周西華，孟 樂，史美靜，郭梁輝，趙建元，馮寸寸

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 阜新 123000）

礦井瓦斯爆炸是煤礦特有的、危害極其嚴(yán)重的災(zāi)害［1］。瓦斯爆炸不僅造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，而且會(huì)嚴(yán)重摧毀井下設(shè)施，中斷生產(chǎn)。有時(shí)還會(huì)引起煤塵爆炸和井下火災(zāi)，從而加重了災(zāi)害。高瓦斯礦井發(fā)生燃燒的火區(qū)，產(chǎn)生高溫和大量的可燃可爆氣體，改變了瓦斯爆炸的界限，大大增加了瓦斯爆炸的危險(xiǎn)性。所以如何及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測火區(qū)溫度和氣體的體積分?jǐn)?shù)，判別預(yù)測爆炸危險(xiǎn)性顯得尤為重要。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)影響瓦斯爆炸界限的因素進(jìn)行研究，可以有效地預(yù)測和控制火區(qū)瓦斯爆炸，保證安全生產(chǎn)。

1 瓦斯爆炸界限實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

爆炸界限也稱爆炸極限，其含義是可燃?xì)怏w與空氣或氧氣混合后，遇到火源會(huì)產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象的可燃?xì)怏w的極限體積分?jǐn)?shù)，即在某個(gè)極限體積分?jǐn)?shù)之內(nèi)的混合氣體，爆炸會(huì)自動(dòng)蔓延開來?？赡墚a(chǎn)生爆炸的可燃?xì)怏w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。瓦斯爆炸界限的影響因素主要包括環(huán)境溫度、氣壓、氧氣體積分?jǐn)?shù)、煤塵、其他可燃?xì)怏w、引火源點(diǎn)燃能量和惰氣［2］。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由爆炸裝置、配氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)（包括溫度、壓力、點(diǎn)火控制）和爆炸參數(shù)測試系統(tǒng)組成［3］，如圖1所示。

圖1 瓦斯爆炸界限測試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of test system for gas explosion limits

爆炸指標(biāo)參數(shù)主要包括爆炸極限、爆炸壓力等。實(shí)驗(yàn)遵循的標(biāo)準(zhǔn)為EN1839（B）［4］。依照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)裝置的要求，爆炸圓筒罐高、外徑、壁厚分別為220、219和6.5mm，體積5L。頂部開6個(gè)螺紋孔，用于進(jìn)氣、測壓、抽真空等。罐體中央放置點(diǎn)火電極，電極用火花塞固定。該系統(tǒng)通過熱電偶和壓強(qiáng)傳感器測溫度、壓強(qiáng)，再通過相應(yīng)通道在計(jì)算機(jī)上顯示爆炸時(shí)的溫度、壓強(qiáng)。爆炸的判定標(biāo)準(zhǔn)為壓力升高5%。

實(shí)驗(yàn)條件：溫度28～32℃，大氣壓力為約100kPa。實(shí)驗(yàn)用的CH4、N2、CO2等氣體純度均為99.99%。系統(tǒng)通過壓力配比的方法實(shí)現(xiàn)氣體配備，具體操作步驟為：用真空泵將反應(yīng)罐內(nèi)抽至真空；由于氣體壓力比等于體積分?jǐn)?shù)比，將CH4、惰性氣體、空氣等氣體順次充入反應(yīng)罐；每次完成實(shí)驗(yàn)后，用真空泵抽出爆炸主體罐內(nèi)氣體，再打開相應(yīng)閥門充入空氣，將主體罐內(nèi)廢氣排盡。

實(shí)驗(yàn)方法：分別以常溫常壓下瓦斯爆炸上、下限15%、5%［5］為基準(zhǔn)反復(fù)實(shí)驗(yàn)。如爆炸則逐漸降低瓦斯體積分?jǐn)?shù)，直到不爆炸為止，所得爆炸的最小體積分?jǐn)?shù)為爆炸下限；相反，如果不爆炸則逐漸增加瓦斯體積分?jǐn)?shù)，直到不爆炸為止，所得的最大體積分?jǐn)?shù)為爆炸上限［6－8］。常溫常壓下瓦斯爆炸界限見表1。

