瓦斯煤尘爆炸范文

2024-06-25

瓦斯煤尘爆炸范文（精选8篇）

瓦斯煤尘爆炸第1篇

通过对近年来煤矿死亡人数进行统计发现,我国煤矿死亡人数呈逐年下降趋势,但重特大煤矿事故依然发生,而在这些事故中瓦斯煤尘爆炸事故占了相当大的比例。因此,做好瓦斯煤尘爆炸研究工作对保障煤矿的安全生产具有重要的指导意义。

1 瓦斯煤尘爆炸机理研究现状

1. 1 瓦斯爆炸机理研究现状

为了防止煤矿井下瓦斯发生燃烧和爆炸事故,许多学者在实验研究的基础上对其爆炸机理进行了大量的研究,定性给出了相关的理论,主要提出了链式反应理论和热爆炸理论。

美国、比利时、德国等国家的许多机构及学者相继提出了描述不同情况下甲烷燃烧爆炸的基元反应机理,其中由美国气体研究所( Gas Research Institute)发起,加州伯克利大学等提出了GIRMech3. 0 详细机理,其在前两个版本的基础上增加了少量的C3物质的醛类组分的反应,并对一些反应参数进行了完善和扩充,机理由325 个基元反应和53 个组分组成。

近年来,西安科技大学、北京科技大学、浙江师范大学等高校也对甲烷爆炸反应机理进行了一些研究。通过研究得到了各步反应物和产物的稳定构型及相应构型参数; 计算得到了各反应的反应焓变、吉布斯自由能和活化能等重要参数; 推导了支链爆炸的充要条件式与复相链终止概率的统一表达式等研究成果［1－3］。

目前,没有相关的文献对高能点火器点火过程的物理模型和数学模型进行描述; 而甲烷的高温反应动力学理论也尚未建立起来,中间产物和关键反应步还需进一步研究; 对于不同环境条件对瓦斯爆炸的影响机理研究较少,对不同环境条件所影响的瓦斯爆炸关键反应步还认识不清。

1. 2 煤尘爆炸机理研究现状

煤尘爆炸是一个非常复杂的动态过程,在物理上属于典型的气固两相流混合反应,所得到的结果受大量物理因素的影响。目前,国内外科技工作者主要通过工业分析和电镜扫描对煤质组成和表面结构的变化进行讨论。

工业分析是一种煤尘爆炸特性分析方法,主要测量不同煤质内水分、灰分、挥发分和固定碳的含量,是确定煤组成含量的基本方法之一［4－5］。段滋华指出爆炸后煤尘挥发分减少5% ~ 10% ,灰分相对增加,而水分几乎无变化,研究得到高挥发分煤尘在爆炸过程中比低挥发分煤尘更容易释放挥发分［6］。

电镜扫描( SEM) 是另一种研究煤尘爆炸机理的方法,该方法可以获得不同煤颗粒的表面微观结构图像,能最直接有效地描述颗粒表面变化。来诚峰发现煤颗粒原样的外表棱角比较分明,而发生爆炸后的残余物外表比较光滑,近似成球形,发生了表面软化现象［7］。高尔新对经过多次爆炸后的煤尘进行了电镜扫描分析,确定爆炸过程中煤颗粒会烧结成团,相继发生颗粒熔融和气化等现象［8］。但是,这种SEM观察颗粒表面变化的方法只是一种定性的描述方法,而实际涉及的化学反应及其物质传递过程均具有非线性动力特征,更多的研究成果需要借助数学方法来实现。

由于煤是一种腐殖质,含有多种成分,所以煤尘的燃烧爆炸机理在当今科学研究中一直是难以完全解决的问题,研究进展较缓慢。

在煤矿井巷中,瓦斯爆炸经常引起煤尘爆炸。煤矿井下环境条件复杂多变,瓦斯煤尘共存状态下,发生着火爆炸的机制也复杂多变。目前,针对瓦斯煤尘共存相互促进着火爆炸的研究较少,仍需加大研究力度。

2 瓦斯煤尘爆炸特性研究现状

爆炸特性是从数值上表征可燃物爆炸性质的各项物理指标的参数,可衡量物质的爆炸性质。国内外许多学者对常温常压及不同环境条件下瓦斯煤尘爆炸特性进行了研究。

2. 1 瓦斯爆炸特性研究现状

国外许多学者在瓦斯等可燃气体爆炸特性研究方面都做了大量的实验工作,研制了一些气体爆炸特性测试系统,并制订了相应的实验标准。常用的气体爆炸特性测试系统有Godbert - Greewald炉、Hartmanm管、20 L球形爆炸容器。我国制定的GB 12474—2008《空气中可燃气体爆炸极限测试方法》,是基于Hartmanm管的一种爆炸极限测试方法,具有一定的推广意义。

L. Dupont和A. Accorsi利用20 L爆炸容器对沼气( CH450% 、CO250% ) 在不同温度下( 30 ~ 70 ℃ )的爆炸特性进行了实验,并对混合气体内的水蒸气影响规律进行了研究［9］。Gieras M等利用垂直管道对甲烷空气混合气体爆轰时的火焰结构进行了实验研究［10］。

近几年来,20 L球形爆炸装置成为研究瓦斯爆炸特性较通用的一类设备。中煤科工集团重庆研究院有限公司、西安科技大学、北京理工大学、中国矿业大学等运用此种设备对不同环境条件下的瓦斯爆炸特性进行了一些实验研究,得出了部分环境条件改变对瓦斯等可燃气体爆炸特性的影响规律［11－14］。

从已有文献来看,国内外的研究主要集中于通过实验测试爆炸极限、最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率,而对于气体参量的研究报道较少,不易形成系统研究。

2. 2 煤尘爆炸特性研究现状

为规范各国粉尘爆炸特性测试和研究,国家、地区和国家联盟组织分别对相应的测试方法进行了规范,制定了相应的测试标准,如IEC、ASTM和EN标准。我国于20 世纪90 年代对粉尘爆炸特性实验制定了相应的国家标准( GB /T 16425 ~ GB /T 16430) 。

美国矿山局利用20 L球形爆炸装置,对煤粉爆炸特性进行了研究,认为煤的挥发性和粒度对爆炸危险性有同样重要的决定作用［15］。John E Going等以无烟煤、烟煤、硬沥青等为研究对象,采用Fick 1 m3爆炸装置和匹兹堡20 L爆炸装置测量了其爆炸下限和极限氧浓度,结果表明在较小容器中极限氧浓度稍小一些［16］。

中北大学、中国矿业大学等对不同煤尘的爆炸特性进行了大量的实验研究,取得了一些研究成果［17－20］。当前国内外关于煤尘爆炸特性的研究大多集中在浓度、粒径、压力和温度等影响因素上,所测定的特征参量大都为爆炸下限、爆炸压力及压力上升速率,对于其他环境条件及特征参量则很少涉及。

2. 3 瓦斯煤尘共存爆炸特性研究现状

瓦斯气体的混入明显使煤尘更容易发生爆炸。张引合、刘义、毕明树等人通过研究得出了瓦斯煤尘复合体系爆炸下限比纯煤尘或纯甲烷在空气中测试结果相对降低,而对应得到的爆炸压力增大［21－23］。结果显示煤尘和瓦斯的混合物比其中任何一个单独存在时都容易点燃,而且爆炸所产生的后果也更为严重。

