煤尘爆炸

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煤尘爆炸是中国的一个科技名词。

为什么汉字是方块字，这个问题虽然没有明确的考证，但从古人观察世界的方式中便可窥见一斑。《淮南子·览冥训》说：“往古之时，四极废，九州裂。天不兼覆，地不周载，火炎炎而不灭，水浩洋而不息，猛兽……于是女娲炼五色石以补苍天，断鳌足以立四极。”在古人心目中，“天圆地方”，地是方形的，而且在这四方形地的尽头，还有撑着的柱子。

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名词解释

煤尘爆炸，煤是可燃性物质，如其粉尘浮游在空气中且达到一定浓度、有足够点燃煤尘的热源就可产生煤尘爆炸。是煤矿井下重大灾害之一。煤尘爆炸产生的爆炸波可以扬起巷道中沉积的煤尘，发生连续爆炸，甚至波及全矿井。煤尘爆炸时，爆温可达2300〜2500℃，火焰传播速度可达1120m/s以上，冲击波速度可达2340m/s，破坏力极强。煤尘爆炸产生大量一氧化碳，其浓度可达2%〜3%，能使人员中毒身亡。

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可，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，主要成分为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、氢和1%左右的其他碳氢化合物；

（3）形成的可燃气体与空气混合的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。

特征

（1）形成高温、高压、冲击波 煤尘爆炸火焰温度为1600~1900℃，爆源的温度达到2000℃以上，这是煤尘爆炸得以自动传播的条件之一。

在矿井条件下煤尘爆炸的平均理论压力为736kPa，但爆炸压力随着离开爆源距离的延长而跳跃式增大。爆炸过程中如遇障碍物，压力将进一步增加，尤其是连续爆炸时，后一次爆炸的理论压力将是前一次的5~7倍。煤尘爆炸产生的火焰速度可达1120m/s，冲击波速度为2340m/s。

（2）煤尘爆炸具有连续性 由于煤尘爆炸具有很高的冲击波速，能将巷道中落尘扬起，甚至使煤体破碎形成新的煤尘，导致新的爆炸，有时可如此反复多次，形成连续爆炸，这是煤尘爆炸的重要特征。

（3）煤尘爆炸的感应期 煤尘爆炸也有一个感应期，即煤尘受热分解产生足够数量的可燃气体形成爆炸所需的时间。根据试验，煤尘爆炸的感应期主要决定于煤的挥发分含量，一般为40%~280ms，挥发分越高，感应期越短。

（4）挥发分减少或形成“粘焦”煤尘爆炸时，参与反应的挥发分约占煤尘挥分含量的40%~70%，致使煤尘挥发分减少，根据这一特征，可以判断煤尘是否参与了井下的爆炸。对于气煤、肥煤、焦煤等粘结性煤的煤尘，一旦发生爆炸，一部分煤尘会被焦化，粘结在一起，沉积于支架的巷道壁上，形成煤尘爆炸所特有的产物——焦炭皮渣或粘块，统称“粘焦”，“粘焦”也是判断井下发生爆炸事故时是否有煤尘参与的重要标志。

（5）产生大量的CO 煤尘爆炸时产生的CO，在灾区气体中浓度可达2%~3%，甚至高达到8%左右，爆炸事故中受害者的大多数（70%~80%）是由于CO中毒造成的。

具备条件

煤尘爆炸必须同时具备四个条件，煤尘本身具有爆炸性；煤尘必须悬浮于空气中，并达到一定的浓度；存在能引燃煤尘爆炸的高温热源；一定浓度的氧气。

煤尘的爆炸性：煤尘具有爆炸性是煤尘爆炸的必要条件。煤尘爆炸的危险性必须经过试验确定。

悬浮煤尘的浓度：井下空气中只有悬浮的煤尘达到一定浓度时，才可能引起爆炸，单位体积中能够发生煤尘爆炸的最低或最高煤尘量称为下限和上限浓度。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、引火源的种类和温度及度试验条件等有关。一般说来，煤尘爆炸的下限浓度为30~50g/m³，上限浓度为1000~2000g/m³。其中爆炸力最强的浓度范围为300~500g/m³。一般情况下，浮游煤尘达到爆炸下限浓度的情况是不常有的，但是爆破、爆炸和其他震动冲击都能使大量落尘飞扬，在短时间内使浮尘量增加，达到爆炸浓度。因此，确定煤尘爆炸浓度时，必须考虑落尘这一因素。

引燃煤尘爆炸的高温热源：煤尘的引燃温度变化范围较大，它随着煤尘性状、浓度及试验条件的不同而变化。我国煤尘爆炸的引燃温度在650~1050℃之间，一般为700~800℃。煤尘爆炸的最小点火能为4.5~40mJ。这样的温度条件，几乎一切火源均可达到，如爆破火焰、电气火花、机械摩擦火花、瓦斯燃烧或爆炸、井下火灾等。根据20世纪80年代的统计资料，由于放炮和机电火花引起的煤尘爆炸事故分别占总数的45%和35%。

一定浓度的氧气：煤尘爆炸还必须要具备一定浓度的氧气，要求氧气的浓度不低于18%（体积百分比）。由于矿井的氧气浓度一定大于18%，所以我们在防止煤尘爆炸过程中一般不会考虑这一条件。

爆炸案例

我国历史上最严重的一次煤尘爆炸发生在1942年日本侵略者统治下的本溪煤矿，死亡1549人，残246人，死亡的人员中大多为CO中毒，事故发生前，巷道内沉积了大量煤尘，是由于电火花点燃局部聚积的瓦斯而引起的重大煤尘爆炸事故。