专利名称：判定煤矿瓦斯爆炸诱发次生火灾机理的方法
技术领域：
本发明涉及防止火灾或爆炸领域，特别涉及一种对煤矿井下瓦斯爆炸诱发次生火灾的机理进行判定的一种方法。
背景技术：
煤矿安全事故统计资料表明，煤矿瓦斯爆炸诱发次生火灾，继而引起多次瓦斯爆炸和火灾的连续重大恶性事故近年来时有发生。这种继发扩大性的灾害事故会造成更大的人员伤亡和财产损失。截止目前为止，国内还没有查阅到对该此类事故发生机理进行研究文献资料。鉴于此类事故的重大破坏性和对社会所造成的严重影响，且目前国内几乎还没有人对该类事故的机理进行分析研究。为此，本专利设计出一种方法对煤矿瓦斯爆炸诱发次生火灾的机理进行分析判定。因此急需一种针对煤矿瓦斯爆炸诱发次生火灾的机理来防治该类事故的发生的方法。
发明内容
有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提出一种针对煤矿瓦斯爆炸诱发次生火灾的机理来防治该类事故的发生的方法。为防治该类事故的发生提供技术支持和参考依据， 最终达到减少人员伤亡和财产损失的目的。本发明的目的是这样实现的本发明提供的一种判定煤矿瓦斯爆炸诱发次生火灾机理的方法，包括以下步骤步骤1 分析煤矿瓦斯爆炸的热环境；步骤2 对煤矿井下可燃物进行快速热裂解实验，并对热裂解实验的产物进行分析；步骤3 结合瓦斯爆炸的热环境和热裂解实验的产物进行分析并得出的结论，通过燃烧充分必要条件对可燃物的着火燃烧条件进行判定。进一步，所述步骤1中的分析煤矿瓦斯爆炸的热环境包括以下步骤步骤11 通过真实巷道或者爆炸实验管道的瓦斯爆炸实验来进行测量和确定煤矿瓦斯爆炸所产生的高温火焰波；步骤12 通过流体模拟软件FLUENT来进行数值模拟瓦斯爆炸后的一段时间内爆源临近区域的动态较高温热环境，并与爆炸实验所测得的实验温度数值进行对比确定；进一步，所述步骤2中对可燃物的热解产物进行工业分析和元素分析，包括以下步骤步骤21 将煤矿井下可燃物的实验样品处理成粒径约0. 5 Imm左右的小颗粒；步骤22 将实验样品装入金属箔片并包紧压实，将装有样品的金属箔片放入加热石英管，并将该石英管放入居里点快速热裂解仪的加热处，将居里点快速热裂解仪和气象色谱仪连接并通载气；
步骤23 选取居里点快速热裂解仪模拟瓦斯爆炸情形下的热解环境，并进行热裂解实验条件设定，设定居里点快速热裂解仪的加热温度和持续加热时间，进行加热；步骤M 加热结束后对气象色谱仪所采集到的气体进行色谱分析，通过电脑对气体进行数据分析；步骤25 对可燃物的热裂解实验结果进行气相色谱分析，在电脑中打开色谱图分析软件系统，采集实验样品的热裂解数据，对色谱图进行分析处理，分析所得数据、进行数据保存；步骤沈得出可燃物在瓦斯爆炸情形下的析出产物规律；进一步，所述可燃物包括不同变质程度的煤、矿用支护木材、阻燃胶带中的一种或多种；进一步，所述可燃物的析出产物包括不同变质程度的煤的热裂解气体产物、阻燃胶带析出的气体产物、年轻无烟煤热裂解产物、支护木材热裂解产物；进一步，所述步骤3中对热裂解实验的产物进行分析包括对瓦斯爆炸实验所测得的数据进行数学建模和数值模拟，以及对不同初始体积和浓度的瓦斯爆炸后爆源临近区域的热环境进行分析和研究，得出不同初始体积和浓度的瓦斯爆炸后爆源临近区域的热环境的动态时空变化规律，具体包括以下步骤步骤31 对瓦斯爆炸后瞬间爆源邻近区域不同距离点的空气温度进行分析和研究；步骤32 