煤塵爆炸及預(yù)防

一、煤塵爆炸的機(jī)理及特征 1．煤塵爆炸的機(jī)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(yīng)過程，是一種非常復(fù)雜的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。一般認(rèn)為其爆炸機(jī)理及過程主要表現(xiàn)在以下方面： (1)煤本身是可燃物質(zhì)，當(dāng)它以粉末狀態(tài)存在時，總表面積顯著增加，吸氧和被氧化的能力大大增強(qiáng)，一旦遇見火源，氧化過程迅速展開； (2)當(dāng)溫度達(dá)到300～400℃時，煤的干餾現(xiàn)象急劇增強(qiáng)，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?xì)浠衔铮? (3)形成的可燃?xì)怏w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(dāng)活化中心的能量達(dá)到一定程度后，鏈反應(yīng)過程開始，游離基迅速增加，發(fā)生了塵粒的閃燃； (4)閃燃所形成的熱量傳遞給周圍的塵粒，并使之參與鏈反應(yīng)，導(dǎo)致燃燒過程急劇地循環(huán)進(jìn)行，當(dāng)燃燒不斷加劇使火焰速度達(dá)到每秒數(shù)百米后，煤塵的燃燒便在一定臨界條件下跳躍式地轉(zhuǎn)變?yōu)楸ā? 2．煤塵爆炸的特征 (1)形成高溫、高壓、沖擊波煤塵爆炸火焰溫度為1600～1900℃，爆源的溫度達(dá)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(jìn)一步增加，尤其是連續(xù)爆炸時，后一次爆炸的理論壓力將是前一次的5～7倍。煤塵爆炸產(chǎn)生的火焰速度可達(dá)1120m/ｓ，沖擊波速度為2340m/ｓ。 (2)煤塵爆炸具有連續(xù)性 (3)煤塵爆炸的感應(yīng)期煤塵爆炸也有一個感應(yīng)期，即煤塵受熱分解產(chǎn)生足夠數(shù)量的可燃?xì)怏w形成爆炸所需的時間。根據(jù)試驗，煤塵爆炸的感應(yīng)期主要決定于煤的揮發(fā)分含量，一般為40～280mｓ，揮發(fā)分越高，感應(yīng)期越短。 (4)揮發(fā)分減少或形成“粘焦”煤塵爆炸時，參與反應(yīng)的揮發(fā)分約占煤塵揮發(fā)分含量的40%～70％，致使煤塵揮發(fā)分減少，根據(jù)這一特征，可以判斷煤塵是否參與了井下的爆炸。。 (5)產(chǎn)生大量的CO煤塵爆炸時產(chǎn)生的CO，在災(zāi)區(qū)氣體中的濃度可達(dá)2％～3％，甚至高達(dá)8％左右。爆炸事故中受害者的大多數(shù)(70%～80％)是由于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；煤塵必須懸浮于空氣中，并達(dá)到一定的濃度；存在能引燃煤塵爆炸的高溫?zé)嵩础? 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(jīng)過試驗確定。 2．懸浮煤塵的濃度 井下空氣中只有懸浮的煤塵達(dá)到一定濃度時，才可能引起爆炸，單位體積中能夠發(fā)生煤塵爆炸的最低和最高煤塵量稱為下限和上限濃度。低于下限濃度或高于上限濃度的煤塵都不會發(fā)生爆炸。煤塵爆炸的濃度范圍與煤的成分、粒度、引火源的種類和溫度及試驗條件等有關(guān)。一般說來，煤塵爆炸的下限濃度為30～50g/m³，上限濃度為1000～2000g/m³。其中爆炸力最強(qiáng)的濃度范圍為300～500g/m³。 3．引燃煤塵爆炸的高溫?zé)嵩?/u> 煤塵的引燃溫度變化范圍較大，它隨著煤塵性質(zhì)、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(dá)到， 三、影響煤塵爆炸的因素 1．煤的揮發(fā)分 一般說來，煤塵的可燃揮發(fā)分含量越高，爆炸性越強(qiáng)，即煤化作用程度低的煤，其煤塵的爆炸性強(qiáng)，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(nèi)的灰分是不燃性物質(zhì)，能吸收能量，阻擋熱輻射，破壞鏈反應(yīng)，降低煤塵的爆炸性。