林伯泉煤矿瓦斯爆炸及防治技术.ppt
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。,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,34/2000.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 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、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,
