（安全技术及工程专业论文）采空区瓦斯气体爆炸极限参数的实验研究.pdf

s u b j e c t s p e c i a l t y ：e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho nt h ee x p l o s i v e l i m i tp a r a m e t e r so fg a si ng o ba r e a ：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：w ux i a o c h u n i n s t r u c t o r：d e n gj u n a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) a sar e s u l to ft h er e g i o nc o a ld e s t r u c t i o na n dt h eg a sn o n 。e v e nr e l e a s ei ng o b a r e au n d e r t h ec o n d i t i o no fs u p p l y i n go x y g e nt h r o u g hm a c h i n e r y o rn a t u r a lv e n t i l a t i o n ，t h ec o a lp r o d u c e s e x p l o s i v eg a s e si nt h ep r o c e s so fs e l f - i g n i t i o ns u c ha sc o 、i - 1 2 、c 2 h 6 、c 2 h 4o rc 3 h 8 e t c t h e y c o m p o s et h ei m p o r t a n ti n g r e d i e n t so fm u l t i c o m p o n e n tg a s e sw h i c h i sc a l l e dg a si ng o ba r e a 、析mc h 4t o g e t h e r g a se x p l o s i o ni ng o ba r e ai ss e r i o u s l yt h r e a t e n i n gt h el i v e so fm i n i n g w o r k e r sa n dt h es a f e t yo fp r o p e r t y a l t h o u g hg a se x p l o s i o na c c i d e n t sf r e q u e n t l yo c c u r , a t p r e s e n tt h e r ei sn o ta n yt e c h n i q u et h a tc a l lc o m p l e t e l ys t o p t h eo c c u r r e n c eo ft h eg a s e x p l o s i o nw h e n i th a sa l lt h et h r e ee x p l o s i v ee l e m e n t s r e s e a r c h e so nt h ee x p l o s i v ec h a r a c t e r i s t i c so fg a si ng o ba r e a a r ep l e n t y , c o n c e n t r a t e so n t h ee 任- e c t so fe x t e r n a lc o n d i t i o n ss u c ha si g n i t i o ne n e r g y 、i n i t i a lp r e s s u r e 、t u b e s i z eo r o b s t a l c l e so nt h em e c h a n i s mo fa c t i o no fe x p l o s i v ef l a m ep r o p a g a t i o n b u tr e s e a r c h e s o n e f f e c t so fp r o p e r t yo fe x p l o s i v eg a so nt h ee x p l o s i o no fm u l t i 。