部分学者对瓦斯煤尘共存条件下的爆炸特性进行了一些实验研究,但针对特殊环境条件下瓦斯煤尘共存爆炸特性的变化研究还不够系统、深入,仍需加大研究力度。

3 瓦斯煤尘爆炸传播规律研究现状

近些年来,各国一直致力于瓦斯煤尘爆炸传播规律方面的研究,建立了各种实验设备,取得了大量的研究成果。我国从20 世纪开始,相继在中煤科工集团重庆研究院有限公司、北京理工大学、中国矿业大学、南京理工大学等建立了井下巷道、实验管道及各类型气体粉尘爆炸实验系统,在可燃碳氢气体与氧气或空气混合后的引燃、传播以及粉尘爆炸、传播方面均有不少研究成果。

3. 1 瓦斯爆炸传播规律研究现状

国外的Kiminori Takahashi,G. Ferrara,Kees VanWingerden等人对管道内爆炸火焰及冲击波传播规律进行了大量研究。通过研究初步揭示了火焰、冲击波在管道内的传播过程,以及在有障碍物情况下的加速过程［24－26］。

国内学者菅从光等较为系统地研究了管道内瓦斯爆炸传播规律及障碍物、壁面粗糙度等因素对火焰的加速机理［27］。司荣军运用大型试验巷道及相应的实验管道,研究了不同浓度、不同体积量以及不同点火能量条件下瓦斯爆炸在巷道及管道内的传播规律［28］,为煤矿主动式抑爆装备的研制提供了重要的理论保障。

由于各研究单位建立的试验管道或巷道大小、形状等各异,所得的结论也存在一定的差异,而对不同管径的管道中瓦斯爆炸传播尺度效应的研究较少,需要加大研究力度。

到目前为止,还没有找到一个通用性的火焰速度与湍流参数之间的关系式,没有确定爆轰传播距离与湍流参数的关系。对于一般空气区内冲击波传播规律的研究,以及燃烧区内冲击波和火焰的耦合效应对其传播规律的影响研究等需要加强。

3. 2 煤尘爆炸传播规律研究现状

研究人员就如何获得煤尘爆炸形式进行研究,主要采用以下方法:

1) 利用高压气源的喷尘效应制成扬尘装置,在指定处获得均匀的煤尘云满足特定的实验要求,如北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室Φ199 mm×32. 4 m的爆炸管道和南京理工大学的水平粉尘爆轰管。

2) 利用强点火形成的激波( 或瓦斯爆炸冲击波) 造成的外部作用力,诱导预先铺设的沉积煤尘飞扬、点火和燃烧,支持火焰传播,最后形成瓦斯爆炸诱导沉积煤尘参与爆炸的形式,如中煤科工集团重庆研究院有限公司的瓦斯煤尘爆炸试验巷道。

针对煤尘爆炸传播规律的研究主要集中于中煤科工集团重庆研究院有限公司、河南理工大学、中国科学院力学研究所、中国科学技术大学以及南京理工大学等单位。目前对煤尘爆炸传播规律的研究主要集中在火焰、冲击波的传播规律研究、激波与堆积粉尘的相互作用研究、不同初始条件对爆炸传播规律的影响研究等方面,并取得了大量的研究成果。

3. 3 瓦斯煤尘共存爆炸传播规律研究现状

在煤矿井下,瓦斯爆炸容易引起沉积煤尘参与爆炸,为了认清其不同条件下的诱导规律以及传播规律,科研人员做了大量的研究工作。

王新、李润之、刘丹等对瓦斯煤尘共存爆炸传播规律进行了研究,对不同体积量、不同浓度的瓦斯诱导沉积煤尘爆炸传播过程、瓦斯诱导不同量沉积煤尘,以及不同煤尘铺设位置情况下的爆炸过程进行了研究,得出了瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸过程中火焰以及压力波的变化规律［29－31］。

4 发展趋势

4. 1 瓦斯煤尘爆炸机理研究发展趋势

运用相关模拟软件,研究不同环境条件下瓦斯爆炸的微观反应机理,得出环境条件改变时,影响瓦斯爆炸的关键反应步; 通过研究不同煤种的组分及热分解机制、析出气体成分分析、特定的爆炸机理抑制研究,来探讨煤尘的燃烧爆炸机理; 通过研究得出不同条件下瓦斯煤尘共存着火爆炸机制,针对不同条件下发生爆炸的机理,研究分析其抑制机理,有针对性地寻求最佳的抑爆材料。

4. 2 瓦斯煤尘爆炸特性研究发展趋势

建立特殊环境条件下瓦斯煤尘爆炸特性实验系统,研究相应的实验方法,并制订相应实验标准; 针对低浓度煤层气利用、煤化工行业以及煤矿深部开采等特殊工况,研究特殊环境条件下瓦斯煤尘爆炸特性及不同环境条件耦合对瓦斯煤尘爆炸特性的影响; 开展全国范围内的煤矿瓦斯煤尘爆炸危险性分布规律以及爆炸特性分布规律的研究,做到对煤矿的爆炸危险性有一定的宏观认识。

4. 3 瓦斯煤尘爆炸传播规律研究发展趋势

瓦斯煤尘爆炸过程中各场量( 压力、温度、速度)分布规律及其相互作用机制; 通过研究形成对瓦斯煤尘爆炸事故致灾能力的统一认识,为有效选择隔抑爆技术和产品、缩减致灾范围提供支持; 通过对不同管径和长径比的爆炸实验管道的实验结果进行规整化,使其研究成果能够避免尺度效应,做到一致性( 或通用性) ; 建立冲击气流诱导煤尘云形成模型,研究不同条件下冲击波和火焰传播的交互式影响,认清瓦斯煤尘爆炸相互作用模式,有效区分不同的爆炸类型。

5 结语

瓦斯煤尘爆炸第2篇

煤矿企业危险、有害因素复杂，在开采过程中存在多种伤害方式，但尤以瓦斯爆炸、煤尘爆炸以及瓦斯煤尘爆炸的伤害性最大。

1、事故特征 1.1瓦斯爆炸

矿井瓦斯爆炸是一定浓度的瓦斯和空气中的氧气在高温热源的作用下发生激烈氧化反应的过程。瓦斯爆炸的有害因素是，高温、冲击波和有害气体。瓦斯爆炸的焰面温度可高达2150～2650℃，焰面经过之处，人被烧死或大面积烧伤，可燃物被点燃而发生火灾。冲击波锋面压力由几个大气压到20大气压，前向冲击波叠加和反射时可达100大气压，其传播速度大于声速，所到之处造成人员伤亡、设备和通风设施损坏、巷道垮塌。瓦斯爆炸后生成大量有害气体。

瓦斯是煤形成过程中伴生的气体，由于具有易燃、易爆性，因此瓦斯灾害是煤矿生产过程中的重大安全隐患，如果预防不当，管理措施不到位，将会造成事故。采掘工作面、采空区、盲巷和回风巷道容易形成瓦斯积聚的地方，都可能引发瓦斯灾害，形成矿井灾难性后果。

1.2煤尘爆炸

煤尘爆炸是在高温或一定火能的热源作用下，空气中氧气与煤尘急剧氧化的反应过程，是一种非常复杂的链式反应。

煤尘爆炸形成高温、高压、冲击波，煤尘爆炸具有连续性，煤尘爆炸后煤尘挥发分减少或形成“粘焦”，产生大量的CO有毒气体。大多数煤尘爆炸是由于瓦斯爆炸引起的，煤尘参与爆炸后，爆炸的危害程度更高，CO的生成量更大，往往成为人员大量伤亡的主要原因。