煤的灰分對爆炸性的影響還與揮發(fā)分含量的多少有關(guān)，揮發(fā)分小于15%的煤塵，灰分的影響比較顯著，大于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(xì)微塵粒聚結(jié)為較大的顆粒，減少塵粒的總表面積，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(qiáng)，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，爆炸范圍也隨之?dāng)U大，即爆炸性增強(qiáng)。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?zhèn)鞑ニ俣纫苍娇臁? 4．空氣中的瓦斯?jié)舛泉?/u> 瓦斯參與使煤塵爆炸下限降低。瓦斯?jié)舛鹊陀?%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/m³； δ—煤塵的爆炸下限，g/m³； ｋ—系數(shù)，見表11-3-1。 表11-3-1瓦斯?jié)舛葘γ簤m爆炸下限的影響系數(shù) 空氣中的瓦斯?jié)舛?%) 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，點燃煤塵云困難，當(dāng)氧含量低于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 點燃煤塵云造成煤塵爆炸，就必須有一個達(dá)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，越容易點燃煤塵云。而且煤塵初爆的強(qiáng)度也越大；反之溫度越低，能量越小，越難以點燃煤塵云，且即使引起爆炸，初始爆炸的強(qiáng)度也越小。 四、煤塵爆炸性鑒定 《規(guī)程》規(guī)定：新礦井的地質(zhì)精查報告中，必須有所有煤層的煤塵爆炸性鑒定材料。生產(chǎn)礦井每延深一個新水平，由礦務(wù)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(jìn)行，這種方法比較準(zhǔn)確可靠，但工作繁重復(fù)雜，所以一般作為標(biāo)準(zhǔn)鑒定用；另一種是在實驗室內(nèi)使用大管狀煤塵爆炸性鑒定儀進(jìn)行，方法簡便，目前多采用這種方法。 煤塵通過燃燒管內(nèi)的加熱器時，可能出現(xiàn)下列現(xiàn)象：①只出現(xiàn)稀少的火星或根本沒有火星；②火焰向加熱器兩側(cè)以連續(xù)或不連續(xù)的形式在塵霧中緩慢地蔓延；③火焰極快地蔓延，甚至沖出燃燒管外，有時還會聽到爆炸聲。 同一試樣應(yīng)重復(fù)進(jìn)行5次試驗，其中只要有一次出現(xiàn)燃燒火焰，就定為爆炸危險煤塵。在5次試驗中都沒有出現(xiàn)火焰或只出現(xiàn)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，只要有一次出現(xiàn)燃燒火焰，仍應(yīng)定為爆炸危險煤塵。 五、預(yù)防煤塵爆炸的技術(shù)措施 預(yù)防煤塵爆炸的技術(shù)措施主要包括減、降塵措施，防止煤塵引燃措施及限制煤塵爆炸范圍擴(kuò)大等三個方面。 1．減、降塵措施 減、降塵措施是指在煤礦井下生產(chǎn)過程中，通過減少煤塵產(chǎn)生量或降低空氣中懸浮煤塵含量以達(dá)到從根本上杜絕煤塵爆炸的可能性。 1)煤層注水實質(zhì)煤層注水的減塵作用主要有以下三個方面： ①煤體內(nèi)的裂隙中存在著原生煤塵，水進(jìn)入后，可將原生煤塵濕潤并粘結(jié)，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(jìn)入煤體內(nèi)部，并使之均勻濕潤。當(dāng)煤體在開采中受到破碎時，絕大多數(shù)破碎面均有水存在，從而消除了細(xì)粒煤塵的飛揚，預(yù)防了浮塵的產(chǎn)生； ③水進(jìn)入煤體后使其塑性增強(qiáng)，脆性減弱，改變了煤的物理力學(xué)性質(zhì)，當(dāng)煤體因開采而破碎時，脆性破碎變?yōu)樗苄宰冃危蚨鴾p少了煤塵的產(chǎn)生量。 2)影響煤層注水效果的因素 ①煤的裂隙和孔隙的發(fā)育程度煤體的裂隙越發(fā)育則越易注水，可采用低壓注水(根據(jù)撫順煤研所建議；低壓小于2943ＫPa，中壓為2943～9810ＫPa，高壓大于9810ＫPa），否則需采用高壓注水才能取得預(yù)期效果，但是當(dāng)出現(xiàn)一些較大的裂隙(如斷層、破裂面等)，注水易散失于遠(yuǎn)處或煤體之外，對預(yù)濕煤體不利。 ②上履巖層壓力及支承壓力地壓的集中程度與煤層的埋藏深度有關(guān)，煤層埋藏越深則地層壓力越大，而裂隙和孔隙變得更小，導(dǎo)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(zhì)的影響煤是極性小的物質(zhì)，水是極性大的物質(zhì)，兩者之間極性差越小，越易濕潤。為了降低水的表面張力，減小水的極性，提高對煤的濕潤效果，可以在水中添加表面活性劑。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(nèi)的瓦斯壓力煤層內(nèi)的瓦斯壓力是注水的附加阻力。水壓克服瓦斯壓力后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(shù)的影響煤層注水參數(shù)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(biāo)志，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鉆孔的位置、長度和方向。按國內(nèi)外注水狀況，有以下4種方式： ①短孔注水，是在回采工作面垂直煤壁或與煤壁斜交打鉆孔注水，注水孔長度一般為2～3.5m，如圖11-3-4所示。 ②深孔注水，是在回采工作面垂直煤壁打鉆孔注水，孔長一般為5～25m，如圖11-3-4所示。 ③長孔注水，是從回采工作面的運輸巷或回風(fēng)巷，沿煤層傾斜方向平行于工作面打上向孔或下向孔注水(圖11-3-5)，孔長30～100m；當(dāng)工作面長度超過120m而單向孔達(dá)不到設(shè)計深度或煤層傾角有變化時，可采用上向、下向鉆孔聯(lián)合布置鉆孔注水(圖11-3-6） ④巷道鉆孔注水，即由上鄰近煤層的巷道向下煤層打鉆注水或由底板巷道向煤層打鉆注水，巷道鉆孔注水采用小流量、長時間的注水方法，濕潤效果良好；但打巖石鉆孔不經(jīng)濟(jì)，而且受條件限制，所以極少采用。 4)注水系統(tǒng)注水系統(tǒng)分為靜壓注水系統(tǒng)和動壓注水系統(tǒng)。 利用管網(wǎng)將地面或上水平的水通過自然靜壓差導(dǎo)入鉆孔的注水叫靜壓注水。靜壓注水采用橡膠管將每個鉆孔中的注水管與供水干管聯(lián)接起來，其間安裝有水表和截止閥，干管上安裝壓力表，然后通過供水管路與地表或上水平水源相聯(lián)。 利用水泵或風(fēng)包加壓將水壓入鉆孔的注水叫動壓注水，水泵可以設(shè)在地面集中加壓，也可直接設(shè)在注水地點進(jìn)行加壓。 5)注水設(shè)備煤層注水所使用的設(shè)備主要包括鉆機(jī)、水泵、封孔器、分流器及水表等。 ①鉆機(jī)我國煤礦注水常用的鉆機(jī)如表11-3-2所示。 表11-3-2常用煤層注水鉆機(jī)一覽表 鉆機(jī)名稱 功率,（ｋＷ） 最大鉆孔深度,m KHYD40KBA型鉆機(jī) 2 80 TXU-75型油壓鉆機(jī) 4 75 ZMD-100型鉆機(jī) 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我國煤礦長鉆孔注水多采用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制的DF-1型分流器，壓力范圍0.49～14.7mPA，節(jié)流范圍0.5、0.7、1.0m³/ｈ。 ⑤水表及壓力表當(dāng)注水壓力大于1mPA時，可采用DC-4.5/200型注水水表，耐壓20mPA，流量4.5m³/ｈ；注水壓力小于1mPA時，可采用普通自來水水表。 6)注水參數(shù) ①注水壓力注水壓力的高低取決于煤層透水性的強(qiáng)弱和鉆孔的注水速度。通常，透水性強(qiáng)的煤層采用低壓(小于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(大于10mPA。適宜的注水壓力是：通過調(diào)節(jié)注水流量使其不超過地層壓力而高于煤層的瓦斯壓力。 ②注水速度(注水流量)注水速度是指單位時間內(nèi)的注水量。為了便于對各鉆孔注水流量進(jìn)行比較，通常以單位時間內(nèi)每米鉆孔的注水量來表示。。 一般來說，小流量注水對煤層濕潤效果最好，只要時間允許，就應(yīng)采用小流量注水。靜壓注水速度一般為0.001～0.027m³/（ｈ·m），動壓注水速度為0.002～0.24m³/（ｈ·m），若靜壓注水速度太低，可在注水前進(jìn)行孔內(nèi)爆破，提高鉆孔的透水能力，然后再進(jìn)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。