瓦斯爆炸三角形原理及应用

瓦斯爆炸三角形原理及应用瓦斯爆炸三角形原理及应用 摘摘 要要 矿山救护队员在井下火区封闭和启封时 需要先判断火区内爆炸性气体 是否具有爆炸性 文章利用瓦斯爆炸三角形原理进行新的分区方法 准确判断火 区在那个区域 以便采取相应的措施 关键词关键词 矿井火区 爆炸三角形 爆炸界限 0 0 引言引言 安全是企业生存和发展的头等大事 安全工作优劣对企业生产影响极大 直接关 系到企业能否正常生产和提高经济效益 火灾不仅使企业遭受巨大的物质损失 同时它也是导致人员伤亡的重大渊源 1 发生矿井火灾后 无论是采用直接灭 火的惰化法 还是采用间接灭火的火区封闭法 在判断火区的可燃性混合气体 包 括煤炭干馏后放出的可燃性气体 是否会因火源的存在而发生爆炸时 往往多采 用单纯的瓦斯 CH4 爆炸三角形判别法 对爆炸三角形的新的分区方法 对于正 确评判矿井火区可燃性混合气体的爆炸危险性 尤其是对于保障矿工的生命健康 安全 具有十分重要的意义 2 1 爆炸三角形新的分区方法 瓦斯爆炸必须同时具备 3 个条件 一定体积分数的瓦斯一定体积分数的瓦斯 瓦斯体积分数在可爆范瓦斯体积分数在可爆范 围内围内 足够体积分数的氧气和足够能量的引燃火源 足够体积分数的氧气和足够能量的引燃火源 3 3 煤矿常见爆炸性气体的爆炸特性参数如表 1 所示 爆炸界限爆炸界限也称为爆炸极限 其含义是可燃气体与空气或氧气混合后 遇有火源会 产生爆炸现象的可燃气体的极限体积分数 即在某一极限体积分数之内的混合气 体 爆炸会自行蔓延开来 可能产生爆炸的可燃气体的最低极限体积分数称为爆 炸下限 最高极限体积分数称为爆炸上限 下限以下无爆炸危险 它与可燃性气 体不足或氧气过剩有关 上限以上不爆炸 这与氧气不足或可燃气体过剩有关 另 外上 下限与实验条件有关 3 爆炸界限所受的影响因素这里不做全面阐述 请看下面这两个爆炸三角形 如图 1 所示 A B C D E 五个点把整个区域分成 4 个区 1 区 BCE 可爆区 2 区 ABE 甲烷体积分数过低不爆区 3 区 甲烷体积分数过高不爆区 4 区 安全区 如图 2 所示 在 X 轴中找到 CH4 体积分数 100 的点 由于图的大小 关系这个点在图中没有标出 把这个点与 E 点相连并延长到 Y 轴 这条线与 Y 轴 的交点就是 F 点 A B C D E F 几个点把整个区域分成 4 个区如图 2 所示 B 爆炸下限 C 爆炸上限 Eco2 掺入 CO2 时爆炸临界点 EN2 掺入 N2 时爆炸 临界点 BE 爆炸下限界线 CE 爆炸上限界线 FE 临界氧体积分数线 ED 临 界瓦斯体积分数线 根据图 2 可把混合气体体积分数范围划分成 4 个区 不同的区域特点不同 可采 取相应的措施防止爆炸 1 区 BCE 可爆区 即爆炸三角形 可采用注入惰性气体或新鲜空气 使其状 态点进入 2 区或 4 区 失去爆炸性 2 区 ABEF 甲烷体积分数过低不爆区 掺入甲烷可进入爆炸区 如封闭火区时 因 此封闭火区时 常发生瓦斯爆炸 可向封闭区内注入惰性气体 使其状态点进入 4 区后 再封闭 即可防止瓦斯爆炸 3 区 甲烷体积分数过高不爆区 掺入空气可进入爆炸区 如火区启封时 因此 可向封闭区内注入惰性气体 使其状态点进入 4 区后 再启封通风 即可防止瓦斯 爆炸 4 区 安全区 氧气和甲烷体积分数都过低不爆区 掺入空气可能进入 2 区不爆 掺入甲烷可能进入 3 区不爆 2 2 火区封闭时应采取的措施火区封闭时应采取的措施 如上所述 火区封闭时可能因可燃性混合气体的聚集而存在爆炸危险 但对于大 面积火区 当不能采取直接灭火的惰化法时 矿井生产的实际情况往往是要求对 火区实行封闭处理 因此 在封闭前就必须对发火区进行必要的防爆处理 要安 全封闭火区 第一是防止爆炸发生 