瓦斯爆炸三角形原理及應(yīng)用

1、瓦斯爆炸三角形原理及應(yīng)用摘要:礦山救護(hù)隊(duì)員在井下火區(qū)封閉和啟封時(shí),需要先判斷火區(qū)內(nèi)爆炸性氣體是否具有爆炸性。文章利用瓦斯爆炸三角形原理進(jìn)行新的分區(qū)方法,準(zhǔn)確判斷火區(qū)在那個(gè)區(qū)域,以便采取相應(yīng)的措施。關(guān)鍵詞:礦井火區(qū);爆炸三角形;爆炸界限0引言安全是企業(yè)生存和發(fā)展的頭等大事。安全工作優(yōu)劣對(duì)企業(yè)生產(chǎn)影響極大,直接關(guān)系到企業(yè)能否正常生產(chǎn)和提高經(jīng)濟(jì)效益?；馂?zāi)不僅使企業(yè)遭受巨大的物質(zhì)損失,同時(shí)它也是導(dǎo)致人員傷亡的重大淵源1。發(fā)生礦井火災(zāi)后,無(wú)論是采用直接滅火的惰化法,還是采用間接滅火的火區(qū)封閉法,在判斷火區(qū)的可燃性混合氣體(包括煤炭干餾后放出的可燃性氣體)是否會(huì)因火源的存在而發(fā)生爆炸時(shí),往往多采用單純的瓦

2、斯(CH4)爆炸三角形判別法。對(duì)爆炸三角形的新的分區(qū)方法,對(duì)于正確評(píng)判礦井火區(qū)可燃性混合氣體的爆炸危險(xiǎn)性,尤其是對(duì)于保障礦工的生命健康安全,具有十分重要的意義2。1爆炸三角形新的分區(qū)方法瓦斯爆炸必須同時(shí)具備3個(gè)條件:一定體積分?jǐn)?shù)的瓦斯(瓦斯體積分?jǐn)?shù)在可爆范圍內(nèi))、足夠體積分?jǐn)?shù)的氧氣和足夠能量的引燃火源3。煤礦常見(jiàn)爆炸性氣體的爆炸特性參數(shù)如表1所示。爆炸界限也稱(chēng)為爆炸極限,其含義是可燃?xì)怏w與空氣或氧氣混合后,遇有火源會(huì)產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象的可燃?xì)怏w的極限體積分?jǐn)?shù),即在某一極限體積分?jǐn)?shù)之內(nèi)的混合氣體,爆炸會(huì)自行蔓延開(kāi)來(lái)?？赡墚a(chǎn)生爆炸的可燃?xì)怏w的最低極限體積分?jǐn)?shù)稱(chēng)為爆炸下限;最高極限體積分?jǐn)?shù)稱(chēng)為爆炸上限。下

3、限以下無(wú)爆炸危險(xiǎn),它與可燃性氣體不足或氧氣過(guò)剩有關(guān),上限以上不爆炸,這與氧氣不足或可燃?xì)怏w過(guò)剩有關(guān),另外上、下限與實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)3。爆炸界限所受的影響因素這里不做全面闡述。請(qǐng)看下面這兩個(gè)爆炸三角形。如圖1所示:A,B,C,D,E五個(gè)點(diǎn)把整個(gè)區(qū)域分成4個(gè)區(qū)。1區(qū):BCE可爆區(qū);2區(qū):ABE甲烷體積分?jǐn)?shù)過(guò)低不爆區(qū);3區(qū):甲烷體積分?jǐn)?shù)過(guò)高不爆區(qū);4區(qū):安全區(qū)。如圖2所示,在X軸中找到CH4體積分?jǐn)?shù)100%的點(diǎn)(由于圖的大小關(guān)系這個(gè)點(diǎn)在圖中沒(méi)有標(biāo)出),把這個(gè)點(diǎn)與E點(diǎn)相連并延長(zhǎng)到Y(jié)軸,這條線與Y軸的交點(diǎn)就是F點(diǎn)。A,B,C,D,E,F幾個(gè)點(diǎn)把整個(gè)區(qū)域分成4個(gè)區(qū)如圖2所示。B爆炸下限,C爆炸上限,Eco2摻

