| 煤礦爆炸、火災及其防治技術 m.cltuan.cn
煤炭科學研究總院重慶研究院
蔡可玉（博士，教授，博導,所長）
個人簡介
蔡可玉，煤炭科學研究總院重慶研究院工業(yè)防爆研究所所長，重慶科林安全生產(chǎn)咨詢事務所所長，博士，教授，博導，重慶市二屆、三屆人大代表，重慶市科技顧問團成員，煤科總院重慶研究院和山東科技大學碩士、博士生導師，南京理工大學兼職教授、博士生導師、重慶科技學院特聘教授、國家百千萬人才、煤炭行業(yè)跨世紀青年科技拔尖人才
享受國務院政府津貼
國家和重慶市安全生產(chǎn)專家，國務院能源專家組成員
國家安全評價協(xié)會副主任，安全評價專家委員會主席
國家653工程火災、爆炸專業(yè)首席專家、國家氣體粉塵爆炸、粉塵防治的學科帶頭人、國家和重慶市安全評價機構(gòu)年度審核專家
國家中長遠科技發(fā)展規(guī)劃骨干專家，國務院安全事故調(diào)查專家
國務院煤礦安全技術會診專家組組長，重慶市就開縣天然氣井噴和泄漏搬遷重慶方專家組組長、國家標準化委員會和國家安全標準化委員會委員
國家和重慶市安全評價專家，國家和重慶市安全評價機構(gòu)資質(zhì)認證專家、國家安全評價重大項目評審專家、國家期刊評估專家
國家科技進步獎評審專家，國家檢測檢驗機構(gòu)資質(zhì)認證專家
國家安全科技和煤炭行業(yè)科技進步獎評審專家
國家“863”計劃項目評審專家，國家自然基金項目評審專家
國家和重慶市化工、非煤礦山、石油天然氣、煤礦等重大項目安全評審專家
擔任6個全國性學會的主任、副主任委員，6個學會的理事委員
擔任重慶市6個學會的理事長、副理事長
聯(lián)系方式
Tel：（0）13708386963
Fax：023-65239382
E-mail：zys6407@163.com
目 錄
煤礦瓦斯、煤塵爆炸及其防治技術
礦井外因火災
礦井內(nèi)因火災
前 言
煤礦安全形勢
國有重點煤礦安全生產(chǎn)狀況總體穩(wěn)定，并趨于好轉(zhuǎn)
安全生產(chǎn)形勢依然嚴峻
百萬噸死亡率仍居高不下，職業(yè)危害嚴重
煤礦事故造成的經(jīng)濟損失巨大
事故基本情況
2003年全國煤礦共發(fā)生傷亡事故4143起，死亡6434人，同比下降7.9%和8%。重大事故中，國有重點煤礦占13.9%，國有地方煤礦占13.5%，鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦占72.6%．特別重大事故中，國有重點煤礦占29.1%，國有地方礦占14.4%，鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦占56.5%．
2004年，全國煤礦各類事故死亡6027人，減少6.8%。全國煤炭百萬噸死亡率2003年為3.71，同比下降26.2%， 2004年，這一數(shù)字為3.1，同比下降19.6%。
2005年，全國煤礦事故3306起，下降9.2%；死亡5986人，減少0.7%，煤炭生產(chǎn)百萬噸死亡率降至2.836，下降7.9%。但一次遇難10人以上特大事故抬頭，遇難人數(shù)同比上升66.6％。
2006年全國煤礦共發(fā)生事故2945起、死亡4746人，同比分別減少361起、1192人，下降10.9%和20.1%。百萬噸死亡人數(shù)2.04人，下降27.4%。
2007年，全國煤礦事故死亡3786人，下降20.2％，煤炭百萬噸煤死亡率1.485。其中重特大事故起數(shù)和死亡人數(shù)，同比分別下降28.2%和23.0%。
瓦斯事故仍然嚴重
2002年全國煤礦共發(fā)生瓦斯事故743起，死亡2407人，分別占事故總數(shù)的17.1%和死亡人數(shù)的34.4%．其中，瓦斯煤塵爆炸事故28起，死亡304人；煤與瓦斯突出事故16起，死亡130人．
2003年，瓦斯事故584起，死亡2061人，同期分別下降8.9％和10.3％．
2004年下半年來，發(fā)生幾起大的瓦斯事故,如河南鄭煤集團大平煤礦10·20特大瓦斯爆炸事故，造成148人死亡。銅川礦務局陳家山煤礦11·28特大瓦斯爆炸事故,造成166人死亡。遼寧省阜新集團公司孫家灣煤礦海州立井2·14特大瓦斯爆炸事故，造成214人死亡。
2006年發(fā)生瓦斯事故327起、1319人，分別減少87起、852人，下降21%和39.2%。
2007年瓦斯事故起數(shù)和死亡人數(shù)，同比分別下降16.8%和17.8%，其中重特大瓦斯事故起數(shù)和死亡人數(shù)，同比分別下降15.4%和6.1%。
我國煤礦安全狀況
我國煤礦死亡人數(shù)多的是瓦斯和頂板事故
一次死亡人數(shù)多、損失嚴重、對生產(chǎn)和社會影響惡劣的是瓦斯事故
我國煤礦發(fā)生的特別重大事故主要是瓦斯事故
實現(xiàn)控制目標的重點是：瓦斯爆炸、煤塵爆炸事故
第一章 煤礦瓦斯、煤塵爆炸及其防治技術
第一節(jié) 瓦斯爆炸
瓦斯爆炸是煤礦生產(chǎn)的主要災害之一。近年來，我國連續(xù)發(fā)生了幾起特別重大瓦斯爆炸事故，造成大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失，帶來嚴重的社會影響。
一、 瓦斯爆炸基礎知識
1、礦井瓦斯
1） 瓦斯的形成
古代植物在成煤過程中，經(jīng)厭氧菌的作用，植物的纖維質(zhì)分解產(chǎn)生大量瓦斯；此后，在煤的碳化變質(zhì)過程中，隨著煤的化學成分和結(jié)構(gòu)的變化，繼續(xù)有瓦斯不斷生成。在全部成煤過程中，每形成一噸煙煤，大約可以伴生600m3以上的瓦斯。而在由長焰煤變質(zhì)為無煙煤時，每噸煤又可以產(chǎn)生約240m3的瓦斯。在長期的地質(zhì)年代里，由于瓦斯的比重小，擴散能力強，地層又具有一定的透氣性，以及地層的隆起、侵蝕，大部分瓦斯都已逸散到大氣中去，只有一小部分至今還被保存在煤體和圍巖內(nèi)。
煤體之所以能保存一定數(shù)量的瓦斯，與煤的結(jié)構(gòu)狀態(tài)密切相關。煤是一種復雜的孔隙介質(zhì)，有著十分發(fā)達的、各種不同直徑的孔隙和裂隙，形成了巨大的自由空間和孔隙表面。因此,成煤過程中產(chǎn)生的瓦斯就能以游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)存在于這些孔隙與裂隙內(nèi)。
游離狀態(tài)也叫自由狀態(tài)，這種狀態(tài)的瓦斯按照自由氣體定律存在于煤體或圍巖的裂縫和孔裂隙內(nèi)。煤體內(nèi)游離狀態(tài)瓦斯量的大小，決定于貯存空間的體積和瓦斯的壓力與溫度。
