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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§5—1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)×100％＝9.5％；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。222224222452.72)2179(222NOHCONOCHOHCOOCH或§5—1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。§5—1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τf，其反应速率W很小，而后迅猛加速，以至可以出现爆炸现象。§5—1矿井瓦斯爆炸及其机理链式反应的特点还有：①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，②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；③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；④“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。§5—1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。§5—2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。§5—2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0.1～0.01mm，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。§5—2瓦斯爆炸的传播及其后果当燃烧波在开始移动后5～10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5～15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。§5—2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。§5—2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=6～10%，N2=82～88%，CO2=8～4%，CO=4～2%。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。§5—3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。§5—3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。§5—3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(5％CH4)。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2.5～3%。§5—3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(leChatelier)法则计算混合气体的爆炸上、下限与临界(点)浓度：§5—3煤矿爆炸性体的安全技术参数式中：N、N1、N2……Nn——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+……+Cn＝100%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。nnNCNCNCN2211100§5—3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5—10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2150～2650℃的瞬时高温，相应的爆炸压力为700～1000kPa。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