第5章煤矿瓦斯爆炸及其预防(第2讲爆炸气体安全参数、

1矿井瓦斯防治矿井瓦斯防治手机：[phone]固话：0391-3987919，0391-3987439办公室：210，420E-mail：[e-mail]，[e-mail]；主讲：王兆丰研究员杨宏民教授级高工2第五章第五章煤矿瓦斯爆炸及其防治煤矿瓦斯爆炸及其防治本章要求：1.掌握瓦斯的技术参数、爆炸三角形，瓦斯爆炸限的影响因素及影响方式；掌握防止瓦斯爆炸的措施；2.熟悉瓦斯爆炸的原因；3.了解气体爆炸性的判别和计算方法。3三、煤矿爆炸性气体的安全技术参数1.单一爆炸性气体安全技术参数65087064220210180155190100上限45.57475.68.58.59.512.515.515.0上限6014533443739374033下限按密度(g/m3)2704904.31.1934.1H2S硫化氢60571612.50.9728.0CO一氧化碳0.0195607264.00.072.0H2氢4601.82.0558.1(C3H3)3CH已丁烷0.25365,408*8441.52.0558.1C4H10正丁烷0.26470,403*8442.11.5644.3C3H8丙烷0.25515,472*3.03.21.0430.1C2H6乙烷0.28595，623*7065.00.5516.0CH4甲烷下限按体积(%)最小点火能量(mJ)101.3KPa02℃最低爆燃温度(℃)最大爆炸压力(KPa)与空气混合的爆炸界限101.3KPa,20℃相对密度分子量分子式名称4三、煤矿爆炸性气体的安全技术参数2.爆炸界限及其主要影响因素爆炸界限：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浓度。即在某一极限浓度之内的混合气体，爆炸会自行蔓延开来。爆炸下限：可能产生爆炸的可燃气体的最低极限浓度。爆炸上限：可能产生爆炸的可燃气体的最高极限浓度。超惰气体：掺入超出空气组分中惰性气体浓度的惰性气体。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。不同环境条件对爆炸限均有影响。Air：79%N2，0.03%CO25三、煤矿爆炸性气体的安全技术参数2.爆炸界限及其主要影响因素（1）温度对爆炸限的影响随着温度上升，爆炸范围扩大，下限下移，上限上移。13.4013.5013.8014.2514.7015.3516.4018.756.005.455.054.404.003.653.353.2520100200300400500600700上限下限烷空气体爆炸界限（%）环境温度（℃）6三、煤矿爆炸性气体的安全技术参数2.爆炸界限及其主要影响因素（2）气压对爆炸限的影响随着气压上升，爆炸范围扩大，下限变化很小，上限上移幅度大。14.317.229.445.75.65.95.45.70.11.05.112.7上限下限烷空气体爆炸界限（%CH4）环境压力（MPa）7三、煤矿爆炸性气体的安全技术参数2.爆炸界限及其主要影响因素（3）氧气浓度及惰气浓度对爆炸限的影响随着氧气浓度增加，爆炸范围扩大，爆炸区域呈倒三角形，称“爆炸三角形”。混合气体中，掺入的惰气浓度也会对爆炸限造成影响，掺入CO2后混合气体的失爆浓度比掺入N2的高，即CO2的抑爆效果好。4CH4浓度（%）8121620048121620O2浓度（%）54123ABCECO2EN28CH4浓度（%）O2浓度（%）261014048121620ABCDⅡⅢⅣⅤⅥⅠFGKH三、煤矿爆炸性气体的安全技术参数Ⅰ-爆炸危险区Ⅱ-不存在的混合区Ⅲ-瓦斯浓度过低不爆区Ⅳ-瓦斯浓度过高不爆区Ⅴ-缺氧瓦斯失爆区Ⅵ-缺氧失燃区9三、煤矿爆炸性气体的安全技术参数空气14%，O212%，O211%，O210.5%，O210%，O23CH4（%）5101500.10.20.30.4爆炸压力（表压力）MPaCO2N2010020030051015失爆氧浓度（%）环境温度（℃）图5-5甲烷浓度与爆炸压力关系（环境温度为150℃，掺入超惰气成分为N2、点火源4mm火花隙，点燃能10J）图5-6用N2或CO2情化烷空气体时环境温度对失爆氧浓度的影响曲线10三、煤矿爆炸性气体的安全技术参数2.