井下瓦斯爆炸爆源特征尺寸计算方法的分析

1、 专业技术文件 / Technical documentation 编号： 井下瓦斯爆炸爆源特征尺寸计算方法的分析Through the process agreement to achieve a unified action policy for different people, so as to coordinate action, reduce blindness, and make the work orderly.编制：_日期：_井下瓦斯爆炸爆源特征尺寸计算方法的分析温馨提示：该文件为本公司员工进行生产和各项管理工作共同的技术依据，通过对具体的工作环节进行规范、约束，以确保生产、

2、管理活动的正常、有序、优质进行。本文档可根据实际情况进行修改和使用。 摘要井下瓦斯爆炸的爆源特征尺寸, 是衡量井下瓦斯的 主要特征参数之一, 不论是事故的防治, 还是进行事故的调查、处理都要知道爆源的特征尺 寸。目前计算爆源特征尺寸的方法简便易行, 但其结果比实验巷道的测试数据偏高。 这个理 论计算值比实际测试值偏高的问题, 是一个值得认真分析研究并加以解决的问题。 本文通过 定性分析和定量计算, 找出了导致这一问题的主要原因, 并给出了解决这一问题的方法。 关键词瓦斯爆炸爆源特征尺寸计算分析1前言 发生在煤矿井下的瓦斯爆炸事故是最严重的煤矿灾害, 通常造成大量的人员伤亡和巨大的经 济损失,

3、不论是事故的防治, 还是进行事故的调查、处理都要了解和研究瓦斯爆炸发生的特 征参数。衡量煤矿井下瓦斯爆炸的特征参数有多种, 但爆源的特征尺寸是主要的特征参数之 一。因此, 准确地计算爆源特征尺寸, 不仅在理论研究上有重要的应用价值, 对采取具体措 施防治瓦斯爆炸事故, 保证矿井安全生产也有着十分重要的意义。 2目前爆源特征尺寸的计算方法及存在问题 爆源的特征尺寸, 即井下积聚瓦斯空间的体积在爆炸后比爆炸前增大的倍数, 目前是 根据下面关系式计算:（略） 式中:V1爆炸前的体积, m3； V2爆炸后的体积, m3； T1爆炸前的热力学温度, K； T1=273+t1, t1为爆炸前的摄氏温度,

4、； T2爆炸后的热力学温度, K； T2=273+t2, t2为爆炸后的摄氏温度, 。 设t1=27, t2=2027,则 T1=273+27=300K,T2=273+2027=2300K, 根据(1)式得:（略） 由上述计算可知, 爆炸后的体积V2是爆炸前体积V1的7.7 倍, 但实验巷道的测 试数据(以火焰锋面到达的位置为依据)通常小于上述计算值, 一般V2只达到(35) V 1, 由此可见, 用(1)式计算爆炸后的体积V2比爆炸前的体积V1膨胀增大的倍 数比实验巷道测试的数据偏高, 这个理论计算值比实际测试值偏高的问题 没有得到解决。下面将分析导致这一问题的主要原因。 3原因分析及解决方

5、法 井下空间的瓦斯气体, 在爆炸前、后各参量的关系用下式表示:（略） 式中:P2爆炸后的压力, MPa； P1爆炸前的压力, 近似为0.1MPa； V2爆炸后的体积, m3； V1爆炸前的体积, m3； T2爆炸后的热力学温度, K； T2=273+t2, t2为爆炸后的摄氏温度, ； T1爆炸前的热力学温度, K； T1=273+t1, t1为爆炸前的摄氏温度, ； n积聚(爆炸)瓦斯的摩尔数, mol； a反映瓦斯分子引力的常量, Nm4mol-2； b反映瓦斯分子体积的常量, m3mol-1； 在(2)式中, 令a=0,b=0,则(2)式成为:（略） 在(3)式中, 令P2=P1, 则(

6、3)式成为(1)式: （略） 由上面推演可知, (2)式变为(1)式的条件有2个:(1) a=0,b=0,(2)P2=P1； 不管瓦斯爆炸的过程如何复杂, 但其爆炸前后的参量关系是满足(2)式的, 因此, 用(2)式 来计算V2当然比用(1)式计算更符合实际, 由(2)式成为(1)式的两个条件可知, 用(1)式来 计算 V2与实际偏高的原因也可能有2个:一是令a=0,b=0,即不考虑瓦斯气体常量a、b对V 1、V2的影响, 二是令P2=P1, 即不考虑P2比P1增大对V2的影响, 根据井下瓦斯 爆炸的特征, 结合分子物理学知识, 对以上两个可能原因作如下分析: (1) a=0, b=0。井下瓦

7、斯爆炸的浓度一般为5%16%, 这样的浓度瓦斯分子之间的平均距离 是 较大的, 瓦斯分子之间的引力以及瓦斯分子本身的体积对V1、V2的影响是很小的, 加之 爆炸后温度又很高, 所以, 反映瓦斯分子之间引力的常量a,以及反映瓦斯分子体积的常量b 对V2的影响不是主要因素。即令a=0,b=0不是对V2影响的主要原因。 (2) P2=P1。瓦斯爆炸的过程是升温升压的过程, 由(3)式可直观看出, 爆炸后的压力P 2比爆炸前的压力P1增大是对V2影响的主要因素, 对于这一点, 可通过实验巷道测定的 数据进行定量计算加以验证。 根据国家有关部门在重庆实验巷道进行的爆炸实验, 瓦斯浓度9.5%, 体积10

8、0m3, 测得的 最大压力为0.18MPa。据此测得的P2=0.18MPa, 和前面所述的P1=0.1MPa, T 1=300K,T2=2300K代入(3)式得:（略） 由此可见, 用(3)式计算的V2值比用(1)式计算的V2值更接近实际(实测V2=(3 5)V)。通过上面定性分析和定量计算可知, 目前的方法计算V2值比实际偏高的主要原因是没有考 虑到P2比P1大对V2的影响。明确了导致问题的原因后, 解决问题的方法也就显而易见了, 即在(1)式 的右边乘以一个修正系数（略）, 问题就解决了。这样 , 修正后计算V2的公式成为: （略）；应当说明的是, 井下瓦斯爆炸的浓度是一个较大的区间, 正常条件下弱火源为5%15% , 强 火源为2%75%, 其爆炸的体积也是大小不等的, 少则几十立方米, 多则几百立方米, 在不 同的浓度、不同的体积下, 爆炸后产生的压力P2是不同的。因此, 用上面(4)式计算出的 V2值也是不同的, 那么, 目前我们说爆炸后的压力P2比爆炸前的压力P1升高多少；爆 炸后的体积V2比爆炸前的体积V1增大多少倍是以什么条件为标准呢?这一问题目前国 内 外尚无统一定论, 不过, 实验分析和理论研究表明, 瓦斯浓度为9.5%时, 爆炸的化学反应最 完全, 所以瓦斯浓度应取9.5%为标准, 又因为瓦斯浓度取百分