c o m p o n e n tg a s e sa r e r a r e t h e r e f o r et h i sp a p e rs e l e c t e df o u ri m p o r t a n te x p l o s i v eg a s e sc h 4 、h e 、c o a n dc 2 h 4i ng o d a r e 钆i th a sd e t e r m i n e dt h ee x p l o s i v ep r o p e r t yp a r a m e t e r so fs i n g l ec o m p o n e n tg a sa n dt h e e x p l o s i v el i m i t so fm u l t i c o m p o n e n te x p l o s i v em i x t u r eg a s e s i n v e s t i g a t e d t h ee f f e c t so ft h o s e f o u rg a s e so nt h ee x p l o s i v el i m i t so fg a sc o m p o s e db yt h e m t h e r e f o r et h er e s u l tw i l lp r o v i d e t h ee x p e r i m e n t a ls u p p o r tt os u p p r e s st h eg a se x p l o s i o n ，p r e v e n tt h eo c c u r r e n c eo f t h ed i s a s t e r i ng o da r e a a l lr e s e 剐c hw o r ka r ed o n et h r o u g he x p l o s i v et r i a ld e v i c eo fm u l t i c o m p o n e n te x p l o s i v e m i ) m u eg a s e s c h a i nr e a c t i o nm a c h i n eo fe x p l o s i v eg a sw h i c hr e l a t e d t ot h er e s u l to ft h e e x p e r i m e n ti st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e da n dd i s c u s s e d t h ec h a r a c t e r sa n dc r e a t i v i t yo f t h i ss t u d y a r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f1 ) t h ec o n c e n t r a t i o ne x p l o s i v e1 i m i t s ，t h em i n i m u mi g n i t i n ge n e r g nt h em a x i m u m e x p e r i m e n t a ls a f eg a p s ，a n do t h e re x p l o s i v ec h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e nd e t e r m i n e df o re a c h s i n g l ec o m p o n e n tg a sc u 4 、h e 、c oo rc 2 h 4 t h e i re x p l o s i v ep r o p e r t yp a r a m e t e r sh a v ea l s o b e e na n a l y z e d ( 2 ) t a k i n gs y s t e me x p e r i m e n t a ls t u d yo fm u l t i - c o m p o n e n tg a s e sc o n t a i n i n g h 2 、c o 、c 2 h a a n dc n 4 ，b ye x p e r i m e n t si th a sg o t t e nl o t so fp a r a m e t e r si nr e l a t e de x p l o s i v el i m i t so f m u l t i - c o m p o n e n tm i x t u r eg a s e s i ta n a l y z e dt h ee f f e c t so fp r o p e r t yo ft h o s ee x p l o s i v eg a s e s o nt h ee x p l o s i o no fm u l t i - c o m p o n e n tg a s e s ( 3 ) i tp r o b e di n t ot h ec h a i nr e a c t i o nm a c h i n eo fs i n g l ec o m p o n e n te x p l o s i v eg a sa n d m u l t i - c o m p o n e n te x p l o s i v em i