定容条件下瓦斯爆炸超压及爆后气体成分试验研究_贾泉升(1).pdf

Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 煤矿井下属于相对封闭的空间，矿井发生瓦斯 爆炸时常伴随着超压、 燃烧、 冲击波、 毒害气体等危 害[1]， 这些因素对矿井工作人员的生命安全造成了 严重的威胁。瓦斯爆炸时爆炸压力、压力上升速率 受瓦斯体积浓度等因素的影响，会呈现不同的变化 规律[2-5]； 煤尘的参与使爆炸后压力变化更加复杂[6]。 在研究煤矿巷道内瓦斯爆炸对人员造成超压伤害时 发现 爆炸超压是造成人员死亡的主要原因之一[7]， 为研究瓦斯爆炸超压的危害提供了一定的理论支 撑。关于瓦斯爆炸后气体的研究目前国内外学者主 要集中在理论和模拟研究方面， 试验研究较少 刘永 立通过数值模拟研究了瓦斯爆炸后毒害气体的成分 及分布规律[8-9]。聂百胜等人利用 Chemkin 数值模拟 软件研究了瓦斯爆后 CO 对人体的毒害作用[10]。目 前有关的试验研究也只是简单介绍了瓦斯爆炸后气 体 （如 H2、 CO2） 随初始瓦斯体积浓度的变化规律[11]， 对瓦斯爆炸后 N2体积浓度的变化规律及产生的 H2 有无爆炸风险没有进行研究。 利用 20 L 气体爆炸特 性测试系统和气相色谱仪研究不同初始瓦斯体积浓 度条件下瓦斯爆炸压力及气体组分浓度的变化情 况，将为矿井瓦斯爆炸超压及爆后气体的危害研究 DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.001 定容条件下瓦斯爆炸超压及爆后气体成分 试验研究 贾泉升 1， 2， 司荣军2， 李润之2， 王 磊 2 （1.煤炭科学研究总院， 北京 100013； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司 火灾爆炸防治研究分院， 重庆 400037） 摘要 为研究瓦斯爆炸超压及爆后气体的危害， 利用 20 L 气体爆炸特性测试系统与气相色谱 仪研究了不同初始瓦斯体积分数对瓦斯爆炸后的压力及爆后气体的影响和危害。研究发现 瓦 斯爆炸初始体积分数在最佳爆炸体积分数附近时爆炸压力最大， 对人体危害最强； 爆炸后产生 的 H2、 CO 会促进瓦斯的爆炸， 且与初始瓦斯体积分数呈一次函数关系， 高体积分数瓦斯爆炸后 产生的 H2的体积分数会在爆炸极限范围内；爆炸后环境中的 CO 会使人中毒死亡， CO2及低体 积分数的 O2会造成人员窒息。 关键词 体积分数； 瓦斯爆炸； 爆炸压力； 爆后气体； 爆炸极限 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0001-05 Experimental Study on Overpressure and Gas Composition After Gases Explosion Under Constant Volume Condition JIA Quansheng1,2, SI Rongjun2, LI Runzhi2, WANG Lei2 （1.China Coal Research Institute, Beijing 100013, China；2.Fire and Explosion Prevention Research Branch, China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400037, China Abstract To study the harm of gas explosion overpressure and gases after explosion, the 20 L gas explosion characteristic test system and gas chromatograph are used to study the pressure and the change laws of the gas after the gas explosion under different initial gas volume fraction