煤塵爆炸及預防

一、煤塵爆炸的機理及特征 1 ．煤塵爆炸的機理  煤塵爆炸是在高溫或一定點火能的熱源作用下，空氣中氧氣與煤塵急劇氧化的反應過程，是一種非常複雜的 鏈式反應。一般認為其爆炸機理及過程主要表現在以下方麵： (1) 煤本身是可燃物質，當它以粉末狀態存在時，總表麵積顯著增加，吸氧和被氧化的能力大大增強，一旦遇見火源，氧化過程迅速展開； (2) 當溫度達到300～400℃時，煤的幹餾現象急劇增強，放出大量的可 燃性氣體，主要成分為甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、氫和1%左右的其它碳氫化合物； (3) 形成的可燃氣體與空氣混合在高溫作用下吸收能量，在塵粒周圍形成氣體外殼，即活化中心，當活化中心的能量達到一定程度後，鏈反應過程開始，遊離基迅速增加，發生了塵粒的閃燃； (4) 閃燃所形成的熱量傳遞給周圍的塵粒，並使之參與鏈反應，導致燃燒過程急劇地循環進行，當燃燒不斷加劇使火焰速度達到每秒數百米後，煤塵的燃燒便在一定臨界條件下跳躍式地轉變為爆炸。 2 ．煤塵爆炸的特征 (1) 形成高溫、高壓、衝擊波煤塵爆炸火焰溫度為1600～1900℃ ，爆源的溫度達到2000℃以上，這是煤塵爆炸得以自動傳播的條件之一。在礦井條件下煤塵爆炸的平均理論壓力為736ＫPa，但爆炸壓力隨著離開爆源距離的延長而跳躍式增大。爆炸過程中如遇障礙物，壓力將進一步增加，尤其是連續爆炸時，後一次爆炸的理論壓力將是前一次的5～7倍。煤塵爆炸產生的火焰速度可達1120m/ｓ，衝擊波速度為2340m/ｓ。 (2) 煤塵爆炸具有連續性 (3) 煤塵爆炸的感應期煤塵爆炸也有一個感應期，即煤塵受熱分解產生足夠數量的可燃氣體形成爆炸所需的時間。根據試驗，煤塵爆炸的感應期主要決定於煤的揮發分含量，一般為40～280mｓ，揮發分越高，感應期越短。 (4) 揮發分減少或形成“粘焦 ”煤塵爆炸時，參與反應的揮發分約占煤塵揮發分含量的40%～70％，致使煤塵揮發分減少，根據這一特征，可以判斷煤塵是否參與了井下的爆炸。。 (5) 產生大量的CO煤塵爆炸時產生的CO，在災區氣體中的濃度可達2％～3％，甚至高達8％左右。爆炸 02manbetx.com 中受害者的大多數(70%～80％)是由於CO中毒造成的。 二、煤塵爆炸的條件 煤塵爆炸必須同時具備三個條件：煤塵本身具有爆炸性；煤塵必須懸浮於空氣中，並達到一定的濃度；存在能引燃煤塵爆炸的高溫熱源。 1 ．煤塵的爆炸性 煤塵具有爆炸性是煤塵爆炸的必要條件。煤塵爆炸危險性必須經過試驗確定。 2 ．懸浮煤塵的濃度 井下空氣中隻有懸浮的煤塵達到一定濃度時，才可能引起爆炸，單位體積中能夠發生煤塵爆炸的最低和最高煤塵量稱為 下限和上限濃度。低於下限濃度或高於上限濃度的煤塵都不會發生爆炸。煤塵爆炸的濃度範圍與煤的成分、粒度、引火源的種類和溫度及試驗條件等有關。一般說來，煤塵爆炸的下限濃度為30～50g/m ³，上限濃度為1000～2000g/m ³。其中爆炸力最強的濃度範圍為300～500g/m ³。 3 ．引燃煤塵爆炸的高溫熱源煤塵的引燃溫度變化範圍較大，它隨著煤塵性質、濃度及試驗條件的不同而變化。