防止和隔绝煤尘爆炸

模块二 防止和隔绝煤尘爆炸

知识点 ◆熟知煤尘爆炸的必要条件; ◆熟识影响煤尘爆炸的因素； ◆陈述煤尘爆炸的主要特征 ◆熟知隔爆设施的位置、作用、隔爆机理、规格质量标准 技能点 ◆会编制预防煤尘爆炸的技术措施 ◆能进行煤尘爆炸性鉴定 任务导入

自然界有很多的固体物质在正常状态下是不燃烧或很难燃烧的。但是，当它们被破碎成微细粒状时就转变成易燃或爆炸性物质。例如:金属铝块是不可燃的，但铝粉则能燃烧，还可能爆炸；大块煤只能燃烧，但煤尘则可能爆炸。本任务重点学习煤尘爆炸的相关知识和防治与隔绝煤尘爆炸的技术措施。

相关知识

一、煤尘爆炸机理及特征 1. 煤尘爆炸的机理

煤尘爆炸是在高温或一定点火能的热源作用下，空气中氧气与煤尘急剧氧化的反应过程，是一种非常复杂的链式反应。一般认为其爆炸机理及过程如下：

1）煤本身是可燃物质，当它以粉末状态存在时，总表面积显著增加，吸氧和被氧化的能力大大增强，一旦遇见火源，氧化过程迅速展开；

2）当温度达到300～400℃时，煤的干馏现象急剧增强，放出大量的可燃性气体； 3）形成的可燃气体与空气混合在高温作用下吸收能量，在尘粒周围形成气体外壳，即活化中心，当活化中心的能量达到一定程度后，链反应过程开始，游离基迅速增加，发生了尘粒的闪燃；

4）闪燃所形成的热量传递给周围的尘粒，并使之参与链反应，导致燃烧过程急剧地循环进行，当燃烧不断加剧使火焰速度达到每秒数百米后，煤尘的燃烧便在一定临界条件下跳跃式地转变为爆炸。

2. 煤尘爆炸的特征

煤尘爆炸时的氧化反应主要是在气相内进行的。煤尘受热分解产生的可燃性气体的性质和数量在燃烧和传播过程中起着决定性的作用。反应速度很快时，固体尘粒表面也有氧化作用的发生。

一般来讲，煤尘爆炸有如下几个特征： 产生高温高压，形成正、反向冲击波；

煤尘的挥发分会减少，煤尘被焦化生成特有产物——“粘焦”； 煤尘爆炸有一定的感应期；

煤尘爆炸产生大量有害有毒气体；

煤尘爆炸有连续爆炸的特性。 1）产生高温高压

煤尘爆炸时可产生高温高压，当煤尘刚被点燃时，产生的火焰和冲击波同速传播，稍后冲击波加速超前，两者速度相差可达1000m／s左右。据测定，煤尘爆炸后火焰温度达1600℃～1900℃。但爆炸产生的热量可使爆炸地点温度超过2000℃。煤尘爆炸的理论压力为736kPa。但是，在有大量沉积煤尘的巷道中，如果煤尘发生连续爆炸，爆炸压力将随着离开爆源的距离的增加而跳跃式的增大。只要巷道中有煤尘，爆炸就不会停止，这种跳跃式增大就会持续发生，直到无煤尘，从而煤尘爆炸停止为止。另在巷道断面突变处和转弯处，爆炸压力还会有所增大。有数据表明，爆炸压力可达0.5MPa～1.0MPa.(煤尘爆炸平硐实验距爆源200m处测得)。煤尘爆炸后，产生的火焰和冲击波，会形成正向冲击波和反向冲击波。这两种冲击波，是导致煤尘连续爆炸发生的主要因素，也是产生危害的主要因素之一。 2）挥发分减少和生成粘焦

煤尘爆炸时煤尘中的挥发分会减少，也会生成特有的产物——“粘焦”。这是因为，煤尘爆炸时，煤尘中挥发分总量的40～70％，参与了氧化反应。实践中，往往根据这一数据来判定煤尘是否参与了爆炸。另外，煤尘爆炸时一部分煤尘被焦化粘结在一起，其在巷道壁上和支架上，形成了煤尘爆炸的特有产物——“粘焦”。这种特有产物是断定煤尘是否参与爆炸的重要标志。但是，值的说明的是，并不是所有的煤尘爆炸后都会产生“粘焦”，一般认为，只有气煤、肥煤、焦煤等粘结性煤的煤尘，发生爆炸时才能产生“粘焦”见图2-1-1（a）和（b）。

