CN106599490A - 一种用于地下矿山环境的爆炸评估模型建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于地下矿山环境的爆炸评估模型建立方法，包括如下步骤：(1)判断井下气体状态；(2)确定每一时刻混合气体状态分别处于两个非爆炸区域的空气与甲烷体积流速比的关键值；(3)判断状态点所处的位置；(4)状态点处于两种非爆炸区域，分别估算混合气体的这两种状态点由非爆炸区域进入爆炸区域所需要的时间；(5)状态点处于爆炸区域时，估算状态点由爆炸区域转换为非爆炸区域的所用时间；(6)推导出使得状态点由爆炸区域进入非爆炸区域用时最短的最佳方案。本发明在爆炸三角形基础上，结合三角函数，得到每一时刻井下气体环境的安全状态，以及下一时刻该的可能发展趋势，能够帮助在危险时刻提供快速脱离危险的方案。

Description

一种用于地下矿山环境的爆炸评估模型建立方法

技术领域

本发明涉及一种用于地下矿山环境的爆炸评估模型建立方法。

背景技术

爆炸危害存在于地下煤矿开采过程中，对作业人员造成严重的威胁。一旦发生爆炸，将造成严重的人员伤亡和财产损失。因此，地下环境管理是个需要重视的问题。

瓦斯爆炸的发生取决于爆炸极限的范围，以往的研究都是以爆炸原理为爆炸风险分析基础。此外，由于工程应用的原因，产生大量的爆炸图表并使用，这些图表将气体状态点与爆炸区域在一张图中反映出来，直观的显示出矿井中的安全性，例如USBM爆炸图表方法就是美国常用的一种方法。但是由于矿井中的气体成分是在时刻变化着的，这就导致图表以及状态点随着时间是在变化的，就想拍摄一个时刻在动的物体，很难对爆炸性定义安全余量，这就给了这种方法很大的不确定性，研究状态点的实时变化就尤为重要。甲烷-空气-惰性气体的混合气体的爆炸性取决于甲烷和有效惰性气体百分比，对于矿井中爆炸风险演化仍是一个重要的问题。

综上，为了提高矿井开采过程中的安全性以及爆炸风险存在情况下对风险进行评估和预测，这种用于地下矿山环境的爆炸评估模型建立的方法能够解决两个问题：1)对于处于分爆炸区域的状态，可以提供定量分析方法，以优化爆炸风险缓解策略；2)可以为状态点在爆炸区域和非爆炸区域之间的转换提供精确地提前预测。

这种方法不仅能提高对矿井爆炸性大气演化的认识，而且对任何地下矿山工人的生命安全都具有重要的意义。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于地下矿山环境的爆炸评估模型建立方法，当井下环境存在爆炸风险时，通过该方法对其安全状态进行评估，为管理人员提供可直观的风险变化趋势，并为使爆炸风险状态转变为非爆炸风险状态提供策略。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于地下矿山环境的爆炸评估模型建立方法，包括如下步骤：

(1)根据井下封闭空间内混合气体的组成在二维坐标系XOY上构建爆炸三角形DOA，将爆炸三角形DOA划分为非爆炸区域CDFN、非爆炸区域ABNE、爆炸区域BNC和安全区域FOEN四部分，并在爆炸三角形上标记井下混合气体的状态点P；其中：X轴表征甲烷体积浓度，Y轴表征氧气体积浓度，点O为X轴和Y轴的0点，点F和点D在X轴上，点F在点O和点D之间，点E和点A在Y轴上，点E在点O和点A之间，点B和点C在直线AD上，点B在点A和点C之间，点N在三角形DOA内；

(2)若状态点P处于非爆炸区域CDFN或非爆炸区域ABNE，首先确定向井下封闭空间内充入新鲜空气的体积流速V_air和向井下封闭空间内充入甲烷的体积流速的比值，根据三角函数关系确定状态点P的运动趋势：