x t u r eg a s e s i ts t u d i e dt h ea p p l i c a t i o no fe x p l o s i v et r i a n g u l a r p h a s ed i a g r a m k e yw o r d s ：g o b g a s e x p l o s i v el i m i t se x p l o s i v et r i a n g u l a rp h a s ed i a g r a m t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技史擎 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。 学位论文作者签名： 2 知司、￥、以 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： 枷师书哥日 山卯平丫月y ) 口 1 绪论 1 绪论 1 1 选题的背景及意义 我国是煤炭资源丰富的国家，随着经济的持续高速发展，整个社会对能源的需求日 益增加，煤炭作为一种传统和重要的能源，在近几年又迎来了大量的开发和挖掘，但频 繁发生的煤矿事故使我国成为世界上煤矿灾难最严重的国家。据统计，国有重点煤矿 4 8 以上是高瓦斯突出矿井，5 6 以上矿井具有煤层自然发火倾向性，8 6 3 的矿井煤层 具有煤层爆炸危险。近几年，我国官方报道的煤矿死亡人数是世界煤矿死亡总人数的 8 0 ，百万吨死亡率尽管控制在政府要求的数字内，且呈下降趋势，但仍然是世界平均 水平的几十倍。最近几年伤亡事故次数逐年减少，但一次死亡3 0 人以上的特别重大事 故呈上升趋势，0 6 年有所下降，具体数据见表1 1 。在煤矿事故中，近7 5 的人死于瓦 斯矿难。仅2 0 0 3 年1 月- 2 0 0 5 年6 月期间，我国就因瓦斯事故造成大量的人员伤亡，具 体的瓦斯事故次数和死亡人数情况见表1 2 表1 12 0 0 2 - 2 0 0 6 煤矿事故统计 牵劈 2 0 0 2 矩2 0 0 3 年 2 0 0 4 薤 2 0 0 5 年2 0 0 6 年 类型 伤亡事故次数 4 3 4 44 1 4 33 8 5 3 3 3 4 1 2 9 4 5 死亡人数 6 9 9 56 4 3 42 75 9 3 84 7 4 6 死亡3 0 人以上次数 5 7 7l l6 死亡人数 2 2 73 6 04 8 79 6 l2 3 3 百万吨死亡率 5 4 1 73 o s2 8 42 0 4 1 表1 22 0 0 3 年1 月- 2 0 0 5 年6 月瓦斯事故次数和死亡人致分类 瓦斯灾害已成为煤矿安全生产的最大威胁【“，瓦斯爆炸是灾中之重，占了最大的比 西安科技大学硕士学位论文 例。由于我国9 5 以上的煤矿是井工开采，瓦斯爆炸就突出的发生在高瓦斯易自燃特厚 煤层的大采高支架和综放开采的矿井。近几年，就多次发生过工作面支架后方采空区自 燃引爆瓦斯等重特大事故，造成严重的人员伤亡和经济损失。如2 0 0 4 年铜川陈家山4 1 5 综放面“1 1 2 8 ”瓦斯爆炸事故，死亡1 6 6 人，造成严重的人员伤亡和社会影响。2 0 0 3 年宁夏白芨沟矿2 4 2 1 1 综放面“1 0 2 4 ”瓦斯爆炸事故，在几天内井下火区发生了近百 次瓦斯爆炸，给矿井的事故救援带来了极大的困难，矿井设施和巷道全部炸毁，导致全 矿井封闭，直接经济损失1 5 亿；2 0 0 5 年5 月1 0 日汝箕沟高瓦斯矿井综放面采空区自 燃，面临重大瓦斯爆炸威胁，最后采用水淹封闭，造成重大经济损失。 另外，对一些低瓦斯矿井采空区，由于采空区浮煤自燃，高温干馏出大量可燃性气 体，在一定漏风供氧条件下，也会发生采空区瓦斯( 多组分可燃性混合气体) 爆炸事故， 如兖州某矿2 0 0 4 年9 月一个封闭的采空区由于煤体自燃，引起采空区内瓦斯( 煤体高 温放出的多组分可燃性混合气体) 发生爆炸，导致永久关闭，两人死亡。因此。研究采 空区瓦斯气体的爆炸特性，对研发采空区煤自燃及瓦斯爆炸灾害的早期预测和综合治理 技术，确保煤矿安全开采，具有重要指导意义。 1 2 可燃性气体爆炸研究现状 1 2 1 爆炸极限的定义 爆炸极限( e x p l o s i v el i m i t s ) 和燃烧极限( f l a m m a b i l i t yl i m i t s ) 是描述可燃性气体的 可燃性和爆炸性的两个重要参数，一般情况下人们认为这两个参数具有相同的意义，只 是国内外对于两者有不同的使用习惯，但实际上两者定义之间的差别很小，都与火焰传 播界限有关。一定温度和压力下，可燃气体与空气组成的混合气体只有在一定的浓度范 围内形成的火焰才能进行传播，小于或超过此浓度范围，火焰就无法传播，这个浓度范 围称为火焰传播的浓度界限( 简称火焰传播界限) 我国采用的是爆炸极限这一概念 2 1 ，g b t1 2 4 7 4 9 0 空气中可燃气体爆炸极限测定 方法中对爆炸极限的定义为；一定温度和压力下，可燃气体与空气的混合物在点燃后 形成火焰传播称为爆炸，对应的发生爆炸与不发生爆炸之间临界的组分称为爆炸极限。 