CN106596636A - 一种基于Coward爆炸三角形的混合气体鉴定装置和鉴定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Coward爆炸三角形的混合气体鉴定装置和鉴定方法，在原有Coward爆炸三角形的基础上(CH₄、CO和H₂)充分考虑混合气体温度、压力并导入烃类气体(C₂H₂、C₂H₄和C₂H₆)来对混合气体爆炸可能进行综合分析，并生成爆炸三角形与现场实测气体数据进行比对，判断是否有可能发生爆炸。利用本发明的方法及装置可以依据收集到的气体样本的参数迅速、准确地确定气样所处空间的混合气体是否具有爆炸可能性，为井下防控瓦斯爆炸、或者实施救援等提供直接的证据，并可免去大量的实验测定相关的评估爆炸性的参数，提高了工作效率。

Description

一种基于Coward爆炸三角形的混合气体鉴定装置和鉴定方法

技术领域

本发明涉及一种基于Coward爆炸三角形的混合气体鉴定装置和鉴定方法，用于研究密闭矿井中大气组成或矿井火灾防治。

背景技术

Coward爆炸性图表法可以简便、快捷地确定混合气体的爆炸性。在最初的Coward图中，只有三种可燃气体(CH₄，CO和H₂)。当三种可燃气体与空气混合时，混合物的爆炸性取决于可燃气体和氧气所占的比重。其中，爆炸性三角形是由三个特征点确定的，即产生爆炸所需最少量氧气的上、下限以及鼻限点。

然而，在一个密闭的矿井中，矿井中的大气由以下气体组成：①大气气体，大气气体是指能在一般环境中发现的气体样品，大约99％的成分是N₂(氮气)和O₂(氧气)，除此以外还有少量的Ar(氩)和CO₂(二氧化碳)；②地下矿井中化学反应(煤的低温氧化，燃烧或瓦斯爆炸事故)产生的气体；③从原始煤层排放的气体，如CH₄(甲烷)，CO₂(二氧化碳)和H₂(氢气)；(4)其他惰性气体，如N₂。

通常情况下，化学反应有两种不同的形式，第一是煤的氧化或燃烧，第二是矿井瓦斯爆炸。煤的氧化是一个不可逆的放热反应，随着温度的增加反应速率随之加快。当煤的氧化产生的热量不能充分传导至周围环境中时，煤体温度增加并反向作用于煤氧化过程，从而导致煤氧化速率的增加，如不能用适当的方式控制这一反应就会导致热失控并可能发生火灾。煤暴露在空气中发生的自发加热反应也是煤的一种低温氧化反应，随着该反应的加剧，有可能导致矿井火灾。

研究矿井火灾产物的重要前提是理解煤体氧化进程中产生的各种气体产物。一般来说，会依次发生以下过程：

(1)气体从煤中分馏出来：低温氧化的初期产物是CO(一氧化碳)、CO₂和水蒸汽，同时也产生了CH₄和H₂；

(2)煤表面发生氧化的同时放出热量：这个阶段产生的气体包括C_nH_2n+2(烷烃)、C_nH_2n(烯烃)和C_nH_2n-2(炔)等一系列烃类气体，且该过程的进展速度取决于氧化的温度；

(3)煤燃烧：消耗O₂并主要产生CO和CO₂。

在地下的空气组分中通常存在C₂H₂(乙炔)、C₂H₄(乙烯)和C₂H₆(乙烷)，虽然这些气体总量不大，但对井下采空区内的气体的爆炸性影响十分显著；由于原始Coward爆炸性图表法并不考虑这些气体，因此在实际的工程应用中均必然会有一定的局限性，有时甚至会误判，将可能发生爆炸的区域判定为不会发生爆炸的区域，这对矿井生产安全产生了极其不利的影响，因而亟需对现有的Coward爆炸鉴定法进行有益的修正。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于Coward爆炸三角形的混合气体鉴定装置和鉴定方法，用于改善现有Coward爆炸鉴定方法的粗判、误判缺陷，提升爆鉴定准确性和可靠性。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于Coward爆炸三角形的混合气体鉴定装置，包括水平设置的气体浓度检测腔体，气体浓度检测腔体的前端设置有探测气管、尾端设置有负压抽吸式风扇，在探测气管的进气端设置有滤尘纱网，在探测气管的内部设置有温度计和压力计，氧气浓度测定探头、氮气浓度测定探头、甲烷浓度测定探头、一氧化碳浓度测定探头、氢气浓度测定探头、乙炔浓度测定探头、乙烯浓度测定探头、乙烷浓度测定探头和二氧化碳测定探头伸入到气体浓度检测腔体内部，并位于同一水平面上。

