張 瑩，劉生滿(mǎn)，張玉廣，丁星星，張景昌

（中原工學(xué)院，鄭州450007）

人體靜電放電對(duì)煤礦瓦斯爆炸的影響

張 瑩，劉生滿(mǎn)，張玉廣，丁星星，張景昌

（中原工學(xué)院，鄭州450007）

分析了瓦斯爆炸的條件和原因，并重點(diǎn)分析了人體靜電放電尤其是人體動(dòng)態(tài)靜電放電對(duì)瓦斯爆炸的影響．

瓦斯爆炸；人體靜電；人體動(dòng)態(tài)靜電放電

煤礦資源是我國(guó)重要的動(dòng)力資源和化工原料，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位．煤礦的安全生產(chǎn)是國(guó)民最為關(guān)心問(wèn)題之一，目前面臨著嚴(yán)峻的形勢(shì)．瓦斯爆炸是煤礦安全事故中危害最大的災(zāi)害，很多煤礦事故都源自瓦斯爆炸．據(jù)統(tǒng)計(jì)，1981－2004年，全國(guó)煤礦事故中因瓦斯爆炸死亡的人數(shù)比例就高達(dá)50%，瓦斯爆炸一次死亡10人以上的事故占所有事故的81．45%［1］．這些數(shù)據(jù)足以表明，瓦斯爆炸造成的危害面有多廣、危害程度有多深．因此，要解決煤礦安全事故中的主要問(wèn)題，瓦斯爆炸是首要方面．

礦井下環(huán)境很復(fù)雜，隨著礦井開(kāi)采深度的不斷加大、開(kāi)采強(qiáng)度的不斷增強(qiáng)，危險(xiǎn)性就會(huì)不斷加大．因此，預(yù)防瓦斯爆炸事故的發(fā)生，做到防患于未然，是各個(gè)煤礦安全生產(chǎn)管理與災(zāi)害防治的重中之重．要杜絕安全生產(chǎn)方面的隱患，就需要從各個(gè)方面去了解引起瓦斯爆炸的因素，尤其是人體靜電這個(gè)很容易被忽視的因素．

1 瓦斯爆炸的條件

瓦斯比空氣輕，具有擴(kuò)散性、滲透性、燃燒性和爆炸性等特點(diǎn)．引起瓦斯的爆炸的條件有3個(gè)：瓦斯?jié)舛取⒁饻囟群脱鯕鉂舛龋?/p>

1．1 瓦斯?jié)舛?/h3>

研究表明，瓦斯爆炸的理論界限為瓦斯氣體體積占混合氣體體積的5%～16%．當(dāng)瓦斯?jié)舛鹊陀?%時(shí)，混合氣體遇火不爆炸；當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^(guò)16%時(shí)，混合氣體就會(huì)失去爆炸性；當(dāng)瓦斯?jié)舛葹?．5%時(shí)，它會(huì)和氧氣完全發(fā)生反應(yīng)而爆炸，此時(shí)的爆炸威力最猛．瓦斯的爆炸界限不是固定不變的，它也會(huì)受一些其他因素的影響．如當(dāng)惰性氣體混入時(shí)，其爆炸界限的下限會(huì)提高，上限會(huì)降低；當(dāng)其他可燃性氣體、煤塵混入，或所處環(huán)境的溫度、混合氣體的壓力增加時(shí)，其爆炸的下限就會(huì)降低．

1．2 引火溫度

引火溫度，即點(diǎn)燃瓦斯所需要的最低溫度，一般為在650～750℃．井下的電氣火花、煤炭自燃、明火、工作人員吸煙及靜電等都可能引起火花，達(dá)到引火溫度從而點(diǎn)燃瓦斯．

1．3 氧氣濃度

當(dāng)氧氣在空氣中的濃度大于12%，并且瓦斯?jié)舛冗_(dá)到爆炸的界限時(shí)，如果有火源存在且達(dá)到引火溫度，由于瓦斯具有燃燒性和爆炸性，就會(huì)引起瓦斯混合氣體的爆炸［2］．

2 引起瓦斯爆炸的原因

在煤礦環(huán)境中，引起瓦斯爆炸，必需滿(mǎn)足上述的3個(gè)條件．而造成瓦斯爆炸的原因有很多，主要有以下幾個(gè)方面：

2．1 通風(fēng)不良

在礦井下，造成瓦斯爆炸的3個(gè)條件中最具危害性的就是有足夠量的瓦斯積聚．如果瓦斯?jié)舛冗_(dá)不到爆炸極限，再有足夠充足的氧氣或引火溫度，也不會(huì)引起爆炸．

