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）采動時，煤層（圍巖）受到破壞，貯存在煤體內(nèi)的部分瓦斯就會離開煤（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，遇到高溫火源就會發(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，同時產(chǎn)生大量的有毒有害氣體。

瓦斯爆炸必須同時具備三個條件，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，就會形成更多的活化中心，使氧化過程迅猛發(fā)展成為爆炸；若參與反應(yīng)的瓦斯?jié)舛炔粔颍磻?yīng)速度就不能發(fā)展成為爆炸。又若瓦斯?jié)舛冗^高，相對來說O2濃度就過低，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，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，在該混合氣體內(nèi)不會爆炸，也不燃燒。如有新鮮空氣供給時，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，一個體積的甲烷需要2個體積的氧氣才能發(fā)生完全反應(yīng)。新鮮空氣中一個體積的氧，必有79.04÷20.96=3.77個體積的氮、二氧化碳及其他惰性其他同事存在。因此要使一個體積的甲烷全部參加反應(yīng)就需2×（1+3.77）=9.54個體積的新鮮空氣。此時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，瓦斯爆炸反應(yīng)最完全，產(chǎn)生的動力效應(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同時存在時，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，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可燃?xì)怏w的爆炸界限了。一般來說，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，不能只以瓦斯?jié)舛葹闇?zhǔn)。通常建議，只單獨(dú)測定瓦斯?jié)舛葧r，應(yīng)以3.5%作為火區(qū)有無爆炸危險(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，煤塵會干餾出可燃?xì)怏w。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)煤塵濃度達(dá)68g/m3時，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)，可中止燃燒過程。例如，如果在瓦斯混合氣體中氮含量超過81.69%或二氧化碳含量超過22.8%，則任何濃度的瓦斯都不會爆炸。

（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。爆炸初始時環(huán)境的氣壓對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，瓦斯爆炸下限變動很小而上限上升很大，這個規(guī)律對烴類氣體都適用，如表2所示。所以井下發(fā)生火災(zāi)或爆炸時，高溫和高壓會使正常條件下未達(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)舛取⒀鯘舛?、初壓和火源性質(zhì)。

（1）瓦斯?jié)舛鹊挠绊憽２煌耐咚節(jié)舛?，引火溫度也不同。例如，?dāng)瓦斯?jié)舛葹?%時，點(diǎn)燃溫度為810℃；當(dāng)瓦斯?jié)舛葹?.6%時，點(diǎn)燃溫度為510℃；當(dāng)瓦斯?jié)舛葹?1%時，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個大氣壓）時，點(diǎn)燃溫度將為460℃?；旌蠚怏w的溫度越高，點(diǎn)燃溫度越低?；鹪疵娣e越大，點(diǎn)火時間越長，越易點(diǎn)燃。

2.瓦斯的引火延遲性。瓦斯與高溫?zé)嵩唇佑|時，不是立即燃燒或爆炸，而是要經(jīng)過一個很短的間隔時間，這種現(xiàn)象稱引火延遲性，間隔的這段時間稱感應(yīng)期。感應(yīng)期的長短與瓦斯?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，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，對煤礦安全生產(chǎn)意義很大。例如，使用安全炸藥爆破時，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，這一高溫存在時間極短（一般為幾毫秒），小于瓦斯的爆炸感應(yīng)期，所以不會引起瓦斯爆炸。如果炸藥質(zhì)量不合格，炮泥充填不緊或放炮操作不當(dāng)，火焰存在時間就可能延長，一旦超過感應(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氣體的沖擊壓縮作用，井下放炮時，瓦斯的實(shí)際感應(yīng)期將比表3所列時間短。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控制裝置的電流卻斷時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)，沒有足夠的氧含量，就不會發(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，爆炸下限變化不大，爆炸上限則明顯降低。氧濃度低于12%時，混合氣體失去爆炸性。