煤礦井下的瓦斯來自煤層和煤系地層，它主要是腐植型有機物質(zhì)在成煤過程中生成的。在遠古時代，由于成煤植物殘骸被泥沙和海水淹沒，與空氣隔絕，在高溫高壓環(huán)境中，在微生物的分解發(fā)酵作用下，成煤植物的殘骸逐漸轉(zhuǎn)化成泥炭、褐煤、煙煤、無煙煤。與此同時，生成了大量以甲烷為主的烴類氣體就是瓦斯。另一種吸附在煤的微孔表面和煤的微粒內(nèi)部，稱為吸附瓦斯。煤層瓦斯含量是指煤層或圍巖在自然條件下所含有的瓦斯，單位是m3/t。煤層的煤化過程越高，存貯瓦斯能力越強，即高變質(zhì)煤比低變質(zhì)煤瓦斯含量大；有煤層露頭時該帶內(nèi)瓦斯含量低，而無煤層露頭時瓦斯含量大；煤層隨著埋藏深度增大瓦斯含量增大；煤系透氣低的巖層（泥巖、細碎屑巖、裂隙不發(fā)育的石灰?guī)r等）越厚，占的比重越大煤層瓦斯含量越高；反之，圍巖由厚中粗砂巖，甚至是礫巖等組成，其瓦斯含量少；煤層地質(zhì)構(gòu)造也影響煤層瓦斯含量。
2） 礦井瓦斯的涌出
礦井瓦斯的涌出方式可分為均衡涌出和瓦斯的噴出與突出，礦井瓦斯涌出為均衡涌出的瓦斯。
（1）瓦斯涌出量：絕對瓦斯涌出量為單位時間內(nèi)涌出的瓦斯量，單位是m3/min，m3/d；相對（噸煤）瓦斯涌出量為每采一噸煤平均涌出的瓦斯量，單位是m3/t。
q絕=Q×C×60×24 m3/min
q相= q絕/A m3/t
式中：q絕—絕對瓦斯涌出量, m3；
Q—礦井總回風巷風量, m3；
C—礦井總回風巷的平均瓦斯?jié)舛?%；
q相—相對瓦斯涌出量，m3；
A—礦井平均日產(chǎn)量,噸。
（2）礦井瓦斯等級劃分。一個礦井中只要有一個煤（巖）層發(fā)現(xiàn)瓦斯，該礦井即定為瓦斯礦井。瓦斯礦井必須依照礦井瓦斯等級進行管理。
礦井瓦斯等級，根據(jù)礦井相對瓦斯涌出量、礦井絕對瓦斯涌出量劃分為：
低瓦斯礦井：礦井相對瓦斯涌出量小于或等于10m3/t且礦井絕對瓦斯涌出量小于或等于40m3/min。
高瓦斯礦井：礦井相對瓦斯涌出量大于10m3/t或礦井絕對瓦斯涌出量大于40m3/min。
煤（巖）與瓦斯（二氧化碳）突出礦井。
每年必須對礦井進行瓦斯等級和二氧化碳涌出量的鑒定工作，報?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）煤炭管理部門審批，并報省（自治區(qū)、直轄市）煤礦安全監(jiān)察機構(gòu)備案。
新礦井設計文件中，應有各煤層的瓦斯含量資料。
2、瓦斯爆炸的反應過程
瓦斯爆炸就其本質(zhì)來說，是一定濃度的甲烷和空氣中的氧氣在一定溫度作用下產(chǎn)生的激烈氧化反應，其化學反應式如下：
CH4+2O2 CO2+2H2O+198.4kCal （1）
或 CH4+2（O2 +4N2） CO2+2H2O+8N2+198.4kCal （2）
瓦斯爆炸是一個復雜的化學反應過程，上式只是反應的最終結(jié)果。
近年來的研究確定，礦井瓦斯爆炸是一種熱—鏈式反應（也叫鏈鎖反應）。當爆炸混合物吸收一定能量（通常是引火源給予的能量）后，反應分子的鏈即行斷裂，離解成兩個或兩個以上的游離基（也叫自由基）。這類游離基具有很大的化學活性，成為反應連續(xù)進行的活化中心。在適合的條件下，每一個游離基又可以進一步分解，再產(chǎn)生兩個或兩個以上的游離基。這樣循環(huán)不已，游離基愈來愈多，化學反應速度也愈來愈快，最后就可以發(fā)展為燃燒或爆炸式的氧化反應。對于甲烷爆炸的中間反應過程，已經(jīng)提出了幾種不同的反應方式。其中之一認為，CH4吸收能量后分解成[CH3]和[H]兩個游離基。[CH3]、[H]又分別與O2反應，各自生成新的游離基[CH2O]、[OH]和[OH]、[O]：
[CH3]+O2 [CH2O]+[OH] （3）
[H]+O2 [OH]+[O] （4）
這些游離基又能進一步反應：
[OH]+CH4 [CH3]+H2O （5）
[O]+CH4 [OH]+[CH3] （6）
[CH2O]+O2 CO+[O]+H2O （7）
CO+O2 CO2+[O] （8）
這樣迅速發(fā)展下去，反應就會以極其猛烈的爆炸形式表現(xiàn)出來，它的最終產(chǎn)物則是CO2和H2O（見(1)式）。如果氧氣不足，反應不完全，也能產(chǎn)生CO。采用現(xiàn)代的檢查方法，在甲烷的爆焰內(nèi)檢查到了[O]、[OH]、[CH3]、[CH2O]等游離基的大量存在，從而證實了熱—鏈式理論的正確。
在下列條件下，鏈反應中斷，就不會發(fā)展為瓦斯的燃燒或爆炸；
1） 混合物中的氧氣濃度不夠，反應不能按（3）與（4）式進行；
2） [OH]游離基不與CH4起反應（如（5）式）而是與[H]游離基結(jié)合生成H2O（[OH]+[H] H2O）；
3） 活化中心與固體表面（或粒子）碰撞，失去其活化能；
4） 混合物中加入足夠能量的能與活化中心起反應的某些元素（如鹵族元素），這類元素很容易與活化中心結(jié)合生成活性很小的根或分子。
由（2）式可知，要使一個體積的甲烷完全反應，必須具有10個體積的（氧濃度為20%）空氣，所以在礦井條件下瓦斯爆炸的最完全反應是在甲烷濃度為9.1%時
[1/(1+2×100/20) ]×100=9.1%
如果是在新鮮空氣（氧濃度21%）中，則應為9.5%。
[1/（1+2×100/21）]×100=9.5%，但是，根據(jù)實驗瓦斯最易引火的濃度則為7～8%。
爆炸溫度——研究人員在瓦斯?jié)舛葹?.5%條件下測定過爆炸時的瞬時溫度，在自由空間內(nèi)可達1850℃；在封閉空間內(nèi)最高可達2650℃。井下巷道呈半封閉狀態(tài)，其爆溫將在1850℃與2650℃之間。
爆炸壓力——由于爆炸時氣體溫度驟然升高，必然引起氣體壓力的突然增大。在容積固定的條件下，爆炸后的氣體壓力可用下式計算：
P1=P0（273+t1）/（273+t0），大氣壓 （9）
式中：P0、t0——爆炸前混合氣體的壓力（大氣壓）與溫度（℃）；
P1、t1——爆炸后混合氣體的壓力（大氣壓）與溫度（℃）。
假使爆炸前P0=1大氣壓，t0=15℃，爆炸后的溫度t1封閉=2650℃和t1自由=1850℃。分別代入上式，則可求出爆炸后的氣體壓力分別為10.2和7.4大氣壓，其平均值約為9大氣壓，即在理想的條件下爆炸后的壓力約為爆炸前的9倍。事實上，不可能這樣高。但當發(fā)生瓦斯連續(xù)爆炸時，其第二次爆炸的初始壓力有時會高出正常大氣壓，這就會越爆越猛，出現(xiàn)很高的沖擊壓力。
3、瓦斯爆炸的條件及其影響因素
瓦斯爆炸必須具備三個條件：
一定濃度的甲烷
一定溫度的引火源
足夠的氧
1） 瓦斯?jié)舛?br />
根據(jù)上述熱—鏈式反應的理論，一定濃度的瓦斯吸收足夠的熱能后，就將分解出大量的活化中心，完成整個氧化反應過程，并放出一定的熱量（每摩爾甲烷完全氧化時，能放出12.4千卡的熱量）。如果生成的熱量超過周圍介質(zhì)的吸熱和散熱能力，而混合物又有足夠的CH4和O2存在，那么在此條件下，就會生成更多的活化中心，使氧化過程迅猛發(fā)展成為爆炸；若參與反應的瓦斯?jié)舛炔粔?，氧化生成的熱量與分解的活化中心都不足，則這一反應不能發(fā)展成為爆炸；又若瓦斯的濃度過高，相對來說氧的濃度就不夠，不但不能生成足夠的活化中心，而且因為甲烷的熱容量較大（約為空氣的2.5倍），氧化生成的熱量為周圍介質(zhì)所吸收，當然也不會發(fā)展成為爆炸。因此，瓦斯爆炸具有一定的濃度范圍，其臨界值即為瓦斯爆炸界限。其最低濃度界限叫爆炸下限，最高濃度界限叫爆炸上限。在新鮮空氣中瓦斯爆炸界限一般為5～16%，5%為下限，16%為上限。
