礦井瓦斯爆炸條件及其影響因素

王忠成/方正縣煤礦安全生產監督管理局

礦井瓦斯爆炸條件及其影響因素

王忠成/方正縣煤礦安全生產監督管理局

礦井瓦斯是成煤過程中的一種伴生氣體，是指煤礦井下的以甲烷（CH4）為主的有毒、有害氣體的總稱，有時單指甲烷。瓦斯爆炸是煤礦生產中最嚴重的災害之一，后果嚴重，因此掌握瓦斯爆炸的條件及其影響因素對煤礦安全生產工作極為重要。

瓦斯在煤層及圍巖中的賦存狀態有兩種，一種是游離狀態，另一種是吸附狀態，當煤層（圍巖）采動時，煤層（圍巖）受到破壞，貯存在煤體內的部分瓦斯就會離開煤（巖）體，涌入采掘空間，當與空氣混合后，瓦斯濃度在5%-16%之間，氧氣濃度不低于12%時，遇到高溫火源就會發生爆炸，并在瞬間釋放出大量能量，其化學反應式為：

CH4+2O2=2H2O+882.6K J/mol

爆炸時產生的高溫高壓促使爆炸附近氣體以極大的速度（可達每秒幾百米）向外傳播，形成沖擊波造成人員傷亡，同時產生大量的有毒有害氣體。

瓦斯爆炸必須同時具備三個條件，即一定濃度的瓦斯，一定溫度的引燃火源和足夠的氧含量，三者缺一不可。

一、瓦斯濃度

瓦斯只在一定的濃度范圍內爆炸，這個濃度范圍稱瓦斯的爆炸界限。其最低濃度界限為爆炸下限，最高濃度界限為爆炸上限。瓦斯在新鮮空氣重的爆炸下限位5%～6%，上限為14%～16%。

根據鏈式反應理論，瓦斯吸收足夠的熱量后，就將分解出大量活化中心，并放出一定的熱量。如果生成的熱量超過周圍介質的吸熱和散熱能力，而混合氣體中又有足夠的CH4和O2存在，足以使鏈反應發展，就會形成更多的活化中心，使氧化過程迅猛發展成為爆炸；若參與反應的瓦斯濃度不夠，反應速度就不能發展成為爆炸。又若瓦斯濃度過高，相對來說O2濃度就過低，而且CH4的的吸熱能力比空氣大，氧化生成的熱量容易被周圍介質所吸收，當然也不能發展為爆炸。這兩種情況下都只能發生瓦斯的燃燒。因此，瓦斯濃度低于爆炸下限時，遇高溫火源并不爆炸，只能在火焰外圍形成穩定的燃燒層，此燃燒層呈淺蘭或淡青色。濃度高于爆炸上限時，在該混合氣體內不會爆炸，也不燃燒。如有新鮮空氣供給時，可以在混合氣體與新鮮空氣的接觸面上進行燃燒。

由于瓦斯的主要成分是甲烷，根據甲烷燃燒或爆炸的化學反應式可知，一個體積的甲烷需要2個體積的氧氣才能發生完全反應。新鮮空氣中一個體積的氧，必有79.04÷20.96=3.77個體積的氮、二氧化碳及其他惰性其他同事存在。因此要使一個體積的甲烷全部參加反應就需2×（1+3.77）=9.54個體積的新鮮空氣。此時混合氣體中的甲烷濃度應為1÷（1+9.54）× 100%=9.5%。在礦井空氣中，氧的濃度較低，《規程》規定不得低于20%，如以20%計算，則反應完全的甲烷濃度應為（1÷11）×100%=9.1%，即當礦井空氣中的甲烷濃度為9.1%時，瓦斯爆炸反應最完全，產生的動力效應最強。

實踐證明，瓦斯的爆炸界限不是固定不變的，它受到許多因素的影響，其中重要的是：

（1）其他可燃氣體的存在。兩種以上可燃氣體同時存在時，這類混合氣體的爆炸界限決定于各可燃氣體的爆炸界限和它們的濃度。也就是說，如果瓦斯一空氣混合物中還存在著其他可燃氣體，那么這種混合氣體的爆炸界限就不是各單個可燃氣體的爆炸界限了。一般來說，瓦斯一空氣混合氣體中，如果混入的其他可燃氣體的爆炸下限比瓦斯的爆炸下限低，那么混合氣體的爆炸下限也就比瓦斯單獨存在時的爆炸下限低。爆炸上限也是這樣。所以判斷煤礦自燃火區內的爆炸危險時，不能只以瓦斯濃度為準。通常建議，只單獨測定瓦斯濃度時，應以3.5%作為火區有無爆炸危險的下限濃度。

（2）煤塵的混入。浮游在瓦斯混合氣體中的具有爆炸危險性的煤塵，不僅能增加爆炸的猛烈程度，還可降低瓦斯的爆炸下限。這是因為在溫度300℃～400℃時，煤塵會干餾出可燃氣體。實驗表明，當煤塵濃度達68g/m3時，瓦斯的爆炸下限降低到2.5%。

