周西華，孟 樂，史美靜，郭梁輝，趙建元，馮寸寸

（1.遼寧工程技術大學安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術大學礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧 阜新 123000）

礦井瓦斯爆炸是煤礦特有的、危害極其嚴重的災害［1］。瓦斯爆炸不僅造成人員傷亡和財產損失，而且會嚴重摧毀井下設施，中斷生產。有時還會引起煤塵爆炸和井下火災，從而加重了災害。高瓦斯礦井發(fā)生燃燒的火區(qū)，產生高溫和大量的可燃可爆氣體，改變了瓦斯爆炸的界限，大大增加了瓦斯爆炸的危險性。所以如何及時、準確地監(jiān)測火區(qū)溫度和氣體的體積分數，判別預測爆炸危險性顯得尤為重要。通過實驗對影響瓦斯爆炸界限的因素進行研究，可以有效地預測和控制火區(qū)瓦斯爆炸，保證安全生產。

1 瓦斯爆炸界限實驗系統(tǒng)

爆炸界限也稱爆炸極限，其含義是可燃氣體與空氣或氧氣混合后，遇到火源會產生爆炸現象的可燃氣體的極限體積分數，即在某個極限體積分數之內的混合氣體，爆炸會自動蔓延開來?？赡墚a生爆炸的可燃氣體最低極限體積分數稱為爆炸下限，最高極限體積分數稱為爆炸上限。瓦斯爆炸界限的影響因素主要包括環(huán)境溫度、氣壓、氧氣體積分數、煤塵、其他可燃氣體、引火源點燃能量和惰氣［2］。

實驗系統(tǒng)主要由爆炸裝置、配氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)（包括溫度、壓力、點火控制）和爆炸參數測試系統(tǒng)組成［3］，如圖1所示。

圖1 瓦斯爆炸界限測試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of test system for gas explosion limits

爆炸指標參數主要包括爆炸極限、爆炸壓力等。實驗遵循的標準為EN1839（B）［4］。依照標準對裝置的要求，爆炸圓筒罐高、外徑、壁厚分別為220、219和6.5mm，體積5L。頂部開6個螺紋孔，用于進氣、測壓、抽真空等。罐體中央放置點火電極，電極用火花塞固定。該系統(tǒng)通過熱電偶和壓強傳感器測溫度、壓強，再通過相應通道在計算機上顯示爆炸時的溫度、壓強。爆炸的判定標準為壓力升高5%。

實驗條件：溫度28～32℃，大氣壓力為約100kPa。實驗用的CH4、N2、CO2等氣體純度均為99.99%。系統(tǒng)通過壓力配比的方法實現氣體配備，具體操作步驟為：用真空泵將反應罐內抽至真空；由于氣體壓力比等于體積分數比，將CH4、惰性氣體、空氣等氣體順次充入反應罐；每次完成實驗后，用真空泵抽出爆炸主體罐內氣體，再打開相應閥門充入空氣，將主體罐內廢氣排盡。

實驗方法：分別以常溫常壓下瓦斯爆炸上、下限15%、5%［5］為基準反復實驗。如爆炸則逐漸降低瓦斯體積分數，直到不爆炸為止，所得爆炸的最小體積分數為爆炸下限；相反，如果不爆炸則逐漸增加瓦斯體積分數，直到不爆炸為止，所得的最大體積分數為爆炸上限［6－8］。常溫常壓下瓦斯爆炸界限見表1。

表1 常溫常壓下瓦斯氣體爆炸界限Table1 Gas explosion limits at normal temperature and pressure

圖2 不同溫度下瓦斯的爆炸界限Fig.2 Methane explosion limits at different temperatures

2 瓦斯爆炸影響因素及影響規(guī)律

2.1 溫度對瓦斯爆炸界限的影響

由于火區(qū)溫度復雜多變，因此研究不同溫度下的氣體爆炸特性十分必要。實驗時，首先將爆炸罐體抽真空，然后注入CH4，待氣體配好后再升溫，選擇在常壓50、75℃下進行實驗，實驗得出爆炸上、下限隨溫度變化的曲線如圖2所示。由圖2可知，隨著溫度的升高，瓦斯的爆炸上限呈現上升的趨勢；爆炸下限則變化不大，且呈現緩慢下降的趨勢。溫度升高會使可燃氣體混合物的爆炸危險性增加。

圖3 不同壓力下瓦斯的爆炸極限Fig.3 Methane explosion limits at different pressures

2.2 壓力對瓦斯爆炸界限的影響

在測定不同壓力下瓦斯爆炸上、下限時，根據前面的經驗，先抽真空，然后注入CH4，最后改變壓力，進行實驗研究。本次實驗，測定了常溫下壓力為0.1、0.12MPa等情況下瓦斯爆炸上、下限，通過實驗得出爆炸上下限隨壓力變化的曲線如圖3所示。由圖3可知，壓力變化時，CH4爆炸下限在變化很小，爆炸上限隨著壓力的增加呈現快速上升的變化趨勢。總的來看，增大壓力，爆炸界限范圍擴大，爆炸危險性增加。

