李淑敏

(陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司技術(shù)中心)

改進(jìn)的USBM法判斷氣體爆炸性

李淑敏

(陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司技術(shù)中心)

判斷煤礦井下封閉的火區(qū)或因開采結(jié)束密閉采空區(qū)內(nèi)混合氣體的可爆炸性一直是影響煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵問題。近年來，因這些區(qū)域管理不善而造成的爆炸事故導(dǎo)致人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的屢見不鮮。為快速準(zhǔn)確地判定混合氣體的爆炸性，USBM(美國礦業(yè)局)作了廣泛的研究并形成了獨(dú)特的判斷法，然而在實(shí)踐過程中，該法也存在著判定氣體種類單一、誤判的不足。為此，提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法，并通過實(shí)例進(jìn)行了可靠性交叉驗(yàn)證。結(jié)果表明，改進(jìn)后的USBM法更為可靠，具有良好的推廣前景。

USBM爆炸繪圖 混合氣體 氣體爆炸性 判定 改進(jìn)

陽泉礦區(qū)是我國著名的高瓦斯礦區(qū)，區(qū)內(nèi)的煤礦開采深受瓦斯的影響。如2002年7月15日在大陽泉煤礦掘進(jìn)工作面施工中發(fā)生一起瓦斯爆炸事故，共有14人遇難；2004年12月9日的盂縣大賢煤礦瓦斯爆炸，共造成33名礦工死亡。無論從煤礦安全生產(chǎn)的日常管理，還是便于事故后救援，及時(shí)準(zhǔn)確判斷井下混合氣體的可爆炸性，有目的的采取防護(hù)或救災(zāi)手段，對(duì)于保障人員的生命安全及生產(chǎn)的順利進(jìn)行都是必須且必要的。

長期以來，許多學(xué)者從不同的角度進(jìn)行了氣體爆炸性的研究[1-5]。目前，在眾多的方法中，美國礦業(yè)局發(fā)明的USBM法是最為常用的方法之一，然而現(xiàn)場實(shí)踐應(yīng)用當(dāng)中，這種方法也存在一定的不足之處。為此，本文對(duì)其提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法。

1 USBM爆炸性判定方法簡介

Zabetakis在總結(jié)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了USBM爆炸繪圖方法確定煤礦混合氣體爆炸性能[6-10]，如圖1所示。USBM方法由3部分區(qū)域構(gòu)成，以R=1.0所示區(qū)域?yàn)槔?R值表示混合氣體的組分狀況)：①在R=1.0區(qū)域內(nèi)為爆炸性區(qū)域，說明混合氣體具有爆炸性，是極其危險(xiǎn)區(qū)域；②位于R=1.0之外和對(duì)應(yīng)的粗黑色線之下為非爆炸性區(qū)域，需要注意的是若有更多的混合氣體混入，則可能導(dǎo)致組分點(diǎn)將向爆炸區(qū)域方向移動(dòng)，從而變?yōu)榭杀ㄐ詺怏w；③位于R=1.0之外和對(duì)應(yīng)的粗黑色線之上的區(qū)域同樣是非爆炸性區(qū)域，這一區(qū)域的特征是：若有更多的空氣混入，會(huì)導(dǎo)致混合氣體的組分點(diǎn)向爆炸區(qū)域移動(dòng)，從而具有爆炸危險(xiǎn)性。

圖1 USBM爆炸性繪圖方法

USBM爆炸繪圖方法判定混合氣體爆炸性能的步驟為[6]：

(1)確定混合氣體的組分狀況，選定相應(yīng)的爆炸區(qū)域。利用式(1)計(jì)算R值：

(1)

式中，φ(CH4)、φ(CO)、φ(H2)分別為相應(yīng)化學(xué)氣體的體積濃度。下同。

實(shí)質(zhì)上，R表示了CH4在混合有機(jī)氣體中的體積百分比。利用R值，同時(shí)參照?qǐng)D1可以畫出對(duì)應(yīng)任意R值的爆炸區(qū)域。

(2)計(jì)算混合氣體中的富余氮?dú)饬俊?/p>

φ(Nex)=φ(N2)-3.8φ(O2) ，

(2)

式中，系數(shù)3.8為在正?？諝庵械?dú)夂脱鯕獾捏w積比值。

(3)計(jì)算有效惰性氣體量。

InertEff.=φ(Nex)+1.5φ(CO2) .

