瓦斯爆炸特性及其防治

瓦斯爆炸特性及其防治技术现状摘要：矿井瓦斯爆炸是煤矿井下一种极其严重的灾害，一旦发生，不仅会造成大量人员伤亡，而且还会严重损毁矿井设施，造成生产中断，甚至还会引起煤尘爆炸、矿井火灾等二次事故，从而加重灾害，造成巨大损失。因此，研究和掌握矿井瓦斯爆炸原因及其防治技术，对于矿井安全生产、保障矿工的生命安全具有十分重要的意义。本文将对瓦斯爆炸的特性和防治技术现状作简要介绍，瓦斯爆炸特性有很多影响因素，如环境湿度、矿井特殊气体、瓦斯浓度、混合气体氧浓度、引火源等。对于瓦斯爆炸的防治，主要可以从防止瓦斯超限与积聚、防止瓦斯引燃和防止爆炸事故扩大这三个方面考虑。关键词：瓦斯爆炸特性防治GasexplosioncharacteristicsandthecurrentstatusofitspreventionandcontroltechnologyAbstract:coalminegasexplosioninthecoalmineisanextremelyseriousdisaster，oncehappened,notonlycancausealargenumberofcasualties,butalsoseriouslydamagethefacilitiesinmine,causingdisruptions,andevencausecoaldustexplosion,minefire,suchassecondaryaccidents,whichincreasedisasters,causedhugelosses.Therefore,thestudyofminegasexplosioncausesandcontroltechnologyforminesafetyinproductionhasveryvitalsignificancetothesafetyofminers'life.Thisarticlewillbrieflyintroducethecurrentsituationofthegasexplosioncharacteristicsandthepreventiontechnologyofexplosion,therearemanyfactorsaffectinggasexplosion,suchasspecialenvironmenthumidity,minegas,gasconcentration,concentrationofoxygenmixedgas,ignitionsource.Forpreventionandcontrolofgasexplosion,mainlyconsideringpreventgasoverrunandaccumulation,preventgasignitionandpreventexplosionexpandingthesethreeaspects.Keywords:gasexplosioncharacteristicspreventionandcontrol0引言近年来，我国煤矿安全状况总体趋于好转，但煤矿生产安全事故总量、死亡人数等仍相当大。煤炭行业安全水平与欧美等发达国家相比差距甚远，当然，有一部分原因是我国煤矿地质条件相比外国要复杂很多。2011年全国55起较大及以上煤矿瓦斯事故中，瓦斯爆炸事故占30起，死亡人数233人，分别占较大以上瓦斯事故起数及死亡人数的54.55%和52.95%1。足见瓦斯爆炸发生频率之高，危害之大。因此，有效控制瓦斯爆炸对于改善我国煤矿安全状况具有重要意义。预防和消除重特大瓦斯爆炸事故除了可在技术、装备、管理、培训等方面入手，对事故发生规律的认识也可以预防或减少重复性事故的发生。统计分析已发生事故并研究其发生的规律，将对科学制定事故预控目标及保证井下工人的生命安全、促进煤矿企业的安全发展起到重要作用。当然，要研究出有效的瓦斯爆炸防治措施需要以弄清楚瓦斯爆炸特性为前提。1.