李淑敏

(陽泉煤業(yè)(集團)有限責任公司技術中心)

改進的USBM法判斷氣體爆炸性

李淑敏

(陽泉煤業(yè)(集團)有限責任公司技術中心)

判斷煤礦井下封閉的火區(qū)或因開采結束密閉采空區(qū)內混合氣體的可爆炸性一直是影響煤礦安全生產(chǎn)的關鍵問題。近年來，因這些區(qū)域管理不善而造成的爆炸事故導致人員傷亡和財產(chǎn)損失的屢見不鮮。為快速準確地判定混合氣體的爆炸性，USBM(美國礦業(yè)局)作了廣泛的研究并形成了獨特的判斷法，然而在實踐過程中，該法也存在著判定氣體種類單一、誤判的不足。為此，提出了相應的改進方法，并通過實例進行了可靠性交叉驗證。結果表明，改進后的USBM法更為可靠，具有良好的推廣前景。

USBM爆炸繪圖 混合氣體 氣體爆炸性 判定 改進

陽泉礦區(qū)是我國著名的高瓦斯礦區(qū)，區(qū)內的煤礦開采深受瓦斯的影響。如2002年7月15日在大陽泉煤礦掘進工作面施工中發(fā)生一起瓦斯爆炸事故，共有14人遇難；2004年12月9日的盂縣大賢煤礦瓦斯爆炸，共造成33名礦工死亡。無論從煤礦安全生產(chǎn)的日常管理，還是便于事故后救援，及時準確判斷井下混合氣體的可爆炸性，有目的的采取防護或救災手段，對于保障人員的生命安全及生產(chǎn)的順利進行都是必須且必要的。

長期以來，許多學者從不同的角度進行了氣體爆炸性的研究[1-5]。目前，在眾多的方法中，美國礦業(yè)局發(fā)明的USBM法是最為常用的方法之一，然而現(xiàn)場實踐應用當中，這種方法也存在一定的不足之處。為此，本文對其提出了相應的改進方法。

1 USBM爆炸性判定方法簡介

Zabetakis在總結大量實驗數(shù)據(jù)的基礎上，提出了USBM爆炸繪圖方法確定煤礦混合氣體爆炸性能[6-10]，如圖1所示。USBM方法由3部分區(qū)域構成，以R=1.0所示區(qū)域為例(R值表示混合氣體的組分狀況)：①在R=1.0區(qū)域內為爆炸性區(qū)域，說明混合氣體具有爆炸性，是極其危險區(qū)域；②位于R=1.0之外和對應的粗黑色線之下為非爆炸性區(qū)域，需要注意的是若有更多的混合氣體混入，則可能導致組分點將向爆炸區(qū)域方向移動，從而變?yōu)榭杀ㄐ詺怏w；③位于R=1.0之外和對應的粗黑色線之上的區(qū)域同樣是非爆炸性區(qū)域，這一區(qū)域的特征是：若有更多的空氣混入，會導致混合氣體的組分點向爆炸區(qū)域移動，從而具有爆炸危險性。

圖1 USBM爆炸性繪圖方法

USBM爆炸繪圖方法判定混合氣體爆炸性能的步驟為[6]：

(1)確定混合氣體的組分狀況，選定相應的爆炸區(qū)域。利用式(1)計算R值：

(1)

式中，φ(CH4)、φ(CO)、φ(H2)分別為相應化學氣體的體積濃度。下同。

實質上，R表示了CH4在混合有機氣體中的體積百分比。利用R值，同時參照圖1可以畫出對應任意R值的爆炸區(qū)域。

(2)計算混合氣體中的富余氮氣量。

φ(Nex)=φ(N2)-3.8φ(O2) ，

(2)

式中，系數(shù)3.8為在正?？諝庵械獨夂脱鯕獾捏w積比值。

(3)計算有效惰性氣體量。

InertEff.=φ(Nex)+1.5φ(CO2) .

(3)

(4)計算有效可燃氣體量。

CombEff.=

φ(CH4)+1.25φ(H2)+0.4φ(CO) .