爆炸界限及其主要影响因素（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。11三、煤矿爆炸性气体的安全技术参数2.爆炸界限及其主要影响因素（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（但不含H2）时，可用勒·查特里埃(Lechatelier)法则粗略计算混合气体的爆炸上、下限与临界(点)浓度：nnNCNCNCN2211100式中：N，N1，N2，…，Nn——分别是混合气体和各可燃组分的爆炸上限、下限或临界（点）浓度，%；C1，C2，…，Cn——分别是各可燃组分占混合气体总体积的浓度，%。12三、煤矿爆炸性气体的安全技术参数2.爆炸界限及其主要影响因素（6）引火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：8.99.510.813.9爆炸范围（%体积）13.814.315.117.54.904.604.253.6011010010000上限下限甲烷爆炸界限（%体积）引火源点燃能量（J）13三、煤矿爆炸性气体的安全技术参数2.爆炸界限及其主要影响因素（7）惰气的影响如果在烷空气体中还混入了情性气体，则爆炸范围缩小，下限提高，上限降低：1100100)11(NNN式中：N′——混合气体在惰化后的爆炸极限，%；N——混合气体在惰化前的爆炸极限，%；α——混合气体加入惰气（N2+CO2）的浓度，%。α=0.01（CN2+CCO2）。该式的缺点是把N2和CO2的惰化效果同等对待，实际上他们差异很大。14HeN2H2OCO2CCl4CF3BrCH3Br01020304050600246810121416掺入的惰性气体浓度（%）甲烷浓度（%）%空气+%CH4+%惰性气体=100%三、煤矿爆炸性气体的安全技术参数2.爆炸界限及其主要影响因素（8）卤代碳氢化合物的影响如果在烷空气体中加入某些卤代碳氢化合物，例如三氟一溴甲烷(CF3Br)（1301灭火剂），能抑制其爆炸。因为CF3Br具有捕捉燃烧反应中起活化中心作用的自由基的能力，从而抑制了链式反应，可中止燃烧过程。情化效果的次序是：卤化烃＞CO2＞N2＞He，吸热降温作用：CO2＞N2＞He。36%23%3.7%15三、煤矿爆炸性气体的安全技术参数3.多可燃性气体、惰性气体和空气共存时爆炸危险性判定波兰中央矿山救护总站法：（1）绘制爆炸三角形Gd（5.00，19.88）Gg（15.00，17.79）Gs（5.18，9.47）（2）计算CO2对爆炸临界点(以N2作为掺入超惰气体)的影响因子CH4浓度（%）O2浓度（%）26101448121620GdGsGg19.8817.799.475.05.1815.02222ONCOCO778.3-03.0-空气中的CO2含量空气中的氮氧比例16（3）计算可燃气体总浓度φ（4）计算各可燃气体受CO2浓度影响系数βi式中：ai，bi——决定于每一种可燃气体组分特性的系数，可查表得到。“βi”系数值只能取0~1，当计算所得βi＞1时，应取βi=1；当βi＜1时，βi取实际的计算值。三、煤矿爆炸性气体的安全技术参数iiiba-)2093.0_(-0.9322O3.多可燃性气体、惰性气体和空气共存时爆炸危险性判定波兰中央矿山救护总站法：22104836362424HCHCHCHCHCHCCOCH1nii17三、煤矿爆炸性气体的安全技术参数3.