《煤矿灾害防治技术》课程体验式教学教案
任务一：瓦斯煤尘爆炸演示 授课地点 班级 教学目标 云岩 211 授课时间 授课教师 使学生掌握瓦斯、煤尘爆炸的条件，并通过爆炸演示实验，能对爆炸条件进行 验证，观察并记录爆炸过程，使学生进一步认识瓦斯煤尘爆炸的实质。 1.进行瓦斯煤尘爆炸演示实验。 任务要求 2.以组为单位，遵守纪律、听从安排，认真完成实训。 3.遵守实训室制度，注意安全，小心操作，保护好仪器，保持实训室干净整洁。 1.瓦斯爆炸演示装置； 实训设备 2.煤尘爆炸演示装置。 学训一体 资讯 — 计划— 决策 — 实施— 检查— 评价 一、资讯 1.瓦斯爆炸 （1）瓦斯爆炸的化学反应过程 瓦斯爆炸是一定浓度的甲烷和空气中的氧气在高温热源的作用下发生激烈氧化 反应的过程。 最终的化学反应式为：CH4＋2O2＝CO2+2H2O 如果煤矿井下 O2 不足，反应的最终式为：CH4+O2＝CO+H2+H2O （2）瓦斯爆炸的产生与传播过程 爆炸性的混合气体与高温火源同时存在，就将发生瓦斯的初燃（初爆），初燃 产生以一定速度移动的焰面，焰面后的爆炸产物具有很高的温度，由于热量集中而 任务实施 步骤 使爆源气体产生高温和高压并急剧膨胀而形成冲击波。如果巷道顶板附近或冒落孔 内积存着瓦斯，或者巷道中有沉落的煤尘，在冲击波的作用下，它们就能均匀分布， 形成新的爆炸混合物，使爆炸过程得以继续下去。 （3）瓦斯爆炸的危害 矿内瓦斯爆炸的有害因素是：高温、冲击波和有 害气体。 瓦斯爆炸后生成大量有害气体，某些煤矿分析爆 炸后的气体成分为 O2 6%～10% , N2 82 %～88 % , CO2 4%～8%，CO 2%～4％。如果有煤尘参与爆炸，CO 的 生成量更大，往往成为人员大量伤亡的主要原因。 （4）瓦斯爆炸的条件及影响因素
4）瓦斯爆炸的条件； 5）瓦斯爆炸产生的危害； 6）防止瓦斯引燃的措施； 7）局部瓦斯积聚的概念和易积聚的地点； 8）防止瓦斯积聚的措施； 9）防止瓦斯爆炸时遭受伤害的措施。 （2）煤尘爆炸素材 1）煤尘爆炸的条件； 2）煤尘爆炸的特征及危害； 3）影响煤尘爆炸的因素； 4）预防煤尘爆炸的措施。 二、计划 在这一阶段中，学生针对本任务，以小组方式工作，独立地寻找与任务相关的 信息，制定完成任务的方法。将学生分为 组，每组 3 人。以组为单位进行实训。 三、决策 矿井瓦斯爆炸演示实训 瓦斯爆炸是煤矿最严重的灾害事故之一， 深刻了解瓦斯爆炸的特性对于预防它 的发生有重要意义。通过利用瓦斯爆炸演示装置进行爆炸实训，可使学生从直观上 增强对瓦斯爆炸的认识，从而了解并掌握瓦斯爆炸的产生条件与特性。 当爆炸腔气体的气体通过胶管连接到接线箱进气孔由接线箱的微型风机吸气到 探头，通过敏感元件将浓度信号转换为电信号，送入放大电路，经过调整后送入计 数器，主机显示其的浓度。同时计数器另一路输出给驱动电路，使数字屏显示数字 与主机显示数字同步。 腔体内浓度达到爆炸值时，按下引爆开关，引延时器应有响声，到 10 后爆炸腔 体内火花塞放电间隙应出现闪电形火花。 1.调试 仪器正确连接后，即可将主机电源插入电源插座，按下电源开关，面板上的电 源指示灯亮，主机发光码显示应有三位数字出现，按下显示开关，显示电源指示灯 亮，在爆炸腔体上的显示屏应有三位数字出现，而且与主机数码显示同步。按下校 零按钮，两个数字显示应同时出现字样，如果有误差，应立即调整对管调整电位器， 使之出现字样。在调整过程中需注意，如果出现情况，即出现对管放大平衡状态已 由向偏离，应立即向反方向旋转对管校零电位器，使之数字逐步显示到时，两位微 动少许，即可清除数字前面的小数点，成为此时即是放大系统的准确零位。 松开校零开关，按下探头选择开关，此时气样取出导管，处的探头工作指示灯 应亮，过 3-5min 分钟探头元件校定后，两个数字均应显示，否则应即调整探头接零 电位器，调整过程中应注意两点：一是如果显示数字出现，情况是探头接零电位器 由真正零位向负偏离，应即向反方向旋转电位器；二是显示数字出现以后，如果再 沿原方向旋转电位器，同样会出现，此时是并非是零位，切勿认为是零位探头校正 到真正零位这后，按下校准按钮，显示屏应出现字样，如果有误差可在按下校准按 钮的同时微调调整电位器，使之显示字样，多面手松开校准按钮，显示应回归，此 时第一路探头即调整完毕。其第及第路探头的调试与路相同。
