一种判断煤矿掘进工作面瓦斯爆炸超压的分析方法

摘要

本发明涉及一种判断煤矿掘进工作面瓦斯爆炸超压的分析方法属于煤矿瓦斯分析技术领域，包含如下步骤：S1：计算不同初始状态下瓦斯爆炸的总能量；S2：结合爆炸气体动力学知识建立掘进工作面瓦斯爆炸超压预测模型并进行预测计算；S3：结合实验数据和气体压缩方程对超压预测模型进行修正；S4：利用大尺寸巷道的实测爆炸超压数据和超压预测数据进行对比，得出瓦斯爆炸的超压修正预测模型。本发明用于结合每个矿井的历史情况和实际情况，进行瓦斯爆炸的可能性分析和程度分析预测，为防止由于瓦斯爆炸冲击造成伤害，而提前提出针对性防治措施。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿瓦斯分析技术领域，涉及一种判断煤矿掘进工作面瓦斯爆炸超压的分析方法。

背景技术

目前关于煤矿瓦斯爆炸超压后果的研究较多。大部分集中在研究爆炸后超压的影响范围及后果上。主要是由于爆炸时期的主要伤害来至于冲击波的超压力学性能破坏。

现有的与本发明相关的技术方案主要有以下几类：

a.通过大尺寸巷道爆炸实验，进行爆炸后的超压实测，此类方法真实可靠，数据稳定，但是成本很高，数据采集有难度，不具备推广性；

b.通过小尺寸管道爆炸实验，进行爆炸后的超压测量，目前采取此类方法的研究相对较多。但是由于在尺寸上存在差异，通过相似原则进行计算会存在一定的误差，同时也存在成本较高的问题；

c.通过CFD数值模拟手段进行任意尺寸巷道建模和瓦斯爆炸模拟，并可对爆炸后的超压进行取值分析。此类方法的成本最低，但是由于进行模型建立、初始边界条件加载等环节操作时和现场存在一定误差，会导致结果有偏差。同时，由于进行CFD数值模拟需要有较好的工程背景和熟练的模拟技术作为支撑，否则计算出的结果偏差很大。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种判断煤矿掘进工作面瓦斯爆炸超压的分析方法，用于结合每个矿井的历史情况和实际情况，进行瓦斯爆炸的可能性分析和程度分析预测，为防止由于瓦斯爆炸冲击造成伤害，而提前提出针对性防治措施。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种判断煤矿掘进工作面瓦斯爆炸超压的分析方法，包含如下步骤：

S1：计算不同初始状态下瓦斯爆炸的总能量；

S2：结合爆炸气体动力学知识建立掘进工作面瓦斯爆炸超压预测模型并进行预测计算；

S3：结合实验数据和气体压缩方程对超压预测模型进行修正；

S4：利用大尺寸巷道的实测爆炸超压数据和超压预测数据进行对比，得出瓦斯爆炸的超压修正预测模型。

进一步，步骤S1中初始状态下瓦斯爆炸的总能量为：

其中：E为初始状态下瓦斯爆炸的总能量，E_N为爆炸冲击波波面内气体的动能，E_K为爆炸冲击波波面内气体的内能，k为气体压缩系数，β为常数，P₁为冲击波压缩区域压强，M为冲击波衰减马赫数，u₁为冲击波压缩区域介质速度，S为工作面的截面积，ρ₁冲击波压缩区域密度，x为距离点火源的距离。

