作为第三体，参与三元碰撞反应，使支链反应的活性中 心浓度降低；或者以惰性水滴存在，与自由基或自由原子碰撞而销毁链载体来抑制瓦斯 爆炸的链反应，达到降低瓦斯爆炸能力，甚至阻止瓦斯爆炸的传播的效果。同样，惰性 气体对火区瓦斯爆炸的抑制也是在于惰气的注入降低了瓦斯链式氧化反应活化中心或 自由基的浓度，并降低自由基或自由原子的化学活性，同时陕速熄灭明火，降低火区温 度，从而降低瓦斯链式反应速率，使瓦斯爆炸反应不能起链、减少支链反应数目及使支 链反应速率降低或终止，从而达到抑制爆炸反应发生的目的。 西安科技大学硕士学位论文 1 2 3 水雾抑制瓦斯爆炸的研究 水雾出于其所具有的特性，在熄灭电气火灾、建筑火灾、舰船火灾等不同类型的火 灾中已经得到了广泛的应用。实验研究表明，一定条件下的水雾对爆炸火焰传播同样具 有很好的抑制效果。当水雾作用于火焰阵面反应区内时，能够使气体燃烧反应的速度减 弱，延长火焰阵面的预热区，减缓火焰阵面传热与传质的进行，从而使传播火焰得以抑 制。 在具有几何相似性的部分封闭和具有障碍物的工业环境下a c t o n 等人进行了水雾抑 制爆炸的研究l 】。实验结果表明使用水雾后爆炸所产生的超压显著降低，但由于水雾的 使用也使得到达爆炸超压峰值的时间缩短。 c a t l i n 等人在一个矩形钢管中对水雾抑制爆炸火焰的效果进行了实验研究，实验结 果表明火焰在开口管道中的加速比在封闭环境时的快，加速的火焰超压可使水雾液滴破 碎，从而使爆炸火焰超压下降【2 。 t h o m a s 等人则对爆炸火焰的水雾抑制进行了一系列的研究口1 ，2 ”。他们在长5 3 2 m 截面为1 7 5 m m x 2 7 5 m m 的不透明的方形火焰管中，运用高速摄影，通过平行于水雾区的 观察窗来观测爆炸冲击波破碎液滴的过程。t h o m a s 通过实验研究认为水雾仅靠蒸发是 不足以使气体爆炸火焰熄灭的，水雾对爆炸的抑制作用来自燃烧区内增加的热量传递和 质量传递，而这种热量和质量传递则是由于火焰阵面前诱导流场中初始水雾液滴破碎的 结果。 a a b b u dm a d r i d 等则在微重力条件下对传播火焰通过超声波水雾区的过程进行了 研究【2 ”，他们认为在高浓度水雾作用下，火焰传播速度降低是由于水雾液滴吸收了火焰 反应区对未燃区气体的辐射热量。 陆守香等分析了水参与瓦斯爆炸的化学反应动力学机理，并通过爆炸反应平衡计算 和实验验证，说明在瓦斯爆炸链反应过程中，水主要是作为第三体或惰性液滴破坏其中 的链载体，从而降低瓦斯爆炸反应能力。瓦斯空气混合物水含量增大，瓦斯爆炸能力下 降，强度降低，爆炸极限浓度范围缩小。 综上所述，水可以通过以下几种途径来达到抑制瓦斯爆炸传播的效果：( 1 ) 分散在瓦 斯气体中的雾滴的耗散作用引起前驱冲击波强度衰减，并通过雾滴的蒸发等物理冷却作 用来影响紧随其后的燃烧区的化学反应，从而导致爆炸波的衰减；( 2 ) 水雾直接作为第三 体干预爆炸反应区的化学反应，降低了爆炸反应速度和支持爆炸波传播的能量，使爆炸波 发生衰退。 1 2 4 小结 综合国内外在瓦斯爆炸防治技术和抑爆、隔爆及其材料方面的研究现状。可以发现 在瓦斯爆炸防治技术方面，目前主要是围绕着如何高效、快捷的破坏或阻止瓦斯爆炸三 角形的形成上开展了大量的研究工作。尽管这些技术在矿井中的应用和发展已经为矿井 的安全生产做出了巨大的贡献。但是，由于我国煤矿地质条件的复杂性，以及考虑到矿 井生产的经济性等问题，一些先进的瓦斯爆炸防治技术仍然不能有效的杜绝瓦斯爆炸事 故的发生。