礦井火災(zāi)學(xué)基礎(chǔ)

第一章礦井火災(zāi)學(xué)基礎(chǔ)

礦井火災(zāi)學(xué)涉及熱物理、流體力學(xué)、燃料與燃燒學(xué)、傳熱傳質(zhì)、有機(jī)化學(xué)以及化學(xué)動(dòng)

力學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域，是一門綜合性和實(shí)踐性很強(qiáng)的邊緣性科學(xué)。本章為礦井火災(zāi)學(xué)的基礎(chǔ)部

分，緊密結(jié)合礦井火災(zāi)理論與實(shí)踐的實(shí)際需要，主要介紹燃燒的相關(guān)知識(shí)，包括燃燒的條件、

形式、分類、過程以及燃燒與爆炸，礦井可燃物及燃燒特性、火災(zāi)基礎(chǔ)參數(shù)的計(jì)算，有關(guān)自

燃的理論等，為以后各章提供基礎(chǔ)的知識(shí)與理論。

第一節(jié)燃燒基礎(chǔ)知識(shí)

可燃物與氧化劑作用發(fā)生的放熱反應(yīng)，通常伴有火焰、發(fā)光和發(fā)煙的現(xiàn)象稱為燃燒。放

熱、發(fā)光和生成新物質(zhì)是燃燒反應(yīng)的三個(gè)特征，是區(qū)分燃燒和非燃燒現(xiàn)象的依據(jù)。從本質(zhì)上

來說，燃燒是?種氧化還原反應(yīng)，但它發(fā)光、發(fā)煙、伴有火焰的基本特征表明它不同于?般

的氧化還原反應(yīng)。礦井下煤炭的自然發(fā)火就是煤和氧氣發(fā)生的燃燒現(xiàn)象，燃燒過程中放出大

量熱量，同時(shí)釋放出CO、C02>CH4、C2H4等氣體。

一、燃燒的條件

燃燒要發(fā)生需要滿足三個(gè)方面的條件：可燃物、熱源和氧氣（。2），通常稱為燃燒三要

素。只有在三要素同時(shí)具備的條件下燃燒才有可能發(fā)生，如果將燃燒的發(fā)生比作一個(gè)整體的

正三角形，則三要素就是組成三角形的三條邊，如圖1-1-1所示，缺少任何一條邊都不能構(gòu)

成三角形，燃燒也就不會(huì)發(fā)生。同樣，燃燒發(fā)生后，如果缺少任一條件，燃燒就會(huì)熄滅。

圖1-1-1燃燒三角形

1、可燃物

在礦井下，煤炭本身就是一個(gè)大量而且普遍存在的可燃物。另外，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的

煤塵、涌出的瓦斯以及所用的坑木、運(yùn)輸機(jī)膠帶、電纜、機(jī)電設(shè)備、油料、炸藥等都具有可

燃性，它們的存在是礦井火災(zāi)發(fā)生的前提條件。

2、熱源

熱源是觸發(fā)燃燒的必要因素，在礦井里，煤的自燃、瓦斯、煤塵燃燒與爆炸、放炮作業(yè),

機(jī)械摩擦生熱、電流短路火花、電氣設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不良產(chǎn)生的過熱、吸煙、燒焊以及其它明火都

可能是引火的熱源。

3、氧氣

燃燒實(shí)際上就是劇烈的氧化，任何燃燒過程，如果缺乏足夠的氧氣，都難以持續(xù)，所以

說，氧氣的供給是維持燃燒、形成火災(zāi)必不可少的條件。

需要說明的是，燃燒的發(fā)生和持續(xù)僅僅有三要素的存在是不夠的，同時(shí)它們還必須滿足

一定的數(shù)量要求。對(duì)于可燃物而言，必須要求它能夠達(dá)到定的數(shù)量和濃度。例如甲烷的濃

度小于1.4%時(shí)便不能燃燒⑶；同樣，只有具備足夠熱量和溫度的熱源才能引燃可燃物，根

據(jù)謝苗諾夫理論，只有當(dāng)熱源產(chǎn)生的熱量大于散失的熱量時(shí)，燃燒才能得以發(fā)生和維持，這

就對(duì)熱源的強(qiáng)度提出了一定的要求，如低于595℃的熱源就不能使瓦斯與空氣的混合氣體燃

燒；作為助燃物的氧氣也必須達(dá)到一定的濃度，幾乎所有的有火焰的燃燒都會(huì)在氧氣濃度低

于10?12%時(shí)熄滅，但是低溫干儲(chǔ)性的燃燒卻要在氧氣濃度低于2%時(shí)才會(huì)熄滅。瓦斯在氧

氣濃度低于12%的空氣中會(huì)失去爆炸性。

燃燒三要素為礦井防滅火工作明確了思路，一切防滅火技術(shù)都是圍繞這三要素展開，其

目的就是為了消除三要素中的任何一個(gè)或全部，如向采空區(qū)或火區(qū)內(nèi)注黃泥或粉煤灰漿，水

起到降溫消除熱源作用，固體不燃介質(zhì)（黃泥、煤煤灰）覆蓋在易自燃的浮煤上阻止了煤與

氧氣的接觸；如注惰性氣體（CO2、用等），則是為降低氧氣濃度，使燃燒缺少氧氣；再例

如直接滅火中挖出固體可燃物的方法，破壞了燃燒三角形中代表可燃物這條邊，是最簡單、

最徹底的滅火方法。

燃燒三角形足以說明燃燒發(fā)生和持續(xù)的基本條件，但是根據(jù)現(xiàn)已被廣泛認(rèn)可的燃燒鏈?zhǔn)?/p>

反應(yīng)理論，很多燃燒的發(fā)生和維持需要自由基（含有未成對(duì)電子的原子、原子團(tuán)、分子或離

子）做“中間體”，利用自由基活潑的特性，不斷從穩(wěn)定的原子或分子中奪得?個(gè)電子以求

達(dá)到平衡，從而又不斷產(chǎn)生新的自由基，形成鏈鎖反應(yīng)。據(jù)此有人提出了燃燒四面體（如圖

1-1-2）的概念，即在燃燒過程中，正是火焰前沿的自由基通過鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，迅速增加活化中

心來使反應(yīng)不斷加速直至燃燒，從而保證了燃燒的持續(xù)，因此燃燒的必要條件除了“三要

素”外，還必須再增加一要素一一保持可燃物的鏈反應(yīng)未受到抑制，這樣燃燒三角形就拓展

到包括一個(gè)說明自由基參與燃燒反應(yīng)的附加維，從而形成燃燒四面體?；谥袛嗳紵墟溤?/p>

長反應(yīng)原理而發(fā)明的新型滅火劑具有很好的滅火效果，從而支持了該觀點(diǎn)。

未受到抑制的鏈反應(yīng)