4、入CO2時(shí)爆炸臨界點(diǎn),EN2摻入N2時(shí)爆炸臨界點(diǎn);BE爆炸下限界線,CE爆炸上限界線;FE臨界氧體積分?jǐn)?shù)線,ED臨界瓦斯體積分?jǐn)?shù)線。根據(jù)圖2,可把混合氣體體積分?jǐn)?shù)范圍劃分成4個(gè)區(qū),不同的區(qū)域特點(diǎn)不同,可采取相應(yīng)的措施防止爆炸。1區(qū):BCE可爆區(qū)(即爆炸三角形)。可采用注入惰性氣體或新鮮空氣,使其狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)入2區(qū)或4區(qū),失去爆炸性。2區(qū):ABEF甲烷體積分?jǐn)?shù)過(guò)低不爆區(qū)。摻入甲烷可進(jìn)入爆炸區(qū)(如封閉火區(qū)時(shí)),因此封閉火區(qū)時(shí),常發(fā)生瓦斯爆炸,可向封閉區(qū)內(nèi)注入惰性氣體,使其狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)入4區(qū)后,再封閉,即可防止瓦斯爆炸。3區(qū):甲烷體積分?jǐn)?shù)過(guò)高不爆區(qū)。摻入空氣可進(jìn)入爆炸區(qū)(如火區(qū)啟封時(shí)),因此可向封閉區(qū)內(nèi)注入

5、惰性氣體,使其狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)入4區(qū)后,再啟封通風(fēng),即可防止瓦斯爆炸。4區(qū):安全區(qū)。氧氣和甲烷體積分?jǐn)?shù)都過(guò)低不爆區(qū),摻入空氣可能進(jìn)入2區(qū)不爆,摻入甲烷可能進(jìn)入3區(qū)不爆。2火區(qū)封閉時(shí)應(yīng)采取的措施如上所述,火區(qū)封閉時(shí)可能因可燃性混合氣體的聚集而存在爆炸危險(xiǎn)。但對(duì)于大面積火區(qū),當(dāng)不能采取直接滅火的惰化法時(shí),礦井生產(chǎn)的實(shí)際情況往往是要求對(duì)火區(qū)實(shí)行封閉處理。因此,在封閉前就必須對(duì)發(fā)火區(qū)進(jìn)行必要的防爆處理。要安全封閉火區(qū),第一是防止爆炸發(fā)生,第二是一旦發(fā)生爆炸,應(yīng)能夠有效地消除爆炸沖擊波以及爆炸引起的火災(zāi),保證礦井安全。從這兩個(gè)角度出發(fā),可選擇以下幾種措施。(1)采取瓦斯排放措施,防止封閉區(qū)可燃性混合氣體聚集。一

6、般高瓦斯礦井工作面都有瓦斯抽放系統(tǒng),工作面因火被迫封閉后,可利用現(xiàn)有抽放系統(tǒng),繼續(xù)對(duì)工作面實(shí)行可燃性混合氣體的抽放,以防封閉火區(qū)過(guò)程中可燃性混合氣體聚集而發(fā)生爆炸。(2)采取從地面注惰氣、注氮等方法降低封閉區(qū)氧體積分?jǐn)?shù)。封閉時(shí),發(fā)火區(qū)溫度、CO體積分?jǐn)?shù)都很高,所以不能在火區(qū)附近工作。此時(shí)可從地面向火區(qū)注氮,降低火源點(diǎn)附近氧體積分?jǐn)?shù)和煤溫,以保證工作面安全。(3)消滅火源高溫點(diǎn)。采取向發(fā)火區(qū)注凝膠等方法,使高溫點(diǎn)溫度降低到可引起可燃性混合氣體爆炸的下限溫度以下。(4)用水封閉火區(qū)。如果發(fā)火區(qū)兩端比較低,可以在撤離人員的情況下,向發(fā)火區(qū)所在巷道兩端送水,直接用水封閉火區(qū)。火區(qū)用水封閉,能夠保證密閉

7、無(wú)漏風(fēng),而且一旦封閉區(qū)內(nèi)發(fā)生爆炸,兩端的水密封能有效地消除爆炸引起的沖擊波,從而防止爆炸引起大火蔓延。3 爆炸三角形參數(shù)的確定3.1 可燃性混合氣體爆炸界限的計(jì)算礦井火區(qū)內(nèi)的可燃性氣體,是多種可燃性氣體的混合體。根據(jù)氣體爆炸理論,其混合氣體的爆炸界限可按Le Chatelier式進(jìn)行計(jì)算:式中,N混合氣體爆炸上限或下限,%;C1、C2、Cm各可燃?xì)怏w占可燃性混合氣體總和的體積百分比,即:C1+C2+Cm=100%;N1、N2、Nm各可燃?xì)怏w的爆炸上限或下限,%。煤礦火區(qū)中幾種常見(jiàn)可燃性氣體的爆炸上下限如表1所示?；饏^(qū)的溫度一般很高,因此,實(shí)際計(jì)算火區(qū)內(nèi)可燃性混合氣體爆炸界限時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)火區(qū)內(nèi)