它與工作面尺寸、煤厚、鉆孔間距、煤的孔隙率、含水率等多種因素有關(guān)，確定注水量首先要確定噸煤注水量，各礦應(yīng)根據(jù)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0.015～0.03m³/ｔ；厚煤層為0.025～0.04m³/ｔ。 ④注水時間每個鉆孔的注水時間與鉆孔注水量成正比，與注水速度成反比。在實際注水中，常把在預(yù)定的濕潤范圍內(nèi)的煤壁出現(xiàn)均勻“出汗”(滲出水珠)的現(xiàn)象，作為判斷煤體是否全面濕潤的輔助方法。“出汗”后或在“出汗”后再過一段時間便可結(jié)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(yù)防一節(jié)。同時特別要注意的是，瓦斯爆炸往往會引起煤塵爆炸。此外，煤塵在特別干燥的條件下可產(chǎn)生靜電，放電時產(chǎn)生的火花也能自身引爆。 3．限制煤塵爆炸范圍擴(kuò)大的措施 防止煤塵爆炸危害，除采取防塵措施外，還應(yīng)采取降低爆炸威力，限制爆炸范圍擴(kuò)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，使爆炸由于得不到煤塵補充而逐漸熄滅。 (2)撒布巖粉撒布巖粉是指定期在井下某些巷道中撒布惰性巖粉，增加沉積煤塵的灰分，抑制煤塵爆炸的傳播。 惰性巖粉一般為石灰?guī)r粉和泥巖粉。對惰性巖粉的要求是：①可燃物含量不超過5%，游離ＳｉＯ₂含量不超過5%；②不含有害有毒物質(zhì)，吸濕性差；③粒度應(yīng)全部通過50號篩孔(即粒徑全部小于0.3mm），且其中至少有70%能通過200號篩孔(即粒徑小于0.075mm）。撒布巖粉時要求把巷道的頂、幫、底及背板后側(cè)暴露處都用巖粉覆蓋；巖粉的最低撒布量在作煤塵爆炸鑒定的同時確定，但煤塵和巖粉的混合煤塵，不燃物含量不得低于80%；撒布巖粉的巷道長度不小于300m，如果巷道長度小于300m時，全部巷道都應(yīng)撒布巖粉。對巷道中的煤塵和巖粉的混合粉塵，每3個月至少應(yīng)化驗一次，如果可燃物含量超過規(guī)定含量時，應(yīng)重新撒布。 (3)設(shè)置水棚水棚包括水槽棚和水袋棚兩種，設(shè)置應(yīng)符合以下基本要求。 ①主要隔爆棚應(yīng)采用水槽棚，水袋棚只能做為輔助隔爆棚； ②應(yīng)設(shè)置在巷道的直線部分，且主要水棚的用水量不小于400ｌ/m²，輔助水棚不小于200ｌ/m²； ③相鄰水棚中心距為0.5～1.0m，主要水棚總長度不小于30m，輔助水棚不小于20m； ④首列水棚距工作面的距離，必須保持60～200m； ⑤水槽或水袋距頂板、兩幫距離不小于0.1m，其底部距軌面不小于1.8m； ⑥水內(nèi)如混入煤塵量超過5%時，應(yīng)立即換水。 (4)設(shè)置巖粉棚巖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干塊巖粉臺板組成，臺板的間距稍大于板寬，每塊臺板上放置一定數(shù)量的惰性巖粉，當(dāng)發(fā)生煤塵爆炸事故時，火焰前的沖擊波將臺板震倒，巖粉即彌漫于巷道中，火焰到達(dá)時，巖粉從燃燒的煤塵中吸收熱量，使火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆傧陆?，直至熄滅? 巖粉棚的設(shè)置應(yīng)遵守以下規(guī)定： ①按巷道斷面積計算，主要巖粉棚的巖粉量不得少于400ｋg/m²，輔助巖粉棚不得少于200ｋg/m²； ②輕型巖粉棚的排間距1.0～2.0m，重型為1.2～3.0m； ③巖粉棚的平臺與側(cè)幫立柱(或側(cè)幫)的空隙不小于50mm，巖粉表面與頂梁(頂板)的空隙不小于100mm，巖粉板距軌面不小于1.8m； ④巖粉棚距可能發(fā)生煤塵爆炸的地點不得小于60m，也不得大于300m； ⑤巖粉板與臺板及支撐板之間，嚴(yán)禁用釘固定，以利于煤塵爆炸時巖粉板有效的翻落； ⑥巖粉棚上的巖粉每月至少檢查和分析一次，當(dāng)巖粉受潮變硬或可燃物含量超過20%時，應(yīng)立即更換，巖粉量減少時應(yīng)立即補充。 (5)設(shè)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(zhuǎn)換成電訊號，指令機(jī)構(gòu)的演算器根據(jù)這些訊號準(zhǔn)確計算出火焰?zhèn)鞑ニ俣群筮x擇恰當(dāng)時機(jī)發(fā)出動作訊號，讓抑制裝置強(qiáng)制噴撒固體或液體等消火劑，從而可靠地?fù)錅绫ɑ鹧?，阻止煤塵爆炸蔓延。
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