林伯泉煤矿瓦斯爆炸及防治技术.ppt
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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,中国近50年能
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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,G
7、as 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
8、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
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