8、的溫度及火區(qū)內(nèi)各種可燃性氣體的成份,對(duì)表1中所列數(shù)據(jù)按下式進(jìn)行溫度校正2:式中,NLT、NUT分別為各可燃性氣體在t時(shí)的爆炸下限和上限;NL、NU分別為各可燃性氣體在25時(shí)的爆炸下限和上限。3.2 臨界氧濃度的計(jì)算礦井火區(qū)氣體是多種可燃性氣體的混合物,那就很難按單一可燃性氣體計(jì)算臨界氧濃度的方法進(jìn)行工程計(jì)算,因此,需要采用三角形作圖法3。圖1 臨界氧濃度作圖計(jì)算法首先畫(huà)出等邊三角形FON,頂點(diǎn)F、O、N分別表示可燃性混合氣體、氧氣和氮?dú)獾淖畲篌w積濃度。然后,在ON線上,找出空氣中最大含氧量(20.95%)之A點(diǎn),畫(huà)出空氣線FA,在FO邊上取可燃性混合氣體在氧氣中的爆炸上限U2點(diǎn)和爆炸下限L2點(diǎn)

9、,在FA線上取可燃性混合氣體在空氣中的爆炸上限U1和爆炸下限L1,連接U2和U1,再連接L2和L1,將兩線段延長(zhǎng)成三角形,過(guò)頂點(diǎn)作FN的平行線交ON線所示的數(shù)值,即為臨界氧濃度。相應(yīng)的,若過(guò)此頂點(diǎn)作FA的垂線,交FA線所示的數(shù)值,即為臨界氧濃度時(shí)所對(duì)應(yīng)的可燃性混合氣體濃度(詳見(jiàn)圖1)。同理,若過(guò)U1或L1點(diǎn)分別作FN的平行線,交ON線的交點(diǎn)所示數(shù)值,就是可燃性混合氣體在空氣中爆炸時(shí)的上下限所對(duì)應(yīng)的氧濃度。4實(shí)例分析設(shè)某礦井封閉火區(qū)內(nèi)的可燃性混合氣體成份與濃度分別為:CH44.0%,CO2.1%,C2H40.03%,H20.04%,火區(qū)內(nèi)空氣溫度為55。對(duì)其進(jìn)行爆炸危險(xiǎn)性參數(shù)分析如下:4.1 可

10、燃性氣體濃度可燃性混合氣體濃度及各成份在總濃度中所占體積百分比濃度分別為:C=6.17%、CCH4=64.83%、CCO=34.03%、CC2H4=0.49%、CH2=0.65%4.2 爆炸界限從表1查出各可燃性氣體在25時(shí)的爆炸界限,按式(2)進(jìn)行溫度校正,如表2所示:由式(1)得火區(qū)內(nèi)可燃性混合氣體在空氣中的爆炸上下限分別為21.27%和6.1%;而在氧氣中則分別為71.05%和6.42%。由此可見(jiàn),火區(qū)內(nèi)可燃性混合氣體的濃度在空氣中處于爆炸界限范圍內(nèi),具有爆炸危險(xiǎn)性。在此例中,若不進(jìn)行可燃性氣體爆炸界限的溫度校正,則其混合氣體爆炸下限濃度為6.24%,即可燃性混合氣體濃度(6.17%)小

11、于爆炸下限濃度?？梢?jiàn),容易誤報(bào),此實(shí)例火區(qū)內(nèi)的可燃性混合氣體不具有爆炸危險(xiǎn)性。4.3 臨界氧濃度及爆炸上下限所對(duì)應(yīng)的氧濃度按圖1所示方法,可得實(shí)例火區(qū)內(nèi)可燃性混合氣體發(fā)生爆炸時(shí)的臨界氧濃度為12.8%,此時(shí)可燃性混合氣體濃度為3.7%,而爆炸上下限點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的氧濃度分別為16.4%和17.6%。見(jiàn)圖1所示。5爆炸三角形根據(jù)上述分析所得爆炸參數(shù):爆炸上下限、臨界氧濃度、臨界氧濃度所對(duì)應(yīng)的可燃性混合氣體濃度,以及爆炸上下限所對(duì)應(yīng)的氧濃度,可畫(huà)出實(shí)例火區(qū)可燃性混合氣體的爆炸三角形分析圖,如圖2所示。其中,空氣線ABCD與縱坐標(biāo)的夾角為最大可燃性混合氣體含量100%與空氣中最大氧含量20.95%之比的反

