矿井瓦斯爆炸条件及其影响因素

王忠成/方正县煤矿安全生产监督管理局

矿井瓦斯爆炸条件及其影响因素

王忠成/方正县煤矿安全生产监督管理局

矿井瓦斯是成煤过程中的一种伴生气体，是指煤矿井下的以甲烷（CH4）为主的有毒、有害气体的总称，有时单指甲烷。瓦斯爆炸是煤矿生产中最严重的灾害之一，后果严重，因此掌握瓦斯爆炸的条件及其影响因素对煤矿安全生产工作极为重要。

瓦斯在煤层及围岩中的赋存状态有两种，一种是游离状态，另一种是吸附状态，当煤层（围岩）采动时，煤层（围岩）受到破坏，贮存在煤体内的部分瓦斯就会离开煤（岩）体，涌入采掘空间，当与空气混合后，瓦斯浓度在5%-16%之间，氧气浓度不低于12%时，遇到高温火源就会发生爆炸，并在瞬间释放出大量能量，其化学反应式为：

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

爆炸时产生的高温高压促使爆炸附近气体以极大的速度（可达每秒几百米）向外传播，形成冲击波造成人员伤亡，同时产生大量的有毒有害气体。

瓦斯爆炸必须同时具备三个条件，即一定浓度的瓦斯，一定温度的引燃火源和足够的氧含量，三者缺一不可。

一、瓦斯浓度

瓦斯只在一定的浓度范围内爆炸，这个浓度范围称瓦斯的爆炸界限。其最低浓度界限为爆炸下限，最高浓度界限为爆炸上限。瓦斯在新鲜空气重的爆炸下限位5%～6%，上限为14%～16%。

根据链式反应理论，瓦斯吸收足够的热量后，就将分解出大量活化中心，并放出一定的热量。如果生成的热量超过周围介质的吸热和散热能力，而混合气体中又有足够的CH4和O2存在，足以使链反应发展，就会形成更多的活化中心，使氧化过程迅猛发展成为爆炸；若参与反应的瓦斯浓度不够，反应速度就不能发展成为爆炸。又若瓦斯浓度过高，相对来说O2浓度就过低，而且CH4的的吸热能力比空气大，氧化生成的热量容易被周围介质所吸收，当然也不能发展为爆炸。这两种情况下都只能发生瓦斯的燃烧。因此，瓦斯浓度低于爆炸下限时，遇高温火源并不爆炸，只能在火焰外围形成稳定的燃烧层，此燃烧层呈浅兰或淡青色。浓度高于爆炸上限时，在该混合气体内不会爆炸，也不燃烧。如有新鲜空气供给时，可以在混合气体与新鲜空气的接触面上进行燃烧。

由于瓦斯的主要成分是甲烷，根据甲烷燃烧或爆炸的化学反应式可知，一个体积的甲烷需要2个体积的氧气才能发生完全反应。新鲜空气中一个体积的氧，必有79.04÷20.96=3.77个体积的氮、二氧化碳及其他惰性其他同事存在。因此要使一个体积的甲烷全部参加反应就需2×（1+3.77）=9.54个体积的新鲜空气。此时混合气体中的甲烷浓度应为1÷（1+9.54）× 100%=9.5%。在矿井空气中，氧的浓度较低，《规程》规定不得低于20%，如以20%计算，则反应完全的甲烷浓度应为（1÷11）×100%=9.1%，即当矿井空气中的甲烷浓度为9.1%时，瓦斯爆炸反应最完全，产生的动力效应最强。

实践证明，瓦斯的爆炸界限不是固定不变的，它受到许多因素的影响，其中重要的是：

（1）其他可燃气体的存在。两种以上可燃气体同时存在时，这类混合气体的爆炸界限决定于各可燃气体的爆炸界限和它们的浓度。也就是说，如果瓦斯一空气混合物中还存在着其他可燃气体，那么这种混合气体的爆炸界限就不是各单个可燃气体的爆炸界限了。一般来说，瓦斯一空气混合气体中，如果混入的其他可燃气体的爆炸下限比瓦斯的爆炸下限低，那么混合气体的爆炸下限也就比瓦斯单独存在时的爆炸下限低。爆炸上限也是这样。所以判断煤矿自燃火区内的爆炸危险时，不能只以瓦斯浓度为准。通常建议，只单独测定瓦斯浓度时，应以3.5%作为火区有无爆炸危险的下限浓度。

（2）煤尘的混入。浮游在瓦斯混合气体中的具有爆炸危险性的煤尘，不仅能增加爆炸的猛烈程度，还可降低瓦斯的爆炸下限。这是因为在温度300℃～400℃时，煤尘会干馏出可燃气体。实验表明，当煤尘浓度达68g/m3时，瓦斯的爆炸下限降低到2.5%。

