煤矿井下瓦斯爆炸的基本特性
周心权　吴　 兵　徐景德
(中国矿业大学北京校区 北京市海淀区学院路 100083)
　　摘　要　　阐述了瓦斯爆炸发生的条件；从爆源能量、能量释放速度、爆源的特征时 间和特征尺寸，以及爆炸的火焰温度、冲击波的压力、火焰和空气的运动速度、爆炸压 力的上升速率等方面，探讨了瓦斯爆炸的爆源特征和爆炸特征；简要地介绍了瓦斯爆炸后的 有害气体的组分。
　　关键词　煤矿井　瓦斯爆炸　爆炸特征　爆炸条件　
　　发生在煤矿井下的瓦斯爆炸事故是最严重的煤矿灾害，通常造成大量的人员伤亡和巨大的经 济损失。不论是事故的防治，还是进行事故的处理、调查，都需要了解和研究瓦斯爆炸发生 、发展的基本特性。长期以来，人们对瓦斯爆炸事故的认识仅仅局限于爆炸发生的三要素， 即：瓦斯爆炸浓度区间、点燃源和混合气体中氧含量上，缺乏对这一现象的进一步认识。本 文试图从更深入的角度来阐述发生在煤矿井下的瓦斯爆炸事故的一些基本特性。
　　1　爆炸发生的条件
　　在瓦斯爆炸三要素中最容易获得的条件是空气中的氧气含量，爆炸发生要求的条件是大 于12%。在正常通风风流中氧气的浓度通常大于20%，而引起其浓度下降的原因有两个： 自身的消耗和其它气体涌入后的稀释。瓦斯爆炸和火灾都会消耗空气中的氧，但由于风流的 流 动，对于开放的区域空气中的氧气可以迅速得到补充。封闭区域内氧浓度受到多种因素的影 响，准确估算通常十分困难，直接测量可能是更有效的手段。瓦斯爆炸发生后，对灾害区域 进行大范围的封闭（基于安全的考虑）通常不是一个好的办法，特别是高瓦斯矿井，不能期 望封闭会阻止区域内爆炸的再次发生，因为与封闭区域内空气中氧气的量相比，再次发生爆 炸消耗的量只占很小的部分，何况还可能有漏风存在。瓦斯涌入空气中会挤占空气的体积， 如20%氧浓度的空气中涌入瓦斯后，瓦斯浓度达10%时，氧气的浓度降低到18%。这一过程在 封闭的区域内表现十分显著。
　　0.28MJ的点燃能量就足以引起瓦斯爆炸，因此，瓦斯爆炸的点燃源是最难控制的因素。 从空间上来看，点燃是从很小的一个点发展开来的，因此，集中放散的任何形式的能量都很 容易点燃瓦斯，而均匀加热的一块热板，只有达到很高的温度（如接近瓦斯的自燃温度650 ℃）才能点燃瓦斯。例如，从顶板落下的一块岩石，如果是落在输送机胶带上，则能量被柔 软的胶带分散，因此很难引燃瓦斯；而如果是落在坚硬的机械设备表面或岩石上，能量集中 在撞击点上放散，则很可能产生足以引燃瓦斯的火花。煤矿井下引起瓦斯爆炸的点燃源主要
有如下几类：
　　(1)机械类　包括机械运行中的摩擦、坚硬岩石及钢铁支架、设备之间的撞击。
　　(2)电气类　与输电线路、电气设备有关的电火花、电弧、电器失爆等。
　　(3)火焰类　有燃烧反应的点燃，如吸烟、火灾、气体切割和焊接等。
　　(4)炸药类　与炸药爆破有关的点燃，如使用非许可炸药、钻孔充填不当引起爆破火焰等。 
　　(5)其它类　上述不包含的点燃，如闪电、压缩管路破裂气体喷出等。
　　实验表明高能量的点燃源可以引起更加强烈的爆炸，而且瓦斯空气混合气体的爆炸下限也大 大下降，10000J的点燃源可以引爆浓度3.6%的瓦斯。
　　风流中的瓦斯浓度是爆炸三要素中最容易控制的因素，也是防治瓦斯爆炸最根本的方法。瓦 斯从暴露的煤壁、采空区及与瓦斯源沟通的岩石裂缝涌出到风流中，通常积聚在有瓦斯涌出 源且无风或风量过小的空间。当有其它可燃气体混入瓦斯空气混合气体中时，会造成两个方 面的重要影响，一是改变了混合气体的爆炸下限，这可以使用如下的里查特（Le Chatelier ）法则计算；二是降低了混合气体中氧气的浓度。（略）　　