优选的，所述气体浓度检测腔体外壁上设置有集成显示屏，氧气浓度测定探头、氮气浓度测定探头、甲烷浓度测定探头、一氧化碳浓度测定探头、氢气浓度测定探头、乙炔浓度测定探头、乙烯浓度测定探头、乙烷浓度测定探头和二氧化碳测定探头采集到的各种气体浓度数据通过集成显示屏显示。

一种基于上述鉴定装置的鉴定方法，包括如下步骤：

(1)将所述鉴定装置的探测气管插入到待鉴定气体的所处空间内，打开负压抽吸式风扇，将待鉴定气体吸入气体浓度检测腔体内部，通过氧气浓度测定探头、氮气浓度测定探头、甲烷浓度测定探头、一氧化碳浓度测定探头、氢气浓度测定探头、乙炔浓度测定探头、乙烯浓度测定探头、乙烷浓度测定探头和二氧化碳测定探头采集各种气体的浓度；

(2)对各种气体的浓度进行预处理，确定各种气体的体积百分比，同时记录待鉴定气体采集时刻的温度值T和压力值P；

(3)将298K温度、P₀压力下可燃气体i爆炸上、下限处的氧气浓度和可燃气体i浓度作为可燃气体i爆炸上、下限的原始值，对可燃气体i爆炸上、下限的原始值进行考虑氮气影响的一次修正、考虑二氧化碳影响的二次修正、考虑温度和压力的三次修正；i为甲烷、一氧化碳、氢气、乙炔、乙烯和乙烷；

(4)根据可燃气体i爆炸上、下限的修正值计算鼻限点，再确定鼻限点处的氧气浓度和可燃气体i浓度；

(5)根据步骤(3)和步骤(4)计算得到的结果在二维坐标系中绘制Coward爆炸三角形；将现场数据点在Coward爆炸三角形中绘出，判断是否具有爆炸可能。

具体的，所述步骤(3)中对可燃气体i爆炸上、下的原始值进行修正的过程为：

(31)通过勒夏特列扩展方程对可燃气体i爆炸上、下限进行考虑氮气影响的修正：

式中：U_i、L_i为可燃气体i爆炸上、下限的原始值，U_i'、L_i'为可燃气体i爆炸上、下限的一次修正值；a、b、c和d为针对可燃气体i的实验参数(参考表1)；V_i为可燃气体i的体积百分比，为氮气的体积百分比；

(32)通过勒夏特列扩展方程对可燃气体i爆炸上、下限进行考虑二氧化碳影响的修正：

式中：U_i″、L_i″为可燃气体i爆炸上、下限的二次修正值；p、q、r和s为针对可燃气体i的实验参数(参考表2)； 为二氧化碳的体积百分比；

(33)对于可燃下限，Burgess和Wheeler说明了在环境温度、压力下1mol的气体混合物释放的热量是一个常量，这就是所谓的Burgesse-Wheeler定律，根据Burgesse-Wheeler定律对可燃气体i爆炸下限进行修正；

正常大气压的变化对爆炸极限的影响并不明显；然而，一旦采空区密闭，由于瓦斯气体不断地排放，封闭区域的内部压力升高并超过了环境压力；一系列的实验观测已经表明压力的变化对爆炸上限的影响需要纳入考虑但是对爆炸下限并没有太大影响；我们根据等学者总结的实验结果提出一种二阶方程描述压力函数的爆炸极限，对对可燃气体i爆炸上限进行修正；

对可燃气体i爆炸上限的二次修正值进行考虑压力的三次修正，对可燃气体i爆炸下限的二次修正值进行考虑温度的三次修正；

式中：UFL_{P_i}、LFL_{T_i}为可燃气体i爆炸上、下限的三次修正值；T_min为使得火焰传播必须达到的最低温度；m和n为实验参数(参考表3)。

具体的，所述步骤(4)中，根据可燃气体i爆炸上、下限的修正值计算鼻限点的方法为：

O_ij＝0.2093[100-C_ij(1+K_ij)] (7)

式中：C_ij为隋性气体j作用下的可燃气体i的鼻限点，K_ij为惰性气体j对可燃气体i的窒息比，O_ij为鼻限点处的氧浓度；h_j和g_j为针对惰性气体j的实验参数(参考表4)；j为氮气和二氧化碳。

表1相关可燃气体参数值

表2相关可燃气体参数值

表3不同温度条件下常数m，n取值

表4惰性气体系数

有益效果：本发明提供的基于Coward爆炸三角形的混合气体鉴定装置和鉴定方法，与原有Coward方法相比，纠正了一些基本参数，如爆炸上、下限以及鼻限，引入烃类可燃气体，充分考虑环境因素(温度、压力)对可燃气体爆炸性的影响，从而提高了该方法判断鉴定混合气体爆炸性的准确度；利用本发明的方法及装置可以依据收集到的气体样本的参数迅速、准确地确定气样所处空间的混合气体是否具有爆炸可能性，为井下防控瓦斯爆炸、或者实施救援等提供直接的证据，并可免去大量的实验测定相关的评估爆炸性的参数，提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明方法的实施流程图；

