高瓦斯矿发火区封闭时对瓦斯爆炸界限因素的影响＊

周西华，孟 乐，史美静，郭梁辉，赵建元，冯寸寸

（1.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，辽宁 阜新 123000；2.辽宁工程技术大学矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁 阜新 123000）

矿井瓦斯爆炸是煤矿特有的、危害极其严重的灾害［1］。瓦斯爆炸不仅造成人员伤亡和财产损失，而且会严重摧毁井下设施，中断生产。有时还会引起煤尘爆炸和井下火灾，从而加重了灾害。高瓦斯矿井发生燃烧的火区，产生高温和大量的可燃可爆气体，改变了瓦斯爆炸的界限，大大增加了瓦斯爆炸的危险性。所以如何及时、准确地监测火区温度和气体的体积分数，判别预测爆炸危险性显得尤为重要。通过实验对影响瓦斯爆炸界限的因素进行研究，可以有效地预测和控制火区瓦斯爆炸，保证安全生产。

1 瓦斯爆炸界限实验系统

爆炸界限也称爆炸极限，其含义是可燃气体与空气或氧气混合后，遇到火源会产生爆炸现象的可燃气体的极限体积分数，即在某个极限体积分数之内的混合气体，爆炸会自动蔓延开来。可能产生爆炸的可燃气体最低极限体积分数称为爆炸下限，最高极限体积分数称为爆炸上限。瓦斯爆炸界限的影响因素主要包括环境温度、气压、氧气体积分数、煤尘、其他可燃气体、引火源点燃能量和惰气［2］。

实验系统主要由爆炸装置、配气系统、控制系统（包括温度、压力、点火控制）和爆炸参数测试系统组成［3］，如图1所示。

图1 瓦斯爆炸界限测试系统示意图Fig.1 Schematic of test system for gas explosion limits

爆炸指标参数主要包括爆炸极限、爆炸压力等。实验遵循的标准为EN1839（B）［4］。依照标准对装置的要求，爆炸圆筒罐高、外径、壁厚分别为220、219和6.5mm，体积5L。顶部开6个螺纹孔，用于进气、测压、抽真空等。罐体中央放置点火电极，电极用火花塞固定。该系统通过热电偶和压强传感器测温度、压强，再通过相应通道在计算机上显示爆炸时的温度、压强。爆炸的判定标准为压力升高5%。

实验条件：温度28～32℃，大气压力为约100kPa。实验用的CH4、N2、CO2等气体纯度均为99.99%。系统通过压力配比的方法实现气体配备，具体操作步骤为：用真空泵将反应罐内抽至真空；由于气体压力比等于体积分数比，将CH4、惰性气体、空气等气体顺次充入反应罐；每次完成实验后，用真空泵抽出爆炸主体罐内气体，再打开相应阀门充入空气，将主体罐内废气排尽。

实验方法：分别以常温常压下瓦斯爆炸上、下限15%、5%［5］为基准反复实验。如爆炸则逐渐降低瓦斯体积分数，直到不爆炸为止，所得爆炸的最小体积分数为爆炸下限；相反，如果不爆炸则逐渐增加瓦斯体积分数，直到不爆炸为止，所得的最大体积分数为爆炸上限［6－8］。常温常压下瓦斯爆炸界限见表1。

表1 常温常压下瓦斯气体爆炸界限Table1 Gas explosion limits at normal temperature and pressure

图2 不同温度下瓦斯的爆炸界限Fig.2 Methane explosion limits at different temperatures

2 瓦斯爆炸影响因素及影响规律

2.1 温度对瓦斯爆炸界限的影响

由于火区温度复杂多变，因此研究不同温度下的气体爆炸特性十分必要。实验时，首先将爆炸罐体抽真空，然后注入CH4，待气体配好后再升温，选择在常压50、75℃下进行实验，实验得出爆炸上、下限随温度变化的曲线如图2所示。由图2可知，随着温度的升高，瓦斯的爆炸上限呈现上升的趋势；爆炸下限则变化不大，且呈现缓慢下降的趋势。温度升高会使可燃气体混合物的爆炸危险性增加。