图2-1-1煤尘爆炸的标志―“粘焦”示意图

a―皮渣 ； b―粘块

“粘焦”的特征：

煤尘弱爆炸时，由于冲击波速度较慢，压力较小，所以，“粘焦”在支柱两侧都有生成的条件，“粘焦”附在支柱两侧，迎风侧较密（迎冲击波侧）；背风侧较疏（背冲击波侧）。

煤尘中等爆炸时，由于冲击波较快，冲击波压力较大，故支柱的背风侧不易生成“粘焦”，所以，“粘焦”附在支柱的迎风侧。

煤尘强爆炸时，由于冲击波速度特快，压力特大，所以，支柱的迎风侧反而不能粘附“粘焦”，背风侧由于负压区作用，会生成“粘焦”所以，“粘焦”附在支柱的背风侧，支柱的迎风侧往往有火烧的痕迹。

3）煤尘爆炸的感应期 煤尘爆炸和瓦斯爆炸一样，有一定的感应期。即煤尘开始受热分解到产生大量可燃性气体，再到发生煤尘爆炸所需的时间。这一时期的长短，主要取决于煤尘中挥发分含量的高低。一般来讲，煤尘中挥发分含量愈高，煤尘爆炸的感应期愈短。煤尘中挥发分含量愈低，煤尘爆炸的感应期愈长。根据大量现场实验认为，煤尘爆炸的感应期，一般大致在40～280ms

之间。

4）煤尘爆炸后的产物

煤尘爆炸后的产物以大量的有害有毒的气体为主，主要有：CO、CO2、CH4、H2、HCN等。井下发生煤尘爆炸后，井下空气中CO气体的浓度可达2％～3％，氧气不足时，CO气体的浓度甚至可达8％或更多。在氧气充足时则生成大量CO2。这两种气体在事故中造成大量的员工CO中毒和CO2窒息，空气中髙浓度的CO或CO2是造成大量人员伤亡的主要因素。

5）煤尘爆炸有连续性

煤尘爆炸还有其连续爆炸的特性。这是因为，煤尘爆炸发生后伴生两种冲击：其一，在高温作用下，空气向外扩散，形成正向冲击波，即正向冲击；其二，爆炸发生地空气受热膨胀，密度减少，瞬时形成负压区。在气压差的作用下，空气向爆源地逆流，形成反向冲击波，俗称“返回风”，即反向冲击。若该区仍存在可以爆炸的煤尘和热源，或者“反回风”带来煤尘，遇到爆源地的热源，就会因空气的补给而发生再一次的爆炸。如此反复直到爆完煤尘为止。这是“返回风”引起的连续爆炸。而正向冲击及冲击波因其速度快，先行将巷道中的落尘扬起，使巷道中的浮尘浓度迅速达到爆炸范围，紧随其后的火焰到达时正好点燃煤尘，引起煤尘爆炸。如此不断反复扩大，形成连续爆炸。连续爆炸发生的过程中，往往再次爆炸前的初压较大于大气压，所以，爆炸后会产生更大的压力，这样，破坏力会不断逐渐加大，从而形成爆炸范围不断增大，同时破坏力不断增大的可怕局面。所以，有煤尘爆炸危险性的矿井，必须采取防止煤尘爆炸传播的措施。一般基本防煤尘爆炸传播的措施有，撒布岩粉，设置隔爆装置。例如：水棚、岩水棚，从而防止煤尘连续爆炸的发生。

二、煤尘爆炸的条件及影响因素 １．煤尘爆炸的必要条件

煤尘爆炸必须同时具备三个条件：煤尘本身具有爆炸性；煤尘必须悬浮在空气中并达到一定浓度；有能引燃煤尘爆炸的高温热源存在。

１）煤尘的爆炸性

悬浮在空气中的煤尘在一定浓度范围内，如果有充足的氧气（>17％），遇到明火便会发生燃烧或爆炸，我们称其为煤尘的爆炸性。不同的煤种形成不同种类的煤尘。同一种类的煤尘在不同条件下性质也不同。并不是所有的煤尘都具有爆炸性。煤尘有无爆炸性，必须经过由国家授权的单位进行鉴定。《煤矿安全规程》规定：新矿井的地质精查报告中，必须有所有煤层的煤尘爆炸性鉴定资料。生产矿井每延深一个新水平，应进行一次煤尘爆炸性试验工作。以便对煤尘爆炸的性能准确定性。

