人体静电放电对煤矿瓦斯爆炸的影响

张 莹，刘生满，张玉广，丁星星，张景昌

（中原工学院，郑州450007）

人体静电放电对煤矿瓦斯爆炸的影响

张 莹，刘生满，张玉广，丁星星，张景昌

（中原工学院，郑州450007）

分析了瓦斯爆炸的条件和原因，并重点分析了人体静电放电尤其是人体动态静电放电对瓦斯爆炸的影响．

瓦斯爆炸；人体静电；人体动态静电放电

煤矿资源是我国重要的动力资源和化工原料，在国民经济中占有重要地位．煤矿的安全生产是国民最为关心问题之一，目前面临着严峻的形势．瓦斯爆炸是煤矿安全事故中危害最大的灾害，很多煤矿事故都源自瓦斯爆炸．据统计，1981－2004年，全国煤矿事故中因瓦斯爆炸死亡的人数比例就高达50%，瓦斯爆炸一次死亡10人以上的事故占所有事故的81．45%［1］．这些数据足以表明，瓦斯爆炸造成的危害面有多广、危害程度有多深．因此，要解决煤矿安全事故中的主要问题，瓦斯爆炸是首要方面．

矿井下环境很复杂，随着矿井开采深度的不断加大、开采强度的不断增强，危险性就会不断加大．因此，预防瓦斯爆炸事故的发生，做到防患于未然，是各个煤矿安全生产管理与灾害防治的重中之重．要杜绝安全生产方面的隐患，就需要从各个方面去了解引起瓦斯爆炸的因素，尤其是人体静电这个很容易被忽视的因素．

1 瓦斯爆炸的条件

瓦斯比空气轻，具有扩散性、渗透性、燃烧性和爆炸性等特点．引起瓦斯的爆炸的条件有3个：瓦斯浓度、引火温度和氧气浓度．

1．1 瓦斯浓度

研究表明，瓦斯爆炸的理论界限为瓦斯气体体积占混合气体体积的5%～16%．当瓦斯浓度低于5%时，混合气体遇火不爆炸；当瓦斯浓度超过16%时，混合气体就会失去爆炸性；当瓦斯浓度为9．5%时，它会和氧气完全发生反应而爆炸，此时的爆炸威力最猛．瓦斯的爆炸界限不是固定不变的，它也会受一些其他因素的影响．如当惰性气体混入时，其爆炸界限的下限会提高，上限会降低；当其他可燃性气体、煤尘混入，或所处环境的温度、混合气体的压力增加时，其爆炸的下限就会降低．

1．2 引火温度

引火温度，即点燃瓦斯所需要的最低温度，一般为在650～750℃．井下的电气火花、煤炭自燃、明火、工作人员吸烟及静电等都可能引起火花，达到引火温度从而点燃瓦斯．

1．3 氧气浓度

当氧气在空气中的浓度大于12%，并且瓦斯浓度达到爆炸的界限时，如果有火源存在且达到引火温度，由于瓦斯具有燃烧性和爆炸性，就会引起瓦斯混合气体的爆炸［2］．

2 引起瓦斯爆炸的原因

在煤矿环境中，引起瓦斯爆炸，必需满足上述的3个条件．而造成瓦斯爆炸的原因有很多，主要有以下几个方面：

2．1 通风不良

在矿井下，造成瓦斯爆炸的3个条件中最具危害性的就是有足够量的瓦斯积聚．如果瓦斯浓度达不到爆炸极限，再有足够充足的氧气或引火温度，也不会引起爆炸．

导致瓦斯积聚的主要原因是由于瓦斯的大量涌出，而对其冲淡的风量不足甚至停风．越是靠近瓦斯涌出的源区，瓦斯越容易积聚；越是供风不足或停风，瓦斯越容易积聚［3］．所以，要使瓦斯浓度达不到爆炸界限，归根结底还是要从通风系统着手．煤矿环境往往是在地下，采煤区的通风系统是煤矿生产系统的重要组成部分，因此通风系统的设计至关重要．合理的矿井通风系统要求系统简单实用、设施安全可靠，能保证稳定的风流导向，使通风阻力最小且分布合理，抗灾能力强．如果能正确地选择通风系统的位置，合理设计通风系统的结构及各项指标，就不容易引起瓦斯气体大量积聚．如果通风系统施工质量欠佳，管理不严格，日常检修没有到位，就必然导致通风条件变化，引起瓦斯积聚，导致瓦斯浓度升高，这是引起瓦斯爆炸的最重要的因素之一．因此，优化通风系统、做好通风及瓦斯抽放与浓度监控，是防止瓦斯积聚最根本、最有效的措施．

2．2 引爆瓦斯爆炸的火源

矿井下的爆破火焰、照明、电气设备产生的火花、传送带之间摩擦产生的火花以及人为失误导致的火源等，都可能成为引爆火源．在井下瓦斯超限或局部瓦斯积聚达到爆炸界限浓度时，有火源就有可能发生瓦斯爆炸．

2．3 静电引起的火花放电

在矿井下煤炭的开采中，静电引起的瓦斯爆炸占很大的比例，尤其是近些年来由静电引起的瓦斯爆炸更是屡见不鲜．而由静电引起的瓦斯爆炸有3个基本条件：一是产生并积累足够的静电电荷，并使其局部场强达到或超过周围介质的击穿场强；二是瓦斯气体的浓度达到爆炸极限范围；三是静电点火能量大于瓦斯气体的最小点火能量．