可燃物熱源

圖1-L2燃燒四面體

嚴(yán)格地講，鏈反應(yīng)只存在于燃燒過程中，只是燃燒的一個(gè)中間產(chǎn)物，并不能算作燃燒的

一個(gè)要素，盡管如此，燃燒四面體的提出對(duì)于人們研究燃燒的過程機(jī)理，采取更有效的手段

進(jìn)行防滅火有十分重要的作用。

二、燃燒的分類及形式

1、基本燃燒形式

根據(jù)可燃物燃燒過程的差異，燃燒可分為：分解燃燒、表面燃燒、蒸發(fā)燃燒、擴(kuò)散燃燒

和預(yù)混燃燒這五種基本燃燒形式。

1）分解燃燒

分解燃燒出現(xiàn)于固體和部分液體燃料的燃燒中。在燃燒過程中，可燃物首先遇熱分解,

熱分解產(chǎn)物和氧氣反應(yīng)發(fā)生燃燒產(chǎn)生火焰，如木材、煤、橡膠、合成高分子化合物等固體燃

料及柴油、煤油、潤滑油等高沸點(diǎn)油脂類流體以及蠟、瀝青等固體煌類物質(zhì)的燃燒都屬于此

類。例如，木材在空氣中燃燒時(shí)，火源首先加熱木材，使其失去水分而干燥，然后木材發(fā)生

熱分解，釋放出揮發(fā)性氣體，產(chǎn)生燃燒火焰，放出熱量，釋放的熱量繼續(xù)加熱木材，使木材

不斷分解,從而使燃燒得以延續(xù)。礦井火災(zāi)中前期和中期的大部分燃燒現(xiàn)象都屬于這?類型。

2）表面燃燒

表面燃燒發(fā)生于固體燃料燃燒的后期。固體可燃物燃燒時(shí)（例如木材的燃燒），不斷分

解出揮發(fā)性氣體，而揮發(fā)性氣體燃燒放出的熱量繼續(xù)維持新的固體燃料熱分解和燃燒。當(dāng)原

來燃燒的燃料所含揮發(fā)性氣體完全分解后，只剩下不能分解、氣化的固體炭，這時(shí)，燃燒在

焦炭與空氣的接觸表面進(jìn)行，稱為表面燃燒。固體燃料呈紅熱表面，但沒有火焰，燃燒的速

度與可燃物的表面枳有關(guān)。

3）蒸發(fā)燃燒

液體燃燒不是液相燃燒而是液體蒸發(fā)所產(chǎn)生的蒸汽與空氣混合發(fā)生著火。可燃性液體如

酒精、苯等，它們的燃燒就是由于液體蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸氣被點(diǎn)燃起火而形成的，蒸氣點(diǎn)燃形成

火焰，它放出來的熱量進(jìn)一步加熱液體表面，從而促使液體繼續(xù)蒸發(fā)，使燃燒繼續(xù)下去。蔡、

硫磺等在常溫下雖為固體，但它們?nèi)埸c(diǎn)低，在受熱后會(huì)升華產(chǎn)生蒸氣或熔融后產(chǎn)生蒸氣，因

而同樣能夠引起蒸發(fā)燃燒。

4）擴(kuò)散燃燒

甲烷、一氧化碳、乙塊等可燃?xì)怏w從管道孔口或巷道局部

空間流出，在與空氣匯合時(shí)，可燃?xì)怏w與空氣靠分子間擴(kuò)散而

混合，當(dāng)其混合濃度達(dá)到燃燒界限時(shí)，遇火源在該范圍內(nèi)就會(huì)

發(fā)生燃燒，并隨著可燃?xì)怏w和氧氣的不斷補(bǔ)給、混合，使燃燒

得以繼續(xù)，這種燃燒形式稱為擴(kuò)散燃燒。如圖1-1-3所示。

在煤礦井下的采空區(qū)或者采煤工作面，有時(shí)候會(huì)發(fā)生瓦斯

涌出遇到點(diǎn)火源而燃燒的現(xiàn)象，這種燃燒就屬于擴(kuò)散燃燒，如圖1-1-3擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)圖

1-空氣；2-擴(kuò)散混合區(qū);

3-氣態(tài)燃料；4-管口

果燃燒很穩(wěn)定，一般情況下是不會(huì)發(fā)生爆炸的，只要及時(shí)加以撲滅，就不會(huì)帶來重大的人員

傷亡。

5）預(yù)混燃燒

預(yù)混燃燒又稱混合燃燒、動(dòng)力燃燒、爆炸式燃燒。在井下一定環(huán)境條件下，可燃?xì)怏w與

空氣在著火前已經(jīng)預(yù)先充分混合，且其濃度處于燃燒（爆炸）界限之內(nèi)，遇火源即會(huì)發(fā)生燃

燒，稱為預(yù)混燃燒。這種燃燒在混合氣體分布空間快速蔓延，在一定條件下還會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楸ā?/p>

礦井火災(zāi)引起的爆炸事故往往是由預(yù)混燃燒引起的，因?yàn)閿U(kuò)散燃燒僅在很小的擴(kuò)散區(qū)內(nèi)進(jìn)

行，分解燃燒也僅在小范圍的空氣與揮發(fā)物混和界面進(jìn)行，作用范圍小。在一定通風(fēng)條件下,

煤層涌出的瓦斯與礦井火災(zāi)分解的高溫?fù)]發(fā)性氣體混和，可形成較大范圍可燃性氣體，一經(jīng)

點(diǎn)燃就會(huì)需現(xiàn)預(yù)混燃燒，并可能在半封閉空間內(nèi)迅速地自我加速發(fā)展成為爆炸。在井下的環(huán)

境中，要特別注意保持合理的通風(fēng)系統(tǒng)，防止瓦斯及其它可燃?xì)怏w在井下一定空間的聚集與

混合，否則具備預(yù)混燃燒的條件，一旦遇上火源，就會(huì)發(fā)生爆炸式燃燒，將帶來特別嚴(yán)重的

災(zāi)難性后果。

2、富氧燃燒與富燃料燃燒

井下的火災(zāi)發(fā)生在受限空間中，受限空間中的火災(zāi)特性與通風(fēng)條件密切相關(guān)。根據(jù)供風(fēng)

量的大小，受限空間的火災(zāi)可以分為富氧燃燒與富燃料燃燒兩種類型。

1）富氧燃燒

富氧燃燒（Oxygen-richFire）是供氧充分的燃燒，又稱為非受限燃燒或燃料控制型燃燒。

由于氧氣充分，火源燃燒產(chǎn)生的揮發(fā)性煙氣在燃燒中已基本耗盡。燃燒產(chǎn)生的火焰以熱對(duì)流

和熱輻射的形式加熱鄰近可燃物至燃點(diǎn)，保持燃燒的持續(xù)和發(fā)展。燃料的供給量相對(duì)較少，

氧氣剩余（火災(zāi)發(fā)生時(shí)下風(fēng)側(cè)氧濃度一般保持在15%以上），所以這類燃燒的特點(diǎn)是耗氧量

少、火源范圍小、火勢強(qiáng)度小和蔓延速度較低。

2）富燃料燃燒

富燃料燃燒（Fuel-richFire）是供氧不足的燃燒，又稱受限燃燒或通風(fēng)控制型燃燒。該

燃燒一般發(fā)生在空間受限制或通道斷面較小、供氧受限的情況下。當(dāng)火源燃燒時(shí)，如火勢大、

溫度高，火源將產(chǎn)生大量熾熱揮發(fā)性煙氣，不僅供給燃燒帶消耗，還能與被高溫火源加熱的

主風(fēng)流匯合形成熾熱煙流，預(yù)熱火源下風(fēng)側(cè)較大范圍的可燃物，使其繼續(xù)生成大量揮發(fā)性煙

氣；另一方面，燃燒位置的火焰通過熱對(duì)流和熱輻射加熱緊鄰可燃物使其溫度升至燃點(diǎn)。由

于保持燃燒的可燃物和熱源這兩種因素的持續(xù)存在和發(fā)展，此類火災(zāi)使燃燒在更大范圍進(jìn)