導(dǎo)致瓦斯積聚的主要原因是由于瓦斯的大量涌出，而對(duì)其沖淡的風(fēng)量不足甚至停風(fēng)．越是靠近瓦斯涌出的源區(qū)，瓦斯越容易積聚；越是供風(fēng)不足或停風(fēng)，瓦斯越容易積聚［3］．所以，要使瓦斯?jié)舛冗_(dá)不到爆炸界限，歸根結(jié)底還是要從通風(fēng)系統(tǒng)著手．煤礦環(huán)境往往是在地下，采煤區(qū)的通風(fēng)系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，因此通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要．合理的礦井通風(fēng)系統(tǒng)要求系統(tǒng)簡(jiǎn)單實(shí)用、設(shè)施安全可靠，能保證穩(wěn)定的風(fēng)流導(dǎo)向，使通風(fēng)阻力最小且分布合理，抗災(zāi)能力強(qiáng)．如果能正確地選擇通風(fēng)系統(tǒng)的位置，合理設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及各項(xiàng)指標(biāo)，就不容易引起瓦斯氣體大量積聚．如果通風(fēng)系統(tǒng)施工質(zhì)量欠佳，管理不嚴(yán)格，日常檢修沒(méi)有到位，就必然導(dǎo)致通風(fēng)條件變化，引起瓦斯積聚，導(dǎo)致瓦斯?jié)舛壬?，這是引起瓦斯爆炸的最重要的因素之一．因此，優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)、做好通風(fēng)及瓦斯抽放與濃度監(jiān)控，是防止瓦斯積聚最根本、最有效的措施．

2．2 引爆瓦斯爆炸的火源

礦井下的爆破火焰、照明、電氣設(shè)備產(chǎn)生的火花、傳送帶之間摩擦產(chǎn)生的火花以及人為失誤導(dǎo)致的火源等，都可能成為引爆火源．在井下瓦斯超限或局部瓦斯積聚達(dá)到爆炸界限濃度時(shí)，有火源就有可能發(fā)生瓦斯爆炸．

2．3 靜電引起的火花放電

在礦井下煤炭的開(kāi)采中，靜電引起的瓦斯爆炸占很大的比例，尤其是近些年來(lái)由靜電引起的瓦斯爆炸更是屢見(jiàn)不鮮．而由靜電引起的瓦斯爆炸有3個(gè)基本條件：一是產(chǎn)生并積累足夠的靜電電荷，并使其局部場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到或超過(guò)周?chē)橘|(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)；二是瓦斯氣體的濃度達(dá)到爆炸極限范圍；三是靜電點(diǎn)火能量大于瓦斯氣體的最小點(diǎn)火能量．

靜電具有低能量、小電流、高電位和作用時(shí)間短等特點(diǎn)．礦井下的風(fēng)筒、傳送帶、儀器設(shè)備的外殼和零部件及管材等，大都是高分子聚合物．這些材料在使用過(guò)程中難免會(huì)受到機(jī)械摩擦或與空氣中的粉塵發(fā)生摩擦而產(chǎn)生靜電．由于高分子聚合物材料都是絕緣材料，摩擦產(chǎn)生的靜電荷積聚在表面不易消失，當(dāng)靜電荷積聚達(dá)到一定程度時(shí)，可能產(chǎn)生放電現(xiàn)象，當(dāng)放電能量達(dá)到0．28 mJ時(shí)，就會(huì)引起瓦斯爆炸［4］．

3 人體靜電的影響

一想到礦井中的靜電，人們往往會(huì)把它和風(fēng)筒、傳送帶、儀器、管材等材料聯(lián)系起來(lái)，而忽略人體的靜電．大量研究表明，人體靜電放電也會(huì)導(dǎo)致瓦斯爆炸［2］．人體靜電是由于人體做動(dòng)作或與其他物體接觸、分離或靜電感應(yīng)等呈現(xiàn)出來(lái)的某種極性的電荷積累．

3．1 人體靜電電位

在礦井下，人體的突然動(dòng)作會(huì)造成人體靜電電位的變化．研究表明，當(dāng)身穿防靜電服和防靜電靴的礦工做快速脫衣、突然跌倒等劇烈動(dòng)作時(shí)，人體的瞬間電壓會(huì)增大十余倍，此時(shí)人體電阻會(huì)減小到為原來(lái)的1／10甚至更?。@無(wú)疑為靜電的快速泄漏創(chuàng)造了條件．當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到爆炸極限時(shí)，靜電的快速泄漏就會(huì)引起瓦斯爆炸，帶來(lái)更大的危害．因此，人體靜電在煤礦環(huán)境下更具隱蔽性和危險(xiǎn)性．