表1 常溫常壓下瓦斯氣體爆炸界限Table1 Gas explosion limits at normal temperature and pressure

圖2 不同溫度下瓦斯的爆炸界限Fig.2 Methane explosion limits at different temperatures

2 瓦斯爆炸影響因素及影響規(guī)律

2.1 溫度對(duì)瓦斯爆炸界限的影響

由于火區(qū)溫度復(fù)雜多變，因此研究不同溫度下的氣體爆炸特性十分必要。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將爆炸罐體抽真空，然后注入CH4，待氣體配好后再升溫，選擇在常壓50、75℃下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)得出爆炸上、下限隨溫度變化的曲線如圖2所示。由圖2可知，隨著溫度的升高，瓦斯的爆炸上限呈現(xiàn)上升的趨勢；爆炸下限則變化不大，且呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢。溫度升高會(huì)使可燃?xì)怏w混合物的爆炸危險(xiǎn)性增加。

圖3 不同壓力下瓦斯的爆炸極限Fig.3 Methane explosion limits at different pressures

2.2 壓力對(duì)瓦斯爆炸界限的影響

在測定不同壓力下瓦斯爆炸上、下限時(shí)，根據(jù)前面的經(jīng)驗(yàn)，先抽真空，然后注入CH4，最后改變壓力，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。本次實(shí)驗(yàn)，測定了常溫下壓力為0.1、0.12MPa等情況下瓦斯爆炸上、下限，通過實(shí)驗(yàn)得出爆炸上下限隨壓力變化的曲線如圖3所示。由圖3可知，壓力變化時(shí)，CH4爆炸下限在變化很小，爆炸上限隨著壓力的增加呈現(xiàn)快速上升的變化趨勢。總的來看，增大壓力，爆炸界限范圍擴(kuò)大，爆炸危險(xiǎn)性增加。

2.3 CO對(duì)瓦斯爆炸界限的影響

火區(qū)往往存在有多種可燃?xì)怏w，爆炸時(shí)其他可燃?xì)怏w的存在對(duì)失爆極限點(diǎn)的影響很大。以CO作為可燃?xì)怏w，在CO的體積分?jǐn)?shù)為0、1%、5%、10%等4種情況下CH4爆炸極限點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。與此同時(shí)，溫度也在50、75、100℃等3種情況下變化。不同溫度、不同CO體積分?jǐn)?shù)的多次實(shí)驗(yàn)，增加了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)實(shí)意義。通過實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)，繪制出混入CO后不同溫度下瓦斯爆炸極限變化關(guān)系如圖4所示。從圖4明顯可以看出，在混入CO的情況下，隨著溫度升高爆炸上限升高，爆炸下限下降，并且隨著CO體積分?jǐn)?shù)的增加，爆炸范圍明顯擴(kuò)大。

圖4 不同溫度下混入不同體積分?jǐn)?shù)CO后瓦斯的爆炸界限Fig.4 Methane explosion limits at different temperatures when mixed with different volume fractions of CO

2.4 N2對(duì)瓦斯爆炸界限的影響

實(shí)驗(yàn)得出：加入N2惰化后，在失爆臨界點(diǎn)上O2的體積分?jǐn)?shù)為13.5%，CH4的體積分?jǐn)?shù)為6.4%，注入 N2的體積分?jǐn)?shù)為29.1%。逐漸增加 N2的體積分?jǐn)?shù)，降低CH4的體積分?jǐn)?shù)，反復(fù)實(shí)驗(yàn)都未爆炸，此點(diǎn)即定義為注入N2時(shí)的失爆臨界點(diǎn)。注入N2時(shí)，瓦斯爆炸界限與O2體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線如圖5所示。由圖5可知，隨著N2氣體注入，O2體積分?jǐn)?shù)下降，CH4爆炸下限隨O2體積分?jǐn)?shù)的降低而升高，爆炸上限隨O2體積分?jǐn)?shù)的降低而減小，爆炸界限范圍逐漸縮小，爆炸危險(xiǎn)性降低。

圖5 混入N2后不同O2體積分?jǐn)?shù)下瓦斯的爆炸界限Fig.5 Methane explosion limits when mixed with different volume fractions of O2after injected N2