这里的爆炸极限概念实际上与火焰传播界限的概念是一致的。 美国材料试验学会( a m e r i c a ns o c i e t yo f t e s a n ga n dm a t e r i a l s ) 标准a s t me 6 8 1 - 0 l 使用的是“f l a m m a b i l i t yl i m i t s ”即燃烧极限这一概念0 - 5 1 ，其燃烧极限定义为：一定条件 下，火焰可在混合均匀的可燃物与氧化剂混气中传播的浓度。这与火焰传播界限的概念 也是一致的，且在该标准中备注“t h el o w e rf l a m m a b i l i t yl i m i ta n du p p e rf l a m m a b i l i t yl i m i t a r ea l s or e f e r r e dt o 鹪t h el o w e re x p l o s i v el i m i t ( l e l ) a n dt h eu p p e r e x p l o s i v el i m i t ( l ) ， r e s p e c t i v e l y ”这里认为爆炸极限与燃烧极限这两个概念是可以互换的 2 1 绪论 德国的工业标准( d e u t s c h e si n s t i t u tf u rn o r - m u n g ) d i n5 1 6 4 9 、b a r t l m e c h t 和c o n r a d 等人使用的也是燃烧极限这一概念嘲，他们将燃烧极限定义为：一定条件，可燃物与氧 化剂混合气体遇火后点燃形成火焰传播的最高或最低的浓度。这一概念与火焰传播界限 的概念也是一致的。 关于爆炸极限与燃烧极限，有学者认为，由于燃烧极限的混合气体在封闭空间内引 起火焰传播，同时会伴随压力升高，这与广泛意义上的“爆炸”现象是吻合的，所以从 概念的实际应用上来讲，爆炸极限的定义包含了燃烧极限。 本文研究的可燃性气体都是在封闭空间内进行试验，其中涉及到爆炸极限或燃烧极 限时将统一采用爆炸极限这一概念，按照美国材料试验学会标准a s t me 6 8 1 和e 9 1 8 、 z e b e t a k i s 和l e e s 等人的定义，认为火源刚好能通过混合气体传播火焰的可燃气体浓度 极限就是爆炸极限，所以也将其成为浓度爆炸极限。 1 2 2 爆炸极限的测试装置和方法 迄今为止，测定可燃性气体的爆炸极限，世界上仍没有建立统一的测试装置和方法， 使用较多的爆炸极限测试标准是美国矿务局( b u r e a uo f m i n e s ) 的u s b m 法( u s b m 型) ， 美国材料试验学会( a m e r i c a as o c i e t yo f t e s t i n ga n dm a t e r i a l s ) 的a s t me 6 8 1 ( a s h r a r 型) 以及德国工业标准( d e u t s c h e s i n s t i t u t f u r n o r - m t m g ) d i n5 1 6 4 9 ( d i n 型) 1 7 - 9 1 。 1 9 5 2 年，美国矿务局的c o w a r d 和j o n e s 采用内径5 c m ，长1 5 0 c m 的玻璃管( u s b m 型管) 测试各种可燃性气体爆炸极限，点火方式是电火花或启动火舌在玻璃管底部点火 他们在1 9 5 6 年发表的气体和蒸汽燃烧范围的报告中，介绍了这种测定气体爆炸极 限的装置，这种装置常被后人作为试验的标准装置使用。日本的z a b e t a k i s p 认为c o w a r d 使用的装置存在问题，在随后发表的可燃性气体及蒸汽的可燃特性一文中，对爆炸 极限的测定做了大的修改。他采用传播法进行常压下气体爆炸极限的测定，即将已配好 的混合气体充入圆筒形或球形容器内，从端点点火，观测火焰是否扩展到整个容器内以 确定爆炸极限。爆炸装置为直径5 c m ，长1 2 5 1 5 0 c m 的垂直玻璃管，采用电火花点火。 以后，日本、前苏联等一些国家也在美国矿山局装置的基础上进行改进并做出了一些装 置，这些装置的特点是：爆炸容器为管状，采用电火花点火，能广泛进行气体爆炸极限 的测试，但不适于研究气体的爆炸特性( 爆炸压力和压力上升速率) 。 美国材料试验学会( a m e r i c a ns o c i e t y o f t e s t i n ga n d m a t e r i a l s ) 的a s t m e 6 8 1 提出 的测试方法中，采用的测试容器为一个5 升的球形玻璃烧瓶，点火源位于烧瓶中央。