馬銀鳳

摘要：隨著社會的發(fā)展，人們的安全意識得到了不斷的加強。近年來，煤炭、礦山等企業(yè)由于煤氣泄漏、瓦斯爆炸等造成的傷亡事故時有發(fā)生，嚴(yán)重影響和制約了煤炭企業(yè)的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：瓦斯爆炸 引爆參數(shù) 點火能量

1 概述

搞好瓦斯管理和杜絕瓦斯爆炸事故始終是煤礦安全工作的一項重大任務(wù)。為了使礦井工人對瓦斯爆炸有更深層的了解，進(jìn)而在一定程度上有效預(yù)防瓦斯爆炸，從而提高他們的安全意識、增強他們對瓦斯爆炸的直觀認(rèn)識與了解，本文結(jié)合礦井瓦斯爆炸規(guī)律，對瓦斯爆炸參數(shù)進(jìn)行了初步研究和分析。

2 瓦斯爆炸產(chǎn)生的危害

2.1 瓦斯的性質(zhì)

瓦斯通常指甲烷，是一種無色、無味的氣體。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（氣溫為0℃、大氣壓為101361.53Pa）下，1m3甲烷的質(zhì)量為0.7168kg，而1m3空氣的質(zhì)量為1.293kg，甲烷比空氣輕，其相對密度為0.554。甲烷的擴散性很強，擴散速度是空氣的1.34倍。

甲烷無毒，但空氣中甲烷濃度的增高會導(dǎo)致氧氣濃度的降低。當(dāng)空氣中甲烷濃度為43%時，氧氣濃度降至12%，人會感到呼吸困難；當(dāng)空氣中甲烷濃度為57%時，氧氣濃度降至9%，人會處于昏迷狀態(tài)。甲烷在空氣中達(dá)到一定濃度后，遇到高溫?zé)嵩茨苋紵捅ā?/p>

2.2 產(chǎn)生的危害

在煤礦資源開采過程中，發(fā)生瓦斯爆炸造成的后果極其嚴(yán)重。瓦斯爆炸時產(chǎn)生的高溫高壓，通過氣浪以極大的速度向外沖擊，給人民的生命財產(chǎn)安全造成巨大的損失，并且對巷道和設(shè)備器材造成重大的損壞。在瓦斯爆炸的過程中，掀起的大量煤塵并參與瓦斯爆炸，進(jìn)而在一定程度上增加了破壞的力度，其危害可想而知。

2.2.1 爆炸溫度

根據(jù)權(quán)威機構(gòu)研究表明，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^9.5%，遇到明火時發(fā)生爆炸，爆炸產(chǎn)生的瞬時溫度，在自由空間內(nèi)高達(dá)1850℃，在封閉的空間甚至達(dá)到2650℃。由于井下巷道屬于半封閉的空間，所以巷道內(nèi)發(fā)生瓦斯爆炸，其爆炸溫度超過1850℃，在這種高溫的環(huán)境下，瓦斯爆炸產(chǎn)生的高溫會對人員和設(shè)備造成重大傷害和損失，甚至引發(fā)井下火災(zāi)，擴大火情等災(zāi)害。

2.2.2 爆炸壓力

礦井內(nèi)發(fā)生瓦斯爆炸產(chǎn)生的高溫，使得巷道內(nèi)的氣體在短時間內(nèi)急劇膨脹，并且在連續(xù)爆炸以及爆炸產(chǎn)生的沖擊波相互疊加的作用下，巷道內(nèi)的壓力驟然增大，爆炸產(chǎn)生的沖擊壓力會不斷增加。根據(jù)權(quán)威機構(gòu)測定，瓦斯爆炸產(chǎn)生的壓力約是爆炸前的10倍，在高溫高壓的作用下，爆炸源處的氣體以極高的速度向前沖擊。

2.2.3 有毒有害氣體

瓦斯爆炸后，將產(chǎn)生大量有毒有害氣體。根據(jù)研究分析，瓦斯爆炸后巷道內(nèi)氣體的主要成份為：氧氣（O2）6%～10%、氮氣（N2）82%～88%、二氧化碳（CO2）4%～8%、一氧化碳（CO）2%～4%。爆炸后生成大量的一氧化碳是造成人員傷亡的重要原因。如果瓦斯爆炸時掀起煤塵，并且煤塵參與爆炸，那么產(chǎn)生的一氧化碳會更多、其濃度會更大，造成的危害更嚴(yán)重。根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，在瓦斯、煤塵爆炸事故中，因一氧化碳中毒而死亡的人數(shù)占總死亡人數(shù)的70%以上。按照《規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，入井人員要配備自救器。