conditions. The study found that the initial volume fraction of gas explosion at the optimum explosion volume fraction is the most harmful to the human body； the H2and CO generated after the explosion will promote the explosion of gas and have a function relationship with the initial gas volume fraction. The volume fraction of H2after high-volume fraction gas explosion will be within the limits of H2explosion； the CO produced by the explosion will cause human poisoning to die, and CO2and low volume fraction of O2will cause people to suffocate. Key words volume fraction； gas explosion； explosion pressure； gases after explosion； explosion limit 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2018YFC0807900） ； 国家 自然科学基金资助项目 （51504285） 试验 研究 1 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 提供一定的理论依据。 1理论基础 瓦斯的主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多 数， 可以认为瓦斯爆炸的本质是 CH4的爆炸， 目前 多数学者认为 CH4爆炸的过程并不是简单的一步 反应，而是由 325 步基元反应组成的复杂的化学反 应， 在反应过程中释放出大量的热并产生 CO、 H2等 气体以及一些自由基， 如 H、 O 、 OH 等。其主要反应 有[12] CH4H→CH3H2； CH4OH→CH3H2O； CH4O→ CH3OH； CH4HO2→CH3H2O2，这些反应为瓦斯爆 炸后气体的分析提供了依据。 有研究表明[7] 超压为 0.15 MPa 时就能对人造 成轻微损伤，超压为 0.312 MPa 时就能造成 50死 亡概率。氢气具有无色、 无嗅、 无毒、 易燃易爆的物 理特性，若空气中 H2含量过高将引起缺氧性窒息， 一定量的氢气与 CH4混合也会发生爆炸[13]。 CO 是一 种剧毒气体，被人吸入后易和人体内的血色素结 合，阻碍氧与血色素的正常结合，导致人体缺氧而 中毒死亡。当 CO 体积分数达到 0.4时， 就会致人 中毒， 丧失知觉、 痉挛、 停止呼吸、 假死， 经 20～30 min 后死亡[14]。CO 在对人产生毒害作用的同时也会 促进瓦斯的爆炸[15]。当混合气体中氧气体积分数在 69时， 短时间内人会失去直觉， 昏迷， 呼吸停 止， 有生命危险， 二氧化碳的体积分数达到 10时， 就会出现昏迷。 2试验系统及试验方法 1） 试验系统。 试验利用 20 L 气体爆炸特性测试 系统， 该系统由配气系统、 抽真空系统、 点火系统、 及数据采集系统等组成。爆炸容器连接有压力传感 器，并与控制系统相连，控制系统通过时序电路控 制配气系统、点火系统，并通过无线监控传输器与 高频数据采集系统相连。气体分析利用 GC9560 气 相色谱仪，可测试多种气体的组分及浓度。试验的 系统组成示意图如图 1。 2） 试验方法。试验时首先将干燥空气充入到爆 炸罐体中，打开罐体上的排气孔阀门，对罐体中的 气体进行置换，至罐体的温度达到常温，之后关闭 排气孔阀门、打开真空泵将爆炸罐体中的压力抽真 空至 0.03 MPa （需要说明的是试验中所用到的压力 数据均为绝对压力） ，利用压力配比法充入一定量 的纯甲烷气体， 再充入适量的干燥空气。 