1 9 8 6 年，德国的d i e t l e n r a m 提出的d i n 方法是使用内径6 c m ，长3 0 c m 垂直放置的圆柱体， 点火方式为交流电火花点火，电极间隙5 m m l e i s e n h e i m e r 等使用电容放电火花点火在 3 5 升圆柱型容器内测试了多种可燃性气体的爆炸极限。我国的国标g b t1 2 4 7 4 9 0 参 考了u s b m 型装置，采用管径由6 0 士5 m m ，管长为1 4 0 0 5 0 m m ，管壁厚6 2 m m 。 3 西安科技大学硕士学住论文 l | i i j i | i | i i 一 1 2 3 可燃性气体爆炸机理 气体爆炸现象是一种非常复杂的现象，其产生机理和影响因素非常复杂。目前关于 气体爆炸的理论，主要有热爆炸理论和链式反应理论两种。事实上，不是所有的爆炸现 象都可以用一种理论加以解释，至于在何种情况下发生热反应，何种情况下发生链式反 应，要根据具体的情况而定。甚至同一种爆炸性混合物有时在不同条件下，发生爆炸的 机理有时也会有所不同。 ( 1 ) 热爆炸理论 热爆炸是指爆炸性物质因受热而发生化学反应，并自动加速直到爆炸的一种现象。 爆炸性物质在发生放热的化学反应时，系统的温度随之升高，但由于热传递的存在，系 统会相应地损失掉一部分热量。热爆炸理论认为，热量产生的速率和温度的关系是非线 性的指数关系，而热量损失的速率和温度的关系通常是接近线性或线性的关系，一旦系 统产生的热量不能够全部传递出去或损失掉，系统就会出现热积累，使得温度继续升高。 这种热失衡现象的结果是使反应速度加快，释放更多的热量，热量积累和热量损失的失 衡更加恶化，系统温度迸一步提高，如此循环自我加热。如果自热过程未被控制，一旦 系统温度升高到满足点火条件时，系统就会出现起燃或起爆，从而导致燃烧或爆炸的发 生。 ( 2 ) 链式反应理论 链式反应理论是由前苏联科学家谢苗洛夫提出来的根据链式反应机理，爆炸性混 合物与火源接触，就会有活跃性分子生成而成为连锁反应的活动中心，这些活性分子称 为自由基，自由基与另一分子作用，产生出新的自由基，新的自由基又迅速参与反应， 因而发生自由基的不断再生，反应不断提供新的自由基去更替己反应的自由基。以一个 自由基开始的反应，通过同一循环或环节的不断重复，每次产生新的自由基，这样不断 进行下去，直到由于自由基消亡而破坏各个环节的连贯性为止，这样的反应称为连锁反 应。 从宏观上看，爆炸性混合物在一点上着火后，热量及活性中心都向外传播，促使相 邻一层的混合物发生化学反应，然后该层又成为热量和活动中心新的源泉而引起新的相 邻一层的化学反应，如此循环往复，直到全部反应物均反应完为止。 链式反应又细分为直链反应和支链反应，直链反应基本特点是：( i ) 每一个活性分 子( 自由基) 与作用分子反应后，仅生成一个新的活性粒子，自由基与价饱和的分子反 应时自由基不消失；( i i ) 自由基或原子与价饱和的分子反应时活化能很低。支链反应 的特点是：一个自由基在链传递过程中，生成最终产物的同时产生两个或两个以上的自 由基，自由基的数目在反应过程中是随时间增加的。不论是何种链式反应都由三个阶段 构成：即链的引发，链的传递( 包括链的支化) 和链的终止。甲烷在空气中的反应就属 4 1 绪论 于典型的支链反应。 1 2 4 可燃性气体爆炸的研究现状 自1 8 5 7 年英国发生城市煤气管道爆炸以来，许多学者就开始了对气体爆炸的研究 工作。前苏联的s o m e h o w 和英国的h i n s h e l w o o d 各自独立地在1 9 3 4 年发展了可燃气体 支链爆炸理论，为可燃气体爆炸反应动力学的理论打下了基础。s e m e n o f f 还对可燃气体 支链反应的各个过程进行了较为系统的研究【l o j ，对支链爆炸发展的理论研究起到了极其 重要的作用。 二十世纪2 0 年代至5 0 、6 0 年代，前人一直着重针对单组分支链爆炸性混合气体的 研究，取得了丰富的研究成果，制订了单组分可燃性气体浓度爆炸极限的国家“标准” 而5 0 年代以前，设备的自动化程度及检测技术水平不可能达到要求，所以对双组分和 多组分爆炸性混合气体的研究基本处于空白状态。6 0 年代以后，也只是进行了零星的少 数的多组分支链爆炸的研究，只提供少量气体的爆炸极限数据【3 i l 】，研究的深度和广度 都不能满足实践工作的需要。 进入二十世纪7 0 年代，随着石油化工和煤矿行业的蓬勃发展，大批贮气设施的建 设和各大煤矿的挖掘开采，气、油罐和瓦斯爆炸事故的发生日益频繁，引起了世界各国 的广泛关注。国际上相继通过了1 9 9 0 年化学制品公约、1 9 9 3 年预防重大工业事故公约 等，敦促世界各国实施相应的政策及预防保护措旄，发展基础研究和重大灾害防治应用 技术研究。美国、加拿大、欧共体等国家先后投入了大量的人力、物力和财力开展爆炸 灾害基础理论和相关控制技术的研究工作【1 2 l 。由于各国对气体爆炸的研究日益重视，另 外检测技术与自动化程度的日益提高，使得爆炸研究的深度和广度也逐步加强。研究内 容涉及的范围也日益扩大，取得了较高水平的研究成果。 国外对可燃气体爆炸的研究起步比较早，在可燃气体爆炸的实验和数值模拟方面进 行了深入研究，已取得了大量的研究成果。