(3)

(4)計(jì)算有效可燃?xì)怏w量。

CombEff.=

φ(CH4)+1.25φ(H2)+0.4φ(CO) .

(4)

根據(jù)有效惰性氣體量及有效可燃?xì)怏w量，混合氣體組分點(diǎn)可以在USBM爆炸圖中標(biāo)示出來，根據(jù)組分點(diǎn)和第一步中確定的爆炸區(qū)域的相對(duì)位置關(guān)系，可以判定混合氣體的爆炸性。

2 方法的改進(jìn)

2.1 火區(qū)常見可燃易爆氣體討論

上述混合氣體爆炸性鑒定的方法中，只考慮了3種可燃?xì)怏w(甲烷(CH4),一氧化碳(CO)，氫氣(H2))，而在實(shí)際煤礦井下還存在如下情況。

(1)回采結(jié)束正常封閉的采空區(qū)，其氣體成分主要是甲烷的，可只考慮CH4一種氣體。由于上下鄰近層及遺煤瓦斯的不斷涌出，其濃度由封閉初期的不到1%逐漸上升到5%～16%的危險(xiǎn)區(qū)，然后進(jìn)一步上升越過危險(xiǎn)區(qū)，穩(wěn)定在20%～30%。

(2)由于煤炭氧化、自燃等情況的存在，密閉區(qū)域中的氣體成分由兩種成分構(gòu)成。大氣氣體成分主要有氮?dú)?、氬氣、氧氣以及二氧化碳，由于火區(qū)中化學(xué)作用等情況而產(chǎn)生的副產(chǎn)品氣體成分主要有：一氧化碳，氫氣，烷屬烴氣體(CnH2n+2),烯屬烴氣體(CnH2n)和炔屬烴氣體(CnH2n-2)以及二氧化碳。

(3)由于礦井發(fā)生了瓦斯或粉塵爆炸等突發(fā)性事故后進(jìn)行封閉的區(qū)域，混合氣體的大氣成分中大量存在CO，CO2等爆炸化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體，以及部分由于煤塵爆炸氧化而產(chǎn)生的其他類型有機(jī)氣體。

由此可見，煤礦井下大氣環(huán)境中的氣體種類遠(yuǎn)非僅僅上述3種所能概括，為使爆炸三角形方法更為精確，則需要考慮火區(qū)中更多種類的常見可燃?xì)怏w。故基于上述考慮，為使判定火區(qū)密閉內(nèi)混合氣體爆炸能力的結(jié)果更為精確，以下幾種可燃可爆有機(jī)氣體應(yīng)該予以考慮到判定方法中：甲烷(CH4)，氫氣(H2)，一氧化碳(CO)，乙烯(C2H4)，乙烷(C2H6)，丙烯(C3H6)，丙烷(C3H8)以及乙炔(C2H2)。盡管這些氣體總的體積百分比可能是一個(gè)很小的量值，但是它們的存在與否將會(huì)對(duì)爆炸三角形的形狀、位置產(chǎn)生極大的影響。

2.2 對(duì)USBM法進(jìn)行校正

將式(1)進(jìn)行修正：

(5)

利用式(4)計(jì)算“有效可燃?xì)怏w量”時(shí)，系數(shù)1.25和0.4為基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)化H2和CO相對(duì)于CH4的爆炸限值轉(zhuǎn)化因子，確定其他有機(jī)氣體的轉(zhuǎn)化因子，則式(4)可調(diào)整為：

φ=φ(CH4)+1.25φ(H2)+0.4φ(CO)+1.85φ(C2H4)+φ(C3H6)+2φ(C2H2)+0.33φ(C3H8)+1.67φ(C2H6) ,

(6)

