礦井瓦斯爆炸條件及其影響因素

王忠成/方正縣煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局

礦井瓦斯爆炸條件及其影響因素

王忠成/方正縣煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局

礦井瓦斯是成煤過(guò)程中的一種伴生氣體，是指煤礦井下的以甲烷（CH4）為主的有毒、有害氣體的總稱，有時(shí)單指甲烷。瓦斯爆炸是煤礦生產(chǎn)中最嚴(yán)重的災(zāi)害之一，后果嚴(yán)重，因此掌握瓦斯爆炸的條件及其影響因素對(duì)煤礦安全生產(chǎn)工作極為重要。

瓦斯在煤層及圍巖中的賦存狀態(tài)有兩種，一種是游離狀態(tài)，另一種是吸附狀態(tài)，當(dāng)煤層（圍巖）采動(dòng)時(shí)，煤層（圍巖）受到破壞，貯存在煤體內(nèi)的部分瓦斯就會(huì)離開(kāi)煤（巖）體，涌入采掘空間，當(dāng)與空氣混合后，瓦斯?jié)舛仍?%-16%之間，氧氣濃度不低于12%時(shí)，遇到高溫火源就會(huì)發(fā)生爆炸，并在瞬間釋放出大量能量，其化學(xué)反應(yīng)式為：

CH4+2O2=2H2O+882.6K J/mol

爆炸時(shí)產(chǎn)生的高溫高壓促使爆炸附近氣體以極大的速度（可達(dá)每秒幾百米）向外傳播，形成沖擊波造成人員傷亡，同時(shí)產(chǎn)生大量的有毒有害氣體。

瓦斯爆炸必須同時(shí)具備三個(gè)條件，即一定濃度的瓦斯，一定溫度的引燃火源和足夠的氧含量，三者缺一不可。

一、瓦斯?jié)舛?/h2>

瓦斯只在一定的濃度范圍內(nèi)爆炸，這個(gè)濃度范圍稱瓦斯的爆炸界限。其最低濃度界限為爆炸下限，最高濃度界限為爆炸上限。瓦斯在新鮮空氣重的爆炸下限位5%～6%，上限為14%～16%。

根據(jù)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論，瓦斯吸收足夠的熱量后，就將分解出大量活化中心，并放出一定的熱量。如果生成的熱量超過(guò)周圍介質(zhì)的吸熱和散熱能力，而混合氣體中又有足夠的CH4和O2存在，足以使鏈反應(yīng)發(fā)展，就會(huì)形成更多的活化中心，使氧化過(guò)程迅猛發(fā)展成為爆炸；若參與反應(yīng)的瓦斯?jié)舛炔粔?，反?yīng)速度就不能發(fā)展成為爆炸。又若瓦斯?jié)舛冗^(guò)高，相對(duì)來(lái)說(shuō)O2濃度就過(guò)低，而且CH4的的吸熱能力比空氣大，氧化生成的熱量容易被周圍介質(zhì)所吸收，當(dāng)然也不能發(fā)展為爆炸。這兩種情況下都只能發(fā)生瓦斯的燃燒。因此，瓦斯?jié)舛鹊陀诒ㄏ孪迺r(shí)，遇高溫火源并不爆炸，只能在火焰外圍形成穩(wěn)定的燃燒層，此燃燒層呈淺蘭或淡青色。濃度高于爆炸上限時(shí)，在該混合氣體內(nèi)不會(huì)爆炸，也不燃燒。如有新鮮空氣供給時(shí)，可以在混合氣體與新鮮空氣的接觸面上進(jìn)行燃燒。

由于瓦斯的主要成分是甲烷，根據(jù)甲烷燃燒或爆炸的化學(xué)反應(yīng)式可知，一個(gè)體積的甲烷需要2個(gè)體積的氧氣才能發(fā)生完全反應(yīng)。新鮮空氣中一個(gè)體積的氧，必有79.04÷20.96=3.77個(gè)體積的氮、二氧化碳及其他惰性其他同事存在。因此要使一個(gè)體積的甲烷全部參加反應(yīng)就需2×（1+3.77）=9.54個(gè)體積的新鮮空氣。此時(shí)混合氣體中的甲烷濃度應(yīng)為1÷（1+9.54）× 100%=9.5%。在礦井空氣中，氧的濃度較低，《規(guī)程》規(guī)定不得低于20%，如以20%計(jì)算，則反應(yīng)完全的甲烷濃度應(yīng)為（1÷11）×100%=9.1%，即當(dāng)?shù)V井空氣中的甲烷濃度為9.1%時(shí)，瓦斯爆炸反應(yīng)最完全，產(chǎn)生的動(dòng)力效應(yīng)最強(qiáng)。