1.3瓦斯煤尘爆炸

当矿井发生瓦斯（煤尘）爆炸事故往往还能引起煤尘（瓦斯）爆炸事故发生，事故危害极大。

发生瓦斯、煤尘、瓦斯和煤尘爆炸事故后，通常伴有强大的爆炸声响和连续的空气震动，产生有大量有害气体，有高温气体和冲击波产生。

2.应急避险组织与职责 2.1应急避险组织

矿成立瓦斯（煤尘）爆炸事故应急避险自救领导小组，作为单位应急避险的最高决策机构。

组

长：

副组长：

成员：有关副总工程师、业务部室负责人，安全通风部有关人员，救护队队长、卫生所所长、供销质检站站长等。

2.2应急避险领导小组职责：

（1）分析本单位存在的危险、有害因素，制定、批准瓦斯煤尘爆炸重特大事故预防及应急避险演练措施。

警”报警，密切关注事态发展变化；如果事故较大，预计事故单位难以控制，则立即发出“现场应急”警报，向上级应急救援组织汇报，下达启动应急救援预案的命令。听从上级应急救援组织的指挥。

3.1.3现场指挥

发生事故后，由应急避险演练自救领导小组负责指挥协调人员进行自救互救工作。当采取应急自救避险演练措施后仍不能有效控制事态的发展或出现人员伤亡时，应启动本单位的应急救援方案。

3.1.4应急结束

（1）应急避险演练结束后，进入临时应急恢复阶段，应急避险演练自救领导小组要组织现场清理、人员清点和撤离。

（2）应急避险演练结束后，由应急避险演练自救领导小组组织制定恢复生产、生活计划，并实施。

（3）应急避险演练结束后，应急人员撤回本单位，应急避险演练自救领导小组组织专业人员对应急进行总结评审。

3.1.5后期处置

（1）生产技术部门负责事故后期的损失评估和生产持续恢复。（2）善后处理部门负责事故后期的善后赔偿、影响消除。

（3）安检部门负责事故后期对抢险过程和应急救援能力的评估及应急预案的修订工作。（4）环境监测部门负责确定环境空气的成分及浓度，并提出控制、降低空气污染的相关技术。

3.2现场应急避险演练措施

3.2.1现场应急避险演练应遵循的原则

（1）救人优先的原则：现场工作人员本着“以人为本，救人第一”的原则，首先进行自救，然后进行救助他人；

（2）防止事故扩大，缩小影响范围的原则；（3）保护救灾人员生命安全的原则（4）利于恢复生产的原则。3.2.2事故发生后应急避险演练

（1）假设己16－17－己三煤柱三采煤工作面上隅角发生瓦斯、爆炸事故：

①己16－17－己三煤柱三采面现场作业人员及己四采区作业人员此时要特别注意不可惊慌，要冷静、迅速判断发生事故的地点和自己所处的位置，切断通往采区的电源，及时向矿调度室汇报事故情况。

②调度人员在接到重特大瓦斯煤尘爆炸事故后要及时通知己四采区所有作业人员撤离采区。

③己16－17－己三煤柱三采面现场作业人员及己四采区作业人员在矿山救护队及医护人员未到达之前，跟班干部应组织职工迅速自救和互救，要佩戴自救器，按照瓦斯煤尘事故避灾路线，位于事故地点上风侧的工作人员，应迎着风流向机巷撤退；位于采面下风侧的工作人员，要迅速佩戴自救器或用湿毛巾捂住口鼻，由切眼到机巷去。撤退路线：1.己16-17-

（2）避险演练流程

一旦井下发生重特大瓦斯煤尘爆炸安全事故，现场人员要立即开展自救和互救，并立即报告矿应急救援领导小组办公室报告，应首先启动矿一级相应性质的应急救援预案，及时实施抢险救援，防止事故扩大。同时向集团公司应急救援领导小组办公室（总调度室）汇报。并立即向本单位负责人报告；单位负责人接到报告后，应当于1小时内向河南省安全生产监督管理局（豫南分局）和负有安全生产监督管理职责的有关部门报告。

（3）一旦发生重特大重特大瓦斯煤尘爆炸事故，现场人员应尽可能了解和弄清事故的性质、地点、发生范围和影响程度，然后迅速用附近的电话向调度室如实汇报上述内容。

（4）矿调度室接到汇报后根据具体情况，通知矿应急救援指挥部及其他有关人员立即到应急指挥部报到。

4、注意事项

4.1事故发生后的第一批现场抢救人员，必须是专业救护人员，要佩带隔绝式自救器和防毒面罩，其他后续人员根据第一批专业救护人员对事故现场有害气体或可能再次发生事故的程度观测后允许情况下再进入现场，但必须佩带自救器。

4.2现场避险演练对策和措施必须以事故现场实际情况为依据，以人为本，生命至上，尽量减少设备和财产损失。

4.3应急抢救人员应按照规定佩戴符合标准的个人防护用品。

4.4应采购国家制定的专业厂家生产的抢险救援器材，要严格采购、入库、存放过程及使用前的检验验收关，并按规定使用。

4.5制定的应急避险对策或措施要有针对性、实用性和可操作性，事前要经过演练。4.6现场避险演练自救互救应遵循保护人员安全优先的原则，防止事故蔓延，降低事故损失。

4.7单位每年至少组织一次应急避险演练方案的宣传、贯彻、学习和演练，演练结束后，领导小组对方案的适用性和抢险人员的能力进行评审。

瓦斯煤尘爆炸第3篇

煤矿事故频繁发生,今年一季度,全国煤矿就发生17起较大以上事故,共造成113人死亡[1]。为有效地预防煤矿井下爆炸事故的发生,国内外专家、学者对瓦斯煤尘爆炸的基本参数、爆炸的作用后果、防爆及抑爆等方面进行了广泛而深入地研究。

1991年,Amyotte[2]在26L球形容器中对煤尘的爆炸特性进行了实验研究。1993年,Amyotte[3]在26L球形容器中对煤尘和甲烷混合物的点火特性进行了实验研究,1996年,煤科总院重庆分院的何朝远[4]在20L试验装置中对瓦斯煤尘共存条件下爆炸的危险性进行了实验研究;1999年,秦友花[5]对障碍物和煤尘对瓦斯火焰传播速度的影响进行了研究;2004年,邱莉莉等[6]就甲烷对煤粉颗粒群着火的影响进行了研究。2007年,中国科学技术大学陈东梁博士[7]对甲烷煤尘复合爆炸进行了广泛研究。鉴于甲烷煤尘爆炸的严重危害,本文采用20L球形爆炸实验装置,研究甲烷煤尘的爆炸特性。

1 研究方法

1.1 实验设备

本实验装置为20L球形爆炸装置(如图1),该系统包括球形装置本体、配气系统、控制系统和数据采集系统四大部分。其中,控制系统包括点火器、控制台、电磁阀,甲烷气体的进气、煤粉的喷入、充气、洗气都通过控制系统完成。数据采集系统由信号放大器、压力感应器、电脑系统、采集卡组成,完成对数据的实时测量和分析。

1-压力传感器;2-压电式传感器;3-排气管;4-电火花发生器;5-控制柜;6-粉尘仓;7-气体仓;8-空压机;9-甲烷气瓶;10-真空泵;11-信号放大器;12-采集系统;13-计算机系统

1.2 实验方法

实验所用电容电压为476V,释放能量2500J,经试验,可以满足点燃100g/m3-800g/m3的纯煤尘。在该电压下,甲烷浓度为3%时,浓度为100g/m3的煤尘达到了爆炸下限。因此,实验分两部分。