图3 不同压力下瓦斯的爆炸极限Fig.3 Methane explosion limits at different pressures

2.2 压力对瓦斯爆炸界限的影响

在测定不同压力下瓦斯爆炸上、下限时，根据前面的经验，先抽真空，然后注入CH4，最后改变压力，进行实验研究。本次实验，测定了常温下压力为0.1、0.12MPa等情况下瓦斯爆炸上、下限，通过实验得出爆炸上下限随压力变化的曲线如图3所示。由图3可知，压力变化时，CH4爆炸下限在变化很小，爆炸上限随着压力的增加呈现快速上升的变化趋势。总的来看，增大压力，爆炸界限范围扩大，爆炸危险性增加。

2.3 CO对瓦斯爆炸界限的影响

火区往往存在有多种可燃气体，爆炸时其他可燃气体的存在对失爆极限点的影响很大。以CO作为可燃气体，在CO的体积分数为0、1%、5%、10%等4种情况下CH4爆炸极限点进行实验。与此同时，温度也在50、75、100℃等3种情况下变化。不同温度、不同CO体积分数的多次实验，增加了实验数据的现实意义。通过实验得到数据，绘制出混入CO后不同温度下瓦斯爆炸极限变化关系如图4所示。从图4明显可以看出，在混入CO的情况下，随着温度升高爆炸上限升高，爆炸下限下降，并且随着CO体积分数的增加，爆炸范围明显扩大。

图4 不同温度下混入不同体积分数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对瓦斯爆炸界限的影响

实验得出：加入N2惰化后，在失爆临界点上O2的体积分数为13.5%，CH4的体积分数为6.4%，注入 N2的体积分数为29.1%。逐渐增加 N2的体积分数，降低CH4的体积分数，反复实验都未爆炸，此点即定义为注入N2时的失爆临界点。注入N2时，瓦斯爆炸界限与O2体积分数的关系曲线如图5所示。由图5可知，随着N2气体注入，O2体积分数下降，CH4爆炸下限随O2体积分数的降低而升高，爆炸上限随O2体积分数的降低而减小，爆炸界限范围逐渐缩小，爆炸危险性降低。

图5 混入N2后不同O2体积分数下瓦斯的爆炸界限Fig.5 Methane explosion limits when mixed with different volume fractions of O2after injected N2

2.5 CO2对瓦斯爆炸界限的影响

实验得出：CO2惰化时，失爆临界点氧的体积分数为15.9%，CH4的体积分数为7.8%，此时CO2的体积分数为16.23%。同样，逐渐增加CO2的体积分数，降低CH4的体积分数，反复实验都未发生爆炸，此点即定义为CO2的失爆临界点。注入CO2惰化时，瓦斯爆炸界限与O2体积分数的关系如图6所示。由图6可知，随着CO2的增加，O2的体积分数逐渐下降，CH4爆炸界限下限随O2体积分数的降低而升高，爆炸上限随O2体积分数的降低而降低，爆炸界限范围逐渐缩小。

通过比较可以发现：惰化瓦斯爆炸时，CO2的惰化效果优于N2。

图6 混入CO2后不同O2体积分数下瓦斯的爆炸界限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区

根据上述实验结果，分别用N2、CO2气体惰化时，对于O2在不同的体积分数下，瓦斯爆炸界限如图7所示。图7中CH4直接与空气爆炸实验时的爆炸下限点B′（φ（CH4）＝5.29%，φ（O2）＝19.82%），爆炸上限点C′（φ（CH4）＝13.16%，φ（O2）＝18.18%），与 传 统 的 爆 炸 下 限 点 B（φ（CH4）＝5%，φ（O2）＝19.88%），爆炸上限点C（φ（CH4）＝13.5%，φ（O2）＝18.10%）相比，与空气混合爆炸的界限范围小。根据N2和CO2惰化时瓦斯爆炸界限的变化关系，得出混合N2气体时，包含爆炸界限中所有爆炸点的最小三角形△B′C′E′和混合CO2时的最小三角形△B′C′F′为爆炸三角形（图7中虚线所示的三角形）。由于不同的实验条件下，得到的瓦斯爆炸界限的上、下限会有一定变化，就以爆炸下限最低值和爆炸上限最高值为准绘制爆炸三角形。即过B、C点分别作B′E′、C′E′ 的 平 行 线 交 于 点 E（φ（CH4）＝5.25%，φ（O2）＝11.34%），同理，作B′F′、C′F′ 的 平 行 线 交 于 点F（φ（CH4）＝6.13%，φ（O2）＝14.65%），即 E 是加入N2气体惰化时爆炸临界点，F是加入CO2气体惰化时的爆炸临界点。

