[科普中國]-煤塵爆炸

爆炸機(jī)理

煤塵爆炸是在高溫或一定點(diǎn)火能的熱源作用下，空氣中氧氣與煤塵急劇氧化的反應(yīng)過程，是一種非常復(fù)雜的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，一般認(rèn)為其爆炸機(jī)理及過程如下：

（1）煤本身是可燃物質(zhì)，當(dāng)它以粉末狀態(tài)存在時(shí)，總表面積顯著增加，吸氧和被氧化的能力大大增可，一旦遇見火源，氧化過程迅速展開；

（2）當(dāng)溫度達(dá)到300~400℃時(shí)，煤的干餾現(xiàn)象急劇增強(qiáng)，放出大量的可燃性氣體，主要成分為甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、氫和1%左右的其他碳?xì)浠衔铮?/p>

（3）形成的可燃?xì)怏w與空氣混合的高溫作用下吸收能量，在塵粒周圍形成氣體外殼，即活化中心，當(dāng)活化中心的能量達(dá)到一定程度后，鏈反應(yīng)過程開始，游離基迅速增加，發(fā)生了塵粒的閃燃；

（4）閃燃所形成的熱量傳遞給周圍的塵粒，并使之參與鏈反應(yīng)，導(dǎo)致燃燒過程急劇地循環(huán)進(jìn)行，當(dāng)燃燒不斷加劇使火焰速度達(dá)到每秒數(shù)百米后，煤塵的燃燒便在一定臨界條件下跳躍式地轉(zhuǎn)變?yōu)楸ā?/p>

特征（1）形成高溫、高壓、沖擊波 煤塵爆炸火焰溫度為1600~1900℃，爆源的溫度達(dá)到2000℃以上，這是煤塵爆炸得以自動(dòng)傳播的條件之一。

在礦井條件下煤塵爆炸的平均理論壓力為736kPa，但爆炸壓力隨著離開爆源距離的延長而跳躍式增大。爆炸過程中如遇障礙物，壓力將進(jìn)一步增加，尤其是連續(xù)爆炸時(shí)，后一次爆炸的理論壓力將是前一次的5~7倍。煤塵爆炸產(chǎn)生的火焰速度可達(dá)1120m/s，沖擊波速度為2340m/s。

（2）煤塵爆炸具有連續(xù)性 由于煤塵爆炸具有很高的沖擊波速，能將巷道中落塵揚(yáng)起，甚至使煤體破碎形成新的煤塵，導(dǎo)致新的爆炸，有時(shí)可如此反復(fù)多次，形成連續(xù)爆炸，這是煤塵爆炸的重要特征。

（3）煤塵爆炸的感應(yīng)期 煤塵爆炸也有一個(gè)感應(yīng)期，即煤塵受熱分解產(chǎn)生足夠數(shù)量的可燃?xì)怏w形成爆炸所需的時(shí)間。根據(jù)試驗(yàn)，煤塵爆炸的感應(yīng)期主要決定于煤的揮發(fā)分含量，一般為40%~280ms，揮發(fā)分越高，感應(yīng)期越短。

（4）揮發(fā)分減少或形成“粘焦”煤塵爆炸時(shí)，參與反應(yīng)的揮發(fā)分約占煤塵揮分含量的40%~70%，致使煤塵揮發(fā)分減少，根據(jù)這一特征，可以判斷煤塵是否參與了井下的爆炸。對于氣煤、肥煤、焦煤等粘結(jié)性煤的煤塵，一旦發(fā)生爆炸，一部分煤塵會被焦化，粘結(jié)在一起，沉積于支架的巷道壁上，形成煤塵爆炸所特有的產(chǎn)物——焦炭皮渣或粘塊，統(tǒng)稱“粘焦”，“粘焦”也是判斷井下發(fā)生爆炸事故時(shí)是否有煤塵參與的重要標(biāo)志。

（5）產(chǎn)生大量的CO 煤塵爆炸時(shí)產(chǎn)生的CO，在災(zāi)區(qū)氣體中濃度可達(dá)2%~3%，甚至高達(dá)到8%左右，爆炸事故中受害者的大多數(shù)（70%~80%）是由于CO中毒造成的。1

條件煤塵爆炸必須同時(shí)具備四個(gè)條件，煤塵本身具有爆炸性；煤塵必須懸浮于空氣中，并達(dá)到一定的濃度；存在能引燃煤塵爆炸的高溫?zé)嵩?；一定濃度的氧氣?/p>