图 1-2-1
教学方法 教学组织
1）瓦斯爆炸的基本条件 ① 瓦斯浓度在爆炸界限内，一般为 5％～16％。 ② 混合气体中的氧浓度不低于 12％。 ③ 有足够能量的点火源。 2）影响瓦斯爆炸发生的因素 ① 其它可燃气体的影响。 ② 氧浓度和过量惰气的影响。 ③ 温度的影响。 ④ 气压的影响。 （5）矿井瓦斯爆炸的致因 1）瓦斯积聚 瓦斯积聚是指体积超过 0.5m 时的空间瓦斯浓度超过 2％的现象。局部地点的瓦 斯积聚是造成瓦斯爆炸事故的根源，积聚原因主要有以下几个方面： ① 通风系统不合理、供风距离过长、采掘布置过于集中、工作面瓦斯涌出量过 大而又没有采取抽放措施、通风路线不畅通等，都容易造成采煤工作面风量供给不 足。 ② 正常生产时期，煤矿井下的通风设施被随意改变其状态。 ③ 采掘工作面的串联通风，上工作面的污浊空气未经监测控制进入下工作面， 导致与下工作面风流中的瓦斯叠加而超限。 ④ 局部通风机停止运转可能使掘进工作面很快达到瓦斯爆炸的界限。 ⑤ 对封闭的区域或停工一段时间的工作面恢复通风， 未制定专门的排放瓦斯措 施。 ⑥ 气压发生变化或采空区发生大面积冒顶时。 ⑦ 当采掘工作面推进到地质构造异常区域时。 ⑧ 巷道冒落空洞由于通风不良容易形成瓦斯积聚。 （6）瓦斯爆炸的点火源 煤矿井下的明火、煤炭自燃、电弧、电火花、赤热的金属表面以及撞击和摩擦 火花，都能点燃瓦斯。此外，采空区内岩石悬顶冒落时产生的碰撞火花，也能引起 瓦斯的燃烧或爆炸。 2.煤尘爆炸 （1）煤尘爆炸的机理 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 氧化的能力大大增强，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％左右的其它碳氢化合物； 3)形成的可燃气体与空气混合在高温作用下吸收能量，在尘粒周围形成气体外
相反方向出现火焰则取此火焰长度； 以 5 次中最长一次燃烧火焰长度作为试验结果。 矿井中只要有一个煤样有煤尘爆炸危险性，该矿井定为有煤尘爆炸危险性煤层 的矿井。 4．测定最低岩粉用量：对有煤尘爆炸危险性的煤样，必须将其与试验用岩粉按各种 比例混合均匀，每一次取一种混合岩粉克，按步骤操作，直至确定粉尘由出现火焰 到刚刚转为不再出现火焰时的岩粉比例，即为扑灭火焰所需的最低岩粉用量，其误 差不得超过 5%。 四、实施 1.进行瓦斯、煤尘爆炸演示实验； 2.观察瓦斯、煤尘爆炸现象； 3.完成任务规定其他题目。 五、检查 将实训完成情况进行反馈，小组讨论，教师检查。 六、评价 教师进行评价总结，评价各小组完成效果，解答学生提出的疑问并对重要环节进行 强调。 拓展作业 备注 1.瓦斯、煤尘爆炸的条件是怎样得来的？ 2.为什么瓦斯爆炸后会发生煤尘爆炸？ 3.实训中瓦斯爆炸演示装置两端为什么不直接密封？
