井下瓦斯爆炸爆源特征尺寸計算方法的分析
這個理 論計算值比實際測試值偏高的問題,是一個值得認真分析研究并加以解決的問題。
本文通過 定性分析和定量計算,找出了導致這一問題的主要原因,并給出了解決這一問題的方法。
關鍵詞 瓦斯爆炸 爆源特征尺寸 計算 分析
1 前言
發(fā)生在煤礦井下的瓦斯爆炸事故是最嚴重的煤礦災害,通常造成大量的人員傷亡和巨大的經 濟損失,不論是事故的防治,還是進行事故的調查、處理都要了解和研究瓦斯爆炸發(fā)生的特 征參數。衡量煤礦井下瓦斯爆炸的特征參數有多種,但爆源的特征尺寸是主要的特征參數之 一。因此,準確地計算爆源特征尺寸,不僅在理論研究上有重要的應用價值,對采取具體措 施防治瓦斯爆炸事故,保證礦井安全生產也有著十分重要的意義。
2 目前爆源特征尺寸的計算方法及存在問題
爆源的特征尺寸,即井下積聚瓦斯空間的體積在爆炸后比爆炸前增大的倍數,目前是 根據下面關系式計算:(略)
式中:V1——爆炸前的體積,m3;
V2——爆炸后的體積,m3;
T1——爆炸前的熱力學溫度,K;
T1=273+t1,t1為爆炸前的攝氏溫度,℃;
T2——爆炸后的熱力學溫度,K;
T2=273+t2,t2為爆炸后的攝氏溫度,℃。
設t1=27℃,t2=2027℃,則
T1=273+27=300K,T2=273+2027=2300K,
根據(1)式得:(略)
由上述計算可知,爆炸后的體積V2是爆炸前體積V1的7.7 倍,但實驗巷道的測 試數據(以火焰鋒面到達的位置為依據)通常小于上述計算值,一般V2只達到(3~5) V 1,由此可見,用(1)式計算爆炸后的體積V2比爆炸前的體積V1膨脹增大的倍 數比實驗巷道測試的數據偏高,這個理論計算值比實際測試值偏高的問題 沒有得到解決。下面將分析導致這一問題的主要原因。
3 原因分析及解決方法
井下空間的瓦斯氣體,在爆炸前、后各參量的關系用下式表示:(略)
式中:P2——爆炸后的壓力,MPa;
P1——爆炸前的壓力,近似為0.1MPa;
V2——爆炸后的體積,m3;
V1——爆炸前的體積,m3;
T2——爆炸后的熱力學溫度,K;
T2=273+t2,t2為爆炸后的攝氏溫度,℃;
T1——爆炸前的熱力學溫度,K;
T1=273+t1,t1為爆炸前的攝氏溫度,℃;
n——積聚(爆炸)瓦斯的摩爾數,mol;
a——反映瓦斯分子引力的常量,Nm4mol-2;
b——反映瓦斯分子體積的常量,m3mol-1;
在(2)式中,令a=0,b=0,則(2)式成為:(略)
在(3)式中,令P2=P1,則(3)式成為(1)式:
(略)
由上面推演可知,(2)式變?yōu)?1)式的條件有2個:(1)
a=0,b=0,(2)P2=P1;
不管瓦斯爆炸的過程如何復雜,但其爆炸前后的參量關系是滿足(2)式的,因此, 用(2)式 來計算V2當然比用(1)式計算更符合實際,由(2)式成為(1)式的兩個條件可知,用(1)式來 計算V2與實際偏高的原因也可能有2個:一是令a=0,b=0,即不考慮瓦斯氣體常量a、b對V 1、V2的影響,二是令P2=P1,即不考慮P2比P1增大對V2的影響,根據井下瓦斯 爆炸的特征,結合分子物理學知識,對以上兩個可能原因作如下分析:
(1) a=0,b=0。井下瓦斯爆炸的濃度一般為5%~16%,這樣的濃度瓦斯分子之間的平均距離 是 較大的,瓦斯分子之間的引力以及瓦斯分子本身的體積對V1、V2的影響是很小的,加之 爆炸后溫度又很高,所以,反映瓦斯分子之間引力的常量a,以及反映瓦斯分子體積的常量b 對V2的影響不是主要因素。即令a=0,b=0不是對V2影響的主要原因。
(2) P2=P1。瓦斯爆炸的過程是升溫升壓的過程,由(3)式可直觀看出,爆炸后的壓力P 2比爆炸前的壓力P1增大是對V2影響的主要因素,對于這一點,可通過實驗巷道測定的 數據進行定量計算加以驗證。
根據國家有關部門在重慶實驗巷道進行的爆炸實驗,瓦斯?jié)舛?.5%,體積100m3,測得的 最大壓力為0.18MPa。據此測得的P2=0.18MPa,和前面所述的P1=0.1MPa,T 1=300K,T2=2300K代入(3)式得:(略)
由此可見,用(3)式計算的V2值比用(1)式計算的V2值更接近實際(實測V2=(3~ 5)V1)。
通過上面定性分析和定量計算可知,目前的方法計算V2值比實際偏高的主要原因是沒有考 慮到P2比P1大對V2的影響。
明確了導致問題的原因后,解決問題的方法也就顯而易見了,即在(1)式 的右邊乘以一個修正系數(略),問題就解決了。這樣 ,修正后計算V2的公式成為: (略);
應當說明的是,井下瓦斯爆炸的濃度是一個較大的區(qū)間,正常條件下弱火源為5%~15% ,強 火源為2%~75%,其爆炸的體積也是大小不等的,少則幾十立方米,多則幾百立方米,在不 同的濃度、不同的體積下,爆炸后產生的壓力P2是不同的。因此,用上面(4)式計算出的 V2值也是不同的,那么,目前我們說爆炸后的壓力P2比爆炸前的壓力P1升高多少;爆 炸后的體積V2比爆炸前的體積V1增大多少倍是以什么條件為標準呢?這一問題目前國 內 外尚無統(tǒng)一定論,不過,實驗分析和理論研究表明,瓦斯?jié)舛葹?.5%時,爆炸的化學反應最 完全,所以瓦斯?jié)舛葢?.5%為標準,又因為瓦斯?jié)舛热“俜直葷舛?即100m3中所含有的 瓦斯),所以體積也應取100m3與之對應,即體積應以100m3為標準,因此,上面定量驗 證所取的重慶實驗巷道爆炸實驗的數據(瓦斯?jié)舛燃捌潴w積)是標準的,所測得的P2值 ,計算得的V2值也是標準的,是能說明問題的。