我國煤塵爆炸的引燃溫度在610～1050℃之間，一般為700～800℃。煤塵爆炸的最小點火能為4.5～40mj。這樣的溫度條件，幾乎一切火源均可達到， 三、影響煤塵爆炸的因素 1 ．煤的揮發分一般說來，煤塵的可燃揮發分含量越高，爆炸性越強，即煤化作用程度低的煤，其煤塵的爆炸性強，隨煤化作用程度的增高而爆炸性減弱。 2 ．煤的灰分和水分煤內的灰分是不燃性物質，能吸收能量，阻擋熱輻射，破壞鏈反應，降低煤塵的爆炸性。煤的灰分對爆炸性的影響還與揮發分含量的多少有關，揮發分小於15%的煤塵，灰分的影響比較顯著，大於15%時，天然灰分對煤塵的爆炸幾乎沒有影響。水分能降低煤塵的爆炸性，因為水的吸熱能力大，能促使細微塵粒聚結為較大的顆粒，減少塵粒的總表麵積，同時還能降低落塵的飛揚能力。 3 ．煤塵粒度 粒度對爆炸性的影響極大。1mm以下的煤塵粒子都可能參與爆炸，而且爆炸的危險性隨粒度的減小而迅速增加，75μm以下的煤塵特別是30～75μm的煤塵爆炸性最強，在同一煤種不同粒度條件下，爆炸壓力隨粒度的減小而增高，爆炸範圍也隨之擴大，即爆炸性增強。粒度不同的煤塵引燃溫度也不相同。煤塵粒度越小，所需引燃溫度越低，且火焰傳播速度也越快。 4 ．空氣中的瓦斯濃度瓦斯參與使煤塵爆炸下限降低。瓦斯濃度低於4%時，煤塵的爆炸下限可用下式計算： δm＝ｋδ 式中：δm—空氣中有瓦斯時的煤塵爆炸下限，g/m ³； δ—煤塵的爆炸下限，g/m ³； ｋ—係數，見表11-3-1。 表11-3-1瓦斯濃度對煤塵爆炸下限的影響係數 空氣中的瓦斯濃度(%) 0 0.50 0.75 1.0 1.50 2.0 3.0 4.0 ｋ 1 0.75 0.60 0.50 0.35 0.25 0.1 0.05 5 ．空氣中氧的含量 空氣中氧的含量高時，點燃煤塵的溫度可以降低；氧的含量低時，點燃煤塵雲困難，當氧含量低於17%時，煤塵就不再爆炸。煤塵的爆炸壓力也隨空氣中含氧的多少而不同。含氧高，爆炸壓力高；含氧低，爆炸壓力低。 6 ．引爆熱源 點燃煤塵雲造成煤塵爆炸，就必須有一個達到或超過最低點燃溫度和能量的引爆熱源。引爆熱源的溫度越高，能量越大，越容易點燃煤塵雲。而且煤塵初爆的強度也越大；反之溫度越低，能量越小，越難以點燃煤塵雲，且即使引起爆炸，初始爆炸的強度也越小。 四、煤塵爆炸性鑒定 《 01manbetx 》規定：新礦井的地質精查報告中，必須有所有煤層的煤塵爆炸性鑒定材料。生產礦井每延深一個新水平，由礦務局組織一次煤塵爆炸性試驗工作。 煤塵爆炸性的鑒定方法有兩種：一種是在大型煤塵爆炸試驗巷道中進行，這種方法比較準確可靠，但工作繁重複雜，所以一般作為 標準鑒定用；另一種是在實驗室內使用大管狀煤塵爆炸性鑒定儀進行，方法簡便，目前多采用這種方法。 煤塵通過燃燒管內的加熱器時，可能出現下列現象： ①隻出現稀少的火星或根本沒有火星；②火焰向加熱器兩側以連續或不連續的形式在塵霧中緩慢地蔓延；③火焰極快地蔓延，甚至衝出燃燒管外，有時還會聽到爆炸聲。 同一試樣應重複進行 5次試驗，其中隻要有一次出現燃燒火焰，就定為爆炸危險煤塵。在5次試驗中都沒有出現火焰或隻出現稀少火星，必須重作5次試驗，如果仍然如此，定為無爆炸危險煤塵，在重作的試驗中，隻要有一次出現燃燒火焰，仍應定為爆炸危險煤塵。 