1、瓦斯爆炸三角形原理及應用摘要：礦山救護隊員在井下火區封閉和啟封時,需要先判斷火區內爆炸性氣體是否具有爆炸性.文章利用瓦斯爆炸三角形原理進行新的分區方法,準確判斷火區在那個區域,以便采取相應的舉措.關鍵詞：礦井火區；爆炸三角形；爆炸界限0引言平安是企業生存和開展的頭等大事.平安工作優劣對企業生產影響極大,直接關系到企業能否正常生產和提升經濟效益.火災不僅使企業遭受巨大的物質損失,同時它也是導致人員傷亡的重大淵源1.發生礦井火災后,無論是采用直接滅火的惰化法,還是采用間接滅火的火區封閉法,在判斷火區的可燃性混合氣體包括煤炭干儲后放出的可燃性氣體是否會因火源的存在而發生爆炸時,往往多采用單純的瓦斯C

2、H4爆炸三角形判別法.對爆炸三角形的新的分區方法,對于正確評判礦井火區可燃性混合氣體的爆炸危險性,尤其是對于保證礦工的生命健康平安具有十分重要的意義2.1爆炸三角形新的分區方法瓦斯爆炸必須同時具備3個條件：一定體積分數的瓦斯瓦斯體積分數在可爆范圍內、足夠體積分數的氧氣和足夠能量的引燃火源3.煤礦常見爆炸性氣體的爆炸特性參數如表1所示.表煤礦常見爆炸性氣體爆炸特性畚數,體分子ut時空H的相對密度-21.101.3kPa時的爆炸界網易大爆炸-壓J#Id'fi般低點燃溫寓£鼠小點燃能轉MJ按體稅上限卜一限上限產限甲烷匚6.口0,555,0)5,0解100TOfi595(fiSQG2

3、*)0.2S.乙烷工012.5節155515如小川一3.215,640195472*().25胸烷44.L562.19.5狗844皿4切0.26正丁烷58工05L.58.5372108443的小即0.25異丁烷5s.i2.(J51.8S.544210460穹H;2.00,074.0716再用72fj560(11019一書化碳CO2ft.0.12,57445*的7lfi筋盛比包IhS34.1L惇4.3415606504W270爆炸界限也稱為爆炸極限,其含義是可燃氣體與空氣或氧氣混合后,遇有火源會產生爆炸現象的可燃氣體的極限體積分數,即在某一極限體積分數之內的混合氣體,爆炸會自行蔓延開來.可能產生

4、爆炸的可燃氣體的最低極限體積分數稱為爆炸下限；最高極限體積分數稱為爆炸上限.下限以下無爆炸危險,它與可燃性氣體缺乏或氧氣過剩有關,上限以上不爆炸,這與氧氣缺乏或可燃氣體過剩有關,另外上、下限與實驗條件有關3o爆炸界限所受的影響因素這里不做全面闡述.請看下面這兩個爆炸三角形.A,B,C,D,E五個點把整個區域分成4個區1JJ關系這個點在圖中沒有標出E點相連并延長到傳統分區新的分區圖這條線與2所示.在X軸中找到),把這個點與的交點就是F點.A,B,C,D,E,F幾個點把整個區域分成4個區如圖B一爆炸下限,C一爆炸上限,Eco2一摻入CO方寸爆炸I臨界點,EN2一摻入N2時爆炸臨界點；BE一爆炸下限

5、界線,CE一爆炸上限界線；FE臨界氧體積分數線,ED臨界瓦斯體積分數線.根據圖2,可把混合氣體體積分數范圍劃分成4個區,不同的區域特點不同,可采取相應的舉措預防爆炸.1區：ABCE-可爆區即爆炸三角形.可采用注入惰性氣體或新鮮空氣,使其狀態點進入2區或4區,失去爆炸性.2區:ABEF-甲烷體積分數過低不爆區.摻入甲烷可進入爆炸區如封閉火區時,因此封閉火區時,常發生瓦斯爆炸,可向封閉區內注入惰性氣體,使其狀態點進入4區后,再封閉,即可預防瓦斯爆炸.3區：甲烷體積分數過高不爆區.摻入空氣可進入爆炸區如火區啟封時,因此可向封閉區內注入惰性氣體,使其狀態點進入4區后,再啟封通風,即可預防瓦斯爆炸.4區

6、：平安區.氧氣和甲烷體積分數都過低不爆區,摻入空氣可能進入2區不爆,摻入甲烷可能進入3區不爆.2火區封閉時應采取的舉措如上所述,火區封閉時可能因可燃性混合氣體的聚集而存在爆炸危險.但對于大面積火區,當不能采取直接滅火的惰化法時,礦井生產的實際情況往往是要求對火區實行封閉處理.因此,在封閉前就必須對發火區進行必要的防爆處理.要平安封閉火區,第一是預防爆炸發生,第二是一旦發生爆炸,應能夠有效地消除爆炸沖擊波以及爆炸引起的火災,保證礦井平安.從這兩個角度出發,可選擇以下幾種舉措.1采取瓦斯排放舉措,預防封閉區可燃性混合氣體聚集.一般高瓦斯礦井工作面都有瓦斯抽放系統,工作面因火被迫封閉后,可利用現有抽

