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)的舉措.關(guān)鍵詞：礦井火區(qū)；爆炸三角形；爆炸界限0引言平安是企業(yè)生存和開展的頭等大事.平安工作優(yōu)劣對企業(yè)生產(chǎn)影響極大,直接關(guān)系到企業(yè)能否正常生產(chǎn)和提升經(jīng)濟(jì)效益.火災(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儲后放出的可燃性氣體是否會因火源的存在而發(fā)生爆炸時(shí),往往多采用單純的瓦斯C

2、H4爆炸三角形判別法.對爆炸三角形的新的分區(qū)方法,對于正確評判礦井火區(qū)可燃性混合氣體的爆炸危險(xiǎn)性,尤其是對于保證礦工的生命健康平安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.煤礦常見爆炸性氣體的爆炸特性參數(shù)如表1所示.表煤礦常見爆炸性氣體爆炸特性畚數(shù),體分子ut時(shí)空H的相對密度-21.101.3kPa時(shí)的爆炸界網(wǎng)易大爆炸-壓J#Id'fi般低點(diǎn)燃溫寓£鼠小點(diǎn)燃能轉(zhuǎn)MJ按體稅上限卜一限上限產(chǎn)限甲烷匚6.口0,555,0)5,0解100TOfi595(fiSQG2

3、*)0.2S.乙烷工012.5節(jié)155515如小川一3.215,640195472*().25胸烷44.L562.19.5狗844皿4切0.26正丁烷58工05L.58.5372108443的小即0.25異丁烷5s.i2.(J51.8S.544210460穹H;2.00,074.0716再用72fj560(11019一書化碳CO2ft.0.12,57445*的7lfi筋盛比包IhS34.1L惇4.3415606504W270爆炸界限也稱為爆炸極限,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,爆炸會自行蔓延開來.可能產(chǎn)生

4、爆炸的可燃?xì)怏w的最低極限體積分?jǐn)?shù)稱為爆炸下限；最高極限體積分?jǐn)?shù)稱為爆炸上限.下限以下無爆炸危險(xiǎn),它與可燃性氣體缺乏或氧氣過剩有關(guān),上限以上不爆炸,這與氧氣缺乏或可燃?xì)怏w過剩有關(guān),另外上、下限與實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)3o爆炸界限所受的影響因素這里不做全面闡述.請看下面這兩個(gè)爆炸三角形.A,B,C,D,E五個(gè)點(diǎn)把整個(gè)區(qū)域分成4個(gè)區(qū)1JJ關(guān)系這個(gè)點(diǎn)在圖中沒有標(biāo)出E點(diǎn)相連并延長到傳統(tǒng)分區(qū)新的分區(qū)圖這條線與2所示.在X軸中找到),把這個(gè)點(diǎn)與的交點(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B一爆炸下限,C一爆炸上限,Eco2一摻入CO方寸爆炸I臨界點(diǎn),EN2一摻入N2時(shí)爆炸臨界點(diǎn)；BE一爆炸下限

5、界線,CE一爆炸上限界線；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)的舉措預(yù)防爆炸.1區(qū)：ABCE-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,即可預(yù)防瓦斯爆炸.3區(qū)：甲烷體積分?jǐn)?shù)過高不爆區(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),即可預(yù)防瓦斯爆炸.4區(qū)

6、：平安區(qū).氧氣和甲烷體積分?jǐn)?shù)都過低不爆區(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)采取的舉措如上所述,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火區(qū)實(shí)行封閉處理.因此,在封閉前就必須對發(fā)火區(qū)進(jìn)行必要的防爆處理.要平安封閉火區(qū),第一是預(yù)防爆炸發(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),保證礦井平安.從這兩個(gè)角度出發(fā),可選擇以下幾種舉措.1采取瓦斯排放舉措,預(yù)防封閉區(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

7、放系統(tǒng),繼續(xù)對工作面實(shí)行可燃性混合氣體的抽放,以防封閉火區(qū)過程中可燃性混合氣體聚集而發(fā)生爆炸.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,以保證工作面平安.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.用水封閉火區(qū).如果發(fā)火區(qū)兩端比擬低,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,能夠保證密閉無漏風(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,從而預(yù)防爆炸

8、引起大火蔓延.3爆炸三角形參數(shù)確實(shí)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LeChatelier式進(jìn)行計(jì)算：100A：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、N2Nm各可燃?xì)怏w的爆炸上限或下限%煤礦火區(qū)中幾種常見可燃性氣體的爆炸表1煤礦常見可燃?xì)怏w的爆炸上限和下限(25匕尸氣體名稱化學(xué)符號爆炸界限()空氣中氧氣中下限上限下限一上限甲烷CH45.0015.005.161.0乙烷3.2212.45丙烷CyHh2.4