a a k n e c “1 3 1 对封闭容器内的可燃气体爆燃 进行了大量的实验研究，探讨了容器体积对可燃气体爆燃强度的影响，提出了立方根定 律，该定律已被国际标准i s 0 6 1 8 4 “e x p l o s i o np r o t e c t i o ns y s t e m ”所采用研究者还通 过大量实验研究了密闭容器中爆炸发展规律，建立了描述容器内气体爆炸发展过程的理 论模型。芬兰核工业研究所在舳年代就开展了三维气体爆炸数值模拟，并用其实验加 以验证，吻合得很好。剑桥大学的啪怵l s 吼等使用非结构的m e n e w t 计算流体力学 软件对i b r a h i m 等的实验进行了二维数值模拟，得到了通过障碍物燃烧从层流变为湍流 的火焰速度、压力特性，对爆炸超压的预测与i b r a h i m 和m a s d 的实验测定吻合。 w e m e t e x 1 4 】等通过实验观测燃烧中形成的o h 一离子，以测得火焰传播速度，研究可燃 气体种类、浓度对爆炸的影响。m e r g e 研究了可燃气体的反应活性对爆炸威力的影响， 包括甲烷、乙烷、丙烷、液化石油气等气体。h j e r t a g e r o s , 1 6 】的实验研究了障碍物的加速 5 西安科技大学硕士学位论文 爆炸及燃料浓度对爆炸威力的影响作用。u l r i c h t l 刀利用火焰轨迹方法对密闭管道内可燃 气体混合物的爆炸过程进行了数值模拟，该方法可以预测管道内最大爆炸压力和压力上 升速率以及火焰到达管道内某处时的时间。f a i r w e a t h d l s l 对爆炸管中气体爆炸火焰传播 进行了数值模拟研究，得出了“管道中爆炸超压主要是由于障碍物产生的湍流”的结论。 上世纪9 0 年代初期，欧洲建立了气体爆炸的模型和实验研究工程( m o d e l i n ga n d e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h i n t o g a s e x p l o s i o n s ，简称m e r g e ) ，主要由七个著名研究机构组 成联合体进行气体爆炸模型的研究此外，俄国的国家防火科学研究中心和荷兰的t n o 也从事这方面的研究工作。 现阶段，国内学者对可燃气体爆炸的研究，主要是在实验研究【1 9 2 0 1 、理论分析及数 值模拟 2 0 - 2 2 1 这三方面之间开展。 ( 1 ) 实验研究 实验研究多集中在实验手段与实验仪器的改进、单组分爆炸性气体宏观爆炸特性与 爆炸参数的测定以及障碍物对爆炸威力及火焰加速的影响。气体爆炸装置多采用激波管 与爆炸反应器；爆炸压力多采用压电式压力传感器与放大器以及高速高精度数采集系统 进行测量；障碍物后的气流湍流特性采用l d a ( l a s e rd o p p l e ra n e m o m e t r y ) 测速法进 行测量；运用p l l f ( 1 1 l ep l a n a rl a s e r - i n d u c e df l u o r c s - c e n e e ) 技术，观测燃烧带中形成 的o h 一离子，以测得火焰传播速度；气体成分分析多采用气体分析仪与气相色谱仪测定。 这部分研究国内主要有：公安部天津消防研究所设计了一套测试可燃气体或蒸汽在空气 中的爆炸极限值的装置，该装置的爆炸室为l m 3 圆柱形容器，用硬质玻璃作为材质，点 火系统采用交流电火花点火，这套装置加工较困难，非常昂贵，但使用方便，宋景文等 用此测试并制定单组分气体的国家爆炸极限指标。沈阳消防研究所在研究测定航空煤油 最小点火能时也设计了一套装置，此套装置主要由三大部分组成：配气系统、电气系统 及爆炸室。爆炸室体积为3 0 0 e m 3 ，用有机玻璃制成，它采用的配气方式为预混式配气， 点火方式为电容电火花点火；天津大学田贯三圈等人同样针对可燃气环保制冷剂的爆炸 极限设计了一套实验系统。该系统的爆炸室为硬质玻璃管，管长为1 4 0 0 m m ，管内径为 # 6 0 m m ，管底部装有泄压塞，点火方式采用电极放电；西安交通大学鞠飙 2 3 1 等人为了 测定可燃性环保制冷剂的爆炸极限设计了一套精度较高的测试实验系统。该系统可以对 温度在1 0 8 0 、压力在0 1 l m p a 范围内的可燃气体的爆炸极限安全有效地进行测 定；黄超等人利用等圆柱形不锈钢爆炸容器( 容积为2 0 l ) 对烷烃在高温条件下的爆炸 极限进行了测定，得出了爆炸上下限与温度之间的定性关系；华北工学院张景林等设计 实验装置，对液化石油气、甲醇裂解气等进行抑爆技术的研究 2 4 1 ，测定了一些可燃性气 体的爆炸特性参数和气体抑爆安全技术，测定了可燃气体最大试验安全间隙等脚捌；谭 迎新等对可燃气体爆炸特性参数的测定方法进行了研究，测定了几种可燃气体与空气混 合爆炸的爆炸极限和最小点火能数据【2 7 l ；中国矿业大学的林柏泉等主要研究瓦斯爆炸过 6 1 绪论 程火焰传播规律，障碍物对火焰传播的影响等【2 s ，2 9 1 。