煤尘爆炸及预防

一、煤尘爆炸的机理及特征 1．煤尘爆炸的机理 煤尘爆炸是在高温或一定点火能的热源作用下，空气中氧气与煤尘急剧氧化的反应过程，是一种非常复杂的链式反应。一般认为其爆炸机理及过程主要表现在以下方面： (1)煤本身是可燃物质，当它以粉末状态存在时，总表面积显著增加，吸氧和被氧化的能力大大增强，一旦遇见火源，氧化过程迅速展开； (2)当温度达到300～400℃时，煤的干馏现象急剧增强，放出大量的可燃性气体，主要成分为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、氢和1%左右的其它碳氢化合物； (3)形成的可燃气体与空气混合在高温作用下吸收能量，在尘粒周围形成气体外壳，即活化中心，当活化中心的能量达到一定程度后，链反应过程开始，游离基迅速增加，发生了尘粒的闪燃； (4)闪燃所形成的热量传递给周围的尘粒，并使之参与链反应，导致燃烧过程急剧地循环进行，当燃烧不断加剧使火焰速度达到每秒数百米后，煤尘的燃烧便在一定临界条件下跳跃式地转变为爆炸。 2．煤尘爆炸的特征 (1)形成高温、高压、冲击波煤尘爆炸火焰温度为1600～1900℃，爆源的温度达到2000℃以上，这是煤尘爆炸得以自动传播的条件之一。在矿井条件下煤尘爆炸的平均理论压力为736ＫPa，但爆炸压力随着离开爆源距离的延长而跳跃式增大。爆炸过程中如遇障碍物，压力将进一步增加，尤其是连续爆炸时，后一次爆炸的理论压力将是前一次的5～7倍。煤尘爆炸产生的火焰速度可达1120m/ｓ，冲击波速度为2340m/ｓ。 (2)煤尘爆炸具有连续性 (3)煤尘爆炸的感应期煤尘爆炸也有一个感应期，即煤尘受热分解产生足够数量的可燃气体形成爆炸所需的时间。根据试验，煤尘爆炸的感应期主要决定于煤的挥发分含量，一般为40～280mｓ，挥发分越高，感应期越短。 (4)挥发分减少或形成“粘焦”煤尘爆炸时，参与反应的挥发分约占煤尘挥发分含量的40%～70％，致使煤尘挥发分减少，根据这一特征，可以判断煤尘是否参与了井下的爆炸。。 (5)产生大量的CO煤尘爆炸时产生的CO，在灾区气体中的浓度可达2％～3％，甚至高达8％左右。爆炸事故中受害者的大多数(70%～80％)是由于CO中毒造成的。 二、煤尘爆炸的条件 煤尘爆炸必须同时具备三个条件：煤尘本身具有爆炸性；煤尘必须悬浮于空气中，并达到一定的浓度；存在能引燃煤尘爆炸的高温热源。 1．煤尘的爆炸性 煤尘具有爆炸性是煤尘爆炸的必要条件。煤尘爆炸危险性必须经过试验确定。 2．悬浮煤尘的浓度 井下空气中只有悬浮的煤尘达到一定浓度时，才可能引起爆炸，单位体积中能够发生煤尘爆炸的最低和最高煤尘量称为下限和上限浓度。低于下限浓度或高于上限浓度的煤尘都不会发生爆炸。煤尘爆炸的浓度范围与煤的成分、粒度、引火源的种类和温度及试验条件等有关。一般说来，煤尘爆炸的下限浓度为30～50g/m³，上限浓度为1000～2000g/m³。其中爆炸力最强的浓度范围为300～500g/m³。 3．引燃煤尘爆炸的高温热源 煤尘的引燃温度变化范围较大，它随着煤尘性质、浓度及试验条件的不同而变化。我国煤尘爆炸的引燃温度在610～1050℃之间，一般为700～800℃。煤尘爆炸的最小点火能为4.5～40mj。这样的温度条件，几乎一切火源均可达到， 三、影响煤尘爆炸的因素 1．煤的挥发分 一般说来，煤尘的可燃挥发分含量越高，爆炸性越强，即煤化作用程度低的煤，其煤尘的爆炸性强，随煤化作用程度的增高而爆炸性减弱。 2．煤的灰分和水分 煤内的灰分是不燃性物质，能吸收能量，阻挡热辐射，破坏链反应，降低煤尘的爆炸性。煤的灰分对爆炸性的影响还与挥发分含量的多少有关，挥发分小于15%的煤尘，灰分的影响比较显著，大于15%时，天然灰分对煤尘的爆炸几乎没有影响。水分能降低煤尘的爆炸性，因为水的吸热能力大，能促使细微尘粒聚结为较大的颗粒，减少尘粒的总表面积，同时还能降低落尘的飞扬能力。 