浅谈瓦斯爆炸的主要参数

马银凤

摘要：随着社会的发展，人们的安全意识得到了不断的加强。近年来，煤炭、矿山等企业由于煤气泄漏、瓦斯爆炸等造成的伤亡事故时有发生，严重影响和制约了煤炭企业的安全生产。

关键词：瓦斯爆炸 引爆參数 点火能量

1 概述

搞好瓦斯管理和杜绝瓦斯爆炸事故始终是煤矿安全工作的一项重大任务。为了使矿井工人对瓦斯爆炸有更深层的了解，进而在一定程度上有效预防瓦斯爆炸，从而提高他们的安全意识、增强他们对瓦斯爆炸的直观认识与了解，本文结合矿井瓦斯爆炸规律，对瓦斯爆炸参数进行了初步研究和分析。

2 瓦斯爆炸产生的危害

2.1 瓦斯的性质

瓦斯通常指甲烷，是一种无色、无味的气体。在标准状态（气温为0℃、大气压为101361.53Pa）下，1m3甲烷的质量为0.7168kg，而1m3空气的质量为1.293kg，甲烷比空气轻，其相对密度为0.554。甲烷的扩散性很强，扩散速度是空气的1.34倍。

甲烷无毒，但空气中甲烷浓度的增高会导致氧气浓度的降低。当空气中甲烷浓度为43%时，氧气浓度降至12%，人会感到呼吸困难；当空气中甲烷浓度为57%时，氧气浓度降至9%，人会处于昏迷状态。甲烷在空气中达到一定浓度后，遇到高温热源能燃烧和爆炸。

2.2 产生的危害

在煤矿资源开采过程中，发生瓦斯爆炸造成的后果极其严重。瓦斯爆炸时产生的高温高压，通过气浪以极大的速度向外冲击，给人民的生命财产安全造成巨大的损失，并且对巷道和设备器材造成重大的损坏。在瓦斯爆炸的过程中，掀起的大量煤尘并参与瓦斯爆炸，进而在一定程度上增加了破坏的力度，其危害可想而知。

2.2.1 爆炸温度

根据权威机构研究表明，当瓦斯浓度超过9.5%，遇到明火时发生爆炸，爆炸产生的瞬时温度，在自由空间内高达1850℃，在封闭的空间甚至达到2650℃。由于井下巷道属于半封闭的空间，所以巷道内发生瓦斯爆炸，其爆炸温度超过1850℃，在这种高温的环境下，瓦斯爆炸产生的高温会对人员和设备造成重大伤害和损失，甚至引发井下火灾，扩大火情等灾害。

2.2.2 爆炸压力

矿井内发生瓦斯爆炸产生的高温，使得巷道内的气体在短时间内急剧膨胀，并且在连续爆炸以及爆炸产生的冲击波相互叠加的作用下，巷道内的压力骤然增大，爆炸产生的冲击压力会不断增加。根据权威机构测定，瓦斯爆炸产生的压力约是爆炸前的10倍，在高温高压的作用下，爆炸源处的气体以极高的速度向前冲击。

2.2.3 有毒有害气体

瓦斯爆炸后，将产生大量有毒有害气体。根据研究分析，瓦斯爆炸后巷道内气体的主要成份为：氧气（O2）6%～10%、氮气（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员伤亡的重要原因。如果瓦斯爆炸时掀起煤尘，并且煤尘参与爆炸，那么产生的一氧化碳会更多、其浓度会更大，造成的危害更严重。根据相关资料统计，在瓦斯、煤尘爆炸事故中，因一氧化碳中毒而死亡的人数占总死亡人数的70%以上。按照《规程》的相关规定，入井人员要配备自救器。

3 瓦斯爆炸的原因分析

3.1 瓦斯浓度的影响

当瓦斯达到一定的浓度，在遇到火源的情况下才有可能发生瓦斯爆炸。当瓦斯浓度低于5%时，即使瓦斯遇火源也不发生爆炸，因为瓦斯浓度仅够维持燃烧，因此，在火源的外围只发生燃烧现象；当瓦斯浓度超过16%时，瓦斯遇火源爆炸和燃烧均不发生，因为在高浓度的瓦斯环境中，缺少助燃的空气或氧气，其氧化反应不会发生，进而燃烧和爆炸现象不会出现。当注入新鲜空气时，在接触面发生燃烧现象。根据氧化反应可知，当瓦斯浓度过低时，瓦斯燃烧不足以发展成链锁反应构成爆炸；当瓦斯浓度过高，发生氧化反应时，其助燃作用的氧浓度不够，氧化反应难以持续，所以不会发生爆炸。

3.1.1 确定瓦斯爆炸的界限

所谓瓦斯爆炸的界限就是可燃气体与空气（氧气）混合后，在火源的作用下发生爆炸现象的可燃气体的浓度，也就是混合气体达到一定浓度时，爆炸现象会逐步蔓延。此时，产生爆炸的可燃气体的最低浓度称为爆炸下限；最高浓度称为爆炸上限。为了有效地预防瓦斯爆炸，研究分析瓦斯浓度至关重要，通过理论研究分析以及实践证明，在常温常压环境下，瓦斯在空气中的爆炸下限为5%—6%，当瓦斯浓度低于爆炸下限时，瓦斯遇火源也不会发生爆炸现象，只在火源的外围发生燃烧现象；瓦斯在空气中的爆炸上限为14%-16%，瓦斯浓度高于爆炸上限时，瓦斯在混合气体内也不会发生爆炸或燃烧现象。