行，并以更大速度蔓延致使主風(fēng)流中氧氣幾乎全部耗盡，剩余氧濃度可低于3%。所以，此

類火災(zāi)蔓延受限于主風(fēng)流供氧量。

在有良好通風(fēng)的環(huán)境下，絕大多數(shù)火災(zāi)在初期時(shí)氧氣的供給量都大于燃燒需求量，屬于

富氧燃燒。隨著燃燒的持續(xù)，當(dāng)燃燒產(chǎn)生的熱量聚集使溫度升高到一定數(shù)值后，甲烷、氫氣

等可燃?xì)怏w和水蒸氣就會(huì)從煤、木材和其它可燃材料中釋放出來，但是由于沒有足夠的氧氣

來支持這些可燃?xì)怏w燃燒，此時(shí)燃燒就變成富燃料燃燒。燃燒從富氧燃燒發(fā)展到富燃料燃燒

是一很重要的過程，一旦轉(zhuǎn)變?yōu)楦蝗剂先紵砻骰饎荽?、供風(fēng)不足，預(yù)示著發(fā)生災(zāi)難的危

險(xiǎn)性和嚴(yán)重性大大增加，在該環(huán)境下必須及時(shí)撤離包括救護(hù)隊(duì)員在內(nèi)的所有人員。

3、轟燃與回燃

轟燃（flashover）和回燃（backdra處是受限空間火災(zāi)中對(duì)火災(zāi)過程產(chǎn)生突然而巨大影響

的兩種特殊火行為，由于它們對(duì)人員的安全構(gòu)成特別嚴(yán)重的威脅，故受到國內(nèi)外火災(zāi)科學(xué)研

究人員的關(guān)注，成為當(dāng)前火災(zāi)科學(xué)研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。

1）轟燃

轟燃是受限空間火災(zāi)局部緩慢燃燒發(fā)展到空間內(nèi)所有可燃物突然全面快速燃燒的特殊

火行為⑷，其特點(diǎn)是在一定受限空間中所有的可燃物兒乎同時(shí)被點(diǎn)燃。

（1）轟燃的形成

受限空間火災(zāi)通常分為3個(gè)階段：發(fā)展階段、完全發(fā)展階段和熄滅階段⑸。在火災(zāi)的發(fā)

展階段與完全發(fā)展階段之間有一個(gè)溫度急劇上升的狹窄區(qū)，通常稱為轟燃區(qū)，如圖1-1-4所

示，它是火災(zāi)發(fā)展的重要轉(zhuǎn)折階段。

時(shí)間

圖1-1-4受限空間火災(zāi)發(fā)展過程示意圖

發(fā)展期火勢發(fā)展較小，火災(zāi)是局部和低強(qiáng)度的。當(dāng)熱量聚集到一定的程度，更大范圍的可燃

物被點(diǎn)燃，從而產(chǎn)生更大的熱量，最后使整個(gè)空間內(nèi)的可燃物全部被點(diǎn)燃，由于該過程發(fā)生

得很快，所有可燃物有一種突然同時(shí)被點(diǎn)燃的效應(yīng)，故稱轟燃。轟燃發(fā)生時(shí)從外觀上看形成

一片火海，是受限空間火災(zāi)由局部燃燒向全面燃燒的瞬間快速過渡過程。圖1-1-5為礦井

巷道內(nèi)坑木發(fā)生轟燃后的景象。

圖1-1-5礦井巷道內(nèi)坑木發(fā)生轟燃后的景象

轟燃的出現(xiàn)是燃燒釋放的熱量大量積累的結(jié)果，受限空間某處發(fā)生火災(zāi)后會(huì)釋放出大量

的熱量和高溫?zé)煔?，它們以輻射形式?duì)受限空間中的其它可燃物加熱，隨著燃燒的持續(xù)，熱

煙氣層的厚度和溫度都在不斷增加，使得可燃物的燃燒速率不斷增大，當(dāng)受限空間內(nèi)火源的

釋熱速率達(dá)到發(fā)生轟燃的臨界釋熱速率時(shí)，轟燃就會(huì)發(fā)生。

（2）煤礦井下的轟燃現(xiàn)象

井下可燃物荷載分布較多的地點(diǎn)就易發(fā)生轟然現(xiàn)象。如輸送機(jī)膠帶巷道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，如

果火焰的熱輻射強(qiáng)度足夠引燃其下端一定距離外的膠帶并且風(fēng)流不足以對(duì)燃燒的持續(xù)構(gòu)成

影響時(shí)，那么就容易發(fā)生膠帶火焰逐段蔓延的局部轟燃現(xiàn)象，該現(xiàn)象最初被形象的稱為“跳

火”，即火焰沿?zé)熈髁鲃?dòng)方向下端的膠帶面蔓延開來，逐段的傳播下去，這種現(xiàn)象對(duì)火災(zāi)的

傳播速度影晌較大，它能加快火災(zāi)沿膠帶表面的傳播速度，試驗(yàn)表明其數(shù)值可達(dá)lOm/min⑹。

2）回燃

回燃是指富燃料燃燒產(chǎn)生的高溫不完全燃燒產(chǎn)物（煙氣）遇新鮮空氣時(shí)發(fā)生的快速爆燃

現(xiàn)象〔久在井下一些堆積有較多的可燃物但通風(fēng)量較小的巷道與碉室內(nèi)，一旦可燃物著火，

隨著火勢的發(fā)展會(huì)出現(xiàn)空氣供應(yīng)的不足，火災(zāi)就會(huì)逐步進(jìn)入富燃料燃燒狀態(tài)（缺氧燃燒），

形成的熱煙氣中將含有大量未燃的高溫可燃組分，這些高溫可燃煙氣一旦與新鮮空氣接觸，

就會(huì)產(chǎn)生爆燃和快速的火焰?zhèn)鞑?，從而造成更大危害。國外文獻(xiàn)中曾用Flameover、Backdraft、

Flashbach來表述這種特殊的燃燒現(xiàn)象。近年來，大多數(shù)人已接受Backdraft的表述方式兇。

國內(nèi)則用過回火燃燒、再生火災(zāi)（或次生火災(zāi)）、回燃、倒抽風(fēng)燃燒、逆通風(fēng)爆炸等詞來描

述這種特殊火行為現(xiàn)象。在建筑火災(zāi)中，回燃現(xiàn)象已經(jīng)廣泛引起了國內(nèi)外眾多火災(zāi)科研人員

的重視，如Thomas、布倫（Bullen）＞昆蒂爾（Quintiere）、帕格內(nèi)（Pagin）、范維澄、霍然、

宋衛(wèi)國等均開展過相關(guān)的研究。在礦井火災(zāi)中常出現(xiàn)的再生火災(zāi)或次生火災(zāi)通常就是指的回

燃現(xiàn)象。作者曾通過承擔(dān)國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目子課題“礦井火災(zāi)特殊火行為的研究”,

對(duì)礦井網(wǎng)絡(luò)中的回燃現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明火災(zāi)時(shí)期風(fēng)流的逆轉(zhuǎn)常導(dǎo)致這種特

殊火行為的發(fā)生⑼。因?yàn)榘l(fā)生火災(zāi)的易逆轉(zhuǎn)的支路中（如下行通風(fēng)主干支路），在逆轉(zhuǎn)前風(fēng)

