水系抑制剂在瓦斯爆炸中的实验研究

关键词：煤与瓦斯突出；瓦斯爆炸；瓦斯爆炸抑制剂；超细水雾 

中图分类号: td 353 

experimental study of the water system inhibitors in a gas explosion 

zhang junhu 

(sha qu coal mine ofhua jin coal limited liability company,shanxi lvliang 033300) 

abstract: the shaqu mine is high gas and coal and gas outburs, gas disaster prevention is a long-term exploration, by gas explosion experiments to study the water system inhibitors, provide a reliable theoretical basis for the gas disaster prevention technology, thereby increasing the effectiveness of the coal mine gas disaster prevention measures. 

keywords: coal and gas outburst; gas explosion ; gas explosion inhibitor ; water mist 

沙曲矿为高瓦斯且为煤与瓦斯突出矿井，4#煤层瓦斯含量比较高。3#+4#煤与5#煤层距离较近，在回采期间，瓦斯涌出量除来自本煤层外，还有来自邻近5#煤层及围岩中的瓦斯沿裂隙逸散到工作面，造成工作面瓦斯浓度增大。在遇小型构造附近、煤层产状、煤层厚度变化较大的地段以及煤层受地质应力作用变软或煤层结构遭到破坏的地段，工作面瞬间瓦斯浓度会增大，将给安全生产带来严重隐患。 

1．24207综采工作面概况 

沙曲矿属高瓦斯且具有煤与瓦斯突出危险的矿井（见表1），2004年11月8日正式投产，投产初期全矿井绝对瓦斯涌出量为153.05m3/min；2005年度瓦斯等级鉴定结果：矿井绝对瓦斯涌出量225.15m3/min，2006年全矿井绝对瓦斯涌出量为306m3/min,2007年矿井绝对瓦斯涌出量达为344.43m3/min，2008年矿井绝对瓦斯涌出量达到421.92m3/min。随着矿井开采深度及采掘工作面个数的增加，瓦斯涌出量逐年上升（见表2），瓦斯问题成为制约生产和威胁矿井安全的主要因素。 

表1 沙曲矿部分煤层鉴定情况表 

 

表2 沙曲矿2004年—2008年产量与瓦斯涌出量对应表 

 

2．水系抑制剂控制瓦斯爆炸的实验研究 

2.1 抑爆剂的选择 

（1）抑爆剂的选定 

水系抑制剂在选择抑爆剂时除了要遵循一般原则外，还有以下两点要求： 

① 爆剂具有良好的水溶性，易于溶解在水中； 

② 在抑爆剂溶于水后水溶液为中性或者弱酸碱性，对人的身体不会产生健康隐患。 

因此经过考虑并借鉴前人对抑爆剂的研究，主要选择nahco3、nacl、kcl三种化合物作为抑爆剂分别形成相应的水系抑制剂供实验时使用。 

（2）nahco3、nacl、kcl的基本性质 

① nahco3俗名小苏打，为白色晶体，无臭、味咸、易溶于水，水溶液呈弱碱性；受热容易发生分解； 

② nacl是食盐的主要成分，为无色透明的立方晶体，含有杂质时为白色立方晶体或细小的结晶粉末，味咸，易溶于水，水溶液呈中性ph值呈中性； 

③ kcl为无色立方晶体，结晶体呈长柱状，易溶于水，稍溶于甘油，微溶于乙醇，不溶于乙醚和丙酮，可由光卤石加热熔化后分出。 

2.2 实验条件及过程 

（1）实验时的基本条件 

实验时经过测定，实验室的环境温度在19℃～22℃之间变化，湿度在70～85％之间变化，超细水雾的水温约为19℃，实验基本参数见下表3： 

表3 实验基本参数表 

 

（2）配制水溶液 

实验用的nahco3、nacl、kcl 均为分析纯，含量≥99.8%。用来配制抑爆剂水溶液的清水的水温经测定约为19℃，nahco3、nacl、kcl 三种物质在20℃水中的溶解度见表4。 

表4 20℃时nahco3、nacl、kcl的溶解度 

 

称取nahco3 粉末27.3g 缓慢加入到300ml 的清水中，在加入的过程中不断的用玻璃棒搅动使之能够快速溶解形成nahco3 饱和溶液，溶液的质量百分数为8.34%。采取同样的步骤分别配制质量百分数为8.34%的nacl 和kcl 溶液，以及15.4%的nacl 和kcl 溶液。 

（3）爆炸环境的形成 

由于超细水雾是通过雾化器内的小型风机形成的微风吹入实验管道的，为了确保能在实验管道内形成较为稳定的“瓦斯—空气”混合气体，采取了先通超细水雾再通甲烷气体的方法。在向实验管道中通入一定量的超细水雾后，再以200ml/min 的速率通入甲烷气体，通过控制时间使管道内形成甲烷体积百分数约为9.5%的烷空混合气体。 

（4）爆炸混合气组分的测定 

在点火引爆烷空混合气之前先在实验管道中抽取一定量的混合气样并用sp－3430气相色谱仪分析烷空混合气体中o2、n2、ch4 等主要气相组分的体积百分含量，超细水雾环境下进行混合气爆炸实验时，混合气中各主要组分的体积百分含量见表3。 

（5）爆炸混合气的引爆及实验数据的采集 

通过电脑的操控实现对预混合气体的点火、引爆和数据采集。每次爆炸结束后重新向管道内通入新鲜空气，吹干管道内残留的水分，使管道重新达到实验前的基本条件，然后进行下次实验。 

3．实验结果 

（1）在超细清水雾环境、碳酸氢钠和氯化钠超细水雾环境以及氯化钾超细水雾环境下，混合气爆炸火焰分别以强度较弱的微弱红色、强度较强的明亮桔黄色和肉眼可以观察到的紫色光出现。 

（2）在超细水雾气氛下所有混合气的爆炸火焰传播速率都出现了多个轮次的加速——减速的过程；相对其他超细水雾来看，混合气爆炸火焰在超细水雾环境下的火焰传播速度和最大速率都明显较低。 

（3）混合气爆炸火焰在各种超细水雾环境下传播时都会出现不同程度火焰锋面驻停现象，火焰锋面也会被削平或者发生褶皱，驻停过后传播速率会有一个较为明显的加速过程。 

4．结论 

通过混合气在超细水雾环境下爆炸过程进行实验得出如下几个方面的结论：水系抑制剂能够稀释瓦斯和氧气的浓度，进而抑制瓦斯爆炸和火焰传播，达到降低瓦斯的爆炸能力，甚至阻止瓦斯爆炸的传播；同时，悬浮在空气中的水滴还能参与瓦斯爆炸的链式反应，降低爆炸反应的化学反应速率。实验结果表明：水系抑制剂能够有效控制瓦斯爆炸的反应，甚至能够阻止瓦斯爆炸的发生。 

参考文献 

[1] 王省身.矿井灾害防治理论与技术[m] 徐州：中国矿业大学出版社,1986. 

[2] 董善保.高抽巷瓦斯抽放技术在治理采煤工作面瓦斯方面的应用[j].煤矿安全,2005(8). 

[3] 林伯泉.张建国.矿井瓦斯抽放理论与技术[m]. 徐州：中国矿业大学出版社,1996. 

[4] 王显政.煤矿安全新技术[m].北京：煤炭工业出版社,2002 

作者简介：张俊虎（1983-），男，山西代县人，2007年毕业于河北工程大学资源学院采矿系，学士学位，目前职称为助理工程师，现从事矿井技术管理工作。 

注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。