矿井瓦斯防治课件第五章矿井瓦斯爆炸及其预防

,瓦斯涌入矿井巷道后产生的一个最大的危害就是发生爆炸，不仅能造成人员伤亡，而且会严重摧毁井下设施，中断生产。有时还会引起煤尘爆炸和井下火灾，使生产难以在短期内恢复。例如，1942年日本霸占我国东北时期，在本溪煤矿由电气火花引起的瓦斯爆炸和煤尘爆炸，共有1549人死亡。又如，日本夕张煤矿，1981年10月16日煤和瓦斯突出，突出煤约4000m3，瓦斯60万m3。10小时后，发生瓦斯爆炸，接着又引起井下火灾，造成93人死亡，矿井被迫关闭。因此，研究与掌握瓦斯爆炸的防治技术，对煤矿的安全生产具有重要意义。,第五章 矿井瓦斯爆炸及其预防,51 矿井瓦斯爆炸及其机理,瓦斯爆炸是甲烷和空气组成的爆炸性混合气体在火源诱发下发生的一种迅猛的氧化反应： 混合气体中的氧与甲烷都全部燃尽时，一体积的甲烷要同二体积的氧气化合，也就是要同2+7.52=9.52体积的空气化合。这时甲烷在混合气体中的浓度为1/(1+9.52)1009.5；这是理论上爆炸最猛烈的浓度。1摩尔的甲烷爆炸后将产生882.6kj的热量。1kg甲烷相当4kg的梯恩梯炸药。,51 矿井瓦斯爆炸及其机理,链式反应理论 化学反应式仅表示一系列复杂化学反应的最终结果，链式反应理论却能够对甲烷爆炸的实际反应过程与机理作出解释。链式反应理论认为甲烷爆炸是反应物分子首先离解成一些自由基(链起始)，自由基具有很大的化学活性，能成为反应连续进行的活化中心，经过一系列链锁反应步骤后完成整个反应。如果在连锁反应过程中链分支反应增多，自由基数目成倍增长，反应链的数目增加，反应速度将迅速增加，短时间内将释放出大量的能量，将使反应加速到爆炸速度。,51 矿井瓦斯爆炸及其机理,链式反应可以分为直链反应与支链反应两大类。图5-1(c)给出了非链反应、直链反应和支链反应的反应速率随反应时间的变化关系，从中可以看到曲线(d)有显著特点，就是支链反应初期有一个感应期f，其反应速率W很小，而后迅猛加速，以至可以出现爆炸现象。,51 矿井瓦斯爆炸及其机理,链式反应的特点还有：链式反应产生链载体困难，故反应开始时进行迟缓，常存在感应期，链载体活泼，若加入添加物使之产生或消灭链载体(即加入引发剂或阻化剂)会严重影响链式反应的速率，也就是说，链式反应对添加物是敏感的；链载体的产生与消亡对路壁的材质、尺寸和形状等也很敏感；“惰性”添加物也对链载体的产生与消亡起促进或延缓作用，故链式反应对“惰性”添加物也敏感。,51 矿井瓦斯爆炸及其机理,加热法与光化法都可以使链起始，后者是指短波光线的照射引起分子离解。在矿井内，高温热源与火源加热是常见的起链方法。 在甲烷气体爆炸的过程中，产生的自由基有CH3、H、CH2O、OH、O 等，在甲烷爆炸的过程它们都是转瞬即熄中间产物，这些中间产物增多或减少影响着爆炸过程的发展。如在含甲烷的空气中加入惰性的，吸热降温的物质，或能够同自由基结合形成分子的物质，就能起到链终止的效果，使含甲烷气体不爆炸或爆炸威力降低。如在含甲烷的空气中加入4.2%的一溴三氟甲烷CF3Br 就能防止甲烷爆炸。,52 瓦斯爆炸的传播及其后果,1. 瓦斯爆炸的分类 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。爆炸可以分为：物理性爆炸:物质因状态或压力发生突然变化而形成的爆炸现象，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。化学性爆炸: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。