将此研究得出的温度分布作为爆炸后的瞬间的一种初始状态，结合初始、边界条件，应用CFD流体计算模拟软件FLUENT进行数值模拟计算；步骤33 得出在此初始温度分布情形下，巷道内温度在此后的一段时间内的时空变化规律；进一步，所述煤在瓦斯爆炸条件下的着火燃烧判定包括可燃物混合气体的着火温度、可燃物混合气体燃烧所需要的最低助燃样浓度、可燃物混合气体燃烧所需要满足的燃烧浓度极限、可燃物混合气体的着火感应期；进一步，所述步骤2中可燃物的快速热裂解采用居里点快速热裂解仪进行。本发明的优点在于采用居里点快速热裂解仪对煤矿井下主要可燃物(不同变质程度的煤、矿用支护木材、阻燃胶带)进行不同热作用持续时间、不同温度下的快速热裂解实验，并结合气相色谱仪进行热裂解析出产物的色谱分析。由于居里点快速热裂解仪具备设置到满足瓦斯爆炸特殊热环境(快速的升温速率、高温等)的特点，所以煤矿井下主要可燃物(不同变质程度的煤、矿用支护木材、阻燃胶带)在居里点快速热裂解实验中得出的产物结果就可被视为是这些可燃物在煤矿井下瓦斯爆炸特殊热环境下所析出的产物。通过对这些特征产物的分析，结合瓦斯爆炸特殊环境的研究成果、以及燃烧学基础理论就可对这些可燃物是否在瓦斯爆炸情形下被点燃进行判定。从而得出一种可对煤矿瓦斯爆炸诱发次生火灾的机理进行判定的方法。通过本发明的研发，可为防治该类事故的发生提供技术支持和参考依据，最终达到减少人员伤亡和财产损失的目的。具有重大的经济效益和社会效益。本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中图1为本发明提供的判定煤矿瓦斯爆炸诱发次生火灾机理的方法流程图；图2为满足瓦斯爆炸发生后使得年轻褐煤析出气体可能着火所对应的不同初始体积、浓度瓦斯范围；图3为满足瓦斯爆炸发生后使得长焰煤析出气体可能着火所对应的不同初始体积、浓度瓦斯范围；图4为满足瓦斯爆炸发生后使得焦煤析出气体可能着火所对应的不同初始体积、 浓度瓦斯范围；图5为满足瓦斯爆炸发生后使得年轻无烟煤析出气体可能着火所对应的不同初始体积、浓度瓦斯范围；图6为满足瓦斯爆炸发生后使得支护木材析出气体可能着火所对应的不同初始体积、浓度瓦斯范围；图7为满足瓦斯爆炸发生后使得阻燃胶带析出气体可能着火所对应的不同初始体积、浓度瓦斯范围。
具体实施例方式以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。图1为本发明提供的判定煤矿瓦斯爆炸诱发次生火灾机理的方法流程图，如图所示本发明提供的一种判定煤矿瓦斯爆炸诱发次生火灾机理的方法，步骤1 分析煤矿瓦斯爆炸的热环境；具体包括以下步骤步骤11 对于煤矿瓦斯爆炸所产生的高温火焰波，通过真实巷道或者爆炸实验管道的瓦斯爆炸实验进行测量和确定；步骤12 对于瓦斯爆炸后的一段时间内爆源临近区域的动态较高温热环境，通过流体模拟软件FLUENT进行数值模拟，以及和爆炸实验所测得实验温度数值进行对比确定。步骤2 对煤矿井下可燃物进行快速热裂解实验，并对热裂解实验的产物进行分析；首先对实验样品(不同变质程度的煤、支护木擦、阻燃胶带)进行元素分析、工业分析， 将实验样品处理成粒径约0. 