量經(jīng)歷了逐漸減少到無風(fēng)的過程，因火源分支供風(fēng)不足，火災(zāi)變?yōu)楦蝗剂先紵?，一旦逆轉(zhuǎn)后

富含可燃物的高溫?zé)煔庥錾闲迈r空氣就發(fā)生回燃。

（1）回燃發(fā)生的條件

回燃現(xiàn)象中的可燃物來自于前導(dǎo)燃燒中產(chǎn)生的大量未燃可燃組分。當(dāng)前導(dǎo)燃燒在通風(fēng)不

良條件下進(jìn)行時(shí)，由于氧氣的供應(yīng)不足，可用的氧氣不斷減少，燃燒效率逐漸下降，富余的

熱解產(chǎn)物在巷道中不斷積聚，形成了大量未燃可燃組分。如果通風(fēng)條件得不到改善（沒有新

鮮空氣流入），前導(dǎo)火災(zāi)會(huì)隨著時(shí)間而減弱，甚至熄滅，回燃不會(huì)發(fā)生。若前導(dǎo)火災(zāi)還未完

全熄滅時(shí)與富含氧氣的空氣突然接觸，回燃現(xiàn)象便會(huì)發(fā)生。因此，回燃發(fā)生的必要條件可以

歸納為兩點(diǎn)，一是存在前導(dǎo)燃燒，形成大量未燃的高溫可燃組分；二是這種高溫可燃組分與

新鮮空氣的突然接觸。

（2）煤礦井下的回燃現(xiàn)象

煤礦井巷發(fā)生富燃料火災(zāi)后，其下風(fēng)側(cè)煙流常為高溫預(yù)混可燃?xì)怏w，由于其含氧量少（如

低于3%）,不足以構(gòu)成燃燒。

圖1-1-6富燃料火災(zāi)中“跳蛙”現(xiàn)象示意圖（去掉圖中的“巷道連接口”字樣，再生火源變?yōu)椤盎厝迹ㄔ?/p>

生火源”'）

當(dāng)高溫?zé)熈髟诹鲃?dòng)過程中與旁側(cè)支路的新鮮風(fēng)流交匯時(shí)，便在巷道連接處發(fā)生回燃，即

形成新的火源點(diǎn)（見圖1-1-6）。新火源又會(huì)消耗了大量氧氣再次使高溫?zé)熈髦醒鯕獾暮坎?/p>

足，高溫可燃煙氣繼續(xù)向前流動(dòng)，如果在巷道附近又有新鮮空氣涌入，在連接口附近又會(huì)再

次發(fā)生回燃而形成又一個(gè)新的火源點(diǎn)，這種在礦井下遠(yuǎn)離火源點(diǎn)形成的一個(gè)或多個(gè)再生火源

的現(xiàn)象被形象的稱為火源發(fā)展的“跳蛙”現(xiàn)象。回燃的出現(xiàn)加快了火災(zāi)蔓延的速度，同時(shí)發(fā)

生回燃的地點(diǎn)易發(fā)生爆炸。

三、燃燒過程及其熱傳遞

1、燃燒的過程及溫度變化

1）燃燒過程

氣體、液體和固體三種不同狀態(tài)的物質(zhì)，其燃燒過程有所不同，絕大多數(shù)物質(zhì)的燃燒,

最終都是氣體或液體蒸氣在氣相中的燃燒，如圖1-1-7所示。

放熱

圖1-1-7物質(zhì)燃燒過程示意圖（期

由圖1-1-7可以看出，可燃?xì)怏w最容易燃燒，所獲得的熱量全部用于氧化分解，達(dá)到燃

點(diǎn)或自燃點(diǎn)就可以燃燒。氣體的燃燒經(jīng)歷如下過程：燃燒首先從局部開始，局部氣體受熱被

點(diǎn)燃后釋放出一定量的熱量，釋放的熱量又引燃周圍未燃?xì)怏w至燃點(diǎn)，使得燃燒得以持續(xù)和

發(fā)展，如此反復(fù)進(jìn)行直至因可燃?xì)怏w燃盡或氧氣不足而終止燃燒。

液體燃料的沸點(diǎn)低于其燃點(diǎn)，因此可燃液體則是在熱源作用下，首先蒸發(fā)成為蒸汽，然

后不斷地被氧化分解，并在一定的溫度和充足的氧氣環(huán)境中發(fā)生燃燒。對(duì)于極少數(shù)的重質(zhì)液

體燃料來說，液體在燃燒前有一個(gè)熱分解過程，即燃料由于受熱而裂解成輕質(zhì)碳?xì)浠衔锖?/p>

碳黑。輕質(zhì)碳?xì)浠衔镆詺鈶B(tài)形式燃燒，而碳黑則以固相燃燒形式燃燒。

可燃固體的燃燒過程比較復(fù)雜，主要有兩種類型：諸如硫、磷、石蠟之類的簡單物質(zhì)，

首先受熱熔化，然后蒸發(fā)成為蒸氣或者直接升華為氣態(tài)，氧化后，遇到合適的條件開始燃燒,

燃燒是在氣相中進(jìn)行的；而對(duì)于復(fù)雜的可燃固體化合物，受熱后直接分解、析出氣態(tài)或液態(tài)

產(chǎn)物同時(shí)留下一些不分解不揮發(fā)的固體，然后氣態(tài)或液態(tài)產(chǎn)物的蒸氣首先發(fā)生著火燃燒，釋

放出大量的熱量，在這些高溫?zé)崃康淖饔孟虏环纸獠粨]發(fā)的固體最后在表面燃燒，這種形式

的燃燒既在氣相中進(jìn)行，又在固體表面進(jìn)行，如煤在燃燒時(shí)就屬于此種情況。首先煤顆粒被

加熱干燥，而后裂解析出CO、CO?、CH4、C2H4等可燃?xì)怏w。在足夠高的溫度和供氧條件

下，這些氣體達(dá)到著火點(diǎn)后在煤顆粒周圍著火燃燒，形成光亮的火焰?？扇?xì)怏w的燃燒使得

氧氣不能進(jìn)入煤表面阻礙了煤顆粒本身的燃燒，然而另一方面可燃?xì)怏w在煤周圍的燃燒對(duì)煤

本身有強(qiáng)烈的加熱作用，所以在可燃?xì)怏w燃盡后，不分解不揮發(fā)的固體顆粒最后迅速地在其

表面燃燒起來。

三種形態(tài)物質(zhì)的燃燒過程有所不同，但是無論那一種燃燒都遵循如下規(guī)律，即：首先被

點(diǎn)燃的局部可燃物燃燒，燃燒過程釋放出大量熱量，放出的熱量加熱周圍未燃可燃物質(zhì)，使

其達(dá)到燃點(diǎn)或著火點(diǎn)而燃燒，這樣燃燒便在空間內(nèi)蔓延開來，激烈的氧化反應(yīng)便繼續(xù)進(jìn)行下

去，若沒有外界因素的干擾，燃燒過程將在三要素得到滿足的條件下持續(xù)進(jìn)行，直至三要素

之一缺失而終止燃燒。

2）溫度變化

可燃物質(zhì)的燃燒過程包括許多吸熱和放熱的化學(xué)過程以及傳熱的物理過程。下面介紹可

燃物質(zhì)氧化燃燒過程中的溫度變化情況（見圖1-1-8）。

A點(diǎn)的溫度TA，是環(huán)境的初始溫度。此階段可燃物內(nèi)部變化微弱，外界提供的熱量使

其溫度略有升高，為氧化反應(yīng)做好準(zhǔn)備。

B點(diǎn)的溫度TB，當(dāng)可燃物溫度達(dá)到TB時(shí)，開始氧化并放熱.但由于溫度尚低，故氧化

速度較慢，氧化所產(chǎn)生的熱量還小于體系向周圍環(huán)境的散熱。

C點(diǎn)的溫度Tc，是可燃物的自熱臨界溫度。當(dāng)可燃物溫度上升到Tc時(shí)，表明可燃物氧

化產(chǎn)生的熱量和體系向環(huán)境散失的熱量相等，也就是說，在Tc溫度時(shí)體系產(chǎn)生的熱量和向

環(huán)境散失的熱量達(dá)到平衡。因此，只要溫度達(dá)到Tc，可燃物的產(chǎn)熱就會(huì)自動(dòng)加速并很快達(dá)

到著火點(diǎn)。

在煤的自燃過程中，Tc為煤臨界自熱溫度(Self-heatingtemperature,SHT),是使煤能夠

自發(fā)燃燒的最低溫度。其數(shù)值因煤的自燃傾向性、浮煤的厚度和堆積方式的不同而不同，一

般在60C到80C之間，通常取其典型值為70℃,這是反映煤低溫氧化過程特性的?個(gè)很

重要參數(shù)。

D點(diǎn)溫度TD，為著火溫度。當(dāng)可燃物溫度上升到TD時(shí)，可燃物就燃燒起來，同忖出現(xiàn)

火焰，并且溫度持續(xù)上升，TD為著火點(diǎn)又稱燃點(diǎn)。

對(duì)?于煤自燃來說，煤溫上升到TD時(shí)表明煤自燃過程已經(jīng)經(jīng)歷了準(zhǔn)備期和自熱期而燃燒

起來。TD的大小同樣因煤種的不同而不同，一般有如下規(guī)律：無煙煤為400℃,煙煤為320?