實(shí)踐證明，瓦斯的爆炸界限不是固定不變的，它受到許多因素的影響，其中重要的是：

（1）其他可燃?xì)怏w的存在。兩種以上可燃?xì)怏w同時(shí)存在時(shí)，這類混合氣體的爆炸界限決定于各可燃?xì)怏w的爆炸界限和它們的濃度。也就是說(shuō)，如果瓦斯一空氣混合物中還存在著其他可燃?xì)怏w，那么這種混合氣體的爆炸界限就不是各單個(gè)可燃?xì)怏w的爆炸界限了。一般來(lái)說(shuō)，瓦斯一空氣混合氣體中，如果混入的其他可燃?xì)怏w的爆炸下限比瓦斯的爆炸下限低，那么混合氣體的爆炸下限也就比瓦斯單獨(dú)存在時(shí)的爆炸下限低。爆炸上限也是這樣。所以判斷煤礦自燃火區(qū)內(nèi)的爆炸危險(xiǎn)時(shí)，不能只以瓦斯?jié)舛葹闇?zhǔn)。通常建議，只單獨(dú)測(cè)定瓦斯?jié)舛葧r(shí)，應(yīng)以3.5%作為火區(qū)有無(wú)爆炸危險(xiǎn)的下限濃度。

（2）煤塵的混入。浮游在瓦斯混合氣體中的具有爆炸危險(xiǎn)性的煤塵，不僅能增加爆炸的猛烈程度，還可降低瓦斯的爆炸下限。這是因?yàn)樵跍囟?00℃～400℃時(shí)，煤塵會(huì)干餾出可燃?xì)怏w。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)煤塵濃度達(dá)68g/m3時(shí)，瓦斯的爆炸下限降低到2.5%。

（3）惰性氣體的混入。如果在瓦斯混合氣體中加入了惰性氣體，則爆炸下限提高，上限降低，即爆炸范圍減小。如在烷空氣體中加入某些鹵代碳?xì)浠衔铮ㄈ鏑Br2F2），就能抑制其爆炸，因?yàn)槎栊詺怏w具有捕捉燃燒反應(yīng)中起火化中心作用的自由基的能力，從而抑制了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，可中止燃燒過(guò)程。例如，如果在瓦斯混合氣體中氮含量超過(guò)81.69%或二氧化碳含量超過(guò)22.8%，則任何濃度的瓦斯都不會(huì)爆炸。

（4）混合氣體的初溫和初壓。實(shí)驗(yàn)表明，瓦斯的爆炸界限隨爆炸前環(huán)境的溫度（初溫）和壓力（初壓）而變化，隨著溫度的升高，瓦斯爆炸下線下降、上限升高，即爆炸范圍擴(kuò)大，如表1所示。爆炸初始時(shí)環(huán)境的氣壓對(duì)瓦斯氣體的爆炸界限也有很大影響，隨著環(huán)境壓力的升高，瓦斯爆炸下限變動(dòng)很小而上限上升很大，這個(gè)規(guī)律對(duì)烴類氣體都適用，如表2所示。所以井下發(fā)生火災(zāi)或爆炸時(shí)，高溫和高壓會(huì)使正常條件下未達(dá)爆炸濃度的瓦斯發(fā)生爆炸。

表1 瓦斯爆炸界限與初始溫度的關(guān)系

二、一定溫度的引燃火源

1.瓦斯的點(diǎn)燃溫度與點(diǎn)燃能量。點(diǎn)燃瓦斯所需的最低溫度是它的點(diǎn)燃溫度，所需的最低點(diǎn)燃能量稱點(diǎn)燃能量。一般認(rèn)為，正常大氣條件下，瓦斯在空氣中的著火溫度為650℃～750℃，瓦斯的最小點(diǎn)燃能量為0.28mJ（有關(guān)電氣規(guī)程規(guī)定的安全著火能量為0.25mJ）。煤礦井下的明火、煤炭自燃、電弧、電火花，赤熱的金屬表面和撞擊或摩擦火花都能點(diǎn)燃瓦斯。