多可燃性气体、惰性气体和空气共存时爆炸危险性判定波兰中央矿山救护总站法：各种可燃气体的a和b值18（5）计算混合可燃气体在爆炸三角形坐标系中的位置P点坐标Xp，Yp：式中：Ci，di，ei，fi——决定P点横坐标的修正常数，取决于可燃气体特性，可查表；Ci′，di′，ei′，fi′——决定P点纵坐标的修正常数，取决于可燃气体特性。三、煤矿爆炸性气体的安全技术参数iniiiOiiipfedCY1)(23.多可燃性气体、惰性气体和空气共存时爆炸危险性判定波兰中央矿山救护总站法：)(12niiiiOiiipfedCX19三、煤矿爆炸性气体的安全技术参数3.多可燃性气体、惰性气体和空气共存时爆炸危险性判定波兰中央矿山救护总站法：确定混合气体坐标点时各种可燃气体的修正常数数20三、煤矿爆炸性气体的安全技术参数38.00.9778.3-25.6520.1903.0-20.19778.3-03.0-2222ONCOCO3.多可燃性气体、惰性气体和空气共存时爆炸危险性判定例：混合可燃气体，其中CH4—4.50％，C2H6—0.05％，CO—1.00％，H2—0.70％，CO2—0.30％，N2—6.25％，CO2—19.2％，O2—9.0％。试判定该混合气体有无爆炸危险性。①计算α：②计算φ：55.605.03.00.17.05.422104836362424HCHCHCHCHCHCCOCH1nii21例：混合可燃气体，其中CH4—4.50％，C2H6—0.05％，CO—1.00％，H2—0.70％，CO2—0.30％，N2—6.25％，CO2—19.2％，O2—9.0％。试判定该混合气体有无爆炸危险性。③计算βi：三、煤矿爆炸性气体的安全技术参数3.多可燃性气体、惰性气体和空气共存时爆炸危险性判定78.0780.0901.0984.0147.10.38-)55.62093.0-9(-0.932-)2093.0-(-0.9324226242HCHCOHCCHO；；；；iiiiibaba22例：混合可燃气体，其中CH4—4.50％，C2H6—0.05％，CO—1.00％，H2—0.70％，CO2—0.30％，N2—6.25％，CO2—19.2％，O2—9.0％。试判定该混合气体有无爆炸危险性。④计算Xp：三、煤矿爆炸性气体的安全技术参数3.多可燃性气体、惰性气体和空气共存时爆炸危险性判定85.5)(12niiiiOiiipfedCX91.8)(12iniiiOiiipfedCY23三、煤矿爆炸性气体的安全技术参数3.多可燃性气体、惰性气体和空气共存时爆炸危险性判定CH4浓度（%）O2浓度（%）26101448121620GdGsGg19.8817.799.475.05.1815.0⑤绘制P点坐标，判断该点所在的区域。5.858.9124三、煤矿爆炸性气体的安全技术参数4.窒息比、失爆氧浓度与惰化可燃气体爆炸危险区（1）窒息比r0临界点：在烷空气体内掺入的超惰气越多，爆炸下限上移，上限下移，爆炸范围越小，当达到某一值时，混合物的爆炸上、下限合而为一点，此点即为爆炸临界点。临界浓度：临界点的甲烷浓度为临界浓度。窒息比：临界浓度时超惰气体与可燃气体比值。或称惰化系数，或抑爆系数。当rr0时，无论混合气体浓度如何都不会爆炸或燃烧。可燃气体的临界浓度浓度超惰气体（临界点处）0r25三、煤矿爆炸性气体的安全技术参数4.窒息比、失爆氧浓度与惰化可燃气体爆炸危险区（2）失爆氧浓度爆炸临界点处的氧浓度称为失爆氧浓度，如果混合气体中氧浓度低于比值，则混合气体因缺氧而失去爆炸性；反之，因富氧为爆炸提供了条件。（3）惰化可燃气体爆炸危险区用N2或CO2对烷空气体爆炸危险区进行惰化时，随着温度的上升，可燃气体的爆炸危险区在扩大，不同温度下的失爆氧浓度下