380℃,褐煤為270?350℃。

E點(diǎn)的溫度TE，此時(shí)是可燃物經(jīng)過燃燒后，其產(chǎn)物達(dá)到最高溫度。

綜上所述，可燃物從TA升到TB的過程中，溫度較低且變化緩慢，氧化現(xiàn)象不明顯，不

易為人們所察覺，一般稱為準(zhǔn)備期或潛伏期；溫度達(dá)到TB后，氧化產(chǎn)熱現(xiàn)象開始出現(xiàn)，當(dāng)

溫度超過Tc后，氧化產(chǎn)熱明顯，溫度急劇升高，產(chǎn)生大量煙氣，容易被察覺，從TB到八

再到TD的過程通常稱為自熱期；當(dāng)溫度達(dá)到TD時(shí)進(jìn)入燃燒期。

2、燃燒過程中的熱傳遞

燃燒現(xiàn)象的發(fā)生一般都伴隨著能量的釋放和傳遞，熱量的傳遞均衡了燃燒物體內(nèi)部之

間、內(nèi)部與外界之間的熱量，加速了能量的轉(zhuǎn)化。熱量的傳遞有三種基本的方式，即熱傳導(dǎo)、

對(duì)流換熱和熱輻射。

1)熱傳導(dǎo)

由傳熱學(xué)可知，如果在物體內(nèi)部存在溫度梯度，則能量從高溫區(qū)向低溫區(qū)轉(zhuǎn)移。這種能

量傳遞的方式稱為熱傳導(dǎo)，也叫導(dǎo)熱。從微觀角度講，之所以發(fā)生導(dǎo)熱現(xiàn)象是由于微觀粒子

的碰撞、轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)等熱運(yùn)動(dòng)而引起能量從高溫部分傳向低溫部分。導(dǎo)熱是主要與固體相關(guān)

的傳熱現(xiàn)象，雖然也在液體內(nèi)部發(fā)生，但常為對(duì)流所掩蓋。在礦井中，最常見的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象

就是熱量在巷道圍巖內(nèi)的擴(kuò)散。

熱傳導(dǎo)服從傅立葉定律，即：在不均勻的溫度場當(dāng)中。由于導(dǎo)熱所形成的某地點(diǎn)的熱流

密度正比于該時(shí)刻同一地點(diǎn)的溫度梯度。在一維溫度場中其數(shù)學(xué)表達(dá)式是：

,dT,、

=-k—(1-1-1)

dx

2

式中：qx——熱通量，單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)單位面積傳遞的熱量，W/m；

dT/dx——沿X方向的溫度梯度，-C/m；

k---熱導(dǎo)率，W/(m.℃)o

上式中負(fù)號(hào)表示熱通量的方向與溫度梯度方向相反。熱導(dǎo)率左表示物質(zhì)的導(dǎo)熱能力，數(shù)

值上等于單位溫度梯度下的熱通量。不同的導(dǎo)熱物質(zhì)其熱導(dǎo)率不同，同種導(dǎo)熱物質(zhì)的熱導(dǎo)率

也會(huì)因?yàn)椴牧系慕Y(jié)構(gòu)、密度、濕度、溫度等因素的變化而不同。下表給出了礦井兒種常見煤

巖和物質(zhì)的熱導(dǎo)率。

表1-1-1礦井下幾種常見煤巖和物質(zhì)的熱導(dǎo)率必

材料k(W/m.℃)材料k(W/m.℃)

煤0.25-0.28空氣0.062

砂巖2.11-2.72普通磚0.690

泥質(zhì)頁巖0.84-0.93混凝土0.8-1.4

2)對(duì)流換熱

對(duì)流換熱是指流體在流動(dòng)過程中與周圍固體或流體之間發(fā)生相對(duì)位移，引起的熱量交

換。在礦井條件下對(duì)流換熱主要就是通風(fēng)風(fēng)流與巷道壁面之間的熱交換。

表述對(duì)流換熱的基本公式為：

q、=hkT(1-1-2)

式中：么——單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)單位壁面積上的對(duì)流換熱量，W/m2；

△7——流體和壁面間的溫差，℃；

h——對(duì)流換熱系數(shù)，表示流體壁面溫差為1匕時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)單位壁

面面積和流體之間的換熱量，W/(m2.1C)o

3)熱輻射

熱輻射是一種不依賴物質(zhì)的接觸而山熱源自身的溫度作用向外發(fā)射能量的熱傳遞方式。

它和熱的傳導(dǎo)、對(duì)流不同。它不依靠媒質(zhì)而把熱直接從一個(gè)系統(tǒng)傳給另一系統(tǒng)。熱輻射是以

電磁波輻射的形式發(fā)射出能量，溫度的高低，決定于輻射的強(qiáng)弱。輻射能定義為單位時(shí)間內(nèi)，

物體的單位表面積向周圍半球發(fā)射的所有波長范圍內(nèi)的總輻射能，用E表示，單位是W/nA

它表示了輻射能力的大小。輻射力與溫度有關(guān)，同一溫度下不同物體的輻射力不同。在礦井

火災(zāi)中，熱輻射是火災(zāi)對(duì)井下周圍環(huán)境傳遞熱量的主要方式。

四、燃燒與爆炸

爆炸與燃燒沒有本質(zhì)的區(qū)別，而是燃燒劇烈程度的表現(xiàn)形式。如果燃燒的速度極快（達(dá)

到每秒數(shù)卜米到數(shù)百米），則因高溫條件下產(chǎn)生的氣體和周圍氣體共同膨脹作用，使得能量

直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，在壓力釋放的同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)光、熱和聲響，這就是所謂的爆炸口叫

1,爆炸類型

按照爆炸前后物質(zhì)成分變化不同，爆炸可以分為物理爆炸、化學(xué)爆炸和核爆炸。

體系中物質(zhì)因狀態(tài)或壓力發(fā)生突變而引起的物理能量的快速釋放，并轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功、光、

熱等能量形式的爆炸現(xiàn)象稱為物理爆炸。在煤礦井下用水滅火時(shí)發(fā)生的水煤氣爆炸或地面自

燃的砰石山遇雨水而發(fā)生的砰石山爆炸主要是由于水的相變，即液體的水在100℃時(shí)會(huì)膨脹

1700倍成為高溫高壓的水蒸汽而造成的熱物理爆炸（⑶。

體系中物質(zhì)以極快的速度發(fā)生放熱反應(yīng)并產(chǎn)生高溫、高壓氣體而引起爆炸稱為化學(xué)爆

炸?；瘜W(xué)爆炸的特點(diǎn)是爆炸前后，體系中物質(zhì)的性質(zhì)和組分都發(fā)生了根本變化。煤礦井下發(fā)

