CN110807265A - 一种基于大气扰动的封闭火区燃烧爆炸危险性判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于大气扰动的封闭火区燃烧爆炸危险性判断方法，属于燃烧监测技术领域。该方法包括以下步骤：S1：采集至少持续24小时，至少3个测试区域的气压实时连续监测数据；S2：建立基于大气波动的封闭火区漏风量计算模型；S3：建立基于大气波动的封闭火区内侧氧浓度和甲烷浓度计算模型；S4：建立基于大气波动的封闭火区燃烧爆炸危险性判定模型。通过本发明的实现和应用，可结合具有火灾、瓦斯爆炸危险性矿井的实际情况，在更低成本、更高效率的前提下，对封闭火区可能发生的瓦斯爆炸危险性进行分析和预测，并可为具体矿井选择火区的封闭时刻提供参考，还可根据分析预测结果提前采取相应的防治措施。

Description

一种基于大气扰动的封闭火区燃烧爆炸危险性判断方法

技术领域

本发明属于燃烧监测技术领域，涉及一种基于大气扰动的封闭火区燃烧爆炸危险性判断方法。

背景技术

诸多行业存在因为火灾被封闭的区域，这些区域被封闭后依然可能存在高温。统一称为封闭火区。而煤矿中的此类封闭火区尤其多。封闭火区中可能还会存在其他的危险物质出现，继而诱发爆炸事故，加重事故的后果。因此，封闭火区的管理和监测工作就显得十分重要。

目前对于封闭火区的爆炸危险性进行分析、管理的主要技术有日常的定期定点抽气分析管控、束管监测分析、在线监控系统分析、基于假定情形所构建的封闭火区快速计算模型等技术方法。

a.日常的定期定点抽气分析管控：主要对封闭火区进行定期或不定期的测点布置，并在这些测点处进行打孔，应用抽气装置抽气后应用气相色谱仪进行气样分析，并根据所分析的结果，结合封闭火区内可能存在的燃烧物的阶段燃烧特征，进行火区燃烧状态分析，继而分析封闭火区的燃烧爆炸危险性。

b.束管监测分析：主要对在封闭火区全面分析的基础上，选取多个有代表性、全方位的测点进行钻孔施工，并将检测束管探入其中，然后将气体抽出进行分析，继而结合火区燃烧物质的阶段燃烧特征，判定获取的燃烧爆炸危险性。

c.在线监控系统分析

如果再火区实施封闭前，火区已经有连入监控系统的温度、气样、压力等传感器，或者有条件在封闭前进行加装该类传感器，则可提供在线监控系统进行封闭火区内侧上述参数的实时火区，并通监测结果进行、结合火区燃烧物质的阶段燃烧特征进行火区燃烧爆炸危险性分析判定。

d.基于假定情形所构建的封闭火区快速计算模型

目前该类方法是一种在基于对封闭火区较为了解的情况下，基于封闭火区封闭质量、火区漏风等情况进行封闭火区燃烧爆炸危险性快速判断的一种方法。

通过上述现有主要关联技术的阐述分析，认为上述4大类技术方案存在如下几点不足之处，具体如下：

a.定期定点抽气分析管控方面

对燃烧物的燃烧特征拿不准，需要对封闭火区的燃烧物质的阶段燃烧特征有十分可靠有效的了解，且需要和气样色谱分析能够有效结合对照；需要对封闭区域实施钻孔、封孔工程，会造成漏风影响火区燃烧状态，影响分析结果；测点选取可能不能够有效代表火区内侧的真实情况，与实际情况存在较大偏差；测定时间不定，不能够实现对火区的连续分析。

b.束管监测分析

该技术方法比对日常的定期定点抽气分析管控方法而言，不需要经常打孔封孔而造成不必要的漏风等外界影响，且可以随时抽取气体进行气样分析。但是，同样由于是人为操作，无法实现连续采样分析，且由于火区燃烧氛围和状态的改变，采样孔点无法移动而存在较大偏差，此外工作量巨大。

c.在线监控系统分析

该方法可实现对火区的实时监控。但是，可能存在刚好封闭火区内侧无传感器或者无法临时加装传感器的问题，而导致该类方法完全无法开展。即使可以实现传感器监控，由于封闭火区内侧高温作用，可能导致传感器很快损坏而无法使用。因此，不能完全依靠此类方法进行封闭火区燃烧爆炸危险性的判断。

d.基于假定情形所构建的封闭火区快速计算模型

该类方法是基于一定的假设情况下进行的建模分析，但是由于假设条件较多(或未考虑某些因素)而导致对于火区内侧氧浓度、燃烧物浓度随时间的变化关系存在一定或较大偏差，可做一定借鉴，但是不能完全依托进行。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于大气扰动的封闭火区燃烧爆炸危险性判断方法。