,52 瓦斯爆炸的传播及其后果,2.瓦斯爆炸的传播过程 1)爆燃和爆炸的自传播过程 假如在达到爆炸浓度的烷空气体中出现了点,火源，则在火源点处的气体被点燃形成最初火焰，在大气压条件下，该火焰厚度非常薄，仅0.10.01mm，它是一个燃烧带并在烷空气体中传播。图5-2是在烷空气体中传播的一维层流定常火焰的构造。,52 瓦斯爆炸的传播及其后果,当燃烧波在开始移动后510倍巷道宽度距离后，便开始明显加速，爆燃开始所产生的巳燃气体产物的比体积(m3/kg)约为未燃烷空气体的515倍，这些已燃气相当于一个燃气活塞，通过已燃气体产物所产生的膨胀形成的压缩波，给予火焰前面未燃气一个沿巷道向下游的速度并加热未燃烷空气体，使火焰速度进一步增大，又形成更大的压缩波。促使后面的波追上最初的波，得到了一个更大的火焰速度、更大的压缩波和更大的未燃气加速度，因此就可以形成激波，该波足够强以致依靠本身的压缩温度就能点燃烷空气体形成爆轰。,52 瓦斯爆炸的传播及其后果,2) 爆轰的传播过程 爆轰波由一个以爆轰波速度运动着的激波和激波后被加热、被压缩的气体所组成。激波经过后就发生化学反应：随着反应的进行温度升高、,密度和压力降低，如图5-3所示。在爆轰波运动过程中，激波为烷空气体的化学反应创造了条件，而烷空气体进行化学反应释放的能量连续向前传递一压缩波并支持着激波，保持激波稳定不衰，使爆轰传播到可爆烷空气体占据全部空间。,52 瓦斯爆炸的传播及其后果,3)反向冲击 爆炸发生时，爆源附近的气体向外冲出，加之反应产物生成的水蒸气凝成液态体积缩小，在爆源附近形成负压区，因此爆炸又从外围反向冲回爆源，这种现象称为反向冲击。虽然这种冲击比正向冲击力量小，但是，由于它是在已遭破坏巷道的基础上进行的，所以破坏的后果更严重。反向冲击时，如果气体中含有可爆的烷空气体：则可能造成二次爆炸，后果就更加严重。,3.瓦斯爆炸的后果 瓦斯爆炸时会产生三个致命的因素：1) 火焰锋面 火焰锋面是瓦斯爆炸时沿巷道运动的化学反应带和燃烧热的气体总称。其传播速度可在较大的范围内变化，从每秒数米到爆轰的传播速度2500m/s。火焰锋面好象沿巷道运动的活塞一样，把含甲烷空气体收集起来并点燃。这种活塞的长度从火焰锋面最慢传播时的几十厘米到爆轰时的几十米。火焰锋面通过时，可使人的衣服被扯下，造成大面积皮肤的深度烧伤、呼吸器官甚至食道和胃的粘膜烫伤；烧坏电气设备与电缆，当电缆有电时可能引起二次性的电气火灾；引燃井巷的可燃物，造成火灾。,2) 冲击波(激波) 在正向冲击波传播时，其波峰的压力可从数十kPa到2MPa的范围内变化；当正向冲击波叠加和反回时，可形成高达10MPa的压力。冲击波的传播速度高于音速。如果爆炸减弱，则冲击波就转变为声波。 正向和反向冲击波通过时会引起人体的创伤，在大多数情况下，这些创伤具有综合和多样的特征，如创伤和烧伤综合，给急救造成困难，需要细心护理。冲击波还会移动、翻倒和破坏电气设备、机械设备，甚至可能发生二次性着火，破坏支架、堵塞巷道，引起冒顶，破坏通风设施与通风系统，这不仅会扩大灾情，而且会使抢险救灾、救人困难化复杂化。,3) 井巷大气成分的变化 矿井瓦斯爆炸后的分析表明：O2=610%，N2=8288%，CO2=84%，CO=42%。瓦斯爆炸时矿井大气中氧浓度下降，产生有毒有害气体。甲烷浓度愈靠近爆炸上限时，爆炸后的残余氧浓度就愈低。在最佳的甲烷浓度时，可能发生完全燃烧的情况，这时生成CO2与H2O最多。高浓度CO2(5%)的作用犹如有毒气体，它溶于血液内能造成死亡性中毒，高浓度热水蒸气可能造成内脏器官的烫伤。