井下瓦斯爆炸爆源特征尺寸计算方法的分析

摘　要　井下瓦斯爆炸的爆源特征尺寸，是衡量井下瓦斯的 主要特征参数之一，不论是事故的防治，还是进行事故的调查、处理都要知道爆源的特征尺 寸。目前计算爆源特征尺寸的方法简便易行，但其结果比实验巷道的测试数据偏高。

　　这个理 论计算值比实际测试值偏高的问题，是一个值得认真分析研究并加以解决的问题。

　　本文通过 定性分析和定量计算，找出了导致这一问题的主要原因，并给出了解决这一问题的方法。

　　关键词　瓦斯爆炸　爆源特征尺寸　计算　分析

　　1　前言

　　发生在煤矿井下的瓦斯爆炸事故是最严重的煤矿灾害，通常造成大量的人员伤亡和巨大的经 济损失，不论是事故的防治，还是进行事故的调查、处理都要了解和研究瓦斯爆炸发生的特 征参数。衡量煤矿井下瓦斯爆炸的特征参数有多种，但爆源的特征尺寸是主要的特征参数之 一。因此，准确地计算爆源特征尺寸，不仅在理论研究上有重要的应用价值，对采取具体措 施防治瓦斯爆炸事故，保证矿井安全生产也有着十分重要的意义。

　　2　目前爆源特征尺寸的计算方法及存在问题

　　爆源的特征尺寸，即井下积聚瓦斯空间的体积在爆炸后比爆炸前增大的倍数，目前是 根据下面关系式计算：（略）

　　式中：V1——爆炸前的体积，m3；

V2——爆炸后的体积，m3；

T1——爆炸前的热力学温度，K；

T1=273+t1，t1为爆炸前的摄氏温度，℃；

T2——爆炸后的热力学温度，K；

T2=273+t2，t2为爆炸后的摄氏温度，℃。

　　设t1=27℃，t2=2027℃,则

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

　　根据(1)式得：（略）

　　由上述计算可知，爆炸后的体积V2是爆炸前体积V1的7.7 倍，但实验巷道的测 试数据(以火焰锋面到达的位置为依据)通常小于上述计算值，一般V2只达到(3～5) V 1，由此可见，用(1)式计算爆炸后的体积V2比爆炸前的体积V1膨胀增大的倍 数比实验巷道测试的数据偏高，这个理论计算值比实际测试值偏高的问题 没有得到解决。下面将分析导致这一问题的主要原因。

　　3　原因分析及解决方法

　　井下空间的瓦斯气体，在爆炸前、后各参量的关系用下式表示：（略）

　　式中：P2——爆炸后的压力，MPa；

　　　　　P1——爆炸前的压力，近似为0.1MPa；

　　　　　V2——爆炸后的体积，m3；

　　　　　V1——爆炸前的体积，m3；

　　　　　T2——爆炸后的热力学温度，K；

　　　　　T2=273+t2，t2为爆炸后的摄氏温度，℃；

　　　　　T1——爆炸前的热力学温度，K；

　　　　　T1=273+t1，t1为爆炸前的摄氏温度，℃；

　　　　　n——积聚(爆炸)瓦斯的摩尔数，mol；

　　　　　a——反映瓦斯分子引力的常量，Nm4mol-2；

　　　　　　b——反映瓦斯分子体积的常量，m3mol-1；

在(2)式中，令a=0,b=0,则(2)式成为：（略）

　　在(3)式中，令P2=P1，则(3)式成为(1)式：

（略）

　　由上面推演可知，(2)式变为(1)式的条件有2个：(1)

a=0,b=0,(2)P2=P1；

不管瓦斯爆炸的过程如何复杂，但其爆炸前后的参量关系是满足(2)式的，因此， 用(2)式 来计算V2当然比用(1)式计算更符合实际，由(2)式成为(1)式的两个条件可知，用(1)式来 计算V2与实际偏高的原因也可能有2个：一是令a=0,b=0,即不考虑瓦斯气体常量a、b对V 1、V2的影响，二是令P2=P1，即不考虑P2比P1增大对V2的影响，根据井下瓦斯 爆炸的特征，结合分子物理学知识，对以上两个可能原因作如下分析：

　　(1) a=0，b=0。井下瓦斯爆炸的浓度一般为5%～16%，这样的浓度瓦斯分子之间的平均距离 是 较大的，瓦斯分子之间的引力以及瓦斯分子本身的体积对V1、V2的影响是很小的，加之 爆炸后温度又很高，所以，反映瓦斯分子之间引力的常量a,以及反映瓦斯分子体积的常量b 对V2的影响不是主要因素。即令a=0,b=0不是对V2影响的主要原因。

　　(2) P2=P1。瓦斯爆炸的过程是升温升压的过程，由(3)式可直观看出，爆炸后的压力P  2比爆炸前的压力P1增大是对V2影响的主要因素，对于这一点，可通过实验巷道测定的 数据进行定量计算加以验证。

　　根据国家有关部门在重庆实验巷道进行的爆炸实验，瓦斯浓度9.5%，体积100m3，测得的 最大压力为0.18MPa。据此测得的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）

　　由此可见，用(3)式计算的V2值比用(1)式计算的V2值更接近实际(实测V2=(3～ 5)V１)。

　　通过上面定性分析和定量计算可知，目前的方法计算V2值比实际偏高的主要原因是没有考 虑到P2比P1大对V2的影响。

　　明确了导致问题的原因后，解决问题的方法也就显而易见了，即在(1)式 的右边乘以一个修正系数（略），问题就解决了。这样 ，修正后计算V2的公式成为： （略）；

　　应当说明的是，井下瓦斯爆炸的浓度是一个较大的区间，正常条件下弱火源为5%～15% ，强 火源为2%～75%，其爆炸的体积也是大小不等的，少则几十立方米，多则几百立方米，在不 同的浓度、不同的体积下，爆炸后产生的压力P2是不同的。因此，用上面(4)式计算出的 V2值也是不同的，那么，目前我们说爆炸后的压力P2比爆炸前的压力P1升高多少；爆 炸后的体积V2比爆炸前的体积V1增大多少倍是以什么条件为标准呢?这一问题目前国 内 外尚无统一定论，不过，实验分析和理论研究表明，瓦斯浓度为9.5%时，爆炸的化学反应最 完全，所以瓦斯浓度应取9.5%为标准，又因为瓦斯浓度取百分比浓度(即100m3中所含有的 瓦斯)，所以体积也应取100m3与之对应，即体积应以100m3为标准，因此，上面定量验 证所取的重庆实验巷道爆炸实验的数据(瓦斯浓度及其体积)是标准的，所测得的P2值 ，计算得的V2值也是标准的，是能说明问题的。