浅谈煤矿瓦斯爆炸的条件与预防措施.doc

浅谈煤矿瓦斯爆炸的条件与防治措施摘要：我国目前国有重点煤矿大多数属于瓦斯矿井，瓦斯爆炸事故的发生，造成大量的人员伤亡、巷道破坏、生产中断，给国家造成了巨大的损失，也给矿工家属带来了巨大的悲痛。分析瓦斯爆炸事故发生原因，预防、控制瓦斯爆炸事故，是实现煤矿安全生产的关键。本文分析了煤矿瓦斯爆炸事故的发生条件，提出了防治措施，并对有效控制煤矿瓦斯爆炸事故和合理利用煤层气提供了一些建议。关键字：煤矿；瓦斯爆炸；防治措施0 概述煤层气俗称瓦斯，其主要成分是CH4（甲烷），与煤炭伴生，以吸附和游离状态存在于煤层中，属于非常规天然气的一种，其热值与天然气相当，是通用煤的25倍。煤层气空气浓度达到5%16%时，遇明火就会爆炸，这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源。在我国的能源工业中，煤炭占我国一次能源生产和消费结构中的70左右，预计到2050年还将占50以上。因此，煤炭在相当长的时期内仍将是我国的主要能源。当前，我国经济的快速增长，对煤炭工业发展提出了更高的要求。为此，必须加强安全生产，确保煤炭工业持续、稳定、健康发展。我国95的煤矿开采是地下作业。煤矿事故占工矿企业一次死亡10人以上特大事故的72.8(2008年数据)；煤矿企业一次死亡10人以上事故中，瓦斯事故占死亡人数的71。煤矿所面临的重大灾害事故是相当严峻的，造成的损失是极其惨重的。我国煤矿的百万吨死亡率为0.564（2011年数据），是美国的十多倍。特别是煤矿重大及特大瓦斯灾害事故的频发，不但造成国家财产和公民生命的巨大损失，而且严重影响我国的国际声誉。1 瓦斯爆炸事故原因分析我国煤矿井下开采条件普遍较差。据统计，2010年全国国有重点煤矿共有580处矿井进行了瓦斯等级鉴定，其中高瓦斯矿井160处，低瓦斯矿井298处，煤与瓦斯突出矿井122处；有自燃发火矿井372处，占64，有煤尘爆炸危险矿井427处，占73.6。瓦斯爆炸事故的发生，主要有以下三个原因。1.1 瓦斯积聚的存在煤矿井下造成瓦斯积聚的原因很多，但主要有通风系统不合理和局部通风管理不善是瓦斯积聚的主要原因。如2005年34起特大瓦斯爆炸事故中，有22起主要是因通风系统不合理，存在风流短路、多次串联和循环风，造成供风地点风量不足，而引起瓦斯积聚；有9起主要是因局部通风机安装位置不当、风筒未延伸到供风点或脱落引起供风点有效风量不足，而造成瓦斯积聚；有2起事故主要是因停电停风而引起瓦斯积聚；有l起是盲巷积聚的瓦斯被引爆。1.2 引爆火源的存在煤矿井下引爆瓦斯的火源有爆破火花、电气火花、摩擦撞击火花、静电火花、煤炭自燃等。但放炮和电器设备产生的火花是瓦斯爆炸事故的主要火源。如2005年34起特大瓦斯爆炸事故中，有16起是由放炮产生的火花引爆的；有15起事故是由电器设备及电源线电火花引爆的。1.3 装备不足、管理不落实矿井安全装备配置不足，“先抽后采，监测监控，以风定产”方针未得到完全落实。发生的特大瓦斯事故中，有的矿井没有安装瓦斯监控系统或运行不正常，有的矿井虽安装有监控系统，但因传感器数量不足、安装位置不对、线路存在故障、显示器不显示数据等问题，不能有效发挥其应有的作用。此外乡镇煤矿发生的特大瓦斯事故都没有装备瓦斯抽放系统或抽放系统不能有效运行，监控系统也不能有效发挥作用。如内蒙古乌海市乌达区巴音赛煤焦有限责任公司某井虽安装了瓦斯监控系统，但在其实际开采区域却并没有瓦斯传感器，而造成特大瓦斯事故的发生，死亡16人。