浅谈煤矿瓦斯爆炸的条件与防治措施
摘要：我国目前国有重点煤矿大多数属于瓦斯矿井，瓦斯爆炸事故的发生，造成大量的人
员伤亡、巷道破坏、生产中断，给国家造成了巨大的损失，也给矿工家属带来了巨大的悲痛。分析瓦斯爆炸事故发生原因，预防、控制瓦斯爆炸事故，是实现煤矿安全生产的关键。本文分析了煤矿瓦斯爆炸事故的发生条件，提出了防治措施，并对有效控制煤矿瓦斯爆炸事故和合理利用煤层气提供了一些建议。
关键字：煤矿；瓦斯爆炸；防治措施
0 概述
煤层气俗称瓦斯，其主要成分是CH4（甲烷），与煤炭伴生，以吸附和游离状态存在于煤层中，属于非常规天然气的一种，其热值与天然气相当，是通用煤的2~5倍。煤层气空气浓度达到5%~16%时，遇明火就会爆炸，这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源。
在我国的能源工业中，煤炭占我国一次能源生产和消费结构中的70％左右，预计到2050年还将占50％以上。因此，煤炭在相当长的时期内仍将是我国的主要能源。当前，我国经济的快速增长，对煤炭工业发展提出了更高的要求。为此，必须加强安全生产，确保煤炭工业持续、稳定、健康发展。我国95％的煤矿开采是地下作业。煤矿事故占工矿企业一次死亡10人以上特大事故的72.8％(2008年数据)；煤矿企业一次死亡10人以上事故中，瓦斯事故占死亡人数的71％。煤矿所面临的重大灾害事故是相当严峻的，造成的损失是极其惨重的。我国煤矿的百万吨死亡率为0.564（2011年数据），是美国的十多倍。特别是煤矿重大及特大瓦斯灾害事故的频发，不但造成国家财产和公民生命的巨大损失，而且严重影响我国的国际声誉。
1 瓦斯爆炸事故原因分析
我国煤矿井下开采条件普遍较差。据统计，2010年全国国有重点煤矿共有580处矿井进行了瓦斯等级鉴定，其中高瓦斯矿井160处，低瓦斯矿井298处，煤与瓦斯突出矿井122处；有自燃发火矿井372处，占64％，有煤尘爆炸危险矿井427处，占73.6％。
1
瓦斯爆炸事故的发生，主要有以下三个原因。 1.1 瓦斯积聚的存在
煤矿井下造成瓦斯积聚的原因很多，但主要有通风系统不合理和局部通风管理不善是瓦斯积聚的主要原因。如2005年34起特大瓦斯爆炸事故中，有22起主要是因通风系统不合理，存在风流短路、多次串联和循环风，造成供风地点风量不足，而引起瓦斯积聚；有9起主要是因局部通风机安装位置不当、风筒未延伸到供风点或脱落引起供风点有效风量不足，而造成瓦斯积聚；有2起事故主要是因停电停风而引起瓦斯积聚；有l起是盲巷积聚的瓦斯被引爆。 1.2 引爆火源的存在
煤矿井下引爆瓦斯的火源有爆破火花、电气火花、摩擦撞击火花、静电火花、煤炭自燃等。但放炮和电器设备产生的火花是瓦斯爆炸事故的主要火源。如2005年34起特大瓦斯爆炸事故中，有16起是由放炮产生的火花引爆的；有15起事故是由电器设备及电源线电火花引爆的。
1.3 装备不足、管理不落实
矿井安全装备配置不足，“先抽后采，监测监控，以风定产”方针未得到完全落实。发生的特大瓦斯事故中，有的矿井没有安装瓦斯监控系统或运行不正常，有的矿井虽安装有监控系统，但因传感器数量不足、安装位置不对、线路存在故障、显示器不显示数据等问题，不能有效发挥其应有的作用。此外乡镇煤矿发生的特大瓦斯事故都没有装备瓦斯抽放系统或抽放系统不能有效运行，监控系统也不能有效发挥作用。如内蒙古乌海市乌达区巴音赛煤焦有限责任公司某井虽安装了瓦斯监控系统，但在其实际开采区域却并没有瓦斯传感器，而造成特大瓦斯事故的发生，死亡16人。