7、放系統,繼續對工作面實行可燃性混合氣體的抽放,以防封閉火區過程中可燃性混合氣體聚集而發生爆炸.采取從地面注惰氣、注氮等方法降低封閉區氧體積分數.封閉時,發火區溫度、CO體積分數都很高,所以不能在火區附近工作.此時可從地面向火區注氮,降低火源點附近氧體積分數和煤溫,以保證工作面平安.消滅火源高溫點.采取向發火區注凝膠等方法,使高溫點溫度降低到可引起可燃性混合氣體爆炸的下限溫度以下.用水封閉火區.如果發火區兩端比擬低,可以在撤離人員的情況下,向發火區所在巷道兩端送水,直接用水封閉火區.火區用水封閉,能夠保證密閉無漏風,而且一旦封閉區內發生爆炸,兩端的水密封能有效地消除爆炸引起的沖擊波,從而預防爆炸

8、引起大火蔓延.3爆炸三角形參數確實定3.1 可燃性混合氣體爆炸界限的計算礦井火區內的可燃性氣體,是多種可燃性氣體的混合體.根據氣體爆炸理論,其混合氣體的爆炸界限可按LeChatelier式進行計算：100A：式中,N混合氣體爆炸上限或下限,;C1、C2、Cm各可燃氣體占可燃性混合氣體總和的體積百分比,即：C1+C2+-+Cm=100%;N1、N2Nm各可燃氣體的爆炸上限或下限%煤礦火區中幾種常見可燃性氣體的爆炸表1煤礦常見可燃氣體的爆炸上限和下限(25匕尸氣體名稱化學符號爆炸界限()空氣中氧氣中下限上限下限一上限甲烷CH45.0015.005.161.0乙烷3.2212.45丙烷CyHh2.4

9、9.502.352.0氨氣4.().74.2()4.94.0一氧化碳CO12.575.0015.594.0硫化氫/2S4.3245.50乙烯C2/42.7528.6()3.080.0戊烷C5ll>21.407.80上下限如表1所示.火區的溫度一般很高,因此,實際計算火區內可燃性混合氣體爆炸界限時,應根據實測火區內的溫度及火區內各種可燃性氣體的成份,對表1中所列數據按下式進行溫度校正2:；mvI1721(-25)W仃二NLX1-1()6nt-rI!721(£-25)NtfT-NUX1+67式中,NLT、NUT-分別為各可燃性氣體在tC時的爆炸下限和上限NL、NU-一分別為各可燃性

10、氣體在25c時的爆炸下限和上限.3.2 臨界氧濃度的計算礦井火區氣體是多種可燃性氣體的混合物,那就很難按單一可燃性氣體計算臨界氧濃度的方法進行工程計算,因此,需要采用三角形作圖法3.圖1臨界氧濃度作圖計算法F可燃氣體濃度圖I臨界氧濃度作圖計算法首先畫出等邊三角形FON頂點F、ON分別表示可燃性混合氣體、氧氣和氮氣的最大體積濃度.然后,在ON線上,找出空氣中最大含氧量20.95%之A點,畫出空氣線FA,在FO邊上取可燃性混合氣體在氧氣中的爆炸上限U2點和爆炸下限L2點,在FA線上取可燃性混合氣體在空氣中的爆炸上限U1和爆炸下限L1,連接U2和U1,再連接L2和L1,將兩線段延長成三角形,過頂點作

11、FN的平行線交O聯所示的數值,即為臨界氧濃度.相應的,假設過此頂點作FA的垂線,交FA線所示的數值,即為臨界氧濃度時所對應的可燃性混合氣體濃度詳見圖1o同理,假設過U1或L1點分別作FN的平行線,交ONW勺交點所示數值,就是可燃性混合氣體在空氣中爆炸時的上下限所對應的氧濃度.4實例分析設某礦井封閉火區內的可燃性混合氣體成份與濃度分別為:CH44.0%,CO2.1%,C2H40.03%,H20.04%火區內空氣溫度為55C.對其進行爆炸危險性參數分析如下：4.1 可燃性氣體濃度可燃性混合氣體濃度及各成份在總濃度中所占體積百分比濃度分別為：C=6.17%、CCH4=64.83%CCO=34.03%

12、CC2H4=0.49%CH2=0.65%4.2 爆炸界限從表1查出各可燃性氣體在25C時的爆炸界限,按式進行溫度校正,如表2所示：表2火區內可燃性氣體的爆炸界限氣體名稱化學符號爆炸界限(%)空氣中氧氣中下限上限卜,限上限甲烷CH44.8915.324.9962.32一氧化碳CO2376,6215.1696.03乙烯CH42.6929.222.9481.73然7iHe3.9175.80二9196.03由式(1)得火區內可燃性混合氣體在空氣中的爆炸上下限分別為21.27%?口6.1%;而在氧氣中那么分別為71.05%?口6.42%.由此可見,火區內可燃性混合氣體的濃度在空氣中處于爆炸界限范圍內,具

