CN102287232A - 判定煤矿瓦斯爆炸诱发次生火灾机理的方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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0.5～1mm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24：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26：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。

附图说明

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0.5～1mm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(1s、2s、5s、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0.5～1mm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24：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26：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、CO、CO₂，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、CO、CO₂，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、C₂H₂、C₃H₆、C₃H₈、CO₂、HCL，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： $\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\frac{\∂}{{\∂x}_j}\left({\mathrm{\ρu}}_j\right)=0$

动量守恒方程： $\frac{\∂}{\∂t}\left({\mathrm{\ρu}}_i\right)+\frac{\∂}{{\∂x}_j}[{\mathrm{\ρu}}_j{u}_i-\mathrm{\μ}(\frac{{\∂u}_j}{{\∂x}_j}+\frac{{\∂u}_j}{{\∂x}_i})]=$

$\stackrel{\‾}{g_i}-\frac{2}{3}{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}\frac{\∂}{{\∂x}_j}\left(\mathrm{\μ}\frac{{\∂u}_i}{{\∂x}_j}\right)-\frac{\∂}{{\∂x}_j}\left(\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ρu}}_i^{\′}{u^{\′}}_j}\right)-\frac{\∂P}{{\∂x}_i}-\stackrel{\‾}{f_i}$

能量守恒方程： $\frac{\∂\left(\mathrm{\ρh}\right)}{\∂t}+\frac{\∂}{\∂x_j}\left({\mathrm{\ρu}}_{j}h\right)=\frac{\∂}{{\∂x}_j}(\mathrm{\λ}\frac{\∂h}{{\∂x}_j}-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}{u^{\′}}_j{h}^{\′}})+\stackrel{\‾}{S_h}$

热辐射方程： $\▿q_r=4\mathrm{\π}(\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\σ}{T}^4}{\mathrm{\π}}+E_p)-(\mathrm{\α}+{\mathrm{\α}}_p)G$

瓦斯爆炸事故发生后，会造成巨大的冲击破坏效应。如果假定爆炸发生后冲击波把工作面的局部通风机冲坏，造成了附近连接巷道的风流处于滞留状态，假定没有任何漏风存在。则爆源临近区域没有任何外界进风作用。其扰动、流动主要是由于空气温度的差异而造成的流动。仅仅温差造成的流动个可视为低雷诺数的湍流流动。此外，温差还有可能会造成湍流漩涡现象，一旦流动就会和巷道围岩产生对流换热现象。

为了解决这个问题，选用RNG k-ε数学模型来进行求解。RNG k-ε模型来源于严格的统计技术，它具有以下优点：(1)RNG模型在ε方程中加了一个条件，有效的改善了精度；(2)考虑到了湍流漩涡，提高了在这方面的精度；(3)RNG理论提供了一个考虑低雷诺数流动粘性的解析公式，这些公式的效用依靠正确的对待近壁区域。具体的RNG k-ε模型表示如下：

湍流动能k方程： $\frac{\∂\left(\mathrm{\ρk}\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left({\mathrm{\ρu}}_{j}k\right)}{{\∂x}_j}=\frac{\∂}{{\∂x}_j}\left((\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{kt}}})\frac{\∂k}{{\∂x}_j}\right)+G_k+G_b-\mathrm{\ρ\ϵ}$

湍流动能耗散率ε方程：

$\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ρ\ϵ}\right)+\frac{\∂}{{\∂x}_i}\left(\mathrm{\ρ\ϵ}{u}_j\right)=\frac{\∂}{{\∂x}_j}\left((\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ϵ}}})\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{{\∂x}_j}\right)+C_{1\mathrm{\ϵ}}\frac{\mathrm{\ϵ}}{k}(G_k+C_{3\mathrm{\ϵ}}{G}_b)-C_{2\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\ρ}\frac{{\mathrm{\ϵ}}^2}{k+\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}+S_{\mathrm{\ϵ}}$

式中：ρ为空气密度，kg/m³；u为速度，m/s；g_i为i方向上体积力；δ_ij为单位张量；μ为动力粘性，Pa.s；μ_t为湍流粘性，Pa.s；P为压力，Pa；h为焓，K；λ为导热系数，

