瓦斯爆炸三角形原理及应用

瓦斯爆炸三角形原理及应用摘要:矿山救护队员在井下火区封闭和启封时,需要先判断火区内爆炸性气体是否具有爆炸性。文章利用瓦斯爆炸三角形原理进行新的分区方法,准确判断火区在那个区域,以便采取相应的措施。关键词:矿井火区;爆炸三角形;爆炸界限0引言安全是企业生存和发展的头等大事。安全工作优劣对企业生产影响极大,直接关系到企业能否正常生产和提高经济效益。火灾不仅使企业遭受巨大的物质损失,同时它也是导致人员伤亡的重大渊源1。发生矿井火灾后,无论是采用直接灭火的惰化法,还是采用间接灭火的火区封闭法,在判断火区的可燃性混合气体(包括煤炭干馏后放出的可燃性气体)是否会因火源的存在而发生爆炸时,往往多采用单纯的瓦斯(CH4)爆炸三角形判别法。对爆炸三角形的新的分区方法,对于正确评判矿井火区可燃性混合气体的爆炸危险性,尤其是对于保障矿工的生命健康安全,具有十分重要的意义2。1爆炸三角形新的分区方法瓦斯爆炸必须同时具备3个条件:一定体积分数的瓦斯(瓦斯体积分数在可爆范围内)、足够体积分数的氧气和足够能量的引燃火源3。煤矿常见爆炸性气体的爆炸特性参数如表1所示。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体积分数,即在某一极限体积分数之内的混合气体,爆炸会自行蔓延开来。可能产生爆炸的可燃气体的最低极限体积分数称为爆炸下限;最高极限体积分数称为爆炸上限。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,另外上、下限与实验条件有关3。爆炸界限所受的影响因素这里不做全面阐述。请看下面这两个爆炸三角形。如图1所示:A,B,C,D,E五个点把整个区域分成4个区。1区:BCE可爆区;2区:ABE甲烷体积分数过低不爆区;3区:甲烷体积分数过高不爆区;4区:安全区。如图2所示,在X轴中找到CH4体积分数100%的点(由于图的大小关系这个点在图中没有标出),把这个点与E点相连并延长到Y轴,这条线与Y轴的交点就是F点。A,B,C,D,E,F几个点把整个区域分成4个区如图2所示。B爆炸下限,C爆炸上限,Eco2掺入CO2时爆炸临界点,EN2掺入N2时爆炸临界点;BE爆炸下限界线,CE爆炸上限界线;FE临界氧体积分数线,ED临界瓦斯体积分数线。根据图2,可把混合气体体积分数范围划分成4个区,不同的区域特点不同,可采取相应的措施防止爆炸。1区:BCE可爆区(即爆炸三角形)。可采用注入惰性气体或新鲜空气,使其状态点进入2区或4区,失去爆炸性。2区:ABEF甲烷体积分数过低不爆区。掺入甲烷可进入爆炸区(如封闭火区时),因此封闭火区时,常发生瓦斯爆炸,可向封闭区内注入惰性气体,使其状态点进入4区后,再封闭,即可防止瓦斯爆炸。3区:甲烷体积分数过高不爆区。掺入空气可进入爆炸区(如火区启封时),因此可向封闭区内注入惰性气体,使其状态点进入4区后,再启封通风,即可防止瓦斯爆炸。4区:安全区。氧气和甲烷体积分数都过低不爆区,掺入空气可能进入2区不爆,掺入甲烷可能进入3区不爆。2火区封闭时应采取的措施如上所述,火区封闭时可能因可燃性混合气体的聚集而存在爆炸危险。但对于大面积火区,当不能采取直接灭火的惰化法时,矿井生产的实际情况往往是要求对火区实行封闭处理。因此,在封闭前就必须对发火区进行必要的防爆处理。要安全封闭火区,第一是防止爆炸发生,第二是一旦发生爆炸,应能够有效地消除爆炸冲击波以及爆炸引起的火灾,保证矿井安全。从这两个角度出发,可选择以下几种措施。(1)采取瓦斯排放措施,防止封闭区可燃性混合气体聚集。一般高瓦斯矿井工作面都有瓦斯抽放系统,工作面因火被迫封闭后,可利用现有抽放系统,继续对工作面实行可燃性混合气体的抽放,以防封闭火区过程中可燃性混合气体聚集而发生爆炸。