注冊安全工程師輔導：煤塵爆炸及預防
發布時間：2011-09-30 共1頁
煤塵爆炸同瓦斯爆炸一樣都屬于礦井中的重大災害事故。我國歷史上最嚴重的一次煤塵爆炸發生在1942年日本侵略者統治下的本溪煤礦，死亡1549人，殘246人，死亡的人員中大多為CO中毒，事故發生前，巷道內沉積了大量煤塵，是由于電火花點燃局部聚積的瓦斯而引起的重大煤塵爆炸事故。
一、煤塵爆炸的機理及特征
1．煤塵爆炸的機理
煤塵爆炸是在高溫或一定點火能的熱源作用下，空乞中氧氣與煤塵急劇氧氣的反應過程，是一種非常復雜的鏈式反應，一般認為其爆炸機理及過程如下：
（1）煤本身是可燃物質，當它以粉末狀態存在時，總表面積顯著增加，吸氧和被氧人化的能力大大增可，一旦遇見火源，氧化過程迅速展開；
（2）當溫度達到300~400℃時，煤的干餾現象急劇增強，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%左右的其他碳氫化合物；
（3）形成的可燃氣體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，當活化中心的能量達到一定程度后，鏈反應過程開始，游離基迅速增加，發生了塵粒的閃燃；
（4）閃燃所形成的熱量的傳遞給周圍的塵粒，并使之參與鏈反應，導致燃過程急劇地循環進生，當燃燒不斷加劇使火焰速度達到每秒數百米后，煤塵的燃燒便在一定臨界條件下跳躍式地轉變為爆炸。
2．煤塵爆炸的特征
（1）形成高溫、高壓、沖擊波 煤塵爆炸火焰溫度為1600~1900℃，爆源的溫度達到2000℃以上，這是煤塵爆炸得以自動傳播的條件之一。
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，壓力將進一步增加，尤其是連續爆炸時，后一欠爆炸的理論壓力將是前一次的5~7倍。煤塵爆炸產生的火焰速度可達1120m/s，沖擊波速度為2340m/s。
（2）煤塵爆炸具有連續性 由于煤塵爆炸具有很高的沖擊波速，能將巷道中落塵揚起，甚至使煤體破碎形成新的煤塵，導致新的爆炸，有時可如此反復多次，形成連續爆炸，這是煤塵爆炸的重要特征。
（3）煤塵爆炸的感應期 煤塵爆炸也有一個感應期，即煤塵受熱分解產生足夠數量的可燃氣體形成爆炸所需的時間。根據試驗，煤塵爆炸的感應期主要決定于煤的揮發分含量，一般為40%~280ms，揮發分越高，感應期越短。
（4）揮發分減少或形成“粘焦”煤塵爆炸時，參與反應的揮發分約占煤塵揮分含量的40%~70%，致使煤塵揮發分減少，根據這一特征，可以判斷煤塵是否參與了井下的爆炸。對于氣煤、肥煤、焦煤等粘結性煤的煤塵，一旦發生爆炸，一部分煤塵會被焦化，粘結在一起，沉積于支架的巷道壁上，形成煤塵爆炸所特有的產物——焦炭皮渣或粘塊，統稱“粘焦”“粘焦”也是判斷井下發生爆炸事故時是否有煤塵參與的重要標志。
（5）產生大量的CO 煤塵爆炸時產生的CO，在災區氣體中濃度可達2%~3%，甚至高達到8%左右，爆炸事故中受害者的大多數（70%~80%）是由于CO中毒造成的。
二、煤塵爆炸的條件
煤塵爆炸必須同時具備三個條件，煤塵本身具有爆炸性；煤塵必須懸浮于空氣中，并達到一下的濃度；存在能引燃煤法爆炸的高溫熱源。
1．煤塵的爆炸性
煤塵具有爆炸性是煤塵爆炸的必要條件。煤塵爆炸的危險性必須經過試驗確定。
2．懸浮煤塵的濃度
井下空氣中只有懸浮的煤塵達到一定濃度時，才可能引起爆炸，單位體積中能夠發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條件等有關。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。其中爆炸力最強的濃度范圍為300~500g/m3。
一般情況下，浮游煤塵達到爆炸下限濃度的情況是不常有的，但是爆破、爆炸和其他震動沖擊都能使大量落塵飛揚，在短時間內使浮塵量增加，達到爆炸濃度。因此，確定煤塵爆炸濃度時，必須考慮落塵這一因素。