（3）惰性氣體的混入。如果在瓦斯混合氣體中加入了惰性氣體，則爆炸下限提高，上限降低，即爆炸范圍減小。如在烷空氣體中加入某些鹵代碳氫化合物（如CBr2F2），就能抑制其爆炸，因為惰性氣體具有捕捉燃燒反應中起火化中心作用的自由基的能力，從而抑制了鏈式反應，可中止燃燒過程。例如，如果在瓦斯混合氣體中氮含量超過81.69%或二氧化碳含量超過22.8%，則任何濃度的瓦斯都不會爆炸。

（4）混合氣體的初溫和初壓。實驗表明，瓦斯的爆炸界限隨爆炸前環境的溫度（初溫）和壓力（初壓）而變化，隨著溫度的升高，瓦斯爆炸下線下降、上限升高，即爆炸范圍擴大，如表1所示。爆炸初始時環境的氣壓對瓦斯氣體的爆炸界限也有很大影響，隨著環境壓力的升高，瓦斯爆炸下限變動很小而上限上升很大，這個規律對烴類氣體都適用，如表2所示。所以井下發生火災或爆炸時，高溫和高壓會使正常條件下未達爆炸濃度的瓦斯發生爆炸。

表1 瓦斯爆炸界限與初始溫度的關系

二、一定溫度的引燃火源

1.瓦斯的點燃溫度與點燃能量。點燃瓦斯所需的最低溫度是它的點燃溫度，所需的最低點燃能量稱點燃能量。一般認為，正常大氣條件下，瓦斯在空氣中的著火溫度為650℃～750℃，瓦斯的最小點燃能量為0.28mJ（有關電氣規程規定的安全著火能量為0.25mJ）。煤礦井下的明火、煤炭自燃、電弧、電火花，赤熱的金屬表面和撞擊或摩擦火花都能點燃瓦斯。

影響點燃溫度與點燃能量的主要因素有空氣中的瓦斯濃度、氧濃度、初壓和火源性質。

（1）瓦斯濃度的影響。不同的瓦斯濃度，引火溫度也不同。例如，當瓦斯濃度為2%時，點燃溫度為810℃；當瓦斯濃度為7.6%時，點燃溫度為510℃；當瓦斯濃度為11%時，點燃溫度為539℃；瓦斯最容易點燃的濃度為7%～8%，而不是爆炸最猛烈時的濃度9.5%。

（2）氣體壓力的影響?；旌蠚怏w壓力大，點燃溫度低。正常大氣壓力下點燃溫度為700℃；當混合氣體壓力增加到2836.4kPa（28個大氣壓）時，點燃溫度將為460℃。混合氣體的溫度越高，點燃溫度越低?；鹪疵娣e越大，點火時間越長，越易點燃。

2.瓦斯的引火延遲性。瓦斯與高溫熱源接觸時，不是立即燃燒或爆炸，而是要經過一個很短的間隔時間，這種現象稱引火延遲性，間隔的這段時間稱感應期。感應期的長短與瓦斯濃度、火源溫度和火源性質有關，而且瓦斯燃燒的感應期總是小于爆炸的感應期。表3為瓦斯爆炸的感應期與火源溫度關系表。由2-6可見，火源溫度升高，感應期迅速下降；瓦斯濃度增加，感應期略有增加。

表3 瓦斯爆炸感應期與火源溫度及瓦斯濃度關系表

瓦斯爆炸的感應期，對煤礦安全生產意義很大。例如，使用安全炸藥爆破時，雖然炸藥爆炸的初溫能達到2 000℃左右，但是在絕大多數情況下，這一高溫存在時間極短（一般為幾毫秒），小于瓦斯的爆炸感應期，所以不會引起瓦斯爆炸。如果炸藥質量不合格，炮泥充填不緊或放炮操作不當，火焰存在時間就可能延長，一旦超過感應期，就能發生瓦斯燃燒或爆炸事故。

另外，硝銨炸藥爆炸后分解的二氧化氮（NO2）能使瓦斯爆炸感應器縮短。再加上爆破沖擊波對氣體的沖擊壓縮作用，井下放炮時，瓦斯的實際感應期將比表3所列時間短。因此，放炮?？梢鹜咚故鹿?，必須嚴格遵守《規程》中有關爆破作業的規定。

煤礦井下用的電氣自動控制裝置的電流卻斷時間必須小于瓦斯爆炸的感應期。這就必須做好這類裝置的管理和維修工作。

3.井下引燃瓦斯的熱源種類。

（1）明火和熱輻射。（2）放炮火焰（3）沖擊、摩擦火花。（4）電弧、靜電火花。

三、足夠的氧含量

瓦斯爆炸是一種迅猛的氧化反應，沒有足夠的氧含量，就不會發生瓦斯爆炸。瓦斯的爆炸界限隨混合氣體中氧氣濃度的降低而縮小。當氧氣濃度額外降低時，爆炸下限變化不大，爆炸上限則明顯降低。氧濃度低于12%時，混合氣體失去爆炸性。