3.1.2 瓦斯爆炸极限的影响因素

影响瓦斯爆炸界限受很多因素的影响，以下从几个方面进行介绍。

①温度对爆炸界限的影响

甲烷的爆炸界限与环境温度的关系如表1所示。

由表可知，随着温度的升高，甲烷爆炸下限下降、上限升高，即爆炸范围扩大。

②气压对爆炸界限的影响

爆炸时环境气压对甲烷的爆炸界限也有影响，如表2所示：

由表可知，随着环境压力的升高，甲烷爆炸下限变动很小而上限上升很大，这个规律同样适用于烃类气体。

③煤尘的影响

空气中的煤尘，在一定程度上会降低甲烷的爆炸下限。因为煤尘本身具有爆炸性，而且在高温条件下，煤尘会干馏出可燃气体，进而使甲烷爆炸下限下降。

④其它可燃其他存在的影响

在瓦斯和空气的混合气体中，如果硫化氢、乙烷等可燃性气体混入，由于这些气体有爆炸性，增加了爆炸气体的总浓度，而且会使瓦斯爆炸下限降低，从而扩大了瓦斯爆炸的界限。表3为常见的几种可燃气体的爆炸界限。

⑤惰性气体的混入

瓦斯和空气的混合气体中，混入惰性气体将使氧气的含量降低，可以缩小瓦斯的爆炸界限，降低瓦斯爆炸的危害性。

3.2 氧气浓度

氧浓度是构成瓦斯爆炸的三要素之一，对混合气中氧含量的研究具有十分重要的意义。由于我们所参考的瓦斯爆炸实验装置的缺陷，无法直接调节氧气浓度。为实现氧气浓度对瓦斯爆炸影响实验，本文是通过增加巷道内的氮气来降低氧气浓度。

3.2.1 氧浓度对瓦斯爆炸的影响

①氧浓度对爆炸的影响

常温常压下，瓦斯爆炸浓度与氧浓度有关，如图1所示为柯瓦德爆炸三角形，前人试验表明，瓦斯爆炸下限缓慢地增高，如图1中的BE线表示，爆炸上限则迅速上升，如图1中的CE线表示。当氧浓度低于12%时，混合气体就失去爆炸性。

爆炸三角形对火区封闭或启封时，以及惰性气体灭火时判断有无瓦斯爆炸危险，有一定的参考意义。

②失爆氧浓度

爆炸临界点处的氧浓度称为失爆氧浓度，如果混合气体中氧浓度低于比值，则混合气体因缺氧而失去爆炸性；反之，因富氧为爆炸提供了条件。

3.2.2 氧浓度对瓦斯爆炸影响的测定

由于本文参考的瓦斯爆炸实验装置不够完善，无法直接调节氧浓度来做氧浓度对瓦斯爆炸的影响，本文是通过注氮气的办法来调节混合气体中氧含量。

根据实验分析可看出在瓦斯浓度和点火能量一定时，氧气浓度影响瓦斯爆炸，当氧气浓度富裕时，瓦斯就不会爆炸；当氧气浓度很低时瓦斯也不发生；只有氧气浓度和瓦斯浓度在一定比例范围内时，瓦斯才会发生爆炸。同时也表示出当氧浓度降低时爆炸压力也明显减小，且温度逐渐升高，失爆氧浓度约为12%。

3.3 点火能量对瓦斯爆炸影响

3.3.1 点火能量对瓦斯爆炸的影响

①最小点燃能量

最小点燃能量是可燃气体的重要安全技术参数之一。它不仅与可燃性气体组分种类有关，而且也随着可燃气体的浓度而变化。在爆炸上、下限附近，需要的点燃能量最大；在化学当量浓度（可燃气体与空气中的氧正好燃尽时的可燃气体的浓度）时，需要的点燃能量最小，即最容易点燃。瓦斯空气混合气体的最低点燃能量为0.28MJ。

②点燃能量对爆炸的影响

爆炸范围随着点火源向邻近混合气体层传输能量的增大而变宽，如表4所示：

3.3.2 点火能量的测定

点火系统有脉冲发生器、电压转换器以及显示器组成，其检测方框图如图2所示：

根据瓦斯爆炸所需最低点火能量为0.28MJ，模拟井下电火花自制了点火器，它能在一定的电压下击穿空气形成电火花。电压表为智能HB404型。HB404智能电压表的主要技术参数有直流电压测量精度：±（0.8%+3d）；交流电压测量精度：±（1.0%+5d）；响应频率：40～400Hz；交流电压显示范围：0～9999；工作电源：AC22～260V（DC22～360V）/4W；繼电器触点寿命：105次；变送输出精度：±（0.8%+3d）12位。电压转换是将低电压转换成高电压，直流电转换成交流电。

由于本文参考的瓦斯爆炸实验装置不够完善，无法实现在正常大气压下测出瓦斯爆炸所需的最小点火能量，但能做点火能量对瓦斯爆炸的影响。实验结果表明点火能量越大，爆炸范围也就越宽，其发生瓦斯爆炸的可能性就越大。

4 结束语

本文是通过对瓦斯爆炸的爆炸极限和温度、点火能量来控制点火能量的大小等研究分析瓦斯爆炸规律，进而掌握瓦斯爆炸的工作原理，达到掌握并利用所学安全知识的目的。

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