第二是一旦发生爆炸 应能够有效地消除爆炸 冲击波以及爆炸引起的火灾 保证矿井安全 从这两个角度出发 可选择以下几 种措施 1 采取瓦斯排放措施 防止封闭区可燃性混合气体聚集 一般高瓦斯矿井工作 面都有瓦斯抽放系统 工作面因火被迫封闭后 可利用现有抽放系统 继续对工作 面实行可燃性混合气体的抽放 以防封闭火区过程中可燃性混合气体聚集而发生 爆炸 2 采取从地面注惰气 注氮等方法降低封闭区氧体积分数 封闭时 发火区温 度 CO 体积分数都很高 所以不能在火区附近工作 此时可从地面向火区注氮 降低火源点附近氧体积分数和煤温 以保证工作面安全 3 消灭火源高温点 采取向发火区注凝胶等方法 使高温点温度降低到可引起 可燃性混合气体爆炸的下限温度以下 4 用水封闭火区 如果发火区两端比较低 可以在撤离人员的情况下 向发火区 所在巷道两端送水 直接用水封闭火区 火区用水封闭 能够保证密闭无漏风 而 且一旦封闭区内发生爆炸 两端的水密封能有效地消除爆炸引起的冲击波 从而 防止爆炸引起大火蔓延 3 3 爆炸三角形参数的确定爆炸三角形参数的确定 3 1 可燃性混合气体爆炸界限的计算 矿井火区内的可燃性气体 是多种可燃性气体的混合体 根据气体爆炸理论 其 混合气体 的爆炸界限可按 Le Chatelier 式进行计算 式中 N 混合气体爆炸上限或下限 C1 C2 Cm 各可燃气体占可燃性混合气体总和的体积百分比 即 C1 C2 Cm 100 N1 N2 Nm 各可燃气体的爆炸上限或下限 煤矿火区中几种常见可燃性气体的爆炸 上下限如表 1 所示 火区的温度一般很高 因此 实际计算火区内可燃性混合气体爆炸界限时 应根据 实测火 区内的温度及火区内各种可燃性气体的成份 对表 1 中所列数据按下式进行温度 校正 2 式中 NLT NUT 分别为各可燃性气体在 t 时的爆炸下限和上限 NL NU 分别为各可燃性气体在 25 时的爆炸下限和上限 3 2 临界氧浓度的计算 矿井火区气体是多种可燃性气体的混合物 那就很难按单一可燃性气体计算临界 氧浓度的方法进行工程计算 因此 需要采用三角形作图法 3 图 1 临界氧浓度 作图计算法 首先画出等边三角形 FON 顶点 F O N 分别表示可燃性混合气体 氧气和氮气 的最大体积浓度 然后 在 ON 线上 找出空气中最大含氧量 20 95 之 A 点 画 出空气线 FA 在 FO 边上取可燃性混合气体在氧气中的爆炸上限 U2 点和爆炸下 限 L2 点 在 FA 线上取可燃性混合气体在空气中的爆炸上限 U1 和爆炸下限 L1 连接 U2 和 U1 再连接 L2 和 L1 将两线段延长成三角形 过顶点作 FN 的平行线交 ON 线所示的数值 即为临界氧浓度 相应的 若过此顶点作 FA 的垂线 交 FA 线 所示的数值 即为临界氧浓度时所对应的可燃性混合气体浓度 详见图 1 同理 若过 U1 或 L1 点分别作 FN 的平行线 交 ON 线的交点所示数值 就是可燃性 混合气体在空气中爆炸时的上下限所对应的氧浓度 4 4 实例分析实例分析 设某矿井封闭火区内的可燃性混合气体成份与浓度分别为 CH44 0 CO2 1 C2H40 03 H20 04 火区内空气温度为 55 对其进行爆炸危险性参数分析如 下 4 1 可燃性气体浓度 可燃性混合气体浓度及各成份在总浓度中所占体积百分比浓度分别为 C 6 17 CCH4 64 83 CCO 34 03 CC2H4 0 49 CH2 0 65 4 2 爆炸界限 从表 1 查出各可燃性气体在 25 时的爆炸界限 按式 2 进行温度校正 如表 2 所示 由式 1 得火区内可燃性混合气体在空气中的爆炸上下限分别为 21 27 和 6 1 而在氧气中则分别为 71 05 和 6 42 由此可见 火区内可燃性混合气体的浓度 