图2为本发明装置的结构示意图；

图3为采用美国矿务局爆炸图法对某矿真实气体参数的分析结果图；

图4为采用原始Coward爆炸性图表法对某矿真实气体参数的分析结果图；

图5为采用修正版的Coward爆炸性图表法对某矿真实气体参数的分析结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

为了检验改进的Coward爆炸性图表(本发明)的可靠性，利用原始的Coward图以及美国矿业局爆炸图作为对照。表4显示了共50组从矿井大气监测系统得到的测试样本的原始数据，图3～5显示了对应的状态点并且给出了采用美国矿业局爆炸图法，原始的Coward方法和改进的Coward方法得到的三种爆炸三角形图。可以看出，这三种方法对于案例17，18，19，20，21，22，23，24和25可以得到相同的结果，都是可能发生爆炸的情况。但是，对案例10、16，27，32，46，47和48的爆炸性进行判断时出现了冲突的情况：美国矿务局爆炸图法和原始Coward爆炸性图表法表明在其中的若干案例情况下，混合气体不具备爆炸性。然而，改进的Coward爆炸性图法认为都是可爆的。一个原因是，在改进的方法中引入了烃类可燃气体因此爆炸区变大，而这种矛盾冲突点在图4中距离爆炸三角形边界很近。而利用美国矿务局爆炸性图法和原始的Coward图法很容易认为它们是不可爆点，相同案例下，改进的Coward爆炸性图表法会判定其是可爆的。因此，改进的方法比其他两种方法更安全准确。

Coward方法是判定矿井瓦斯爆炸性的一个有效便捷的方法，为了有效地使用这个方法，基本参数的使用必须确保准确。改进的Coward方法与原始Coward方法相比，主要的改进工作如下：(1)扩大了原始模型中可燃气体的种类。因此，能更好的预测矿井瓦斯爆炸，特别是高瓦斯矿井在开采过程中可能引起的瓦斯爆炸事故；(2)根据压力或惰性气体所造成的影响，纠正了具体环境温度下的爆炸下限和爆炸上限；(3)重新定义每种可燃气体的鼻限。

表5某矿采空区气体测定值

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于Coward爆炸三角形的混合气体鉴定装置，其特征在于：包括水平设置的气体浓度检测腔体(4)，气体浓度检测腔体(4)的前端设置有探测气管(5)、尾端设置有负压抽吸式风扇(15)，在探测气管(5)的进气端设置有滤尘纱网(1)，在探测气管(5)的内部设置有温度计(2)和压力计(3)，氧气浓度测定探头(6)、氮气浓度测定探头(7)、甲烷浓度测定探头(8)、一氧化碳浓度测定探头(9)、氢气浓度测定探头(10)、乙炔浓度测定探头(11)、乙烯浓度测定探头(12)、乙烷浓度测定探头(13)和二氧化碳测定探头(14)伸入到气体浓度检测腔体(4)内部，并位于同一水平面上。

2.根据权利要求1所述的基于Coward爆炸三角形的混合气体鉴定装置，其特征在于：所述气体浓度检测腔体(4)外壁上设置有集成显示屏(16)，氧气浓度测定探头(6)、氮气浓度测定探头(7)、甲烷浓度测定探头(8)、一氧化碳浓度测定探头(9)、氢气浓度测定探头(10)、乙炔浓度测定探头(11)、乙烯浓度测定探头(12)、乙烷浓度测定探头(13)和二氧化碳测定探头(14)采集到的各种气体浓度数据通过集成显示屏(16)显示。

3.一种采用权利要求1所述的鉴定装置的鉴定方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)将所述鉴定装置的探测气管(5)插入到待鉴定气体的所处空间内，打开负压抽吸式风扇(15)，将待鉴定气体吸入气体浓度检测腔体(4)内部，通过氧气浓度测定探头(6)、氮气浓度测定探头(7)、甲烷浓度测定探头(8)、一氧化碳浓度测定探头(9)、氢气浓度测定探头(10)、乙炔浓度测定探头(11)、乙烯浓度测定探头(12)、乙烷浓度测定探头(13)和二氧化碳测定探头(14)采集各种气体的浓度；