　　在矿井灾变状况下，风流中的氧气被消耗或惰气灭火时人为加入了过量的惰气，这时，混合 气体中氧气与惰气的比例就不再保持正常情况下的比例，计算这种混合气体的爆炸界限需要 用到更复杂的方法以确定爆炸三角形。
在井下局部区域瓦斯浓度达到爆炸界限的情况通常出现在风流改变的时期，例如排放独头巷 道积聚的瓦斯，巷道贯通、风流短路造成的其它工作面无风或微风，局部通风机停止运转造 成的停风等。大量的事故案例都证实了上述情况，而其出现的原因往往是通风管理的问题。 一方面改变通风工作的被动局面，另一方面加强风流变化时期的管理是防止瓦斯积聚的重点 。
　　2　煤矿井下瓦斯爆炸的主要特征参数
　　发生在煤矿井下的瓦斯爆炸属于可燃气体爆燃现象，该过程通常是这样的：处于爆炸限内的 瓦斯空气混合气体首先在点火源处被引燃，形成厚度仅有0.01～0.1mm的火焰锋面。该火焰 锋面向未燃的混合气体中传播，传播的速度称为燃烧速度。瓦斯燃烧产生的热使燃烧锋面前 方的气体受到压缩，产生一个超前于燃烧锋面的压力波，该压力波以当地音速向前传播，行 进在燃烧锋面前，称为前驱冲击波。压力波作用于未燃气体使其温度升高，从而使火焰的燃 烧速度进一步增大，这样就产生压力更高的压力波，从而获得更高的火焰传播速度。层层产 生的压力波相互追赶并叠加，形成具有强烈破坏作用的冲击波，这就是爆炸。
　　衡量瓦斯爆炸的特征参数主要有爆源特征参数和爆炸特征参数两方面。
　　2．1　瓦斯爆炸的爆源特征
　　可燃气体的爆炸与炸药爆炸最根本的区别就是爆源特征。炸药爆炸可以看作是理想的点源爆 炸，能量的释放是瞬时的，且爆源的尺寸与爆炸的影响范围相比表征为一个点。瓦斯爆炸则 不同，爆炸性混合气体的特征尺寸与火焰锋面可以达到的最远距离相比是不能忽略的，有时 甚至为同一数量级。　　
　　2.1.1　爆炸源的能量
　　瓦斯爆炸的能量来源于瓦斯与氧的燃烧反应，每1kg瓦斯完全燃烧放出的热量是55MJ，而普 通炸药的爆炸热为5MJ/kg，也就是说同样质量的瓦斯含有爆炸燃烧热是炸药的10倍。但是， 瓦斯和炸药的能量密度却差别很大。典型梯恩梯炸药的密度为1600kg/m3，能量密度为800 0M J/m3。而浓度为9.51%的瓦斯空气混合气体，瓦斯密度为0.068 kg/m3，能量密度为 3.74 MJ/m3，只有炸药的0.05%，浓度为9.5%的1m3瓦斯空气混合气体爆炸放出的热量相当于 0.75kg炸药爆炸放出的热量。
　　瓦斯爆炸要依靠空气中氧气的参与才能完成，因此，爆炸实际释放的能量要受到瓦斯、空气 混合是否均匀、空气的湿度、周围环境状况等多种因素的影响，通常不能完全释放出来。对 于密闭的容器，能量基本可全部释放；对于井下巷道系统，释放率一般可达50％～70%。
　　2.1.2　爆炸源能量释放速率
　　燃烧速度是可燃气体燃烧锋面向未燃区域扩展的速度，可以衡量爆炸能量释放的速率。 瓦斯空气混合气体的层流燃烧速度约为0.5m/s，发生在井下的爆炸绝大多数属于爆燃，据已 有的实验测定结果，燃烧速度不超过150m/s。爆炸火焰传播的速度是相对于某固定位置火焰 锋面的速度，实验中比较容易测量，也常用来表征爆炸反应的快慢。典型梯恩梯炸药的爆轰 速度为6900m/s，而实验获得的井下瓦斯爆炸最大火焰传播速度为1500m/s，通常的值都在10 0～400m/s之间。由此可见，瓦斯爆炸能量的释放速率比炸药爆炸要小的多。
