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隧道施工常见的地质灾害之瓦斯爆炸
更新时间:2021-04-10 17:51
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瓦斯爆炸是隧道施工常见的地质灾害之一,而且危害性相当大,极大地威胁着人们的 生命及财产安全。在隧道施工过程中,如果遇到煤系地层,煤层内的游离态、吸附态的瓦 斯气体,由于原始平衡压力状态遭到破坏,瓦斯会沿着煤层或围岩缝隙进入隧道内部,由 于隧道施工过程中通风条件相对较差,如果瓦斯得不到及时排出洞外,就会引起瓦斯爆炸,从而引起一系列的地质灾害,严重影响施工安全。  
一、瓦斯爆炸条件  
瓦斯爆炸必须同时具备四个条件:①瓦斯本身具有爆炸件:⑦瓦斯必须悬浮于空气 中,并达到一定的浓度;③存在能引燃瓦斯爆炸的高温热源;④一定浓度的氧气.  
1.瓦斯的可燃性及爆炸性  
瓦斯的主要成分是甲烷( CH4),也就是天然气的主要成分,易燃易爆,如果瓦斯燃烧产生的热能得不到及时的释放,就会产生爆炸,从而引起更大的灾害。  
2. 悬浮瓦斯的浓度  
瓦斯的密度很小,当隧道空气中只有悬浮的瓦斯达到一定浓度时,才可能引起爆炸,单位体积中能够发生瓦斯爆炸的最低或最高瓦斯量称为下限和上限浓度。低于下限浓度或高于上限浓度瓦斯都不会发生爆炸。瓦斯爆炸的浓度范围与瓦斯的成分、粒度引火源的种类和温度及度试验条件等有关,一般说来,瓦斯爆炸的下限浓度为30— 50g/m3,上限浓度为1000 - 2000g/m,,其中爆炸力最强的浓度范围为300 - 500g/m3。  
3.引燃瓦斯爆炸的高温热源 
瓦斯的引燃温度变化范围较大,它随着瓦斯性状、浓度及试验条件的不同而变化。我国瓦斯爆炸的引燃温度在650 -1050℃之间,一般为700 - 800℃。瓦斯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、机械挛擦火花、瓦斯燃烧或爆炸、井下火灾等。 
3.一定浓度的氧气 
瓦斯爆炸是一种氧化反应,方程式为CH4+2O2====CO2+2H2O或2CH4+3O2=====2CO+4H2O,
是在高温或一定点火能的热源作用下,空气中氧气与瓦斯急剧氧化的反应过程。瓦斯爆炸是一种非常复杂的链式反应,如果氧气浓度达到瓦斯充分燃烧所需量时,瓦斯充分燃烧产生C02,否则产生CO。由此可见,具备一定浓度的氧气是瓦斯爆炸的必要条件,要求氧气的浓度不低于18%  (体积分数)。隧道和煤矿井氧气浓度一定大于18%,所以在防止瓦斯爆炸过程中一般不会考虑这一条件。
二、瓦斯爆炸特征
瓦斯本身是可燃物质,当它以游离态存在时,总表面积显著增加,吸氧和被氧化的能力大大增加;瓦斯与空气混合,在高温作用下吸收能量,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,链式反应过程开始,游离基迅速增加,发生了尘粒的闪燃;闪燃所形成的热量传递给周围的尘粒,并使之参与链式反应,导致燃烧过程急剧地循环发生,当燃烧不断加剧,火焰速度达到每秒数百米后,瓦斯的燃烧便在一定临界条件下呈跳跃式转变为爆炸。
1. 形成高温、高压、冲击波
瓦斯爆炸火焰温度为1600 -1900℃,爆源的温度达到2000℃以上,这是瓦斯爆炸得以自动传播的条件之一。在隧道或矿井条件下,瓦斯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呈跳跃式增大。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。瓦斯爆炸产生的火焰速度可达1120m/s,冲击波速度为2340m/s。
2. 瓦斯爆炸具有连续性
由于瓦斯爆炸具有很高的冲击波速,能将巷道中落尘扬起,甚至使围岩破碎形成新的瓦斯,导致新的爆炸,有时可如此反复多次,形成连续爆炸,这是瓦斯爆炸的重要特征。
3.瓦斯爆炸的感应期
瓦斯爆炸也有一个感应期,即瓦斯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,瓦斯爆炸的感应期主要决定于围岩中煤的挥发分含量,一般为40%( 280ms),挥发分越高,感应期越短。
4.产生大量的CO
瓦斯爆炸时产生的CO,在灾区气体中浓度可达2% -3%,甚至高达到8%寿右-爆乩斯爆炸事故中受害者的大多数(70% - 80%)是由于CO中毒造成的。
三、瓦斯爆炸事故实例
(1) 2015年2月成都龙泉驿区五洛路I号隧道发生爆炸,爆炸声从洛带镇旁边的山脚传出,然后洛带的北面山脚冒出浓烟。随后,当地还下起了“灰尘雨”,从天而降的灰尘、泥沙撒在当地居民和游客身上,一些车辆上也布满了尘点。爆炸的冲击力将隧道口附近大量的建筑物震毁,相邻的板房工棚屋顶被掀起了一大片,停放在一侧的施工货车等被推出数百米远,四周散落着大量石块,铁皮等物体。 事故当场造成3人死亡,8名施工人员及12名周边群众受伤,其中2人重伤,被送往医院救治,另有1人中度伤,17人轻伤,遇难4人。
(2) 2005年12月22日14日40分,四川省都江堰至汶川高速公路董家山右线隧道发生特别重大瓦斯爆炸事故,造成44人死亡,11人受伤,直接经济损失2035万元。董家山隧道左线全长4090m,右线全长4060m,事故发生时右线隧道完成开挖1487m、衬砌1419m。事故原因是由于掌子面处塌方,瓦斯异常涌出,致使模板台车附近瓦斯浓度达到爆炸极限,模板台车配电箱附近悬挂的三芯插头短路产生火花引起瓦斯爆炸。
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