２）悬浮煤尘的浓度

煤矿井下空气中，只有悬浮的煤尘浓度在爆炸范围内时，才可能发生煤尘爆炸事故。单位体积空气中，能够发生煤尘爆炸的最低煤尘浓度和最高煤尘浓度，称为煤尘爆炸的下限浓度和上限浓度。低于下限浓度或高于上限浓度的煤尘都不会发生爆炸。煤尘爆炸的浓度范围与煤的成分、粒度、引火源的种类、温度、空气中的成分等试验条件有关。一般认为，煤尘

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爆炸的下限浓度为30g/m～50g/m,上限浓度为1000g/m～2000g/m．一般情况下，煤矿井下

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煤尘的悬浮浓度是达不到煤尘爆炸下限的。即使是干式打眼时，煤尘浓度为500mg/m 左右。

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放炮落煤时，采煤工作面的煤尘悬浮浓度为400mg/m～600mg/m 。机械落煤时，煤尘悬浮

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浓度最高达到8888mg/m。所以，在实际工作中，防煤尘爆炸，主要是防落尘适时起飞（冲击波冲击），并因而形成煤尘爆炸条件之一。所以，落尘的危害性是不容忽视的，在生产实际中，必须严格防控落尘，严格按《煤矿安全规程》的要求，严格执行防落尘的措施。

３）引燃煤尘爆炸的高温热源

煤尘的引燃温度变化范围较大，根据不同的实验条件测试出最低为610℃～1050℃。矿井中可以引燃煤尘爆炸的热源有：爆破时出现的火焰、电器设备的电火花、电缆和架线上的

电弧、各种机械工作时出现的强摩擦和冲击火花、安全灯火焰、井下火灾和明火，瓦斯爆炸等。

２．煤尘爆炸的影响因素

煤尘成分复杂，影响其爆炸的因素很多，一般认为有如下几个因素。 １）煤的挥发分

煤的挥发分对煤尘爆炸的发生发展有着十分重要的作用。理论和实践都证明，挥发分含量越高的煤，其煤尘越易爆炸。挥发份含量的高低取决于煤的种类。贫煤、焦煤、肥煤、气肥煤、长焰煤、褐煤，它们的挥发分含量是依次增高的。试验证明它们的煤尘爆炸危险性也是依次增强的。无烟煤在各种煤种中挥发分含量最低，其煤尘基本上无爆炸危险。过去认为，挥发含量小于10％时，煤尘即无爆炸危险性。但必须指出，由于煤的成分很复杂，同类煤的挥发分的成分含量是不一样的，所以，挥发分含量不能作为确定煤尘有无爆炸危险性的唯一依据。实际中，发现少数挥发分小于10％的煤，其煤尘仍有爆炸危险性。因此，《煤矿安全规程》规定，必须由有资质的单位，通过煤尘爆炸性试验来确定该煤层的煤尘有无煤尘爆炸危险性。

２）煤尘的粒度

粒度在0.75mm以下的煤尘都能参与煤尘爆炸，而粒度小于75μm的煤尘爆炸危险性更大。总之，粒度越大，煤尘的爆炸越弱，粒度越小，煤尘爆炸性越强。特别是粒度低于75μm时，这种性质表现的更为明显。

３）煤尘浓度

煤尘的浓度是决定煤尘能否爆炸的一个重要因素。煤尘浓度过髙或过低时，煤尘是不可能发生爆炸的，只有在合适的范围内才可能发生煤尘爆炸事故。一般认为，煤尘浓度为

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300g/m～400g/m时，爆炸强度最高。煤尘浓度在30～40g/m～2000g/m之间，皆可能发生爆炸。

４）矿井沼气

矿井沼气的存在，在一定程度上降低了煤尘爆炸的浓度下限。一般认为，挥发分较高的煤尘在无沼气时可以单独爆炸，中等挥发份含量的煤尘则单独不易爆炸。矿井沼气对挥发份含量不同的煤尘，其影响程度也不同。挥发份含量愈高，则煤尘爆炸的浓度下限和矿井沼气的浓度下限则会更低一些。反之，则会要求矿井中沼气达到一定浓度。

５）水分

煤尘中的水分能吸收大量的热能，使得温度不能迅速升髙，从而使链反应缓慢，甚至中断链反应，还可以增加煤尘的粘结性，从而促使煤尘聚集，从而使煤尘粒度增大，从而使部分浮尘转为落尘，因此，降低了空气中悬浮的煤尘的浓度，同时还可以降低落尘的飞扬能力，使其不易转化为浮尘。所以，总的来讲水分能降低煤尘爆炸的危险性。