在甲烷爆炸上限浓度时以及有煤尘参与爆炸时，还能释放出大量的剧毒物CO；当浓度达0.5时仅几分钟人员即有死亡危险。释放出来的可燃性气体(CO，H2，CH4 )可以达到爆炸界限，发生二次爆炸。1940年，抚顺龙凤矿的爆炸曾引起一昼夜连续43次的爆炸。,火焰锋面(爆燃与爆炸)的传播范围较小，一般为数十米到数百米，只在极少的情况下达到几千米。冲击波(爆轰)的传播范围就大得多，一般为几千米，有时甚至波及到地面。爆炸产物的波及范围与通风系统，通风风量以及爆炸时对通风系统破坏情况等有关，爆炸产物的运动，在冲击波消失和火焰锋面停止后继续随风流进行，因此甲烷和煤尘爆炸的最大危险性在于矿井大气成分的改变，它在大多数情况下造成严重的后果。瓦斯爆炸后，70%的伤亡是由爆炸产物造成的。,53 煤矿爆炸性体的安全技术参数,1. 爆炸界限及其主要影响因素1)温度对爆限的影响 烷空气体的爆炸界限同环境温度的关系如表5-6所示。从中可以看出，随着温度的升高，甲烷爆炸下限下降、上限升高，即爆炸范围扩大。,53 煤矿爆炸性体的安全技术参数,2)气压对爆限的影响 爆炸初始时环境的气压对烷空气休的爆炸界限也有很大影响；从表5-7可知，随着环境压力的升高，甲烷爆炸下限变动很小而上限上升很大，这个规律对烃类气体都适用。,53 煤矿爆炸性体的安全技术参数,3) 氧浓度对爆限的影响,5%。如果降低混合气体中氧气浓度，甲烷爆炸范围缩小，爆炸下限几乎保持不变，而爆炸上限下降较大；当氧浓度降至极限值(即失爆氧浓度10左右)时，爆炸上、下限重合在一点(5CH4)。我们将BCE区域称作爆炸三角形。,常温常压下甲烷的爆炸上限是15%，下限是,爆炸三角形对密封或启封火区以及对密闭区内灭火时，判别火区有无瓦斯爆炸危险，以及采用惰气灭火时判断瓦斯爆炸危险及其变化趋势具有指导意义。例如，在封闭火区过程中，由于切断了向火区的供风，火区内瓦斯浓度因继续有瓦斯涌出和火烟气体掺入而逐渐增加，氧浓度将减小，当甲烷浓度与氧浓度所决定的坐标点落入BCE区内时，可能会发生瓦斯爆炸。氧浓度降低不仅使爆炸范围缩小，而且爆炸压力也明显减小。在现场，降低封闭区域的氧浓度的办法通常是充入CO2或N2。这一过程叫做惰化。在相同惰化效果条件下，采用CO2比N2节省10%以上的用量，因为CO2惰化时，其失爆氧浓度比N2高2.53%。,53 煤矿爆炸性体的安全技术参数,4) 煤尘的影响 飞扬在烷空气体中的煤尘，会降低甲烷的爆炸下限。因为不仅煤尘本身有爆炸性，而且煤尘遇热时可能会干馏出可燃气体，这些都可使甲烷爆炸下限下降。5) 其它可燃气体存在的影响 当烷空气体混有乙烷丙烷等烃类和CO时，可用勒.查特里埃(le Chatelier)法则计算混合气体的爆炸上、下限与临界(点)浓度：,53 煤矿爆炸性体的安全技术参数,式中：N、N1、N2Nn分别是混合气体的和及其中各个可燃气体组分的爆炸上限、下限浓度，；C1，C2 Cn分别是各可燃气体组分占可燃气体总和的百分比(按体积计，%)Cl+C2+ +Cn100% 该法则适用于烃类与CO等混合气体，但氢除外。使用该法则计算混合气体爆炸界限的缺点是必须预先知道混合物中各可燃组分的浓度。,53 煤矿爆炸性体的安全技术参数,6)引火源点燃能量的影响 引火源向邻近的烷空气体层传输的能量越大，爆炸范围也越宽，如表510所示。,2最低点燃温度 取少量被测定气体试样放进爱伦迈尔烧瓶中，把烧瓶放在电炉上加热，改变瓶壁温度和气体浓度，用一系列测定试验找出使气样直接发生燃烧的瓶壁最低温度，这个温度称为该气体的自燃温度 ，亦即最低点燃温度。 最低点燃温度是重要的安全技术参数之一。根据它可以决定在什么样的爆炸混合气体内，各种设备的允许温升。