由（2）式可知，在新鮮空氣中含有甲烷9.5%時，遇有火源，混合氣體中的全部氧和瓦斯都參與反應，這是形成瓦斯爆炸的最適宜條件。
2） 著火源
瓦斯爆炸的第二個條件是高溫火源的存在。點燃瓦斯所需的最低溫度叫引火溫度。瓦斯的引火溫度一般認為是650～750℃。明火、煤炭自燃、電氣火花、赤熱的金屬表面、吸煙、甚至撞擊或摩擦產(chǎn)生的火花等煤礦井下所能遇到的絕大多數(shù)火源都足以引燃瓦斯。
煤礦井下可能存在的著火源及溫度如下：
沖擊波的速度大于1250～1350m/s，其前沿后面的溫度大于500℃。
瓦斯和煤塵爆炸火焰前沿的溫度2000～2500 ℃。
炸藥爆炸產(chǎn)物的溫度4500 ℃。
電弧、電火花的平均溫度4000℃（放電主通道的溫度10000 ℃ ）。
火柴的明火溫度1200 ℃。
點燃香煙溫度600～800℃。
表1-1 瓦斯爆炸的感應期
由于瓦斯爆炸熱—鏈式反應時，大量活化中心的產(chǎn)生與形成需要一定的時間過程，達到爆炸濃度的瓦斯遇到高溫火源時并不能立即發(fā)生爆炸。這種需要遲延一個很短時間才爆炸的現(xiàn)象稱為引火延遲現(xiàn)象，其引火延遲時間稱為感應期（或誘導期）。感應期的長短與瓦斯?jié)舛群鸵饻囟扰c壓力有關。表1-1為實驗室條件下測得的感應期。
雖然瓦斯爆炸的感應期很短，但對煤礦安全生產(chǎn)卻有著重要的作用。例如使用安全炸藥進行爆破時，雖然炸藥爆炸的初溫能達2000℃左右，但是在絕大多數(shù)情況下，這一高溫存在的時間極短（通常僅為千分之幾秒），小于瓦斯爆炸的感應期，所以不會引起瓦斯爆炸事故的發(fā)生。但若炸藥質(zhì)量不合格或炮泥充填不當，則爆炸后的高溫氣體存在時間就能延長，并且可以分解產(chǎn)生NO2等氣體，促進鏈反應的發(fā)展，使感應期縮短，造成瓦斯爆炸事故。又如礦用安全電氣設備，在發(fā)生故障時能夠迅速斷電，其斷電的時間小于感應期，也不會導致瓦斯爆炸。
如果瓦斯—空氣混合氣體的壓力增高或混入某些能促使鏈式反應加速的氣體，感應期就會縮短，甚至消失。例如在瓦斯中加入0.5%的CH2O（甲醛）或0.32%的NO2，感應期就接近于消失。NO2是炸藥爆炸后的產(chǎn)物，再加上爆破沖擊波對氣體的沖擊壓縮作用，井下放炮時，瓦斯的感應期將比表2所列時間為短。因此，遵守《規(guī)程》中有關瓦斯礦的爆破規(guī)定非常重要。
煤礦井下可能存在的著火源的作用時間：
沖擊波的作用持續(xù)時間最短——10-7～10-3s。
炸藥爆炸后產(chǎn)物、電火花作用時間—10-6～10-2s。
電弧及瓦斯煤塵爆炸的火焰前沿作用時間—10-4～1s。
明火和灼熱體作用時間最長。
3） 氧濃度
大量實驗表明，瓦斯爆炸界限隨混合氣體中氧濃度的降低而縮小。當氧濃度降低時，瓦斯爆炸下限緩慢地增高，如圖1-1的BE線所示，爆炸上限則迅速下降，如圖1-1的CE線所示。氧濃度降低到12%時，瓦斯混合氣體即失去爆炸性，遇火也不會爆炸。
《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，井下工作地點的氧濃度不得低于20%，上述關系似乎沒有什么實際意義，但在密封區(qū)特別是火區(qū)內(nèi)情況卻不同，其中往往積聚大量瓦斯，且有火源存在，只有氧濃度很低時，才不會發(fā)生爆炸；一旦重開火區(qū)或火區(qū)封閉不嚴而大量漏風，新鮮空氣不斷流入，氧濃度達到12%以上，就可能發(fā)生爆炸。
綜上所述，在新鮮空氣中，瓦斯?jié)舛葹?～16%，在遇到650～750℃以上的火源才會爆炸。但是這些數(shù)值受很多因素的影響，而在較大范圍內(nèi)變化，加上礦井通風和瓦斯涌出的不穩(wěn)定性，所以《規(guī)程》中對井下各地點的瓦斯?jié)舛扰c可能產(chǎn)生的火源都作了嚴格限制，以防爆炸事故的發(fā)生。這是十分必要的，必須認真執(zhí)行。
從試驗中得到了瓦斯－空氣混合氣體爆炸極限與氧濃度的關系，如圖1-1所示。
圖1-1 瓦斯-空氣混合氣體爆炸極限與氧濃度的關系
BEC所構(gòu)成的三角區(qū)域就是瓦斯爆炸三角形，當瓦斯?jié)舛群脱鯘舛忍幱谌切螀^(qū)域，在點火源作用下，就會發(fā)生瓦斯爆炸；同樣，瓦斯?jié)舛群脱鯘舛炔辉诖巳切螀^(qū)域，就不會發(fā)生瓦斯爆炸。這就為防止瓦斯爆炸發(fā)生提供了途徑。這是如前所述，采掘工作面進風流中的氧氣濃度不低于20%。氧氣作為作業(yè)人員必備的生存條件，在煤礦井下必須予以保證，也就是說，在煤礦井下工作環(huán)境下，氧濃度都必須維持在20%以上，通過控制氧氣濃度來控制瓦斯爆炸事故是不現(xiàn)實的。然而，在密封區(qū)特別是火區(qū)，其中往往積聚大量瓦斯，且有火源存在，只有將氧濃度控制在很低時（12%以下），才能確保不會發(fā)生瓦斯爆炸事故；重開火區(qū)或火區(qū)封閉不嚴而大量漏風，新鮮空氣不斷流入，氧濃度達到12%以上時，同樣可能發(fā)生爆炸。這也是在采空區(qū)內(nèi)為防止瓦斯爆炸或燃燒，把氧濃度降低到12%以下，以控制爆炸或熄滅燃燒火焰的原因所在。
4） 瓦斯爆炸易發(fā)區(qū)域和原因
從國內(nèi)外煤礦發(fā)生的瓦斯爆炸資料統(tǒng)計,可以得出如下結(jié)論:
煤礦內(nèi)的任何地點都有發(fā)生瓦斯爆炸的可能性。諸如電氣設備附近，放炮地點，火區(qū)周圍，產(chǎn)生摩擦火花以及可能出現(xiàn)明火的地點，甚至進、回風的井口房和選煤廠內(nèi)也有瓦斯爆炸事故的發(fā)生。但大部分發(fā)生在瓦斯煤層的采掘工作面，其中又以掘進工作面占多數(shù)。據(jù)統(tǒng)計，瓦斯燃燒或爆炸事故發(fā)生在掘進工作面的約占三分之一左右。
掘進工作面較易發(fā)生瓦斯爆炸的原因，一方面是這些地點采用局扇供風，如果局扇停止運轉(zhuǎn)，風筒末端距工作面較遠，風筒漏風太大或局扇供風能力不夠，到達掘進工作面的有效風量不足，或巷道內(nèi)風速過低，不能將掘進工作面附近及巷道內(nèi)的瓦斯沖淡排出，導致瓦斯積聚而達爆炸濃度；另一方面是煤巷掘進工作面多用電鉆打眼，電動局扇通風，經(jīng)常放炮（煤巷掘進工作面附近，放炮后短時間內(nèi)瓦斯?jié)舛瓤蛇_爆炸濃度），如果電氣設備防爆性能不良，局扇不按《規(guī)程》要求啟閉，或放炮不合規(guī)定，就很容易產(chǎn)生引火源——電火花或爆破火焰。
回采工作面容易發(fā)生瓦斯爆炸的地點是工作面的上隅角。因為采空區(qū)內(nèi)常積聚高濃度的瓦斯，瓦斯的密度?。?.554），能沿傾斜向上移動，部分瓦斯就從上隅角附近逸散出來；上隅角往往又是采空區(qū)漏風的主要出口，漏風將高濃度瓦斯從采空區(qū)帶出；工作面出口風流直角轉(zhuǎn)彎，上隅角形成渦流區(qū)，瓦斯難于被風流帶走排出；上隅角附近往往設置回柱絞車等機電設備；這一帶的采煤工作面煤體在集中應力作用下變得疏松，自由面較多，放炮時容易發(fā)生虛炮，因此產(chǎn)生火源的機會也較多。
