瓦斯爆炸动力学特性及其对煤矿安全生产的影响

瓦斯爆炸动力学特性及其对煤矿安全生产的影响

王国辉1，2

    1 中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122 2 沈阳煤炭科学研究所有限公司，辽宁 沈阳 110011

摘要：本文深入探讨了瓦斯爆炸的动力学特性，并详细分析了这些特性对煤矿安全生产的影响。通过阐述瓦斯存在的化学原理及爆炸发生的条件，本文进一步揭示了瓦斯爆炸过程中的温度、压力及冲击波速度的变化规律。此外，还讨论了瓦斯爆炸所带来的严重危害，包括对矿井设施的破坏和对人员的潜在伤害，从而强调了煤矿安全生产中防范瓦斯爆炸的重要性。

关键词：瓦斯爆炸；动力学特性；煤矿安全；安全生产；爆炸危害

一、引言

在煤矿生产过程中，瓦斯爆炸是一项严重的安全隐患。瓦斯，主要由甲烷组成，其在特定的温度和压力条件下，与空气中的氧气混合后极易发生爆炸。因此，深入了解瓦斯爆炸的动力学特性，对于提升煤矿安全生产水平具有至关重要的意义[1]。

二、瓦斯存在的原理及爆炸条件

瓦斯主要源于煤层和煤系地层的厌氧菌分解作用，经过漫长的地质时代，大部分瓦斯已被释放，但仍有部分存留在煤层或岩层中。瓦斯的主要成分为甲烷，是一种无色、无味、可燃烧和爆炸的气体。当甲烷与空气混合达到一定的浓度范围（通常为5%-15%），并遇到足够的高温火源时，便会引发爆炸[2]。

三、瓦斯爆炸的动力学特性

瓦斯爆炸是一种热链式反应，其过程中会释放出巨大的能量。在爆炸瞬间，冲击波迅速传播，使得周围气体的温度和压力急剧上升。激波诱导的瓦斯爆炸过程中，温度和冲击波速度的变化呈现出复杂的动力学特性。初始阶段，混合气体在激波的作用下温度骤升，随后由于化学反应的吸热和放热过程，温度和冲击波速度会经历一个短暂的下降阶段，之后随着爆炸反应的进一步进行而再次上升[3]。

四、瓦斯爆炸对煤矿安全生产的影响

（一）瓦斯爆炸对矿井设施的毁灭性冲击

瓦斯爆炸所释放的能量巨大，其产生的高温高压气体对矿井设施构成毁灭性冲击。在爆炸瞬间，冲击波以惊人的速度传播，对矿井内的支撑结构、通风设备和电气系统造成严重的物理损害。矿井巷道可能在爆炸力的作用下发生坍塌，导致整个采矿作业区域的结构性破坏。通风系统可能因爆炸而受到严重损坏，进而影响井下空气流通，增加后续救援和恢复工作的难度。此外，电气系统也可能因爆炸而遭受破坏，引发火灾等次生灾害，进一步加剧矿井设施的损毁程度。

（二）煤尘扬起与二次爆炸的潜在风险

瓦斯爆炸过程中，强大的冲击波会扬起大量煤尘，这不仅降低了井下的能见度，给救援工作带来极大困难，而且扬起的煤尘还可能成为二次爆炸的燃料。煤尘与空气混合后，在一定条件下可能再次发生爆炸，其破坏力甚至可能超过初次爆炸。这种连锁反应式的爆炸对矿井安全构成了极大威胁，极大地增加了人员伤亡和设施损毁的风险。因此，在煤矿安全生产中，必须严格控制煤尘的产生和积聚，以防止二次爆炸的发生。

（三）有害气体释放与人员中毒的危险
瓦斯爆炸后，会产生大量有害气体，如一氧化碳、二氧化碳等。这些气体在井下有限的空间内迅速积聚，对井下人员的生命安全构成严重威胁。一氧化碳等有毒气体可导致人员中毒，轻者出现头晕、恶心等症状，重者可能昏迷甚至死亡。此外，爆炸产生的烟雾和有害气体还可能阻塞呼吸道，导致人员窒息。因此，在瓦斯爆炸发生后，必须迅速采取有效措施，如启动应急通风系统、佩戴化学氧自救器面罩，或防毒面具等，以确保人员安全撤离并减少有害气体对人员的伤害。