如甲烷的最低点燃温度是595，在含有甲烷的环境下，设备的表面温升必须远低于此值。,3. 最大爆炸压力 最大爆炸压力是衡量物质特性的一种参数，可以判断它的爆炸危险性的大小。最大爆炸压力是指在一个5L的密闭容器内，改变可燃气体的浓度，进行一系列爆炸试验，测得爆炸压力的极大值。在大气压力为101.3kPa，温度为20时，测得甲烷的最大爆炸压力为706kPa。 井下发生瓦斯爆炸，是在长度很大的巷道中进行的，可能会出现更高的压力。 爆炸压力是由于爆炸时产生的高温引起的。当甲烷浓度为9.5时，在自由空间可测得1850或在密闭空间达到21502650的瞬时高温，相应的爆炸压力为7001000kPa。,4. 最小点燃能量 点燃爆炸性混合气体所需的最小能量是另一重要参数。它是在空气中可燃性组分处于最易点燃浓度时所需的最低点燃能量。它与引火源的种类有关。用电火花点燃与用加热体点燃其数值是不同的。通过调节放电电路中电容的大小以及电极间的距离和电极的形状，在环境压力为101.3kPa和温度为20时，测得甲烷的最小点燃能量为0.28mJ。 安全火花型电气设备通过限制电路的参数，使之在电路切换时放电的能量低于工作环境中可燃气体的最小点燃能量。这种设备适用于一切有爆炸危险的矿井。这是矿井弱电系统防爆技术的发展方向。,5.火焰蔓延极限宽度(最大不传爆间隙) 在爆炸气体环境中工作的设备上存在火源时(例如电路开关火花等)，必须在火源外围加上一个隔爆外壳。爆炸混合气体在壳内爆炸时，能可靠地防止火焰蔓延到壳外，以防引起壳外的瓦斯爆炸。壳体采用固定间隙长度的结构，并保证间隙的宽度小于火焰蔓延极限宽度。,最大允许不传爆间隙在隔爆电气设备设计加工以及使用时非常重要。只有保证间隙的宽度小于最大不传爆宽度，才能保证设备的隔爆性能。,设间隙的长度为L，间隙的宽度为G，用实验方法对固定间隙长度L条件下的极限间隙宽度进行测定。例如L25mm时，甲烷的G1.2mm(火焰蔓延极限宽度)，同时L变长时，G的极限值也变宽。L与G之间存在如下关系：,6. 引燃甲烷空气混合物的感应期 烃类氧化有感应期。从接触引火源起到烃类空气混合物转为快速燃烧爆炸的时间间隔称为感应期。烃类的感应期随着引火源温度的升高和甲烷浓度的下降，感应期将缩短。,在甲烷同系物(甲烷、乙烷、丙烷等)与空气混合的爆炸性气体中，以甲烷的感应期最长，其它气体则较短。 矿用安全炸药正是利用了烷空混合气体存在感应期的特性。在感应期间内，保证安全炸药爆破时的高温产物能迅速冷却，不致于使烷空混合气体达到引火爆炸的温度。其原理是，在矿用安全炸药中加入了一定数量的消焰剂。消焰剂有两个作用，一是它的热容量较大，可以吸收一部分爆热从而降低爆温、减少火焰存在的时间，二是它对甲烷的氧化燃烧反应起负催化作用，破坏甲烷氧化燃烧链锁反应的活化中心，阻止烷空混合气体的爆炸。在消焰剂的这两个作用中，负催化作用是主要的。,五、煤矿井下瓦斯爆炸原因分析 必要条件：甲烷的浓度超过爆炸下限(即形成瓦斯积存)，氧的浓度不低于12；具有超过最小点燃能量、长于感应期和高于甲烷最低点燃温度的点火源。 1.瓦斯积聚：所谓瓦斯积聚是指局部瓦斯浓度超过2，其体积超过0.5m3的现象。 在煤矿中掘进和回采工作面附近，甲烷易于积存，危险性大。掘进工作面的瓦斯爆炸占总爆炸次数的46.9，回采工作面占49.2，其它仅占3.3。在这些爆炸中，产生积聚瓦斯的直接原主要还是通风不正常。搞好通风和瓦斯的管理，及时清除瓦斯积聚，是防止瓦斯爆炸最基本和最积极的措施。,2.引火源：井下瓦斯爆炸的引火源很多。