12、正切。6 爆炸危險(xiǎn)性分析圖2所示為實(shí)例火區(qū)可燃性混合氣體空氣氮?dú)獗ㄎｋU(xiǎn)性分析圖。根據(jù)其各自濃度變化關(guān)系,可在空氣線ABCD以下將其劃分為3個(gè)區(qū):第一區(qū)是BCE所圍區(qū)域,此區(qū)內(nèi)的可燃性混合氣體處于爆炸界限范圍內(nèi),稱(chēng)為爆炸三角區(qū);第二區(qū)是BEF左側(cè),此區(qū)的可燃性混合氣體處于爆炸下限濃度以下,稱(chēng)為可燃性氣體濃度不足區(qū);第三區(qū)是CEF的右側(cè),在此區(qū)內(nèi),因氧氣含量較低,稱(chēng)為氧濃度過(guò)低區(qū)。上述三區(qū)的劃分,雖然在第二區(qū)、第三區(qū)中可燃性混合氣體不具有爆炸危險(xiǎn)性,但是,上述三區(qū)并非恒定不變。對(duì)于礦井火區(qū)的管理,若措施不當(dāng),原來(lái)可燃性氣體濃度較低或氧氣濃度不足的非爆炸區(qū)也有可能導(dǎo)致其濃度增加而轉(zhuǎn)向爆炸三角區(qū)。例

13、如,剛開(kāi)始自燃發(fā)火的礦井火區(qū),盡管發(fā)火范圍較大,此時(shí)因通風(fēng)條件尚好,可燃性混合氣體濃度往往不足而處于圖2所示的第二區(qū)。在此條件下,若貿(mào)然采取火區(qū)封閉措施,則在切斷火區(qū)通風(fēng)過(guò)程中,其可燃性混合氣體濃度就會(huì)迅速增長(zhǎng),此時(shí),由氧濃度與可燃性混合氣體濃度所決定的坐標(biāo)點(diǎn),就可能進(jìn)入BCE所圍的爆炸區(qū)內(nèi),此時(shí)遇火就發(fā)生爆炸。同理,火區(qū)封閉不嚴(yán)或重開(kāi)火區(qū)時(shí),新鮮空氣的不斷流入,也可能使原來(lái)氧含量較低之火區(qū)內(nèi)的可燃性混合氣體具有爆炸性。7 火區(qū)封閉時(shí)應(yīng)采取的措施如上所述,火區(qū)封閉時(shí)可能因可燃性混合氣體的聚集而存在爆炸危險(xiǎn)。但對(duì)于大面積火區(qū),當(dāng)不能采取直接滅火的惰化法時(shí),礦井生產(chǎn)的實(shí)際情況往往是要求對(duì)火區(qū)實(shí)行封

14、閉處理。因此,火區(qū)的封閉,在封閉前就必須對(duì)發(fā)火區(qū)進(jìn)行必要的防爆處理。要安全封閉火區(qū),第一是防止爆炸發(fā)生,第二是一旦發(fā)生爆炸,應(yīng)能夠有效地消除爆炸沖擊波以及爆炸引起的火災(zāi),保證礦井安全。從這兩個(gè)角度出發(fā),可選擇以下幾種措施4。1) 采取瓦斯排放措施,防止封閉區(qū)可燃性混合氣體聚集。一般高瓦斯礦井工作面都有瓦斯抽放系統(tǒng),工作面因火被迫封閉后,可利用現(xiàn)有抽放系統(tǒng),繼續(xù)對(duì)工作面實(shí)行可燃性混合氣體的抽放。以防封閉火區(qū)過(guò)程中可燃性混合氣體的聚集而發(fā)生爆炸。2) 采取從地面注惰氣、注氮等方法降低封閉區(qū)氧濃度。封閉時(shí),發(fā)火區(qū)溫度、CO濃度都很高,所以不能在火區(qū)附近工作。此時(shí)可從地面向火區(qū)注氮,降低火源點(diǎn)附近氧濃度和煤溫,以保證工作面安全。3) 消滅火源高溫點(diǎn)。采取向發(fā)火區(qū)注凝膠等方法,使高溫點(diǎn)溫度降低到可引起可燃性混合氣體爆炸的下限溫度以下。4) 用水封閉火區(qū)。如果發(fā)火區(qū)兩端比較低,可以在撤離人員的情況下,向發(fā)火區(qū)所在巷道兩端送水,直接用水封閉火區(qū)?；饏^(qū)用水封閉,能夠保證密閉無(wú)漏風(fēng),而且一旦封閉區(qū)內(nèi)發(fā)生爆炸,兩端的水密封能有效地消除爆炸引起的沖擊波,從而防止爆炸引起大火蔓延。8 結(jié) 論1) 礦井火災(zāi)發(fā)生后,尤其是煤層自燃發(fā)火區(qū),其可燃性氣體已非單純的瓦斯氣體。判斷火區(qū)可燃性混合氣體是否具有爆炸危險(xiǎn)性,不能簡(jiǎn)單地以瓦斯