五、預防煤塵爆炸的技術措施 預防煤塵爆炸的 技術 措施主要包括減、降塵 措施，防止煤塵引燃 措施及限製煤塵爆炸範圍擴大等三個方麵。 1 ．減、降塵措施減、降塵措施是指在 煤礦井下生產過程中，通過減少煤塵產生量或降低空氣中懸浮煤塵含量以達到從根本上杜絕煤塵爆炸的可能性。 1) 煤層注水實質煤層注水的減塵作用主要有以下三個方麵： ①煤體內的裂隙中存在著原生煤塵，水進入後，可將原生煤塵濕潤並粘結，使其在破碎時失去飛揚能力，從而有效地消除這一塵源； ②水進入煤體內部，並使之均勻濕潤。當煤體在開采中受到破碎時，絕大多數破碎麵均有水存在，從而消除了細粒煤塵的飛揚，預防了浮塵的產生； ③水進入煤體後使其塑性增強，脆性減弱，改變了煤的物理力學性質，當煤體因開采而破碎時，脆性破碎變為塑性變形，因而減少了煤塵的產生量。 2) 影響煤層注水效果的因素  ①煤的裂隙和孔隙的發育程度煤體的裂隙越發育則越易注水，可采用低壓注水(根據撫順煤研所建議；低壓小於2943ＫPa，中壓為2943～9810ＫPa，高壓大於9810ＫPa），否則需采用高壓注水才能取得預期效果，但是當出現一些較大的裂隙(如斷層、破裂麵等)，注水易散失於遠處或煤體之外，對預濕煤體不利。 ②上履岩層壓力及支承壓力地壓的集中程度與煤層的埋藏深度有關，煤層埋藏越深則地層壓力越大，而裂隙和孔隙變得更小，導致透水性能降低，因而隨著礦井開采深度的增加，要取得良好的煤體濕潤效果，需要提高注水壓力。 ③液體性質的影響煤是極性小的物質，水是極性大的物質，兩者之間極性差越小，越易濕潤。為了降低水的表麵張力，減小水的極性，提高對煤的濕潤效果， 可以在水中添加表麵活性劑。陽泉一礦在注水時加入0.5%濃度的 洗衣粉，注水速度比原來提高24%。 ④煤層內的瓦斯壓力煤層內的瓦斯壓力是注水的附加阻力。水壓克服瓦斯壓力後才是注水的有效壓力，所以在瓦斯壓力大的煤層中注水時，往往要提高注水壓力，以保證濕潤效果。 ⑤注水參數的影響 煤層注水參數是指注水壓力、注水速度、注水量和注水時間。注水量或煤的水分增量是煤層注水效果的標誌，也是決定煤層注水除塵率高低的重要因素， 3) 煤層注水方式注水 方式是指鑽孔的位置、長度和方向。按國內外注水狀況，有以下4種方式： ①短孔注水 ，是在回采工作麵垂直煤壁或與煤壁斜交打鑽孔注水，注水孔長度一般為2～3.5m，如圖11-3-4所示。 ②深孔注水，是在回采工作麵垂直煤壁打鑽孔注水，孔長一般為5～25m，如圖11-3-4所示。 ③長孔注水，是從回采工作麵的運輸巷或回風巷，沿煤層傾斜方向平行於工作麵打上向孔或下向孔注水(圖11-3-5)，孔長30～100m；當工作麵長度超過120m而單向孔達不到 設計深度或煤層傾角有變化時，可采用上向、下向鑽孔聯合布置鑽孔注水(圖11-3-6） ④巷道鑽孔注水，即由上鄰近煤層的巷道向下煤層打鑽注水或由底板巷道向煤層打鑽注水，巷道鑽孔注水采用小流量、長時間的注水方法，濕潤效果良好；但打岩石鑽孔不經濟，而且受條件限製，所以極少采用。 4) 注水係統 注水係統分為靜壓注水係統和動壓注水係統。 