（3）惰性气体的混入。如果在瓦斯混合气体中加入了惰性气体，则爆炸下限提高，上限降低，即爆炸范围减小。如在烷空气体中加入某些卤代碳氢化合物（如CBr2F2），就能抑制其爆炸，因为惰性气体具有捕捉燃烧反应中起火化中心作用的自由基的能力，从而抑制了链式反应，可中止燃烧过程。例如，如果在瓦斯混合气体中氮含量超过81.69%或二氧化碳含量超过22.8%，则任何浓度的瓦斯都不会爆炸。

（4）混合气体的初温和初压。实验表明，瓦斯的爆炸界限随爆炸前环境的温度（初温）和压力（初压）而变化，随着温度的升高，瓦斯爆炸下线下降、上限升高，即爆炸范围扩大，如表1所示。爆炸初始时环境的气压对瓦斯气体的爆炸界限也有很大影响，随着环境压力的升高，瓦斯爆炸下限变动很小而上限上升很大，这个规律对烃类气体都适用，如表2所示。所以井下发生火灾或爆炸时，高温和高压会使正常条件下未达爆炸浓度的瓦斯发生爆炸。

表1 瓦斯爆炸界限与初始温度的关系

二、一定温度的引燃火源

1.瓦斯的点燃温度与点燃能量。点燃瓦斯所需的最低温度是它的点燃温度，所需的最低点燃能量称点燃能量。一般认为，正常大气条件下，瓦斯在空气中的着火温度为650℃～750℃，瓦斯的最小点燃能量为0.28mJ（有关电气规程规定的安全着火能量为0.25mJ）。煤矿井下的明火、煤炭自燃、电弧、电火花，赤热的金属表面和撞击或摩擦火花都能点燃瓦斯。

影响点燃温度与点燃能量的主要因素有空气中的瓦斯浓度、氧浓度、初压和火源性质。

（1）瓦斯浓度的影响。不同的瓦斯浓度，引火温度也不同。例如，当瓦斯浓度为2%时，点燃温度为810℃；当瓦斯浓度为7.6%时，点燃温度为510℃；当瓦斯浓度为11%时，点燃温度为539℃；瓦斯最容易点燃的浓度为7%～8%，而不是爆炸最猛烈时的浓度9.5%。

（2）气体压力的影响。混合气体压力大，点燃温度低。正常大气压力下点燃温度为700℃；当混合气体压力增加到2836.4kPa（28个大气压）时，点燃温度将为460℃。混合气体的温度越高，点燃温度越低。火源面积越大，点火时间越长，越易点燃。

2.瓦斯的引火延迟性。瓦斯与高温热源接触时，不是立即燃烧或爆炸，而是要经过一个很短的间隔时间，这种现象称引火延迟性，间隔的这段时间称感应期。感应期的长短与瓦斯浓度、火源温度和火源性质有关，而且瓦斯燃烧的感应期总是小于爆炸的感应期。表3为瓦斯爆炸的感应期与火源温度关系表。由2-6可见，火源温度升高，感应期迅速下降；瓦斯浓度增加，感应期略有增加。

表3 瓦斯爆炸感应期与火源温度及瓦斯浓度关系表

瓦斯爆炸的感应期，对煤矿安全生产意义很大。例如，使用安全炸药爆破时，虽然炸药爆炸的初温能达到2 000℃左右，但是在绝大多数情况下，这一高温存在时间极短（一般为几毫秒），小于瓦斯的爆炸感应期，所以不会引起瓦斯爆炸。如果炸药质量不合格，炮泥充填不紧或放炮操作不当，火焰存在时间就可能延长，一旦超过感应期，就能发生瓦斯燃烧或爆炸事故。

另外，硝铵炸药爆炸后分解的二氧化氮（NO2）能使瓦斯爆炸感应器缩短。再加上爆破冲击波对气体的冲击压缩作用，井下放炮时，瓦斯的实际感应期将比表3所列时间短。因此，放炮常可引起瓦斯事故，必须严格遵守《规程》中有关爆破作业的规定。

煤矿井下用的电气自动控制装置的电流却断时间必须小于瓦斯爆炸的感应期。这就必须做好这类装置的管理和维修工作。

3.井下引燃瓦斯的热源种类。

（1）明火和热辐射。（2）放炮火焰（3）冲击、摩擦火花。（4）电弧、静电火花。

三、足够的氧含量

瓦斯爆炸是一种迅猛的氧化反应，没有足够的氧含量，就不会发生瓦斯爆炸。瓦斯的爆炸界限随混合气体中氧气浓度的降低而缩小。当氧气浓度额外降低时，爆炸下限变化不大，爆炸上限则明显降低。氧浓度低于12%时，混合气体失去爆炸性。