瓦斯爆炸发生条件1.1瓦斯浓度根据链式反应理论，一定浓度的瓦斯吸收足够的热量后，就将分解出大量的活化中心，完成整个氧化反应过程，并放出一定的热量。如果生成的热量超过周围介质的吸热和散热能力，且混合物中又有足够的瓦斯和氧气存在，则在此条件下就会生成更多的活化中心，是氧化反应迅猛发展成爆炸。因此，瓦斯爆炸具有一定的浓度范围，这个浓度范围称为瓦斯爆炸界限，其最低浓度界限称为爆炸下限，最高浓度称为爆炸上限。在新鲜空气中，瓦斯爆炸界限一般为5%-16%，其中5%为爆炸下限，16%为爆炸上限。1.2混合气体中的氧浓度瓦斯爆炸界限随着混合气体中氧浓度的降低而缩小。当氧浓度降低时，瓦斯爆炸下限慢慢的增高，爆炸上限则迅速下降。当氧浓度降低到12%时，瓦斯混合气体失去爆炸性，遇火也不爆炸，该点的氧浓度称为失爆氧浓度。因此，为了防止火灾内瓦斯爆炸，控制火区内的氧含量具有重要作用。1.3引火源瓦斯爆炸的第三个条件是引火源的存在。点燃瓦斯所需的最低温度称为最低点燃温度，一般瓦斯最低点燃温度为650-750℃，不同浓度的瓦斯，其点燃温度也不相同。目前认为，瓦斯最容易被点燃的浓度为7%-8%。综上，瓦斯爆炸必须同时具备3个条件:一是瓦斯浓度在爆炸界限内,一般为5%～16%;二是混合气体含氧浓度不低于12%;三是有足够能量的点火源。煤矿井下的封闭区域、采空区内及其他裂隙等处由于氧气消耗或没有供氧条件,可能会出现氧气浓度低于12%的情况,其他巷道、工作场所等一般不存在氧气浓度低于12%的条件。因此,在分析煤矿瓦斯爆炸时通常不考虑氧气因素,核心问题是瓦斯的涌出与积聚和引爆火源的产生以及引爆地点2。2.瓦斯爆炸的影响因素2.1瓦斯积聚在煤矿井下生产过程中,涌出的瓦斯被流过工作面的新鲜风流稀释、带走。当工作面风量不足或停止供风时，以瓦斯涌出地点为中心,瓦斯浓度将迅速升高,形成局部瓦斯积聚。根据瓦斯来源与积聚时间将瓦斯积聚原因分为7类：（1）通风混乱。矿井通风系统不合理、不完善,形成串联风、扩散风、循环风等导致瓦斯积聚。由于通风混乱导致瓦斯积聚的事故共227次,占40.3%。（2）无风微风。由于电力问题无法保障导致停电停风、通风机故障、通风机随意停开、巷道冒落堵塞或风门风桥等通风设施不完善引起风流短路、风筒脱节漏风挤压不及时处理、风筒口距工作面太远以及自然通风、独眼井等各种原因导致无风微风使瓦斯积聚。此类事故共203次,占36.1%。（3）风量不足。超生产能力开采或通风系统不能满足生产要求、局部通风机风量小等风量不足引发瓦斯积聚。此类事故共80次,占14.2%。（4）采空区盲巷。采空区、盲巷以及其他密闭场所的瓦斯积聚,共15次,占2.7%。（5)地质变化。由于遇断层、与老空区联通等地质条件变化瓦斯大量涌出造成瓦斯积聚,共18次,占3.2%。（6)放顶涌出。顶板来压垮落、强制放顶等使采空区瓦斯大量涌出导致瓦斯积聚,共15次,占2.7%。（7)瓦斯突出。瓦斯预排抽放不到位、抽放效果不好、抽放时间不够或没有采取预抽卸压以及冲击地压等导致瓦斯突出,共5次,占0.9%。在瓦斯积聚原因中,（1）-（4）类为瓦斯的缓慢积聚,（5）-(8)类为瓦斯瞬时积聚。瓦斯的缓慢积聚共525次,占事故总数的93.3%,其中通风系统问题导致瓦斯积聚510次,占事故总数的90.6%。因此,在控制瓦斯积聚上应重点加强通风系统的管理。2.2井下火源井下的一切高温火源都可以引起瓦斯燃烧或爆炸。根据井下火源产生原因将煤矿瓦斯爆炸事故的引爆火源分为一下几类：电火花、放炮火焰、明火和热辐射、摩擦冲击火花、其他火源(煤炭自燃、火区密闭不严等)。2.3引爆地点我国煤炭工业生产主要依靠地下开采,形成了一个复杂且十分敏感的地下空间网络,具有立体交叉、作业空间随时间动态变化以及巷道网络、通风系统和瓦斯分布密切关联等特点。根据井下空间特点将瓦斯爆炸引爆地点分为6类：①采煤工作面②掘金工作面③巷道④硐室⑤采空区或盲巷⑥其他地点（井底、车场）。2.4环境湿度湿度是指在一定的温度条件下一定体积的气体中含有的水蒸气含量，是衡量气体干燥程度的重要物理量。