专题-基于谢苗诺夫热自燃理论的瓦斯爆炸控制理论及技术研究.doc

1、专题部分基于谢苗诺夫热自燃理论的瓦斯爆炸控制理论及技术研究1 前言一直以来，矿井瓦斯管理工作着重强调“预防为主，治理为辅”的防治方针，在制度层面上，矿井防治瓦斯的一般措施不外乎一下几种治理措施：建立健全矿井瓦斯治理措施；建立完善合理的矿井通风系统；加强盲区与采空区的瓦斯治理工作；加强瓦斯的分级管理工作等。从技术层面上，一般采取开挖工作面瓦斯底抽巷，实现煤与瓦斯共采技术；建立矿井瓦斯的稳态热爆炸模型；向采空区与工作面注入惰性气体等等技术层面上的措施。然而，这些措施大多强调矿井瓦斯爆炸的预防工作，但矿井一旦发生瓦斯爆炸，将会造成不可估摸的人员伤亡与财产损失，给矿井的生产与社会带来深重的灾难。矿井瓦

2、斯爆炸控制技术按照措施实行阶段一般分为两个阶段控制：即矿井瓦斯爆炸超前预防控制技术与矿井瓦斯爆炸期间控制技术，当前常规的开挖瓦斯底抽巷、向采空区与工作面注入惰性气体都属于超前预防控制技术，而在矿井瓦斯爆炸发生时，采用及时而又有效的灭火控爆技术，尽可能的减少瓦斯爆炸带来的人员伤亡与财产损失，也是当前及以后矿井瓦斯爆炸控制技术的重要研究方向，具有现实而又深远的意义。当前矿井适用的灭火材料优缺点建表1矿用几种灭火剂优缺点及适用范围1表1种类优点缺点适用范围水比热容大，价格便宜，无毒无害容易冻结，容易到点，对煤粉等灭火效率较低适用于一般可燃材料火灾，在含有带点设备的工作面或硐室内不能适用。水雾（水蒸气

3、）经济有效，设备简单不能用于燃烧面积大的火灾适用于一般可燃材料，电气设备，泡沫化学泡沫灭火性能良好设备复杂，投资较大适用于容易燃烧的液体（如石油等），不适用带电设备及忌水性物质引起的火灾空气泡沫设备简单，操作方便适用于油类火灾二氧化碳绝缘性能好，无腐蚀作用，价格低廉冷却作用差，有一定毒性，不能扑面阴性燃烧引起的火灾适用于电器设备及忌水物质引起的火灾，不适用与碱或碱土金属引起的火灾泥浆温度下降较快，价格低廉温度下降速度平缓，对巷道污染较重，处理较难矿井硅凝胶反应迅速，灭火性能较好煤经硅凝胶处理后氧化性能大大降低，但是在较高温度下仍能复燃矿井2 选题背景刘庄矿井属于高瓦斯矿井，且后期采深较大，有部

4、分地区已经进入二级高温区，所以瓦斯爆炸危险程度较大。2.1刘庄矿瓦斯地质条件本井田自基岩界面向下垂深平均约210m为瓦斯风化带与瓦斯带的分界面。从据各主要可采煤层的瓦斯含量与煤层埋深之间的相关关系式计算的不同水平平均瓦斯含量来看，13-1和5煤层的瓦斯含量较大，11-2和8煤层较小。各主要可采煤层分水平平均瓦斯含量及瓦斯梯度情况见表2-1。各主要可采煤层分水平平均瓦斯含量表表2-1 单位：m3/t煤层水平（m）13-111-2851-5001.541.130.150.640.13-6002.441.620.721.971.03-7003.342.111.293.301.93-8004.242.

5、601.864.632.83-9005.143.092.435.963.73-10006.043.583.007.294.63梯度（m/m3/t）111204175751112.2刘庄矿地温条件本井田的恒温带深度为自地表向下30m，相应的温度为16.8。实测地温资料表明：本井田地温有随深度的增加而增高的趋势。其中井田南部地温梯度小于3/百米，属地温正常区；北部地温梯度多大于3/百米，为地温异常区。据各主要可采煤层的地温与其埋深建立的相关关系式计算，-762m水平最高温度为40.3,平均38.9,已进入二级高温区（见表2-2）各主要可采煤层不同水平低温预测表表2-2 单位： 煤层水平（m）13-

6、111-2851-50030.931.732.833.734.7-60033.534.135.035.936.8-70036.136.537.238.138.9-76237.938.138.639.640.3-80038.738.939.440.341.0-90041.341.341.642.543.1-100043.943.743.844.745.23 谢苗诺夫热自燃理论简介3.1谢苗诺夫热自燃理论概述任何反应体系中的可燃混合气体，一方面它会进行缓慢氧化而放出热量，使体系温度升高；另一方面体系又会通过壁器向外散热（这里假设巷道为实验时所用管器），使体系温度下降。热自燃理论认为：着火是反应放热

7、因素与散热因素相互作用的结果。如果反应放热一直大于体系散热，那么体系温度就会出现热量积聚，温度升高，反应加速，发生自燃；相反，如果散热因素占优势，那么体系温度就会下降或者保持相对平衡，就不能发生自燃2。因此，研究有散热情况下的燃料自燃条件就具有很大的实际意义。为了使问题简化，以便于研究，假设：（1）巷道壁或工作面壁的温度为保持不变；（2）瓦斯反应系统的温度和浓度都是均匀的；（3）由瓦斯向巷道壁的对流换热系数为，且不随温度而变化；（4）反应系统放出的热量（及在该阶段瓦斯的反应热）为定值。如果该反应区域容积为，反应速度为（单位时间内单位容积中物质的量得变化），则在单位时间内反应系统所放出的热量为：