(1)煤尘粒径300目,浓度100g/m3-800g/m3,递增值为100g/m3。甲烷浓度分为:含3%和无甲烷两种,测量最大爆炸压力和爆炸持续时间。

(2)甲烷浓度分别为0%-11%,递增值为1%。煤尘浓度为600g/m3,测量最大爆炸压力和爆炸持续时间。

2 实验结果及分析

2.1 甲烷煤尘混合物爆炸过程分析

煤尘燃烧包含两个过程:挥发分气体的析出与均相燃烧及固体碳的非均相燃烧[8]。甲烷比煤尘易发生爆炸,当甲烷进入其爆炸范围时,就会优先于煤尘发生气体爆炸了。大多数情况下,甲烷煤尘混合燃烧是气相着火和表面非均相着火并存。但是由于甲烷比煤尘燃烧速度快,煤尘燃烧的持续时间在理论上比纯气体燃烧要长得多。

2.2 实验结果分析

2.2.1 煤尘浓度对纯煤尘及甲烷煤尘爆炸最大爆炸压力的影响

由图2可知,无甲烷时,煤尘最大爆炸压力起初随着煤尘浓度的增加呈现先升高后降低的趋势,600g/m3时达到最大值。这是因为,煤粉浓度较低时,氧含量相对较高,燃烧比较充分,最大爆炸压力主要取决于可燃煤粉的质量,当煤粉达到一定浓度后,单位空间煤粉粒子数目增加,粒子间距减小,氧含量很低,煤粉粒子不完全燃烧,放热量减少,最大爆炸压力下降[9]。

加入3%甲烷后,变化趋势基本一致,且在相同煤尘浓度下爆炸压力有所增加,但是增幅随着煤尘浓度的增加先减后增,在浓度为600g/m3达到最小。这是因为在低煤尘浓度时,氧气过量,甲烷与过量的氧气反应可以大大增加爆炸强度。在爆炸强度达到峰值时煤尘与有效氧气充分反应,此时加入的甲烷取代了部分煤尘与氧气反应发生爆炸,所以爆炸强度增幅要小的多。煤尘过量时,甲烷与氧气优先反应放出大量热量,未反应的煤尘受热分解,挥发性气体的量大大增加,从而导致爆炸强度有很大提高。

2.2.2 煤尘浓度对纯煤尘及甲烷煤尘爆炸持续时间的影响

由图3可知,无甲烷时,煤尘爆炸持续时间随着煤尘浓度是先降低后升高,在600g/m3时取得最小值。原因是煤尘浓度较低时,煤尘粒子少,粒子间距离较大,周围粒子吸收热量并发生反应的时间将增加,总的爆炸时间也增加。煤尘浓度较大时,氧气不足,燃烧不完全,多余的煤尘粒子还将损耗以释放的热量,传热速度降低,总的燃烧爆炸时间随之增加[10]。

加入3%甲烷后,爆炸持续时间变化曲线基本一致,爆炸持续时间有所降低,但是降幅随着煤尘浓度的增加逐渐减小,600g/m3达到最小之后逐渐变大。原因是在煤尘浓度过低时,煤尘不足氧气过量,此时加入的甲烷与过量的氧气反应放出大量热量,加快了反应过程,故使爆炸时间大大缩短。而在爆炸强度达到峰值时煤尘与氧气充分反应,此时加入的甲烷取代部分煤尘与氧气反应发生爆炸,而甲烷比煤尘更易反应,所以爆炸时间缩短要小的多。浓度大于600g/m3后,煤尘过量又使得燃烧不完全爆炸时间延长,此时加入的甲烷先于煤尘与氧气发生爆炸,放出大量热使得爆炸时间有较大缩短。

2.2.3 甲烷浓度对甲烷煤尘最大爆炸压力的影响

由图4可得,甲烷的加入明显高于煤粉中甲烷浓度为0%时的爆炸压力极限值。在本实验中,在煤尘浓度为600g/m3时,甲烷煤尘混合爆炸的最大爆炸压力随着甲烷浓度的增加不断上升,在甲烷浓度为5%时达到最大值,之后随着甲烷浓度增加逐渐下降。原因是煤尘爆炸后产物组分中氧并未全部反应,煤尘燃烧后,存在未反应氧量[11],因此初始少量甲烷的加入,是与剩余的氧发生反应,可以提高装置内最大爆炸压力。

当甲烷浓度在1%-11%之间变化时,氧含量经历从相对过量、正好反应到相对不足。在甲烷浓度5%后,高含量瓦斯的存在降低了爆炸球内瓦斯煤尘混合物中的氧气分压,同时瓦斯的爆炸过程已消耗较多的氧,也不利于煤尘颗粒与氧的相互作用,使得氧在混合物的反应系统中的扩散阻力增大,从而使得密闭爆炸球内瓦斯煤尘混合物的爆炸特性有所降低[12]。

2.2.4 甲烷浓度对甲烷煤尘爆炸持续时间的影响

由图5可知,甲烷煤尘混合爆炸持续时间随着甲烷变化是不断下降的,在甲烷浓度5%之后基本趋于稳定,与甲烷爆炸有很大的区别。

这是因为,煤尘燃烧时挥发分是逐渐释放出来的,燃烧时间比较长,当加入甲烷后实际是甲烷代替部分煤尘与氧气发生反应,而可燃气体要比煤尘与氧气反应剧烈迅速的多,故爆炸时间大大缩短。当甲烷浓度达到其爆炸下限时首先直接发生气体爆炸,然后剩余的煤尘才会发生爆炸,虽然随着甲烷浓度的增加爆炸放出的热量越多,但同时过量的煤尘吸收的热量也越多,因此爆炸时间变化不大。

4 结论

通过实验和对实验结果的分析,本文得出以下结论。

(1)煤尘爆炸的最大爆炸压力随着煤尘浓度的增加呈现先升高后下降的趋势,在煤尘中加入3%甲烷后,煤尘的最大爆炸压力明显升高,但是基本趋势没有变化,均在煤尘600g/m3时取得最大值,而且在煤尘浓度变化范围内增加幅度先减小后加大。

(2)煤尘爆炸的爆炸持续时间随着煤尘浓度的增加是先降低后升高,在煤尘中加入3%甲烷后,煤尘的爆炸持续时间明显降低,但是基本趋势没有变化,均在煤尘600g/m3时取得最小值,而且在煤尘浓度变化范围内降低幅度先减小后加大。

(3)煤尘的最大爆炸压力在加入甲烷后显著提高,并且随着甲烷量的增加其增加幅度先升高后降低。爆炸持续时间则随着甲烷量的增加不断降低,并在甲烷5%以后趋于稳定。

摘要：利用实验室自行设计的20L球形爆炸装置,对煤尘及甲烷煤尘混合物的爆炸特性进行了研究。结果表明:无论有无甲烷,煤尘的最大爆炸压力随煤尘浓度增加呈现先升高后降低的变化趋势,并且均在在煤尘浓度为600g/m3时均达到最大值。同时,甲烷的加入明显提高了煤尘最大爆炸压力值,而且随着甲烷浓度的增加,最大爆炸压力增幅先增加后降低,在甲烷5%时增幅最大。煤尘的爆炸持续时间随煤尘浓度增加呈现先降低后升高的特点,甲烷存在时有同样规律,但是有甲烷时爆炸持续时间明显降低,而且随着甲烷含量的增加,煤尘的爆炸持续时间降低幅度不断增加,在甲烷5%以后趋于稳定。实验结果对生产实践有一定的指导作用。

