2014安全工程師《案例分析》考點(diǎn):煤塵爆炸及預(yù)防
煤塵爆炸同瓦斯爆炸一樣都屬于礦井中的重大災(zāi)害事故。我國歷史上最嚴(yán)重的一次煤塵爆炸發(fā)生在1942年日本侵略者統(tǒng)治下的本溪煤礦,死亡1549 人,殘246人,死亡的人員中大多為CO中毒,事故發(fā)生前,巷道內(nèi)沉積了大量煤塵,是由于電火花點(diǎn)燃局部聚積的瓦斯而引起的重大煤塵爆炸事故。
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(diǎn)火能的熱源作用下,空乞中氧氣與煤塵急劇氧氣的反應(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)理及過程如下:
(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,吸氧和被氧人化的能力大大增可,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%左右的其他碳?xì)浠衔?
(3)形成的可燃?xì)怏w與空氣混合的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)閃燃所形成的熱量的傳遞給周圍的塵粒,并使之參與鏈反應(yīng),導(dǎo)致燃過程急劇地循環(huán)進(jìn)生,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?/P>
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,后一欠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 由于煤塵爆炸具有很高的沖擊波速,能將巷道中落塵揚(yáng)起,甚至使煤體破碎形成新的煤塵,導(dǎo)致新的爆炸,有時可如此反復(fù)多次,形成連續(xù)爆炸,這是煤塵爆炸的重要特征。
(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(yàn),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。對于氣煤、肥煤、焦煤等粘結(jié)性煤的煤塵,一旦發(fā)生爆炸,一部分煤塵會被焦化,粘結(jié)在一起,沉積于支架的巷道壁上,形成煤塵爆炸所特有的產(chǎn)物――焦炭皮渣或粘塊,統(tǒng)稱“粘焦”“粘焦”也是判斷井下發(fā)生爆炸事故時是否有煤塵參與的重要標(biāo)志。
(5)產(chǎn)生大量的CO 煤塵爆炸時產(chǎn)生的CO,在災(zāi)區(qū)氣體中濃度可達(dá)2%~3%,甚至高達(dá)到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)到一下的濃度;存在能引燃煤法爆炸的高溫?zé)嵩础?/P>
1.煤塵的爆炸性
煤塵具有爆炸性是煤塵爆炸的必要條件。煤塵爆炸的危險性必須經(jīng)過試驗(yàn)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)生煤塵爆炸的最低或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度試驗(yàn)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。
一般情況下,浮游煤塵達(dá)到爆炸下限濃度的情況是不常有的,但是爆破、爆炸和其他震動沖擊都能使大量落塵飛揚(yáng),在短時間內(nèi)使浮塵量增加,達(dá)到爆炸濃度。因此,確定煤塵爆炸濃度時,必須考慮落塵這一因素。
3.引燃煤塵爆炸的高溫?zé)嵩?/P>
煤塵的引燃溫度變化范圍較大,它隨著煤塵性持、濃度及試驗(yàn)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(diǎn)火能為4.5~40mJ。這樣的溫度條件,幾乎一切火源均可達(dá)到,如爆破火焰、電氣火花、機(jī)械摩擦火花、瓦斯燃燒或爆炸、井下火災(zāi)等。根據(jù)20世紀(jì)80年代的統(tǒng)計資料,由于放炮和機(jī)電火花引起的煤塵爆炸事故分別占總數(shù)的45%和35%。
三、影響煤塵爆炸的因素
1.煤的揮發(fā)分
煤塵爆炸的主要是在塵粒分解的可燃?xì)怏w(揮發(fā)分)中進(jìn)行的,因此煤的揮發(fā)分?jǐn)?shù)量的和質(zhì)量是影響塵爆炸的最重要因素。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)有灰分是不燃性物質(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,天然灰分對為塵的爆炸幾乎沒有影響。水分能降低煤塵的爆炸性,因?yàn)樗奈鼰崮芰Υ螅艽偈辜?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(yáng)能力。煤的天然灰分和水分都很低,降低煤塵爆炸性的作用不顯著,只有人為地?fù)饺牖曳?撒巖粉)或水分(灑水)才能防止煤塵的爆炸。
3.煤塵粒度
粒度對爆炸性的影響極大。粒徑1mm以下我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),因?yàn)閱挝毁|(zhì)量煤塵位質(zhì)量煤塵的粒度越小,總表面積及表面能越大,粒徑小于10μm后,煤塵爆炸性增強(qiáng)的趨勢變得平緩。煤塵粒度對爆炸壓力也有明顯的影響。煤炭科學(xué)研究院重慶分院的試驗(yàn)。結(jié)果表明: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煤塵燃溫度也不相同。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?/P>
4.空氣中的瓦斯?jié)舛?/P>
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:
式中: ――空氣中有瓦斯時的煤塵爆炸下限,g/m3
――爆塵的爆炸下限,g/m3
k――系數(shù),見下表1。
表1 瓦斯?jié)舛葘γ簤m爆炸下限的影響系數(shù) 空氣中的瓦斯深度%
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
隨著瓦斯?jié)舛鹊脑龈?,煤塵爆炸濃度下限急劇下降,這一點(diǎn)在有瓦斯煤塵爆炸危險的礦井應(yīng)引起高度重視。一方面,煤塵爆炸往往是由瓦斯爆炸引起的;另一方面,有煤塵參與時,小規(guī)模的瓦斯爆炸可能演變?yōu)榇笠?guī)模的爆塵瓦斯爆炸事故,造成嚴(yán)重的后果。
5.空氣中氧的含量
空氣中氧的含量高時,點(diǎn)燃煤塵的溫度可以降低;氧的含量低時,點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)燃塵云。而且爆塵初爆的強(qiáng)度也越大;反之溫度越低,能量越小,越難以點(diǎn)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(yàn)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(yàn)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(shí)驗(yàn)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。
五、預(yù)防煤塵爆炸的措施
(一)減、降措施 (煤層注水)
(二)防止煤塵引燃的措施
(三)隔絕煤塵爆炸的措施
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