式中，φ為有效可燃?xì)怏w量。

3 應(yīng)用實(shí)例與交叉驗(yàn)證

3.1 實(shí)例驗(yàn)證

某礦井發(fā)生火災(zāi)后，對(duì)火區(qū)進(jìn)行了及時(shí)的封閉，通過與火區(qū)相連的取樣孔進(jìn)行了連續(xù)取樣觀測(cè)，表1顯示了在火區(qū)封閉后85 h內(nèi)的氣樣觀測(cè)結(jié)果。利用改進(jìn)的USBM方法，繪制了連續(xù)火區(qū)氣體狀態(tài)及其爆炸性跟蹤圖，如圖2所示。

表1 各種可燃?xì)怏w爆炸限值 (體積百分比)

圖2 改進(jìn)的USBM法繪制的火區(qū)氣體變化用于連續(xù)追蹤火區(qū)氣體爆炸狀態(tài)

3.2 結(jié)果討論

改進(jìn)后的USBM爆炸三角形，由于考慮了更多的可燃?xì)怏w，比原有的爆炸三角形范圍有所擴(kuò)大。利用表1的原始數(shù)據(jù)，繪制出圖2追蹤火區(qū)混合氣體的爆炸性圖，分析混合氣體狀態(tài)點(diǎn)與爆炸三角形的位置關(guān)系，將判定結(jié)果列于表1中。火區(qū)氣體內(nèi)的爆炸特性呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，表現(xiàn)出最初具有爆炸性到不具有爆炸性再回到爆炸區(qū)域以及最后徹底離開爆炸區(qū)域。根據(jù)表2列出的爆炸性判定結(jié)果，將取樣數(shù)據(jù)分為4組，編號(hào)為1～4。第1組組分點(diǎn)均位于爆炸區(qū)域內(nèi)，隨后由于N2濃度的升高，O2及其他有機(jī)氣體濃度降低;第2組的組分點(diǎn)逐漸運(yùn)動(dòng)出爆炸區(qū)域，需要注意的是，此時(shí)混合氣體雖然已沒有爆炸性，但是仍處于危險(xiǎn)區(qū)域，即若繼續(xù)混入爆炸性氣體，則有可能再次返回爆炸區(qū)域,表2中第3組數(shù)據(jù)狀態(tài)則證明了這一點(diǎn)，正是由于CH4濃度的突然升高，混合氣體再次返回爆炸區(qū)域具有爆炸性。然而最終在連續(xù)注氮的情況下，混合氣體組分點(diǎn)再次運(yùn)動(dòng)出爆炸區(qū)域而進(jìn)入到“絕對(duì)安全區(qū)域”，不再具有任何爆炸性。

4 結(jié) 論

簡要介紹USBM這一常用的判定混合氣體爆炸性的方法，分析其不足之處及相應(yīng)的改進(jìn)；通過一個(gè)火區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用，交叉驗(yàn)證了改進(jìn)方法的精確度，結(jié)果表明，改進(jìn)的USBM法在判定結(jié)果上具有較高的一致性，在火區(qū)救災(zāi)過程中具有一定的指導(dǎo)意義。

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Judgment of Gas Explosive Characteristics Based on Improved USBM Method

Li Shumin

(Technical Center, Yangquan Coal Industry(Group)Co., Ltd.)

The judgment of the closed fire zones in coal mine or the explosive characteristics of the mixed gas which existed in the sealed goaf at the end of mining is the key question that influence the safety of coal mines. In recent years, the explosion accidents that casued by the poor management of these areas lead to a large number of casualities and property losses. In order to judge the explosive characteristics accurately, the unique judgment method is proposed by unites states of bureau of mines(USBM). However, the USBM judgment method has the insufficient of single judgment gas species and misjudgment. Therefore, the relative improved judement method is proposed, and it is conducted cross validation of reliability based on some examples. The results show that, the relability of the improved USBM method is superior than the original one, and it has good promotion prospects.

Explosion drawing of USBM, Mixed gas, Explosive characteristics, Judgment, Improve

2014-09-11)

李淑敏(1982—),女，科長，工程師,045000 山西省陽泉市北大街5號(hào)。