而现有的抑爆、隔爆技术虽然可以在控制爆炸的影响范围方面产生一定的作 用，但仍然存在许多技术难关，比如抑爆、隔爆装置安装位置的不确定性以及隔爆棚隔 爆效果的不稳定性，抑爆剂的使用量较大等【2 “。因此现有的抑爆、隔爆技术在瓦斯爆炸 控制方面的作用还有一定的局限性。 从瓦斯爆炸事故产生的整个过程看，目前还缺乏项能够在瓦斯爆炸三要素都满足 的条件下，有效控制瓦斯爆炸发生、发展的技术。特别是在矿井生产系统中出现火灾或 高瓦斯矿出现第一次瓦斯爆炸后，通风系统紊乱，瓦斯爆炸三要素将不可避免的产生时， 这种技术的应用将会有效的降低井下的人员和财产损失，产生可观的安全和经济效益。 水作为自然界普遍存在的一种稳定的化合物，在人们平常的生产和生活中发挥了不 可替代的作用。用水作为抑爆剂的主体具有成本低，来源广，使用方便等特点。大量的 实验研究表明，一定条件下的水雾对于瓦斯爆炸火焰具有较好的抑制作用，火焰在水雾 中传播时，其能量会受到较大的削弱，可以在一定程度上减小爆炸的能量。同时，悬浮 的水滴还能作为第三体参与爆炸的链式反应，降低爆炸反应的化学反应速率。因此，本 文以水作为载体，通过加入适当的添加剂后并以一定的方式使之分散于“瓦斯空气” 混合气中来进行瓦斯爆炸抑制实验，力图在瓦斯爆炸控制材料方面有所发现，使得在瓦 斯爆炸三要素都满足的条件下加入控爆材料后能够有效的控制瓦斯的爆炸，甚至使之不 发生爆炸。 1 3 研究的主要内容 ( 1 ) 抑爆材料选择 作为矿用瓦斯爆炸抑制材料必须具有以下特点：对环境没有危害，即不含破坏臭氧 层因素( 大气臭氧损坏值o d p 5 0 0 5 ) ，不含产生温室效应因素( 温室效应值g m p _ 0 1 ) ，在 大气中存活时间不宜太长；对人体无危害；毒性低，最好是无毒：抑爆效果好， 抑爆临界浓度小；对井下设备没有影响等。 在瓦斯爆炸链反应中起主要作用的是c h 3 、h c o 、h 、o h 等自由基，而钠、钾、 氯等原子对活性基团c h 3 、h c o 、h 、o h 和0 等有较好的抑制作用，因此在抑爆材料 的选择上选取包含钠、钾、氯原子的化合物，如选取n a h c 0 3 、n a c i 、k h c 0 3 、k c i 等 进行实验。 ( 2 ) 配制水溶液 将抑爆材料配制成水溶液，目的是为了使抑爆材料中的钠、钾、氯等原子以离子的 西安科技大学硕士学位论文 形式存在，并利用水较大的比热来吸收瓦斯爆炸时产生的热量，降低爆炸温度，从而提 高抑爆剂的抑制效果，尽可能的发挥出抑爆材料的化学抑制作用和超细水雾较高的物理 降温作用。 ( 3 ) 抑爆剂的超声波雾化 用超声波雾化器将抑爆剂水溶液进行雾化，增强抑爆剂的分散性，同时增加液滴的 比表面积，以利于抑爆剂与甲烷气体的充分混合，提高抑爆剂有效成分与活性自由基之 间的接触几率，增强抑爆剂对自由基的销毁作用和超细水雾对火焰及预混气的冷却降温 作用。 ( 4 ) 浓度对抑爆的影响 抑爆剂主要的抑爆机理就是通过与爆炸产生的活性基团发生碰撞来降低基团的活 性，使之形成稳定分子。因此，改善抑爆效果的关键环节就在于提高抑爆剂与活性基团 的碰撞几率。很显然，这种碰撞几率和抑爆剂在爆炸区域内的浓度和粒度有着密切的联 系，从动力学的角度看，抑爆剂的浓度越大，粒度越小，其与活性基团碰撞的几率就越 高。通过对不同浓度抑爆剂条件下瓦斯爆炸基本特征的实验，研究抑爆剂浓度对瓦斯爆 炸抑制效果的影响。 ( 5 ) 不同抑爆剂的抑爆效果分析 抑爆剂对瓦斯爆炸的抑制通常都具有物理和化学两方面的作用，对于不同的抑爆 剂，两种作用的大小是不同的，其抑爆机理和抑爆效率也存在着一定的差异性。根据对 选定的不同抑爆剂进行实验所获得的实验结果，分析不同抑爆剂对瓦斯爆炸的抑制效 果。 1 4 技术路线 第一，查找国内外文献。了解国内外对矿井瓦斯爆炸机理的研究情况以及对瓦斯 爆炸所采取的防治技术和方法的研究；了解实验研究所选用的抑爆材料的特性及其应 用。 第二，进行市场调研，购买超声波雾化器，并购买实验所需的化学试剂用以制取 抑爆剂水溶液，并将溶液配制成不同的浓度提供给实验时使用。 第三，设计实验方案，调试瓦斯爆炸实验平台，采用超声波雾化器将抑爆剂水溶 液进行雾化达到实验要求。 第四，进行水系抑制剂控制瓦斯爆炸的实验，并采集相关数据。 第五，进行实验数据的处理与分析，整理并分析实验数据，研究水系抑制剂控制 瓦斯爆炸的效果。 1 绪论 爆平 炸台 泵磊而】莉蚕雨而i ； 斯爆炸的实验研究一9 蓊嚣_ 斯爆炸的实验研究 嗫瓦雨露而谣j 噩丽 一一瓦斯爆炸的实验研究i 图1 1 实验技术路线示意图 结合理论分析不同 超细水雾对瓦斯爆 炸的控制效果 船翌瓣氍 卜 一抑制实验一搭建瓦斯 西安科技大学硕士学位论文 2 瓦斯爆炸火焰的传播及其影响因素 2 1 瓦斯爆炸三角形 矿井瓦斯是煤矿生产过程中，从煤、岩内涌出的以甲烷为主的各种有害气体的总称。 矿井瓦斯的组成成分及其比例关系因其成因不同而有差异。国内外对煤层瓦斯组分的大 量测定表明，其中可能含有约2 0 种气体：甲烷及其同系烃类气体( 乙烷、丙烷、丁烷、 戊烷、己烷等) 、二氧化碳、氮、二氧化硫、一氧化碳和稀有气体( 氦、氖、氩、氪、氙) 等。但最主要的成分为甲烷，按体积比例可达7 0 9 9 ，平均在9 0 以上；其次为 氮气和二氧化碳，平均含量分别为3 4 ，而其他气体成分的含量通常都是非常低的。 瓦斯的化学名称为甲烷( c 1 4 ) ，是一种无色、无味、无嗅的气体，它可以燃烧或爆 炸。甲烷分子的直径为o 3 7 5 8 x 1 0 m ，其扩散速度是空气的1 3 4 倍，甲烷在标准状态 下的密度为o 7 1 6 k g m 3 ，比空气轻，与空气的相对密度为o 5 5 4 。瓦斯微溶于水，在2 0 。c 和0 1 0 1 3 m p a 时，1 0 0 l 水可以溶解3 3 1 l 甲烷，0 。c 时可以溶解5 5 6 l 甲烷峭j 。 瓦斯爆炸的必要条件是：气体中甲烷的浓度处于爆炸范围内( 在常温常压下，形成 5 1 5 的瓦斯积聚) ：氧气的浓度超过失爆氧浓度( 在二氧化碳惰化下，氧浓度大于 1 2 ；在氮气惰化下，氧浓度大于9 ；引火源的能量大于最小点燃能量( 理论上为 0 2 8 m j ) 、温度高于最低点燃温度( 6 5 0 ) 并且点燃时间长于爆炸感应期。 瓦斯 圈2 i 瓦斯爆炸三角形 对于一般的矿井，氧浓度是满足的，只要瓦斯积聚和火源两大基本要素同时具备就 会发生瓦斯爆炸事故。 2 _ 2 瓦斯爆炸机理 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 的现象称为爆炸。爆炸主要分为物理性爆炸和化学性爆炸两大类，前者是由物理变化而 引起的，物质因状态或压力发生突然变化而形成的爆炸现象称为物理性爆炸，例如锅炉 爆炸、液化、气体超压爆炸等。物理性爆炸前后物质的性质及化学成分均不改变。