3 瓦斯爆炸的原因分析

3.1 瓦斯?jié)舛鹊挠绊?/p>

當(dāng)瓦斯達(dá)到一定的濃度，在遇到火源的情況下才有可能發(fā)生瓦斯爆炸。當(dāng)瓦斯?jié)舛鹊陀?%時，即使瓦斯遇火源也不發(fā)生爆炸，因為瓦斯?jié)舛葍H夠維持燃燒，因此，在火源的外圍只發(fā)生燃燒現(xiàn)象；當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^16%時，瓦斯遇火源爆炸和燃燒均不發(fā)生，因為在高濃度的瓦斯環(huán)境中，缺少助燃的空氣或氧氣，其氧化反應(yīng)不會發(fā)生，進(jìn)而燃燒和爆炸現(xiàn)象不會出現(xiàn)。當(dāng)注入新鮮空氣時，在接觸面發(fā)生燃燒現(xiàn)象。根據(jù)氧化反應(yīng)可知，當(dāng)瓦斯?jié)舛冗^低時，瓦斯燃燒不足以發(fā)展成鏈鎖反應(yīng)構(gòu)成爆炸；當(dāng)瓦斯?jié)舛冗^高，發(fā)生氧化反應(yīng)時，其助燃作用的氧濃度不夠，氧化反應(yīng)難以持續(xù)，所以不會發(fā)生爆炸。

3.1.1 確定瓦斯爆炸的界限

所謂瓦斯爆炸的界限就是可燃?xì)怏w與空氣（氧氣）混合后，在火源的作用下發(fā)生爆炸現(xiàn)象的可燃?xì)怏w的濃度，也就是混合氣體達(dá)到一定濃度時，爆炸現(xiàn)象會逐步蔓延。此時，產(chǎn)生爆炸的可燃?xì)怏w的最低濃度稱為爆炸下限；最高濃度稱為爆炸上限。為了有效地預(yù)防瓦斯爆炸，研究分析瓦斯?jié)舛戎陵P(guān)重要，通過理論研究分析以及實踐證明，在常溫常壓環(huán)境下，瓦斯在空氣中的爆炸下限為5%—6%，當(dāng)瓦斯?jié)舛鹊陀诒ㄏ孪迺r，瓦斯遇火源也不會發(fā)生爆炸現(xiàn)象，只在火源的外圍發(fā)生燃燒現(xiàn)象；瓦斯在空氣中的爆炸上限為14%-16%，瓦斯?jié)舛雀哂诒ㄉ舷迺r，瓦斯在混合氣體內(nèi)也不會發(fā)生爆炸或燃燒現(xiàn)象。

3.1.2 瓦斯爆炸極限的影響因素

影響瓦斯爆炸界限受很多因素的影響，以下從幾個方面進(jìn)行介紹。

①溫度對爆炸界限的影響

甲烷的爆炸界限與環(huán)境溫度的關(guān)系如表1所示。

由表可知，隨著溫度的升高，甲烷爆炸下限下降、上限升高，即爆炸范圍擴大。

②氣壓對爆炸界限的影響

爆炸時環(huán)境氣壓對甲烷的爆炸界限也有影響，如表2所示：

由表可知，隨著環(huán)境壓力的升高，甲烷爆炸下限變動很小而上限上升很大，這個規(guī)律同樣適用于烴類氣體。

③煤塵的影響

空氣中的煤塵，在一定程度上會降低甲烷的爆炸下限。因為煤塵本身具有爆炸性，而且在高溫條件下，煤塵會干餾出可燃?xì)怏w，進(jìn)而使甲烷爆炸下限下降。

④其它可燃其他存在的影響

在瓦斯和空氣的混合氣體中，如果硫化氫、乙烷等可燃性氣體混入，由于這些氣體有爆炸性，增加了爆炸氣體的總濃度，而且會使瓦斯爆炸下限降低，從而擴大了瓦斯爆炸的界限。表3為常見的幾種可燃?xì)怏w的爆炸界限。

⑤惰性氣體的混入

瓦斯和空氣的混合氣體中，混入惰性氣體將使氧氣的含量降低，可以縮小瓦斯的爆炸界限，降低瓦斯爆炸的危害性。

3.2 氧氣濃度

氧濃度是構(gòu)成瓦斯爆炸的三要素之一，對混合氣中氧含量的研究具有十分重要的意義。由于我們所參考的瓦斯爆炸實驗裝置的缺陷，無法直接調(diào)節(jié)氧氣濃度。為實現(xiàn)氧氣濃度對瓦斯爆炸影響實驗，本文是通過增加巷道內(nèi)的氮氣來降低氧氣濃度。