3．煤尘粒度 粒度对爆炸性的影响极大。1mm以下的煤尘粒子都可能参与爆炸，而且爆炸的危险性随粒度的减小而迅速增加，75μm以下的煤尘特别是30～75μm的煤尘爆炸性最强，在同一煤种不同粒度条件下，爆炸压力随粒度的减小而增高，爆炸范围也随之扩大，即爆炸性增强。粒度不同的煤尘引燃温度也不相同。煤尘粒度越小，所需引燃温度越低，且火焰传播速度也越快。 4．空气中的瓦斯浓度 瓦斯参与使煤尘爆炸下限降低。瓦斯浓度低于4%时，煤尘的爆炸下限可用下式计算： δm＝ｋδ 式中：δm—空气中有瓦斯时的煤尘爆炸下限，g/m³； δ—煤尘的爆炸下限，g/m³； ｋ—系数，见表11-3-1。 表11-3-1瓦斯浓度对煤尘爆炸下限的影响系数 空气中的瓦斯浓度(%) 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．空气中氧的含量 空气中氧的含量高时，点燃煤尘的温度可以降低；氧的含量低时，点燃煤尘云困难，当氧含量低于17%时，煤尘就不再爆炸。煤尘的爆炸压力也随空气中含氧的多少而不同。含氧高，爆炸压力高；含氧低，爆炸压力低。 6．引爆热源 点燃煤尘云造成煤尘爆炸，就必须有一个达到或超过最低点燃温度和能量的引爆热源。引爆热源的温度越高，能量越大，越容易点燃煤尘云。而且煤尘初爆的强度也越大；反之温度越低，能量越小，越难以点燃煤尘云，且即使引起爆炸，初始爆炸的强度也越小。 四、煤尘爆炸性鉴定 《规程》规定：新矿井的地质精查报告中，必须有所有煤层的煤尘爆炸性鉴定材料。生产矿井每延深一个新水平，由矿务局组织一次煤尘爆炸性试验工作。 煤尘爆炸性的鉴定方法有两种：一种是在大型煤尘爆炸试验巷道中进行，这种方法比较准确可靠，但工作繁重复杂，所以一般作为标准鉴定用；另一种是在实验室内使用大管状煤尘爆炸性鉴定仪进行，方法简便，目前多采用这种方法。 煤尘通过燃烧管内的加热器时，可能出现下列现象：①只出现稀少的火星或根本没有火星；②火焰向加热器两侧以连续或不连续的形式在尘雾中缓慢地蔓延；③火焰极快地蔓延，甚至冲出燃烧管外，有时还会听到爆炸声。 同一试样应重复进行5次试验，其中只要有一次出现燃烧火焰，就定为爆炸危险煤尘。在5次试验中都没有出现火焰或只出现稀少火星，必须重作5次试验，如果仍然如此，定为无爆炸危险煤尘，在重作的试验中，只要有一次出现燃烧火焰，仍应定为爆炸危险煤尘。 五、预防煤尘爆炸的技术措施 预防煤尘爆炸的技术措施主要包括减、降尘措施，防止煤尘引燃措施及限制煤尘爆炸范围扩大等三个方面。 1．减、降尘措施 减、降尘措施是指在煤矿井下生产过程中，通过减少煤尘产生量或降低空气中悬浮煤尘含量以达到从根本上杜绝煤尘爆炸的可能性。 1)煤层注水实质煤层注水的减尘作用主要有以下三个方面： ①煤体内的裂隙中存在着原生煤尘，水进入后，可将原生煤尘湿润并粘结，使其在破碎时失去飞扬能力，从而有效地消除这一尘源； ②水进入煤体内部，并使之均匀湿润。当煤体在开采中受到破碎时，绝大多数破碎面均有水存在，从而消除了细粒煤尘的飞扬，预防了浮尘的产生； ③水进入煤体后使其塑性增强，脆性减弱，改变了煤的物理力学性质，当煤体因开采而破碎时，脆性破碎变为塑性变形，因而减少了煤尘的产生量。 2)影响煤层注水效果的因素 ①煤的裂隙和孔隙的发育程度煤体的裂隙越发育则越易注水，可采用低压注水(根据抚顺煤研所建议；低压小于2943ＫPa，中压为2943～9810ＫPa，高压大于9810ＫPa），否则需采用高压注水才能取得预期效果，但是当出现一些较大的裂隙(如断层、破裂面等)，注水易散失于远处或煤体之外，对预湿煤体不利。 ②上履岩层压力及支承压力地压的集中程度与煤层的埋藏深度有关，煤层埋藏越深则地层压力越大，而裂隙和孔隙变得更小，导致透水性能降低，因而随着矿井开采深度的增加，要取得良好的煤体湿润效果，需要提高注水压力。 ③液体性质的影响煤是极性小的物质，水是极性大的物质，两者之间极性差越小，越易湿润。为了降低水的表面张力，减小水的极性，提高对煤的湿润效果，可以在水中添加表面活性剂。阳泉一矿在注水时加入0.5%浓度的洗衣粉，注水速度比原来提高24%。 ④煤层内的瓦斯压力煤层内的瓦斯压力是注水的附加阻力。水压克服瓦斯压力后才是注水的有效压力，所以在瓦斯压力大的煤层中注水时，往往要提高注水压力，以保证湿润效果。 ⑤注水参数的影响煤层注水参数是指注水压力、注水速度、注水量和注水时间。注水量或煤的水分增量是煤层注水效果的标志，也是决定煤层注水除尘率高低的重要因素， 3)煤层注水方式注水方式是指钻孔的位置、长度和方向。按国内外注水状况，有以下4种方式： ①短孔注水，是在回采工作面垂直煤壁或与煤壁斜交打钻孔注水，注水孔长度一般为2～3.5m，如图11-3-4所示。 ②深孔注水，是在回采工作面垂直煤壁打钻孔注水，孔长一般为5～25m，如图11-3-4所示。 ③长孔注水，是从回采工作面的运输巷或回风巷，沿煤层倾斜方向平行于工作面打上向孔或下向孔注水(图11-3-5)，孔长30～100m；当工作面长度超过120m而单向孔达不到设计深度或煤层倾角有变化时，可采用上向、下向钻孔联合布置钻孔注水(图11-3-6） ④巷道钻孔注水，即由上邻近煤层的巷道向下煤层打钻注水或由底板巷道向煤层打钻注水，巷道钻孔注水采用小流量、长时间的注水方法，湿润效果良好；但打岩石钻孔不经济，而且受条件限制，所以极少采用。 4)注水系统注水系统分为静压注水系统和动压注水系统。 利用管网将地面或上水平的水通过自然静压差导入钻孔的注水叫静压注水。静压注水采用橡胶管将每个钻孔中的注水管与供水干管联接起来，其间安装有水表和截止阀，干管上安装压力表，然后通过供水管路与地表或上水平水源相联。 利用水泵或风包加压将水压入钻孔的注水叫动压注水，水泵可以设在地面集中加压，也可直接设在注水地点进行加压。 5)注水设备煤层注水所使用的设备主要包括钻机、水泵、封孔器、分流器及水表等。 ①钻机我国煤矿注水常用的钻机如表11-3-2所示。 表11-3-2常用煤层注水钻机一览表 钻机名称 功率,（ｋＷ） 最大钻孔深度,m KHYD40KBA型钻机 2 80 TXU-75型油压钻机 4 75 ZMD-100型钻机 4 100 ②煤层注水泵 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我国煤矿长钻孔注水多采用YPA型水力膨胀式封孔器和MF型摩擦式封孔器。 ④分流器分流器是动压多孔注水不可缺少的器件，它可以保证各孔的注水流量恒定。煤科总院重庆分院研制的DF-1型分流器，压力范围0.49～14.7mPA，节流范围0.5、0.7、1.0m³/ｈ。 ⑤水表及压力表当注水压力大于1mPA时，可采用DC-4.5/200型注水水表，耐压20mPA，流量4.5m³/ｈ；注水压力小于1mPA时，可采用普通自来水水表。 6)注水参数 ①注水压力注水压力的高低取决于煤层透水性的强弱和钻孔的注水速度。通常，透水性强的煤层采用低压(小于3MPa）注水，透水性较弱的煤层采用中压(3～10 MPa ）注水，必要时可采用高压注水(大于10mPA。适宜的注水压力是：通过调节注水流量使其不超过地层压力而高于煤层的瓦斯压力。 ②注水速度(注水流量)注水速度是指单位时间内的注水量。为了便于对各钻孔注水流量进行比较，通常以单位时间内每米钻孔的注水量来表示。。 一般来说，小流量注水对煤层湿润效果最好，只要时间允许，就应采用小流量注水。静压注水速度一般为0.001～0.027m³/（ｈ·m），动压注水速度为0.002～0.24m³/（ｈ·m），若静压注水速度太低，可在注水前进行孔内爆破，提高钻孔的透水能力，然后再进行注水。 ③注水量注水量是影响煤体湿润程度和降尘效果的主要因素。