5 Imm左右的小颗粒；然后将实验样品装入金属箔片并包紧压实，将装有样品的金属箔片放入加热石英管，并将该石英管放入居里点快速热裂解仪的加热处；将居里点快速热裂解仪和气象色谱仪连接并通载气；设定居里点快速热裂解仪的加热温度(从573 1313K)和持续加热时间(lS、2SjS、10S)，进行加热；加热结束后对气象色谱仪所采集到的气体进行色谱分析；通过电脑对气体进行数据分析；对可燃物的热裂解实验结果进行气相色谱分析，在电脑中打开色谱图分析软件系统，采集实验样品的热裂解数据，对色谱图进行分析处理，分析所得数据、进行数据保存；最后得出可燃物在瓦斯爆炸情形下的析出产物规律。步骤2中可燃物的热解产物分析包括以下步骤步骤21 煤矿井下可燃物的工业分析和元素分析，工业分析应用于工业方面的分析。包括化学分析和仪器分析。主要用以检验原料和成品的规格和纯度，并确定它们是否符合于有关工业方面的要求。本专利中主要是对煤样、支护木材、阻燃胶带的水分、灰分、挥发分和固定碳等四种组分的测定。元素分析本专利中主要是对煤样、支护木材、阻燃胶带的碳、氢、氧、氮、硫等五种元素含量进行的测定。步骤22 煤矿井下可燃物的试验样品制备，将从煤矿现场采集的煤样、支护木材、阻燃胶带样品磨细成粒径在0. 5 Imm的小颗粒。将处理好的样品颗粒放入选取好的金属箔片，对装有样品的箔片进行压实处理。步骤23 选取居里点快速热裂解仪模拟瓦斯爆炸情形下的热解环境，并进行热裂解实验条件设定，居里点也称居里温度或磁性转变点，是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度，即铁电体从铁电相转变成顺电相的相变温度。不同的合金具有不同的居里点。为此， 根据爆炸热环境的分析进行居里点的确定。步骤M 将煤矿井下可燃物的实验样品装入居里点快速热裂解仪，进行设定条件下的快速裂解实验，设定条件包括温度和热作用时间。根据对爆炸热环境的分析，选取不同的金属箔片来对进行不同居里点温度的快速热裂解实验。热作用持续时间通过根据瓦斯爆炸火焰波的持续时间和动态热环境对某一处的热作用持续时间进行确定。步骤25 对可燃物的热裂解实验结果进行气相色谱分析，在电脑中打开色谱图分析软件系统，采集实验样品的热裂解数据，对色谱图进行分析处理，分析所得数据、进行数据保存。步骤沈得出可燃物在瓦斯爆炸情形下的析出产物规律。可燃物的析出产物规律具体如下(1)气体主要分析了不同变质程度的煤的热裂解气体产物主要包括CH4、C2H4、C2H6、 C3H6、C3H8、C4、C5、C0、C02，还有焦油、焦炭；支护木材的热裂解气体主要有CH4、C2H4、C2H6、C3H6、 H2、C4、C5、C0、C02，和煤相比少了 C3H8，多了 H2 ；阻燃胶带的热裂解气体主要有CH4、C2H4、C2H6、 (2!12、(3!16、(3!18、0)2、!0^，和煤相比多了 HCL、和木材相比多了 C3H8、HCL，少了 H2。(2)阻燃胶带析出的总气体最多，主要因为其有大量的HCL气体析出所致。支护木材的总析出气体次之，923K之前和年轻褐煤的产量很接近，之后变加速增多，主要是此阶段支护木材析出了大量的CO气体。煤阶对产气的影响明显，各煤种所析出气体的总量随煤阶的增大而不断的减小，年轻褐煤的产气量可比年轻无烟煤的产气量大2倍以上。各不同可燃物的析出总气体均是随温度的升高而增大的，只是速率不同。(3)年轻无烟煤热裂解焦炭最多，各不同煤种的热裂解焦炭随煤阶的增加而增大， 支护木材的比各种煤的焦炭都要小，阻燃胶带的最小。