丁锁根等研究了合成氨工艺气的爆 炸极限，爆炸特性参数以及支链爆炸的影响因素等 3 0 1 ；浙江师范大学胡耀元【3 l ，3 2 】为测定 肥工业多元爆炸性混合气体设计了一套精度较高的测试实验系统，研究混合气体的浓度 爆炸极限、爆炸形态与波形及其影响因素。 ( 2 ) 理论分析 可燃性气体爆炸的理论研究大多与实验研究相结合。中国矿业大学邱雁、高广伟、 杨艺等研究瓦斯爆炸的火焰加速机理，爆炸波结构变化，惰气对矿井瓦斯爆炸的抑制机 理【3 3 , 3 4 1 ；公安部天津消防研究所王宝兴，宋景文等探讨轰然机理，分析瓦斯爆炸的主要 原因【3 5 , 3 6 , 3 7 1 ；南京理工大学王志荣等研究容器内可燃气体爆炸温度和压力的计算方法 网；大连理工大学的毕明树等研究工业多元混合气体爆炸极限计算方法，抑爆技术，气 体爆炸发展趋势等 3 9 1 。 ( 3 ) 数值模拟 近年来，随着计算流体力学的蓬勃发展，数值模拟方法作为理论研究的辅助工具得 到了广泛的应用。国内对可燃气体爆炸的数值模拟研究取得一定的进展。如郭文军【蛐】 利用特征线方法对一维密闭容器中气体爆炸进行了模拟研究，得到了压力和密度等随时 间变化的计算数据毕明树、王淑兰等【4 l , 4 2 1 采用均匀能量释放模型，对管道内气体爆炸 进行了数值计算，获得了气体爆炸压力和压力上升速率。沈玉玲等f 4 3 】利用气体爆炸理论， 对管道中煤气爆炸问题进行了数值模拟。研究者 4 4 - 4 9 还对存在障碍物的密闭空间气体爆 炸和爆燃转爆轰过程进行了数值模拟研究。如魏引尚等【4 5 】利用化学反应动力学及流体力 学原理，建立了沼气爆炸状态参数计算模型，模拟计算了沼气爆燃转爆轰过程。张艳等 嗍运用化学流体力学基本理论，建立了激波诱导可燃气体爆燃的化学反应动力学模型， 可以计算爆炸场各参数随时阃的变化。胡湘渝等即l 采用完全基元反应模型对易燃混合气 体爆炸过程进行了数值研究，研究结果表明：参加反应的不同组分具有不同类型的变化 特征。 1 3 本课题研究的技术路线与创新 1 3 1 技术路线 ( 1 ) 立足于采空区实际，着眼于瓦斯中的重要组成气 首先密切关注采空区瓦斯爆炸事故，收集有关的资料，分析采空区瓦斯爆炸事故的 原因，结合采空区瓦斯的特性，了解采空区爆炸性气体的来源，选取采空区瓦斯中典型 的四种组成气：c h 4 、h 2 、c o 和c 2 心。其中c h 4 是采空区瓦斯气体的主要成分，c o 和c 2 1 1 4 是采空区煤自燃过程的指标性气体，h 2 是采空区煤升温氧化过程产生的另一种 重要气体。这四种爆炸性气体是本课题研究的目标。 7 西安科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 立足于实验研究，着眼于解决实际安全问题 本着以解决实际安全问题为出发点和落脚点，通过实验研究，测定c h 、h 2 、c o 和c 2 地的单组分气体及所组成的多组分可燃性混合气体的爆炸极限参数，研究气体本 性对爆炸极限的影响，为抑制采空区瓦斯气体的爆炸、防止灾害的发生提供实际依据。 ( 3 ) 立足于先进装置，着眼于实验数据的准确性 浙江师范大学物理化学研究所的气体支链爆炸特性实验装置，系统气密性良好，配 气系统实用性强，数据采集系统先进。胡耀元等g , o l 利用此装置进行了水煤气，加氢裂化 循环气以及其它多种爆炸性气体的实验研究，获得了丰富的研究成果。在同样的实验装 置下进行瓦斯气体的爆炸极限研究，采用色谱纯正的c i i 4 、i - 1 2 、c o 和c 2 地气体，能确 保实验数据的准确性。 1 3 2 课题创新点 ( 1 ) 对c i - h 、h 2 、c o 和c z i - 1 4 的爆炸极限进行系统研究，填补了c l - h 、i - 1 2 、c o 和 c z i - h 爆炸特性参数的一些空白。 ( 2 ) 首次研究了c i - h 、h e 、c o 和c z i - h 这四种重要组成气对瓦斯气体浓度爆炸极 限的影响。 ( 3 ) 根据实验结果，结合采空区实际情况，首次探讨了研制能方便指导采空区安 全生产需要的瓦斯爆炸三角相图，为科学制定安全的防爆指标提供依据。 0 2 采空区气体性质和来源 2 采空区气体性质和来源 2 1 采空区空气的主成分及基本性质 地面空气是由氧气、氮气、二氧化碳、氢气、氖气和其它一些微量气体以及水蒸气 所组成的混合气体，通常将这些气体称为湿空气，把完全不含有水蒸气的空气称为干空 气。采空区的空气来自地面，地面空气进入采空区后，在成分和性质上发生了一系列变 化，如氧含量降低，二氧化碳含量增加；混入各种有毒、有害气体；混入煤尘和岩尘； 空气的温度、湿度和压力也发生了变化。尽管如此，但采空区的空气主要成分仍然是氧、 氮和二氧化碳i ，“。 ( 1 ) 氧气 氧气( 0 2 ) 是一种无色、无味、无臭的气体，它对空气的相对密度为1 1 l ，是维持 人体正常生理机能所需的气体。人类生命活动过程中，必须不断地吸入氧气，呼出二氧 化碳。