2 预防瓦斯爆炸的理论依据
2.1 瓦斯爆炸条件的分析
煤矿瓦斯爆炸必须同时（同地）具备3个条件：空气中瓦斯浓度在爆炸范围内(5 %—16%)；高温引火源存在的时间大于瓦斯引火感应期；瓦斯—空气混合气体中的氧气浓度大于12%。 2.1.1 瓦斯浓度
瓦斯与空气(氧气)均匀混合形成爆炸性气体，瓦斯浓度达到一定的范围时，遇到明火或一定的引爆能量立即发生爆炸，这个浓度范围称为瓦斯爆炸极限。其中，形成爆炸性混合气体的瓦斯最低浓度称为瓦斯爆炸下限，形成爆炸性混合气体的瓦斯最高浓度称为瓦斯爆炸上限。
能最易（即在最小着火能量下）激发着火（爆炸），并且爆炸中能释放出最大能量的瓦斯浓度称为瓦斯最佳爆炸浓度。瓦斯的爆炸极限为5% —16 %，当瓦斯浓度低于5%时，遇火不能发生爆炸，但能在火焰外围形成燃烧层；当瓦斯浓度为9.5% 时，其爆炸威力最大(氧气和瓦斯完全反应) ；当瓦斯浓度在16 %以上时，会失去
2
其爆炸性, 但在空气中遇火仍会燃烧。
当瓦斯混合气体初始压力、初始温度提高时，爆炸下限没有显著变化，而爆炸上限都会发生显著增大。 2.1.2 高温热源
高温热源的存在，是引起瓦斯爆炸的必要条件之一。
瓦斯爆炸不仅与热源的温度有关，而且与其作用的持续时间关系密切。因为导致瓦斯爆炸的连锁反应需要一定的时间，达到爆炸浓度的瓦斯遇到火源时不会立即爆炸，而需要延迟很短的时间。
通常把开始着火到瓦斯一空气混合气体形成爆炸的这段延迟时间称为感应期。任何一个火源，只有当其作用持续时间超过感应期时才是危险的。感应期的长短与瓦斯浓度、火源温度有关。 2.1.3 氧气浓度
在正常大气压和常温下，瓦斯爆炸浓度与氧气浓度的关系如Coward爆炸三角形所示。当空气中的氧气浓度升高时，瓦斯爆炸下限变化不太大，但瓦斯爆炸上限会显著增高，爆炸范围扩大，增加了发生瓦斯爆炸的危险性；当空气中的氧气浓度降低时，爆炸下限变化不大爆炸上限则明显降低，当氧气浓度低于12%时，瓦斯混合气体就会失去爆炸性，遇火也不会爆炸。
但需指出的是，现实条件下，火源和氧气在煤矿井下是很难时刻监控，因此，要杜绝瓦斯爆炸，关键在于强通风和瓦斯检查，防止瓦斯聚集和控制各种火源的产生。
2.2 爆炸三角理论分析
根据燃烧理论，甲烷等可燃气体在空气内燃爆，存在一个最小的燃爆氧浓度，其对应的点称为燃爆临界点，与可燃气体的爆炸上、下限浓度点构成了一个三角形，通常称为Coward爆炸三角形，只有当混合物浓度范围处于此爆炸三角形内，系统才有可能发生爆炸。
通常的爆炸三角区图均以单一可燃物与空气（氧氮混合物）形成的混合物表示，即混合物的浓度坐标点位于图中三角形的斜边上。实际情况中，混合物中氧与其他不可燃物的比例可能会偏离空气组分，不可燃物也可能不仅仅是氮气，可燃物也可能是多种成分，此时可通过折算方法获取可燃物的爆炸上限和下限。 一般采用Coward爆炸三角形来表示气体的可燃性以及组成对气体可燃性的影响。图1是甲烷的爆炸三角图。
3
图1 甲烷在空气中的爆炸三角形
图中任意一点的坐标X+Y+Z=100，LOC是极限氧浓度，UFL可燃上限，LFL可燃下限。图中阴影区域为可燃区域，即取任意组分的甲烷、氧气、氮气混合气体均可在图中找到对应的点，观察点是否在可燃范围内即可知道该组分气体是否有爆炸的危险。