2.3 CO對瓦斯爆炸界限的影響

火區(qū)往往存在有多種可燃氣體，爆炸時其他可燃氣體的存在對失爆極限點的影響很大。以CO作為可燃氣體，在CO的體積分數為0、1%、5%、10%等4種情況下CH4爆炸極限點進行實驗。與此同時，溫度也在50、75、100℃等3種情況下變化。不同溫度、不同CO體積分數的多次實驗，增加了實驗數據的現實意義。通過實驗得到數據，繪制出混入CO后不同溫度下瓦斯爆炸極限變化關系如圖4所示。從圖4明顯可以看出，在混入CO的情況下，隨著溫度升高爆炸上限升高，爆炸下限下降，并且隨著CO體積分數的增加，爆炸范圍明顯擴大。

圖4 不同溫度下混入不同體積分數CO后瓦斯的爆炸界限Fig.4 Methane explosion limits at different temperatures when mixed with different volume fractions of CO

2.4 N2對瓦斯爆炸界限的影響

實驗得出：加入N2惰化后，在失爆臨界點上O2的體積分數為13.5%，CH4的體積分數為6.4%，注入 N2的體積分數為29.1%。逐漸增加 N2的體積分數，降低CH4的體積分數，反復實驗都未爆炸，此點即定義為注入N2時的失爆臨界點。注入N2時，瓦斯爆炸界限與O2體積分數的關系曲線如圖5所示。由圖5可知，隨著N2氣體注入，O2體積分數下降，CH4爆炸下限隨O2體積分數的降低而升高，爆炸上限隨O2體積分數的降低而減小，爆炸界限范圍逐漸縮小，爆炸危險性降低。

圖5 混入N2后不同O2體積分數下瓦斯的爆炸界限Fig.5 Methane explosion limits when mixed with different volume fractions of O2after injected N2

2.5 CO2對瓦斯爆炸界限的影響

實驗得出：CO2惰化時，失爆臨界點氧的體積分數為15.9%，CH4的體積分數為7.8%，此時CO2的體積分數為16.23%。同樣，逐漸增加CO2的體積分數，降低CH4的體積分數，反復實驗都未發(fā)生爆炸，此點即定義為CO2的失爆臨界點。注入CO2惰化時，瓦斯爆炸界限與O2體積分數的關系如圖6所示。由圖6可知，隨著CO2的增加，O2的體積分數逐漸下降，CH4爆炸界限下限隨O2體積分數的降低而升高，爆炸上限隨O2體積分數的降低而降低，爆炸界限范圍逐漸縮小。

通過比較可以發(fā)現：惰化瓦斯爆炸時，CO2的惰化效果優(yōu)于N2。

圖6 混入CO2后不同O2體積分數下瓦斯的爆炸界限Fig.6 Methane explosion limits when mixed with different volume fractions of O2after injected CO2

3 瓦斯爆炸三角形的惰化分區(qū)

根據上述實驗結果，分別用N2、CO2氣體惰化時，對于O2在不同的體積分數下，瓦斯爆炸界限如圖7所示。圖7中CH4直接與空氣爆炸實驗時的爆炸下限點B′（φ（CH4）＝5.29%，φ（O2）＝19.82%），爆炸上限點C′（φ（CH4）＝13.16%，φ（O2）＝18.18%），與 傳 統(tǒng) 的 爆 炸 下 限 點 B（φ（CH4）＝5%，φ（O2）＝19.88%），爆炸上限點C（φ（CH4）＝13.5%，φ（O2）＝18.10%）相比，與空氣混合爆炸的界限范圍小。根據N2和CO2惰化時瓦斯爆炸界限的變化關系，得出混合N2氣體時，包含爆炸界限中所有爆炸點的最小三角形△B′C′E′和混合CO2時的最小三角形△B′C′F′為爆炸三角形（圖7中虛線所示的三角形）。由于不同的實驗條件下，得到的瓦斯爆炸界限的上、下限會有一定變化，就以爆炸下限最低值和爆炸上限最高值為準繪制爆炸三角形。即過B、C點分別作B′E′、C′E′ 的 平 行 線 交 于 點 E（φ（CH4）＝5.25%，φ（O2）＝11.34%），同理，作B′F′、C′F′ 的 平 行 線 交 于 點F（φ（CH4）＝6.13%，φ（O2）＝14.65%），即 E 是加入N2氣體惰化時爆炸臨界點，F是加入CO2氣體惰化時的爆炸臨界點。

圖7 常溫常壓下瓦斯爆炸界限的三角形圖Fig.7 Diagram of methane explosion triangle at normal temperature and pressure