2 预防瓦斯爆炸的理论依据2.1 瓦斯爆炸条件的分析煤矿瓦斯爆炸必须同时（同地）具备3个条件：空气中瓦斯浓度在爆炸范围内(5 %16%)；高温引火源存在的时间大于瓦斯引火感应期；瓦斯空气混合气体中的氧气浓度大于12%。2.1.1 瓦斯浓度瓦斯与空气(氧气)均匀混合形成爆炸性气体，瓦斯浓度达到一定的范围时，遇到明火或一定的引爆能量立即发生爆炸，这个浓度范围称为瓦斯爆炸极限。其中，形成爆炸性混合气体的瓦斯最低浓度称为瓦斯爆炸下限，形成爆炸性混合气体的瓦斯最高浓度称为瓦斯爆炸上限。能最易（即在最小着火能量下）激发着火（爆炸），并且爆炸中能释放出最大能量的瓦斯浓度称为瓦斯最佳爆炸浓度。瓦斯的爆炸极限为5% 16 %，当瓦斯浓度低于5%时，遇火不能发生爆炸，但能在火焰外围形成燃烧层；当瓦斯浓度为9.5% 时，其爆炸威力最大(氧气和瓦斯完全反应) ；当瓦斯浓度在16 %以上时，会失去其爆炸性, 但在空气中遇火仍会燃烧。当瓦斯混合气体初始压力、初始温度提高时，爆炸下限没有显著变化，而爆炸上限都会发生显著增大。2.1.2 高温热源高温热源的存在，是引起瓦斯爆炸的必要条件之一。瓦斯爆炸不仅与热源的温度有关，而且与其作用的持续时间关系密切。因为导致瓦斯爆炸的连锁反应需要一定的时间，达到爆炸浓度的瓦斯遇到火源时不会立即爆炸，而需要延迟很短的时间。通常把开始着火到瓦斯一空气混合气体形成爆炸的这段延迟时间称为感应期。任何一个火源，只有当其作用持续时间超过感应期时才是危险的。感应期的长短与瓦斯浓度、火源温度有关。2.1.3 氧气浓度在正常大气压和常温下，瓦斯爆炸浓度与氧气浓度的关系如Coward爆炸三角形所示。当空气中的氧气浓度升高时，瓦斯爆炸下限变化不太大，但瓦斯爆炸上限会显著增高，爆炸范围扩大，增加了发生瓦斯爆炸的危险性；当空气中的氧气浓度降低时，爆炸下限变化不大爆炸上限则明显降低，当氧气浓度低于12%时，瓦斯混合气体就会失去爆炸性，遇火也不会爆炸。但需指出的是，现实条件下，火源和氧气在煤矿井下是很难时刻监控，因此，要杜绝瓦斯爆炸，关键在于强通风和瓦斯检查，防止瓦斯聚集和控制各种火源的产生。2.2 爆炸三角理论分析根据燃烧理论，甲烷等可燃气体在空气内燃爆，存在一个最小的燃爆氧浓度，其对应的点称为燃爆临界点，与可燃气体的爆炸上、下限浓度点构成了一个三角形，通常称为Coward爆炸三角形，只有当混合物浓度范围处于此爆炸三角形内，系统才有可能发生爆炸。通常的爆炸三角区图均以单一可燃物与空气（氧氮混合物）形成的混合物表示，即混合物的浓度坐标点位于图中三角形的斜边上。实际情况中，混合物中氧与其他不可燃物的比例可能会偏离空气组分，不可燃物也可能不仅仅是氮气，可燃物也可能是多种成分，此时可通过折算方法获取可燃物的爆炸上限和下限。一般采用Coward爆炸三角形来表示气体的可燃性以及组成对气体可燃性的影响。图1是甲烷的爆炸三角图。图1 甲烷在空气中的爆炸三角形图中任意一点的坐标X+Y+Z=100，LOC是极限氧浓度，UFL可燃上限，LFL可燃下限。图中阴影区域为可燃区域，即取任意组分的甲烷、氧气、氮气混合气体均可在图中找到对应的点，观察点是否在可燃范围内即可知道该组分气体是否有爆炸的危险。3 瓦斯爆炸过程与危害瓦斯爆炸时，爆炸性的煤层气与高温火源同时存在时，就将发生煤层气的初燃，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炸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冒落孔内积存着瓦斯，或者巷道中沉落的煤尘，在冲击波的作用下，他们就能均匀分布，形成新的爆炸混合物，使爆炸过程得以继续。