生的爆炸大多數(shù)都是化學(xué)爆炸，如瓦斯爆炸、煤塵爆炸等。本書中涉及的爆炸，若無特別說

明，均指的是化學(xué)爆炸。

核爆炸是原子裂變，因不屬本書研究內(nèi)容故不再涉及。

2、爆炸極限

可燃物與空氣必須在一定的濃度范圍內(nèi)均勻混合,形成預(yù)混氣體，遇火源才能發(fā)生爆炸。

這個(gè)濃度范圍就是爆炸極限。可燃?xì)怏w和蒸汽的爆炸極限的單位，是以其在混合物中所占體

積百分比（％）來表示的。例如在礦井下甲烷的爆炸極限為5%?16%,在這個(gè)范圍內(nèi)爆炸

有可能發(fā)生，超出了這個(gè)范圍，爆炸不會(huì)發(fā)生，（這個(gè)范圍不是一成不變的，會(huì)隨著環(huán)境溫

度、壓力等因素的影響而變化）。

用公式表示爆炸極限就是：

￡=21x100%（1-1-3）

匕

式中：Lx——體積百分濃度，%；

3

Vh——混合氣體體積，m；

匕---可燃?xì)怏w或蒸汽的體枳，nr'。

可燃粉塵的爆炸極限可用單位體積混合氣體中所含的可燃物的重量，也稱作體積重量濃

度（g/n?）來表示。用公式表示就是：

（1-1-4）

3

式中：Ly——體積質(zhì)量濃度，g/m；

Wj——可燃物質(zhì)量，go

1)爆炸上、下限

在爆炸極限中將濃度的最高和最低數(shù)值分別稱為爆炸上限和爆炸下限。例如甲烷的下限

為5%,上限為16%；煤塵爆炸的下限為30?50g/n?,上限為1000?2000g/n?2】。

煤礦井下可燃性氣體種類較多，下表為礦井下常見可燃?xì)怏w的爆炸極限。

表1-1-2礦井下常見可燃?xì)怏w的爆炸極限時(shí)

氣體名稱化學(xué)符號(hào)爆炸下限例)爆炸上限/%

甲烷CH45.0016.00

乙烷c2H63.2212.45

丙烷c3H82.409.50

氨氣

H24.0074.20

一氧化碳CO12.5075.00

硫化氫H2S4.3245.00

乙烯C2H42.7528.60

戊烷c5H121.407.80

可燃性混和物的爆炸極限范圍越寬，其爆炸的危險(xiǎn)性越大，這是因?yàn)楸O限越寬那么

出現(xiàn)爆炸條件的機(jī)會(huì)就越多。爆炸下限越低，少量可燃物就會(huì)形成爆炸條件；爆炸上限越高,

那么有少量空氣進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，就能與系統(tǒng)內(nèi)的可燃物混合形成爆炸條件。實(shí)際上，在煤礦

井下易爆炸氣體的管理工作中，更為關(guān)注的是可燃?xì)怏w的爆炸下限。為防止爆炸事故的發(fā)生,

必須采取各種措施防止可燃?xì)怏w達(dá)到爆炸下限，為此，《煤礦安全規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)程》)

制定了更為嚴(yán)格的規(guī)定，如：采區(qū)回風(fēng)巷、采掘工作面回風(fēng)巷中的瓦斯?jié)舛炔坏贸^1%,

礦井總回風(fēng)巷或一翼回風(fēng)巷中的瓦斯?jié)舛炔坏贸^0.75%。

2)多種可燃?xì)饨M成的混合物爆炸極限的計(jì)算

混合氣體中有兩種以上可燃?xì)怏w同時(shí)存在時(shí)，其爆炸界限決定于各可燃?xì)怏w的爆炸界限

和它們的濃度。多種可燃?xì)怏w同時(shí)存在的混合氣體的爆炸界限，可按下式求出：

N=100/(C1/N1+C2/N2+…+CnNn)(1-1-6)

式中：N——多種可燃?xì)怏w同時(shí)存在時(shí)的混合氣體爆炸上限或下限，%；

G、C2、C3-Cn——分別為各可燃?xì)怏w占可燃?xì)怏w總的體積百分比，％；

C,]-C2I-C3I-…十Cn=100%

Ni、N2、N3-Nn——分別為各可燃?xì)怏w的爆炸上限或下限，％。

例題1-1T已知某可燃混合氣的組成為:以一例.3%；CO-18.6%；CH4-3.5%；C2H6

一6.2%；C2H廠24.8%；H2S—28.6%,求該混和可燃?xì)獾谋O限。

解：查表1-2-14可知，H2>CO、CH4、C2H6、C2H4、H2s氣體爆炸下限分別為4%、

12.5%、5%、3.22%、2.75%、4.32%；爆炸上限分別為74.2%、75%、16%、12.45%>28.6%、

45%。

由式1-1-6可知，混和氣體的爆炸下限為：

=100/(C1/N,+C2/N2+...+CnNn)

=100/(18.3/4+18.6/12.5+3.5/5+6.2/3.22+24.8/2.75+28.6/4.32)

=4.18%

同樣，混和氣體的爆炸上限為：

N=lOO^C./N.+Cj/N^...+^NJ

=100/(18.3/74.2+18.6/75+3.5/16+6.2/12.45+24.8/28.6+28.6/45)

=35.94%

如果可燃混和氣中含有惰性氣體，如N2、CO2等，計(jì)算時(shí)需要把任一種惰性氣體與一

種可燃?xì)饩帪橐唤M，將它們視為一種可燃?xì)?，分組后的可燃?xì)怏w的爆炸極限可按圖1-1-9中

的數(shù)值取值，其體積百分含量是該組中惰性氣體和可燃?xì)怏w體積百分含量之和。然后將所有

的數(shù)據(jù)帶入式1-1-6中便可計(jì)算出含有惰性氣體的混合氣體爆炸極限。

例題1-1-2已知煤氣的組成為:Hj-12.4%；CO-27.3%；CH4—0.7%；N2-53.4%；

CO2-6.2%。求煤氣的爆炸極限。

解：為了方便計(jì)算可以把可燃?xì)怏w和惰性氣體編為三組：氏和CO2為第一組；CO和

用為第二組；CH,單獨(dú)為第三組。根據(jù)可燃?xì)庵泻卸栊詺怏w時(shí)爆炸極限的求法易知，第

一組和第二組混合氣體在整個(gè)混合氣體中的體積百分?jǐn)?shù)分別為：12.4%+6.2%=18.6%和

27.3%+53.4%=80.7%。

各組中惰性氣體與可燃?xì)獾慕M合比為：

CO2/H2=6.2/12.4=0.5N2/CO=53.4/27.3=1.96

查圖1-1-9可知，第一組混合氣(H2+CO2)的爆炸極限為6.0%?70%；

第二組混合氣(CO+N2)的爆炸極限為40%?73%；

5

6

7

8卷

9w

10

l1w

u2g

l3

4一

廿

l5

16

17

18

19

2Q

7

圖1-1-9氫氣、一氧化碳、甲烷與氮、二氧化碳混合氣體在空氣中的爆炸極限1網(wǎng)

而CH4的爆炸極限為5%?16%,將以上數(shù)據(jù)帶入式1-1-4W：

7Vh=100/(18.6/6.0+80.7/40+0.7/5.0)=19.00%

Nv=100/(18.6/70+80.7/73+0.7/16)=70.68%

3）爆炸極限的影響因素

（1）初始溫度

混合氣體的初始溫度升高，會(huì)使參加反應(yīng)物質(zhì)分子的反應(yīng)活性增大，反應(yīng)速率加快，導(dǎo)

致反應(yīng)放熱速率增加，散熱減少，從而使得混合氣體的爆炸下限降低，上限增高，爆炸范圍

擴(kuò)大。

表1-1-3溫度對(duì)甲烷爆炸的極限的影響?閉

環(huán)境溫度爆炸下限（％）爆炸上限（%）

206.0013.40

1005.4513.50

2005.0513.80

3004.4014.25

4004.0014.70

5003.6515.35

6003.3516.40

7003.2518.75

由上表可以看?出。隨著溫度的升高，爆炸范圍擴(kuò)大（下B艮降低，呼艮增高），爆炸危險(xiǎn)