3.2.1 氧濃度對瓦斯爆炸的影響

①氧濃度對爆炸的影響

常溫常壓下，瓦斯爆炸濃度與氧濃度有關(guān)，如圖1所示為柯瓦德爆炸三角形，前人試驗表明，瓦斯爆炸下限緩慢地增高，如圖1中的BE線表示，爆炸上限則迅速上升，如圖1中的CE線表示。當(dāng)氧濃度低于12%時，混合氣體就失去爆炸性。

爆炸三角形對火區(qū)封閉或啟封時，以及惰性氣體滅火時判斷有無瓦斯爆炸危險，有一定的參考意義。

②失爆氧濃度

爆炸臨界點處的氧濃度稱為失爆氧濃度，如果混合氣體中氧濃度低于比值，則混合氣體因缺氧而失去爆炸性；反之，因富氧為爆炸提供了條件。

3.2.2 氧濃度對瓦斯爆炸影響的測定

由于本文參考的瓦斯爆炸實驗裝置不夠完善，無法直接調(diào)節(jié)氧濃度來做氧濃度對瓦斯爆炸的影響，本文是通過注氮氣的辦法來調(diào)節(jié)混合氣體中氧含量。

根據(jù)實驗分析可看出在瓦斯?jié)舛群忘c火能量一定時，氧氣濃度影響瓦斯爆炸，當(dāng)氧氣濃度富裕時，瓦斯就不會爆炸；當(dāng)氧氣濃度很低時瓦斯也不發(fā)生；只有氧氣濃度和瓦斯?jié)舛仍谝欢ū壤秶鷥?nèi)時，瓦斯才會發(fā)生爆炸。同時也表示出當(dāng)氧濃度降低時爆炸壓力也明顯減小，且溫度逐漸升高，失爆氧濃度約為12%。

3.3 點火能量對瓦斯爆炸影響

3.3.1 點火能量對瓦斯爆炸的影響

①最小點燃能量

最小點燃能量是可燃?xì)怏w的重要安全技術(shù)參數(shù)之一。它不僅與可燃性氣體組分種類有關(guān)，而且也隨著可燃?xì)怏w的濃度而變化。在爆炸上、下限附近，需要的點燃能量最大；在化學(xué)當(dāng)量濃度（可燃?xì)怏w與空氣中的氧正好燃盡時的可燃?xì)怏w的濃度）時，需要的點燃能量最小，即最容易點燃。瓦斯空氣混合氣體的最低點燃能量為0.28MJ。

②點燃能量對爆炸的影響

爆炸范圍隨著點火源向鄰近混合氣體層傳輸能量的增大而變寬，如表4所示：

3.3.2 點火能量的測定

點火系統(tǒng)有脈沖發(fā)生器、電壓轉(zhuǎn)換器以及顯示器組成，其檢測方框圖如圖2所示：

根據(jù)瓦斯爆炸所需最低點火能量為0.28MJ，模擬井下電火花自制了點火器，它能在一定的電壓下?lián)舸┛諝庑纬呻娀鸹?。電壓表為智能HB404型。HB404智能電壓表的主要技術(shù)參數(shù)有直流電壓測量精度：±（0.8%+3d）；交流電壓測量精度：±（1.0%+5d）；響應(yīng)頻率：40～400Hz；交流電壓顯示范圍：0～9999；工作電源：AC22～260V（DC22～360V）/4W；繼電器觸點壽命：105次；變送輸出精度：±（0.8%+3d）12位。電壓轉(zhuǎn)換是將低電壓轉(zhuǎn)換成高電壓，直流電轉(zhuǎn)換成交流電。

由于本文參考的瓦斯爆炸實驗裝置不夠完善，無法實現(xiàn)在正常大氣壓下測出瓦斯爆炸所需的最小點火能量，但能做點火能量對瓦斯爆炸的影響。實驗結(jié)果表明點火能量越大，爆炸范圍也就越寬，其發(fā)生瓦斯爆炸的可能性就越大。

4 結(jié)束語

本文是通過對瓦斯爆炸的爆炸極限和溫度、點火能量來控制點火能量的大小等研究分析瓦斯爆炸規(guī)律，進(jìn)而掌握瓦斯爆炸的工作原理，達(dá)到掌握并利用所學(xué)安全知識的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]何希才，薛永翼.傳感器及其應(yīng)用實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[2]傅維鐮，張永鐮.燃燒學(xué)[M].北京：北京高等教育出版社，1989.

[3]齊志才，劉江麗.自動化儀表[M].北京：北京大學(xué)出版社，2006.

[4]吳兵，郭德勇，康懷宇.礦井瓦斯防治[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2002.

[5]朱序璋.人機工程學(xué)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

[6]張筑生.微分半動力系統(tǒng)的不變集[D].北京：北京大學(xué)數(shù)學(xué)系數(shù)學(xué)研究所，1983.