为方程源项；ζ为常数；T为温度，K；Y_i为能量，J；为微分算子；σ，σ_ε，S_ε为系数；ε为湍流动能耗散率；k为湍流动能；G为入射辐射；G_k为由层流速度梯度产生的湍流动能，G_k＝μ_tS²(S是系数)；G_b为由浮力产生的湍流动能，

(β为系数，Pr_t为普朗特数)；C_1ε，C_2ε为实验系数；C_3ε为影响ε方程中浮力程度的常数，C_3ε＝tanh|υ/θ|(υ是流体平行与重力的速度分量；θ是垂直于重力的分量，C_3ε将会是1，对于速度方向和重力相同的层流。对于浮力应力层它是垂直重力速度，C_3ε将会变成零)；q_r为热源项；α，α_p为吸收系数；E_p为颗粒的等效辐射。

得出的爆炸后爆源临近区域的动态热环境的规律如下：(1)200m³、9.5％浓度的瓦斯爆炸后，整个巷道空气的最高温度随着时间的增加快速降低，不同时间点的最高温度不是固定在某一个位置，而是随着时间的增加向远离爆源的方向发生了位移。从爆炸后5s时距爆源5m处的929K、10s时10m处的741K、30s时40m处的654K、60s时80m处的576K、100s时120m处的532K、600s时280m处的398K、一直到12360s时整个巷道的温度都接近于300K。可以看出，约3.5h后巷道的温度基本回归正常；(2)100m³、9.5％浓度的瓦斯爆炸后整个巷道空气的最高温度随着时间的变化关系。爆炸后的整个巷道的最高温度和所在距离从爆炸后5s时距爆源5m处的787K、10s时10m处的704K、30s时30m处的572K、60s时60m处的522K、100s时100m处的482K、600s时380m处的398K、一直到4800s时整个巷道的温度都接近于315K。约3.3h后巷道的温度基本回归正常；(3)200m³、7.5％浓度的瓦斯爆炸后整个巷道空气的最高温度随着时间的变化关系。爆炸后的整个巷道的最高温度和所在距离从爆炸后5s时距爆源5m处的821K、10s时10m处的705K、30s时40m处的605K、60s时60m处的518K、100s时120m处的498K、600s时380m处的395K、一直到3600s时整个巷道的温度都接近于325K。约3.5h后巷道的温度基本回归正常；(4)100m³、7.5％浓度的瓦斯爆炸后整个巷道空气的最高温度随着时间的变化关系。爆炸后的整个巷道的最高温度和所在距离从爆炸后5s时距爆源2～5m处的693K、10s时10m处的634K、30s时30m处的538K、60s时60m处的491K、100s时100m处的466K、600s时380m处的359K、一直到4080s时整个巷道的温度都接近于318K。约3.5h后巷道的温度基本回归正常；(5)200m³、5.0％浓度的瓦斯爆炸后整个巷道空气的最高温度随着时间的变化关系。爆炸后的整个巷道的最高温度和所在距离从爆炸后5s时距爆源2～5m处的664K、10s时10m处的615K、30s时30m处的540K、60s时60m处的494K、100s时100m处的459K、600s时380m处的376K、一直到4620s时整个巷道的温度都接近于319K。约3.5h后巷道的温度基本回归正常；(6)100m³、5.0％浓度的瓦斯爆炸后整个巷道空气的最高温度随着时间的变化关系。爆炸后的整个巷道的最高温度和所在距离从爆炸后5s时距爆源2～5m处的581K、10s时5～10m处的542K、30s时30m处的493K、60s时40～60m处的432K、100s时80m处的428K、600s时280m处的359K、一直到5280s时整个巷道的温度都接近于311K。约3h后巷道温度基本回归正常。

各个初始体积和浓度下发生瓦斯爆炸后，时间较短时，高温区域离爆源较近、温度相对较高、作用区域相对较小；随着时间的增加，高温区域离爆源越来越远、温度逐渐下降、温度的作用区域也在逐渐放大。比较而言，爆炸发生后的短期虽然高温作用时间短、区域小，但是温度较高。

作为上述实施例的进一步改进，结合燃烧学基础理论和通过居里点快热裂解实验所得到的产物数据，基于燃烧的充分必要条件，对煤矿井下的可燃物在瓦斯爆炸情形下的产物分解、着火燃烧进行分析判定，从而得出煤矿井下瓦斯爆炸诱发次生火灾的机理。