为了能在常压状态下采集到爆炸后罐体中的气 体， 需要设置合理的初始爆炸压力 （配气后罐体中压 力） 。经过多次试验后发现， 配气后罐体内压力达到 0.12 MPa 最合适，待所配混合气体混合均匀后， 进 行点火， 采集、 提取爆炸压力的数据。利用采气袋采 集爆炸后罐体中的气体，借助气相色谱仪对爆后气 体进行分析。 3试验结果与分析 利用 20 L 气体爆炸特性试验系统研究了瓦斯 体积分数为 6.04、 6.21、 7.20、 8.41、 9.40、 9.84、 10.10、 11.40、 12.97等不同初始体积分 数条件下爆炸压力以及爆后各气体体积分数，根据 数据进行了分析。 3.1初始瓦斯体积分数对爆炸超压的影响 根据瓦斯爆炸后压力的数据分析，得到不同初 始瓦斯体积分数条件下瓦斯爆炸压力 pm与压力上 升速率 dp/dt 随初始瓦斯体积分数变化的曲线图， 不同体积分数条件下瓦斯爆炸后爆炸压力与压力上 升速率的变化曲线图如图 2。 爆炸压力及爆炸压力上升速率拟合函数如下 y1y0 （ A Wsqrt （π 2 ） ） exp （-2 （X-XC W ） 2） （1 ） 式中 y1为爆炸压力及爆炸压力上升速率； y0、 A、 W、 XC为常数； X 为初始瓦斯体积分数， 取值范围 为 5～15。 压力拟合函数的相关参数见表 1。 由图 2 （a） 可以看出， 爆炸压力随着初始瓦斯体 积分数的升高先升高后降低。在瓦斯体积分数达到 9.9时爆炸压力最大， 为 0.933 MPa， 也就是说瓦斯 体积分数在最佳爆炸体积分数附近时爆炸威力最 强， 爆炸的压力最大。瓦斯爆炸后的压力在 0.4～0.9 图 1试验系统组成示意图 2 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines y0XcWA相关度 pm dp/dt 0.034 1 8.776 8 9.301 9 8.935 0 5.232 2 4.352 5 5.786 0 167.760 0 0.931 3 0.896 0 表 1压力拟合函数的相关参数 图 2不同体积分数条件下瓦斯爆炸后爆炸压力 与压力上升速率的变化曲线图 MPa 之间， 超压即在 0.3～0.8 MPa 之间， 能对人产生 超压伤害。 爆炸压力上升速率是衡量燃爆速度的指标， 常 常用来衡量爆炸强度， 评价爆炸危险性。由图 2 （b） 的曲线可以看出随着初始瓦斯体积分数的不断增 加，爆炸压力上升速率将先增加后减小。初始瓦斯 体积分数为 9.2时瓦斯爆炸压力上升速率最大， 为 39 MPa/s， 说明此时的爆炸最为强烈。 3.2初始瓦斯体积分数对爆后气体的影响 分析瓦斯爆炸后的气体成分与体积分数可以得 到爆炸后 H2、 CO 体积分数与初始瓦斯体积分数的 关系， 不同体积分数条件下瓦斯爆炸后 H2、 CO 的体 积分数变化曲线图如图 3。 爆炸后 H2、 CO 气体体积分数拟合后的函数关 系如下 y2abX（2） 式中 y2为爆炸后 H2、 CO 气体体积分数， ； a、 b 为常数； X 为初始瓦斯体积分数， 取值范围为 8.7～ 15。 H2、 CO 拟合函数的相关参数见表 2。 由图 3 可以看出，随着初始瓦斯体积分数的增 大， H2与 CO 的生成量逐渐的增大， 呈一次函数的关 系。H2的爆炸极限是 4.0～75.6， 由式 （2） 计算可 知， 当瓦斯的初始体积分数大于 8.7时就会有一定 量的 H2生成， 当瓦斯初始体积分数达到 11.7时爆 炸后产生的 H2就能达到爆炸下限 4， 此时环境中 O2为 1， 不易发生二次爆炸， 若有新鲜风流流过， O2量增加， 则会产生二次爆炸的危险。虽然 H2无毒 但是存在较大的爆炸风险。因此，在煤矿井下发生 瓦斯爆炸后要及时的监控 H2、 O2的体积分数，预防 二次爆炸的发生。 