性增大。

（2）初始?jí)毫τ绊?/p>

隨著預(yù)混可燃?xì)怏w初始?jí)毫Φ脑黾?，爆炸濃度極限范圍擴(kuò)大，表1-1-4所示為甲烷與空

氣的混合物隨容器內(nèi)壓力的提高對(duì)爆炸濃度極限的影響，從該表可以看出，隨著混合氣體初

始?jí)毫Φ脑黾樱O限的上限明顯提高，而爆炸下限變化不大。

表1-1-4容器壓力對(duì)甲烷與空氣的混合物爆炸極限的影響〔岡

初始?jí)毫Γ∕Pa）爆炸下限（％）爆炸上限（％）

0.15.614.3

15.917.2

55.429.4

12.55.745.7

（3）惰性氣體影響

在預(yù)混可燃?xì)怏w中加入情性氣體后，使爆炸范圍變窄，一般上限降低明顯，下限變化比

較復(fù)雜。惰性氣體對(duì)甲烷爆炸極限的影響如圖1-1-10所示。當(dāng)加入的惰性氣體超過一定量

以后，任何比例的預(yù)混可燃?xì)怏w都不能發(fā)生爆炸或燃燒。惰性氣體對(duì)預(yù)混可燃?xì)怏w爆炸上限

影響顯著的原因是隨著惰性氣體濃度的加大，空氣中氧的濃度相對(duì)減少（如圖1-1-10中頂部

坐標(biāo)），在預(yù)混氣體濃度達(dá)到爆炸上限時(shí)，氧的濃度本來已經(jīng)很低，故惰性氣體濃度稍增加

一些即產(chǎn)生顯著影響，從而使爆炸上限明顯下降。

氧含量（％）

圖1-1-10各種惰性氣體濃度對(duì)甲烷爆炸極限的影響內(nèi)

（4）點(diǎn)火能影響

對(duì)預(yù)混可燃?xì)怏w爆炸極限而言，所使用點(diǎn)火能的強(qiáng)度越高，作用時(shí)間越長，其爆炸極限

范圍越寬，爆炸危險(xiǎn)性越大。各種預(yù)混可燃?xì)怏w，在化學(xué)當(dāng)量濃度條件下都有一個(gè)最低引燃

（或引爆）所需的能量，即最小點(diǎn)火能，這是預(yù)混氣體爆炸危險(xiǎn)性的一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)。圖

1-1-11是甲烷與空氣預(yù)混氣體的爆炸極限與點(diǎn)火能大小的關(guān)系，其最低點(diǎn)燃能量為0.28mJ。

該預(yù)混氣體的最低點(diǎn)燃溫度，絕熱壓縮時(shí)565℃,其他情況時(shí)650℃。煤礦井下的明火、煤

炭自燃、電?。ㄆ骄?000℃）、電火花、赤熱的金屬表面以及撞擊和摩擦火花，都能點(diǎn)燃瓦斯。

此外，采空區(qū)內(nèi)砂巖懸頂冒落時(shí)產(chǎn)生的碰撞火花，也能引起瓦斯的燃燒或爆炸。原蘇聯(lián)的研

究認(rèn)為，巖石脆性破裂時(shí)，它的裂隙內(nèi)可以產(chǎn)生高壓電場（達(dá)108V/cm）,電場內(nèi)電荷流動(dòng)，

也能導(dǎo)致瓦斯燃燒。

圖1-1-11點(diǎn)火源能量對(duì)甲烷爆炸極限的影響「閭

第二節(jié)礦井可燃物及燃燒特性

一、礦井可燃物及其特性

1、固體可燃物

煤礦井下常見固體可燃物有：煤、坑木、膠帶等，下面對(duì)這些常見可燃固體的燃燒特性

分別予以介紹。

（1）煤

煤是一種以碳質(zhì)為主的多相異性層狀有機(jī)復(fù)合體，其含碳量在約70%（變質(zhì)程度低的

褐煤）到96%（變質(zhì)程度高的無煙煤）間，次煙煤和煙煤的含碳量位于兩者之間。除了有機(jī)

質(zhì)外，煤中還混有大量的礦物質(zhì)如黃鐵礦類、亞鐵鹽類以及其它的無機(jī)雜質(zhì)。它是由在嚴(yán)格

的地?zé)岷蛪毫Φ耐獠織l件下由植物轉(zhuǎn)化而形成的均質(zhì)巖相組分（煤顯微成分）組成的，這是

一個(gè)生物化學(xué)過程。

①發(fā)熱量

煤的發(fā)熱量也稱煤的熱值，是指單位質(zhì)量的煤完全燃燒后所放出的熱量。通常用kJ/g

或者用MJ/kg表示。它是煤最重要的質(zhì)量指標(biāo)，也是煤質(zhì)分析及煤炭分類的重要指標(biāo)。常見

煤種的燃燒熱列于下表。

表1-2-1常見煤種的燃燒熱值如

煤種燃燒熱值（kJ/g）煤種燃燒熱值（kJ/g）

年輕褐煤24?28年老褐煤28?30.6

貧煤34.8?36.4瘦煤35?36.6

肥煤34.3?36.8焦煤35.2?37.1

長焰煤30?33.5氣煤32.2?35.6

年輕無煙煤34.8?36.2年老無煙煤32.2?34.3

典型無煙煤34.3?35.2泥炭20?24

②燃點(diǎn)

燃點(diǎn)是可燃固體被加熱到定溫度，遇明火發(fā)生持續(xù)燃燒時(shí)的最低溫度，是表示可燃物

著火燃燒難易程度的重要指標(biāo)。我國通常采用的測試煤燃點(diǎn)的方法是將粒度小于0.2mm的

空氣干燥煤樣，干燥后與氧化劑（一般為亞硝酸鈉）混合，放入燃點(diǎn)測定儀中加熱，煤樣爆

燃產(chǎn)生的壓力使燃點(diǎn)測定裝置中的木柱在下降的瞬間出現(xiàn)明顯的溫度升高或體積變化，這樣

爆燃時(shí)的加熱溫度即為煤的燃點(diǎn)皿。

表1-2-2給出了各種不同變質(zhì)程度煤的燃點(diǎn)范圍，據(jù)此可區(qū)分不同煤種的燃燒危險(xiǎn)性：

褐煤的燃點(diǎn)最低，危險(xiǎn)性最高；煙煤居中；無煙煤的燃點(diǎn)最高，危險(xiǎn)性最低。此外，由燃點(diǎn)

和變質(zhì)程度的關(guān)系可以得出如下規(guī)律，即：變質(zhì)稱度越高的煤，燃點(diǎn)越高，燃燒的危險(xiǎn)性越

小。反之，亦然。

表1-2-2常見煤種的燃點(diǎn),間

煤種燃點(diǎn)/℃煤種燃點(diǎn)/℃

褐煤260?290肥煤340?350

長焰煤290?330焦煤370?380

氣煤330?340無煙煤400?500

③熱分解

煤燃燒后產(chǎn)物主要以氣態(tài)形式存在，如CO、CO?等，也包括液態(tài)的水和固態(tài)的焦炭等

物質(zhì)。煤受熱后，首先干燥而后可燃性氣體開始析出。在一定的溫度和供氧條件下，可燃性

氣體在煤顆粒周圍著火燃燒，形成光亮的火焰。燃燒特點(diǎn)是：速度快、溫度高、火焰長、時(shí)