影響點(diǎn)燃溫度與點(diǎn)燃能量的主要因素有空氣中的瓦斯?jié)舛?、氧濃度、初壓和火源性質(zhì)。

（1）瓦斯?jié)舛鹊挠绊?。不同的瓦斯?jié)舛?，引火溫度也不同。例如，?dāng)瓦斯?jié)舛葹?%時(shí)，點(diǎn)燃溫度為810℃；當(dāng)瓦斯?jié)舛葹?.6%時(shí)，點(diǎn)燃溫度為510℃；當(dāng)瓦斯?jié)舛葹?1%時(shí)，點(diǎn)燃溫度為539℃；瓦斯最容易點(diǎn)燃的濃度為7%～8%，而不是爆炸最猛烈時(shí)的濃度9.5%。

（2）氣體壓力的影響?；旌蠚怏w壓力大，點(diǎn)燃溫度低。正常大氣壓力下點(diǎn)燃溫度為700℃；當(dāng)混合氣體壓力增加到2836.4kPa（28個(gè)大氣壓）時(shí)，點(diǎn)燃溫度將為460℃?；旌蠚怏w的溫度越高，點(diǎn)燃溫度越低。火源面積越大，點(diǎn)火時(shí)間越長(zhǎng)，越易點(diǎn)燃。

2.瓦斯的引火延遲性。瓦斯與高溫?zé)嵩唇佑|時(shí)，不是立即燃燒或爆炸，而是要經(jīng)過(guò)一個(gè)很短的間隔時(shí)間，這種現(xiàn)象稱引火延遲性，間隔的這段時(shí)間稱感應(yīng)期。感應(yīng)期的長(zhǎng)短與瓦斯?jié)舛?、火源溫度和火源性質(zhì)有關(guān)，而且瓦斯燃燒的感應(yīng)期總是小于爆炸的感應(yīng)期。表3為瓦斯爆炸的感應(yīng)期與火源溫度關(guān)系表。由2-6可見(jiàn)，火源溫度升高，感應(yīng)期迅速下降；瓦斯?jié)舛仍黾?，感?yīng)期略有增加。

表3 瓦斯爆炸感應(yīng)期與火源溫度及瓦斯?jié)舛汝P(guān)系表

瓦斯爆炸的感應(yīng)期，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)意義很大。例如，使用安全炸藥爆破時(shí)，雖然炸藥爆炸的初溫能達(dá)到2 000℃左右，但是在絕大多數(shù)情況下，這一高溫存在時(shí)間極短（一般為幾毫秒），小于瓦斯的爆炸感應(yīng)期，所以不會(huì)引起瓦斯爆炸。如果炸藥質(zhì)量不合格，炮泥充填不緊或放炮操作不當(dāng)，火焰存在時(shí)間就可能延長(zhǎng)，一旦超過(guò)感應(yīng)期，就能發(fā)生瓦斯燃燒或爆炸事故。

另外，硝銨炸藥爆炸后分解的二氧化氮（NO2）能使瓦斯爆炸感應(yīng)器縮短。再加上爆破沖擊波對(duì)氣體的沖擊壓縮作用，井下放炮時(shí)，瓦斯的實(shí)際感應(yīng)期將比表3所列時(shí)間短。因此，放炮常可引起瓦斯事故，必須嚴(yán)格遵守《規(guī)程》中有關(guān)爆破作業(yè)的規(guī)定。

煤礦井下用的電氣自動(dòng)控制裝置的電流卻斷時(shí)間必須小于瓦斯爆炸的感應(yīng)期。這就必須做好這類裝置的管理和維修工作。

3.井下引燃瓦斯的熱源種類。

（1）明火和熱輻射。（2）放炮火焰（3）沖擊、摩擦火花。（4）電弧、靜電火花。

三、足夠的氧含量

瓦斯爆炸是一種迅猛的氧化反應(yīng)，沒(méi)有足夠的氧含量，就不會(huì)發(fā)生瓦斯爆炸。瓦斯的爆炸界限隨混合氣體中氧氣濃度的降低而縮小。當(dāng)氧氣濃度額外降低時(shí)，爆炸下限變化不大，爆炸上限則明顯降低。氧濃度低于12%時(shí)，混合氣體失去爆炸性。