６）灰分

煤尘中的灰分是不可燃物质。它能吸收热能，阻挡热辐射，并破坏链反应，空气中大量悬浮灰分尘粒，还可以相对降低煤尘在空气中的浓度，使煤尘在空气中的悬浮浓度不能达到煤尘爆炸的浓度要求，从而降低了煤尘爆炸的危险性。

7）空气中氧的含量

空气中氧的含量高时，点燃煤尘的温度可以降低，氧的含量低时，点燃煤尘云困难，当氧含量低于17％时，煤尘就不再爆炸。煤尘的爆炸压力也随空气中含氧的多少而不同。含氧高，爆炸压力高，含氧低，爆炸压力低。

三、煤尘爆炸性的鉴定

《煤矿安全规程》第151条规定：新矿井的地质精查报告中，必须有所有煤层的煤尘爆炸性鉴定资料。生产矿井每延深一个新水平，应进行1次煤尘爆炸性试验。煤尘的爆炸性由

国家授权单位进行鉴定，鉴定结果必须报煤矿安全监察机构备案。煤矿企业应根据鉴定结果采取相应的安全措施。

煤尘爆炸性的鉴定方法有两种：一种是在大型煤尘爆炸试验巷道中进行，这种方法比较准确可靠，但工作繁重复杂，所以一般作为标准鉴定用；另一种是在实验室内使用大管状煤尘爆炸性鉴定仪进行，方法简便，目前多采用这种方法。

大管状煤尘爆炸性鉴定仪如图2-1-2所示，它的主要部件有：内径为75mm～80mm的燃烧管1，其为长1400mm的硬质玻璃管，一端经弯管与排尘箱8连接，在另一端距入口400mm处径向对开的两个小孔装入铂丝加热器2，其为长110mm的中空细瓷管(内径1.5mm、外径3.6mm)，管外缠有直径0.3mm的铂丝；铂丝两端由燃烧管的小孔引出，接在变压器上；铂铑热电偶10，它的两端接铜导线构成冷接点置于冷瓶3中，然后连接高温计4以测量火源温度；铜制试料管5，其长100mm、内径9.5mm，通过导管6与电磁气筒7连接。排尘管内装

图2-1-2 煤尘爆炸性鉴定仪示意图

1—燃烧管；2—铂丝加热器；3一冷瓶；4一高温计；5一试料管； 6—导管；7一电磁气筒；8—排尘箱；9—小风机；10—铂铑热电偶；

11一铂丝

有滤尘板，并与小风机9连接。

试验的程序是：将经粉碎后全部通过75μm筛孔的煤样在105℃温度时烘干2h，称量1g尘样放在试料管内；接通加热器电源，调节可变电阻只将加热器的温度升至1100±5℃；打开打气筒的电路开关，活塞动作使煤尘试样呈雾状喷入燃烧管，此时，操作人员观察燃烧管中煤尘的燃烧或爆炸状态，最后，开动小风机进行排烟。

煤尘在燃烧管内遇到加热器时可以出现以下现象：加热器上只出现稀少的火星或根本没有火星，这是微弱燃烧或不燃烧的表现，表明该煤尘无爆炸危险。

火焰在燃烧管内向加热器两侧以连续或不连续的形式在晨雾中缓慢地蔓延，这是爆炸性微弱的表现，表明该煤尘属于有爆炸危险的煤尘。

火焰在管内向加热器两侧极快地蔓延，甚至火焰冲出燃烧管外，有时还会听到爆炸的冲击气声浪，这是强烈爆炸现象，表明该煤尘为有强烈爆炸危险的煤尘。

值得注意的是，在煤尘爆炸性试验中必须遵循如下规则： 同一试样应重复进行5次试验，其中只要有一次出现燃烧火焰，就定该煤尘为有爆炸危险煤尘。

在5次试验中全部都没有出现火焰或只有稀少火星，必须重做5次，一共10次全部没有燃烧火焰或只有稀少火星，才可断定该煤尘为无爆炸危险的煤尘。

重做时，只要有一次发现火星多或有燃烧火焰，仍认为该煤尘为有爆炸危险的煤尘。对有爆炸危险的煤尘，还可以进行预防煤尘爆炸所需岩粉量的测定。具体做法是，不断地将岩粉按不同比例与煤尘均匀混合，制成不同的混合试样，用上述方法分别测定其爆炸性，直到

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