本发明通过基于大量的现场实测通风阻力数据和监测系统数据、基于在线监控系统的实时监控数据，建立了新的气压实时波动联动分析方法，继而建立了基于大气周期扰动情形下的封闭火区燃烧爆炸状态实时分析计算。相比之下，有以下几类特点：

a.考虑到了在外界大气周期波动影响下，封闭火区的燃烧爆炸危险性；

b.可结合在线监控数据，实时进行封闭火区燃烧爆炸危险性的快速分析判断；

c.过程简答易操作，适合基层技术人员使用。

通过本发明的阐述，可实现基于外界大气的周期波动影响下，封闭火区的燃烧爆炸危险性的实时快速分析判断。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于大气扰动的封闭火区燃烧爆炸危险性判断方法，该方法包括以下步骤：

S1：采集至少持续24小时，至少3个测试区域的气压实时连续监测数据；

S2：建立基于大气波动的封闭火区漏风量计算模型；

S3：建立基于大气波动的封闭火区内侧氧浓度和甲烷浓度计算模型；

S4：建立基于大气波动的封闭火区燃烧爆炸危险性判定模型。

可选的，所述步骤S1具体为：基于气压实时连续监测数据图，经过数学处理，得出封闭火区外大气压力近似呈余弦周期和定值变化的数学表示方式，余弦部分表示如下：

其中：p_外侧为封闭区外空气压力，单位为Pa；p_平均为平均压力；t为时间，单位为h；Δt为循环周期；Δp_外侧为压力变化振幅；

线性部分表示如下：

p_外侧＝p_外侧初+kt (2)

其中，p_外侧初为余弦波动结束时期的大气压力，单位为Pa；k为常系数，k值很小时，近似认为线性变化期间斜率极小，p_外侧≈p_外侧初；

假定封闭火区漏风方向是流入火区，则有：

式中，p_封闭为封闭区内空气压力，单位为Pa；R为漏风通道及防火墙的总风阻，单位为N·S/m⁵；

封闭火区内空气压力由初值p_封闭初经时间t达到p_封闭的变化为：

因t＝0，p_封闭＝p_封闭初，求解上式得：

可选的，所述步骤S2具体为：

将式(5)代入式(3)，则得基于大气波动的封闭火区漏风量计算模型：

式(6)中，漏风量q_漏入风量受封闭区外空气压力p_外侧、封闭区内空气压力p_封闭、漏风通道及防火墙总风阻R三因素综合影响；封闭区外空气压力p_外侧是周期变量；漏风通道及防火墙的总风阻R代表密闭墙上漏风通道的形状参数，对于固定封闭火区，假定为定值；封闭区内空气压力p_封闭受p_外侧和R的双重影响；

通过实测数据和经验数据推测出知Δt，漏风量q_漏入风量则通过封闭区外实时空气压力p_外侧、漏风通道总风阻R、封闭区内初始时刻空气压力p_封闭初进行计算；当外侧压力大于内侧时，从封闭火区外侧漏入火区；封闭火区内气流从回风侧流向外侧；

通过测定式(6)中的密闭墙风阻R、估算火区体积V、初始火区压力p_封闭初、封闭火区外侧压力p_外侧，进行封闭火区在某一时刻完成封闭后，火区漏风量的实时计算。

可选的，所述步骤S3具体为：

假设封闭火区空气中各种气体已均匀混合且无化学反应，无气体吸附、吸收现象，则封闭火区空气中各气体组分的浓度变化表示如下：

式中：C为封闭区内空气某一组分的浓度，单位为％；t为时间，单位为s；V为封闭区的容积，单位为m³；q_i为流入封闭火区的该组分流量，单位为m³/s，受实时漏风量大小影响；q_e为流出封闭火区的混合气体流量，单位为m³/s；