回采工作面另一容易發(fā)生瓦斯爆炸的地點，是采煤機工作時在切割機構(gòu)的附近。據(jù)英國一個綜合采煤工作面測定，截槽后的瓦斯?jié)舛扔袝r高達75%。機械化采煤，特別是綜合機械化采煤工作面產(chǎn)量大，進度快，煤的破碎程度增加，大量瓦斯迅速地從新暴露面和采落的煤塊內(nèi)涌出，工作面的平均絕對瓦斯涌出量可達十幾～幾十米3/分。采煤機械的切割機構(gòu)附近，更是大量瓦斯涌出的地點，而且這些地點的風流容易形成渦流區(qū)，造成瓦斯積聚的條件。采煤機械電氣設備防爆性能不好，截齒與堅硬的夾石（如黃鐵礦）摩擦產(chǎn)生的火花，都是點燃瓦斯的火源。
井下瓦斯爆炸的引火原因多種多樣。隨著井下機械化程度的提高，因機電設備不符合要求和摩擦火花引燃的事故逐漸增多。
最后，必須著重指出，國內(nèi)外的統(tǒng)計資料表明，瓦斯涌出量小的礦井，瓦斯燃燒與爆炸事故往往多于瓦斯涌出量大的礦井。其原因主要是由于放松管理，失去警覺，違章操作現(xiàn)象等所造成。
5） 影響瓦斯爆炸界限的因素
瓦斯的爆炸界限并不是固定不變的，它受到許多因素的影響，例如：
（1）可燃氣體的混入
瓦斯—空氣混合氣體中混入其它可燃氣體時，不僅增加了爆炸性氣體的總濃度，而且會使瓦斯爆炸界限發(fā)生變化。幾種可燃性氣體同時存在時，可根據(jù)下式求得混合氣體的爆炸上、下限：
式中：N、N1、N2、N3……——分別為混合氣體和各個可燃氣體
的爆炸上下限，%；
C1、C2、C3……——分別為各個可燃性氣體占可燃性氣體總和的百分比（按體積計）%；
C1+C2+C3……=100。
表1-2為煤礦內(nèi)常見的幾種可燃性氣體的爆炸界限。由（10）式計算表明，這些可燃性氣體的混入都能使爆炸界限擴大。所以井下發(fā)生火災，產(chǎn)生其他可燃性氣體時，即使平時瓦斯涌出量不大的礦井，也有發(fā)生爆炸的可能性，同樣應該提高警惕。
表1-2 幾種可燃性氣體的爆炸界限
（2）煤塵的混入
煙煤煤塵具有爆炸性，300～400℃時就能從煤塵內(nèi)揮發(fā)出可燃性氣體，從而使瓦斯的爆炸下限降低，爆炸的危險性增加。
（3）惰性氣體
惰性氣體的混入，使氧濃度降低，并阻礙活化中心的形成，可以降低瓦斯爆炸的危險性。
（4）混合氣體的初溫（爆炸前混合氣體的溫度）
根據(jù)試驗，初溫越高，爆炸界限就越擴大。當初溫20℃時，爆炸界限為6.0%～13.4%，100℃時為5.45%～13.5%，700℃時為3.25%～18.75%。所以井下發(fā)生火災或爆炸時，高溫會使原來未達到爆炸濃度的瓦斯發(fā)生爆炸。
二、瓦斯爆炸傳播特性及主要危害
1、瓦斯爆炸的傳播特性
礦井巷道中瓦斯爆炸傳播是以沖擊波方式傳播的，隨著傳播時間和空間的推移，沖擊波結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。在起始階段，以爆燃波方式傳播，隨著甲烷氣體燃燒完畢，則演變?yōu)閱渭兛諝獠▊鞑ァ? 爆燃是一種帶有壓力波的燃燒。當火焰陣面后邊界有約束或障礙，燃燒產(chǎn)物就可以建立起一定的壓力，波陣面兩側(cè)就建立起一個壓力差，這個壓力波以當?shù)芈曀傧蚯皞鞑?，這就是壓力波。由于這個壓力波傳播速度比火焰陣面要快，行進在燃燒陣面前，因此也叫前驅(qū)沖擊波。
瓦斯爆炸發(fā)生時，爆源附近氣體高速向外沖擊，加之爆炸后生成的一部分水蒸汽很快凝聚，在爆源附近形成氣體稀薄的低壓區(qū)。瓦斯爆炸時產(chǎn)生的高溫高壓，促使爆源附近的氣體以極大的速度（可達每秒幾百米甚至上千米）向外沖擊，于是被爆炸沖出的氣體連同爆源外圍的氣體，又以高速反向沖回爆源地。這種反向沖擊的力量雖較正向沖擊的力量小，但它是沿著已遭破壞的區(qū)域反沖，其破壞性往往更大。如果反向沖擊的空氣中含有足夠的瓦斯和氧，而爆源附近的火源尚未消失，或有因爆炸而產(chǎn)生的新火源存在，就可以造成第二次爆炸。
此外，在瓦斯涌出量較大的礦井，如果空氣中的瓦斯?jié)舛?，在火源熄滅前又達到爆炸濃度，還能引起瓦斯的再次爆炸。瓦斯爆炸往往造成人員傷亡，破壞巷道和器材設施，揚起大量煤塵并使之參與爆炸，產(chǎn)生更大的破壞力，還可能點燃坑木等可燃物而引起火災。圖1-2為煤炭科學研究總院重慶分院在斷面7.2m2巷道進行100m3瓦斯爆炸實驗的超壓曲線。
圖1-2 地下巷道100m3瓦斯爆炸實驗結(jié)果
爆炸過程中，瓦斯爆炸會形成沖擊波，沖擊波在傳播過程中存在疊加、反射以及衰減等過程。壓力波衰減慢，傳播距離遠。沖擊波是爆炸破壞力的主要來源，而且造成的各種力學破壞也是實際事故調(diào)查中最明顯、最易獲得的證據(jù)，因此分析具體條件下爆炸沖擊波的傳播軌跡是事故調(diào)查的一個重要手段。
實驗中發(fā)現(xiàn)：瓦斯爆炸過程中的火焰灼燒作用明顯，懸掛的各種可燃物均留下明顯的灼燒痕跡；此外，瓦斯爆炸火焰波及范圍20～120m，因此，可以根據(jù)坑道中的過火痕跡判斷爆源區(qū)域的位置。
火焰溫度高對可燃物灼燒明顯，這是爆源點確認的一個判據(jù)；火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x隨瓦斯帶長度增加而增加，一般為其長度的5～7倍。
2、瓦斯爆炸的主要危害
瓦斯爆炸發(fā)生時產(chǎn)生的高溫火焰、沖擊波及使礦井空氣成分發(fā)生變化是造成災害的途徑。對人的傷害包括：呼吸系統(tǒng)及皮膚高溫燒傷，沖擊波傷害，中毒和窒息。對物的高溫引起火災和沖擊波破壞。
1）、火焰
火焰是在瓦斯爆炸過程中，瓦斯劇烈氧化的產(chǎn)物。火焰的傳播速度為1～2.5m/s（正常燃燒）至2500m/s（爆轟速度），一般為500～700m/s?；鹧骊嚸媸侨紵a(chǎn)物與未燃燒產(chǎn)物之間的分界面。火焰陣面象“活塞”那樣沿巷道運動，帶進越來越多的空氣和可燃成分，“活塞”長度為0～幾十米。火焰陣面通過時，人員被燒傷，不但皮膚就連呼吸器官和消化器官的粘膜也會燒傷。電氣設備遭到毀壞，尤其是電纜，這時能形成危險的第二次火源。還會引起火災。
2）、沖擊波
在瓦斯爆炸過程中，由于能力突然釋放即會產(chǎn)生沖擊波，它是由壓力波發(fā)展而成的。正向沖擊波傳播時，其壓力一般為10kPa～2MPa，但其遇疊加或反射時，常常可形成高達10MPa的壓力。沖擊波的傳播速度高于音速（340m/s）。
沖擊波通過時會對人體造成危害，多數(shù)情況下，這些創(chuàng)傷具有綜合（創(chuàng)傷、燒傷等）多樣的特點。
沖擊波前沿剩余壓力對人的作用特點如下：
0.003～0.01MPa: 無創(chuàng)傷
0.011～0.02MPa: 頭昏、輕傷
0.04MPa: 中度創(chuàng)傷：震傷、失去知覺、骨折
0.06MPa: 重傷：內(nèi)臟受傷，嚴重腦震蕩、骨折
0.3 MPa: 有較大死亡可能性（75%）
0.4 MPa: 死亡率為100%
沖擊波前沿剩余壓力對物體或巷道的作用特點如下：
移動和破壞設備，可能發(fā)生二次著火; 破壞支架、頂板冒落、垮塌巖石堆積物導致通風系統(tǒng)破壞，使救災復雜化。
0.011～0.02MPa: 支架部分破壞，密閉被破壞（密閉不穩(wěn)定時）.