為了使爆炸三角形對生產實際中防治瓦斯爆炸具有一定的指導意義，參考相關文獻［6－8］，對瓦斯爆炸危險性進行惰化分區(qū)，如圖8所示?？蓜澐譃椋罕ㄎｋU區(qū)（Ⅰ區(qū)），瓦斯體積分數過低不爆區(qū)（Ⅱ區(qū)），瓦斯體積分數過高不爆區(qū)（Ⅲ區(qū)）和O2體積分數過低不爆區(qū)（Ⅳ區(qū)）。

圖8（a）所示為傳統(tǒng)分區(qū)，圖8（b）所示為新的惰化分區(qū)。B為瓦斯爆炸下限，C為瓦斯爆炸上限，E為注入CO2氣體惰化時爆炸臨界點，E′為注入N2氣體惰化時爆炸臨界點。BE為注入CO2氣體惰化時的瓦斯爆炸下限邊界，直線BE的方程為：φ（O2）＝43.02－4.62φ（CH4）；BE′為注入N2氣體惰化時瓦斯爆炸下限邊界，直線BE′的方程為：φ（O2）＝190.68－34.16φ（CH4）；CE為注入CO2氣體惰化時瓦斯爆炸上限邊界，直線CE的方程為：φ（O2）＝11.78－0.46φ（CH4）；CE′為注入N2氣體惰化時瓦斯爆炸上限邊界，直線CE′的方程為：φ（O2）＝7.03－0.81φ（CH4）；FE為注入CO2氣體惰化時O2的臨界體積分數線，直線FE的方程為：φ（O2）＝15.61－0.15φ（CH4）；F′E′為注入N2氣體惰化時O2的臨界體積分數線，直線F′E′的方程為：φ（O2）＝11.97－0.12φ（CH4）；ED 為注入CO2氣體惰化時瓦斯的臨界體積分數線，直線ED 的方程為：φ（O2）＝20.93－1.02φ（CH4）；E′D′為注入N2氣體惰化時瓦斯的臨界體積分數線，直線E′D′的方程為：φ（O2）＝20.92－1.82φ（CH4）。

圖8 瓦斯氣體爆炸界限與O2體積分數關系及惰化分區(qū)圖Fig.8 Relation between methane explosion limits and oxygen volume fraction and diagram of inerting division

這2種劃分方法的區(qū)別在于Ⅱ區(qū)與Ⅳ區(qū)分界線不同。從圖8（a）中可以看出：新的惰化分區(qū)與傳統(tǒng)分區(qū)相比具有明顯的優(yōu)點：（1）傳統(tǒng)分區(qū)的Ⅳ區(qū)中，△ADO區(qū)是貧氧不爆區(qū)，但在Ⅳ區(qū)鄰近Ⅱ區(qū)的分界線AE附近，O2的體積分數明顯高于瓦斯爆炸時O2的臨界體積分數，并非貧氧區(qū)域。而圖8（b）中新劃分出的惰化區(qū)域，用直線EF明確在Ⅳ區(qū)中劃分出了貧氧區(qū)。（2）火區(qū)在封閉前位于Ⅱ區(qū)，在封閉過程中，風量減少，瓦斯的體積分數升高，逐漸進入Ⅰ區(qū)，為防止爆炸可采取注惰性氣體的措施，降低O2和瓦斯的體積分數，進入EF線以下的Ⅳ區(qū)后，即可直接封閉；若瓦斯的體積分數再升高，氣體狀態(tài)將進入Ⅲ區(qū)，而不經過Ⅰ區(qū)，即可實現安全封閉。（3）能計算出惰化火區(qū)到EF線以下所需的惰性氣體量。

4 結 論

（1）瓦斯氣體的溫度升高、壓力增大、生成的可燃氣體CO的體積分數增加等因素，都會使瓦斯的爆炸危險性增加。

（2）注入惰性氣體N2和CO2，可以降低瓦斯爆炸的危險性。注入N2氣體惰化時，瓦斯爆炸臨界點CH4的體積分數為5.25%，注入CO2氣體惰化時，瓦斯爆炸臨界點CH4的體積分數為6.13%，CO2的惰化效果優(yōu)于N2氣體。

（3）根據實驗結果，繪制瓦斯爆炸區(qū)域三角形，并進行了新的惰化分區(qū)劃分，明確了CH4體積分數過低不爆區(qū)和貧氧區(qū)的O2的體積分數臨界線，給出了CH4爆炸界限與氧體積分數關系的爆炸三角形特征點及特征線方程，繪制出瓦斯爆炸的4個分區(qū)，可編制程序，快速檢測煤礦采空區(qū)或火區(qū)氣體是否具有爆炸危險性，并且能夠快速計算惰化火區(qū)所需的惰性氣體量。

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