假定边界条件为t＝0，C＝C₀；求解上述微分方程得：

由于火区的瓦斯浓度会受到其它气体稀释、自身集聚因素影响；如果仅考虑火区外侧大气、火区涌出瓦斯的双重作用对瓦斯浓度的影响，则以q_i＝q_aC_a代人式(7)得：

式中：q_a为流入火区的空气流量，单位为m³/min，不同情形数值不同；C_a为q_a中的氧浓度，取21％；

由边界条件t＝0，C＝C_a0，解方程，则火区封闭后某时刻t时对应的氧浓度表述如下：

如果密闭质量很好，且火区无其余裂缝，则可认为无空气渗入火区，q_a＝0，氧浓度

甲烷浓度如下：

可选的，所述步骤S4具体为：

基于式(10)、(11)的关于火区甲烷、氧气浓度的计算结果，进行二者在时空上的联动分析，即对封闭火区实时的甲烷爆炸危险性情况进行分析预测；

如果封闭火区同时满足氧浓度高于12％、甲烷浓度处于5-15％之间的情形，则存在封闭火区内侧瓦斯爆炸的可能；且氧浓度、甲烷浓度均满足上述浓度条件的重叠时间越长，则爆炸风险越大，反之则爆炸风险越小。

可选的，所述实时连续监测数据包括不同季节的持续24小时以上的监测数据。

可选的，所述3个测试区域包括矿井地面、井底停车场和封闭火区外侧。

本发明的有益效果在于：

通过本发明的实现和应用，可结合具有火灾、瓦斯爆炸危险性矿井的实际情况，在更低成本、更高效率的前提下，对封闭火区可能发生的瓦斯爆炸危险性进行分析和预测，并可为具体矿井选择火区的封闭时刻提供参考。同时，可根据分析预测结果提前采取相应的防治措施，以此更大程度上降低瓦斯爆炸的伤亡和损失。

本发明的其他优点、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。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

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优选的详细描述，其中：

图1为封闭火区在某不同封闭质量情形下实时漏风情况；

图2为某种情形下封闭火区瓦斯浓度、氧浓度随时间的变化关系；

图3为本发明流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图3，为一种基于大气扰动的封闭火区燃烧爆炸危险性判断方法，主要包括以下几个部分：

a.地表、封闭火区外侧临近区域气压实时连续监测数据图，最少持续24小时(可囊括不同季节的持续24小时以上的监测数据)；

b.基于大气波动的封闭火区漏风量计算模型；

c.基于大气波动的封闭火区内侧氧浓度和甲烷浓度计算模型；

d.基于大气波动的封闭火区燃烧爆炸危险性判定模型。

描述各部分之间的连接关系以及功能作用；

首先，基于a.地表、封闭火区外侧临近区域气压实时连续监测数据图，经过数学处理，可近似得出封闭火区外大气压力近似呈余弦周期+定值变化的数学表示方式，余弦部分表示如下：

其中：p_外侧—封闭区外空气压力，Pa；p_平均—平均压力；t—时间，h；Δt—循环周期；Δp_外侧—压力变化振幅。

线性部分表示如下：

p_外侧＝p_外侧初+kt (2)

其中，p_外侧初—余弦波动结束时期的大气压力，Pa；k—常系数，k值很小时，可近似认为线性变化期间斜率极小，p_外侧≈p_外侧初。

继而，假定封闭火区漏风方向是流入火区，则有：

式中，p_封闭——封闭区内空气压力，Pa；R——漏风通道及防火墙的总风阻，N·S/m⁵。

封闭火区内空气压力由初值p_封闭初经时间t达到p_封闭的变化为：

因t＝0，p_封闭＝p_封闭初，求解上式得：

代入式(3)，则可得出b.基于大气波动的封闭火区漏风量计算模型：

式(6)中，漏风量q_漏入风量受封闭区外空气压力p_外侧、封闭区内空气压力p_封闭、漏风通道及防火墙总风阻R三因素综合影响。封闭区外空气压力p_外侧是周期变量；漏风通道及防火墙的总风阻R代表密闭墙上漏风通道的形状参数，对于固定封闭火区，可假定为定值；封闭区内空气压力p_封闭受p_外侧和R的双重影响。通过实测数据和经验数据可推测出知Δt，漏风量q_漏入风量则可通过封闭区外实时空气压力p_外侧(可测得)、漏风通道总风阻R(可测得)、封闭区内初始时刻空气压力p_封闭初(可测得)进行计算。当外侧压力大于内侧时，从封闭火区外侧漏入火区；反之，封闭火区内气流从回风侧流向外侧。

