井下瓦斯爆炸爆源特征尺寸計(jì)算方法的分析

摘　要　井下瓦斯爆炸的爆源特征尺寸，是衡量井下瓦斯的 主要特征參數(shù)之一，不論是事故的防治，還是進(jìn)行事故的調(diào)查、處理都要知道爆源的特征尺 寸。目前計(jì)算爆源特征尺寸的方法簡(jiǎn)便易行，但其結(jié)果比實(shí)驗(yàn)巷道的測(cè)試數(shù)據(jù)偏高。

　　這個(gè)理 論計(jì)算值比實(shí)際測(cè)試值偏高的問(wèn)題，是一個(gè)值得認(rèn)真分析研究并加以解決的問(wèn)題。

　　本文通過(guò) 定性分析和定量計(jì)算，找出了導(dǎo)致這一問(wèn)題的主要原因，并給出了解決這一問(wèn)題的方法。

　　關(guān)鍵詞　瓦斯爆炸　爆源特征尺寸　計(jì)算　分析

　　1　前言

　　發(fā)生在煤礦井下的瓦斯爆炸事故是最嚴(yán)重的煤礦災(zāi)害，通常造成大量的人員傷亡和巨大的經(jīng) 濟(jì)損失，不論是事故的防治，還是進(jìn)行事故的調(diào)查、處理都要了解和研究瓦斯爆炸發(fā)生的特 征參數(shù)。衡量煤礦井下瓦斯爆炸的特征參數(shù)有多種，但爆源的特征尺寸是主要的特征參數(shù)之 一。因此，準(zhǔn)確地計(jì)算爆源特征尺寸，不僅在理論研究上有重要的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)采取具體措 施防治瓦斯爆炸事故，保證礦井安全生產(chǎn)也有著十分重要的意義。

　　2　目前爆源特征尺寸的計(jì)算方法及存在問(wèn)題

　　爆源的特征尺寸，即井下積聚瓦斯空間的體積在爆炸后比爆炸前增大的倍數(shù)，目前是 根據(jù)下面關(guān)系式計(jì)算：（略）

　　式中：V1——爆炸前的體積，m3；

V2——爆炸后的體積，m3；

T1——爆炸前的熱力學(xué)溫度，K；

T1=273+t1，t1為爆炸前的攝氏溫度，℃；

T2——爆炸后的熱力學(xué)溫度，K；

T2=273+t2，t2為爆炸后的攝氏溫度，℃。

　　設(shè)t1=27℃，t2=2027℃,則

T1=273+27=300K,T2=273+2027=2300K，

　　根據(jù)(1)式得：（略）

　　由上述計(jì)算可知，爆炸后的體積V2是爆炸前體積V1的7.7 倍，但實(shí)驗(yàn)巷道的測(cè) 試數(shù)據(jù)(以火焰鋒面到達(dá)的位置為依據(jù))通常小于上述計(jì)算值，一般V2只達(dá)到(3～5) V 1，由此可見(jiàn)，用(1)式計(jì)算爆炸后的體積V2比爆炸前的體積V1膨脹增大的倍 數(shù)比實(shí)驗(yàn)巷道測(cè)試的數(shù)據(jù)偏高，這個(gè)理論計(jì)算值比實(shí)際測(cè)試值偏高的問(wèn)題 沒(méi)有得到解決。下面將分析導(dǎo)致這一問(wèn)題的主要原因。

　　3　原因分析及解決方法

　　井下空間的瓦斯氣體，在爆炸前、后各參量的關(guān)系用下式表示：（略）

　　式中：P2——爆炸后的壓力，MPa；

　　　　　P1——爆炸前的壓力，近似為0.1MPa；

　　　　　V2——爆炸后的體積，m3；

　　　　　V1——爆炸前的體積，m3；

　　　　　T2——爆炸后的熱力學(xué)溫度，K；

　　　　　T2=273+t2，t2為爆炸后的攝氏溫度，℃；

　　　　　T1——爆炸前的熱力學(xué)溫度，K；

　　　　　T1=273+t1，t1為爆炸前的攝氏溫度，℃；

　　　　　n——積聚(爆炸)瓦斯的摩爾數(shù)，mol；

　　　　　a——反映瓦斯分子引力的常量，Nm4mol-2；

　　　　　　b——反映瓦斯分子體積的常量，m3mol-1；

在(2)式中，令a=0,b=0,則(2)式成為：（略）

　　在(3)式中，令P2=P1，則(3)式成為(1)式：

（略）

　　由上面推演可知，(2)式變?yōu)?1)式的條件有2個(gè)：(1)