由式 （2 ） 计算可以得出 当初始瓦斯体积分数达 到 8.8时，就能产生 0.4的 CO，能致使人员在 图 3不同体积分数条件下瓦斯爆炸后 H2、 CO 的 体积分数变化曲线图 表 2H2、 CO 拟合函数的相关参数 ab相关度 H2 CO -11.393 2 -14.984 6 1.316 8 1.745 9 0.979 6 0.953 7 （a ） H2 （b） CO 3 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 y0XcWA相关度 N2 O2 CO2 CH4 47.977 1 164.614 8 -119.070 0 17.249 4 7.644 9 12.529 0 8.872 8 8.991 2 12.535 6 40.503 2 26.461 2 26.415 9 558.787 4 -8 316.543 0 4 272.056 7 -551.729 3 0.979 4 0.968 7 0.932 6 0.384 0 表 3N2、 O2、 CO2、 CH4拟合函数的相关参数 图 4不同体积分数条件下瓦斯爆炸后 N2、 O2、 CO2、 CH4的体积分数变化曲线图 20～30 min 中毒身亡，瓦斯初始体积分数大于 8.7 时就会有 H2、 CO 产生， 在一定程度上促进了瓦斯的 爆炸； CO 的爆炸极限是 13～75， 初始瓦斯爆炸体 积分数为 15时，爆炸后产生的 CO 体积分数最高 为 11.2， 不在 CO 爆炸极限范围内， 此时环境中 O2 体积分数几乎为 0。 根据试验数据分析，不同初始体积分数条件下 瓦斯爆炸后混合气体中 N2、 O2、 CO2、 CH4的体积分数 变化曲线如图 4。 爆炸后 N2、 O2、 CO2、 CH4气体体积分数拟合之后 得到函数如下 y3y0 （ A W （π 2 ） 1 2 ） exp （-2 （X-XC W ） 2） （3） 式中 y3为爆炸后 N2、 O2、 CO2、 CH4气体体积分 数， ； X 为初始瓦斯体积分数，取值范围为 5～ 15。 N2、 O2、 CO2、 CH4拟合函数的相关参数见表 3。 由图 4 （a） 分析可知， 随着初始瓦斯体积分数的 增大， 混合气体中的 N2的体积分数出现先增大后减 小的趋势， 主要是瓦斯爆炸后生成了水蒸气， 水蒸气 液化后， 致使气体总的体积量降低。 CH42O2→2H2OCO2Q（4 ） CN 2 VN 2 V0 （5 ） 式中 CN 2为 N2 体积分数， ； VN 2为混合气体中 N2的体积量， L； V0为混合气体的总体积量， L。 由式 （4 ） 可知， 瓦斯体积分数在 6～8时 O2量 充足随着瓦斯量的增加生成的水蒸气增多，致使气 体总体积量降低幅度逐渐增大， 由式 （5） 可知， 气体 总量减小， N2体积变化较小， 致使 N2的体积分数有 一定程度的增大； 随着混合气体中瓦斯量的增加， N2 所占的体积量要降低，而这种因素在实际的试验过 程中大于水蒸气液化的影响， 致使式 （5） 中的 N2体 积量降低速度大于气体总体积量降低速度，从而使 N2体积分数降低。 瓦斯爆炸后 O2的体积分数逐渐降低 （图 4 4 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines （b） ） ， 这说明在刚开始反应阶段瓦斯的体积分数较 低， 故能完全反应， 混合气体中有相当量的 O2剩余， 随着瓦斯体积分数的不断升高， O2的消耗量也逐渐 增多， 致使 O2的体积分数逐渐降低。 由反应式 （4） 可 知当瓦斯体积分数在爆炸下限 5时，有 10的 O2 参与反应， 而 5的瓦斯空气混合气体中 O2为（1- 5） 0.21≈20，爆炸后 O2体积分数近似为 10， 此时 O2消耗量最少， 剩余最多， 由图 4 （b） 发现试验 条件下瓦斯爆炸后 O2的体积分数也一直低于 10， 易造成人员窒息。 由图 4 （c） 分析可知随着初始瓦斯体积分数的 增加， CO2的体积分数出现先增后减的趋势， 主要是 因为 瓦斯爆炸在刚开始时 O2比较充分， 随着瓦斯 体积分数不断增大，生成的 CO2的体积分数也逐渐 增大， 初始瓦斯体积分数达到 9.2之后不完全反应 产生 CO， CO2的体积分数随之降低。 由图分析可知， 瓦斯爆炸后 CO2的体积分数处于 3.7～9.8之间， 产生的 CO2会影响人员生命安全，但不足以迅速致 人死亡。 