瓦斯爆炸具有严重的危害，造成大量的损失。主要表现为：（1）煤层气爆炸产生高压气体形成冲击波。一般而言，爆炸后的气体压力是爆炸前气体压力的710倍，因而形成强大的冲击波，这种冲击波可以使爆源附近的气体以每秒几百米甚至几千米的速度向外传播，从而造成矿井巷道、设备破坏和人员伤亡。（2）产生高温火焰。煤层气爆炸产生大量的热量，形成火焰，温度可达18502560，如此高温及火焰不但可以烧伤矿井人员，还会引起煤尘爆炸与矿井火灾。（3）产生有毒有害气体。煤层气爆炸是一种剧烈的化学反应，在这个反应过程中，可以产生大量有害有毒气体，其中对人损害最大的是一氧化碳。4 瓦斯爆炸极限分析煤层气的组成主要是甲烷和空气的混合物或是以甲烷为主的多种有机燃气和空气的混合物。准确把握单组分爆炸极限的理论计算法方法是确定混合组分爆炸极限的前提。煤层气爆炸极限与多种因素有关, 不仅取决于甲烷浓度、气量等自身条件, 还受到大气压力、温度等方面的影响。掌握外界条件对爆炸极限的影响规律和计算方法, 根据实际气体浓度得到的爆炸极限对工业生产会有明确的指导意义。目前对爆炸极限的确定基本上可以归纳为以下4类：按完全燃烧所需氧原子数计算、按化学计量浓度计算、按理查特利(Le Chatlier)公式法确定爆炸极限以及纯经验公式。4.1 单组分可燃性气体爆炸极限的计算按完全燃烧所需要的氧原子数： （1）式中L下限或上限为单组分气体的爆炸下限或上限；no为每摩尔有机可燃性气体完全燃烧时所必需氧原子的物质的量；当计算爆炸下限时，a=b=c=1；当计算爆炸上限时，a=c=4，b=0。利用氧气系数代替no，提出了对上述爆炸极限公式的改进方法： （2）式中A 为1 mol 的有机可燃性气体完全燃烧时需要的氧气摩尔量；为氧气系数，利用实验数据回归得到。当在化学计量浓度时，空气供给为理论值，= 1；当计算爆炸下限时，空气供给过量，= 2；当计算爆炸上限时，空气供给不足，= 1/ 3。按化学计量浓度：化学计量浓度是可燃性气体完全燃烧, 按化学反应方程式算出的可燃性气体空气混合物中可燃性气体的浓度, 立足于这一对应关系, 通过实验数据回归得到相关系数() 。即 （3）式中当计算爆炸下限时，= 0.55；当计算爆炸上限时，= 4.8；Cst为燃气化学计量比浓度(体积)。理论上, 与1 mol 空气完全燃烧的可燃性气体CnHmOFf的体积浓度(Cst)是: （4）式中，在空气中燃烧时，A = 4.773(是空气中氧摩尔分数0.21的倒数)；在氧气中燃烧时，A=1。利用上述方法对煤层气中常见有机可燃性气体(或蒸气)的爆炸极限进行了计算(见表1) 。表1：煤层气中常见有机可燃性气体爆炸极限的理论计算值表由表1结果可以看出：1) 3种公式对于爆炸下限的计算比爆炸上限更接近实验值。因为在爆炸下限时氧气过量，可燃性气体能够充分燃烧，用完全反应方程式进行计算是合适的。而在爆炸上限时，可燃性气体过量，氧气不足，反应不完全，用完全反应方程式进行计算误差较大。2) 在对烷烃、烯烃的爆炸下限计算中，公式(2)的计算值更接近于实验值。但是由于公式(2)的氧气系数是由有限的可燃性气体爆炸极限实验数据回归得到, 对这些可燃性气体而言, 比其他方法更为准确, 而对于其他可燃性气体是否适用尚未确定。因此有一定的局限性。4.2 复杂组成可燃混合气体爆炸极限的计算煤层气属于由多种有机可燃性气体并含有惰性气体( N2、CO2、水蒸气) 组成的混合气体。