　　2.1.3　爆炸的特征时间
　　爆炸的特征时间：（略）
　　对于炸药爆炸，爆源的特征尺寸较小，可以使用圆形的半径来表征。对于独头巷道发生的爆 炸，火焰向巷道的开口端传播，其爆源的特征尺寸可以使用积聚空间的巷道长度来表征。使 用一个简单的例子来计算炸药爆炸和瓦斯爆炸的特征时间：
　　炸药爆炸：500g梯恩梯炸药，密度1.6g/cm3，爆源的初始半径为4.2cm，使用上述的典型 爆 轰速度6900m/s，可得：（略）
瓦斯爆炸：9.5%浓度的瓦斯空气混合气体1m3，爆源特征尺寸为1m，使用普通的爆燃速度1 00m/s，可得：（略）。
　　由上可见，炸药爆炸是微秒级，瓦斯爆炸是毫秒级。在井下瓦斯爆炸过程中，爆源的体积会 急剧膨胀，瓦斯聚集区域的特征尺寸也较大，所以，爆燃的速度可能会大于100m/s，但其特 征时间仍然会保持为几毫秒至几百毫秒。
　　2.1.4　爆源的特征尺寸
　　积聚瓦斯空间的体积在爆炸发生时会急速膨胀，设初始温度为27℃，爆炸后温度升高了 2000℃，则理论上可以大致估算如下：（略）
　　即爆炸时体积膨胀了7.7倍。实验巷道的测试数据（以火焰锋面到达的位置为依据）通 常小于理论计算的值，且受到断面积、环境条件等多种因素的影响，一般可以达到3～5倍。 爆炸产生的冲击波在巷道中的传播距离要远远大于爆源的尺寸。
　　2.2　瓦斯爆炸的爆炸特征
　　衡量瓦斯爆炸特征的参数主要有火焰锋面的传播速度、爆炸火焰的温度、爆炸产生的最大压 力、爆炸压力的上升速率等，这些参数由于爆燃过程的多样性和井下环境的复杂性，其值受 到多种因素的影响，因此，不论是实验矿井的测试数据还是管道实验的数据都有差别
　　2.2.1　爆炸火焰的温度
　　爆炸火焰的最高温度在实验中比较容易测量，根据燃烧产物的组分也可以较精确地计算出反 应放出的热量和火焰的绝热温度。不同浓度的可燃气体燃烧具有不同的火焰温度，当火焰温 度低于某一值时，火焰锋面就不能自动传播，该温度对应的可燃气体浓度即为爆炸界限。大 多数可燃气体引燃的温度在630～900℃之间，瓦斯的点燃温度为650℃。
　　可燃气体混合物的最高火焰温度在2500K左右，表1给出了一些可燃气体的实测火焰温度值 。
　　表1　几种可燃气体混合物的火焰温度（略）
　　2.2.2　爆炸产生冲击波的压力
　　煤矿井下瓦斯爆炸产生两类压力，即静压和冲击动压。静压在所有方向上的作用力相等，这 是 由于高温气体膨胀和沿巷道流动产生的，并推动冲击波面的前进。动压是冲击波作用使波面 经过的局部区域空气高速流动产生的，具有方向性。静压主要会破坏联络巷道的密闭或风门 ，动压则摧毁巷道中的障碍物并在巷道转弯等处造成强烈的破坏。
　　爆炸产生的最大静压就是实验室中使用封闭球体测定的定容爆炸压力，10.1%的瓦斯空气混 合气体测定得到的定容爆炸压力大约为0.71～0.81MPa。1952年舒尔茨-容霍夫(Schultze-R honhof)在美国一个废弃 矿井进行了两次瓦斯浓度9.5％、积聚区域300m的大型爆炸实验，爆炸测得峰值压力1.01MPa ， 火焰传播速度接近1000m/s。其它实验矿井进行的9.5％瓦斯36m3、58m3实验，获得了0.23MPa、0.36MPa的压力，火焰传播的最大距离约为初始距离的5倍。在重庆实验巷道进 行的爆炸实 验，瓦斯浓度8.6％，体积50m3，测得的最大压力约为65.86kPa；浓度9.5%，体积100m 3，测得的最大压力0.18MPa；200m3，9.5%的瓦斯测得的最大压力为0.46MPa。