3．引燃煤塵爆炸的高溫熱源
煤塵的引燃溫度變化范圍較大，它隨著煤塵性持、濃度及試驗條件的不同而變化。我國煤塵爆炸的引燃溫度在610~1050℃之間，一般為700~800℃。煤塵爆炸的最小點火能為4.5~40mJ。這樣的溫度條件，幾乎一切火源均可達到，如爆破火焰、電氣火花、機械摩擦火花、瓦斯燃燒或爆炸、井下火災等。根據20世紀80年代的統計資料，由于放炮和機電火花引起的煤塵爆炸事故分別占總數的45%和35%。
三、影響煤塵爆炸的因素
1．煤的揮發分
煤塵爆炸的主要是在塵粒分解的可燃氣體（揮發分）中進行的，因此煤的揮發分數量的和質量是影響塵爆炸的最重要因素。一般說來，煤塵的可燃揮發分含量越高，爆炸性越強，即煤化作用程度低的煤，其煤塵爆炸性強，隨煤化作用程度的增高而爆炸性減弱。
2．煤的灰分和水分
煤內有灰分是不燃性物質，能吸收能量，阻擋熱輻射，破壞鏈反應，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，揮發分小于15%的煤塵，灰分的影響比較顯著，大于15%時，天然灰分對為塵的爆炸幾乎沒有影響。水分能降低煤塵的爆炸性，因為水的吸熱能力大，能促使細微塵粒聚結為較大的顆粒，減少塵粒的總表面積，同時還能降低落塵的飛揚能力。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，只有人為地摻入灰分（撒巖粉）或水分（灑水）才能防止煤塵的爆炸。
3．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，因為單位質量煤塵位質量煤塵的粒度越小，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。煤炭科學研究院重慶分院的試驗。結果表明：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，爆炸范圍也隨之擴大，即爆炸性增強，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，且火焰傳播速度也越快。
4．空氣中的瓦斯濃度
瓦斯參與使煤塵爆炸下限降低。瓦斯濃度低于4%時，煤塵的爆炸下限可用下式計算：
式中: ——空氣中有瓦斯時的煤塵爆炸下限，g/m3
——爆塵的爆炸下限，g/m3
k——系數，見下表１。
表1 瓦斯濃度對煤塵爆炸下限的影響系數 空氣中的瓦斯深度%
0
0.50
0.75
1.0
1.50
2.0
3.0
4.0
k
1
0.75
0.60
0.50
0.35
0.25
0.1
0.05
隨著瓦斯濃度的增高，煤塵爆炸濃度下限急劇下降，這一點在有瓦斯煤塵爆炸危險的礦井應引起高度重視。一方面，煤塵爆炸往往是由瓦斯爆炸引起的；另一方面，有煤塵參與時，小規模的瓦斯爆炸可能演變為大規模的爆塵瓦斯爆炸事故，造成嚴重的后果。
5．空氣中氧的含量
空氣中氧的含量高時，點燃煤塵的溫度可以降低；氧的含量低時，點燃煤塵云困難，當氧含量低于17%時，煤塵就不再爆炸。煤塵的爆炸壓力也隨空氣中含氧的多少而不同。含氧高，爆炸壓力高；含氧低，爆炸壓力低。
6．引爆熱源
點燃煤塵云造成煤塵爆炸，就必須有一個達到或超過最低點燃溫度和能量的引爆熱源。引爆熱源的溫度越高，能量越大，越容易點燃塵云。而且爆塵初爆的強度也越大；反之溫度越低，能量越小，越難以點燃煤塵云，且即使引起爆炸，初始爆炸的強度也越小。
四、煤塵爆炸性鑒定
《規程》規定：新礦井的地質精查報告中，必須有所有煤層的煤塵爆炸性鑒定材料。生產礦井每延深一個新水平，由礦務局組織一次煤塵爆炸性試驗工作。
煤塵爆炸性的鑒定方法有兩種：一種是在大型煤塵爆炸試驗巷道中進行，這種方法比較準確可靠，但工作繁重復雜，所以一般作為標準鑒定用；另一種是在實驗室內使用大管狀煤塵爆炸性鑒定儀進行，方法簡便，目前多采用這種方法。
五、預防煤塵爆炸的措施
（一）減、降措施 （煤層注水）
（二）防止煤塵引燃的措施
（三）隔絕煤塵爆炸的措施