0.021～0.06MPa: 木支架相當程度被破壞，金屬支架移動，混凝土整體支護發(fā)生片狀脫落。
0.061～0.3MPa: 木支架完全破壞，金屬支架部分破壞，發(fā)碹巷道出現(xiàn)裂隙，片況脫落，鐵軌變形，枕木脫開，小于1噸的設備整體破壞、變形、位移，大于1噸設備翻倒、位移、部分變形。
0.31～0.65MPa: 金屬支架巷道全長全面破壞，形成密實堆積物，整體鋼筋混凝土支架部分破壞，混凝土整體遭破壞，設備和設施完全破壞。
0.66～1.17MPa: 混凝土支架完全破壞，形成密實堆積物，整體鋼筋混凝土支架相當大破壞，可能形成冒落拱。
3） 高溫灼熱
在瓦斯?jié)舛葹?.5%條件下，爆炸時的瞬時溫度在自由空間內(nèi)可達1850℃；在封閉空間內(nèi)最高可達2650℃。井下巷道呈半封閉狀態(tài)，其爆溫將在1850℃與2650℃之間。這樣高的火焰溫度，很短時間內(nèi)足以灼傷人的皮膚和肌肉、損傷人的器官，點爆煤塵，點燃坑木。
在煤炭科學研究總院重慶分院爆炸試驗基地進行的瓦斯爆炸損傷試驗研究表明，瓦斯爆炸的高溫灼熱嚴重損傷呼吸系統(tǒng)，可造成10%試驗大白鼠死亡（48小時內(nèi)）。
4） 有毒氣體
由瓦斯爆炸反應，我們知道，由于瓦斯?jié)舛群脱鯕鉂舛鹊牟煌?，使得爆炸產(chǎn)生的有毒氣體CO和CO2的濃度差異很大，特別是由于瓦斯爆炸破壞了通風系統(tǒng)，使爆炸后的有毒氣體CO和CO2不易擴散和稀釋。從以往事故分析看：爆炸后的有毒有害氣體的中毒是造成人死亡的主要原因，占死亡總數(shù)的70～80%。
瓦斯爆炸最終氣體產(chǎn)物如表1-3所示。
表1-3 瓦斯爆炸最終氣體產(chǎn)物
表4 各國CO允許濃度值
從人身安全考慮，各國對工作場所的CO允許濃度都有明確的規(guī)定，表1-4為各國CO允許濃度。
CO對人的危害是由于人體內(nèi)的血紅蛋白（Hb）通過肺與CO結(jié)合生成碳氧血紅蛋白（ CO— Hb），妨礙了Hb向體內(nèi)運送氧的功能，因而使人的體內(nèi)缺氧。CO與Hb的結(jié)合力比O2與Hb的結(jié)合力強210～300倍。 CO—Hb的濃度達到50～60%時，人就會產(chǎn)生痙攣、昏睡、假死。
人對CO的耐受程度是隨濃度增加和隨時間的延長而減弱，具體如表1-5所示。
表1-5 人對CO的耐受程度
表1-6 各國CO2允許濃度值
同樣，各國對工作場所的CO2允許濃度都有明確的規(guī)定，表1-6為各國CO2允許濃度。
CO2對人的傷害機理與CO相仿。人對CO2的耐受程度如下：
當CO2濃度達2.5%（45mg/L）時，在1h內(nèi)不呈現(xiàn)任何中毒癥狀；
達到3%時才加深呼吸；
達到4%（72mg/L）時，才略呈局部刺激，有頭痛感、耳鳴、心悸、血壓升高、眩暈等；
達到6%時，癥狀更加明顯；
達到8%時，呼吸變得十分困難；
達到8～10%時，立即發(fā)生意志昏沉、痙攣、虛脫，進而停止呼吸，以致死亡；
達到20%時，數(shù)秒內(nèi)立即引起中樞神經(jīng)障礙，生命陷于危險狀態(tài)。
三、瓦斯爆炸的事故案例分析
1、×局×礦特大瓦斯爆炸事故
1）、礦井概況
×局×礦屬國有企業(yè)。2002年產(chǎn)量為66萬t/a。采用膠帶斜井為主提升，中央分列與兩翼對角混合式通風，采煤方法采用走向長壁式，全部冒落法管理頂板，開采單一煤層B4,一次采全高，現(xiàn)開采標高-480m~-530m。
×礦是煤與瓦斯突出礦井，根據(jù)2003年礦井瓦斯等級鑒定資料，礦井絕對瓦斯涌出量52m3/min,相對瓦斯涌出量38.7 m3/t, CO2絕對涌出量40 m3/min, CO2相對涌出量29.75 m3/t。2003年在1010運輸順槽掘進期間發(fā)生兩次突出：2003年6月14日突出煤37t,瓦斯3168m3；2003年7月27日突出煤127t，瓦斯7830 m3。B4煤層煤塵爆炸性試驗火焰長度25~30mm，有爆炸性。煤的自燃傾向性為（Ⅱ）“自燃”級，自然發(fā)火期為2~4個月。
爆炸事故發(fā)生在該礦1010工作面地區(qū)，它位于礦井-600m水平東采區(qū)東2總回以東，東為1#軌道下山，西為1010順槽措施下山，南為深部原生煤體，北為已采1008東采空區(qū)。工作面運輸順槽標高-523m～-536m，回風順槽標高-497m～-513m，走向長620m，傾向長144 m。地表標高+25~28m。
2） 事故概況
2003年11月14日11時44分，1010工作面運輸順槽發(fā)生瓦斯爆炸事故，爆炸由2#突出孔硐向東沿運輸順槽順風傳播——到1010采煤工作面——1010回風順槽；爆炸向西沿運輸順槽逆風傳播——進風連絡繞道——2#新底板進風上山風門3以外的一段巷道。造成50人死亡， 6人受傷。
3） 爆炸直接原因
（1）爆源點
1010運輸順槽2#突出孔洞（今年7月27日掘進發(fā)生突出形成的孔洞）密閉內(nèi)。
（2）瓦斯源
2#突出孔硐積存有濃度超過10%瓦斯，經(jīng)現(xiàn)場勘察測量，密閉內(nèi)空硐體積約180m3，分析純瓦斯量30余m3。
（3）點火源
2#突出孔硐內(nèi)殘留碎煤自然發(fā)火產(chǎn)生的火源。
（4）直接原因
1010運輸順槽2#突出孔硐密閉內(nèi)聚集的瓦斯被突出殘煤自燃火引燃發(fā)生瓦斯爆炸。
4） 經(jīng)驗教訓
（1） 突出孔硐的余煤未及時清理。爆炸發(fā)生前110天，運輸順槽內(nèi)發(fā)生煤與瓦斯突出事故，但礦山未將突出孔硐內(nèi)的余煤清理完畢，即對孔硐進行了封閉。由于煤的自然發(fā)火期是2～4個月，而且由于余煤與空氣的接觸面積加大，因此，突出孔硐內(nèi)的余煤自燃為瓦斯爆炸提供了火源。
（2） 密閉墻的設計、修建（厚度、結(jié)構(gòu)等）不符合要求。按照設計，密閉墻的厚度應為600mm，但井下施工時，密閉墻的厚度只有240mm；而且，由于密閉墻的修建質(zhì)量較差，形成了多處漏風，為孔硐內(nèi)煤的燃燒提供了氧氣。
（3） 密閉內(nèi)的滅火效果差。瓦檢員檢查到密閉內(nèi)煤自燃（溫度、CO濃度明顯升高）后，雖然采取了灌黃泥漿等措施，但由于灌漿的數(shù)量和質(zhì)量太差，滅火效果不明顯。
（4） 密閉檢查的匯報及處理不及時。瓦檢員檢查到密閉內(nèi)CO濃度最高已達0.36％（超過國家規(guī)定標準0.0024％150倍），但只在檢查記錄上進行了標記，并未向上級領導匯報，以致沒有及時采取有效措施對自燃煤層進行處理。
（5） 礦井購買的自救器不滿足國家相關標準，造成事故發(fā)生后，工人不能進行自救，不能有效的減小傷亡。
（6） 建立健全各項制度和措施，強化制度的落實和所執(zhí)行措施的效果檢驗。礦井有對孔硐自然發(fā)火的處理制度和措施，但瓦檢員檢查發(fā)現(xiàn)孔硐內(nèi)出現(xiàn)CO濃度和溫度異常時，沒有及時按制度規(guī)定的流程對上級領導進行匯報，而礦上采取的滅火措施執(zhí)行效果差，且對滅火效果的檢驗十分馬虎，以致雖然采取了防滅火措施，但仍然發(fā)生了由余煤自然發(fā)火引起瓦斯爆炸，導致50人死亡，6人受傷的慘劇。