可通过测定式(6)中的密闭墙风阻R、估算火区体积V、初始火区压力p_封闭初、封闭火区外侧压力p_外侧等，进行封闭火区在某一时刻完成封闭后，火区漏风量的实时计算。如图1所示。

然后，建立了c.基于大气波动的封闭火区内侧氧浓度和甲烷浓度计算模型。

假设封闭火区空气中各种气体已均匀混合且无化学反应，无气体吸附、吸收现象，则封闭火区空气中各气体组分的浓度变化可表示如下：

式中：C---封闭区内空气某一组分的浓度，％；t---时间，s；V---封闭区的容积，m³；q_i---流入封闭火区的该组分流量，m³/s，受实时漏风量大小影响；q_e---流出封闭火区的混合气体流量，m³/s。

假定边界条件为t＝0，C＝C₀。求解上述微分方程得：

由于火区的瓦斯浓度会受到其它气体稀释、自身集聚等因素影响。为此，如果仅考虑火区外侧大气、火区涌出瓦斯的双重作用对瓦斯浓度的影响，则以q_i＝q_aC_a代人式(7)得：

式中：q_a---流入火区的空气流量，m³/min，不同情形数值不同；C_a---q_a中的氧浓度，取21％。

由边界条件t＝0，C＝C_a0，解方程，则火区封闭后某时刻t时对应的氧浓度可表述如下：

如果密闭质量很好，且火区无其余裂缝，则可认为无空气渗入火区，q_a＝0，氧浓度

甲烷浓度如下：

最后，基于式(10)、(11)的关于火区甲烷、氧气浓度的计算结果，进行二者在时空上的联动分析，即可对封闭火区实时的甲烷爆炸危险性情况进行分析预测。具体示意图如图2所示。

如果封闭火区同时满足氧浓度高于12％、甲烷浓度处于5-15％之间的情形，则存在封闭火区内侧瓦斯爆炸的可能。且氧浓度、甲烷浓度均满足上述浓度条件的重叠时间越长，则爆炸风险越大，反之则爆炸风险越小。

基于本发明的封闭火区甲烷爆炸预测，能够充分体现一天内大气波动对于封闭火区爆炸危险性的影响，在图形中有明显的波动起伏现象。

同时，本发明对于选取封闭火区的封闭时刻有十分重要的意义。可以通过计算、分析火区漏气量、氧浓度、甲烷浓度等情形，确定一个相对最佳的火区封闭时刻，进而也能够降低封闭火区甲烷爆炸的危险性。

各部分或某一部分有无可替代方案，即有无可达到相同目的的其他替换方案；

就目前所接触和了解的现有的针对封闭火区瓦斯爆炸危险性快速判定的方法而言，本发明更简单、更准确、且是基于每个具体矿井不同火区外侧大气气压24小时以上实地监测考察数据采集分析计算的基础上进行的封闭火区甲烷爆炸危险性分析，且本发明经过在陕西、新疆、重庆等地矿井火区封闭后的监测数据及火区内侧是否存在甲烷爆炸实例验证是较为可靠的。

而目前其他方法要么计算得出的甲烷浓度、氧浓度数值偏差相对较大，且分析过程中未有考虑大气扰动等明显的外界影响因素影响。要么是无法进行快速的分析判断。比较而言，本发明在快速分析的同时，考虑了更多的环境变量影响，更贴合实际，更有指导性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于大气扰动的封闭火区燃烧爆炸危险性判断方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：采集至少持续24小时，至少3个测试区域的气压实时连续监测数据；

S2：建立基于大气波动的封闭火区漏风量计算模型；

S3：建立基于大气波动的封闭火区内侧氧浓度和甲烷浓度计算模型；

S4：建立基于大气波动的封闭火区燃烧爆炸危险性判定模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于大气扰动的封闭火区燃烧爆炸危险性判断方法，其特征在于：所述步骤S1具体为：基于气压实时连续监测数据图，经过数学处理，得出封闭火区外大气压力近似呈余弦周期和定值变化的数学表示方式，余弦部分表示如下：