間短、發(fā)展猛烈。當(dāng)所析出的可燃?xì)怏w燃盡后，煤顆粒才開始燃燒起來。

在煤的低溫氧化階段，也會(huì)在不同的溫度出現(xiàn)種類不同、濃度隨溫度的變化而變化的氣

體，如CO、CO?、CH4、C2H4、C2H6等。這些氣體的出現(xiàn)呈現(xiàn)出很強(qiáng)的規(guī)律性，利用

這些規(guī)律可以預(yù)測預(yù)報(bào)煤的自燃發(fā)火。

固體熱分解溫度指可燃固體受熱發(fā)生分解的初始溫度。其與可燃固體燃燒危險(xiǎn)性的關(guān)系

為，可燃固體的熱分解溫度越低，燃點(diǎn)也越低，燃燒的危險(xiǎn)性越大。反之，亦然。下表列出

了部分地區(qū)不同煤種的熱分解溫度。

表1-2-3礦井下不同地區(qū)不同煤種和坑木的熱分解溫度口,

樣品名稱熱分解溫度/0樣品名稱熱分解溫度/C

扎來諾爾褐煤335王風(fēng)肥煤369

阿坦合長焰煤359介休焦煤404

依蘭長焰煤363西曲焦煤427

陶莊氣肥煤366臺(tái)頭焦瘦煤442

(2)坑木

隨著礦井巷道的支護(hù)與開采新技術(shù)的推廣，礦井生產(chǎn)中坑木的應(yīng)用在逐漸減少，但是作

為傳統(tǒng)的支護(hù)材料，坑木質(zhì)量較輕、容易加工、容易架設(shè)、具有可縮性、經(jīng)濟(jì)方便，仍然在

巷道、豎井、綜采工作面、特殊巷道等許多井下空間被使用。

①組成

主要成分是碳(50%)、氫(6.4%)和氧(42.6%),還有少量的氮(0.01%?0.2%),

以及其他元素(0.8%?0.9%),但不含其它燃料中常含有的硫元素。

坑木中還含有水分，水分多少隨坑木干燥程度而不同。一般而言，坑木中的含水量冬天

略低于10%,夏天為12%左右。含水量越多，坑木越不易燃燒，導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性都較高。

不同坑木的燃燒熱不同，但大致都在2x1(/kJ/kg左右。

②熱分解

由于井下高溫環(huán)境或火源的加熱，導(dǎo)致坑木發(fā)生分解。在不同的溫度下分解的氣體成分

和含量不同：130℃時(shí)，首先是水的蒸發(fā)，接著開始微弱的分解；到150℃時(shí)開始顯著的分

解；200℃時(shí)纖維素開始分解；270℃?380℃開始劇烈的分解?？幽痉纸鈺r(shí)在不同溫度下，

分解產(chǎn)物的體積及各種氣體成分的百分比見下表：

表1-2-4坑木分解時(shí)產(chǎn)物體積及各種氣體成分的百分比

分解溫度"C

氣體組成(％)

200300400500600700

每100kg產(chǎn)生氣體的總量(n?)0.45.69.512.814316.0

co275.0056.749.3643.2040.9838.55

co25.0040.1734.0029.0127.2025.91

—

CH43.7614.3121.7223.4224.94

C2H2——0.863.685.748.50

——

H21.472.342.662.81

③燃燒特點(diǎn)

坑木的燃燒大體分為有焰燃燒和無焰燃燒兩個(gè)階段。有焰燃燒是坑木受熱分解出的可

燃?xì)怏w的燃燒，同煤析出的可燃?xì)怏w燃燒一樣，它的特點(diǎn)是燃燒速度快；燃燒量大，占整個(gè)

坑木燃燒重量的70%；火焰溫度高，燃燒時(shí)間短，發(fā)展猛烈?？扇?xì)庀拇M時(shí)、坑木中

的碳才開始出現(xiàn)無焰燃燒，即表面燃燒(見本章第一節(jié))。

(3)膠帶

帶式輸送機(jī)是煤礦井下運(yùn)煤主要的運(yùn)輸工具0我國礦井生產(chǎn)逐步向高產(chǎn)高效集約化發(fā)

展，目前國有重點(diǎn)煤礦在用的輸送膠帶長度總和超過1100萬米［2幻，因此膠帶火災(zāi)的防治越

來越受到關(guān)注。

①組成

目前的礦井運(yùn)輸膠帶一般采用三種材料，丁二烯橡膠（SBR,簡稱丁苯橡膠）、氯丁（二烯）

橡膠（NP）和聚氯乙烯（PVC）,這些材料的混合型材料也同樣在礦井中使用。為了提高帶

體的阻燃性，通常采用的技術(shù)手段是添加含睇、磷、鹵等元素的有機(jī)與無機(jī)阻燃劑。

②分類

我國煤礦現(xiàn)在使用的阻燃輸送帶的結(jié)構(gòu)主要分為織物纖維芯與鋼絲繩芯兩大類。其中織

物纖維芯又分為整體編織芯體和分層疊合芯體兩種。而絕大多數(shù)煤礦井下使用的是鋼絲繩芯

阻燃輸送帶。

鋼絲繩芯阻燃輸送帶使用天然橡膠（NR）、順丁橡膠（BR）、丁苯橡膠（SBR）為材料，其

特點(diǎn)是抗張強(qiáng)度高、伸長率小、張緊行程短、成槽性和動(dòng)態(tài)性能好，主要應(yīng)用于煤礦井下主

巷道的長距離、高負(fù)荷、高速度輸送機(jī)上。鋼絲繩芯阻燃輸送帶的構(gòu)造及在井下的使用情況

如圖1-2-1和圖1-2-2所示。

圖1-2-1鋼絲繩芯阻燃輸送帶內(nèi)部剖面圖圖1-2-2鋼絲繩芯阻燃輸送帶在礦井下的使用

③燃燒特性

中國礦業(yè)大學(xué)曾利用錐形量熱儀對(duì)煤礦井下常用的聚氯乙烯（PVC）阻燃輸送帶、非阻

燃橡膠輸送帶（CR）以及坑木等材料在熱釋放性能、CO生成速率等燃燒特性進(jìn)行了試驗(yàn)網(wǎng),

試驗(yàn)結(jié)果表明：非阻燃的CR輸送帶的熱釋放速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于PVC阻燃輸送帶和坑木，其最大

熱釋放速率和平均熱釋放速率分別比后兩者大55%和40%左右；阻燃PVC輸送帶的CO生成率

遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于坑木和非阻燃CR輸送帶，隨著輻射能量的增加，PVC輸送帶中CO生成率變化微小,

其平均數(shù)值0.1203kg/kg,比坑木和CR輸送帶大出90%和80%,這說明PVC輸送帶雖阻燃效

果明顯、產(chǎn)生熱量相對(duì)較少，但其著火后產(chǎn)生有毒有害氣體的數(shù)量多，危害性大，故仍需進(jìn)

一步改進(jìn)阻燃膠帶的防火性能。

2、氣體可燃物

煤礦井下常見氣體可燃物有甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、一氧化碳（CO）、

氫氣（匕）、硫化氫（MS）等。在礦井下，危害最大的可燃?xì)怏w就是瓦斯，它的爆炸往往造

成大量的人員傷亡、設(shè)備和通風(fēng)設(shè)施的破壞、巷道班塌，給礦井帶來了災(zāi)難性后果。這里重

點(diǎn)介紹瓦斯的燃燒特性。

1）燃燒速度

氣體燃燒不需要像固體、液體那樣經(jīng)過熔化、分解、蒸發(fā)等過程，所以燃燒速度較固體

和液體快。影響氣體燃燒的速度主要包括：氣體的組成和結(jié)構(gòu)、燃燒方式、可燃物的濃度等。

（1）組成和結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒速度的影響

氣體的燃燒速度和氣體分子的組成、結(jié)構(gòu)等有關(guān)，一般來講組成和結(jié)構(gòu)比較簡單的氣體

燃燒速度快，而組成和結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的氣體燃燒速度慢。含有不飽和鍵的乙烯、乙快的燃燒

速度也相對(duì)較快。氫氣的組成和結(jié)構(gòu)最簡單，放熱量也最多，所以它的燃燒速度最快。常見

可燃?xì)怏w與空氣按化學(xué)當(dāng)量比配制的混合氣體在直徑為25.4mm的管道中，測試的燃燒速度

列于下表。

表1-2-5礦井下常見可燃?xì)怏w的燃燒速度⑶

氣體名稱濃度％（體積）燃燒速度＜cm/s）

氫（氏）38.5483

一氧化碳（CO）45.0