它与工作面尺寸、煤厚、钻孔间距、煤的孔隙率、含水率等多种因素有关，确定注水量首先要确定吨煤注水量，各矿应根据煤层的具体特征综合考察。一般来说，中厚煤层的吨煤注水量为0.015～0.03m³/ｔ；厚煤层为0.025～0.04m³/ｔ。 ④注水时间每个钻孔的注水时间与钻孔注水量成正比，与注水速度成反比。在实际注水中，常把在预定的湿润范围内的煤壁出现均匀“出汗”(渗出水珠)的现象，作为判断煤体是否全面湿润的辅助方法。“出汗”后或在“出汗”后再过一段时间便可结束注水。通常静压注水时间长，动压注水时间短。 2．防止煤尘引燃的措施 防止煤尘引燃的措施与防止瓦斯引燃的措施大致相同，可参看第十章瓦斯爆炸及其预防一节。同时特别要注意的是，瓦斯爆炸往往会引起煤尘爆炸。此外，煤尘在特别干燥的条件下可产生静电，放电时产生的火花也能自身引爆。 3．限制煤尘爆炸范围扩大的措施 防止煤尘爆炸危害，除采取防尘措施外，还应采取降低爆炸威力，限制爆炸范围扩大的措施。 (1)清除落尘定期清除落尘，防止沉积煤尘参与爆炸可以有效地降低爆炸威力，使爆炸由于得不到煤尘补充而逐渐熄灭。 (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，增加沉积煤尘的灰分，抑制煤尘爆炸的传播。 惰性岩粉一般为石灰岩粉和泥岩粉。对惰性岩粉的要求是：①可燃物含量不超过5%，游离ＳｉＯ₂含量不超过5%；②不含有害有毒物质，吸湿性差；③粒度应全部通过50号筛孔(即粒径全部小于0.3mm），且其中至少有70%能通过200号筛孔(即粒径小于0.075mm）。撒布岩粉时要求把巷道的顶、帮、底及背板后侧暴露处都用岩粉覆盖；岩粉的最低撒布量在作煤尘爆炸鉴定的同时确定，但煤尘和岩粉的混合煤尘，不燃物含量不得低于80%；撒布岩粉的巷道长度不小于300m，如果巷道长度小于300m时，全部巷道都应撒布岩粉。对巷道中的煤尘和岩粉的混合粉尘，每3个月至少应化验一次，如果可燃物含量超过规定含量时，应重新撒布。 (3)设置水棚水棚包括水槽棚和水袋棚两种，设置应符合以下基本要求。 ①主要隔爆棚应采用水槽棚，水袋棚只能做为辅助隔爆棚； ②应设置在巷道的直线部分，且主要水棚的用水量不小于400ｌ/m²，辅助水棚不小于200ｌ/m²； ③相邻水棚中心距为0.5～1.0m，主要水棚总长度不小于30m，辅助水棚不小于20m； ④首列水棚距工作面的距离，必须保持60～200m； ⑤水槽或水袋距顶板、两帮距离不小于0.1m，其底部距轨面不小于1.8m； ⑥水内如混入煤尘量超过5%时，应立即换水。 (4)设置岩粉棚岩粉棚分轻型和重型两类。它是由安装在巷道中靠近顶板处的若干块岩粉台板组成，台板的间距稍大于板宽，每块台板上放置一定数量的惰性岩粉，当发生煤尘爆炸事故时，火焰前的冲击波将台板震倒，岩粉即弥漫于巷道中，火焰到达时，岩粉从燃烧的煤尘中吸收热量，使火焰传播速度迅速下降，直至熄灭。 岩粉棚的设置应遵守以下规定： ①按巷道断面积计算，主要岩粉棚的岩粉量不得少于400ｋg/m²，辅助岩粉棚不得少于200ｋg/m²； ②轻型岩粉棚的排间距1.0～2.0m，重型为1.2～3.0m； ③岩粉棚的平台与侧帮立柱(或侧帮)的空隙不小于50mm，岩粉表面与顶梁(顶板)的空隙不小于100mm，岩粉板距轨面不小于1.8m； ④岩粉棚距可能发生煤尘爆炸的地点不得小于60m，也不得大于300m； ⑤岩粉板与台板及支撑板之间，严禁用钉固定，以利于煤尘爆炸时岩粉板有效的翻落； ⑥岩粉棚上的岩粉每月至少检查和分析一次，当岩粉受潮变硬或可燃物含量超过20%时，应立即更换，岩粉量减少时应立即补充。 (5)设置自动隔爆棚自动隔爆棚是利用各种传感器，将瞬间测量的煤尘爆炸时的各种物理参量迅速转换成电讯号，指令机构的演算器根据这些讯号准确计算出火焰传播速度后选择恰当时机发出动作讯号，让抑制装置强制喷撒固体或液体等消火剂，从而可靠地扑灭爆炸火焰，阻止煤尘爆炸蔓延。
关键词：煤尘爆炸