煤礦瓦斯爆炸濃度參數(shù)的確定

丁星星,楊林峰,張 瑩,王培培

(中原工學(xué)院,鄭州 450007)

煤礦瓦斯爆炸濃度參數(shù)的確定

丁星星,楊林峰,張 瑩,王培培

(中原工學(xué)院,鄭州 450007)

利用人體靜電放電引爆瓦斯模擬實驗系統(tǒng)進行了一系列實驗,并應(yīng)用熱力學(xué)統(tǒng)計和化學(xué)反應(yīng)理論進行了理論推導(dǎo),得出最易引爆的瓦斯?jié)舛葹?.5%左右,為煤礦瓦斯?jié)舛劝踩幚硖峁┝艘罁?jù).

瓦斯爆炸;瓦斯?jié)舛?熱力學(xué)統(tǒng)計;化學(xué)反應(yīng)

煤礦瓦斯爆炸是煤礦安全的核心問題.瓦斯災(zāi)害事故在煤礦事故中影響范圍最大,破壞力最強,傷亡人數(shù)最多.據(jù)統(tǒng)計,在全國煤礦每年發(fā)生的重大事故中,因瓦斯爆炸事故導(dǎo)致的死亡人數(shù)占40%左右,且近2年呈上升趨勢[1].人體靜電放電(ESD)是瓦斯燃爆的點火源之一.近年來,人體靜電在電工電子等各行業(yè)所帶來的隱患及防預(yù)措施成為熱門研究.本文利用人體靜電放電引爆瓦斯模擬實驗系統(tǒng)進行一系列實驗,得出最易爆炸的瓦斯?jié)舛?對煤礦環(huán)境中加強瓦斯?jié)舛群突鹪幢O(jiān)測,有效降低瓦斯爆炸所造成的損失提供了幫助.

1 瓦斯特性及爆炸條件

1.1 瓦斯特性

煤礦瓦斯是指礦井中以甲烷(CH4)為主的有害氣體,其中甲烷成分約占氣體總成分的99%,是煤在生成和變質(zhì)過程中伴生的.瓦斯無色、無味、無臭,但有時可以聞到類似蘋果的香味,這是由于芳香族的碳氫氣體與瓦斯同時涌出的緣故.瓦斯對空氣的相對密度是0.554,在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度為 0.716 kg/m3,因為瓦斯比空氣輕,常積聚在巷道的上部及高頂處.瓦斯的滲透能力是空氣的1.6倍,難溶于水,不助燃,也不能維持呼吸,當(dāng)其和空氣混合到一定濃度時,能使人因缺氧而窒息,并能發(fā)生燃燒或爆炸.

1.2 瓦斯爆炸條件

在正常大氣環(huán)境下,瓦斯只能在一定濃度范圍內(nèi)爆炸,其在空氣中爆炸的濃度下限為5%～6%,上限為14%～16%,爆炸界限如圖1所示[2].瓦斯爆炸界限不是固定不變的,它受到許多因素的影響,其中主要因素有:①氧氣濃度;②其他可燃氣體;③煤塵;④空氣壓力;⑤惰性氣體.

圖1 柯瓦德爆炸三角形

2 人體ESD引爆瓦斯模擬實驗系統(tǒng)

本實驗所用的人體靜電放電引爆瓦斯模擬實驗系統(tǒng)[1],由瓦斯混合氣體腔體、控制單元、瓦斯測量單元、溫度測量單元、人體 ESD模型點燃裝置、報警顯示、上位機及瓦斯供氣裝置等組成,系統(tǒng)框圖如圖2所示.該系統(tǒng)測量的瓦斯?jié)舛?、氧氣濃度誤差不大于0.1%.

圖2 系統(tǒng)框圖

3 實驗及結(jié)果

在煤礦環(huán)境中,人體靜電所造成的危害遠大于材料靜電[1].研究發(fā)現(xiàn),在狹窄坑道的煤礦采煤區(qū),人體電容會比普通條件下的測試值大十余倍.同時,當(dāng)?shù)V工做突變動作如跌倒、跳起、脫衣時,人體電壓也會突增十余倍,人體電阻則相應(yīng)減小,因此,人體靜電放電引爆瓦斯的可能性增加.

利用人體ESD點火裝置針對客觀的人體電容、電阻值模擬出相對應(yīng)的瓦斯最小點火能量,進而引爆瓦斯.

