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1、瓦斯爆炸机理及防治技术研究,主讲人： 林柏泉 教 授 联系方式：电话0516-3884140 E-mail:L,安全技术及工程学科研究生学术讲座之一,主要内容,一、前言 二、我国煤矿安全状况 三、瓦斯爆炸机理及防治技术 四、结束语,一、前言,我国常规能源构成 煤炭资源总量 5.57万亿吨 石油总资源量 940亿吨 煤层气资源量 35万亿立方米,煤炭工业安全生产是我国国民经济可持续发展的根本保证,能源是现代文明的动力，从整个人类文明发展历史长河来看，文明的积累和提升，人类社会的可持续发展，无不以能源利用为基础。,能源工业基础产业,煤炭工业支柱产业,安全生产根本保障,1999年一次能源生产构成,中
2、国近50年能源消费构成预测,二、我国煤矿安全状况,煤矿是我国工矿企业灾害事故的主要来源：2002.01-12，工矿企业一次死亡10人的重大事故中，煤矿事故占90%，非煤矿山事故占4%，其他占6%。 煤矿3人以上死亡事故构成(2002)：瓦斯事故69.1%，其它30.9%。 事故原因分析：与技术原因有关造成的事故占54.9%,近年来死亡人数在6769人- 5670人（1998-2002） 百万吨死亡率5左右，与先进国家差距大。 原因：中国煤层赋存条件复杂，缺乏有效的控制技术措施-重大灾害防治技术基础研究不够。,瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出事故,我国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家，至今已经发生了1万多
3、次突出事故，最大一次突出煤岩量达12800吨。,6.20鸡西城子河矿瓦斯爆炸事故，死亡124人,2002年发生的一次死亡10人以上事故中，瓦斯爆炸事故占80%,突破关键科学问题是防治灾害的根本途径,开采技术不断提高 （综采比例57%） 自然条件不断恶化 （深部延拓，三高） 管理水平不断加强,需要解决的关键科学问题之一： 瓦斯煤尘爆炸机理及控制关键技术基础,防治重大动力灾害必须突破关键科学问题,建立煤矿安全生产长效机制的根本保障,重大动力灾害事故不断发生 原因:缺乏有效监测监控措施,瓦斯煤尘爆炸机理及控制关键技术基础,国外：美国、加拿大、荷兰、波兰等建立了瓦斯与粉尘爆炸试验系统，提出了理论计算模
4、型。 国内：中科院力学所、南京理工大学、北京理工大学、重庆煤科分院对爆炸传播规律进行了研究。 中国矿业大学：建立了大型的瓦斯爆炸模拟实验系统，在爆炸波传递规律上取得研究进展。 主要问题：瓦斯爆炸机理及传播规律？瓦斯爆炸加速过程的热动力学规律？传热传质规律？链式反应过程？连续爆炸问题等。 导致后果：瓦斯爆炸事故不能得到有效控制，加重灾害破坏程度并给救灾造成困难。,矿井瓦斯爆炸是一种链式反应,当爆炸混合物吸收一定的能量后，反应物分子的链即行断裂，离解成两个或两个以上的游离基(或叫自由基)，这种游离基具有很强的化学活性，成为反应连续进行的活化中心。在适当的条件下，每个游离基又可进一步分解，产生两个或
5、两个以上的游离基，如此循环不已，化学反应也越来越快，最后发展为燃烧或爆炸式的氧化反应（其中的中间过程有20个方程左右）。 CH4+2O2=CO2+2H2O+882.6kJ/mol ( 1 ),三、瓦斯爆炸机理及防治技术 1、瓦斯爆炸机理及其传播规律,问题：如何切断链式反应，了解中间产物。,热爆炸理论： 在充满混合可燃气体的空间内，当其发生燃烧或爆炸时，将以快速传播的化学反应区域或称为燃烧波的形式传播到整个空间。其燃烧波阵面上的化学反应，可用如下反应式表示： A+BC+D+Q (1) 式中 A、B反应物； C、D生成物； Q反应热。,图1 能量变化,三、瓦斯爆炸机理及防治技术 1、瓦斯爆炸机理及
6、其传播规律,问题：如何及时排除爆炸过程中产生的热量。,瓦斯爆炸必须具备三个条件： 甲烷的浓度处于爆炸范围（5%-15%），氧浓度超过失爆氧浓度（12%），引火源的能量大于最小点燃能量（0.28mJ）、温度高于最低点燃温度和点燃时间长于感应期。 矿井瓦斯爆炸是发生在具有网络特征的受限空间中的气体爆炸，一旦发生，往往会在矿井巷道中迅速传播，并且由于存在障碍物，爆炸波和火焰传播速度会迅速提高，导致瓦斯爆炸从爆燃阶段迅速发展为爆炸和爆轰状态，使矿井通风系统受到严重破坏、灾害事故范围迅速扩大。 实际问题：井下巷道有时仅仅出现瓦斯燃烧，有时则发生严重的爆炸现象。 原 因：初步认为与传播规律有关。,三、瓦斯