氧的化学性质很活泼，几乎可与所有气体化合且能助燃。 空气中氧的含量高低对人体健康影响很大，最适合人体呼吸的空气中氧含量为2 1 左右。当空气中氧的含量降低时，人体就可能产生不良的生理反应，出现不适症，严重 时可能在短时间内死亡。人体缺氧症状与空气中氧含量的关系如表2 1 所示。 表2 1 人体缺氧症状与空气中氧含量的关系 氧的体积分数 主要症状 1 7静止时无影响，工作时能引起喘息和呼吸困难 1 5呼吸及心跳急促，耳鸣目眩，感觉和判断能力降低，失去劳动力 l o 1 2 失去理智，时间稍长有生命危险 6 9失去知觉，呼吸停止，如不及时抢救，几分钟内可能导致死亡 采空区空气中氧含量降低的主要原因有：人员呼吸；煤岩和有机物的缓慢氧化；煤 自燃；瓦斯、煤尘爆炸。另外，煤岩和生产过程中产生各种有害气体，也使空气中的氧 含量相对下降。所以进入采空区前需经检查氧含量，否则冒然进入就有可能引起人员缺 氧窒息。缺氧窒息是采空区人员伤亡的原因之一 ( 2 ) 氮气 氮气( n 2 ) 是一种无色、无味、无臭的惰性气体，它对空气的相对密度为o 9 7 ，是 采空区空气中的主要成分，本身无毒、不阻燃，也不能供呼吸。在正常情况下，氮气对 人体无害，但空气中若氮气含量升高，势必造成氧含量相对降低，也可能导致人员窒息 性伤害。 9 西安科技大擘硕士学位论文 采空区空气中氮气的其它来源是：矿井爆破和生物的腐烂，有些煤岩层中也有氮气 涌出 ( 3 ) 二氧化碳 二氧化碳( c 0 2 ) 是无色、略带酸味的气体，它对空气的相对密度为1 5 2 ，比空气 重，不阻燃，也不能供呼吸，在风速较小的巷道中，底板附近含量较大；在风速较大的 巷道中，一般能与空气均匀混合。 在空气中含有微量的二氧化碳对人体是无害的。二氧化碳对人体的呼吸中枢神经有 刺激作用，但过量的二氧化碳也会引起中毒，空气中二氧化碳中毒症状与含量的关系如 表2 2 所示。 表2 2 二氧化碳中毒症状与含量的关系 二氧化碳的体积分数主要症状 1 呼吸加深，但对工作效率无明显影响 3 呼吸急促，心跳加快，头疼，人体很快疲劳 5 呼吸困难，头疼，恶心，呕吐，耳鸣 6严重喘息，极度虚弱无力 7 9动作不协调，大约l o 分钟可发生昏迷 9 1 l几分钟内可导致死亡 采空区空气中二氧化碳的其它来源是：人员的呼吸；煤和有机物的氧化；碳酸性岩 石的分解；煤自燃；炸药爆破；瓦斯、煤尘爆炸等。另外，有的煤层和岩层中也能长期 连续地出二氧化碳，有的甚至能与煤岩粉一起突然大量喷出，给矿井带来极大的危害。 2 2 采空区瓦斯气体的成分和性质 采空区空气中除了上述的氧气、氮气和二氧化碳外，主要的就是瓦斯气体。瓦斯是 矿井采掘过程中从煤和围岩中涌出的有害气体的总称，以c h 4 为主，常含有c 0 2 、c o 、 c 2 凰、c 2 i - h 、c 3 h s 、h 2 、s 0 2 、h 2 s 等多种气体。这些气体对井下作业人员的身体健康 和生命安全有着极大的危害。 ( 1 ) 一氧化碳 一氧化碳( c o ) 是无色、无味、无臭的气体，相对密度为0 9 7 ，微溶于水，能与空 气均匀混合在一般温度和压力下，一氧化碳的化学性质不活泼，但一氧化碳能助燃。 一氧化碳进入人体后，能与血液中的血红素结合，生成碳氧血红素，阻碍血红素与 氧的结合，使血红素失去输氧的功能，从而造成人体血液“窒息”。因此，医学上又将 一氧化碳称为血液窒息性气体，人体吸入一氧化碳后的中毒症状与空气中一氧化碳含量 和时间的关系如表2 3 所示。 2 秉空区气体性质和来源 表2 3 一氧化碳中毒症状与空气中氧化碳含量和时同的关系 一氧化碳的体积分数主要症状 o 0 2 2 3 小时内可能引起轻微头痛 4 0 分钟内出现头痛、眩晕和恶心；2 小时内发生体温和血液下 o 0 s 降，脉搏微弱，出冷汗，可能出现昏迷 o 3 2 扣l o 分钟内出现头痛、眩晕；半小时内可能昏迷并有死亡危险 1 2 8 几分钟内出现昏迷甚至死亡 ( 2 ) 乙烯 一 乙烯( c 2 h 4 ) 在常温下为无色易燃气体，微带香甜味，多量吸入时能引起麻醉。相 对密度为0 9 7 5 ，不溶于水，微溶于醇，酮，苯，溶于醚，理化性活泼，能与空气形成 爆炸性混合气体。 乙烯属低毒类，麻醉作用较强，对皮肤无刺激性，但皮肤接触液态乙烯能发生冻伤。 对眼和呼吸道粘膜可引起轻微的刺激症状，脱离接触后数小时可消失。人吸入含3 7 5 乙烯的空气，1 5 分钟可引起明显记忆障碍；含5 0 乙烯的空气，使含氧量降至1 0 ，引 起人意识丧失若吸入7 5 9 0 乙烯与氧的混合气体，可引起麻醉，但无明显的兴奋 期，并迅速苏醒。吸入上述混合气体2 5 4 5 可引起痛觉消失，意识不受影响。 ( 3 ) 乙烷 乙烷( c 2 h 6 ) 是无色、无味、无臭的气体，相对密度1 0 4 8 ，溶于有机溶剂，微溶 于水。乙烷浓度在5 0 e 以下时，无任何毒作用，高浓度时，由于能置换空气而致缺氧， 引起单纯性窒息。 ( 4 ) 丙烷 丙烷( c 3 h s ) 常温下为无色、无臭气体，相对密度1 5 5 5 ，易溶于醚，溶