　　爆炸产生的动压使用P=（略）来计算，其中v为爆炸波的速度。
　　2.2.3　火焰及空气的运动速度
　　爆炸发生后，对井下空气产生的第一道压力波立即以音速沿巷道传播，此后加速燃烧产生的 压力波都在前一压力波扰动的区域内传播。前导冲击波和爆炸燃烧产生的膨胀作用使得扰动 区域内的空气以一定的速度运动，这种运动持续的时间不长，距离较短，但速度较快（不超 过音速），通常可达100m/s以上。测定该速度比较困难，里查蒙德?（Richmod）给出 了火焰传播速度与空气运动速度之间的关系，如下图。
　　图1　瓦斯爆炸时空气运动速度与火焰传播速度的关系（略）
　　火焰的传播是由慢到快的一个加速过程，爆轰时测得的最大速度可达1500m/s，实验巷道 和管道中测得的速度大多在100～200m/s之间。
2.2.4　 爆炸压力的上升速率
爆炸压力的上升速率也是反映爆炸强度的重要指标，它是压力差除以时间差的商。可燃气体 体积的不同是造成压力上升速度差异的首要因素，此外，混合气体的湍流度对压力的上升速 率也有巨大的影响。压力上升的速率越快，则燃烧反应速度越快，产生的冲击波压力也就越 高。通常使用KG值来衡量可燃气体的爆炸压力上升速率：（略）
　　3　瓦斯爆炸产生的有害气体
　　不同浓度的瓦斯空气混合物爆炸产生的有害气体浓度不同，表2给出了3种浓度下瓦斯 爆炸产生的气体成分。由表2可见，混合气体中瓦斯浓度超过当量比浓度（约9.5%）时，生 成 气体中一氧化碳的量大幅度增加。需要注意的是，瓦斯爆炸灾害调查时由于各种因素的影响 ，很难获得灾后气体的样本，且煤尘等也会显著改变灾后气体的成分。
　　表2　瓦斯爆炸后的气体成分（略）
　　4　结束语
　　瓦斯爆炸是一种强烈的气体燃烧动力现象，其中涉及到爆轰物理、化学反应动力学、燃 烧学及流体力学等多方面的知识，由于这一现象的复杂性，因此，当前仍有许多领域还处于 研究探讨之中。本文针对煤矿井下巷道环境中瓦斯爆炸的一些特征进行了探讨，希望对瓦斯 爆炸事故的防治有所裨益。
参考文献
1　John Nagy, The explosion hazard in mining, MSHA IR1119,1981
2　赵衡阳编著.气体和粉尘爆炸原理.北京：北京理工大学出版社，1996
3　费国云.独头巷道中瓦斯爆炸引爆沉积煤尘的试验.煤炭工程师，1997.04
4　吴兵等编写.矿井瓦斯防治，全国煤矿安全培训统编教材.徐州：中国矿业大学出版社，2002
小　资　料
　　矿井瓦斯是指矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体。主要成分有甲烷CH4、 重烃CnHm、氢H2、二氧化碳CO2、一氧化碳CO、二氧化氮NO2、二氧化硫SO2、 硫化氢H2S等。矿 井瓦斯具有很大的危害性，矿井瓦斯事故是煤矿五大自然灾害之一，是煤矿生产过程中的重 点治理对象。瓦斯爆炸是煤矿特有的后果极严重的自然灾害。可造成重大经济损失和人员伤 亡。瓦斯爆炸必须有一定浓度的瓦斯、高温热源和足够的氧气3个条件。瓦斯爆炸浓度， 正常条件下弱火源为5%～15%；强火源为2%～75%。瓦斯防治主要有加强瓦斯检查、 进行瓦斯抽放、防治煤与瓦斯突出、控制和消除引爆火源、强化矿井通风等。

             消息来源  中国煤炭杂志