具有一定湿度的瓦斯气体在煤层气抽采、井下气体等工艺作业过程中广泛存在，其水蒸气的含量往往接近饱和状态，相应组分的分布情况比甲烷－空气混合物更加复杂，影响爆炸特性的因素也更加难以确定通过实验表明：（１）干燥环境下瓦斯气体的爆炸极限为4.19％～14.86％，接近饱和湿度时爆炸极限为5.02％～14.55％，爆炸下限同比上升2.2％，而爆炸上限同比下降2.1％，环境湿度对瓦斯爆炸极限的影响较小。（２）爆炸极限内爆炸压力特性为类抛物线分布，含水蒸气的瓦斯最大爆炸压力和最大压力上升速率由干燥时的0.802MPa和23.38MPa／s下降到接近饱和时的0.746MPa和18.59MPa／s，并且最大压力上升速率受环境湿度的影响远超过最大爆炸压力。（３）在自然环境下，水蒸气的混入虽不能显著改变瓦斯的爆炸极限，但却能堕化甲烷与空气的化学反应过程，降低瓦斯爆炸的压力作用特性，起到抑制瓦斯爆炸的效果3。2.5矿井特殊气体对瓦斯爆炸的影响矿井火区中微量气体成分对瓦斯爆炸极限及其他爆炸参数有显著影响，有研究者曾做过相关实验，他们利用自行研制的配气系统和20L球形爆炸系统，选用3种特殊气体成分作为代表气体，通过实验进行了对比研究。实验结果表明：(1)利用爆炸实验系统对氢气、异丁烷、正己烷混合气进行了实验研究，发现氢气、异丁烷、正己烷均会对甲烷爆炸下限产生较大的影响。正己烷对甲烷爆炸下限影响最大，其次为异丁烷，最后为氢气。但实际对可燃气体爆炸下限进行估算时要考虑一定的安全系数。(2)考察了氢气、异丁烷、正己烷等可燃气体对甲烷爆炸上限的影响，对比分析来看，异丁烷、正己烷都对甲烷爆炸上限产生较大影响，而氢气的加入对爆炸上限影响不大。(3)当可燃气体处于当量浓度时，随着氢气、异丁烷、正己烷浓度的增加，混合气最大爆炸压力有不同的变化趋势，异丁烷、正己烷基本一致，随着浓度的增加，最大爆炸压力增大。而氢气浓度的增加，混合气最大爆炸压力反而下降。随着3种可燃气体浓度增加，最大爆炸压力指数均呈线性增加，爆炸压力指数大小先后顺序为氢气＞正己烷＞异丁烷，氢气混合气爆炸压力指数远远超出正己烷、异丁烷混合气4。3.瓦斯爆炸的防治3.1煤矿瓦斯抽放技术1)我国国有煤矿高瓦斯和瓦斯突出矿井占总矿井数的46%。瓦斯抽放是减少矿井瓦斯涌出量、防止瓦斯爆炸和突出的治本措施,同时也是开发利用瓦斯能源、保护大气环境的重要手段。2)为提高瓦斯抽放率,目前主要需解决长钻孔定向钻进技术,包括测斜、纠偏技术;提高单一低透气性煤层的抽放率;研制钻进能力更强的钻机具;完善和提高扩孔技术、排渣技术、造穴技术和封孔技术;开发新的瓦斯抽放技术及设备。3)瓦斯抽放方法有本煤层抽放、邻近层抽放和采空区抽放等;抽放工艺有顺层长钻孔、大直径钻孔、地面钻孔、顶板岩石和巷道钻孔等。并研制出与之相配套的强力钻机及配套机具,如MK型长钻孔钻机和ZSM顺层强力钻机等。此外已研制出多种抽放泵及配套的监控系统和仪表等,大大提高了瓦斯抽放量和抽放率,使安全环境得到进一步改善。4)利用多分支羽状适用技术,解决低渗煤层瓦斯治理问题,以提高抽采率。5)煤矿瓦斯治理也应该与煤层气产业化紧密结合起来。3.2矿井瓦斯浓度及火源检测技术矿井瓦斯浓度及火源的实时自动监测对于防止瓦斯爆炸非常重要,当发现瓦斯异常或有火源产生,立即采取措施可防止爆炸事故的发生。已有多个矿井安装了矿井安全综合监控系统,并具有如下功能:①矿井环境和工况参数实时监控;②主要通风机在线监测;③巷道火灾实时监测;④矿井瓦斯抽放实时监测;⑤冲击地压实时监测;⑥煤与瓦斯突出实时监测;⑦煤层自然发火实时监测;⑧瓦斯爆炸或燃烧实时监测;⑨矿井电网监测等多种功能。监控系统的安装极大地提高了煤矿的安全管理自动化水平,防止了许多事故的发生。3.3井下火源防治对煤矿井下的爆破火花、电气火花、摩擦撞击火花、静电火花、煤炭自燃等火源都有一些相应的防治措施,除炸药安全性检验、电器防爆检验、摩擦火花检验外、还