井下瓦斯爆炸爆源特征尺寸計算方法的分析

摘　要　井下瓦斯爆炸的爆源特征尺寸，是衡量井下瓦斯的 主要特征參數之一，不論是事故的防治，還是進行事故的調查、處理都要知道爆源的特征尺 寸。目前計算爆源特征尺寸的方法簡便易行，但其結果比實驗巷道的測試數據偏高。

　　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：V1——爆炸前的體積，m3；

V2——爆炸后的體積，m3；

T1——爆炸前的熱力學溫度，K；

T1=273+t1，t1為爆炸前的攝氏溫度，℃；

T2——爆炸后的熱力學溫度，K；

T2=273+t2，t2為爆炸后的攝氏溫度，℃。

　　設t1=27℃，t2=2027℃,則

T1=273+27=300K,T2=273+2027=2300K，

　　根據(1)式得：（略）

　　由上述計算可知，爆炸后的體積V2是爆炸前體積V1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V2只達到(3～5) V 1，由此可見，用(1)式計算爆炸后的體積V2比爆炸前的體積V1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：P2——爆炸后的壓力，MPa；

　　　　　P1——爆炸前的壓力，近似為0.1MPa；

　　　　　V2——爆炸后的體積，m3；

　　　　　V1——爆炸前的體積，m3；

　　　　　T2——爆炸后的熱力學溫度，K；

　　　　　T2=273+t2，t2為爆炸后的攝氏溫度，℃；

　　　　　T1——爆炸前的熱力學溫度，K；

　　　　　T1=273+t1，t1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，Nm4mol-2；

　　　　　　b——反映瓦斯分子體積的常量，m3mol-1；

在(2)式中，令a=0,b=0,則(2)式成為：（略）

　　在(3)式中，令P2=P1，則(3)式成為(1)式：

（略）

　　由上面推演可知，(2)式變為(1)式的條件有2個：(1)

a=0,b=0,(2)P2=P1；

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V2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V2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、V2的影響，二是令P2=P1，即不考慮P2比P1增大對V2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V1、V2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V2的影響不是主要因素。即令a=0,b=0不是對V2影響的主要原因。

　　(2) P2=P1。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P1增大是對V2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，瓦斯濃度9.5%，體積100m3，測得的 最大壓力為0.18MPa。據此測得的P2=0.18MPa，和前面所述的P1=0.1MPa，T 1=300K,T2=2300K代入(3)式得：（略）

　　由此可見，用(3)式計算的V2值比用(1)式計算的V2值更接近實際(實測V2=(3～ 5)V１)。

　　通過上面定性分析和定量計算可知，目前的方法計算V2值比實際偏高的主要原因是沒有考 慮到P2比P1大對V2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V2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P2是不同的。因此，用上面(4)式計算出的 V2值也是不同的，那么，目前我們說爆炸后的壓力P2比爆炸前的壓力P1升高多少；爆 炸后的體積V2比爆炸前的體積V1增大多少倍是以什么條件為標準呢?這一問題目前國 內 外尚無統一定論，不過，實驗分析和理論研究表明，瓦斯濃度為9.5%時，爆炸的化學反應最 完全，所以瓦斯濃度應取9.5%為標準，又因為瓦斯濃度取百分比濃度(即100m3中所含有的 瓦斯)，所以體積也應取100m3與之對應，即體積應以100m3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(瓦斯濃度及其體積)是標準的，所測得的P2值 ，計算得的V2值也是標準的，是能說明問題的。