8、 (3-1-1) 根据化学房源速度理论和阿累尼乌斯定律，对于一般的二级反应，在达到着火时间内，反应速度可用下式表示： （3-1-2）式中阿累尼乌斯反应速度常数、分别为燃料和空气的摩尔浓度。将值带入3-1，得出系统的放热量为： （3-3）在单位时间内通过巷道壁而损失的热量可用下式表示（温度不高时，辐射损失可以忽略不计）： (3-1-3)式中：通过巷道壁的对流热换系数；巷道壁的传热面积；反应系统温度；巷道壁温度。由于在反应初期、与反应开始前得最初浓度、很相近，、均为常数，因此放热速度和混合气（瓦斯）温度之间的关系是指函数关系，即，如图3-1中曲线值所示。当瓦斯的压力或浓度增加时，曲线向上方移动（）

9、。图3-1放热速度 和混合气（瓦斯）温度 之间的关系散热浓度与瓦斯温度之间是直线函数关系，如图3-1中直线所示。当巷道壁温度上升时，直线向右下方移动，例如。当放热速度小于散热速度（），瓦斯的温度就会逐渐降低，显然不可能引起着火。反之，如放热速度大于散热速度（），则混合气总有可能着火，例如当提高瓦斯空气混合气体的压力，使放热反应速度按照图中进行，而容器壁温度仍保持，此时散热速度大大低于放热速度，则在任何时候混合气体均能自行加热而着火3。由以上分析可以看出：反应由不可能着火而转为可能着火，必须经过=这一点，这就是着火的必要条件，但是=并不是着火的充分条件。3.1.1混合气体成分与着火条件的关系假设

10、=，该系统达到着火条件，可知： (3-1-4)根据的条件对3-5求导数，得出（除处，其余均已知）： (3-1-5)将式3-8除以式3-7得出： (3-1-6)可得： (3-1-7)将上式中的根号按照级数展开，可得：= (3-1-8)将3-11式代入3-5可得： （3-1-9）由于1，式3-12中：因而，式3-12可以写为： (3-1-10)现设反应物总摩尔浓度为C，即，表示燃料（瓦斯）的摩尔分数，表示空（氧）气的摩尔分数，则：；同时，在着火条件下，根据理想气体状态方程：式中，混合气体的临界眼里，即着火时的混合气压力。将式3-13中，换成压力和温度的函数则： （3-1-11）则由上式可知混合气体

11、成分对着火有密切的关系。当温度不变，燃料（瓦斯）的摩尔分数开始减小时，从气体状态方程可知会逐渐降低，但是超过一定值后，由于空气的摩尔分数的增大，又会逐渐上升，它们之间的关系如图3-2所示。当压力不变时，混合气成分与着火温度的关系也是如此4，如图3-3所示。图3-2混合气体成份与着火压力的关系图3-3混合气体成份与着火温度的关系相应与压力、下的火焰传播速度用、表示，则存在一般关系式为：则当混合气体摩尔成为提高时火焰传播速度增加，当混合气体摩尔成分继续增加时，火焰传播速度将减小，见图3-4。图3-4混合气体成分与火焰传播速度的关系3.1.2燃烧室体积与火焰传播速度之间的关系由可知燃烧式的容积约大，

12、混合气体燃烧的临界压力就越大，火焰传播速度就越大5。4 矿井瓦斯爆炸控制理论假设4.1瓦斯空气反馈作用理论根据混合气体成份与火焰传播之间的关系，假定：矿井下空气压力处于一定相对稳定的条件，那么采用添加足量稀释气体的方法可以使爆炸气体不能着火，即燃烧波不能持续下去，这种稀释剂可以是过量的燃料（瓦斯）或过量的氧化剂（空气）或惰性气体。4.2缓冲巷布置控制理论由6可知燃烧式的容积约大，混合气体燃烧的临界压力就越大，火焰传播速度就越大，那么在矿井瓦斯爆炸控制过程中，假定瓦斯爆炸区域处于一个无极限大的爆炸空间，那么火焰传播速度便区域零。5 矿井瓦斯爆炸控制理论实验验证5.1火焰传播速度测量法简介5.1.

13、1高速火焰传播测量法米海里森火焰传播速度测定法简介一燃烧器稳定火焰可燃混合气体从圆形关口喷出并点燃，即会形成一圆锥火焰，这种形式的火焰称作本生火焰。利用这种火焰测定火焰传播速度是最常用的方法，即米海里森法。二Gouy法测火焰面积利用火焰面积进行测量的方法成为Gouy法，即 （5-1-1）式中可燃混合气体流量；火焰面积。利用此种方法测量体积流量比较容易，而测量火焰面积较难。若近似的认为火焰面为一正圆锥体体表面，则面积可以由下式求得： （5-1-2）式中燃烧器出口处火焰锋面锥底的半径；火焰高度。实际过程中火焰并非正椎体，一般来说它的斜体也不是直线。但经试验研究结果误差很小。火焰锥顶混合气预先过渡加热，喷出口处壁面的冷却以及由于流线弯曲而使火焰面半径增