（7）從業(yè)人員安全意識淡薄，僥幸心理、習慣性違章較嚴重。密閉內(nèi)的余煤未清理干凈，而且工人在修建密閉墻時厚度只有設計的40％，密閉墻修建質(zhì)量差多處漏風，給密閉內(nèi)提供了瓦斯爆炸爆炸和余煤自燃所必需的氧氣。由此可見，強化職工安全意識，加強安全培訓工作刻不容緩。
2、×局×礦“4.6”瓦斯爆炸事故
1） 礦井概況
（1） 基本概況
×局×礦屬國有企業(yè)。設計能力：1.50Mt，2004年申報核定生產(chǎn)能力：2.41Mt。
（2） 采掘基本情況
開拓方式：平硐與斜井開拓
開采方法：走向長壁綜合機械化低位放頂煤
頂板管理：全部垮落法
開采采區(qū)：四采區(qū)，一礦一面的集約化開采模式
采掘布置：415綜采隊；三個綜掘隊、兩個炮掘隊，采掘機械化程度分別達到100%和75.7%。
（3） 通風基本情況
全礦通風：8進1回、采區(qū)分區(qū)抽出式通風方式
415工作面系統(tǒng)：
運順進風量：920 m3/min，CH4 0.1%
灌漿巷進風量：1400 m3/min
1號聯(lián)絡巷風量：120 m3/min
回順風量：860 m3/min，CH40.68%，排瓦斯量5.85 m3/min；
高位巷風量：1350 m3/min，CH4 1.8%，排瓦斯量23.67 m3/min
（4） 瓦斯治理基本情況
2004年礦井瓦斯申報鑒定結(jié)果：屬高瓦斯礦井
礦井絕對涌出量：107.61 m3/min
礦井相對涌出量：20.44 m3/t.d
415工作面系統(tǒng)
風排瓦斯量：29.52 m3/min
瓦斯抽放量：20.25 m3/min
總 涌 出 量：49.77 m3/min
瓦斯抽放率：40.69%
瓦斯抽放系統(tǒng)：3套獨立
瓦斯抽放方法：走向長鉆孔煤層瓦斯預抽、傾斜順煤層鉆孔預抽、掘進工作面邊掘邊抽、灌漿巷采空區(qū)高冒帶鉆孔卸壓抽放等綜合抽放方法。
（5） 礦井防滅火情況
煤層自燃狀況：易自燃煤層，發(fā)火期3-6個月，最短發(fā)火期24天；
防滅火措施：灌漿、汽霧阻化、堵漏風、注氮氣、注凝膠等綜合防滅火措施
防滅火系統(tǒng)：灌漿、阻化劑、注氮和注凝膠系統(tǒng)。
2） 事故概況
（1） 事故發(fā)生經(jīng)過
2004年11月23日10:20～10:30 ：415上隅角起爆松動頂煤，上隅角采空區(qū)發(fā)生瓦斯爆燃，83#～89#架后溜槽處發(fā)現(xiàn)明火，并有大量青煙。
2004年11月24日：79#～80#支架間有少量煙；決定只割煤不放頂煤，加快推進速度 。
2004年11月28日07時10分：井下四泵房安檢員韓朝云匯報聽到爆炸聲、巷道煙霧大，安子溝抽放泵站電話匯報，安子溝風井防爆門被摧毀，有黑煙冒出；事故死亡166人，受傷45人
2004年12月2日：3:25、6:15、7:45、10:53相繼發(fā)生4次爆炸，沒有造成人員傷亡。
（2） 災害波及范圍
災害波涉及大巷平臺以下的四采區(qū)全部區(qū)域，包括:415、416工作面系統(tǒng)，417回順掘進工作面，四軌下延伸、四皮下延伸、四總回延伸及其相鄰聯(lián)絡巷、鉆場和硐室，安子溝風井等；受威脅人員293人，死亡166人，受傷45人。
（3） 直接經(jīng)濟損失
直接經(jīng)濟損失為4165.9萬元 。
3） 事故直接原因
（1） 爆源點
爆源位于415綜放工作面下隅角。
（2） 瓦斯源
爆源點瓦斯來源：415工作面下隅角靠采空區(qū)頂部及1#聯(lián)絡巷。1#聯(lián)絡巷、采空區(qū)、高位巷、爆炸破壞的抽放管內(nèi)瓦斯參與爆炸，加大爆炸強度。
（3） 點火源
放炮是引爆瓦斯火源。
（4） 直接原因
工作面下隅角支架尾梁后側(cè)強制放頂放炮引爆瓦斯。
4） 教訓及建議
（1） 在工作面上、下隅角爆破落頂極易引燃、引爆采空區(qū)瓦斯，建議嚴禁在上、下隅角爆破落頂。
（2） 實現(xiàn)一礦一面集約化生產(chǎn)的礦井，生產(chǎn)、人員非常集中，發(fā)生事故造成重大傷亡。建議礦井實行安全合理集中生產(chǎn)。
（3） 專用排瓦斯巷是在通風、瓦斯抽放等措施全力實施前提下所采取的避免回風巷瓦斯超限的輔助措施，而易自燃煤層不得采用專用排瓦斯巷。專用排瓦斯巷分段摻入新風，降低瓦斯?jié)舛戎?.5%以內(nèi)，但專用排瓦斯巷與采空區(qū)相聯(lián)，未摻新風段瓦斯仍可能處于爆炸限內(nèi)，致使專用排瓦斯巷成為重要危險源，巷道內(nèi)盡管要求瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.5%以內(nèi)，但實際上出現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸蕃F(xiàn)象時有發(fā)生，控制難度較大，且一旦發(fā)生事故，2.5%以內(nèi)的瓦斯在強點火能量條件下也可能引起爆炸，尤其在有油氣和高濃度煤塵混入的條件下，尤其要注意。
（4） 玻璃鋼抽放管抗沖擊能力差，不能抵抗爆炸波的沖擊，致使爆炸時抽放管炸碎，管內(nèi)大量高濃度瓦斯涌出，加劇了爆炸威力。建議盡可能不采用玻璃鋼抽放管。
（5） 采用預裂爆破措施有利于頂煤和頂板及時垮落，但作為煤、氣、油共生的高瓦斯礦井應特別注意防止預裂爆破、特別是采空區(qū)附近預裂爆破誘發(fā)瓦斯與煤塵爆炸。
（6） 采煤工作面中部布置聯(lián)絡巷不利于通風系統(tǒng)穩(wěn)定和瓦斯管理。
第二節(jié) 煤塵爆炸
一、煤塵的產(chǎn)生及存在狀態(tài)
煤礦生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)都能產(chǎn)生大量的懸浮煤塵，這是直接發(fā)生爆炸的原因之一。此外，在煤礦井下幾乎到處都存在著大量沉積煤塵，當它受到空氣波的震動或氣流的吹揚時，便能再次形成懸浮狀態(tài)，以具備爆炸的起碼條件。所以說沉積煤塵是造成井下嚴重災害（連續(xù)大爆炸）的隱患。煤礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉塵總體小于100μm，其中95%小于80μm。綜采工作面0~0.5mm的煤塵占9.03%（山東某礦）。綜放工作面0~0.5mm的煤塵占7.23%。
二、煤塵爆炸條件
煤塵爆炸必須同時具備以下三個條件： 一是煤塵本身具有爆炸性。煤塵本身有無爆炸性，要通過由井下采取煤樣，經(jīng)煤塵爆炸性鑒定后確定；二是煤塵在空氣中呈懸浮狀態(tài)，并達到一定的濃度（在爆炸下限至上限濃度范圍內(nèi)）；三是引爆的高溫熱源，煤塵爆炸的引爆溫度一般為700～800℃，溫度越高越容易引起爆炸。
1、煤塵爆炸性的判別
煤塵懸浮在空氣中，其與氧接觸的面積增大，吸附氧分子的數(shù)量大大增加，加速了煤塵的氧化過程。同時還因粉塵增大受熱面積，而加速了熱化過程，加之煤塵受熱后放出揮發(fā)性可燃氣體放出的速度也隨之增大。1kg揮發(fā)分為20%—26%的焦煤，高溫下可以放出290～350L的氣體。