利用管網將地麵或上水平的水通過自然靜壓差導入鑽孔的注水叫 靜壓注水。靜壓注水采用橡膠管將每個鑽孔中的注水管與供水幹管聯接起來，其間安裝有水表和截止閥，幹管上安裝壓力表，然後通過供水管路與地表或上水平水源相聯。 利用水泵或風包加壓將水壓入鑽孔的注水叫動壓注水，水泵可以設在地麵集中加壓，也可直接設在注水地點進行加壓。 5) 注水設備煤層注水所使用的設備主要包括鑽機、水泵、封孔器、分流器及水表等。 ①鑽機我國 煤礦注水常用的鑽機如表11-3-2所示。 表11-3-2常用煤層注水鑽機一覽表 鑽機名稱 功率,（ｋＷ） 最大鑽孔深度,m KHYD40KBA型鑽機 2 80 TXU-75型油壓鑽機 4 75 ZMD-100型鑽機 4 100 ②煤層注水泵 5BD(2.5/45) 5BZ(1.5/80) 5D(2/150) 5BG(2/160） 7BZ(3/100) 7BG(3.6/100） 7BG(4.5/100) KBZ(100150) ③封孔器我國 煤礦長鑽孔注水多采用 YPA型水力膨脹式封孔器和MF型摩擦式封孔器。 ④分流器分流器是動壓多孔注水不可缺少的器件，它可以保證各孔的注水流量恒定。煤科總院重慶分院研製的DF-1型分流器，壓力範圍0.49～14.7mPA，節流範圍0.5、0.7、1.0m ³/ｈ。 ⑤水表及壓力表當注水壓力大於1mPA時，可采用DC-4.5/200型注水水表，耐壓20mPA，流量4.5m ³/ｈ；注水壓力小於1mPA時，可采用普通自來水水表。 6) 注水參數 ①注水壓力注水壓力的高低取決於煤層透水性的強弱和鑽孔的注水速度。通常，透水性強的煤層采用低壓(小於3MPa）注水，透水性較弱的煤層采用中壓(3～10 MPa ）注水，必要時可采用高壓注水(大於10mPA。適宜的注水壓力是：通過調節注水流量使其不超過地層壓力而高於煤層的瓦斯壓力。 ②注水速度(注水流量 )注水速度是指單位時間內的注水量。為了便於對各鑽孔注水流量進行比較，通常以單位時間內每米鑽孔的注水量來表示。。 一般來說，小流量注水對煤層濕潤效果最好，隻要時間允許，就應采用小流量注水。靜壓注水速度一般為0.001～0.027m ³/（ｈ·m），動壓注水速度為0.002～0.24m ³/（ｈ·m），若靜壓注水速度太低，可在注水前進行孔內爆破，提高鑽孔的透水能力，然後再進行注水。 ③注水量 注水量是影響煤體濕潤程度和降塵效果的主要因素。它與工作麵尺寸、煤厚、鑽孔間距、煤的孔隙率、含水率等多種因素有關，確定注水量首先要確定噸煤注水量，各礦應根據煤層的具體特征綜合考察。一般來說，中厚煤層的噸煤注水量為0.015～0.03m ³/ｔ；厚煤層為0.025～0.04m ³/ｔ。 ④注水時間每個鑽孔的注水時間與鑽孔注水量成正比，與注水速度成反比。在實際注水中，常把在預定的濕潤範圍內的煤壁出現均勻“出汗”(滲出水珠)的現象，作為判斷煤體是否全麵濕潤的輔助方法。“出汗”後或在“出汗”後再過一段時間便可結束注水。通常靜壓注水時間長，動壓注水時間短。 2 ．防止煤塵引燃的措施 防止煤塵引燃的措施與防止瓦斯引燃的措施大致相同，可參看第十章瓦斯爆炸及其預防一節。同時特別要注意的是，瓦斯爆炸往往會引起煤塵爆炸。