(2)对各种气体的浓度进行预处理，确定各种气体的体积百分比，同时记录待鉴定气体采集时刻的温度值T和压力值P；

(3)将298K温度、P₀压力下可燃气体i爆炸上、下限处的氧气浓度和可燃气体i浓度作为可燃气体i爆炸上、下限的原始值，对可燃气体i爆炸上、下限的原始值进行考虑氮气影响的一次修正、考虑二氧化碳影响的二次修正、考虑温度和压力的三次修正；i为甲烷、一氧化碳、氢气、乙炔、乙烯和乙烷；

(4)根据可燃气体i爆炸上、下限的修正值计算鼻限点，再确定鼻限点处的氧气浓度和可燃气体i浓度；

(5)根据步骤(3)和步骤(4)计算得到的结果在二维坐标系中绘制Coward爆炸三角形；将现场数据点在Coward爆炸三角形中绘出，判断是否具有爆炸可能。

4.根据权利要求3所述的鉴定方法，其特征在于：所述步骤(3)中对可燃气体i爆炸上、下的原始值进行修正的过程为：

(31)通过勒夏特列扩展方程对可燃气体i爆炸上、下限进行考虑氮气影响的修正：

$\frac{C_{i\_N_2}{N}_i}{100-(U_i/C_i)}=\frac{C_{i\_N_2}{N}_i}{100-U_i}+{\mathrm{bC}}_{N_2}+{\mathrm{cC}}_{N_2}^2+{\mathrm{dC}}_{N_2}^3---\left(1\right)$

$\frac{C_{i\_N_2}}{L^{\′}}=\frac{C_{i\_N_2}}{L}+{\mathrm{aC}}_{N_2}---\left(2\right)$

式中：U_i、L_i为可燃气体i爆炸上、下限的原始值，U_i'、L_i'为可燃气体i爆炸上、下限的一次修正值；a、b、c和d为针对可燃气体i的实验参数；V_i为可燃气体i的体积百分比，为氮气的体积百分比；

(32)通过勒夏特列扩展方程对可燃气体i爆炸上、下限进行考虑二氧化碳影响的修正：

$\frac{C_{i\_{\mathrm{CO}}_2}{N_i}^{\′}}{100-({U_i}^{\′\′}/C_i)}=\frac{C_{i\_{\mathrm{CO}}_2}{N_i}^{\′}}{100-{U_i}^{\′}}+{\mathrm{qC}}_{{\mathrm{CO}}_2}+{\mathrm{rC}}_{{\mathrm{CO}}_2}^2+{\mathrm{sC}}_{{\mathrm{CO}}_2}^3---\left(3\right)$

$\frac{C_{i\_{\mathrm{CO}}_2}}{{L_i}^{\′\′}}=\frac{C_{i\_{\mathrm{CO}}_2}}{{L_i}^{\′}}+{\mathrm{pC}}_{{\mathrm{CO}}_2}---\left(4\right)$

式中：U_i”、L_i”为可燃气体i爆炸上、下限的二次修正值；p、q、r和s为针对可燃气体i的实验参数； 为二氧化碳的体积百分比；

(33)对可燃气体i爆炸上限的二次修正值进行考虑压力的三次修正，对可燃气体i爆炸下限的二次修正值进行考虑温度的三次修正；

${\mathrm{UFL}}_{P\_i}={U_i}^{\′\′}\[1+m(\frac{P}{P_0}-1)+n{(\frac{P}{P_0}-1)}^2\]---\left(5\right)$

$\frac{{\mathrm{LFL}}_{T\_i}}{{L_i}^{\′\′}}=1-\frac{T-298}{T_{\min }-298}---\left(6\right)$

式中：UFL_{P_i}、LFL_{T_i}为可燃气体i爆炸上、下限的三次修正值；T_min为使得火焰传播必须达到的最低温度；m和n为实验参数。

5.根据权利要求4所述的鉴定方法，其特征在于：所述步骤(4)中，根据可燃气体i爆炸上、下限的修正值计算鼻限点的方法为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{ij}=\frac{(1+g_j)\·{\mathrm{LFL}}_{T\_i}}{1+\frac{g_j\·{\mathrm{LFL}}_{T\_i}}{{\mathrm{UFL}}_{P\_i}}}\\ K_{ij}=h_j\·(\frac{1}{{\mathrm{LFL}}_{T\_i}}-\frac{1}{{\mathrm{UFL}}_{P\_i}})\end{array}\right.---\left(6\right)$

O_ij＝0.2093[100-C_ij(1+K_ij)] (7)

式中：C_ij为隋性气体j作用下的可燃气体i的鼻限点，K_ij为惰性气体j对可燃气体i的窒息比，O_ij为鼻限点处的氧浓度；h_j和g_j为针对惰性气体j的实验参数；j为氮气和二氧化碳。