在空气中处于爆炸界限范围内 具有爆炸危险性 在此例中 若不进行可燃性气 体爆炸界限的温度校正 则其混合气体爆炸下限浓度为 6 24 即可燃性混合气 体浓度 6 17 小于爆炸下限浓度 可见 容易误报 此实例火区内的可燃性混合 气体不具有爆炸危险性 4 3 临界氧浓度及爆炸上下限所对应的氧浓度 按图 1 所示方法 可得实例火区内可燃性混合气体发生爆炸时的临界氧浓度为 12 8 此时可燃性混合气体浓度为 3 7 而爆炸上下限点所对应的氧浓度分别 为 16 4 和 17 6 见图 1 所示 5 5 爆炸三角形爆炸三角形 根据上述分析所得爆炸参数 爆炸上下限 临界氧浓度 临界氧浓度所对应的可 燃性混合气体浓度 以及爆炸上下限所对应的氧浓度 可画出实例火区可燃性混 合气体的爆炸三角形分析图 如图 2 所示 其中 空气线 ABCD 与纵坐标的夹角为 最大可燃性混合气体含量 100 与空气中最大氧含量 20 95 之比的反正切 6 6 爆炸危险性分析爆炸危险性分析 图 2 所示为实例火区可燃性混合气体 空气 氮气爆炸危险性分析图 根据其 各自浓度变化关系 可在空气线 ABCD 以下将其划分为 3 个区 第一区是 BCE 所围 区域 此区内的可燃性混合气体处于爆炸界限范围内 称为爆炸三角区 第二区是 BEF 左侧 此区的可燃性混合气体处于爆炸下限浓度以下 称为可燃性气体浓度 不足区 第三区是 CEF 的右侧 在此区内 因氧气含量较低 称为氧浓度过低区 上述三区的划分 虽然在第二区 第三区中可燃性混合气体不具有爆炸危险性 但是 上述三区并非恒定不变 对于矿井火区的管理 若措施不当 原来可燃性气 体浓度较低或氧气浓度不足的非爆炸区也有可能导致其浓度增加而转向爆炸三 角区 例如 刚开始自燃发火的矿井火区 尽管发火范围较大 此时因通风条件尚 好 可燃性混合气体浓度往往不足而处于图 2 所示的第二区 在此条件下 若贸 然采取火区封闭措施 则在切断火区通风过程中 其可燃性混合气体浓度就会迅 速增长 此时 由氧浓度与可燃性混合气体浓度所决定的坐标点 就可能进入 BCE 所围的爆炸区内 此时遇火就发生爆炸 同理 火区封闭不严或重开火区时 新鲜 空气的不断流入 也可能使原来氧含量较低之火区内的可燃性混合气体具有爆炸 性 7 7 火区封闭时应采取的措施火区封闭时应采取的措施 如上所述 火区封闭时可能因可燃性混合气体的聚集而存在爆炸危险 但对于大 面积火区 当不能采取直接灭火的惰化法时 矿井生产的实际情况往往是要求对 火区实行封闭处理 因此 火区的封闭 在封闭前就必须对发火区进行必要的防 爆处理 要安全封闭火区 第一是防止爆炸发生 第二是一旦发生爆炸 应能够有 效地消除爆炸冲击波以及爆炸引起的火灾 保证矿井安全 从这两个角度出发 可选 择以下几种措施 4 1 采取瓦斯排放措施 防止封闭区可燃性混合气体聚集 一般高瓦斯矿井工作 面都有瓦斯抽放系统 工作面因火被迫封闭后 可利用现有抽放系统 继续对工作 面实行可燃性混合气体的抽放 以防封闭火区过程中可燃性混合气体的聚集而 发生爆炸 2 采取从地面注惰气 注氮等方法降低封闭区氧浓度 封闭时 发火区温度 CO 浓度都很高 所以不能在火区附近工作 此时可从地面向火区注氮 降低火源 点附近氧浓度和煤温 以保证工作面安全 3 消灭火源高温点 采取向发火区注凝胶等方法 使高温点温度降低到可引起 可燃性混合气体爆炸的下限温度以下 4 用水封闭火区 如果发火区两端比较低 可以在撤离人员的情况下 向发火区 所在巷道两端送水 直接用水封闭火区 火区用水封闭 能够保证密闭无漏风 而 且一旦封闭区内发生爆炸 两端的水密封能有效地消除爆炸引起的冲击波 从而 防止爆炸引起大火蔓延 8 8 结结 论论 1 矿井火灾发生后 尤其是煤层自燃发火区 其可燃性气体已非单纯的瓦斯气体 判断 火区可燃性混合气体