煤塵爆炸是由于煤塵含有并釋放出的可燃性揮發(fā)分聚集于塵粒的周圍，在一定溫度下放出大量的可燃性氣體，在點火能的作用下發(fā)生爆炸。煤塵的爆炸性由其所含可燃性揮發(fā)分的大小而決定，如無煙煤不含可燃性揮發(fā)分，其沒有爆炸性，不會發(fā)生爆炸。
爆炸指數(shù)VΓ是指煤塵中可燃性揮發(fā)分，是判斷煤塵有無爆炸性和爆炸性強弱的依據(jù)之一。
VΓ= Vad/（Vad+C）=Vad/（100-Mad-Aad）×100% （11）
Vad—空氣干噪煤樣的揮發(fā)分產(chǎn)率，%
C—空氣干噪煤樣的固定碳產(chǎn)率，%
Mad—空氣干噪煤樣的水分產(chǎn)率，%
Aad—空氣干噪煤樣的灰分產(chǎn)率，%
揮發(fā)分對煤塵爆炸的發(fā)生、發(fā)展起著關鍵作用。試驗表明，揮發(fā)分越高的煤，其煤塵越易爆炸。揮發(fā)分含量決定于煤的種類，貧煤、焦煤、肥煤、氣肥煤、長焰煤、褐煤，它們的揮發(fā)分是依次增高的，在煤塵爆炸性試驗中證實，它們的爆炸性也是依次增強的。無煙煤在各類煤中的揮發(fā)分含量最低，其煤塵基本上無爆炸危險。一般情況下，當揮發(fā)分低于10%時，煤塵無爆炸危險。
一般般情況下，VΓ＞10%，有爆炸性；VΓ=10～15%，弱爆炸性，巖粉用量20～40%；VΓ=15～28%，強爆炸性，火焰短（20～80mm），巖粉用量50～80% ，焦煤；VΓ＞28%，強爆炸性，火焰長（100～400mm），巖粉用量50～80%，氣煤。
我國用大管狀煤塵爆炸性鑒定儀對煤塵有無爆炸性作最終判定。
一些產(chǎn)煤國家也把可燃性揮發(fā)性作為煤塵有無爆炸性的判斷依據(jù)。如表1-7所示。
表1-7一些產(chǎn)煤國家煤塵爆炸性判斷依據(jù)
煤塵揮發(fā)分與不爆率關系如圖1-3所示。當煤塵揮發(fā)分低于6.21%時，煤塵不具有爆炸性，這個值稱為煤塵不爆臨界值。此后，隨著煤塵揮發(fā)分增加，煤塵不爆炸率隨之下降，即煤塵爆炸可靠性增大，當煤塵揮發(fā)分大于14%時，煤塵爆炸可能性就達到100%，即煤塵肯定具有爆炸性。
圖1-3 煤塵揮發(fā)分與不爆炸率的關系曲線
2、煤塵爆炸的濃度范圍
我們通常從爆炸角度而言的煤塵，是指在熱源作用下能單獨爆炸和傳播的細粒煤粉。關于煤塵定義中所包括的粒度范圍，各個國家都不相同，沒有統(tǒng)一的嚴格規(guī)定。例如英國規(guī)定為0.59mm以下的煤粒；美國規(guī)定為0.64mm以下的煤粒；日本通產(chǎn)省規(guī)定，揮發(fā)份11%以上者，為20網(wǎng)孔以下的煤粒；蘇聯(lián)規(guī)定為0.75～1mm以下的煤粒。我國通常把0.75～1mm以下的煤粒。
能夠爆炸的懸浮煤塵濃度是有一定的范圍的，就是說，在爆炸的下限濃度至上限濃度這個范圍內(nèi)才能發(fā)生爆炸。所謂爆炸下限濃度，是指單位體積空氣中能夠發(fā)生爆炸的最低煤塵含量。許多國家實驗結(jié)果表明，煤塵爆炸的最小下限濃度主要與煤塵的成分，特別是可燃揮發(fā)分含量﹑粒度﹑引火源種類和實驗規(guī)模（實驗室實驗或巷道實驗）等有關。表1-8是一些國家的實驗數(shù)據(jù)。
表1-8 一些產(chǎn)煤國家的煤塵爆炸下限濃度值（實驗數(shù)據(jù)）
表1-9 一些產(chǎn)煤國家的煤塵爆炸上限濃度值（實驗數(shù)據(jù)）
所謂爆炸上限濃度，是指單位體積空氣中能夠發(fā)生爆炸的最高煤塵含量，即在此含量以上的濃度不在發(fā)生爆炸。許多國家研究認為，爆炸上限跟隨煤質(zhì)和實驗條件不同而有所變化。表1-9為一些產(chǎn)煤國家的煤塵爆炸上限濃度值。蘇聯(lián)的實驗結(jié)果是1450～2000 g/m3；波蘭的實驗結(jié)果是900～1800 g/m3；美國的試驗結(jié)果是2100g/m3；而日本的實驗結(jié)果是1800～2750g/ m3.但是，在井下生產(chǎn)過程的實際條件下，懸浮煤塵量要達到上限值是十分困難的，只有沉積煤塵才能達到，即沉積煤塵在沖擊波等的作用下才能形成如此高的懸浮煤塵濃度。
應該指出，在上下限濃度之間這個范圍內(nèi)，某一區(qū)段的濃度爆炸能力最強。國外實驗表明，爆炸力最強的煤塵濃度為300～400g/m3。
三、煤塵爆炸機理（特性）及爆炸過程
煤塵爆炸也是嚴重威脅礦井生產(chǎn)的重大災害之一。這種事故雖然發(fā)生次數(shù)較少，但一旦發(fā)生則往往造成很大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。
煤炭為有機生物巖，當它破碎成細小的顆粒后，表面積大大增加，系統(tǒng)的表面能也隨著增加，從而提高了煤塵的表面化學活性，氧化能力顯著增強。受熱時單位時間內(nèi)能夠吸收更多的熱量，在較低的溫度（300～400℃）時，就能放出大量的可燃性氣體（揮發(fā)份）聚集于塵粒的周圍，形成一定數(shù)量的活化中心，如圖1-4所示。這類可燃性氣體一經(jīng)與空氣混合并在高溫作用下吸收能量發(fā)生氧化反應放出熱量，這些熱量如果能夠有效地傳播給附近的煤塵，這些煤塵也就迅速受熱而分解，跟著燃燒起來。這種過程連續(xù)不斷地進行，氧化反應越來越快，溫度越來越高，活化中心越來越多，達到一定程度時，便發(fā)展為劇烈的爆炸。如果氧化生成的熱量很快被周圍介質(zhì)所吸收，氧化反應就不能擴大，不會發(fā)展為爆炸。
圖1-4 煤塵粒子的氣相燃燒模型
煤塵爆炸的氧化反應和瓦斯爆炸一樣，主要在氣相條件內(nèi)進行。煤塵的燃燒速度和爆炸壓力比瓦斯的要小，但燃燒帶的長度較長，產(chǎn)生的能量大，表現(xiàn)出顯著的破壞能力。一般來說，爆炸開始于局部，產(chǎn)生的沖擊波較小，但可擾動周圍沉積的煤塵，并使之飛揚，由于熱的傳遞與輻射，進而發(fā)生再次爆炸，這就是所謂的二次爆炸，二次爆炸擴大了最初爆炸的規(guī)模，不斷誘發(fā)附近煤塵爆炸，直至沉積煤塵全部燃燒完畢。這是煤塵爆炸災害的一大特點，在煤礦井下，這種爆炸有時沿巷道傳播數(shù)千米以外。
另外，在煤塵爆炸中，爆炸產(chǎn)生的氣體成分與瓦斯爆炸比較，一氧化碳明顯增多。這是因為單位空間的氧與燃料比，與氣體爆炸相比較，燃料顯得充裕，因而發(fā)生不完全燃燒。所以煤礦在有限的閉塞區(qū)間發(fā)生煤塵爆炸 ，受害者大多數(shù)是一氧化碳中毒。對爆炸后氣體的分析發(fā)現(xiàn)，瓦斯爆炸的C、H比為2.3～2.8，而煤塵爆炸為3～16。煤塵爆炸傳播過程中，由于煤塵粒子的熱變質(zhì)和干餾作用，除產(chǎn)生一氧化碳、二氧化碳、甲烷和氫以外，還產(chǎn)生干餾氣體，并含有氫氰酸（HCN）等劇毒氣體。
