井下瓦斯爆炸爆源特征尺寸計算方法的分析

1、    井下瓦斯爆炸爆源特征尺寸計算方法的分析1前言發(fā)生在煤礦井下的瓦斯爆炸事故是最嚴重的煤礦災害，通常造成大量的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失，不論是事故的防治，還是進行事故的調(diào)查、處理都要了解和研究瓦斯爆炸發(fā)生的特征參數(shù)。衡量煤礦井下瓦斯爆炸的特征參數(shù)有多種，但爆源的特征尺寸是主要的特征參數(shù)之一。因此，準確地計算爆源特征尺寸，不僅在理論研究上有重要的應用價值，對采取具體措施防治瓦斯爆炸事故，保證礦井安全生產(chǎn)也有著十分重要的意義。2目前爆源特征尺1前言 發(fā)生在煤礦井下的瓦斯爆炸事故是最嚴重的煤礦災害，通常造成大量的人員傷亡和巨大的經(jīng) 濟損

2、失，不論是事故的防治，還是進行事故的調(diào)查、處理都要了解和研究瓦斯爆炸發(fā)生的特 征參數(shù)。衡量煤礦井下瓦斯爆炸的特征參數(shù)有多種，但爆源的特征尺寸是主要的特征參數(shù)之 一。因此，準確地計算爆源特征尺寸，不僅在理論研究上有重要的應用價值，對采取具體措 施防治瓦斯爆炸事故，保證礦井安全生產(chǎn)也有著十分重要的意義。 2目前爆源特征尺寸的計算方法及存在問題 爆源的特征尺寸，即井下積聚瓦斯空間的體積在爆炸后比爆炸前增大的倍數(shù)，目前是 根據(jù)下面關(guān)系式計算：（略） 式中：V1爆炸前的體積，m3； V2爆炸后的體積，m3；T1爆炸前的熱力學

3、溫度，K；T1=273+t1，t1為爆炸前的攝氏溫度，；T2爆炸后的熱力學溫度，K； T2=273+t2，t2為爆炸后的攝氏溫度，。 設(shè)t1=27，t2=2027,則 T1=273+27=300K,T2=273+2027=2300K， 根據(jù)（1）式得：（略） 由上述計算可知，爆炸后的體積V2是爆炸前體積V1的7.7 倍，但實驗巷道的測 試數(shù)據(jù)（以火焰鋒面到達的位置為依據(jù)）通常小于上述計算值，一般V2只達到（35） V 1，由此可見，用（1）式計算爆炸后的體積V2比爆炸前的體積V1膨脹增大的倍 數(shù)

4、比實驗巷道測試的數(shù)據(jù)偏高，這個理論計算值比實際測試值偏高的問題 沒有得到解決。下面將分析導致這一問題的主要原因。 3原因分析及解決方法 井下空間的瓦斯氣體，在爆炸前、后各參量的關(guān)系用下式表示：（略） 式中：P2爆炸后的壓力，MPa； P1爆炸前的壓力，近似為0.1MPa； V2爆炸后的體積，m3； V1爆炸前的體積，m3； T2爆炸后的熱力學溫度，K； T2=273+t2，t2為爆炸后的攝氏溫度，； T1爆炸前的熱力學溫度，K； T1=273+t1，t1為爆炸前的攝氏溫度，； 

5、;n積聚（爆炸）瓦斯的摩爾數(shù)，mol； a反映瓦斯分子引力的常量，Nm4mol-2； b反映瓦斯分子體積的常量，m3mol-1； 在（2）式中，令a=0,b=0,則（2）式成為：（略） 在（3）式中，令P2=P1，則（3）式成為（1）式： （略） 由上面推演可知，（2）式變?yōu)椋?）式的條件有2個：（1） a=0,b=0,（2）P2=P1；不管瓦斯爆炸的過程如何復雜，但其爆炸前后的參量關(guān)系是滿足（2）式的，因此， 用（2）式 來計算V2當然比用（1）式計算更符合實際，由（2）式成為（1）式的兩個條件可知，用

6、（1）式來 計算V2與實際偏高的原因也可能有2個：一是令a=0,b=0,即不考慮瓦斯氣體常量a、b對V 1、V2的影響，二是令P2=P1，即不考慮P2比P1增大對V2的影響，根據(jù)井下瓦斯 爆炸的特征，結(jié)合分子物理學知識，對以上兩個可能原因作如下分析： （1） a=0，b=0。井下瓦斯爆炸的濃度一般為5%16%，這樣的濃度瓦斯分子之間的平均距離 是 較大的，瓦斯分子之間的引力以及瓦斯分子本身的體積對V1、V2的影響是很小的，加之 爆炸后溫度又很高，所以，反映瓦斯分子之間引力的常量a,以及反映瓦斯分子體積的常量b

7、60;對V2的影響不是主要因素。即令a=0,b=0不是對V2影響的主要原因。 （2） P2=P1。瓦斯爆炸的過程是升溫升壓的過程，由（3）式可直觀看出，爆炸后的壓力P  2比爆炸前的壓力P1增大是對V2影響的主要因素，對于這一點，可通過實驗巷道測定的 數(shù)據(jù)進行定量計算加以驗證。 根據(jù)國家有關(guān)部門在重慶實驗巷道進行的爆炸實驗，瓦斯?jié)舛?.5%，體積100m3，測得的 最大壓力為0.18MPa。據(jù)此測得的P2=0.18MPa，和前面所述的P1=0.1MPa，T 1=300K,T2=2300K代入（3）式得：（略）

8、60;由此可見，用（3）式計算的V2值比用（1）式計算的V2值更接近實際（實測V2=（3 5）V）。通過上面定性分析和定量計算可知，目前的方法計算V2值比實際偏高的主要原因是沒有考 慮到P2比P1大對V2的影響。明確了導致問題的原因后，解決問題的方法也就顯而易見了，即在（1）式 的右邊乘以一個修正系數(shù)（略），問題就解決了。這樣 ，修正后計算V2的公式成為： （略）；應當說明的是，井下瓦斯爆炸的濃度是一個較大的區(qū)間，正常條件下弱火源為5%15% ，強 火源為2%75%，其爆炸的體積也是大小不等的，少則幾十立方米，多則幾百立方米，在不 同的濃度、不同的體積下，爆炸后產(chǎn)生的壓力P2是不同的。因此，用上面（4）式計算出的 V2值也是不同的，那么，目前我們說爆炸后的壓力P2比爆炸前的壓力P1升高多少；爆 炸后的體積V2比爆炸前的體積V1增大多少倍是以什么條件為標準呢？這一問題目前國 內(nèi) 外尚無統(tǒng)一定論，不過，實驗分析和理論研究表明，瓦斯?jié)舛葹?.5%時，爆炸的化學反應最 完全，所以瓦斯?jié)舛葢?.5%為標準，又因為瓦斯?jié)舛热“俜直葷舛龋?00m3中