各可燃物热裂解所得焦炭随温度的升高以不同的减少速率在不断减少。(4)支护木材热裂解焦油最多，阻燃胶带次之。对于煤而言，热裂解所得焦油随煤阶的增大而减少。焦油主要是热裂解过程中出现的一些重烃类物质。(5)通过对实验的影响因素分析可知，温度对热裂解产物影响很大，压强对实验的影响很小。对于样品数量较少时，热裂解持续时间对产物的影响不明显，如果样品多的话则时间越长产物的数量和种类应当都会越多。升温速率对实验结果很重要，将可燃物缓慢加热和瞬间加热的产物析出时间、温度、量、种类均有不同。步骤3 结合瓦斯爆炸的热环境和热裂解实验的产物进行分析得出的结论，通过燃烧充分必要条件对可燃物的着火燃烧条件进行判定。物质燃烧必须具备可燃物(热裂解实验的产物)、氧化剂(瓦斯爆炸后巷道中的氧浓度)、温度(瓦斯爆炸的热环境)三个必要条件。只有这三个条件同时具备，才可能发生燃烧现象，缺少任何一个条件燃烧都不能发生。但是，并不是上述三个条件同时存在就一定会发生燃烧现象，还必须将这三个因素相互有机结合和作用才能发生燃烧。其中，可燃物、 氧化剂(助燃剂)、温度(点火源)又称为燃烧的三要素。作为上述实施例的进一步改进，所述可燃物包括不同变质程度的煤、矿用支护木材、阻燃胶带中的一种或多种。作为上述实施例的进一步改进，通过瓦斯爆炸实验所测得数据来进行数学建模和数值模拟技术，对不同初始体积和浓度的瓦斯爆炸后爆源临近区域的特殊热环境进行分析和研究，得出了不同初始体积和浓度的瓦斯爆炸后爆源临近区域的特殊热环境的动态时空
变化规律。首先，对瓦斯爆炸后瞬间爆源邻近区域不同距离点的空气温度进行分析和研究。 其次，将此研究得出的温度分布作为爆炸后的瞬间的一种初始状态，结合相关的其他的初始、边界条件，应用CFD流体计算模拟软件FLUENT进行数值模拟计算，进而得出在此初始温度分布情形下，巷道内温度在此后的一段时间内的时空变化规律。通常，也把这段时间爆源临近区域的空气温度分布热环境称为较高温、常压环境。瓦斯爆炸发生后伴随有非定常、质量和热量传递等物理现象，对于空气温度时空分布的求解需要涉及到和上述现象有关的浓度、速度、压强等物理量。为了便于解算，建立了如下二维控制方程组质量守恒方程
权利要求
1.判定煤矿瓦斯爆炸诱发次生火灾机理的方法，其特征在于包括以下步骤 步骤1 分析煤矿瓦斯爆炸的热环境；步骤2 对煤矿井下可燃物进行快速热裂解实验，并对热裂解实验的产物进行分析； 步骤3 结合瓦斯爆炸的热环境和热裂解实验的产物进行分析并得出的结论，通过燃烧充分必要条件对可燃物的着火燃烧条件进行判定。
2.根据权利要求1所述的判定煤矿瓦斯爆炸诱发次生火灾机理的方法，其特征在于 所述步骤1中的分析煤矿瓦斯爆炸的热环境包括以下步骤步骤11 通过真实巷道或者爆炸实验管道的瓦斯爆炸实验来进行测量和确定煤矿瓦斯爆炸所产生的高温火焰波；步骤12 通过流体模拟软件FLUENT来进行数值模拟瓦斯爆炸后的一段时间内爆源临近区域的动态较高温热环境，并与爆炸实验所测得的实验温度数值进行对比确定。