进一步，步骤S2中所述瓦斯爆炸超压预测模型为：

其中，ΔP为冲击波超压随点火距离的衰减表示，c₁为冲击波压缩区域音速。

进一步，所述步骤S3具体为：

S31：引入空气压缩因子对超压预测模型进行分析，空气压缩因子表示为：

其中，Z为空气压缩因子，Z_c为临界压缩因子为常数，P_r为比对压力，V_r为比对摩尔体积，T_r为比对温度；

S32：计算比对温度，

其中，T为冲击波阵面温度，T_c为临界温度；

S33：计算比对压力，

其中，P_b为爆炸超压，P_c为空气临界压力；

S34：得出修正后的瓦斯爆炸超压预测模型，

进一步，所述步骤S4具体为：

S41：对不同瓦斯浓度实测爆炸超压数据进行拟合，拟合公式如下：

Δp_{9.5％、V瓦斯}＝-Aln(x)+10A

Δp_{7.0％、V瓦斯}＝-Bln(x)+10B

Δp_{5.0％、V瓦斯}＝-Cln(x)+10C

其中，A，B，C分别为拟合系数；

S42：对不同体积瓦斯的爆炸超压预测模型和拟合公式进行比对分析，并求取拟合系数，

A＝28ln(V_瓦斯)-106

B＝26ln(V_瓦斯)-100

C＝24ln(V_瓦斯)-94

S43：根据实测数据选取模型函数，最终获得瓦斯爆炸的超压修正预测模型，

爆炸源100m以外：

本发明的有益效果在于：本发明的目的是可针对每个矿井的历史情况和实际情况，进行瓦斯爆炸的可能性分析和程度分析预测，可为防止由于瓦斯爆炸冲击波伤害，而提前提出针对性防治措施，意义重大。本发明具有简单、易操作、有针对性、预测可靠性高等特点。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的流程图；

图2为本发明爆炸的超压预测模型；

图3为9.5％浓度下不同体积瓦斯爆炸超压预测及实验比对；

图4为不同体积瓦斯爆炸超压预测模型预测结果图，其中a为9.5％浓度的瓦斯，b为7.0％浓度的瓦斯，c为5.0％浓度的瓦斯。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明流程图，如图1所示，首先，进行不同初始状态下瓦斯爆炸的总能量计算，然后结合爆炸气体动力学知识建立掘进工作面瓦斯爆炸超压预测模型并进行预测计算，利用大尺寸巷道的实测爆炸超压数据和超压预测数据进行对比，同时结合实验数据和气体压缩方程对超压预测模型进行修正，使其更贴近实际值。

图2为本发明爆炸的超压预测模型，瓦斯爆炸发生时，爆炸产生强烈的高压高速冲击波和高温燃烧波，将空间分割成两波三区，如图2中的0区、1区、2区。0区代表冲击波还未波及的区域，1区代表处于冲击波和燃烧波之间的被超压压缩过的区域，2区是发生瓦斯爆炸化学反应的区域，3个区域的压力、温度等状态参数不同。

其中P₀—0区压强、T₀—0区温度、ρ₀—0区密度、u₀—0区介质速度、c₀—0区音速；P₁—冲击波压缩区域压强、T₁—冲击波压缩区域温度、ρ₁—冲击波压缩区域密度、u₁—冲击波压缩区域介质速度、c₁—冲击波压缩区域音速；P₂—2区压强、T₂—2区温度、ρ₂—2区密度、u₂—2区介质速度、c₂—2区音速；D_f—火焰波速度、D_e—前驱冲击波速度。

根据相关文献，前驱冲击波阵面的压力、速度、密度表示如下：

弱冲击波时，D_e＝C_ex^β-1，C_e是待求常数，x是传播距离，β是常数。弱冲击波的传播速度虽然很可能处于亚音速状态，但是多数处于100m/s以上，所以近似认为煤矿瓦斯爆炸瞬间产生的热量由于太大且不能及时扩散，可近似为绝热过程。因此，冲击波对气体介质所做的功等于波面内气体的动能E_N和内能E_k之和。一定浓度和体积的瓦斯爆炸后，释放总能量可表示为：

其中：E为初始状态下瓦斯爆炸的总能量，E_N为爆炸冲击波波面内气体的动能，E_K为爆炸冲击波波面内气体的内能，k为气体压缩系数，M为冲击波衰减马赫数，S为工作面的截面积，x为距离点火源的距离。

对于式(2)，考虑变量传播距离x。由于爆炸冲击波在巷道内传播过程中必定和周边物质存在能量交换现象，从而导致计算值和实际值存在偏差。为此，结合相关实验数据和理论计算，设定x的指数为1.2，从而式(2)改写为：

煤矿瓦斯爆炸按照弱冲击波处理，其二阶关系式表示如下：

把(1)、(2)中的P₂、u₂、ρ₂代入(3)，结合D_e＝C_ex^β-1推导，可得如下公式：

其中，E是与x无关的常数，从而β＝0.4，所以：

将D_e代入弱冲击波基本关系式，从而爆炸冲击波超压预测模型可表示为：

超压修正模型如下：

考虑变量因素前驱波阵面介质密度ρ₁。实际情形下的前驱冲击波阵面区域中，空气被高压前驱冲击波压迫，所以空气密度会发生一定程度变化，而不能在视为理想气体介质进行描述。为此，引入空气压缩因子：