7、爆炸机理及防治技术 1、瓦斯爆炸机理及其传播规律,瓦斯爆炸实验系统示意图,Gas explosion tube,Ignition device,Flame speed measuring device,explosion pressure measuring device,Data acquisition and analysis system,瓦斯爆炸实验管道系统,实验系统特色,瓦斯爆炸实验研究系统特色： 实验系统为复杂管网、测试和分析手段先进，利用这些手段可研究瓦斯爆炸过程中的特征参数变化规律及其抑爆、隔爆技术等。,荷兰Delft University of Technology 爆炸实验
8、室,美国Pittsburgh Lake Lynn实验矿井,北京理工大学爆炸与防护实验室,中国科学院力学研究所气体与粉尘爆炸实验室,1、气体爆炸传播规律 1）爆炸过程中火焰速度与超压的关系曲线,表2 超压对人员的损伤程度,表3 不同超压对构筑物的破坏程度,爆炸波伤害效应、爆炸火球热辐射伤害效应、爆炸破片伤害效应等 （1）爆炸波伤害效应：超压准则， 冲量准则、 超压-冲量准则。,2、爆炸事故伤害模型,P1,超压准则：,爆炸波是否对目标造成伤害是由超压所决定的，只有当超压大于或等于某一临界值时，才会对目标造成一定的伤害。,只有当作用于目标的爆炸波冲量或超压达到某一临界值时，才会引起目标相应等级的伤害
9、。,瓦斯爆炸伤害模型：超压-冲量准则,爆炸火球伤害效应,（2）爆炸火球伤害效应： 爆炸能够产生火球，辐射出大量的热能。人被火球包围或受火球的强烈热辐射时可能受到伤害，严重时导致死亡；可燃物在爆炸火球的热辐射作用下则可能着火，产生次生火灾。 （3）破片伤害效应：,障碍物对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的影响作用,两个障碍物,六个障碍物,四个障碍物,提出了阻爆隔爆措施的响应时间问题？,瓦斯爆炸过程中爆炸波的传播规律,瓦斯爆炸过程中火焰的传播规律,障碍物的存在引起的爆炸波跌加情况,火焰传播过程的模拟,瓦斯爆炸过程中火焰的发展变化特征 支架对火焰传播的影响,瓦斯爆炸过程中火焰的发展变化特征,0.s,34/
10、2000.s,33/2000.s,32/2000.s,6/2000.s,14/2000.s,19/2000.s,24/2000.s,29/2000.s,31/2000.s,36/2000.s,35/2000.s,障碍物数对火焰传播速度的影响,（a） 没有障碍物,(b) 两个障碍物,(c) 六个障碍物,障碍物数对温度场分布规律的影响,（a） 没有障碍物,(b) 两个障碍物,(c) 四个障碍物,管道结构异常对瓦斯爆炸过程中火焰传播规律的影响作用,Fig.5 Curve of explosion wave propagation in direct and section changing tube
11、 without acceleration coil,Fig.4 Curve of explosion wave propagation in direct 80mm80mm tube,Fig. 6 Curve of explosion wave propagation in direct and section changing tube with acceleration coil,分叉管路对瓦斯爆炸火焰传播速度影响关系曲线（无加速环）,解释了分叉巷道破坏严重的问题？,分叉管路对瓦斯爆炸火焰传播速度 影响关系曲线（有加速环）,L/D,V(m/s),结论：湍流对瓦斯爆炸传播过程具有重要影响
12、启示：消除湍流对阻爆具有重要的作用,三、瓦斯爆炸机理及防治技术 2、瓦斯爆炸的防治对策,煤矿井下瓦斯积聚和超限的主要原因是： (1) 由于通风不良、停风或风量不足引起局部地区瓦斯积聚和超限。 (2) 在瓦斯非正常涌出条件下，引起采掘空间中某些区域瓦斯积聚和超限。 (3) 由于人为的或外在的原因破坏了正常的通风条件(如掘进工作面停风、盲巷排放瓦斯、风流短路以及采空区善后处理等)而引起的瓦斯积聚和超限。 目前，处理瓦斯积聚和超限的主要措施： 防止盲巷积聚瓦斯， 防止高冒顶积聚瓦斯，采煤工作面积聚瓦斯的处理，采煤工作面上隅角瓦斯积聚的处理，综合机械化采煤工作面瓦斯积聚的处理。,防止瓦斯超限与积聚,三