其中：p_外侧为封闭区外空气压力，单位为Pa；p_平均为平均压力；t为时间，单位为h；Δt为循环周期；Δp_外侧为压力变化振幅；

线性部分表示如下：

p_外侧＝p_外侧初+kt (2)

其中，p_外侧初为余弦波动结束时期的大气压力，单位为Pa；k为常系数，k值很小时，近似认为线性变化期间斜率极小，p_外侧≈p_外侧初；

假定封闭火区漏风方向是流入火区，则有：

式中，p_封闭为封闭区内空气压力，单位为Pa；R为漏风通道及防火墙的总风阻，单位为N·S/m⁵；

封闭火区内空气压力由初值p_封闭初经时间t达到p_封闭的变化为：

因t＝0，p_封闭＝p_封闭初，求解上式得：

3.根据权利要求2所述的一种基于大气扰动的封闭火区燃烧爆炸危险性判断方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：

将式(5)代入式(3)，则得基于大气波动的封闭火区漏风量计算模型：

式(6)中，漏风量q_漏入风量受封闭区外空气压力p_外侧、封闭区内空气压力p_封闭、漏风通道及防火墙总风阻R三因素综合影响；封闭区外空气压力p_外侧是周期变量；漏风通道及防火墙的总风阻R代表密闭墙上漏风通道的形状参数，对于固定封闭火区，假定为定值；封闭区内空气压力p_封闭受p_外侧和R的双重影响；

通过实测数据和经验数据推测出知Δt，漏风量q_漏入风量则通过封闭区外实时空气压力p_外侧、漏风通道总风阻R、封闭区内初始时刻空气压力p_封闭初进行计算；当外侧压力大于内侧时，从封闭火区外侧漏入火区；封闭火区内气流从回风侧流向外侧；

通过测定式(6)中的密闭墙风阻R、估算火区体积V、初始火区压力p_封闭初、封闭火区外侧压力p_外侧，进行封闭火区在某一时刻完成封闭后，火区漏风量的实时计算。

4.根据权利要求3所述的一种基于大气扰动的封闭火区燃烧爆炸危险性判断方法，其特征在于：所述步骤S3具体为：

假设封闭火区空气中各种气体已均匀混合且无化学反应，无气体吸附、吸收现象，则封闭火区空气中各气体组分的浓度变化表示如下：

式中：C为封闭区内空气某一组分的浓度，单位为％；t为时间，单位为s；V为封闭区的容积，单位为m³；q_i为流入封闭火区的该组分流量，单位为m³/s，受实时漏风量大小影响；q_e为流出封闭火区的混合气体流量，单位为m³/s；

假定边界条件为t＝0，C＝C₀；求解上述微分方程得：

由于火区的瓦斯浓度会受到其它气体稀释、自身集聚因素影响；如果仅考虑火区外侧大气、火区涌出瓦斯的双重作用对瓦斯浓度的影响，则以q_i＝q_aC_a代人式(7)得：

式中：q_a为流入火区的空气流量，单位为m³/min，不同情形数值不同；C_a为q_a中的氧浓度，取21％；

由边界条件t-0，C＝C_a0，解方程，则火区封闭后某时刻t时对应的氧浓度表述如下：

如果密闭质量很好，且火区无其余裂缝，则可认为无空气渗入火区，q_a＝0，氧浓度

甲烷浓度如下：

5.根据权利要求4所述的一种基于大气扰动的封闭火区燃烧爆炸危险性判断方法，其特征在于：所述步骤S4具体为：

基于式(10)、(11)的关于火区甲烷、氧气浓度的计算结果，进行二者在时空上的联动分析，即对封闭火区实时的甲烷爆炸危险性情况进行分析预测；

如果封闭火区同时满足氧浓度高于12％、甲烷浓度处于5-15％之间的情形，则存在封闭火区内侧瓦斯爆炸的可能；且氧浓度、甲烷浓度均满足上述浓度条件的重叠时间越长，则爆炸风险越大，反之则爆炸风险越小。

6.根据权利要求1所述的一种基于大气扰动的封闭火区燃烧爆炸危险性判断方法，其特征在于：所述实时连续监测数据包括不同季节的持续24小时以上的监测数据。

7.根据权利要求1所述的一种基于大气扰动的封闭火区燃烧爆炸危险性判断方法，其特征在于：所述3个测试区域包括矿井地面、井底停车场和封闭火区外侧。

Images