(2)采取从地面注惰气、注氮等方法降低封闭区氧体积分数。封闭时,发火区温度、CO体积分数都很高,所以不能在火区附近工作。此时可从地面向火区注氮,降低火源点附近氧体积分数和煤温,以保证工作面安全。(3)消灭火源高温点。采取向发火区注凝胶等方法,使高温点温度降低到可引起可燃性混合气体爆炸的下限温度以下。(4)用水封闭火区。如果发火区两端比较低,可以在撤离人员的情况下,向发火区所在巷道两端送水,直接用水封闭火区。火区用水封闭,能够保证密闭无漏风,而且一旦封闭区内发生爆炸,两端的水密封能有效地消除爆炸引起的冲击波,从而防止爆炸引起大火蔓延。3 爆炸三角形参数的确定3.1 可燃性混合气体爆炸界限的计算矿井火区内的可燃性气体,是多种可燃性气体的混合体。根据气体爆炸理论,其混合气体的爆炸界限可按Le Chatelier式进行计算:式中,N混合气体爆炸上限或下限,%;C1、C2、Cm各可燃气体占可燃性混合气体总和的体积百分比,即:C1+C2+Cm=100%;N1、N2、Nm各可燃气体的爆炸上限或下限,%。煤矿火区中几种常见可燃性气体的爆炸上下限如表1所示。火区的温度一般很高,因此,实际计算火区内可燃性混合气体爆炸界限时,应根据实测火区内的温度及火区内各种可燃性气体的成份,对表1中所列数据按下式进行温度校正2:式中,NLT、NUT分别为各可燃性气体在t时的爆炸下限和上限;NL、NU分别为各可燃性气体在25时的爆炸下限和上限。3.2 临界氧浓度的计算矿井火区气体是多种可燃性气体的混合物,那就很难按单一可燃性气体计算临界氧浓度的方法进行工程计算,因此,需要采用三角形作图法3。图1 临界氧浓度作图计算法首先画出等边三角形FON,顶点F、O、N分别表示可燃性混合气体、氧气和氮气的最大体积浓度。然后,在ON线上,找出空气中最大含氧量(20.95%)之A点,画出空气线FA,在FO边上取可燃性混合气体在氧气中的爆炸上限U2点和爆炸下限L2点,在FA线上取可燃性混合气体在空气中的爆炸上限U1和爆炸下限L1,连接U2和U1,再连接L2和L1,将两线段延长成三角形,过顶点作FN的平行线交ON线所示的数值,即为临界氧浓度。相应的,若过此顶点作FA的垂线,交FA线所示的数值,即为临界氧浓度时所对应的可燃性混合气体浓度(详见图1)。同理,若过U1或L1点分别作FN的平行线,交ON线的交点所示数值,就是可燃性混合气体在空气中爆炸时的上下限所对应的氧浓度。4实例分析设某矿井封闭火区内的可燃性混合气体成份与浓度分别为:CH44.0%,CO2.1%,C2H40.03%,H20.04%,火区内空气温度为55。对其进行爆炸危险性参数分析如下:4.1 可燃性气体浓度可燃性混合气体浓度及各成份在总浓度中所占体积百分比浓度分别为:C=6.17%、CCH4=64.83%、CCO=34.03%、CC2H4=0.49%、CH2=0.65%4.2 爆炸界限从表1查出各可燃性气体在25时的爆炸界限,按式(2)进行温度校正,如表2所示:由式(1)得火区内可燃性混合气体在空气中的爆炸上下限分别为21.27%和6.1%;而在氧气中则分别为71.05%和6.42%。由此可见,火区内可燃性混合气体的浓度在空气中处于爆炸界限范围内,具有爆炸危险性。在此例中,若不进行可燃性气体爆炸界限的温度校正,则其混合气体爆炸下限浓度为6.24%,即可燃性混合气体浓度(6.17%)小于爆炸下限浓度。可见,容易误报,此实例火区内的可燃性混合气体不具有爆炸危险性。4.3 临界氧浓度及爆炸上下限所对应的氧浓度按图1所示方法,可得实例火区内可燃性混合气体发生爆炸时的临界氧浓度为12.8%,此时可燃性混合气体浓度为3.7%,而爆炸上下限点所对应的氧浓度分别为16.4%和17.6%。