**煤塵的爆炸性：**煤塵具有爆炸性是煤塵爆炸的必要條件。煤塵爆炸的危險(xiǎn)性必須經(jīng)過試驗(yàn)確定。

**懸浮煤塵的濃度：**井下空氣中只有懸浮的煤塵達(dá)到一定濃度時(shí)，才可能引起爆炸，單位體積中能夠發(fā)生煤塵爆炸的最低或最高煤塵量稱為下限和上限濃度。低于下限濃度或高于上限濃度的煤塵都不會發(fā)生爆炸。煤塵爆炸的濃度范圍與煤的成分、粒度、引火源的種類和溫度及度試驗(yàn)條件等有關(guān)。一般說來，煤塵爆炸的下限濃度為30~50g/m3，上限濃度為1000~2000g/m3。其中爆炸力最強(qiáng)的濃度范圍為300~500g/m3。一般情況下，浮游煤塵達(dá)到爆炸下限濃度的情況是不常有的，但是爆破、爆炸和其他震動(dòng)沖擊都能使大量落塵飛揚(yáng)，在短時(shí)間內(nèi)使浮塵量增加，達(dá)到爆炸濃度。因此，確定煤塵爆炸濃度時(shí)，必須考慮落塵這一因素。

**引燃煤塵爆炸的高溫?zé)嵩矗?*煤塵的引燃溫度變化范圍較大，它隨著煤塵性狀、濃度及試驗(yàn)條件的不同而變化。我國煤塵爆炸的引燃溫度在650~1050℃之間，一般為700~800℃。煤塵爆炸的最小點(diǎn)火能為4.5~40mJ。這樣的溫度條件，幾乎一切火源均可達(dá)到，如爆破火焰、電氣火花、機(jī)械摩擦火花、瓦斯燃燒或爆炸、井下火災(zāi)等。根據(jù)20世紀(jì)80年代的統(tǒng)計(jì)資料，由于放炮和機(jī)電火花引起的煤塵爆炸事故分別占總數(shù)的45%和35%。

**一定濃度的氧氣：**煤塵爆炸還必須要具備一定濃度的氧氣，要求氧氣的濃度不低于18%（體積百分比）。由于礦井的氧氣濃度一定大于18%，所以我們在防止煤塵爆炸過程中一般不會考慮這一條件。

爆炸案例我國歷史上最嚴(yán)重的一次煤塵爆炸發(fā)生在1942年日本侵略者統(tǒng)治下的本溪煤礦，死亡1549人，殘246人，死亡的人員中大多為CO中毒，事故發(fā)生前，巷道內(nèi)沉積了大量煤塵，是由于電火花點(diǎn)燃局部聚積的瓦斯而引起的重大煤塵爆炸事故。

影響因素煤的揮發(fā)分

煤塵爆炸的主要是在塵粒分解的可燃?xì)怏w（揮發(fā)分）中進(jìn)行的，因此煤的揮發(fā)分?jǐn)?shù)量的和質(zhì)量是影響塵爆炸的最重要因素。一般說來，煤塵的可燃揮發(fā)分含量越高，爆炸性越強(qiáng)，即煤化作用程度低的煤，其煤塵爆炸性強(qiáng)，隨煤化作用程度的增高而爆炸性減弱。

煤的灰分和水分

煤內(nèi)有灰分是不燃性物質(zhì)，能吸收能量，阻擋熱輻射，破壞鏈反應(yīng)，降低煤塵的爆炸性。煤的灰分對爆炸性的影響還與揮分含量的多少有關(guān)，揮發(fā)分小于15%的煤塵，灰分的影響比較顯著，大于15%時(shí)，天然灰分對微塵的爆炸幾乎沒有影響。水分能降低煤塵的爆炸性，因?yàn)樗奈鼰崮芰Υ?，能促使?xì)微塵粒聚結(jié)為較大的顆粒，減少塵粒的總表面積，同時(shí)還能降低落塵的飛揚(yáng)能力。煤的天然灰分和水分都很低，降低煤塵爆炸性的作用不顯著，只有人為地?fù)饺牖曳郑ㄈ鰩r粉）或水分（灑水）才能防止煤塵的爆炸。

煤塵粒度

粒度對爆炸性的影響極大。粒徑1mm以下我煤塵粒子都可能參與爆炸，而且爆炸的危險(xiǎn)性隨粒度的減小而迅速增加，75μm以下的煤塵特別是30~75μm的煤塵爆炸性最強(qiáng)，因?yàn)閱挝毁|(zhì)量煤塵的粒度越小，總表面積及表面能越大，粒徑小于10μm后，煤塵爆炸性增強(qiáng)的趨勢變得平緩。煤塵粒度對爆炸壓力也有明顯的影響。煤炭科學(xué)研究院重慶分院的試驗(yàn)。結(jié)果表明：在同一煤種不同粒度條件下，爆炸壓力隨粒度的減小而增高，爆炸范圍也隨之?dāng)U大，即爆炸性增強(qiáng)，粒度不同的煤塵引燃溫度煤塵燃溫度也不相同。煤塵粒度越小，所需引燃溫度越低，且火焰?zhèn)鞑ニ俣纫苍娇臁?/p>

空氣中的瓦斯?jié)舛?/strong>