静电具有低能量、小电流、高电位和作用时间短等特点．矿井下的风筒、传送带、仪器设备的外壳和零部件及管材等，大都是高分子聚合物．这些材料在使用过程中难免会受到机械摩擦或与空气中的粉尘发生摩擦而产生静电．由于高分子聚合物材料都是绝缘材料，摩擦产生的静电荷积聚在表面不易消失，当静电荷积聚达到一定程度时，可能产生放电现象，当放电能量达到0．28 mJ时，就会引起瓦斯爆炸［4］．

3 人体静电的影响

一想到矿井中的静电，人们往往会把它和风筒、传送带、仪器、管材等材料联系起来，而忽略人体的静电．大量研究表明，人体静电放电也会导致瓦斯爆炸［2］．人体静电是由于人体做动作或与其他物体接触、分离或静电感应等呈现出来的某种极性的电荷积累．

3．1 人体静电电位

在矿井下，人体的突然动作会造成人体静电电位的变化．研究表明，当身穿防静电服和防静电靴的矿工做快速脱衣、突然跌倒等剧烈动作时，人体的瞬间电压会增大十余倍，此时人体电阻会减小到为原来的1／10甚至更小．这无疑为静电的快速泄漏创造了条件．当瓦斯浓度达到爆炸极限时，静电的快速泄漏就会引起瓦斯爆炸，带来更大的危害．因此，人体静电在煤矿环境下更具隐蔽性和危险性．

3．2 人体电容

在煤矿环境中，矿工的工作环境是在井下采煤区．采煤区属于狭窄坑道，人体周围的坑道壁是煤层，煤层都是导体．当矿工着装在采煤区的狭窄坑道工作时，人体电位较低，静电不易泄漏；但当工作中的矿工突然从狭窄坑道进入宽敞地方时，人体电容就会突然减小，使人体电位突然升高．这时，人体静电电量没有明显变化，而人体电压会突然增加十几倍，造成静电的快速泄漏，这容易成为瓦斯燃爆的点火源．由此可见，在煤矿环境中，人体的动态静电放电更具有隐蔽性和危险性，会对煤矿安全构成严重威胁．

张景昌教授等人设计了不锈钢筒模拟矿井采煤处狭窄坑道．在温度19℃、相对湿度35%条件下，让身高158～181 cm、体重50～73 kg的不同身高、体重的男性和女性身着矿工服，并穿不同电阻率的抗静电靴进入该筒内，在筒内的不同位置模拟人体处于采煤区狭窄坑道中的电容．结果表明：人体的电容与人的性别、身高与体重没有直接关系；在筒外，人体电容只有145～175 p F，而在不锈钢筒内部的不同位置，人体电容差别不是很大，电容值在1 300～1 900 p F之间，筒外的电容明显低于筒内的电容．由此可见，煤矿环境中狭窄坑道内的人体电容比井下宽敞地方的人体电容高十余倍．所以，当工作中的矿工从狭窄坑道处进入宽敞地方的瞬间，在狭窄坑道出口处，人体电容会迅速降低，其值不足坑道内人体电容的1／10，这时，人体静电电量没有明显变化，而人体电压会突然增加十几倍，引起人体静电的快速泄漏，这容易成为瓦斯燃爆的点火源．因此，狭窄坑道出口处多为人体静电放电的事故发生地［5］．

4 结 语

瓦斯爆炸是煤矿安全事故的重要方面，人体动态静电放电，尤其是矿工在狭窄坑道处的动态静电放电，很容易引起瓦斯爆炸．要预防瓦斯爆炸，需要加强对引起瓦斯爆炸的各种因素的研究，尤其要重视人体动态静电放电这个具有隐蔽性的方面的研究，从而为矿工着装标准提出依据，为煤矿安全生产提供指导．

［1］王树玉．煤矿五大灾害事故分析和防治对策［M］．中国矿业大学出版社，2006（1）：20－40．

［2］张景昌．静电防护概论［M］．北京：原子能出版社，2009：107．

［3］童宇．井下巷道内瓦斯爆炸阻燃技术研究［D］．山西：中北大学安全工程系，2009．

［4］刘丙戌．化学品火灾危害辨识与风险评估［J］．安防科技，2004（4）：7－8．

［5］张玉广，黄犇犇，刘生满，等．煤矿环境人体动态静电放电模型［J］．中原工学院学报，2008，20（1）：1－4．

Effect of Human Body Electrostatic Discharge in Coal Mine Gas Explosion

ZHANG Ying，LIU Sheng－man，ZHANG Yu－guang，DING Xing－xing，ZHANG Jing－chang
（Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

Gas explosion in coal mine accidents is the most harmful disasters．This paper analyzes the conditions and causes of gas explosion in coal mine，and the human body electrostatic discharge is mainly analyzed，especially analyzes the effection of the dynamic electrostatic discharge on human body of gas explsion．

gas explosion；static electricity on human body；dynamic electrostatic discharge on human body

O631；X752

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2012．01．002

1671－6906（2012）01－0004－03

2011－11－04

国家自然科学基金项目（50977093）；河南省基础与前沿技术研究计划项目（102300410203）

张 莹（1984－），女，河南郑州人，硕士．