13、有爆炸危險性.在此例中,假設不進行可燃性氣體爆炸界限的溫度校正,那么其混合氣體爆炸下限濃度為6.24%,即可燃性混合氣體濃度(6.17%)小于爆炸下限濃度.可見,容易誤報,此實例火區內的可燃性混合氣體不具有爆炸危險性.4.3 臨界氧濃度及爆炸上下限所對應的氧濃度按圖1所示方法,可得實例火區內可燃性混合氣體發生爆炸時的臨界氧濃度為12.8%,此時可燃性混合氣體濃度為3.7%,而爆炸上下限點所對應的氧濃度分別為16.4%?口17.6%.見圖1所示.5爆炸三角形根據上述分析所得爆炸參數：爆炸上下限、臨界氧濃度、臨界氧濃度所對應的可燃性混合氣體濃度,以及爆炸上下限所對應的氧濃度,可畫出實例火區可燃性混

14、合氣體的爆炸三角形分析圖,如圖2所示.其中,空氣線ABCDf縱坐標的夾角為最大可燃性混合氣體含量100%t空氣中最大氧含量20.95%之比的反正切.6爆炸危險性分析圖2所示為實例火區可燃性混合氣體一空氣一氮氣爆炸危險性分析圖.根據其各自濃度變化關系,可在空氣線ABCDZ下將其劃分為3個區：第一區是BCE所圍區域,此區內的可燃性混合氣體處于爆炸界限范圍內,稱為爆炸三角區；第二區是BEF左側,此區的可燃性混合氣體處于爆炸下限濃度以下,稱為可燃性氣體濃度缺乏區；第三區是CEF的右側,在此區內,因氧氣含量較低,稱為氧濃度過低區.上述三區的劃分,雖然在第二區、第三區中可燃性混合氣體不具有爆炸危險性,但是

15、,上述三區并非恒定不變.對于礦井火區的治理,假設舉措不當,原來可燃性氣體濃度較低或氧氣濃度缺乏的非爆炸區也有可能導致其濃度增加而轉向爆炸三角區.例如,剛開始自燃發火的礦井火區,盡管發火范圍較大,此時因通風條件尚好,可燃性混合氣體濃度往往缺乏而處于圖2所示的第二區.在此條件下,假設貿然采取火區封閉舉措,那么在切斷火區通風過程中,其可燃性混合氣體濃度就會迅速增長,此時,由氧濃度與可燃性混合氣體濃度所決定的坐標點,就可能進入BCE所圍的爆炸區內,此時遇火就發生爆炸.同理,火區封閉不嚴或重開火區時,新鮮空氣的不斷流入,也可能使原來氧含量較低之火區內的可燃性混合氣體具有爆炸性.24.廠121416112

16、02234可體救GJ圖2可燃性氣體包氣淘氣爆炸危險性分析圖7火區封閉時應采取的舉措如上所述,火區封閉時可能因可燃性混合氣體的聚集而存在爆炸危險.但對于大面積火區,當不能采取直接滅火的惰化法時,礦井生產的實際情況往往是要求對火區實行封閉處理.因此,火區的封閉,在封閉前就必須對發火區進行必要的防爆處理.要平安封閉火區,第一是預防爆炸發生,第二是一旦發生爆炸,應能夠有效地消除爆炸沖擊波以及爆炸引起的火災,保證礦井平安.從這兩個角度出發,可選擇以下幾種舉措4.1采取瓦斯排放舉措,預防封閉區可燃性混合氣體聚集.一般高瓦斯礦井工作面都有瓦斯抽放系統,工作面因火被迫封閉后,可利用現有抽放系統,繼續對工作面實

17、行可燃性混合氣體的抽放.以防封閉火區過程中可燃性混合氣體的聚集而發生爆炸.2采取從地面注惰氣、注氮等方法降低封閉區氧濃度.封閉時,發火區溫度、CO濃度都很高,所以不能在火區附近工作.此時可從地面向火區注氮,降低火源點附近氧濃度和煤溫,以保證工作面平安.3消滅火源高溫點.采取向發火區注凝膠等方法,使高溫點溫度降低到可引起可燃性混合氣體爆炸的下限溫度以下.4用水封閉火區.如果發火區兩端比擬低,可以在撤離人員的情況下,向發火區所在巷道兩端送水,直接用水封閉火區.火區用水封閉,能夠保證密閉無漏風,而且一旦封閉區內發生爆炸,兩端的水密封能有效地消除爆炸引起的沖擊波,從而預防爆炸引起大火蔓延.8結論1礦井火災發生后,尤其是煤層自燃發火區,具可燃性氣體