关键词：煤尘,甲烷,混合爆炸,最大爆炸压力,爆炸持续时间

参考文献

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制粉系统爆炸和煤尘爆炸事故的预防第4篇

1.2根据煤种控制磨煤机的出口温度，制粉系统停止运行后，对输输粉管道要充分进行抽粉；有条件的，停用时宜对煤粉仓实行充氮或二氧化碳保护。

1.3加强燃用煤种的煤质分析和配煤管理，对燃用易自燃的煤种应及早通知运行人员，以便加强监视和巡查，发现异常及时处理。

1.4当发现粉仓内温度异常升高或确认粉仓内有自燃现象时，应及时投入灭火系统，防止因自燃引起粉仓爆炸。

1.5根据粉仓的结构特点，应设置足够的粉仓温度测点和温度报警装置，并定期进行校验。

1.6设计制粉系统时，要尽量减少制粉系统的水平管段，煤粉仓要做到严密、内壁光滑、无积粉死角，抗爆能力应符合规程要求。

1.7热风道与制粉系统连接部位，以及排粉机出入口风箱的连接，应达到防爆规程规定的抗爆强度。

1.8加强防爆门的检查和管理工作，防爆薄膜应有足够的防爆面积和规定的强度。防爆门动作后喷出的火焰和高温气体，要改变排放方向或采取其他隔离措施。以避免危及人身安全、损坏设备和烧损电缆。

1.9定期检查仓壁内衬钢板，严防补板磨漏、夹层积粉自燃。每次大修煤粉仓应清仓，并检查粉仓的严密性及有无死角，特别要注意仓顶板KK大梁搁置部位有无积粉死角。

1.10粉仓、绞龙的吸潮管应完好，管内通畅无阻，运行中粉仓要保持适当负压。

1.11制粉系统煤粉爆炸事故后，要找到积粉着火点，采取针对性措施消除和积粉。必要时可改造管路。

2防止煤尘爆炸

2.1消除制粉系统和输煤系统的粉尘泄漏点，降低煤粉浓度。大量放粉或清理煤粉时，应杜绝明火，防止煤尘爆炸。

2.2煤粉仓、制粉系统和输煤系统附近应有消防设施，并备有专用的灭火器材，消防系统水源应充足、水压符合要求。消防灭火设施应保持完好，按期进行试验（试验时灭火剂不进入粉仓）。

煤矿煤尘爆炸原因分析及防治对策第5篇

1.1 煤尘爆炸特点

根据多年对煤矿煤尘爆炸事故统计分析, 可以发现有如下一些特点。

(1) 煤尘爆炸多为大事故。

(2) 事故地点多发生在采煤与掘进工作面。

(3) 煤尘爆炸造成的破坏波及范围大。

(4) 多为火花引爆。

(5) 煤尘爆炸具有连续性。

(6) 瓦斯爆炸也可引发煤尘爆炸事故。

1.2 事故原因分析

煤矿发生煤尘爆炸事故与许多因素有关, 但总的来说, 主要与自然因素、安全技术手段、安全装备水平、安全意识和管理水平等有关, 发生煤尘爆炸事故往往是以上因素相互作用所导致的。

(1) 煤矿开采条件差。

我国煤矿井下开采条件普遍较差, 据统计, 2000年全国国有重点煤矿共有580处矿井进行了煤尘爆炸性鉴定, 有煤尘爆炸危险矿井427处, 占73.6%。

(2) 悬浮煤尘的浓度。

煤矿井下空气中只有悬浮的煤尘达到一定浓度时, 才可能引起爆炸, 单位体积中能够发生煤尘爆炸的最低和最高煤尘量称为下限和上限浓度。一般来说, 煤尘爆炸的下限浓度为30~50g/m2, 上限浓度为1000~2000g/m2。其中爆炸力最强的浓度范围为300~500g/m2。

(3) 引爆火源的存在。

煤矿井下引爆煤尘的火源有:爆破火花、电气火花、摩擦撞击火花、静电火花、煤炭自燃等。但放炮和电器设备产生的火花是煤尘爆炸事故的主要火源。

1.3 管理水平低

许多事故分析发现, 违章操作或管理不当而造成了一些本可避免的事故, 但未引起重视, 最终酿成特大煤尘爆炸事故。因此, 管理水平和职工的安全意识对于煤矿的长期安全生产非常重要。

1.4 企业技术管理薄弱

一些煤矿企业由于采煤方法落后, 引起矿井采掘布置不合理, 通风系统不完善, 此外, 作业规程编制不符合实际, 针对性不强, 给安全生产带来了严重隐患。

2 控制煤尘爆炸事故的技术措施

煤尘爆炸事故的防治可分为预防爆炸和抑制爆炸。预防爆炸主要有:减、降尘措施, 防止点火源的出现等;抑制爆炸主要采用隔爆抑爆装置将煤尘爆炸限制在一定范围内, 从而减少人员伤亡和灾害事故所造成的损失。

2.1 煤尘爆炸事故的预防措施

(1) 减、降尘措施。

减、降尘措施是指在煤矿井下生产过程中, 通过减少煤尘产生或降低空气中悬浮煤尘含量以达到从根本上杜绝煤尘爆炸的可能性。为达到这一目的, 我国煤矿采取了以煤层注水为主的多种防尘手段。

(2) 井下火源防治对煤矿井下的爆破火花、电气火花、摩擦撞击火花、静电火花、煤炭自燃等火源都有一些相应的防治措施, 除炸药安全性检验、电器防爆检验、摩擦火花检验外、还需加强明火的管理, 严格动火制度, 消除引爆煤尘的火源。

2.2 隔爆措施

矿井隔爆抑爆装置是控制煤尘爆炸的最后一道屏障, 当煤尘爆炸发生后, 依靠预先设置的装置可以阻止爆炸的传播, 限制火焰的传播范围, 主要有被动式隔爆棚和自动抑爆装置。

(1) 被动式隔爆棚。隔爆岩粉棚、隔爆水槽棚和隔爆水袋棚因成本低、安装方便, 因而得到了广泛的使用, 其中隔爆水袋棚的使用最为广泛。目前研制的XGS型和K Y G型隔爆棚, 具有适应性强, 安装、拆卸和移动方便的特点。

浅析煤中灰分对煤尘爆炸的影响第6篇

关键词：煤尘爆炸,灰分,火焰长度,影响

煤尘爆炸是煤矿主要自然灾害之一, 若对煤尘管理不严, 处理不当, 将会酿成重大恶性事故, 给煤矿企业造成重大损失, 而且这类事故死亡人数多, 破坏性严重。煤尘爆炸可放出大量热能, 爆炸火焰温度高达1600~1900℃, 使人员和设备受到严重损失。尤其是煤尘爆炸气体中有大量的CO2和CO, 这是造成人员死亡的主要原因。

煤尘是煤矿生产过程中产生的直径小于1mm的煤粒。煤矿在生产过程中, 采掘装运作业均可产生大量煤尘。煤尘在浮游状态时, 遇有一定温度的热源能单独爆炸、传播爆炸或参与爆炸, 叫做有爆炸危险性煤尘。在实验室用大管状煤尘爆炸鉴定仪试验得出, 具有煤尘爆炸危险的煤矿都有发生煤尘爆炸事故的可能, 所以分析探讨煤尘爆炸的影响因素, 并根据其机理进而采取相应的防治措施, 将对煤矿防治煤尘爆炸及保障安全生产都具有十分重要的意义。

1 煤尘爆炸的机理及过程

1.1 机理

1) 煤尘悬浮在空气中, 因颗粒小与氧气接触面积增大, 吸附氧分子的能力加强, 加剧了煤的氧化速度和强度;煤尘燃烧与爆炸的反应如下:

氧气充足, 完全燃烧C+O=CO+34.1MJ/kg

氧气不充足, 不完全燃烧C+O=CO+10.2MJ/kg

2) 煤尘受热后可产生大量的可燃气体, 如1kg的焦煤 (挥发分在20%~26%) 受热后可产生290~350L的可燃性气体, 这些可燃性气体遇到高温时容易燃烧或爆炸。

