改进的USBM法判断气体爆炸性

李淑敏

(阳泉煤业(集团)有限责任公司技术中心)

改进的USBM法判断气体爆炸性

李淑敏

(阳泉煤业(集团)有限责任公司技术中心)

判断煤矿井下封闭的火区或因开采结束密闭采空区内混合气体的可爆炸性一直是影响煤矿安全生产的关键问题。近年来，因这些区域管理不善而造成的爆炸事故导致人员伤亡和财产损失的屡见不鲜。为快速准确地判定混合气体的爆炸性，USBM(美国矿业局)作了广泛的研究并形成了独特的判断法，然而在实践过程中，该法也存在着判定气体种类单一、误判的不足。为此，提出了相应的改进方法，并通过实例进行了可靠性交叉验证。结果表明，改进后的USBM法更为可靠，具有良好的推广前景。

USBM爆炸绘图 混合气体 气体爆炸性 判定 改进

阳泉矿区是我国著名的高瓦斯矿区，区内的煤矿开采深受瓦斯的影响。如2002年7月15日在大阳泉煤矿掘进工作面施工中发生一起瓦斯爆炸事故，共有14人遇难；2004年12月9日的盂县大贤煤矿瓦斯爆炸，共造成33名矿工死亡。无论从煤矿安全生产的日常管理，还是便于事故后救援，及时准确判断井下混合气体的可爆炸性，有目的的采取防护或救灾手段，对于保障人员的生命安全及生产的顺利进行都是必须且必要的。

长期以来，许多学者从不同的角度进行了气体爆炸性的研究[1-5]。目前，在众多的方法中，美国矿业局发明的USBM法是最为常用的方法之一，然而现场实践应用当中，这种方法也存在一定的不足之处。为此，本文对其提出了相应的改进方法。

1 USBM爆炸性判定方法简介

Zabetakis在总结大量实验数据的基础上，提出了USBM爆炸绘图方法确定煤矿混合气体爆炸性能[6-10]，如图1所示。USBM方法由3部分区域构成，以R=1.0所示区域为例(R值表示混合气体的组分状况)：①在R=1.0区域内为爆炸性区域，说明混合气体具有爆炸性，是极其危险区域；②位于R=1.0之外和对应的粗黑色线之下为非爆炸性区域，需要注意的是若有更多的混合气体混入，则可能导致组分点将向爆炸区域方向移动，从而变为可爆炸性气体；③位于R=1.0之外和对应的粗黑色线之上的区域同样是非爆炸性区域，这一区域的特征是：若有更多的空气混入，会导致混合气体的组分点向爆炸区域移动，从而具有爆炸危险性。

图1 USBM爆炸性绘图方法

USBM爆炸绘图方法判定混合气体爆炸性能的步骤为[6]：

(1)确定混合气体的组分状况，选定相应的爆炸区域。利用式(1)计算R值：

(1)

式中，φ(CH4)、φ(CO)、φ(H2)分别为相应化学气体的体积浓度。下同。

实质上，R表示了CH4在混合有机气体中的体积百分比。利用R值，同时参照图1可以画出对应任意R值的爆炸区域。

(2)计算混合气体中的富余氮气量。

φ(Nex)=φ(N2)-3.8φ(O2) ，

(2)

式中，系数3.8为在正常空气中氮气和氧气的体积比值。

(3)计算有效惰性气体量。

InertEff.=φ(Nex)+1.5φ(CO2) .

(3)

(4)计算有效可燃气体量。

CombEff.=

φ(CH4)+1.25φ(H2)+0.4φ(CO) .

(4)

根据有效惰性气体量及有效可燃气体量，混合气体组分点可以在USBM爆炸图中标示出来，根据组分点和第一步中确定的爆炸区域的相对位置关系，可以判定混合气体的爆炸性。

2 方法的改进

2.1 火区常见可燃易爆气体讨论

上述混合气体爆炸性鉴定的方法中，只考虑了3种可燃气体(甲烷(CH4),一氧化碳(CO)，氢气(H2))，而在实际煤矿井下还存在如下情况。

(1)回采结束正常封闭的采空区，其气体成分主要是甲烷的，可只考虑CH4一种气体。由于上下邻近层及遗煤瓦斯的不断涌出，其浓度由封闭初期的不到1%逐渐上升到5%～16%的危险区，然后进一步上升越过危险区，稳定在20%～30%。

(2)由于煤炭氧化、自燃等情况的存在，密闭区域中的气体成分由两种成分构成。大气气体成分主要有氮气、氩气、氧气以及二氧化碳，由于火区中化学作用等情况而产生的副产品气体成分主要有：一氧化碳，氢气，烷属烃气体(CnH2n+2),烯属烃气体(CnH2n)和炔属烃气体(CnH2n-2)以及二氧化碳。