(4)

根據(jù)有效惰性氣體量及有效可燃氣體量，混合氣體組分點可以在USBM爆炸圖中標示出來，根據(jù)組分點和第一步中確定的爆炸區(qū)域的相對位置關系，可以判定混合氣體的爆炸性。

2 方法的改進

2.1 火區(qū)常見可燃易爆氣體討論

上述混合氣體爆炸性鑒定的方法中，只考慮了3種可燃氣體(甲烷(CH4),一氧化碳(CO)，氫氣(H2))，而在實際煤礦井下還存在如下情況。

(1)回采結束正常封閉的采空區(qū)，其氣體成分主要是甲烷的，可只考慮CH4一種氣體。由于上下鄰近層及遺煤瓦斯的不斷涌出，其濃度由封閉初期的不到1%逐漸上升到5%～16%的危險區(qū)，然后進一步上升越過危險區(qū)，穩(wěn)定在20%～30%。

(2)由于煤炭氧化、自燃等情況的存在，密閉區(qū)域中的氣體成分由兩種成分構成。大氣氣體成分主要有氮氣、氬氣、氧氣以及二氧化碳，由于火區(qū)中化學作用等情況而產(chǎn)生的副產(chǎn)品氣體成分主要有：一氧化碳，氫氣，烷屬烴氣體(CnH2n+2),烯屬烴氣體(CnH2n)和炔屬烴氣體(CnH2n-2)以及二氧化碳。

(3)由于礦井發(fā)生了瓦斯或粉塵爆炸等突發(fā)性事故后進行封閉的區(qū)域，混合氣體的大氣成分中大量存在CO，CO2等爆炸化學反應產(chǎn)生的氣體，以及部分由于煤塵爆炸氧化而產(chǎn)生的其他類型有機氣體。

由此可見，煤礦井下大氣環(huán)境中的氣體種類遠非僅僅上述3種所能概括，為使爆炸三角形方法更為精確，則需要考慮火區(qū)中更多種類的常見可燃氣體。故基于上述考慮，為使判定火區(qū)密閉內混合氣體爆炸能力的結果更為精確，以下幾種可燃可爆有機氣體應該予以考慮到判定方法中：甲烷(CH4)，氫氣(H2)，一氧化碳(CO)，乙烯(C2H4)，乙烷(C2H6)，丙烯(C3H6)，丙烷(C3H8)以及乙炔(C2H2)。盡管這些氣體總的體積百分比可能是一個很小的量值，但是它們的存在與否將會對爆炸三角形的形狀、位置產(chǎn)生極大的影響。

2.2 對USBM法進行校正

將式(1)進行修正：

(5)

利用式(4)計算“有效可燃氣體量”時，系數(shù)1.25和0.4為基準，轉化H2和CO相對于CH4的爆炸限值轉化因子，確定其他有機氣體的轉化因子，則式(4)可調整為：

φ=φ(CH4)+1.25φ(H2)+0.4φ(CO)+1.85φ(C2H4)+φ(C3H6)+2φ(C2H2)+0.33φ(C3H8)+1.67φ(C2H6) ,

(6)

式中，φ為有效可燃氣體量。

3 應用實例與交叉驗證

3.1 實例驗證

某礦井發(fā)生火災后，對火區(qū)進行了及時的封閉，通過與火區(qū)相連的取樣孔進行了連續(xù)取樣觀測，表1顯示了在火區(qū)封閉后85 h內的氣樣觀測結果。利用改進的USBM方法，繪制了連續(xù)火區(qū)氣體狀態(tài)及其爆炸性跟蹤圖，如圖2所示。

表1 各種可燃氣體爆炸限值 (體積百分比)

圖2 改進的USBM法繪制的火區(qū)氣體變化用于連續(xù)追蹤火區(qū)氣體爆炸狀態(tài)