3.根据权利要求2所述的判定煤矿瓦斯爆炸诱发次生火灾机理的方法，其特征在于 所述步骤2中对可燃物的热解产物进行工业分析和元素分析，包括以下步骤步骤21 将煤矿井下可燃物的实验样品处理成粒径约0. 5 Imm左右的小颗粒； 步骤22:将实验样品装入金属箔片并包紧压实，将装有样品的金属箔片放入加热石英管，并将该石英管放入居里点快速热裂解仪的加热处，将居里点快速热裂解仪和气象色谱仪连接并通载气；步骤23 选取居里点快速热裂解仪模拟瓦斯爆炸情形下的热解环境，并进行热裂解实验条件设定，设定居里点快速热裂解仪的加热温度和持续加热时间，进行加热；步骤M 加热结束后对气象色谱仪所采集到的气体进行色谱分析，通过电脑对气体进行数据分析；步骤25 对可燃物的热裂解实验结果进行气相色谱分析，在电脑中打开色谱图分析软件系统，采集实验样品的热裂解数据，对色谱图进行分析处理，分析所得数据、进行数据保存；步骤沈得出可燃物在瓦斯爆炸情形下的析出产物规律。
4.根据权利要求3所述的判定煤矿瓦斯爆炸诱发次生火灾机理的方法，其特征在于 所述可燃物包括不同变质程度的煤、矿用支护木材、阻燃胶带中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的判定煤矿瓦斯爆炸诱发次生火灾机理的方法，其特征在于 所述可燃物的析出产物包括不同变质程度的煤的热裂解气体产物、阻燃胶带析出的气体产物、年轻无烟煤热裂解产物、支护木材热裂解产物。
6.根据权利要求5所述的判定煤矿瓦斯爆炸诱发次生火灾机理的方法，其特征在于 所述步骤3中对热裂解实验的产物进行分析包括对瓦斯爆炸实验所测得的数据进行数学建模和数值模拟，以及对不同初始体积和浓度的瓦斯爆炸后爆源临近区域的热环境进行分析和研究，得出不同初始体积和浓度的瓦斯爆炸后爆源临近区域的热环境的动态时空变化规律，具体包括以下步骤步骤31 对瓦斯爆炸后瞬间爆源邻近区域不同距离点的空气温度进行分析和研究； 步骤32 将此研究得出的温度分布作为爆炸后的瞬间的一种初始状态，结合初始、边界条件，应用CFD流体计算模拟软件FLUENT进行数值模拟计算；步骤33 得出在此初始温度分布情形下，巷道内温度在此后的一段时间内的时空变化规律。
7.根据权利要求6所述的判定煤矿瓦斯爆炸诱发次生火灾机理的方法，其特征在于 所述煤在瓦斯爆炸条件下的着火燃烧判定包括可燃物混合气体的着火温度、可燃物混合气体燃烧所需要的最低助燃样浓度、可燃物混合气体燃烧所需要满足的燃烧浓度极限、可燃物混合气体的着火感应期。
8.根据权利要求7所述的判定煤矿瓦斯爆炸诱发次生火灾机理的方法，其特征在于 所述步骤2中可燃物的快速热裂解采用居里点快速热裂解仪进行。
全文摘要
本发明公开了一种判定煤矿瓦斯爆炸诱发次生火灾机理的方法，涉及一种对煤矿井下瓦斯爆炸诱发次生火灾的机理进行判定方法，包括首先分析煤矿瓦斯爆炸的热环境；然后将煤矿井下的主要可燃物加入到居里点快速热裂解仪中，对煤矿井下可燃物进行快速热裂解实验，并对热裂解实验的产物进行分析；最后结合瓦斯爆炸的热环境和热裂解实验的产物进行分析得出的结论，通过燃烧充分必要条件对可燃物的着火燃烧条件进行判定；从而得出一种可对煤矿瓦斯爆炸诱发次生火灾的机理进行判定的方法，可为煤矿井下发生瓦斯爆炸后防治次生火灾的发生提供技术支持，最终达到减少人员伤亡和财产损失的目的，具有重大的经济效益和社会效益。
文档编号G01N30/88GK102287232SQ20111019626
公开日2011年12月21日 申请日期2011年7月13日 优先权日2011年7月13日
发明者唐韩英, 崔俊飞, 张庆华, 李向东, 杨守国, 梁军, 段玉龙, 覃木广, 邓敢搏, 韩文骥, 马国龙 申请人:中煤科工集团重庆研究院