煤矿瓦斯爆炸浓度参数的确定

丁星星,杨林峰,张 莹,王培培

(中原工学院,郑州 450007)

煤矿瓦斯爆炸浓度参数的确定

丁星星,杨林峰,张 莹,王培培

(中原工学院,郑州 450007)

利用人体静电放电引爆瓦斯模拟实验系统进行了一系列实验,并应用热力学统计和化学反应理论进行了理论推导,得出最易引爆的瓦斯浓度为8.5%左右,为煤矿瓦斯浓度安全处理提供了依据.

瓦斯爆炸;瓦斯浓度;热力学统计;化学反应

煤矿瓦斯爆炸是煤矿安全的核心问题.瓦斯灾害事故在煤矿事故中影响范围最大,破坏力最强,伤亡人数最多.据统计,在全国煤矿每年发生的重大事故中,因瓦斯爆炸事故导致的死亡人数占40%左右,且近2年呈上升趋势[1].人体静电放电(ESD)是瓦斯燃爆的点火源之一.近年来,人体静电在电工电子等各行业所带来的隐患及防预措施成为热门研究.本文利用人体静电放电引爆瓦斯模拟实验系统进行一系列实验,得出最易爆炸的瓦斯浓度,对煤矿环境中加强瓦斯浓度和火源监测,有效降低瓦斯爆炸所造成的损失提供了帮助.

1 瓦斯特性及爆炸条件

1.1 瓦斯特性

煤矿瓦斯是指矿井中以甲烷(CH4)为主的有害气体,其中甲烷成分约占气体总成分的99%,是煤在生成和变质过程中伴生的.瓦斯无色、无味、无臭,但有时可以闻到类似苹果的香味,这是由于芳香族的碳氢气体与瓦斯同时涌出的缘故.瓦斯对空气的相对密度是0.554,在标准状态下的密度为 0.716 kg/m3,因为瓦斯比空气轻,常积聚在巷道的上部及高顶处.瓦斯的渗透能力是空气的1.6倍,难溶于水,不助燃,也不能维持呼吸,当其和空气混合到一定浓度时,能使人因缺氧而窒息,并能发生燃烧或爆炸.

1.2 瓦斯爆炸条件

在正常大气环境下,瓦斯只能在一定浓度范围内爆炸,其在空气中爆炸的浓度下限为5%～6%,上限为14%～16%,爆炸界限如图1所示[2].瓦斯爆炸界限不是固定不变的,它受到许多因素的影响,其中主要因素有:①氧气浓度;②其他可燃气体;③煤尘;④空气压力;⑤惰性气体.

图1 柯瓦德爆炸三角形

2 人体ESD引爆瓦斯模拟实验系统

本实验所用的人体静电放电引爆瓦斯模拟实验系统[1],由瓦斯混合气体腔体、控制单元、瓦斯测量单元、温度测量单元、人体 ESD模型点燃装置、报警显示、上位机及瓦斯供气装置等组成,系统框图如图2所示.该系统测量的瓦斯浓度、氧气浓度误差不大于0.1%.

图2 系统框图

3 实验及结果

在煤矿环境中,人体静电所造成的危害远大于材料静电[1].研究发现,在狭窄坑道的煤矿采煤区,人体电容会比普通条件下的测试值大十余倍.同时,当矿工做突变动作如跌倒、跳起、脱衣时,人体电压也会突增十余倍,人体电阻则相应减小,因此,人体静电放电引爆瓦斯的可能性增加.

利用人体ESD点火装置针对客观的人体电容、电阻值模拟出相对应的瓦斯最小点火能量,进而引爆瓦斯.

实验腔体为半封闭容器.实验时向实验腔体内缓慢通入浓度从5%开始变化的瓦斯气体,用人体 ESD装置引爆腔体瓦斯,由显示屏及时显示引爆瓦斯时的瞬间瓦斯浓度、氧气浓度和气体温度.实验得出在氧气浓度12%～ 20%、室温22℃、相对温度45%情况下,最易爆炸的瓦斯浓度为8.5%左右.实验数据如表1所示.

表1 利用人体静电放电引爆瓦斯模拟实验系统测试的实验参数

4 最易爆炸瓦斯浓度理论计算

最易爆炸浓度是气体最易激发且爆炸时释放出最大能量的浓度.从反应机理分析,瓦斯爆炸是自由基链反应过程,一次反应可以生成2个自由基.反应过程包括链引发、链传递、链分支和链终止4个环节.瓦斯爆炸的反应可看作总包反应下的8个基元反应的集合[3],反应如下:

从8个基元反应可看出,CH2O+O2→HO2+HCO在整个反应中起到至关重要的作用,只要体系得到足够的能量,反应将连续发生.

瓦斯爆炸的最终反应为一定浓度的甲烷和空气中的氧气在一定温度作用下的剧烈氧化反应[4].根据氧气充足与否,其最终化学反应式为:

CH4+2O2=CO2+2H2O(氧气充足)

2CH4+3O2=2CO+4H2O(氧气不充足)

在实验腔体压强一定的情况下,最易爆炸的瓦斯浓度即爆炸性气体完全燃烧时的化学理论浓度为:

考虑到煤矿环境中空气所含的氧气浓度要小于新鲜空气中的氧气浓度,实际上最易爆炸的瓦斯浓度应偏小于9.5%.理论分析与实验结果相一致,从而得出了最易爆炸的瓦斯浓度范围.

5 结 语

人体静电在煤矿环境中能够提供大于22 kV/cm的瓦斯混合气体击穿场强和大于0.28 mJ的瓦斯最小点火能量[1],从而引爆瓦斯.本文借助人体 ESD模拟点火装置引爆瓦斯实验,结合理论推导,得出了最易爆炸的瓦斯浓度,为瓦斯监测、静电安全管理提供了依据.

[1] 张景昌.静电防护概论[M].北京:原子能出版社,2009.

[2] 张国枢.通风安全学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2000.

[3] 罗振敏.链式反应理论在矿井瓦斯抑爆中的应用[J].煤矿安全,2009(2):67-69.

[4] 卢楠,陈德展,董川.瓦斯爆炸极限及反应热力学温度的计算[J].山东师范大学学报,2008,23:54-56.

The Confirmation of Concentration Parameters of Coal Mine G as Detonation

DING Xing-xing,YANG Lin-feng,ZHANG Ying,WANG Pei-pei
(Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

In order to solve the human static security risks of the coal mine environment,“The modeling system of the gas detonation by the human body electrostatic discharge”is developed.A series experiments and data analysis are carried out,and apply the statistical of thermodynamics and chemical reaction theory to simulate the human body static electricity off the gas reaction process,predicts that the most easy to detonate the concentration in the vicinity of 8.5%,the result provides a theoretical basis for the disposal of coal mine gas concentration.

the gas explosion;the gas concentration;the statistical of thermodynamics;chemical reaction

O631;X752

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2010.06.003

1671-6906(2010)06-0009-03

2010-11-04

国家自然科学基金项目(50977093;51077134)

丁星星(1982-),女,安徽淮北人,硕士.