實驗腔體為半封閉容器.實驗時向?qū)嶒炃惑w內(nèi)緩慢通入濃度從5%開始變化的瓦斯氣體,用人體 ESD裝置引爆腔體瓦斯,由顯示屏及時顯示引爆瓦斯時的瞬間瓦斯?jié)舛?、氧氣濃度和氣體溫度.實驗得出在氧氣濃度12%～ 20%、室溫22℃、相對溫度45%情況下,最易爆炸的瓦斯?jié)舛葹?.5%左右.實驗數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 利用人體靜電放電引爆瓦斯模擬實驗系統(tǒng)測試的實驗參數(shù)

4 最易爆炸瓦斯?jié)舛壤碚撚嬎?/h2>

最易爆炸濃度是氣體最易激發(fā)且爆炸時釋放出最大能量的濃度.從反應(yīng)機理分析,瓦斯爆炸是自由基鏈反應(yīng)過程,一次反應(yīng)可以生成2個自由基.反應(yīng)過程包括鏈引發(fā)、鏈傳遞、鏈分支和鏈終止4個環(huán)節(jié).瓦斯爆炸的反應(yīng)可看作總包反應(yīng)下的8個基元反應(yīng)的集合[3],反應(yīng)如下:

從8個基元反應(yīng)可看出,CH2O+O2→HO2+HCO在整個反應(yīng)中起到至關(guān)重要的作用,只要體系得到足夠的能量,反應(yīng)將連續(xù)發(fā)生.

瓦斯爆炸的最終反應(yīng)為一定濃度的甲烷和空氣中的氧氣在一定溫度作用下的劇烈氧化反應(yīng)[4].根據(jù)氧氣充足與否,其最終化學(xué)反應(yīng)式為:

CH4+2O2=CO2+2H2O(氧氣充足)

2CH4+3O2=2CO+4H2O(氧氣不充足)

在實驗腔體壓強一定的情況下,最易爆炸的瓦斯?jié)舛燃幢ㄐ詺怏w完全燃燒時的化學(xué)理論濃度為:

考慮到煤礦環(huán)境中空氣所含的氧氣濃度要小于新鮮空氣中的氧氣濃度,實際上最易爆炸的瓦斯?jié)舛葢?yīng)偏小于9.5%.理論分析與實驗結(jié)果相一致,從而得出了最易爆炸的瓦斯?jié)舛确秶?

5 結(jié) 語

人體靜電在煤礦環(huán)境中能夠提供大于22 kV/cm的瓦斯混合氣體擊穿場強和大于0.28 mJ的瓦斯最小點火能量[1],從而引爆瓦斯.本文借助人體 ESD模擬點火裝置引爆瓦斯實驗,結(jié)合理論推導(dǎo),得出了最易爆炸的瓦斯?jié)舛?為瓦斯監(jiān)測、靜電安全管理提供了依據(jù).

[1] 張景昌.靜電防護概論[M].北京:原子能出版社,2009.

[2] 張國樞.通風(fēng)安全學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2000.

[3] 羅振敏.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論在礦井瓦斯抑爆中的應(yīng)用[J].煤礦安全,2009(2):67-69.

[4] 盧楠,陳德展,董川.瓦斯爆炸極限及反應(yīng)熱力學(xué)溫度的計算[J].山東師范大學(xué)學(xué)報,2008,23:54-56.

The Confirmation of Concentration Parameters of Coal Mine G as Detonation

DING Xing-xing,YANG Lin-feng,ZHANG Ying,WANG Pei-pei
(Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

In order to solve the human static security risks of the coal mine environment,“The modeling system of the gas detonation by the human body electrostatic discharge”is developed.A series experiments and data analysis are carried out,and apply the statistical of thermodynamics and chemical reaction theory to simulate the human body static electricity off the gas reaction process,predicts that the most easy to detonate the concentration in the vicinity of 8.5%,the result provides a theoretical basis for the disposal of coal mine gas concentration.

the gas explosion;the gas concentration;the statistical of thermodynamics;chemical reaction

O631;X752

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2010.06.003

1671-6906(2010)06-0009-03

2010-11-04

國家自然科學(xué)基金項目(50977093;51077134)

丁星星(1982-),女,安徽淮北人,碩士.