a=0,b=0,(2)P2=P1；

不管瓦斯爆炸的過(guò)程如何復(fù)雜，但其爆炸前后的參量關(guān)系是滿足(2)式的，因此， 用(2)式 來(lái)計(jì)算V2當(dāng)然比用(1)式計(jì)算更符合實(shí)際，由(2)式成為(1)式的兩個(gè)條件可知，用(1)式來(lái) 計(jì)算V2與實(shí)際偏高的原因也可能有2個(gè)：一是令a=0,b=0,即不考慮瓦斯氣體常量a、b對(duì)V 1、V2的影響，二是令P2=P1，即不考慮P2比P1增大對(duì)V2的影響，根據(jù)井下瓦斯 爆炸的特征，結(jié)合分子物理學(xué)知識(shí)，對(duì)以上兩個(gè)可能原因作如下分析：

　　(1) a=0，b=0。井下瓦斯爆炸的濃度一般為5%～16%，這樣的濃度瓦斯分子之間的平均距離 是 較大的，瓦斯分子之間的引力以及瓦斯分子本身的體積對(duì)V1、V2的影響是很小的，加之 爆炸后溫度又很高，所以，反映瓦斯分子之間引力的常量a,以及反映瓦斯分子體積的常量b 對(duì)V2的影響不是主要因素。即令a=0,b=0不是對(duì)V2影響的主要原因。

　　(2) P2=P1。瓦斯爆炸的過(guò)程是升溫升壓的過(guò)程，由(3)式可直觀看出，爆炸后的壓力P  2比爆炸前的壓力P1增大是對(duì)V2影響的主要因素，對(duì)于這一點(diǎn)，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)巷道測(cè)定的 數(shù)據(jù)進(jìn)行定量計(jì)算加以驗(yàn)證。

　　根據(jù)國(guó)家有關(guān)部門(mén)在重慶實(shí)驗(yàn)巷道進(jìn)行的爆炸實(shí)驗(yàn)，瓦斯?jié)舛?.5%，體積100m3，測(cè)得的 最大壓力為0.18MPa。據(jù)此測(cè)得的P2=0.18MPa，和前面所述的P1=0.1MPa，T 1=300K,T2=2300K代入(3)式得：（略）

　　由此可見(jiàn)，用(3)式計(jì)算的V2值比用(1)式計(jì)算的V2值更接近實(shí)際(實(shí)測(cè)V2=(3～ 5)V１)。

　　通過(guò)上面定性分析和定量計(jì)算可知，目前的方法計(jì)算V2值比實(shí)際偏高的主要原因是沒(méi)有考 慮到P2比P1大對(duì)V2的影響。

　　明確了導(dǎo)致問(wèn)題的原因后，解決問(wèn)題的方法也就顯而易見(jiàn)了，即在(1)式 的右邊乘以一個(gè)修正系數(shù)（略），問(wèn)題就解決了。這樣 ，修正后計(jì)算V2的公式成為： （略）；

　　應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，井下瓦斯爆炸的濃度是一個(gè)較大的區(qū)間，正常條件下弱火源為5%～15% ，強(qiáng) 火源為2%～75%，其爆炸的體積也是大小不等的，少則幾十立方米，多則幾百立方米，在不 同的濃度、不同的體積下，爆炸后產(chǎn)生的壓力P2是不同的。因此，用上面(4)式計(jì)算出的 V2值也是不同的，那么，目前我們說(shuō)爆炸后的壓力P2比爆炸前的壓力P1升高多少；爆 炸后的體積V2比爆炸前的體積V1增大多少倍是以什么條件為標(biāo)準(zhǔn)呢?這一問(wèn)題目前國(guó) 內(nèi) 外尚無(wú)統(tǒng)一定論，不過(guò)，實(shí)驗(yàn)分析和理論研究表明，瓦斯?jié)舛葹?.5%時(shí)，爆炸的化學(xué)反應(yīng)最 完全，所以瓦斯?jié)舛葢?yīng)取9.5%為標(biāo)準(zhǔn)，又因?yàn)橥咚節(jié)舛热“俜直葷舛?即100m3中所含有的 瓦斯)，所以體積也應(yīng)取100m3與之對(duì)應(yīng)，即體積應(yīng)以100m3為標(biāo)準(zhǔn)，因此，上面定量驗(yàn) 證所取的重慶實(shí)驗(yàn)巷道爆炸實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)(瓦斯?jié)舛燃捌潴w積)是標(biāo)準(zhǔn)的，所測(cè)得的P2值 ，計(jì)算得的V2值也是標(biāo)準(zhǔn)的，是能說(shuō)明問(wèn)題的。