因此，煤塵爆炸時的氧化反應主要是在氣相內(nèi)進行的，具有瓦斯爆炸的同樣特點。但在固體塵粒表面也有氧化作用發(fā)生，即碳元素與氧結(jié)合生成CO，氧氣充足時生成CO2。與此同時，一部分煤塵被局部焦化，粘接在一起，沉集于支架和巷道壁上，形成煤塵爆炸所特有的產(chǎn)物——“粘焦”，它也是判斷井下發(fā)生爆炸事故時是否有煤塵參與爆炸的重要標志。
煤塵爆炸產(chǎn)生的沖擊波可將巷道中的落塵揚起而為爆炸的延續(xù)和擴大補充塵源。因此，煤塵爆炸不僅表現(xiàn)出有連續(xù)性的特點，而且在連續(xù)爆炸的條件下，還可能有離開爆源越遠其破壞力越大的特征。
煤塵爆炸時產(chǎn)生的熱量可使爆炸地點空氣溫度達到2000℃以上。根據(jù)試驗可測出在距爆源200m的巷道出口壓力可達到50～100kPa。如在通路中遇有障礙物及斷面突然變化或拐彎處，爆炸壓力還將升高。
煤塵的引燃溫度，同樣是隨煤塵的性質(zhì)和實驗條件的不同而有很大的差異，最低610℃，最高達1000℃。點火能為2.8mJ。煤礦井下的放炮火焰、電氣設備火花、采掘機械的沖擊火花、井下火災及瓦斯爆炸等均可引起煤塵爆炸。
四、煤塵爆炸影響因素
影響煤塵爆炸性的因素很多，包括煤的性質(zhì)，化學組成，煤塵粒度，以及外界條件等。
1、氧氣濃度
氧氣濃度直接影響煤塵爆炸反應的生熱速度，反應能否進行。氧氣濃度增加，煤塵云容易著火、爆炸，反之變得困難。C、H、（O）為主要構(gòu)成元素的有機粉塵（包括煤塵），不發(fā)生爆炸的氧氣界限濃度為13％～16%。
2、煤塵粒度
一般細微的塵粒容易燃燒或爆炸，其原因之一是塵粒具有較大的表面積，由表1-10可以看出物體的表面積的增加情況。
表1-10 不同粒徑的表面積
表面積急劇增加的結(jié)果，大大增加了塵粒和氧的接觸面積，促進了氧化，同時也增大了受熱面積，加速了可燃氣體的釋放，所以，煤塵的粒度對爆炸性的影響極大?？偟膩碚f，煤塵粒度越小，爆炸性越強。
國內(nèi)外的實驗結(jié)果表明，從極微細的煤塵到直徑為0.75～1mm的煤塵都能參與爆炸。但是煤塵爆炸的主體是0.075mm以下的煤塵粒子。這種粒子的含量越高，煤塵爆炸性越強，但并不是直接關系，而是當0.075mm以下的煤塵粒子含量達70%～80%后，爆炸性就基本上不再增強了。
我國的實驗結(jié)果表明：小于0.75mm的煤塵，其爆炸性與粒度的關系，總的趨勢是隨著粒度的變細爆炸性逐漸增強，但0.03mm以下的粒子，其爆炸性增強的局勢就比較平緩了。
從爆炸性與表面積的關系也可以得到同樣的結(jié)果。煤塵粒子比表面積從2000cm2/g增加到5000 cm2/g時爆炸性有很大的增強，而粒度再細，如比表面積從5000 cm2/g增到15000cm2/g時（即相當于0.03mm以下的粒子），煤塵爆炸性的變化便不顯著了。國外認為粒度小于0.01mm時，爆炸性反而會隨著粒度的變細而降低。其原因是：（1）煤塵太細時，就會分裂成化學成分不同的小分子；（2）很細的煤塵有凝結(jié)成屑片的趨勢；（3）煤塵太細時，很快就被氧化，反而減弱了爆炸力。
煤塵比表面積與爆炸濃度之間關系見圖1-5。煤塵粒度對爆炸壓力的影響見圖1-6。
圖1-5 煤塵比表面積與煤塵云爆炸下限濃度之間關系
圖1-6 煤塵粒度對爆炸壓力的影響
3、水分的影響
煤塵中含有的水有減弱和阻礙爆炸的性質(zhì)，水被蒸發(fā)要吸收大量的熱量，起了附加不燃物質(zhì)的作用。水分越大，對爆炸的影響越大，水分>5～6%后，煤塵云著火能量增高，著火困難。
水在煤塵中還有阻礙生成煤塵云的粘結(jié)作用。煤塵的水只是在爆炸前對起爆有抑制作用，能阻礙煤塵的燃燒，但是當爆炸發(fā)生后，煤塵本身含有的水所起的作用就微不足道了。美國在巷道中的實驗表明，細微煤塵的水分即使增到25%仍然參與了強烈的爆炸。此時的煤塵濕潤程度已是稠泥狀，用手捏即成煤泥球。由圖1-7可見水分對煤塵著火能量的影響。
圖1-7 煤塵水分對著火能量的影響
4、灰分的影響
煤塵中含有的灰為煤塵中的不燃物質(zhì)，它能吸收煤塵燃燒時放出的熱量，起到冷卻和阻止熱量擴散的作用。
隨著煤塵灰分的增加，煤塵云著火能量增高，見圖1-8。煤塵隨其灰分的增加，其爆炸性隨之降低。但是實驗表明，20%以下的灰分對煤塵的爆炸性沒有很大的影響，只有達到30%—40%時爆炸性才急劇下降，灰分含量超過45%后，著火極其困難。此外，灰分大增加了煤塵的比重，這就加快了煤塵的沉降速度，灰分的含量越大，沉降速度就越大。這在降低煤塵爆炸方面是有一定意義的。目前國外煤礦所采用的煤粉和撒布巖粉措施，就是利用上述原理來削弱和制止煤塵爆炸的。
煤塵灰分含量對最小點火能量影響見圖1-8。
圖1-8 煤塵灰分對最小點火能量影響
5、瓦斯的影響
當空氣中含有可燃氣體時，煤塵的爆炸下限濃度將降低。因此煤塵在瓦斯與空氣混合介質(zhì)中就能在較低的濃度下發(fā)生爆炸。蘇聯(lián)馬凱耶夫煤礦安全研究所得出了如表1-11所列的關系。我國的研究得出了如表1-12所示的關系。
上述的關系還可以用如下的指數(shù)方程近似地表達出來：～ g/m3
D=D0e(Va-1)G
式中 D——含有瓦斯時煤塵的爆炸下限濃度，g/m3;
D0——不含有瓦斯時純煤塵的爆炸下限濃度，g/m3；
G ——煤塵云中瓦斯的濃度，體積% ；
Va——煤中的揮發(fā)分（以小數(shù)表示）；
e——自然對數(shù)系數(shù)。
表11 瓦斯含量對煤塵爆炸下限影響（蘇聯(lián)馬凱耶夫煤礦安全研究所）
表12瓦斯含量對煤塵爆炸下限影響（中國）
瓦斯與煤塵共存時，煤塵爆炸下限濃度下降，爆炸上限濃度提高。爆炸濃度最高達3500g/m3。瓦斯?jié)舛却笥?％時，不同煤種的煤塵爆炸上限濃度之差不大．小于6％時，它們之間差別較大。瓦斯與煤塵爆炸下限相互影響曲線如圖1-9所示。瓦斯對煤塵爆炸上限的影響見圖1-10。
圖1-9 煤塵和瓦斯共存時其爆炸下限相互影響
圖1-10瓦斯存在對煤塵爆炸上限的影響
五、煤塵爆炸傳播規(guī)律
在發(fā)生煤塵爆炸的地點，空氣受熱膨脹，密度減小，經(jīng)過一個極短促的時間后形成負壓區(qū)，負壓約為0.05MPa。由于空氣差的作用，空氣向爆炸點逆流，促成空氣的二次沖擊，簡稱“返回風”。若該區(qū)內(nèi)仍存在著可以爆炸之煤塵和熱源，當補給新鮮空氣時，便可以發(fā)生第二次爆炸。
煤塵的燃燒或爆炸是一種化學與物理作用的過程。按其傳播的性質(zhì)和速度，可分為兩種根本不同的形式—燃燒和爆炸。這種形式具有重大的本質(zhì)區(qū)別。
1） 煤塵燃燒
煤塵的燃燒過程進行的比較緩慢，并且不伴有顯著的聲效應。燃燒的火焰速度是變化的，在正常燃燒條件下，一般不超過10～20m/s，且隨著外界壓力的提高而顯著地增加。國外有人在進行混合氣體的爆炸實驗中發(fā)現(xiàn)：只有在裝有混合氣體的管子的開口端點火時，火焰才能作等速傳播；而混合氣體在密封管子中燃燒時，火焰便以不斷增長的速度進行傳播。這是由于燃燒產(chǎn)物的膨脹而形成壓縮波，壓縮波在不斷壓縮的介質(zhì)中傳播時，后波可以趕上前波，這些單波迭加的結(jié)果，就逐漸形成了沖擊波所特有的?? |
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