9、9.502.352.0氨氣4.().74.2()4.94.0一氧化碳CO12.575.0015.594.0硫化氫/2S4.3245.50乙烯C2/42.7528.6()3.080.0戊烷C5ll>21.407.80上下限如表1所示.火區(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)測火區(qū)內(nèi)的溫度及火區(qū)內(nèi)各種可燃性氣體的成份,對表1中所列數(shù)據(jù)按下式進(jìn)行溫度校正2:；mvI1721(-25)W仃二NLX1-1()6nt-rI!721(£-25)NtfT-NUX1+67式中,NLT、NUT-分別為各可燃性氣體在tC時(shí)的爆炸下限和上限NL、NU-一分別為各可燃性

10、氣體在25c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F可燃?xì)怏w濃度圖I臨界氧濃度作圖計(jì)算法首先畫出等邊三角形FON頂點(diǎn)F、ON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),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,將兩線段延長成三角形,過頂點(diǎn)作

11、FN的平行線交O聯(lián)所示的數(shù)值,即為臨界氧濃度.相應(yīng)的,假設(shè)過此頂點(diǎn)作FA的垂線,交FA線所示的數(shù)值,即為臨界氧濃度時(shí)所對應(yīng)的可燃性混合氣體濃度詳見圖1o同理,假設(shè)過U1或L1點(diǎn)分別作FN的平行線,交ONW勺交點(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55C.對其進(jìn)行爆炸危險(xiǎn)性參數(shù)分析如下：4.1 可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%

12、CC2H4=0.49%CH2=0.65%4.2 爆炸界限從表1查出各可燃性氣體在25C時(shí)的爆炸界限,按式進(jìn)行溫度校正,如表2所示：表2火區(qū)內(nèi)可燃性氣體的爆炸界限氣體名稱化學(xué)符號爆炸界限(%)空氣中氧氣中下限上限卜,限上限甲烷CH44.8915.324.9962.32一氧化碳CO2376,6215.1696.03乙烯CH42.6929.222.9481.73然7iHe3.9175.80二9196.03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%?口6.1%;而在氧氣中那么分別為71.05%?口6.42%.由此可見,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

13、有爆炸危險(xiǎn)性.在此例中,假設(shè)不進(jìn)行可燃性氣體爆炸界限的溫度校正,那么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%)小于爆炸下限濃度.可見,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)所對應(yīng)的氧濃度分別為16.4%?口17.6%.見圖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、臨界氧濃度所對應(yīng)的可燃性混合氣體濃度,以及爆炸上下限所對應(yīng)的氧濃度,可畫出實(shí)例火區(qū)可燃性混

14、合氣體的爆炸三角形分析圖,如圖2所示.其中,空氣線ABCDf縱坐標(biāo)的夾角為最大可燃性混合氣體含量100%t空氣中最大氧含量20.95%之比的反正切.6爆炸危險(xiǎn)性分析圖2所示為實(shí)例火區(qū)可燃性混合氣體一空氣一氮?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ABCDZ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,稱為可燃性氣體濃度缺乏區(qū)；第三區(qū)是CEF的右側(cè),在此區(qū)內(nèi),因氧氣含量較低,稱為氧濃度過低區(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

15、,上述三區(qū)并非恒定不變.對于礦井火區(qū)的治理,假設(shè)舉措不當(dāng),原來可燃性氣體濃度較低或氧氣濃度缺乏的非爆炸區(qū)也有可能導(dǎo)致其濃度增加而轉(zhuǎn)向爆炸三角區(qū).例如,剛開始自燃發(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缺乏而處于圖2所示的第二區(qū).在此條件下,假設(shè)貿(mào)然采取火區(qū)封閉舉措,那么在切斷火區(qū)通風(fēng)過程中,其可燃性混合氣體濃度就會迅速增長,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)或重開火區(qū)時(shí),新鮮空氣的不斷流入,也可能使原來氧含量較低之火區(qū)內(nèi)的可燃性混合氣體具有爆炸性.24.廠121416112

16、02234可體救GJ圖2可燃性氣體包氣淘氣爆炸危險(xiǎn)性分析圖7火區(qū)封閉時(shí)應(yīng)采取的舉措如上所述,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火區(qū)實(shí)行封閉處理.因此,火區(qū)的封閉,在封閉前就必須對發(fā)火區(qū)進(jìn)行必要的防爆處理.要平安封閉火區(qū),第一是預(yù)防爆炸發(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),保證礦井平安.從這兩個(gè)角度出發(fā),可選擇以下幾種舉措4.1采取瓦斯排放舉措,預(yù)防封閉區(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)對工作面實(shí)

17、行可燃性混合氣體的抽放.以防封閉火區(qū)過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,以保證工作面平安.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)兩端比擬低,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,能夠保證密閉無漏風(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,從而預(yù)防爆炸引起大火蔓延.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),具可燃性氣體