基于前述分别对于年轻褐煤在瓦斯爆炸火焰波、爆炸后的动态热环境下的析出产物的特征和规律分析，结合燃烧学基础理论，对年轻褐煤在瓦斯爆炸条件下的着火燃烧进行判定。主要从以下几个方面进行分析：(1)年轻褐煤析出可燃物混合气体的着火温度；(2)年轻褐煤析出可燃物混合气体燃烧所需要的最低助燃样浓度；(3)年轻褐煤析出可燃物混合气体燃烧所需要满足的燃烧浓度极限；(4)年轻褐煤析出可燃物混合气体的着火感应期。得出如下规律：

(1)瓦斯爆炸发生在褐煤煤巷(包括年轻褐煤层和年老褐煤层)。一旦初始瓦斯落在下面的范围，就满足上述的4点条件，可能使得发生瓦斯爆炸后年轻褐煤所析出可燃性混合气体着火燃烧：体积为A(200m³＜A)、5.0％浓度～体积B1(100m³＜B1＜200m³＜A)、浓度8.6％所构成的整个上部区域，如图2所示。

(2)瓦斯爆炸发生在长焰煤煤巷。一旦初始瓦斯落在下面的范围，就满足上述的4点条件，可能使得发生瓦斯爆炸后长焰煤所析出可燃性混合气体着火燃烧：体积为A(200m³＜A)、5.0％浓度～体积B2(100m³＜B1＜B2＜200m³＜A)、浓度8.1％所构成的整个上部区域，如图3所示。

(3)瓦斯爆炸发生在焦煤煤巷。一旦初始瓦斯落在下面的范围，就满足上述的4点条件，可能使得发生瓦斯爆炸后焦煤所析出可燃性混合气体着火燃烧：体积为A(200m³＜A)、5.0％浓度～体积B2(100m³＜B3＜B1＜B2＜200m³＜A)、浓度9.0％所构成的整个上部区域，如图4所示。

(4)瓦斯爆炸发生在年轻无烟煤煤巷。一旦初始瓦斯落在下面的范围，就满足上述的4点条件，可能使得发生瓦斯爆炸后焦煤所析出可燃性混合气体着火燃烧：体积为A(200m³＜A)、5.0％浓度～体积B2(100m³＜B4＜B3＜B1＜B2＜200m³＜A)、浓度9.1％所构成的整个上部区域，如图5所示。

(5)如果瓦斯爆炸临近区域内有支护木材。一旦初始瓦斯落在下面的范围，就满足上述的4点条件，可能使得发生瓦斯爆炸后支护木材所析出可燃性混合气体着火燃烧：体积为A(200m³＜A)、5.0％浓度～体积B2(100m³＜B5＜B4＜B3＜B1＜B2＜200m³＜A)、浓度9.25％所构成的整个上部区域，如图6所示。

(6)如果瓦斯爆炸临近区域内有输送胶带、电缆之类的物质。一旦初始瓦斯落在下面的范围，就满足上述的4点条件，可能使得发生瓦斯爆炸后支护木材所析出可燃性混合气体着火燃烧：体积为A(200m³＜A)、5.0％浓度～体积B2(100m³＜B5＜B4＜B6＜B3＜B1＜B2＜200m³＜A)、浓度9.05％所构成的整个上部区域，如图7所示。

作为上述实施例的进一步改进，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。

下面详细描述应用居里点快速热裂解仪对煤矿井下主要可燃物着火机理的判定过程：

首先，基于包括空气动力学、流体力学、工程热力学等基础知识，并结合相关瓦斯爆炸实验所测得数据，通过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了分析和研究，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。

其次，通过应用能够基本满足煤矿瓦斯爆炸特殊热环境的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和热裂解实验结果分析。通过居里点快速热裂解实验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)在煤矿井下发生瓦斯爆炸的情形下的受热作用、挥发产物进行研究，得出相关规律。

最后，结合燃烧学基础理论和通过居里点快热裂解实验所得到的产物数据，基于燃烧的充分必要条件，对这些煤矿井下主要可燃物在瓦斯爆炸情形下的产物分解、着火燃烧进行分析判定。从而得出煤矿井下瓦斯爆炸诱发次生火灾的机理。

应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。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

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0.5～1mm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24：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26：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。

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