3.2 結果討論

改進后的USBM爆炸三角形，由于考慮了更多的可燃氣體，比原有的爆炸三角形范圍有所擴大。利用表1的原始數(shù)據(jù)，繪制出圖2追蹤火區(qū)混合氣體的爆炸性圖，分析混合氣體狀態(tài)點與爆炸三角形的位置關系，將判定結果列于表1中?；饏^(qū)氣體內的爆炸特性呈現(xiàn)波動狀態(tài)，表現(xiàn)出最初具有爆炸性到不具有爆炸性再回到爆炸區(qū)域以及最后徹底離開爆炸區(qū)域。根據(jù)表2列出的爆炸性判定結果，將取樣數(shù)據(jù)分為4組，編號為1～4。第1組組分點均位于爆炸區(qū)域內，隨后由于N2濃度的升高，O2及其他有機氣體濃度降低;第2組的組分點逐漸運動出爆炸區(qū)域，需要注意的是，此時混合氣體雖然已沒有爆炸性，但是仍處于危險區(qū)域，即若繼續(xù)混入爆炸性氣體，則有可能再次返回爆炸區(qū)域,表2中第3組數(shù)據(jù)狀態(tài)則證明了這一點，正是由于CH4濃度的突然升高，混合氣體再次返回爆炸區(qū)域具有爆炸性。然而最終在連續(xù)注氮的情況下，混合氣體組分點再次運動出爆炸區(qū)域而進入到“絕對安全區(qū)域”，不再具有任何爆炸性。

4 結 論

簡要介紹USBM這一常用的判定混合氣體爆炸性的方法，分析其不足之處及相應的改進；通過一個火區(qū)實測數(shù)據(jù)的應用，交叉驗證了改進方法的精確度，結果表明，改進的USBM法在判定結果上具有較高的一致性，在火區(qū)救災過程中具有一定的指導意義。

[1] 周利華.礦井火區(qū)可燃性混合氣體爆炸三角形判斷法及其爆炸危險性分析 [J].中國安全科學學報，2001,11(2)：47-51.

[2] 李潤之.點火能量與初始壓力對瓦斯爆炸特性的影響研究[D].青島:山東科技大學,2010.

[3] Kukuczka M. A new method for determining explosibility of complex gas mixtures[J]. Mechanizacja Automatuzacja Gornictwa,1982,164(11):36-39.

[4] 劉貞堂.瓦斯(煤塵)爆炸物證特性參數(shù)實驗研究[D].北京:中國礦業(yè)大學(北京),2010.

[5] Bretislav, J. & Jan, Z. 2007. "Vybuchovy trojuhelnik": A software tool for evaluation of explosibility of coal mine atmosphere[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2007(5):517-522.

[6] 尉存娟.水平管道內甲燒-空氣預混氣體爆炸過程研究[D].太原:中北大學,2010.

[7] Zabetaksi M G. Flammability Charactreistics of Combustible Gases and Vapors[R]. U.S. Bureau of Mines, Bulletin 627,1959.

[8] Kindracki J, Kobiera A,GRarata,et al. Influence of ignition position and obstacles onexplosion development in methane-air mixture in closed vessels[J]. Journal of LossPrevention in the Process Industries,2007,20(4-6):551-561.

[9] 畢明樹,董呈杰.密閉空間障礙物條件卜甲烷-空氣爆炸實驗[C]∥中國職業(yè)安全健康協(xié)會2009年學術年會論文集.北京：煤炭工業(yè)出版社，2009:350-354.

[10] Zabetaksi M G, Stahl R W, Watson H A. Determining the explosibilty of mine atmospheres[R]. U.S. Bureau of Mines, Bulletin IC7901,1959.

Judgment of Gas Explosive Characteristics Based on Improved USBM Method

Li Shumin

(Technical Center, Yangquan Coal Industry(Group)Co., Ltd.)

The judgment of the closed fire zones in coal mine or the explosive characteristics of the mixed gas which existed in the sealed goaf at the end of mining is the key question that influence the safety of coal mines. In recent years, the explosion accidents that casued by the poor management of these areas lead to a large number of casualities and property losses. In order to judge the explosive characteristics accurately, the unique judgment method is proposed by unites states of bureau of mines(USBM). However, the USBM judgment method has the insufficient of single judgment gas species and misjudgment. Therefore, the relative improved judement method is proposed, and it is conducted cross validation of reliability based on some examples. The results show that, the relability of the improved USBM method is superior than the original one, and it has good promotion prospects.

Explosion drawing of USBM, Mixed gas, Explosive characteristics, Judgment, Improve

2014-09-11)

李淑敏(1982—),女，科長，工程師,045000 山西省陽泉市北大街5號。