13、、瓦斯爆炸机理及防治技术 2、瓦斯爆炸的防治对策,严格控制着火源的原则是： 严禁和杜绝一切非生产性火源，严格管理和限制生产中可能发生的火源和热源。 主要消除着火源的措施包括：明火，摩擦和撞击，电器设备采用防爆，防静电，高温表面，热辐射，自然着火等。具体措施： 为防止电火花和其它明火引燃煤尘，井下电气设备一定要选用防爆型，电缆接头不许有鸡爪子、羊尾巴和明接头，防止产生电火花。井下禁止使用电炉子、职工禁止携带烟草、点火工具等，严格井下火险管理。 为防止放炮时引燃煤尘，井下要使用安全炸药，打眼，装药、封泥必须按规程要求进行，禁止放糊炮。,严格控制着火源,采用各种各样隔爆措施，主要防爆安全装置有： 阻
14、火装置（安全水封，阻火器和单向阀），泄压装置（安全阀和爆破片）和指示装置（压力表、温度计和水位计）等。 煤矿使用的主动式隔爆装置和被动式隔爆装置（岩粉棚和隔爆水袋等） 阻爆新原理：利用外加物理场进行阻爆,三、瓦斯爆炸及防治 2、瓦斯爆炸的防治对策,防止爆炸事故扩大,阻火装置（安全水防）,Measures for the suppression of propagation of gas and dust explosion,三、瓦斯爆炸机理及防治技术 4、瓦斯爆炸事故的处理,1、瓦斯爆炸事故的特点 瓦斯爆炸事故，一般具有如下特点： ）瓦斯爆炸事故发生的潜在性大。 ）瓦斯爆炸事故造成的伤亡事故严
15、重 ）瓦斯影响爆炸事故发生条件的因素是复杂的。 ）瓦斯爆炸事故还会诱发其它事故的发生，如火灾事故，破坏各种设备和设施等。,建议措施：对瓦斯矿井应当进行安全评价，确定矿井瓦斯爆炸危险等级和主要危险源,2、爆炸事故的处理原则 处理爆炸事故时，一般应遵循如下几个基本原则： ）迅速组织撤离灾区及受事故威胁区域的人员，以减少人员伤亡。 ）迅速组织抢救遇难人员 ）切断通向灾区的电源，迅速组织人员扑灭爆炸引起的火源，防止诱发其它事故。 ）尽快恢复通风系统，排除爆炸产生的有毒有害气体。 ）在处理爆炸事故时，应注意掌握连续爆炸的间歇规律。,提出问题：应当研究瓦斯连续爆炸机理及防治措施,1995年6月23日，淮南
16、矿务局谢一矿4462C13采煤工作而自然发火引起瓦斯连续爆炸达1000次以上，死亡人数70多人（其中包含2位救护队员）；此外，新疆四棵树煤矿、湖南洪山殿煤矿等都曾发生了瓦斯连续爆炸现象，损失惨重。,点火频率f为1、2、3、4Hz，相对应充填度为2.00、1.00、0.67、0.50，,3、爆炸事故的鉴别 1)事故性质鉴别的依据 确定矿井是否发生了爆炸事故的主要依据是： (1) 是否有高强度的爆炸声响； (2) 是否形成强大的冲击力和暴风； (3) 是否有高温火焰生成； (4) 是否有爆炸产物生成。 2) 事故类型鉴别的依据 爆炸的类型按其爆炸特点和波及范围可分为：局部爆炸、大型爆炸和连续爆炸三
17、种。 按照事故爆炸类型可分为：着火破坏型爆炸，泄漏着火型爆炸，自燃着火型爆炸，反应失控型爆炸，传热失控型蒸汽爆炸，平衡破坏型蒸汽爆炸。 按照爆炸反应相可分为：气相，液相和固相爆炸。,爆炸事故鉴别的方法,鉴别爆炸事故，首先要组织有经验的人员对事故灾区现场进行全面的勘察，然后收集有关资料和找有关人员(特别是事故灾区现场幸存者)进行调查。结合现场实际勘察和调查结果进行分析，从而确定事故性质、事故类型以及事故发生的原因。 事故灾区现场勘察 事故灾区现场勘察的目的是为鉴别事故性质、事故类型和为事故发生的原因查找依据 (1) 采集灾区的气样 (2) 调查设备、设施损坏情况 (3) 检查爆炸火焰的波及范围 (4) 查找爆源点,2) 事故调查 (1) 查看有关资料 (2) 调查事故前灾区的生产活动情况 (3) 调查灾区幸免遇难的人员在事故发生时出现的情况 通过对灾区幸存的遇险人员了解是否听到爆炸的声响，是否看到爆炸火焰及本人受伤害的情况及受伤害的部位。,瓦斯爆炸事故是可以防治 瓦斯又是一种洁净能源，在不久的将来一定能够变害为宝，加以利用，实现煤与气的共采。 瓦斯可以利用的途径：燃料、化工原料、发电等。,四、结束语,感谢各位光临,