1.2 过程

煤尘爆炸是在高温或一定点火能的热源作用下, 空气中氧气与煤尘急剧氧化的反应过程, 是一种非常复杂的链式反应, 一般认为其爆炸过程如下图所示:

1) 煤本身是可燃物质, 当它以粉末状态存在时, 总表面积显著增加, 吸氧和被氧人化的能力大大增可, 一旦遇见火源, 氧化过程迅速展开;

2) 当温度达到300~400℃时, 煤的干馏现象急剧增强, 放出大量的可燃性气体, 主要成分为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、氢和1%左右的其他碳氢化合物;

3) 形成的可燃气体与空气混合的高温作用下吸收能量, 在尘粒周围形成气体外壳, 即活化中心, 当活化中心的能量达到一定程度后, 链反应过程开始, 游离基迅速增加, 发生了尘粒的闪燃;

4) 闪燃所形成的热量的传递给周围的尘粒, 并使之参与链反应, 导致燃过程急剧地循环进生, 当燃烧不断加剧使火焰速度达到每秒数百米后, 煤尘的燃烧便在一定临界条件下跳跃式地转变为爆炸。

2 煤中灰分对煤尘爆炸火焰长度的影响

灰份的来源和种类煤灰几乎全部来源于煤中的矿物质, 但煤在燃烧时, 矿物质大部分被氧化、分解、并失去结晶水, 因此, 煤灰的组成和含量与煤中矿物质的组成和含量差别很大。我们一般说的煤的灰分实际上就是煤灰产率, 煤中矿物质和灰分的来源, 一般可分三种:

1) 原生矿物质;2) 次生矿物质;煤中的原生矿物质和次生矿物质合称为内在矿物质.来自于内在矿物质的灰份, 称为内在灰份;3) 外来矿物质这种矿物质原来不含于煤层中, 它是由在采煤过程中混入煤中的顶, 底板和夹矸层中的矸石所形成的。其数量多少, 根据开采条件在很大的范围里波动。它的主要成分为Si O2, A12O3, 也有一些Ca SO3, Ca SO4, Fe S2等。外来矿物质在煤燃烧时形成的灰分称为外在灰分。煤灰成分十分复杂, 主要有:Si O2, A12O3, Fe S2, Ca O, Mg O, SO3等。煤中灰分不是煤中原有的成分, 而是煤中所有可燃物质完全燃烧以及煤中矿物质在一定温度下发生一系列分解、燃烧、化合等复杂反应后剩下的残渣。它的组成和质量均不同于煤中原有的矿物质, 但煤的灰分产率与矿物质含量有一定的相关关系, 所以对所测的灰分常称为煤的灰分产率。矿物质燃烧灰化时要吸收热量, 大量排渣要带走热量, 因而灰分越高, 煤炭燃烧的热效率越低;灰分越多, 煤炭燃烧产生的灰渣越多, 排放的飞灰也越多。

从上述实验我们可以看出:灰分是不燃性物质, 能吸收能量, 阻挡热辐射, 破坏链反应, 降低煤尘的爆炸性。煤的灰分对爆炸性的影响还与挥发分含量的多少有关, 一般来说来, 挥发分小于15%的煤尘, 灰分的影响比较显著, 挥发分大于15%时, 天然灰分对煤尘的爆炸几乎没有影响。

3 结语及其意义

瓦斯煤尘爆炸第7篇

关键词：挥发分,粒径,火焰长度

0 引言

爆炸火焰长度是判断煤尘是否具有爆炸性,衡量煤尘爆炸强弱的重要指标之一。同时,爆炸产生火焰有助于爆炸传播,增加爆炸产生的破坏力,因此研究煤尘的爆炸火焰长度变化规律具有重要的意义。国内外学者不断改进实验设备,通过实验和理论分析等方法对爆炸火焰长度变化规律进行了研究。王杰、黄卫等[1]将数字图像处理技术引入到煤尘爆炸性鉴定系统中,解决了肉眼观察火焰长度存在的测量精度差、重复性误差大以及人为因素多等问题。张引合[2]研究了煤尘爆炸性鉴定分析系统,使系统更智能化测量精度更高。李雨成、刘天奇等[3]通过多元统计分析中的主成分分析法,从数据分析的角度证明了挥发分含量对煤尘爆炸火焰长度的影响作用最大,其次为灰分和固定碳因子。邹明金、晏伟[4]通过实验测定了烟煤在不同粒径、水分含量条件下的爆炸火焰长度值。张松山、刘贞堂等[5]对煤尘爆炸性和挥发分含量的关系进行了研究,发现了挥发分与火焰长度近似呈指数函数关系,火焰长度与抑制煤尘爆炸最低岩粉量近似呈对数函数关系。段振伟、李志强等[6]对煤尘爆炸火焰传播过程进行了实验研究,得出最大火焰速度和传播距离与煤尘量均不存在正比例关系。林柏泉、周世宁等[7]对巷道面积突变和巷道分叉对瓦斯爆炸过程中火焰传播速度的影响进行了试验研究。司荣军[8]对煤尘爆炸传播规律进行研究,在瓦斯煤尘爆炸实验基础上从爆炸火焰传播和冲击波传播两方面描述了矿井瓦斯煤尘爆炸传播过程。李庆钊、林柏泉、冯永安、胡双启等[9,10]利用20 L爆炸球实验装置对煤尘及瓦斯煤尘混合物的爆炸特性进行了研究,获得了不同实验条件下煤尘的爆炸特征参数及变化规律。

综上分析,国内外学者对爆炸火焰传播机理、煤尘爆炸的爆炸压力和爆炸压力上升速率方面进行了大量研究,对爆炸火焰长度及其变化规律方面的研究较少,这很大程度上是因为爆炸火焰的瞬时性导致精确观察火焰长度很困难。近年随着数字图像处理技术的发展,使得精确观察爆炸火焰长度成为可能,为研究爆炸火焰长度的影响因素提供了条件。本文利用带有高速摄像机的煤尘爆炸性鉴定装置研究煤尘挥发分及粒径对爆炸火焰长度的影响及其变化规律,为现场控制爆炸危害程度提供理论参考。

1 实验研究

1.1 实验煤样的制备

将实验煤样用颚式破碎机破碎到1 mm以下,之后用球磨机继续粉碎,将筛子按从下到上25、38、50、75、88、150μm的粒径顺序放到振筛机上,将球磨机粉碎后的实验煤样筛分成25~38、38~50、50~75、75~88、88~150、>150μm六种粒径区间。将筛分后的实验煤样放在白铁盘中,置于电热鼓风干燥箱中于105℃干燥60min,把实验煤样取出放到干燥皿中冷却至室温备用。

1.2 实验设备及原理

实验采用符合AQ 1045-2007《煤尘爆炸性鉴定规范》规定的MCB-III智能型煤尘爆炸性鉴定装置,该装置在满足国家规范要求的原理和参数外,还具有高速视频采集功能,可采集存储实验煤样形成煤尘云发生煤尘爆炸的全过程并按照最高每秒50帧速度精确画面回放爆炸的全过程,同时具有截屏功能,可在爆炸火焰最长的瞬间截取爆炸火焰图像以便精确观察记录最大爆炸火焰长度,图1为MCB-III智能型煤尘爆炸性鉴定装置的原理图,实物图如图2所示。

1-玻璃管;2-除尘箱;3-吸尘器;4-压力表;5-气室;6-电磁阀;7-调节阀;8-微型空气压缩机;9-试样管;10-弯管;11-铂丝;12-加热器瓷管;13-热电偶;14-高速摄像机