①当处于非爆炸区域CDFN时， 当新鲜空气量增加或者甲烷量减少时，状态点P有向爆炸区域BNC移动的运动趋势；

②当处于非爆炸区域ABNE时， 当新鲜空气量减少或者甲烷量增加时，状态点P有向爆炸区域BNC移动的运动趋势；

(3)若状态点P处于非爆炸区域CDFN或非爆炸区域ABNE，状态点P的运动趋势随着新鲜空气体积流速V_air和甲烷体积流速的变化而变化：当向井下封闭空间内充入甲烷时，计算甲烷浓度为从而在直线PD上找到时长后状态点P移动到的位置P_A；当向井下封闭空间内充入新鲜空气时，计算氧气浓度为从而在直线PA上找到t_air时长后状态点P移动到的位置P_B；根据P_A和P_B判断状态点P的运动趋势，其中，和t_air分别为甲烷和新鲜空气的充入时长，V_Total为封闭空间的总体积，O为向井下封闭空间内充入新鲜空气前封闭空间内的氧气体积浓度，C为向井下封闭空间内充入甲烷前封闭空间内甲烷体积浓度；

(4)若状态点P处于非爆炸区域CDFN或非爆炸区域ABNE，计算状态点P到达爆炸区域BNC所需时长：

①当状态点P处于非爆炸区域CDFN时，读取进入爆炸区域BNC临界点的甲烷浓度C_Explosive，据此推导出状态点P到达爆炸区域BNC所需时长t_{need_1}如下：

②当状态点P处于非爆炸区域ABNE时，读取进入爆炸区域BNC临界点的氧气浓度O_Explosive，据此推导出状态点P到达爆炸区域BNC所需时长t_{need_2}如下：

(5)当状态点P处于爆炸区域BNC时，计算在充入惰性气体且在甲烷不断增多的情况下状态点P走出爆炸区域BNC到达非爆炸区域CDFN所需时长t_{need_3}为：

其中，为向井下封闭空间内充入氮气的体积流速，N_Explosive为向井下封闭空间内充入氮气t_{need_3}时长后氮气的体积浓度，N为向井下封闭空间内充入氮气前封闭空间内的氮气体积浓度；

(6)当状态点P处于爆炸区域BNC时，若状态点P沿垂直于临界线CN的方向移动时，则状态点P到达非爆炸区域CDFN的所需时长t_{need_3}最短；

测量爆炸三角形DOA得到趋势角θ，根据公式得到氮气充入量和甲烷充入量的比值，维持该比值则能够使状态点P以最快的速度走出爆炸区域BNC进入非爆炸区域CDFN；其中，趋势角θ为PD与PP_Expiosive之间的夹角，过点P_Explosive做直线PD的垂线，该垂线与直线PD的交点记为点点P_Explosive为由爆炸区域BNC进入非爆炸区域CDFN的临界点。

本发明是在爆炸三角形图表基础上，结合三角函数知识，建立评估模型，推导出状态点的运行趋势，以及为做好应急准备提前预测，并提供最佳方案。

在以往的图表分析时，只能对某一时刻进行分析，但是在井下空间范围内，混合气体的组分在时刻发生着变化，结合三角函数，在已知甲烷和惰性气体充入速率的情况下，不难推算出状态点的运行趋势，结合其运行趋势，推导出状态点由爆炸区域向非爆炸区域移动所需时间，以及非爆炸区域状态下的气体环境转换为爆炸危险情况的可能性，为提前做出决策提供依据。

有益效果：本发明提供的用于地下矿山环境的爆炸评估模型建立方法，在科沃德爆炸图标的基础上，结合三角函数，得到每一时刻井下气体环境的安全状态，以及下一时刻该状态有可能的发展趋势，能够帮助在危险时刻提供快速脱离危险的方案。

附图说明

图1为本发明的实施流程图；

图2为气体状态点由两种非爆炸区域向爆炸区域移动时的预测图；

图3为气体状态点由爆炸区域向非爆炸区域移动时的预测图；

图4为气体状态点由爆炸区域逃离时的最短路径。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种用于地下矿山环境的爆炸评估模型建立方法，包括如下步骤：(1)判断井下气体状态；(2)根据爆炸三角中的三角函数关系确定每一时刻混合气体状态分别处于两个非爆炸区域的空气与甲烷体积流速比的关键值，可根据关键值的增大或减小确定状态点的动向；(3)判断状态点所处的位置，分为处于非爆炸区域CDFN、ABNE，或者处于爆炸区域BNC两种情况进行考虑；(4)状态点处于非爆炸区域CDFN、ABNE，分别估算混合气体的这两种状态点由非爆炸区域进入爆炸区域所需要的时间，并推导出公式；(5)状态点处于爆炸区域时，推导出状态点由爆炸区域转换为非爆炸区域的所用时间的计算公式；(6)根据(2)中所描述的空气与甲烷体积流速比的关键值的定义与计算公式，推导出使得状态点由爆炸区域进入非爆炸区域用时最短的最佳方案，即最佳关键值的大小。