瓦斯爆炸并不是一次性完成的，而是存在一定 的动态平衡，因此爆炸后气体中会有一部分的 CH4 残余。由图 4 （d） 可知， CH4的剩余量较少， 且受初始 瓦斯体积分数的影响不大， 基本维持在 1以下。 4结论 1） 初始瓦斯体积分数为 9.9时瓦斯爆炸的压力 最大， 为 0.933 MPa， 初始瓦斯体积分数为 9.2时爆 炸的压力上升速率最大， 为 39 MPa/s， 能对人体产 生较大超压危害。 2） 瓦斯爆炸后氮气体积分数随初始瓦斯体积分 数呈先增后减的趋势； 剩余低体积分数的 O2及产生 的 CO2会造成人员的窒息。 3） 初始体积分数为 8.7的瓦斯爆炸后就会有 H2和 CO 生成，并在 8.7～15之间呈现一次函数 增长。 4） 初始体积分数为 8.8就能产生 0.4的 CO, 30 min 内即可致人死亡；初始瓦斯体积分数达到 11.7时就能产生 4的 H2，此时 H2的体积分数达 到了爆炸下限； 初始瓦斯体积分数达到 15时产生 11.2的 CO， 不在爆炸极限以内， 且此时环境中 O2 体积分数几乎为 0。 参考文献 ［1］ LIANG Yuntao, ZENG Wen． Numerical study of the ef－ fect of water addition on gas explosion ［J］ ． Journal of Hazardous Materials, 2010,174 （1－3） 386－392． ［2］ 赵衡阳．气体和粉尘爆炸原理 ［M］ ．北京 北京理工大 学出版社， 1996 23－71． ［3］ 严传俊， 范玮．燃烧学 ［M］ ．西安 西北工业大学出版 社， 2005 48－55． ［4］ 周心权， 吴兵， 徐景德．煤矿井下瓦斯爆炸的基本特性 ［J］ ．中国煤炭， 2002 （9） 8－11． ［5］ 李润之， 司荣军．瓦斯浓度对爆炸压力及压力上升速 率影响 ［J］ ．西安科技大学学报， 2010， 30 （1） 29－33． ［6］ 司荣军， 李润之， 苏岱峰．煤尘云质量浓度对瓦斯爆炸 压力影响的试验研究 ［J］ ．安全与环境学报， 2018， 18 （5） 1796－1798． ［7］ 王海宾．甲烷爆炸冲击波对动物损伤研究 ［D］ ．太原 中北大学， 2015． ［8］ 刘永立， 陈海波．矿井瓦斯爆炸毒害气体传播规律 ［J］ ． 煤炭学报， 2009， 34 （6） 788－791． ［9］ 崔文创， 郭辉， 申鹏， 等．瓦斯爆炸事故有毒有害气体 传播规律研究及危险区域划分 ［J］ ．河南科学， 2012， 30 （9） 1319－1322． ［10］NIE Baisheng, YANG Longlong, GE Boqing, et al． Chemical kinetic characteristics of methane/air mixture explosion and its affecting factors ［J］ ． Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2017, 49 675. ［11］ 贾迎梅， 刘贞堂， 王从银， 等．瓦斯爆炸气体成分实验 研究 ［J］ ．煤炭技术， 2009， 28 （12） 78－81． ［12］ 陆守香， 何杰， 于春红， 等．水抑制瓦斯爆炸的机理研 究 ［J］ ．煤炭学报， 1998， 23 （4） 417－421． ［13］ 李增华， 林柏泉， 张兰君， 等．氢气的生成及对瓦斯爆 炸的影响 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2008 （2） 147. ［14］ 俞启香．矿井瓦斯防治 ［M］ ．徐州 中国矿业大学出版 社， 1992 147－159． ［15］ 贾宝山， 李春苗， 胡如霞， 等．CO、 H2混合气体对瓦斯 爆炸的协同作用机理研究 ［J］ ．世界科技研究与发 展， 2016， 38 （1） 35－39． 作者简介 贾泉升 （1991） ， 男， 河南郑州人， 煤炭科学 研究总院在读硕士研究生，主要从事气体粉尘爆炸防治技 术研究。 （收稿日期 2019-05-10； 责任编辑 王福厚） 5 ChaoXing