化学 ， 摹 f 2 瓦斯爆炸火焰的传播及其影响因素 性爆炸是由于物质发生迅速的化学反应、产生高温、高压而引起的爆炸，化学爆炸前后 物质的性质和成分均发生了变化。按反应机理的不同，化学性爆炸又可以分为： ( 1 ) 热爆炸。由于一个放热反应在散热远小于放热的情况下进行，反应热使体系 温度上升，温度又使反应速率按指数规律加快，同时又放出更多热量，如此恶性循环所 导致的爆炸。 ( 2 ) 支链爆炸。在链反应中，若链的支化反应步骤的速率很大，断链反应的速率 跟不上链支化速率，即自由基的生成速率大大超过自由基销毁速率时，将使自由基浓度 剧增，从而使反应速率不断的加速，最终引起爆炸。 矿井瓦斯爆炸属于化学性爆炸，它是一定浓度的甲烷和空气中的氧气相互作用，在 一定温度下产生剧烈的氧化反应、化学反应，是热爆炸和支链爆炸两种爆炸机理同时存 在的爆炸过程。当甲烷浓度处于9 5 时，其爆炸最为猛烈。在爆炸的化学过程中，反 应物分子并不是直接进行化学反应，而是经历了一系列的链锁反应，反应物分子首先分 离成一系列自由基或基团( 自由原子和自由原子团) ，这些活性强的自由基是链锁反应 的关键。自由基的特点是在一定环境下，借助于自身反应热进行再生，反复的与反应物 分子发生作用，产生新的自由基，而新生成的自由基又迅速参与反应，如此发生连锁反 应就可能形成爆炸。 2 2 1 链锁反应原型2 5 j 链反应理论认为，气态分子间的作用不是两个分子直接作用得出最后产物，而是活化 分子自由基与另一分子起作用，作用结果产生新自由基，新基又迅速参与反应，如此连续下 去而形成一系列的连锁反应。自由基是指化合物分子中的共价键在外界( 如光辐射、热、 电或其它化学引发剂) 的作用下分裂成的含有不成对价电子的原子或原子集团。自由基 的活性非常高，一般条件下不能稳定存在。链反应一般由三个基本步骤组成： ( 1 ) 链引发 借助于光照、加热等方法使反应物分子断裂产生自由基的过程，称为链引发。在链 引发过程中，由于引发因素的作用，反应分子会分解成自由基，但是引发过程是个困难 的过程，因此在链引发时自由基的生成速率一般较小。 ( 2 ) 链传递 它是自由基与反应物分子发生反应的步骤。在链传递过程中，旧自由基消失的同时 产生新的自由基，从而使化学反应能继续下去。根据链传递方式的不同，链锁反应可以 分为直链反应和支链反应。直链反应在链传递过程中每消耗一个自由基的同时又生成一 个自由基，直至链终止，整个过程自由基数目保持不变。 对于支链反应，一个自由基在链传递的过程中，生成最终产物的同时产生两个或两 个以上的自由基，因此自由基的数目在反应过程中是随时间增加的，反应速率是加速的， 西安科技大学硕士学位论文 瓦斯的爆炸反应即为支链反应。设链传递过程中的自由基增长速度为，自由基浓度 为n ，则 _ - f ” 式( 2 1 ) 其中，厂为分支链生成自由基的反应速度常数。由于分支过程是由稳定分子分解成 自由基的过程，需要吸收能量，因此温度对，的影响很大，温度升高，值增大，即活 化分子的百分数增大。 ( 3 ) 链终止 链式反应中，通过自由基销毁而使反应链中断的过程，称为链终止。断链的方式主 要有以下几种：两个自由基发生歧化反应，形成两个稳定分子称为歧化终止，自由基消 失，因而反应链不再延续：自由基与另一自由基结合成共价键，称为偶合终止，或自由 基与器壁碰撞失去活性而断链。在链终止的过程中，随着稳定分子的形成，自由基本身 也随之销毁，设自由基的销毁速度为，则 暖 = g ，? 式