2.5 CO2對(duì)瓦斯爆炸界限的影響

實(shí)驗(yàn)得出：CO2惰化時(shí)，失爆臨界點(diǎn)氧的體積分?jǐn)?shù)為15.9%，CH4的體積分?jǐn)?shù)為7.8%，此時(shí)CO2的體積分?jǐn)?shù)為16.23%。同樣，逐漸增加CO2的體積分?jǐn)?shù)，降低CH4的體積分?jǐn)?shù)，反復(fù)實(shí)驗(yàn)都未發(fā)生爆炸，此點(diǎn)即定義為CO2的失爆臨界點(diǎn)。注入CO2惰化時(shí)，瓦斯爆炸界限與O2體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系如圖6所示。由圖6可知，隨著CO2的增加，O2的體積分?jǐn)?shù)逐漸下降，CH4爆炸界限下限隨O2體積分?jǐn)?shù)的降低而升高，爆炸上限隨O2體積分?jǐn)?shù)的降低而降低，爆炸界限范圍逐漸縮小。

通過比較可以發(fā)現(xiàn)：惰化瓦斯爆炸時(shí)，CO2的惰化效果優(yōu)于N2。

圖6 混入CO2后不同O2體積分?jǐn)?shù)下瓦斯的爆炸界限Fig.6 Methane explosion limits when mixed with different volume fractions of O2after injected CO2

3 瓦斯爆炸三角形的惰化分區(qū)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別用N2、CO2氣體惰化時(shí)，對(duì)于O2在不同的體積分?jǐn)?shù)下，瓦斯爆炸界限如圖7所示。圖7中CH4直接與空氣爆炸實(shí)驗(yàn)時(shí)的爆炸下限點(diǎn)B′（φ（CH4）＝5.29%，φ（O2）＝19.82%），爆炸上限點(diǎn)C′（φ（CH4）＝13.16%，φ（O2）＝18.18%），與 傳 統(tǒng) 的 爆 炸 下 限 點(diǎn) B（φ（CH4）＝5%，φ（O2）＝19.88%），爆炸上限點(diǎn)C（φ（CH4）＝13.5%，φ（O2）＝18.10%）相比，與空氣混合爆炸的界限范圍小。根據(jù)N2和CO2惰化時(shí)瓦斯爆炸界限的變化關(guān)系，得出混合N2氣體時(shí)，包含爆炸界限中所有爆炸點(diǎn)的最小三角形△B′C′E′和混合CO2時(shí)的最小三角形△B′C′F′為爆炸三角形（圖7中虛線所示的三角形）。由于不同的實(shí)驗(yàn)條件下，得到的瓦斯爆炸界限的上、下限會(huì)有一定變化，就以爆炸下限最低值和爆炸上限最高值為準(zhǔn)繪制爆炸三角形。即過B、C點(diǎn)分別作B′E′、C′E′ 的 平 行 線 交 于 點(diǎn) E（φ（CH4）＝5.25%，φ（O2）＝11.34%），同理，作B′F′、C′F′ 的 平 行 線 交 于 點(diǎn)F（φ（CH4）＝6.13%，φ（O2）＝14.65%），即 E 是加入N2氣體惰化時(shí)爆炸臨界點(diǎn)，F(xiàn)是加入CO2氣體惰化時(shí)的爆炸臨界點(diǎn)。

圖7 常溫常壓下瓦斯爆炸界限的三角形圖Fig.7 Diagram of methane explosion triangle at normal temperature and pressure

為了使爆炸三角形對(duì)生產(chǎn)實(shí)際中防治瓦斯爆炸具有一定的指導(dǎo)意義，參考相關(guān)文獻(xiàn)［6－8］，對(duì)瓦斯爆炸危險(xiǎn)性進(jìn)行惰化分區(qū)，如圖8所示?？蓜澐譃椋罕ㄎｋU(xiǎn)區(qū)（Ⅰ區(qū)），瓦斯體積分?jǐn)?shù)過低不爆區(qū)（Ⅱ區(qū)），瓦斯體積分?jǐn)?shù)過高不爆區(qū)（Ⅲ區(qū)）和O2體積分?jǐn)?shù)過低不爆區(qū)（Ⅳ區(qū)）。