按下吸气开关接线箱内探头吸气泵应有运转声响，如果吸入的是新鲜空气，两 个浓度的显示器元均保持的字样。 按下引爆按钮，引爆延时器应有声响并且排灯由逐次亮到然后试爆腔内火花塞 放电间隙应出现闪电形火花。 上述操作完成后，全部装置的监控系统即处于正常工作状态。 2．操作 监控系统完备后，即可按下列步骤进行瓦斯爆炸演示。 (1)将一端的密闭法兰盘固紧，取下另一端低压法兰盘，加的板纸可晒图纸一张 封严后再将法兰盘紧固，切勿用加厚的牛皮纸，以离发生意外事故。 (2)将沼气瓶与爆炸腔进气门用胶管联好，打开气瓶出气阀，检查气压表观查气 瓶是否有足够的压力。然后用微弱气流向胶管输出沼气。 (3)打开爆炸腔进气阀门。 缓慢向腔内注入沼气， 同时巡回监测各点的沼气浓度， 待气体基本均匀后，满足爆炸时，关闭进气阀门，取下输气管，按下引爆按钮，待 延时后火花塞打火，即进行爆炸演示，分别做出瓦斯浓度低于下限和高于上限及之 间的三类试验，点火前再用瓦斯浓度检定仪实测爆炸腔内瓦斯浓度。 3.注意事项 由于爆炸后积尘的影响，爆炸 3 次后需将火花塞清洗一次（用细纱纸擦两电极 即可） 。 矿井煤尘爆炸演示实训 矿井中煤尘爆炸的危害性是极其严重的， 《煤矿安全规程》规定：新矿井在建井 前必须对所有煤层进行煤尘爆炸性鉴定工作；生产矿井每延深一个新水平，都必须 进行一次煤尘爆炸性鉴定。 本实验利用煤尘爆炸演示实验装置， 直接地观察具有爆炸性的煤尘的爆炸反应， 并测定一些参数，从而使学生进一步认识煤尘爆炸的实质，掌握煤样的采集方法， 熟悉煤尘爆炸性鉴定工作。 挥发分较高，粒度和浓度适当的煤尘，接触高温热源时，能迅速放出挥发分并 很快燃烧起来，生成的热量使煤尘受热分解、燃烧；产生出更多的热传递给周围的 煤尘，使氧化反应越来越快，温度越来越高，范围也越来越大，从而发展为剧烈的 爆炸。 1．拉出导管的活塞，拔下试料管，将采集的克鉴定用煤样装入试料管一端，另一端 插入导管里，然后恢复原来位置； 2．通电使燃烧管内加热器升温到，随即按动电磁打气箱电钮，于是煤样呈雾状喷入 燃烧管，此时试验人员须观察管内尘云遇高温加热后发生的燃烧或爆炸状态，最后 开动风机排除烟尘； 3．作定性结论：同一煤样要先作 5 次平等试验，其中只要有一次出现燃烧火焰的， 定为有爆炸危险性煤尘；若每次都未出现火焰或只出现稀少火星，则须重做 5 次， 仍未出现火焰者可定为没有爆炸危险煤尘；在重作 5 次中只要一次出现燃烧火焰， 应定为有爆炸危险性煤尘。 火焰长度指以加热器为起点向管口方向所观察到的实际燃烧火焰长度；若只在
我国对煤尘爆炸的实验结果
煤尘爆炸下限浓度 45g/m
3
煤尘爆炸最强的浓度 300～400g/m
3
煤尘爆炸上限浓度 1500～2000g/m
3
3）引起煤尘爆炸的热源。 （3）煤尘爆炸的效应 1）高温。煤尘的爆炸是其激烈氧化的结果，因此，在爆炸时要释放出大量的热 量， 这个热量可以使爆源周围气体的温度上升到 2300～2500℃ 。 这种高温是造成煤 尘爆炸连续发生的重要条件。 2）高压。煤尘的爆炸使爆源周围气体的温度急剧上升，必然使气体的压力突然 增大。 在矿井条件下煤尘爆炸的平均理论压力为 736kPa 。 许多国家曾分别在实验室 和巷道中进行测定，其结果表明，爆炸压力随离开爆源的距离的延长而跳跃式的不 断增大， 爆炸在扩展过程中如果有障碍物阻拦或巷道的断面突然变化及巷道拐弯等， 则爆炸压力将增加得更大。 3）高速火焰。在爆炸产生高温高压的同时，爆炸火焰以极快的速度向外传播。 一些国家利用实验巷道对其传播速度进行了测定，结果表明，可达 1120 m/s 多米。 4）冲击波。煤尘爆炸同样形成冲击波，其传播速度比爆炸火焰传播得还要快， 可达 2340m/s ，对矿井的破坏极大。 5）生成大量的 CO。煤尘爆炸后生成大量的 CO，其浓度可达 2％～3％，有时甚 至高达 8％左右，这是造成矿工大量中毒伤亡的主要原因。 （4）影响煤尘爆炸的因素 1）煤的成分。煤的组成除固定碳外还有挥发分、水分、灰分等，它们对煤尘的 爆炸性起着不同的作用。 2）煤尘浓度。 3）煤尘粒度。 4）矿井的瓦斯浓度。 3.资源库素材 （1）瓦斯爆炸素材 1）瓦斯性质及危害； 2）矿井瓦斯的危害； 3）瓦斯爆炸的概念；