此外， 煤塵在特別幹燥的條件下可產生靜電，放電時產生的火花也能自身引爆。 3 ．限製煤塵爆炸範圍擴大的措施 防止煤塵爆炸危害，除采取防塵措施外，還應采取降低爆炸威力，限製爆炸範圍擴大的措施。 (1) 清除落塵定期清除落塵，防止沉積煤塵參與爆炸可以有效地降低爆炸威力，使爆炸由於得不到煤塵補充而逐漸熄滅。 (2) 撒布岩粉撒布岩粉是指定期在井下某些巷道中撒布惰性岩粉，增加沉積煤塵的灰分，抑製煤塵爆炸的傳播。 惰性岩粉一般為石灰岩粉和泥岩粉。對惰性岩粉的要求是：①可燃物含量不超過5%，遊離ＳｉＯ ₂含量不超過5%；②不含有害有毒物質，吸濕性差；③粒度應全部通過50號篩孔(即粒徑全部小於0.3mm），且其中至少有70%能通過200號篩孔(即粒徑小於0.075mm）。撒布岩粉時要求把巷道的頂、幫、底及背板後側暴露處都用岩粉覆蓋；岩粉的最低撒布量在作煤塵爆炸鑒定的同時確定，但煤塵和岩粉的混合煤塵，不燃物含量不得低於80%；撒布岩粉的巷道長度不小於300m，如果巷道長度小於300m時，全部巷道都應撒布岩粉。對巷道中的煤塵和岩粉的混合粉塵，每3個月至少應化驗一次，如果可燃物含量超過規定含量時，應重新撒布。 (3) 設置水棚水棚包括水槽棚和水袋棚兩種，設置應符合以下基本要求。 ①主要隔爆棚應采用水槽棚，水袋棚隻能做為輔助隔爆棚； ②應設置在巷道的直線部分，且主要水棚的用水量不小於400ｌ/m ²，輔助水棚不小於200ｌ/m ²； ③相鄰水棚中心距為0.5～1.0m，主要水棚總長度不小於30m，輔助水棚不小於20m； ④首列水棚距工作麵的距離，必須保持60～200m； ⑤水槽或水袋距頂板、兩幫距離不小於0.1m，其底部距軌麵不小於1.8m； ⑥水內如混入煤塵量超過5%時，應立即換水。 (4) 設置岩粉棚岩粉棚分輕型和重型兩類。它是由安裝在巷道中靠近頂板處的若幹塊岩粉台板組成，台板的間距稍大於板寬，每塊台板上放置一定數量的惰性岩粉，當發生煤塵爆炸 02manbetx.com 時，火焰前的衝擊波將台板震倒，岩粉即彌漫於巷道中，火焰到達時，岩粉從燃燒的煤塵中吸收熱量，使火焰傳播速度迅速下降，直至熄滅。 岩粉棚的設置應遵守以下規定： ①按巷道斷麵積計算，主要岩粉棚的岩粉量不得少於400ｋg/m ²，輔助岩粉棚不得少於200ｋg/m ²； ②輕型岩粉棚的排間距1.0～2.0m，重型為1.2～3.0m； ③岩粉棚的平台與側幫立柱(或側幫)的空隙不小於50mm，岩粉表麵與頂梁(頂板)的空隙不小於100mm，岩粉板距軌麵不小於1.8m； ④岩粉棚距可能發生煤塵爆炸的地點不得小於60m，也不得大於300m； ⑤岩粉板與台板及支撐板之間，嚴禁用釘固定，以利於煤塵爆炸時岩粉板有效的翻落； ⑥岩粉棚上的岩粉每月至少檢查和 03manbetx 一次，當岩粉受潮變硬或可燃物含量超過20%時，應立即更換，岩粉量減少時應立即補充。 (5) 設置自動隔爆棚自動隔爆棚是利用各種傳感器，將瞬間測量的煤塵爆炸時的各種物理參量迅速轉換成電訊號，指令機構的演算器根據這些訊號準確計算出火焰傳播速度後選擇恰當時機發出動作訊號，讓抑製裝置強製噴撒固體或液體等消火劑，從而可靠地撲滅爆炸火焰，阻止煤塵爆炸蔓延。
關鍵詞：煤塵爆炸