五、瓦斯爆炸的防范措施

（一）构建完备的瓦斯监测系统

在煤矿安全生产的诸多环节中，瓦斯监测系统的建立与完善显得尤为关键。瓦斯监测系统不仅要能够实时、精准地监测瓦斯浓度，还需具备迅速响应和高效预警的功能。通过布设高灵敏度的传感器网络，可以实现对矿井内各个关键区域的瓦斯浓度进行持续而精确的监控。这种监测系统的核心在于其数据采集与传输技术的先进性，以及后端数据分析与预警机制的智能化。数据的实时采集是瓦斯监测系统的基石[4]。通过在矿井的各个关键节点安装高精度瓦斯传感器，可以捕捉到瓦斯浓度的微妙变化，从而及时发现潜在的瓦斯积聚风险。这些传感器不仅具备高灵敏度，还能在恶劣的井下环境中保持稳定的性能。数据的传输与处理同样重要。采用先进的通信技术，可以确保监测数据能够实时、准确地传输到控制中心。在那里，专业的数据分析软件会对这些数据进行深入分析，一旦检测到瓦斯浓度超标，系统会立即触发预警机制，通知相关人员采取紧急措施。此外，瓦斯监测系统的智能化也是其高效运作的关键。通过引入人工智能技术，系统可以自动学习和识别瓦斯浓度的变化趋势，从而更准确地预测和防范瓦斯积聚的风险。这种智能化的瓦斯监测系统不仅提高了煤矿的安全生产水平，也为矿工的生命安全提供了有力保障[5]。

（二）严格执行矿井通风规定

矿井通风是预防瓦斯积聚、确保煤矿安全生产的重要措施。通风系统的设计与运行必须遵循科学严谨的原则，确保井下空气流通顺畅，有效降低瓦斯浓度。通风系统的布局应充分考虑矿井的地质条件和开采工艺，确保风流能够均匀分布到各个工作面。同时，应合理安排通风设备的运行时间和风量，以满足井下作业的需求。在实际操作中，应定期对通风设备进行维护保养，确保其处于良好的工作状态。此外，应加强对通风系统的监测与调控。通过实时监测风流速度、风量和瓦斯浓度等关键参数，及时调整通风策略，确保通风效果达到最佳状态。在紧急情况下，应迅速启动应急预案，采取有效措施保障人员安全撤离。

（三）强化井下火源管控

井下火源是引发瓦斯爆炸的重要因素之一。因此，强化井下火源管控对于预防瓦斯爆炸具有至关重要的意义。应建立健全火源管理制度，明确火源使用的规范与操作流程。在井下作业过程中，应严格控制火源的使用范围和时间，避免长时间或违规使用火源。同时，应加强对火源设备的检查与维护，确保其安全可靠。除了对火源的直接管控外，还应关注可能产生火花或高温的设备与操作。例如，对于电气设备应定期进行安全检查和维护保养，防止因设备故障引发火花；对于井下焊接、切割等高温作业应严格控制作业环境和操作流程，确保作业安全进行[6]。

六、结论

瓦斯爆炸的动力学特性及其对煤矿安全生产的影响不容忽视。通过深入研究瓦斯爆炸的机理和条件，我们可以更加有效地制定防范措施，提升煤矿的安全生产水平。煤矿企业应高度重视瓦斯爆炸的防范工作，确保人员和设备的安全，为煤炭行业的可持续发展奠定坚实基础。

参考文献

[1]朱广安,石志贤,蒋启鹏,等.富水冲击地压煤层区段煤柱等效宽度研究[J].煤矿安全,2023,54(07):19-25.

[2]贺永亮,王素萍,付玉平,等.基于多源信息融合的冲击地压风险预警与弱结构防治技术[J].煤矿安全,2023,54(07):78-84.

[3]郭明功,双海清,刘思博.基于散斑监测的抽采钻孔变形破坏特征试验研究[J].煤矿安全,2023,54(07):130-136.

[4]熊杰,马圣月,梁学敏,等.低阶煤着火前热行为的分段情景式研究[J].煤矿安全,2023,54(07):137-148.

[5]何帅印,齐金龙,周春山,等.金属离子(Na+、Ba2+、Ca2+)抑制煤中含氧官能团活性的量子化学研究[J].煤矿安全,2023,54(07):149-155.

[6]李啸然,陈昕.基于组合赋权的煤矿作业人员行为安全状态界定及评估研究[J].矿业科学学报,2023,8(02):256-264.