3 瓦斯爆炸过程与危害
瓦斯爆炸时，爆炸性的煤层气与高温火源同时存在时，就将发生煤层气的初燃，初燃产生以一定速度移动的焰面。焰面后的爆炸产物具有很高的温度，由于热量集中而使爆炸气体产生高温和高压并急剧膨胀而形成冲击波。如果巷道顶板附近或冒落孔内积存着瓦斯，或者巷道中沉落的煤尘，在冲击波的作用下，他们就能均匀分布，形成新的爆炸混合物，使爆炸过程得以继续。
瓦斯爆炸具有严重的危害，造成大量的损失。主要表现为：
（1）煤层气爆炸产生高压气体形成冲击波。一般而言，爆炸后的气体压力是爆炸前气体压力的7~10倍，因而形成强大的冲击波，这种冲击波可以使爆源附近的气体以每秒几百米甚至几千米的速度向外传播，从而造成矿井巷道、设备破坏和人员伤亡。
（2）产生高温火焰。煤层气爆炸产生大量的热量，形成火焰，温度可达1850~2560℃，如此高温及火焰不但可以烧伤矿井人员，还会引起煤尘爆炸与矿井火灾。
（3）产生有毒有害气体。煤层气爆炸是一种剧烈的化学反应，在这个反应过程中，可以产生大量有害有毒气体，其中对人损害最大的是一氧化碳。
4
4 瓦斯爆炸极限分析
煤层气的组成主要是甲烷和空气的混合物或是以甲烷为主的多种有机燃气和空气的混合物。准确把握单组分爆炸极限的理论计算法方法是确定混合组分爆炸极限的前提。
煤层气爆炸极限与多种因素有关, 不仅取决于甲烷浓度、气量等自身条件, 还受到大气压力、温度等方面的影响。掌握外界条件对爆炸极限的影响规律和计算方法, 根据实际气体浓度得到的爆炸极限对工业生产会有明确的指导意义。
目前对爆炸极限的确定基本上可以归纳为以下4类：按完全燃烧所需氧原子数计算、按化学计量浓度计算、按理查特利(Le Chatlier)公式法确定爆炸极限以及纯经验公式。
4.1 单组分可燃性气体爆炸极限的计算
按完全燃烧所需要的氧原子数：
100aL下限或上限=?100%4.76(no-b)+c （1）
式中L下限或上限为单组分气体的爆炸下限或上限；no为每摩尔有机可燃性气
体完全燃烧时所必需氧原子的物质的量；当计算爆炸下限时，a=b=c=1；当计算爆炸上限时，a=c=4，b=0。
利用氧气系数α代替no，提出了对上述爆炸极限公式的改进方法：
1L下限或上限=?100%4.76aA+1 （2） 式中A 为1 mol 的有机可燃性气体完全燃烧时需要的氧气摩尔量；α为氧气
系数，利用实验数据回归得到。
当在化学计量浓度时，空气供给为理论值，α= 1；当计算爆炸下限时，空气供给过量，α= 2；当计算爆炸上限时，空气供给不足，α= 1/ 3。
按化学计量浓度：
化学计量浓度是可燃性气体完全燃烧, 按化学反应方程式算出的可燃性气体—空气混合物中可燃性气体的浓度, 立足于这一对应关系, 通过实验数据回归得到相关系数(η) 。即
L?hCst 下限或上限 （3） 式中当计算爆炸下限时，η= 0.55；当计算爆炸上限时，η= 4.8；Cst为燃气化学计量比浓度(体积)。
理论上, 与1 mol 空气完全燃烧的可燃性气体CnHmOλFf的体积浓度(Cst)是:
100Cst=?100%m-f-2l1+A(n+)4 （4）
式中，在空气中燃烧时，A = 4.773(是空气中氧摩尔分数0.21的倒数)；在氧气
5