各种明火、煤炭和可燃物的自燃、电线短路、过载电流，电弧，电火花，灯泡破坏时赤热灯丝、摩擦或冲击火花、静电火花，炸药爆破火焰、赤热产物(气体与粒子)、冲击波压缩热等。 炮采炮掘为主的矿井，爆破引燃瓦斯的百分比可以增加到40以上。随着井下机械化程度的提高，使用电气设备的数量、种类和功率越来越大，因电气设备电火花和机械摩擦火花引燃的事故百分比增加到50以上。,井下岩石与岩石，岩石与金属，金属与金属撞击或摩擦产生的火花都可能引燃瓦斯。如截煤机截齿与坚硬顶板和坚硬硫化铁结核的碰撞，都可能引起火化。此外，皮带摩擦起火，及漏电形成的杂散电流火花都有可能引爆瓦斯。 静电火花 高电阻物体或处于电绝缘状态的物体等，在互相紧密接触后分离或摩擦时，产生静电是常见的现象。例如近年利用表面电阻很高的塑料管通风或喷射混凝土时，都发生过多起瓦斯爆炸事故。塑料管表面电阻高达4X1013、静电电压高达9000V。,静电火花引起的爆炸，必须满足四个条件： 处于容易产生静电的状态；静电发生后泄漏难，处于能够蓄积静电的绝缘状态；蓄积的静电进行放电时，具有相当于电极的物体存在；放电的静电能大于可燃气体的最小点燃能。 有时热辐射可以成为引火源，如用大功率的白炽灯泡取暖烤焦了木板着火等。 我国19701979十年间发生瓦斯爆炸事故中统计资料表明，引火源中电火花比重最大，达50以上，放炮火源约占30。,3. 思想麻痹、管理松懈及违章作业 国内外的事故统计表明，思想麻痹、管理松懈、违章指挥、违章作业，违犯劳动纪律、作业前后不检查瓦斯浓度或漏检”等是发生事故的重要因素。例如有的矿井，在瓦斯涌出量很小的区域甚至在平常几乎都检查不出瓦斯存在的地点却发生了爆炸，就是这种原因所致。,六、预防瓦斯爆炸技术措施 1防止瓦斯积聚的措施 1) 搞好通风 通风是防止瓦斯积聚最基本最有效的措施。主要措施有：建立和维护安全可靠的、完整的、独立的矿井通风系统，实行分区通风。采空区及时封闭。所有的通风构筑物保证质量。采用机械通风。选好、安装好、维修好矿井主扇，向矿井及各用风地点供给保质保量的空气。防止局扇停电，停工地点不停风等。,2) 及时安全地处理积聚瓦斯 当发生瓦斯积聚时，必须及时处理。这是矿井日常瓦斯管理工作的重要内容。井下任何一处瓦斯积存都可能成为爆源，必须及时安全地处理好，不留任何隐患。主要方法有：加大瓦斯积聚地点的风速和风量，强制冲淡瓦斯到允许浓度后排到回风流中，按矿总工程师批准的安全措施排放积存瓦斯，临时停工地点不得停风，停工区瓦斯浓度达到3，不能立即处理时，必须予以封闭；停风区域必须切断电源，恢复通风、排放瓦斯和送电时，要有安全措施，必要时应采取封闭抽放瓦斯等措施。,3) 分源治理瓦斯 针对瓦斯来源的特征(涌出规律与涌出量)采取相应的治理措施，寻求经济合理，安全可靠的最优治理方案。其方法有：瓦斯来源分析；针对不同的瓦斯来源分别采用不同的处理方法，以消除工作面瓦斯积聚和瓦斯浓度超限。如工作面采取通风能力较大的通风系统；安装引射器消除上隅角及采掘机械附近的瓦斯积聚；预防巷道顶板层状瓦斯积聚，以及抽放瓦斯措施等。4) 严格井下瓦斯浓度的检查与检测，在各种瓦斯源附近安设瓦斯自动检测报警断电装置。,2防止瓦斯引燃措施 防止瓦斯引燃的措施是严禁和杜绝一切火源，严格管理和控制生产中可能发生的火、热源，防止它的产生或限制其引燃瓦斯的能力。 严禁携带烟草和点火物品下井；防止烟火进入井筒；井下严禁使用灯泡取暖和使用电炉；不得从事电焊、气焊和喷灯焊接等工作；井口房、扇风机房和抽放瓦斯泵房周围20m范围以内，禁止有明火；矿灯应完好，否则不得发出，应爱护矿灯，严禁拆开、敲打、撞击；瓦斯检定灯各部件及其使用必须符合规定，严格井下火区管理等。,在有瓦斯或煤尘爆炸