实施例一

矿井中气体组成为：CH₄:22％；N₂:70％；O₂:8.00％。封闭空间的总体积为V_Total＝100000m³，甲烷的体积流量为计算为减少爆炸风险所应控制的新鲜空气的最大体积流量，以及假设新鲜空气的体积流量为V_air＝4m³/s，还有多长时间就会使状态点P进入爆炸区域BNC。参见图2(a)。

此时状态点P此时状态点处于非爆炸区域CDFN， 得到也就是说当新鲜空气的体积流量超过0.734m³/s时，状态点P会向爆炸区域BNC移动；根据公式和得到向量坐标P_Explosive，然后根据公式得到状态点P到达爆炸区域BNC所需时长为t_{need_1}＝3.18个小时。

实施例二

矿井中气体组成为：CH₄:2％；N₂:83％；O₂:15.00％。封闭空间的总体积为V_Total＝100000m³，甲烷的体积流量为计算当甲烷量增加，新鲜空气的体积流量至少要维持在多少才能减少爆炸风险，以及当新鲜空气的体积流量为V_air＝1m³/s时，还有多长时间就会使状态点P进入爆炸区域BNC。参见图2(b)。

此时状态点P此时状态点处于非爆炸区域ABNE， 得到也就是说当新鲜空气的体积流量低于2.05m³/s时，状态点P会向爆炸区域BNC移动；根据公式和得到向量坐标P_Explosive，然后根据公式得到状态点P到达爆炸区域BNC所需时长为t_{need_2}＝2.73个小时。

实施例三

矿井中气体组成为：CH₄:8％；N₂:75％；O₂:17.00％。封闭空间的总体积为V_Total＝100000m³，甲烷的体积流量为计算如果氮气的体积流量为(1500m³/h)，需要多长时间状态点P能够逃离爆炸区域BNC进入非爆炸区域CDFN，以及确定氮气与甲烷的最佳体积流量比，使得状态点P能够以最短时间逃离爆炸区域BNC。参见图3。

根据公式和得到向量坐标P_Explosive，然后依据公式得到在氮气的体积流量 时，需要3.47个小时使得状态点P能够逃离爆炸区域BNC进入非爆炸区域CDFN；依据公式得到也就是说，当氮气与甲烷的体积流量比维持在这个比值时，可以快速从爆炸区域BNC逃离。

通过以上分析，考虑了三种不同的情况，在实际问题的考虑过成中，首先要先确定当前的情况属性，根据不同的情况采用不同的过程进行计算，再根据计算结果得到较小危险发生可能的措施。

值得注意的是，这个方法的使用时假设充入的惰性气体与已有的密闭空间的气体混合是不需要反应时间的，并且在使用时应尽快更新数据，使图形反映时间与空间内气体改变时间相差最小，可以使结果更准确。

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 (2)

1.一种用于地下矿山环境的爆炸评估模型建立方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)根据井下封闭空间内混合气体的组成在二维坐标系XOY上构建爆炸三角形DOA，将爆炸三角形DOA划分为非爆炸区域CDFN、非爆炸区域ABNE、爆炸区域BNC和安全区域FOEN四部分，并在爆炸三角形上标记井下混合气体的状态点P；其中：X轴表征甲烷体积浓度，Y轴表征氧气体积浓度，点O为X轴和Y轴的0点，点F和点D在X轴上，点F在点O和点D之间，点E和点A在Y轴上，点E在点O和点A之间，点B和点C在直线AD上，点B在点A和点C之间，点N在三角形DOA内；

(2)若状态点P处于非爆炸区域CDFN或非爆炸区域ABNE，首先确定向井下封闭空间内充入新鲜空气的体积流速V_air和向井下封闭空间内充入甲烷的体积流速的比值，根据三角函数关系确定状态点P的运动趋势；