其爆炸极限会受到惰性气体的抑制作用, 使得上限和下限范围变窄，当上限和下限重合时，即为爆炸临界点。对于这种混合气体，其爆炸极限理论计算方法如下：(1)将混合气中氮气和氧气以空气中的比例( N2: O2= 4 : 1) 扣除；(2)将剩下的混合气中的可燃性气体分别和其中的惰性气体配对，将其视为“新”的可燃性气体(体积为两种气体的体积和)；(3)利用可燃性气体与惰性气体的混合爆炸极限图，分别得到调整后的“新”可燃性气爆炸极限；(4)利用理查特利公式计算得到混合气体的爆炸极限。 （5）式中L混为混合气体的爆炸极限; L1, L2, , Ln为各纯组分的爆炸极限；V1, V2,Vn为各纯组分的体积分数。以贵州某煤层气为例，利用以上方法计算了多组分煤层气的爆炸上限和下限(见表2)。由表2可以看出，混合气的爆炸极限与纯气体的爆炸极限有一定区别。表2 贵州某煤层气爆炸极限计算结果表以上理论计算是在常温常压下, 但是实际操作都是在特定的温度和压力下进行。因此需要对理论计算值根据实际情况进行修正。4.3 爆炸极限的影响因素4.3.1 惰性气体对爆炸极限的影响惰性组成在混合气中发挥了一种稀释作用，故在计算中采取“消元法”来体现这种作用。不同的惰性气体对煤层气爆炸极限的影响有较大差别，CO2比N2对CH4爆炸极限有更大的影响，CO2的惰化效果比N2 好。4.3.2 压力对爆炸极限的影响压力对甲烷爆炸上限的影响显著，对爆炸下限影响较小。对压力进行修正： （6）式中L U, p是压力p时的爆炸上限；LU是常压( p= 0.1MPa) 时的爆炸上限；p是燃气绝对压力。对贵州某煤层气运用式（6）在不同压力下的爆炸极限进行理论计算，结果如图2 所示。图2压力对甲烷爆炸上限的影响图从图2中可以看出，随着压力的增大，煤层气的爆炸上限有着明显的上升，爆炸极限范围扩大。这是因为随着压力升高，分子间距减小，分子碰撞概率增大，导致燃烧反应更易发生。4.3.3 温度对爆炸极限的影响对温度进行修正： （7） （8）式中是温度t 时的爆炸上限；是温度t时的爆炸下限；是t= 25时的爆炸上限；是温度为t= 25时的爆炸下限；t为燃气温度。对贵州某煤层气采用式（7）和式（8）计算不同温度下的爆炸极限，结果如图2 所示。可以看出，随着温度的升高，煤层气的爆炸下限有所下降，而爆炸上限则有所上升，使得爆炸极限范围增大。这是因为系统温度升高，其分子内能增加, 使更多的气体分子处于激发态，原来不燃的混合气体成为可燃、可爆气体，所以温度升高使爆炸危险性增大，对生产安全会造成极大的威胁。4.3.4 综合温度、压力对煤层气爆炸极限的影响对于爆炸上限, 对温度、压力的综合作用进行修正: （9）式中是压力p、温度t 时的爆炸上限；是常压( p = 0. 1 MPa)、t= 25时的爆炸上限。图3 给出了温度和压力对爆炸上限的综合影响。图3 温度对爆炸上限和下限的影响图可以看出随着温度、压力的提高, 爆炸极限范围增大。在同一温度下, 压力由0. 1 MPa 升高到1. 0 Mpa，其爆炸极限由15.14% 扩大到35.74%。在同一压力下，温度由25升高到160，低压时, 爆炸上限几乎没有变化；在高压时, 爆炸上限由34. 79%上升至35.74%。可见压力对爆炸上限的影响甚于温度对其的影响。因此，在煤层气的工业生产中，应尽可能在低压下操作。图4 温度、压力对爆炸上限的综合影响图对煤层气中常见的单组分可燃性气体，按完全燃烧所需要的氧原子数和按化学计量浓度两种理论方法对爆炸下限的计算比爆炸上限更好地接近实验值，其中按完全燃烧所需要氧原子数的改进方法更为准确。