见图1所示。5爆炸三角形根据上述分析所得爆炸参数:爆炸上下限、临界氧浓度、临界氧浓度所对应的可燃性混合气体浓度,以及爆炸上下限所对应的氧浓度,可画出实例火区可燃性混合气体的爆炸三角形分析图,如图2所示。其中,空气线ABCD与纵坐标的夹角为最大可燃性混合气体含量100%与空气中最大氧含量20.95%之比的反正切。6 爆炸危险性分析图2所示为实例火区可燃性混合气体空气氮气爆炸危险性分析图。根据其各自浓度变化关系,可在空气线ABCD以下将其划分为3个区:第一区是BCE所围区域,此区内的可燃性混合气体处于爆炸界限范围内,称为爆炸三角区;第二区是BEF左侧,此区的可燃性混合气体处于爆炸下限浓度以下,称为可燃性气体浓度不足区;第三区是CEF的右侧,在此区内,因氧气含量较低,称为氧浓度过低区。上述三区的划分,虽然在第二区、第三区中可燃性混合气体不具有爆炸危险性,但是,上述三区并非恒定不变。对于矿井火区的管理,若措施不当,原来可燃性气体浓度较低或氧气浓度不足的非爆炸区也有可能导致其浓度增加而转向爆炸三角区。例如,刚开始自燃发火的矿井火区,尽管发火范围较大,此时因通风条件尚好,可燃性混合气体浓度往往不足而处于图2所示的第二区。在此条件下,若贸然采取火区封闭措施,则在切断火区通风过程中,其可燃性混合气体浓度就会迅速增长,此时,由氧浓度与可燃性混合气体浓度所决定的坐标点,就可能进入BCE所围的爆炸区内,此时遇火就发生爆炸。同理,火区封闭不严或重开火区时,新鲜空气的不断流入,也可能使原来氧含量较低之火区内的可燃性混合气体具有爆炸性。7 火区封闭时应采取的措施如上所述,火区封闭时可能因可燃性混合气体的聚集而存在爆炸危险。但对于大面积火区,当不能采取直接灭火的惰化法时,矿井生产的实际情况往往是要求对火区实行封闭处理。因此,火区的封闭,在封闭前就必须对发火区进行必要的防爆处理。要安全封闭火区,第一是防止爆炸发生,第二是一旦发生爆炸,应能够有效地消除爆炸冲击波以及爆炸引起的火灾,保证矿井安全。从这两个角度出发,可选择以下几种措施4。1) 采取瓦斯排放措施,防止封闭区可燃性混合气体聚集。一般高瓦斯矿井工作面都有瓦斯抽放系统,工作面因火被迫封闭后,可利用现有抽放系统,继续对工作面实行可燃性混合气体的抽放。以防封闭火区过程中可燃性混合气体的聚集而发生爆炸。2) 采取从地面注惰气、注氮等方法降低封闭区氧浓度。封闭时,发火区温度、CO浓度都很高,所以不能在火区附近工作。此时可从地面向火区注氮,降低火源点附近氧浓度和煤温,以保证工作面安全。3) 消灭火源高温点。采取向发火区注凝胶等方法,使高温点温度降低到可引起可燃性混合气体爆炸的下限温度以下。4) 用水封闭火区。如果发火区两端比较低,可以在撤离人员的情况下,向发火区所在巷道两端送水,直接用水封闭火区。火区用水封闭,能够保证密闭无漏风,而且一旦封闭区内发生爆炸,两端的水密封能有效地消除爆炸引起的冲击波,从而防止爆炸引起大火蔓延。8 结 论1) 矿井火灾发生后,尤其是煤层自燃发火区,其可燃性气体已非单纯的瓦斯气体。判断火区可燃性混合气体是否具有爆炸危险性,不能简单地以瓦斯气体含量来判断,而应以实测的各可燃性气体的含量进行综合判断。2) 火区可燃性混合气体的爆炸受多种因素的综合影响。火区气体温度的观测,不仅是评判矿井火区火源是否熄灭的依据,也是矿井火区管理过程中判断火区可燃性混合气体是否具有爆炸危险的一个重要因子。3) 矿井火区可燃性混合气体爆炸三角形参数的计算及作图,考虑了火区多种可燃性气体爆炸界限、火区气体温度、以及惰性气体的综合影响,这对科学的评价矿井火区可燃性混合气体的爆炸危险性以及对矿井火区正确采取防爆措施提供了理论依据。