(3)由于矿井发生了瓦斯或粉尘爆炸等突发性事故后进行封闭的区域，混合气体的大气成分中大量存在CO，CO2等爆炸化学反应产生的气体，以及部分由于煤尘爆炸氧化而产生的其他类型有机气体。

由此可见，煤矿井下大气环境中的气体种类远非仅仅上述3种所能概括，为使爆炸三角形方法更为精确，则需要考虑火区中更多种类的常见可燃气体。故基于上述考虑，为使判定火区密闭内混合气体爆炸能力的结果更为精确，以下几种可燃可爆有机气体应该予以考虑到判定方法中：甲烷(CH4)，氢气(H2)，一氧化碳(CO)，乙烯(C2H4)，乙烷(C2H6)，丙烯(C3H6)，丙烷(C3H8)以及乙炔(C2H2)。尽管这些气体总的体积百分比可能是一个很小的量值，但是它们的存在与否将会对爆炸三角形的形状、位置产生极大的影响。

2.2 对USBM法进行校正

将式(1)进行修正：

(5)

利用式(4)计算“有效可燃气体量”时，系数1.25和0.4为基准，转化H2和CO相对于CH4的爆炸限值转化因子，确定其他有机气体的转化因子，则式(4)可调整为：

φ=φ(CH4)+1.25φ(H2)+0.4φ(CO)+1.85φ(C2H4)+φ(C3H6)+2φ(C2H2)+0.33φ(C3H8)+1.67φ(C2H6) ,

(6)

式中，φ为有效可燃气体量。

3 应用实例与交叉验证

3.1 实例验证

某矿井发生火灾后，对火区进行了及时的封闭，通过与火区相连的取样孔进行了连续取样观测，表1显示了在火区封闭后85 h内的气样观测结果。利用改进的USBM方法，绘制了连续火区气体状态及其爆炸性跟踪图，如图2所示。

表1 各种可燃气体爆炸限值 (体积百分比)

图2 改进的USBM法绘制的火区气体变化用于连续追踪火区气体爆炸状态

3.2 结果讨论

改进后的USBM爆炸三角形，由于考虑了更多的可燃气体，比原有的爆炸三角形范围有所扩大。利用表1的原始数据，绘制出图2追踪火区混合气体的爆炸性图，分析混合气体状态点与爆炸三角形的位置关系，将判定结果列于表1中。火区气体内的爆炸特性呈现波动状态，表现出最初具有爆炸性到不具有爆炸性再回到爆炸区域以及最后彻底离开爆炸区域。根据表2列出的爆炸性判定结果，将取样数据分为4组，编号为1～4。第1组组分点均位于爆炸区域内，随后由于N2浓度的升高，O2及其他有机气体浓度降低;第2组的组分点逐渐运动出爆炸区域，需要注意的是，此时混合气体虽然已没有爆炸性，但是仍处于危险区域，即若继续混入爆炸性气体，则有可能再次返回爆炸区域,表2中第3组数据状态则证明了这一点，正是由于CH4浓度的突然升高，混合气体再次返回爆炸区域具有爆炸性。然而最终在连续注氮的情况下，混合气体组分点再次运动出爆炸区域而进入到“绝对安全区域”，不再具有任何爆炸性。

4 结 论

简要介绍USBM这一常用的判定混合气体爆炸性的方法，分析其不足之处及相应的改进；通过一个火区实测数据的应用，交叉验证了改进方法的精确度，结果表明，改进的USBM法在判定结果上具有较高的一致性，在火区救灾过程中具有一定的指导意义。

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Judgment of Gas Explosive Characteristics Based on Improved USBM Method

Li Shumin

(Technical Center, Yangquan Coal Industry(Group)Co., Ltd.)

The judgment of the closed fire zones in coal mine or the explosive characteristics of the mixed gas which existed in the sealed goaf at the end of mining is the key question that influence the safety of coal mines. In recent years, the explosion accidents that casued by the poor management of these areas lead to a large number of casualities and property losses. In order to judge the explosive characteristics accurately, the unique judgment method is proposed by unites states of bureau of mines(USBM). However, the USBM judgment method has the insufficient of single judgment gas species and misjudgment. Therefore, the relative improved judement method is proposed, and it is conducted cross validation of reliability based on some examples. The results show that, the relability of the improved USBM method is superior than the original one, and it has good promotion prospects.

Explosion drawing of USBM, Mixed gas, Explosive characteristics, Judgment, Improve

2014-09-11)

李淑敏(1982—),女，科长，工程师,045000 山西省阳泉市北大街5号。