3．2 人體電容

在煤礦環(huán)境中，礦工的工作環(huán)境是在井下采煤區(qū)．采煤區(qū)屬于狹窄坑道，人體周?chē)目拥辣谑敲簩?，煤層都是?dǎo)體．當(dāng)?shù)V工著裝在采煤區(qū)的狹窄坑道工作時(shí)，人體電位較低，靜電不易泄漏；但當(dāng)工作中的礦工突然從狹窄坑道進(jìn)入寬敞地方時(shí)，人體電容就會(huì)突然減小，使人體電位突然升高．這時(shí)，人體靜電電量沒(méi)有明顯變化，而人體電壓會(huì)突然增加十幾倍，造成靜電的快速泄漏，這容易成為瓦斯燃爆的點(diǎn)火源．由此可見(jiàn)，在煤礦環(huán)境中，人體的動(dòng)態(tài)靜電放電更具有隱蔽性和危險(xiǎn)性，會(huì)對(duì)煤礦安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅．

張景昌教授等人設(shè)計(jì)了不銹鋼筒模擬礦井采煤處狹窄坑道．在溫度19℃、相對(duì)濕度35%條件下，讓身高158～181 cm、體重50～73 kg的不同身高、體重的男性和女性身著礦工服，并穿不同電阻率的抗靜電靴進(jìn)入該筒內(nèi)，在筒內(nèi)的不同位置模擬人體處于采煤區(qū)狹窄坑道中的電容．結(jié)果表明：人體的電容與人的性別、身高與體重沒(méi)有直接關(guān)系；在筒外，人體電容只有145～175 p F，而在不銹鋼筒內(nèi)部的不同位置，人體電容差別不是很大，電容值在1 300～1 900 p F之間，筒外的電容明顯低于筒內(nèi)的電容．由此可見(jiàn)，煤礦環(huán)境中狹窄坑道內(nèi)的人體電容比井下寬敞地方的人體電容高十余倍．所以，當(dāng)工作中的礦工從狹窄坑道處進(jìn)入寬敞地方的瞬間，在狹窄坑道出口處，人體電容會(huì)迅速降低，其值不足坑道內(nèi)人體電容的1／10，這時(shí)，人體靜電電量沒(méi)有明顯變化，而人體電壓會(huì)突然增加十幾倍，引起人體靜電的快速泄漏，這容易成為瓦斯燃爆的點(diǎn)火源．因此，狹窄坑道出口處多為人體靜電放電的事故發(fā)生地［5］．

4 結(jié) 語(yǔ)

瓦斯爆炸是煤礦安全事故的重要方面，人體動(dòng)態(tài)靜電放電，尤其是礦工在狹窄坑道處的動(dòng)態(tài)靜電放電，很容易引起瓦斯爆炸．要預(yù)防瓦斯爆炸，需要加強(qiáng)對(duì)引起瓦斯爆炸的各種因素的研究，尤其要重視人體動(dòng)態(tài)靜電放電這個(gè)具有隱蔽性的方面的研究，從而為礦工著裝標(biāo)準(zhǔn)提出依據(jù)，為煤礦安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)．

［1］王樹(shù)玉．煤礦五大災(zāi)害事故分析和防治對(duì)策［M］．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2006（1）：20－40．

［2］張景昌．靜電防護(hù)概論［M］．北京：原子能出版社，2009：107．

［3］童宇．井下巷道內(nèi)瓦斯爆炸阻燃技術(shù)研究［D］．山西：中北大學(xué)安全工程系，2009．

［4］劉丙戌．化學(xué)品火災(zāi)危害辨識(shí)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估［J］．安防科技，2004（4）：7－8．

［5］張玉廣，黃犇犇，劉生滿(mǎn)，等．煤礦環(huán)境人體動(dòng)態(tài)靜電放電模型［J］．中原工學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，20（1）：1－4．

Effect of Human Body Electrostatic Discharge in Coal Mine Gas Explosion

ZHANG Ying，LIU Sheng－man，ZHANG Yu－guang，DING Xing－xing，ZHANG Jing－chang
（Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

Gas explosion in coal mine accidents is the most harmful disasters．This paper analyzes the conditions and causes of gas explosion in coal mine，and the human body electrostatic discharge is mainly analyzed，especially analyzes the effection of the dynamic electrostatic discharge on human body of gas explsion．

gas explosion；static electricity on human body；dynamic electrostatic discharge on human body

O631；X752

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2012．01．002

1671－6906（2012）01－0004－03

2011－11－04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50977093）；河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目（102300410203）

張 瑩（1984－），女，河南鄭州人，碩士．