对含有多组分的煤层气, 需采用理查特利(Le chat lier) 公式法进行理论计算。在实际操作中，为保证绝对安全，需要对温度、压力进行修正。在工业生产中，应尽可能使煤层气在低温和低压条件下操作。将煤层气中可燃组分浓度控制在爆炸上限之上并留有一定的余量，可以提高生产的安全性。当惰性气体体积分数加大时，氧体积分数相对减少，导致爆炸上限大幅度下降。故可采用充氮气的方法进行抑爆。5 预防瓦斯爆炸的具体措施建议5.1 防止瓦斯积聚的措施5.1.1 建立合理、可靠、稳定的矿井通风系统合理、可靠、稳定的通风系统是防止瓦斯积聚和控制瓦斯事故扩大的重要措施，应合理选择最佳通风系统，使井下风流保持连续、稳定、有效，有足够的风量、风速，保证煤矿生产安全运行。据有关资料，在瓦斯爆炸事故中，由通风系统不合理、不可靠引起的事故占5%，主要表现如下：工作面风流短路、多次串联、形成循环风；局部通风机安装不符合要求；矿井巷道风流路太长, 巷道有效断面不够，通风阻力太大，造成通风不畅；通风设施不可靠，风门、风障、风桥阀等设施不符合要求；矿井通风能力不够，矿井总风量不足；独眼井开采或采煤工作面不能形成正常的全风压通风。通风系统不合理、不可靠、不稳定, 引起工作区域微风或无风, 煤体释放的瓦斯得不到有效、及时地释放，待瓦斯积聚到一定浓度，事故就不可避免。因此，在煤炭生产中，严格执行“以风定产，监测监控，先抽后采”的瓦斯防治方针。5.1.2 加强瓦斯检查制度建设加强瓦斯检查，及时、准确掌握矿井瓦斯的浓度的变化，是防止瓦斯爆炸的基本措施。矿井必须建立瓦检制度，瓦检次数要符合煤矿安全规程要求；瓦斯检查工必须执行巡回检查制度，不准空班、漏班、假班；矿长和矿井技术负责人必须每日审阅瓦斯日报，及时发现处理问题。及时检查各用风地点的通风状况和瓦斯体积分数，查明隐患进行处理，是日常进行瓦斯管理的重要内容。推广使用比较先进的TX系列智能便携式气体监测仪和遥测仪器等。5.1.3 及时排放超限的瓦斯瓦斯超限是形成瓦斯爆炸事故的根源。矿井生产过程中巷道经常出现瓦斯超限现象，并不可避免，因此，要根据实际情况，采取相应的措施, 及时处理各地点的超限瓦斯，确保煤矿安全生产。5.2 防止瓦斯引燃的措施防止瓦斯引燃的原则是消除明火, 控制热源。一是防止明火。严禁携带引火物下井, 严禁吸烟和用电炉取暖, 加强火区管理, 严禁明火和明电照明。二是防止电火花引燃瓦斯。电气设备的防爆性能良好, 完善井下设备的“ 三大保护” , 检修电气设备不准带电作业。三是防止爆破引燃瓦斯。使用合格的煤矿许用炸药和电雷管，按规定装药、爆破，禁止裸露爆破，严禁明电爆破，严格执行“一炮三检制”和“三人连锁爆破制” 。四是防止摩擦火花、撞击火花、静电等引燃瓦斯。随采矿机械化程度的提高，防止机械摩擦火花引燃瓦斯显得日益重要。煤矿井下由于摩擦火花而引起的瓦斯爆炸事故占有相当的比例，因此不少国家对这个问题进行了研究，并提出，在摩擦部件的金属表面溶敷一层活性小的金属(如铬)，使形成的摩擦火花不能引燃瓦斯；在铝合金的表面涂各种涂料，以防止摩擦火花的发生，金属中加入少量的铍，降低摩擦火花的点燃性等。6 煤矿瓦斯的综合利用据分析，在采煤之前如果先开采煤层气，煤矿瓦斯爆炸率将降低70%到85%。并且由于煤矿瓦斯事故的高危险性，人们往往小心地对待瓦斯，而忽略了瓦斯作为新型能源这一积极的一面。实际上，瓦斯又称煤层气，是一种热值高、无污染的新能源，可用于发电燃料、工业燃料、化工原料和居民生活