实验时,使用感量0.1 g电子天平称量出1±0.1 g干燥煤样装入试样管(如图1)中,通过电脑控制程序设置实验为自动操作,点击自动操作按钮,铂丝、加热器瓷管、热电偶共同组成的加热装置会自动升温到1 100±1℃,气室逐步加压至0.05 MPa,温度压力达到要求后,试样管中的煤样被吹进玻璃管中形成粉尘云通过加热装置,观察是否产生爆炸火焰。实验结束后,除尘箱、吸尘器组成的清扫系统采用吹尘风机和吸尘器配合清扫玻璃管,同时人工采用小毛刷清扫加热装置。高速摄像机会记录下从粉尘吹出到吹扫停止的整个实验过程并通过电脑中配套的视频软件慢速回放。

除此之外,实验还利用YX-GYFX7701型双炉全自动工业分析仪对实验煤样进行工业分析。图3为YX-GYFX7701型双炉全自动工业分析仪实物图。

1.3 实验方案

每个实验煤样有25~38、38~50、50~75、75~88、88~150、>150μm六种粒径区间,选取每一粒径区间的中间粒径值表示该区间的粒径大小,分别为31.5、44、62.5、81.5、119、>150μm。利用YX-GYFX7701型双炉全自动工业分析仪对实验煤样进行工业分析得到其水分、灰分和挥发分含量。之后利用MCB-III智能型煤尘爆炸性鉴定装置分别测量每一煤样每一粒径的爆炸火焰长度。每次实验重复五次,取五次实验结果的平均值作为该煤样在该粒径下的爆炸火焰长度值。

2 实验结果与分析

在对大量煤样进行实验测试的基础上,选取挥发分含量相差较大的四种典型煤样分别编号为1#~4#实验煤样(见表1)进行数据分析。根据中国煤炭分类标准,1#煤样为低挥发分烟煤,2#煤样为中挥发分烟煤,3#煤样为中高挥发分烟煤,4#煤样为高挥发分烟煤。工业分析结果见表1。

由工业分析结果可知,1#~4#实验煤样的挥发分含量依次增加,同一煤样制备成不同粒径,其挥发分含量波动范围在0.9%内,这其中也有仪器误差的因素,可忽略不计,近似认为同一煤样各粒径的挥发分含量相同。

2.1 爆炸火焰长度与挥发分含量的实验结果及分析

根据测得的数据,绘制不同实验煤样相同粒径级别的爆炸火焰长度图,如图4所示。

1#~4#煤样,其挥发分含量分别为18.99%、27.52%、32.20%、39.74%,依次增加。从图4可以看出,随着挥发分含量的增加,每一粒径级别的实验煤样的爆炸火焰长度均呈增加趋势。这是因为实验煤样中挥发分含量越高,煤样遇热越容易析出可燃气体,遇热爆炸强度越剧烈,表现之一即为爆炸火焰长度更长。挥发分含量为18.99%的1#煤样在六种粒径级别其爆炸火焰长度都很小,而挥发分含量为39.74%的4#煤样在粒径为31.5μm时,火焰长度为1 500 mm,说明爆炸火焰长度跟挥发分含量有很大关系[3]。在粒径大于150μm的情况下,挥发分含量为18.99%、27.52%、32.20%、39.74%的四组实验煤样的爆炸火焰长度分别为0、0、0.5和0.6 mm,爆炸火焰长度几乎为0 mm,这是由于其粒径较大,与空气接触的表面积小导致氧化能力弱。同时也说明,随着挥发分含量的增加,在较大粒径区间,当挥发分含量大到一定数值的时候,也会产生微弱的爆炸火焰。1#~2#煤样曲线的斜率很小,2#~3#和3#~4#煤样的曲线斜率逐渐增大,说明在挥发分含量较低的区间,挥发分含量的增加对爆炸火焰长度影响不大;在挥发分含量较高的区间,随着挥发分含量的增加其爆炸火焰长度也急剧增加,并且粒径越小,增加的越快。

2.2 粒径与爆炸火焰长度及其变化率的实验结果及分析

根据四组不同粒径煤样的爆炸火焰长度实测数据,绘制爆炸火焰长度随粒径变化曲线,见图5。

从图5可以看出,随着煤尘粒径增大,四组不同挥发分含量的实验煤样的爆炸火焰长度均逐渐减小,当粒径增大到150μm以上时,爆炸火焰几乎消失。这是因为实验煤样的粒径越小,与空气接触的表面积越大,氧化能力显著增强,受热单位时间内能够吸收更多的热量,放出大量的可燃气体以及挥发分聚集于尘粒周围,进而导致遇热爆炸产生的火焰长度越长[11]。

根据基础数据,计算出每一实验煤样每个粒径变化点处的爆炸火焰长度的变化率绘制出爆炸火焰变化率随粒径变化的曲线图,如图6。

从图6可见,随着粒径增大,爆炸火焰变化率呈现出两种变化趋势。随着煤样粒径的增大,1#、2#实验煤样的爆炸火焰长度变化率呈现先增加后减小再增加的锯齿形变化,整体变化相对平稳,实验的粒径区间内,在粒径从44μm增加到62.5μm时,爆炸火焰长度变化率达到最大值;在粒径从62.5μm增加到81.5μm时,爆炸火焰长度减小率达到最小值;3#、4#实验煤样变化曲线呈现先增加后减小的趋势,在44~62.5μm的粒径变化量时达到最大值。四种煤样的爆炸火焰长度变化率均在粒径从44μm增加到62.5μm时达到最大值,说明煤尘粒径从44μm增加到62.5μm时,爆炸火焰长度减小最快。

四组实验煤样的爆炸火焰长度的变化率呈现两种不同的变化趋势是实验煤样的挥发分、灰分和水分含量等因素共同作用的结果。

3 结论

通过对挥发分含量为18.99%、27.52%、32.20%和39.74%的四种典型煤样分别在31.5、44、62.5、81.5、119、>150μm六种粒径时的爆炸火焰长度数据的处理分析,得出以下结论:

1)煤尘粒径相同时,挥发分含量越高,爆炸火焰长度值越大;在挥发分含量较低的区间,挥发分含量的增加对爆炸火焰长度影响不大,在挥发分含量较高的区间,随着挥发分含量的增加其爆炸火焰长度急剧增加,并且粒径越小,增加的越快。

2)对于同一煤样,随着粒径的增大爆炸火焰长度减小,当粒径增大到150μm以上时,爆炸火焰几乎消失。

3)四组实验煤样的爆炸火焰长度变化率呈现两种变化趋势,随着粒径增大,挥发分含量分别为18.99%和27.52%的1#、2#煤样呈现先增加后减小再增加的锯齿形变化,挥发分含量为32.20%和39.74%的3#、4#煤样呈现先增加后减小的变化趋势,但四组煤样都在44~62.5μm的粒径变化量时达到最大值。

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瓦斯煤尘爆炸第8篇

煤尘爆炸性鉴定方法有2种:在大型煤尘爆炸试验巷道中进行;使用大管状煤尘爆炸性鉴定系统进行。前者试验方法准确可靠,但操作过程繁重复杂,一般作为标准鉴定使用;后者则因操作过程相对简单,作为实验室煤尘爆炸性鉴定装置使用。目前我国主要采用第二种方法来完成鉴定工作。

大管状煤尘爆炸鉴定系统结构如图1所示,首先通过手动控制将加热丝温度调节到1100℃,然后打开喷气阀将1g煤粉吹到加热丝周围,再根据玻璃管上标尺刻度来判断火焰长度得出鉴定结果。整个鉴定过程都由人控制完成,因而存在检测精度差、人为影响因素多、自动化程度低等缺点。