图7 常温常压下瓦斯爆炸界限的三角形图Fig.7 Diagram of methane explosion triangle at normal temperature and pressure

为了使爆炸三角形对生产实际中防治瓦斯爆炸具有一定的指导意义，参考相关文献［6－8］，对瓦斯爆炸危险性进行惰化分区，如图8所示。可划分为：爆炸危险区（Ⅰ区），瓦斯体积分数过低不爆区（Ⅱ区），瓦斯体积分数过高不爆区（Ⅲ区）和O2体积分数过低不爆区（Ⅳ区）。

图8（a）所示为传统分区，图8（b）所示为新的惰化分区。B为瓦斯爆炸下限，C为瓦斯爆炸上限，E为注入CO2气体惰化时爆炸临界点，E′为注入N2气体惰化时爆炸临界点。BE为注入CO2气体惰化时的瓦斯爆炸下限边界，直线BE的方程为：φ（O2）＝43.02－4.62φ（CH4）；BE′为注入N2气体惰化时瓦斯爆炸下限边界，直线BE′的方程为：φ（O2）＝190.68－34.16φ（CH4）；CE为注入CO2气体惰化时瓦斯爆炸上限边界，直线CE的方程为：φ（O2）＝11.78－0.46φ（CH4）；CE′为注入N2气体惰化时瓦斯爆炸上限边界，直线CE′的方程为：φ（O2）＝7.03－0.81φ（CH4）；FE为注入CO2气体惰化时O2的临界体积分数线，直线FE的方程为：φ（O2）＝15.61－0.15φ（CH4）；F′E′为注入N2气体惰化时O2的临界体积分数线，直线F′E′的方程为：φ（O2）＝11.97－0.12φ（CH4）；ED 为注入CO2气体惰化时瓦斯的临界体积分数线，直线ED 的方程为：φ（O2）＝20.93－1.02φ（CH4）；E′D′为注入N2气体惰化时瓦斯的临界体积分数线，直线E′D′的方程为：φ（O2）＝20.92－1.82φ（CH4）。

图8 瓦斯气体爆炸界限与O2体积分数关系及惰化分区图Fig.8 Relation between methane explosion limits and oxygen volume fraction and diagram of inerting division

这2种划分方法的区别在于Ⅱ区与Ⅳ区分界线不同。从图8（a）中可以看出：新的惰化分区与传统分区相比具有明显的优点：（1）传统分区的Ⅳ区中，△ADO区是贫氧不爆区，但在Ⅳ区邻近Ⅱ区的分界线AE附近，O2的体积分数明显高于瓦斯爆炸时O2的临界体积分数，并非贫氧区域。而图8（b）中新划分出的惰化区域，用直线EF明确在Ⅳ区中划分出了贫氧区。（2）火区在封闭前位于Ⅱ区，在封闭过程中，风量减少，瓦斯的体积分数升高，逐渐进入Ⅰ区，为防止爆炸可采取注惰性气体的措施，降低O2和瓦斯的体积分数，进入EF线以下的Ⅳ区后，即可直接封闭；若瓦斯的体积分数再升高，气体状态将进入Ⅲ区，而不经过Ⅰ区，即可实现安全封闭。（3）能计算出惰化火区到EF线以下所需的惰性气体量。

4 结 论

（1）瓦斯气体的温度升高、压力增大、生成的可燃气体CO的体积分数增加等因素，都会使瓦斯的爆炸危险性增加。

（2）注入惰性气体N2和CO2，可以降低瓦斯爆炸的危险性。注入N2气体惰化时，瓦斯爆炸临界点CH4的体积分数为5.25%，注入CO2气体惰化时，瓦斯爆炸临界点CH4的体积分数为6.13%，CO2的惰化效果优于N2气体。

（3）根据实验结果，绘制瓦斯爆炸区域三角形，并进行了新的惰化分区划分，明确了CH4体积分数过低不爆区和贫氧区的O2的体积分数临界线，给出了CH4爆炸界限与氧体积分数关系的爆炸三角形特征点及特征线方程，绘制出瓦斯爆炸的4个分区，可编制程序，快速检测煤矿采空区或火区气体是否具有爆炸危险性，并且能够快速计算惰化火区所需的惰性气体量。

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