圖8（a）所示為傳統(tǒng)分區(qū)，圖8（b）所示為新的惰化分區(qū)。B為瓦斯爆炸下限，C為瓦斯爆炸上限，E為注入CO2氣體惰化時(shí)爆炸臨界點(diǎn)，E′為注入N2氣體惰化時(shí)爆炸臨界點(diǎn)。BE為注入CO2氣體惰化時(shí)的瓦斯爆炸下限邊界，直線BE的方程為：φ（O2）＝43.02－4.62φ（CH4）；BE′為注入N2氣體惰化時(shí)瓦斯爆炸下限邊界，直線BE′的方程為：φ（O2）＝190.68－34.16φ（CH4）；CE為注入CO2氣體惰化時(shí)瓦斯爆炸上限邊界，直線CE的方程為：φ（O2）＝11.78－0.46φ（CH4）；CE′為注入N2氣體惰化時(shí)瓦斯爆炸上限邊界，直線CE′的方程為：φ（O2）＝7.03－0.81φ（CH4）；FE為注入CO2氣體惰化時(shí)O2的臨界體積分?jǐn)?shù)線，直線FE的方程為：φ（O2）＝15.61－0.15φ（CH4）；F′E′為注入N2氣體惰化時(shí)O2的臨界體積分?jǐn)?shù)線，直線F′E′的方程為：φ（O2）＝11.97－0.12φ（CH4）；ED 為注入CO2氣體惰化時(shí)瓦斯的臨界體積分?jǐn)?shù)線，直線ED 的方程為：φ（O2）＝20.93－1.02φ（CH4）；E′D′為注入N2氣體惰化時(shí)瓦斯的臨界體積分?jǐn)?shù)線，直線E′D′的方程為：φ（O2）＝20.92－1.82φ（CH4）。

圖8 瓦斯氣體爆炸界限與O2體積分?jǐn)?shù)關(guān)系及惰化分區(qū)圖Fig.8 Relation between methane explosion limits and oxygen volume fraction and diagram of inerting division

這2種劃分方法的區(qū)別在于Ⅱ區(qū)與Ⅳ區(qū)分界線不同。從圖8（a）中可以看出：新的惰化分區(qū)與傳統(tǒng)分區(qū)相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：（1）傳統(tǒng)分區(qū)的Ⅳ區(qū)中，△ADO區(qū)是貧氧不爆區(qū)，但在Ⅳ區(qū)鄰近Ⅱ區(qū)的分界線AE附近，O2的體積分?jǐn)?shù)明顯高于瓦斯爆炸時(shí)O2的臨界體積分?jǐn)?shù)，并非貧氧區(qū)域。而圖8（b）中新劃分出的惰化區(qū)域，用直線EF明確在Ⅳ區(qū)中劃分出了貧氧區(qū)。（2）火區(qū)在封閉前位于Ⅱ區(qū)，在封閉過程中，風(fēng)量減少，瓦斯的體積分?jǐn)?shù)升高，逐漸進(jìn)入Ⅰ區(qū)，為防止爆炸可采取注惰性氣體的措施，降低O2和瓦斯的體積分?jǐn)?shù)，進(jìn)入EF線以下的Ⅳ區(qū)后，即可直接封閉；若瓦斯的體積分?jǐn)?shù)再升高，氣體狀態(tài)將進(jìn)入Ⅲ區(qū)，而不經(jīng)過Ⅰ區(qū)，即可實(shí)現(xiàn)安全封閉。（3）能計(jì)算出惰化火區(qū)到EF線以下所需的惰性氣體量。

4 結(jié) 論

（1）瓦斯氣體的溫度升高、壓力增大、生成的可燃?xì)怏wCO的體積分?jǐn)?shù)增加等因素，都會(huì)使瓦斯的爆炸危險(xiǎn)性增加。

（2）注入惰性氣體N2和CO2，可以降低瓦斯爆炸的危險(xiǎn)性。注入N2氣體惰化時(shí)，瓦斯爆炸臨界點(diǎn)CH4的體積分?jǐn)?shù)為5.25%，注入CO2氣體惰化時(shí)，瓦斯爆炸臨界點(diǎn)CH4的體積分?jǐn)?shù)為6.13%，CO2的惰化效果優(yōu)于N2氣體。

（3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，繪制瓦斯爆炸區(qū)域三角形，并進(jìn)行了新的惰化分區(qū)劃分，明確了CH4體積分?jǐn)?shù)過低不爆區(qū)和貧氧區(qū)的O2的體積分?jǐn)?shù)臨界線，給出了CH4爆炸界限與氧體積分?jǐn)?shù)關(guān)系的爆炸三角形特征點(diǎn)及特征線方程，繪制出瓦斯爆炸的4個(gè)分區(qū)，可編制程序，快速檢測煤礦采空區(qū)或火區(qū)氣體是否具有爆炸危險(xiǎn)性，并且能夠快速計(jì)算惰化火區(qū)所需的惰性氣體量。

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