(3)若状态点P处于非爆炸区域CDFN或非爆炸区域ABNE，状态点P的运动趋势随着新鲜空气体积流速V_air和甲烷体积流速的变化而变化：当向井下封闭空间内充入甲烷时，计算甲烷浓度为从而在直线PD上找到时长后状态点P移动到的位置P_A；当向井下封闭空间内充入新鲜空气时，计算氧气浓度为从而在直线PA上找到t_air时长后状态点P移动到的位置P_B；根据P_A和P_B判断状态点P的运动趋势，其中，和t_air分别为甲烷和新鲜空气的充入时长，V_Total为封闭空间的总体积，O为向井下封闭空间内充入新鲜空气前封闭空间内的氧气体积浓度，C为向井下封闭空间内充入甲烷前封闭空间内甲烷体积浓度；

(4)若状态点P处于非爆炸区域CDFN或非爆炸区域ABNE，计算状态点P到达爆炸区域BNC所需时长：

①当状态点P处于非爆炸区域CDFN时，读取进入爆炸区域BNC临界点的甲烷浓度C_Explosive，据此推导出状态点P到达爆炸区域BNC所需时长t_{need_1}如下：

$\begin{array}{c}{C}_{Explosive}=\frac{V_{{\mathrm{CH}}_4}\·t_{need\_1}+V_{Total}\·C}{V_{{\mathrm{CH}}_4}\·t_{need\_1}+V_{Total}+V_{air}\·t_{need\_1}}\\ \⇒t_{need\_1}=\frac{V_{Total}\·C_{Explosive}-V_{Total}\·C}{V_{{\mathrm{CH}}_4}-V_{{\mathrm{CH}}_4}\·C_{Explosive}-V_{air}\·C_{Explosive}}\end{array}$

②当状态点P处于非爆炸区域ABNE时，读取进入爆炸区域BNC临界点的氧气浓度O_Explosive，据此推导出状态点P到达爆炸区域BNC所需时长t_{need_2}如下：

$\begin{array}{c}{C}_{Explosive}=\frac{0.21V_{air}\·t_{need\_2}+V_{Total}\·O}{0.21V_{air}\·t_{need\_2}+V_{Total}+V_{{\mathrm{CH}}_4}\·t_{need\_2}}\\ \⇒t_{need\_2}=\frac{V_{Total}\·O_{Explosive}-V_{Total}\·O}{0.21V_{air}-0.21V_{air}\·O_{Explosive}-V_{{\mathrm{CH}}_4}\·O_{Explosive}}\end{array}$

(5)当状态点P处于爆炸区域BNC时，计算在充入惰性气体且在甲烷不断增多的情况下状态点P走出爆炸区域BNC到达非爆炸区域CDFN所需时长t_{need_3}为：

$t_{need\_3}=\frac{V_{Total}\·N_{Explosive}-V_{Total}\·N}{V_{N_2}-V_{N_2}\·N_{Explosive}-V_{{\mathrm{CH}}_4}\·N_{Explosive}}$

其中，为向井下封闭空间内充入氮气的体积流速，N_Explosive为向井下封闭空间内充入氮气t_{need_3}时长后氮气的体积浓度，N为向井下封闭空间内充入氮气前封闭空间内的氮气体积浓度；

(6)当状态点P处于爆炸区域BNC时，若状态点P沿垂直于临界线CN的方向移动时，则状态点P到达非爆炸区域CDFN的所需时长t_{need_3}最短；

测量爆炸三角形DOA得到趋势角θ，根据公式得到氮气充入量和甲烷充入量的比值，维持该比值则能够使状态点P以最快的速度走出爆炸区域BNC进入非爆炸区域CDFN；其中，趋势角θ为PD与PP_Expiosive之间的夹角，过点P_Explosive做直线PD的垂线，该垂线与直线PD的交点记为点点P_Explosive为由爆炸区域BNC进入非爆炸区域CDFN的临界点。

2.根据权利要求1所述的用于地下矿山环境的爆炸评估模型建立方法，其特征在于：所述步骤(2)中，向井下封闭空间内充入新鲜空气的体积流速V_air和向井下封闭空间内充入甲烷的体积流速的比值按照如下方法计算：

①当处于非爆炸区域CDFN时， 当新鲜空气量增加或者甲烷量减少时，状态点P有向爆炸区域BNC移动的运动趋势；

②当处于非爆炸区域ABNE时， 当新鲜空气量减少或者甲烷量增加时，状态点P有向爆炸区域BNC移动的运动趋势。