针对上述问题,将计算机数字图像处理技术、数字PID技术以及自动控制技术引入到煤尘爆炸鉴定中,对火焰图像采集与处理单元、温度检测与控制单元以及吹尘气压检测与控制单元进行研究与设计,开发出了一套数字化煤尘爆炸瞬间火焰长度测定系统。

1 数字化煤尘爆炸鉴定系统

数字化煤尘爆炸鉴定系统如图2所示,首先通过吹尘气压检测与控制装置将煤粉吹到加热丝周围,与此同时高速COMS数码相机连续拍摄火焰图像,然后通过数据采集卡送到计算机中,再经专用图像处理软件处理计算出所摄取图像中最长火焰,据此判断煤尘爆炸性质,并通过打印出鉴定结果。

1.1 煤尘火焰采集与图像处理技术

煤尘燃烧的瞬间火焰持续时间非常短,而人眼对火焰图像的响应时间约为50ms,因此为了获取火焰图像信息,采用COMS高速照相机代替肉眼观察,避免了人为误差产生。拍摄的火焰图像经数字图像采集卡传到计算机,再由火焰图像处理软件对火焰图像进行图像预处理、灰度增强、中值滤波、图像识别、二值化处理、边缘检测。

图像采集与处理过程如图3所示。

火焰图像处理结果如图4所示,从图中可以看出经数字图像处理,火焰特征得到了保留(图中小黑点为加热丝)。

1.2 火焰长度测量技术

为了准确计算煤尘燃烧的最大火焰长度,采取以下测量方法:在加热电阻丝的玻璃管正上方有一个由发光二极管组成已知长度标尺(如图4(a)所示),图像处理软件根据拍摄到标尺图像信息,计算出图中每个像素点所代表的长度l0,然后在火焰图像区域二维数字平面内,依次计算出电阻丝边缘各点到离其最远火焰边缘之间的像素点个数Ni,设所有点到离其最远火焰边缘像素点的集合为M(N0,N1,…,Nn-1),i∈(0,1…,n-1),取该集合中最大值为Nmax(Lmax∈M),按l=Nmax·l0计算出煤尘燃烧的火焰长度。

1.3 温度检测与自动控制技术

1.3.1 增量式PID算法

数字化煤尘爆炸瞬间火焰长度测定系统采用铂金丝作为加热材料,按照设计要求,加热丝的温度应控制在1100±10℃,因此设计高精度的温度加热与控制子系统是本系统的关键点之一。

由于煤尘爆炸鉴定系统的温度控制单元具有非线性、时变性以及滞后性的特点,若采用常规的线性控制理论,难以达到满意的效果,因此选择工程上常用的增量式PID控制算法来实现系统的温度调节,增量式PID控制系统结构如图5所示。

离散PID:

式中,k=1,2,3,…;u(k)为第k次采样时刻的输出值;e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值;e(k-1)为第k-1次采样时刻输入的偏差值。

由上式推出:

控制量的增量式算法表达式:

式中,。可以看出增量式PID算式不需要累加,只要贮存最近的3个误差采样值e(k)、e(k-1)、e(k-2)就能获得比较好的控制效果。

1.3.2 控制参量的调整与确定

在系统加热丝温度控制的过程当中,实现增量式PID算法的关键在于相应控制参量的调整与确定,如比例系数KC、微分时间常数TD、积分时间常数TI以及采样周期T等。具体步骤如下:根据经验设置控制参量的初始值,当温度不能达到设定值,且时间较长时,通过增大比例系数与积分时间系数来调整;当温度上升快,过冲较大时,通过减小比例系数增加微分时间系数来调整;当温度在设定值附近存在较大波动时,通过增加微分时间系数来调整。

表1为通过采用增量式PID算法得到的温度数据。

从表中可以看出,采用增量式PID算法减小了温度波动的范围,取得了较为满意的温度控制效果。

1.4 吹尘气压检测与控制技术

为了在加热电阻丝周围形成均匀的煤尘云,必须保持喷尘气压的稳定。为此,采用自动控制技术设计了吹尘气压检测与控制子系统(如图6所示),其工作原理是:系统启动后,微型气泵开始工作,产生的气体通过输气管,流经气体压力开关,再通过精密调节阀来控制气体压力,使气体保持一定压力,压力值通过压力变送器显示出来,调节阀输出一定压力气体通过常开型开关阀,最后经过过滤器过滤,进入储气罐。当进行煤尘爆炸性鉴定实验吹尘工作时,计算机输出控制信号,控制开关阀A打开,同时控制开关阀B关断,使一定体积和压力的气体喷吹出去,就完成了爆炸鉴定实验的吹尘工作。吹尘结束后,气压检测与控制系统又重新开始工作,整个过程无须手动操作,实现了自动化控制。

经实验验证,吹尘气压检测与控制子系统气压范围:0～2.5MPa,检测精度:≤0.3%,煤尘能较为均匀的分布在加热电阻丝周围,很好地满足了系统吹尘技术要求。

2 数字化煤尘爆炸系统界面软件设计

系统软件部分是在Windows XP环境下,以VC++6.0为平台开发出的专用火焰图像处理软件,其工作界面如图7所示(左边为拍摄参数设置与检测结果测试显示栏,右边为拍摄火焰图像显示栏)。点击界面的操作按钮就能自动完成爆炸性鉴定工作。

3 实验结果与分析

为了验证系统鉴定结果的性能,对系统进行了模拟火焰测试和现场工业性试验。

3.1 模拟火焰测试

模拟火焰测试采用2只LED发光二极管作为模拟测试对象,分别代表加热丝和爆炸火焰(如图8所示)。首先采用游标卡尺测量出二者之间的距离,然后与采用系统测试得到的结果进行比较,测试结果如表2所示。

从模拟火焰测试数据可以看出,数字化煤尘爆炸瞬间火焰长度测定系统测量结果与模拟火焰真实值之间的误差不超过±0.2mm,这证明了该系统具有很高的测量精度。

3.2 工业性试验

数字化煤尘爆炸瞬间火焰长度测定系统工业性试验采取现场取样的方式,按照AQ 1045-2007《煤尘爆炸性鉴定规范》的规定进行,并将试验结果与大管状煤尘爆炸性鉴定系统的鉴定结果进行了对比(如表3所示)。

注:拍摄速度100帧/秒;爆光时间1微秒/帧;吹尘气压0.17MPa;加热温度1100℃。

从表中实验数据可以看出数字化煤尘爆炸瞬间火焰长度测定系统鉴定结果比大管状煤尘爆炸鉴定系统的测量结果小,这主要是因为前者是先通过数字PID算法自动控制加热温度,再通过控制气压控制装置稳定喷尘气压使煤尘能均匀分布在加热丝的周围,然后通过高速数码相机获取火焰图像,经数字图像处理技术提取火焰特征参数,最后通过测量程序准确计算得到的结果。而后者则是通过手动控制加热温度和喷尘气压,再凭肉眼观察玻璃管刻度(最小刻度为5mm)主观估算的结果,因而数字化煤尘爆炸瞬间火焰长度测定系统的测量结果更加客观准确。

4 结论

数字化煤尘爆炸瞬间火焰长度测定系统的研制,改变了传统的煤尘爆炸性鉴定方式,实现了鉴定方法由人为主观判定向科学客观测量的转变。同时也降低了工作人员的劳动强度,提高了鉴定结果的可靠性,对我国煤炭行业的健康持续发展具有极大的推动作用。

摘要：利用计算机数字图像处理技术、数字PID技术以及自动控制技术,结合大管状煤尘爆炸鉴定系统,研制出数字化煤尘爆炸鉴定系统。

关键词：数字化,煤尘爆炸,数字图像处理,PID,自动控制

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