其中，Z为空气压缩因子，Z_c为临界压缩因子为常数，P_r为比对压力，V_r为比对摩尔体积，T_r为比对温度。

结合式(8)，本实施例假定V_r对压缩因子不构成影响、前驱波阵面空气温度为常温300K，忽略爆炸产生的热辐射。

经查，空气临界压力P_c＝3.77Mpa，临界温度T_c＝140.7K，压力是变值。

从而，比对温度

比对压力的确定借鉴相关实验数据。实验数据中瓦斯爆炸的超压最大在0.5Mpa范围内，且在传播过程中逐渐变小，所以：

MaxP_r＝Max(爆炸超压/空气临界压力)≈0.5Mpa/3.77Mpa＝0.13

由此可知P_r很小，约处于0-0.13范围。

由此可得出前驱波阵面空气压缩因子约为0.96，即经过爆炸后空气被压缩，密度增大约1/0.96＝1.04倍。

如果取爆炸前波阵面空气密度1.29kg/m³，则经过压缩后前驱波阵面空气密度增大到1.29×1.04＝1.344kg/m³。

把(1)、(2)中的P₁、u₁、ρ₁代入(3)，且爆炸能量E是与距离x无关的常数，从而推导出β＝0.4，所以：

将式(3)、动态介质密度ρ₁、D_e代入弱冲击波关系式，得到初始爆炸超压修正预测模型：

基于公式(10)，进行了爆炸超压实验值和超压预测值的趋势性和吻合度效果比对。超压模型预测结果和实验数据走势大体一致。

其中，实验和预测值在1000m爆炸范围内偏差较大，100m往后二者较接近。总体而言，该预测模型能够较为准确的描述出爆炸超压在大尺寸巷道中的传播衰减规律。但在初始阶段不够准确，需改进。

图3为9.5％浓度下不同体积瓦斯爆炸超压预测及实验比对，预测模型修正前，首先对图中的实验数据进行对数拟合，得到如下9.5％浓度下100m³、200m³瓦斯爆炸超压拟合公式：

Δp_{9.5％、100m3}＝-22ln(x)+220……(11)

Δp_{9.5％、200m3}＝-44ln(x)+440……(12)

进而基于式(7)、(8)，按照规律推出了500m³、1000m³对应的拟合公式：

Δp_{9.5％、500m3}＝-66ln(x)+660……(13)

Δp_{9.5％、1000m3}＝-88ln(x)+880……(14)

经验证，公式(11)、(12)具备较好的趋势性，在前100m范围计算超压值比模型预测值要小很多，拟合数据-爆炸实际数据＜预测模型数据-爆炸实际数据，也就是说该拟合公式的数据更符合实际情况。进而，基于公式(11)-(14)建立瓦斯体积参数和拟合公式关系式：

Δp_{9.5％、V瓦斯}＝-Aln(x)+10A，A＝28ln(V_瓦斯)-106……(15)

同理，对5.0％、7.0％浓度下不同体积瓦斯的爆炸超压预测模型和拟合公式进行比对分析。拟合公式仍然应用式(11)-(14)。不同之处在于常系数的变化，对于7.0％浓度的瓦斯爆炸，

Δp_{7.0％、V瓦斯}＝-Bln(x)+10B，B＝26ln(V_瓦斯)-100……(16)

对于5.0％浓度的瓦斯爆炸，

Δp_{5.0％、V瓦斯}＝-Cln(x)+10C，C＝24ln(V_瓦斯)-94……(17)

然后即可进行5.0％、7.0％浓度下任一体积瓦斯爆炸超压的预测。可以看出，3个浓度下的常系数A、B、C的计算公式中，常系数计算式中的系数项均呈等差递增。所以瓦斯爆炸的超压修正预测模型可表达如下，

爆炸源100m以外：

预测结果如图4所示，经过基于上述公式的计算结果和实验值对比可知，3个不同浓度下，前100m是基于拟合模型计算出的爆炸超压，100m往后是基于预测模型计算出的超压，二者在100m处出现了断层，在100m³、200m³、500m³的情形下断层较小，连续性较好，和大尺寸爆炸实验数据吻合很好；1000m³的瓦斯爆炸超压的断层达到90Kpa，相对误差15％左右。总体而言，5.0％断层最小，7.0％次之，9.5％的最大。实际情形中，如果要达到1000m³的聚集瓦斯，对于大多数煤矿的实际巷道断面而言，需要积聚100m以上的长度，这么大面积的浓度瓦斯聚集一般情况不会出现，除非是煤与瓦斯突出这种突发情形，但是考虑到相对误差不到15％，对于瓦斯爆炸超压防治措施的采取值得借鉴和参考。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。