刘庄煤矿2.4Mt-a新井设计-基于谢苗诺夫热自燃理论的瓦斯爆炸控制理论及技术研究

目录一般部分1矿区概述及井田地质特征 页9.4矿井通风设备选择9.4.1选择主要通风机的基本原则根据《煤炭工业设计规范》等技术文件的有关规定，进行通风机设备选型时，应符合下列通风机选型的原则：①风机的服务年限尽量满足第一水平通风要求，并适当照顾第二水平通风；在风机的服务年限内其工况点应在合理的工作范围之内。②当风机在服务年限内阻力变化较大时，可考虑分期选择电机，但初装电机的使用年限不小于5年。③风机的通风能力应留有一定的富裕量。在最大设计风量时，轴流式通风机的叶片安装角一般比允许使用最大值小5°；风机的转速不大于额定值的90%。④考虑风量调节时，应尽量避免使用风硐闸门调节。⑤正常情况下，主要通风机不采用联合运转。根据前面计算，用通风机的个体特性曲线来选择主要通风机，要先确定通风容易和通风困难两个时期主要通风机运转时的工况点。9.4.2通风机风压的确定1）自然风压通风机的压力与自然风压有很大关系。风机选型时计算风机压力须计算出矿井自然风压。矿井自然风压的大小，最要取决于矿井风井的深度及内部的风流的密度。（1）静压矿井进、出风井的空气柱的容重差以及高度差和其它自然因素所形成的压力成为自然风压，它对矿井风机的工况点会产生一定的影响，因此设计中应考虑自然风压对风机的影响。H=ΔρgH（9-4-1）式中：Δρ——进风井筒与出风井筒空气平均密度差，kg/m3，见表9-4-1；H——井筒深度，m。空气平均密度表9-4-1项目进风井筒/kg·m-3出风井筒/kg·m-3冬1.281.24夏1.221.26进风井深度：Z进风=610m西翼回风井深度：Z风井=430m东翼回风井深度：Z风井=630m进风井与西翼回风井高差：Z高差=610-430=180m进风井与东翼回风井高差：Z高差=630-610=20m冬季空气密度取：ρ进=1.28kg/m3，ρ出=1.20kg/m3，Ρ平均=1/2×（ρ进+ρ出）=1.26kg/m3则一水平首采区冬季自然风压：hna=ρ进gZ副井+ρ平均gZ高差-ρ风井gZ风井（9-4-2）原式=1.28×9.8×610+1.26×9.8×180-1.24×9.8×430=4649.12Pa夏季空气密度取：ρ进=1.20kg/m3，ρ出=1.24kg/m3，ρ平均=1/2×（ρ进+ρ出）=1.22kg/m3夏季自然风压：hna=ρ进gZ副井-ρ平均gZ高差-ρ风井gZ风井（9-4-3）原式=1.20×9.8×610+1.22×9.8×180-1.24×9.8×430=4100.32Pa冬季与夏季自然风压有利于矿井通风，压力分别为4649.12Pa、4100.32Pa。则一水平东翼采区冬季自然风压：hna=ρ进gZ副井+ρ平均gZ高差-ρ风井gZ风井（9-4-4）原式=1.28×9.8×610+1.26×9.8×20-1.24×9.8×630=243.04Pa夏季空气密度取：ρ进=1.20kg/m3，ρ出=1.24kg/m3，ρ平均=1/2×（ρ进+ρ出）=1.22kg/m3夏季自然风压：hna=ρ进gZ副井-ρ平均gZ高差-ρ风井gZ风井（9-4-5）原式=1.20×9.8×610+1.22×9.8×20-1.24×9.8×630=-243.04Pa冬季自然风压有利于矿井通风，压力为243.04Pa，夏季自然风压阻碍矿井通风，压力为-243.04Pa。2）主要通风机工作风压（1）该矿井为抽出式通风，通风容易时期主要通风机静风压：（9-4-6）式中：——通风容易时期主要通风机静风压，Pa；——表示通风容易时期矿井通风总阻力，Pa；——表示容易时期帮助通风的自然风压，=61.52；——表示风峒的通风阻力，通常为20～50，取50Pa。故：=897.63-4649.12+50=-3701.49Pa（2）通风困难时期，考虑自然风压反对主要通风机通风，主要通风机静风压：（9-4-7）式中：——通风困难时期主要通风机静风压，Pa；——表示通风困难时期矿井通风总阻力，Pa；——表示困难时期反对通风的自然风压，=243.04；——表示风峒的通风阻力，通常为20～50，取50Pa。故：=1109.53＋243.04＋50=1402.57Pa（3）主要通风机的实际通过风量因有外部漏风（防爆门和通风机风硐漏风）通过主要通风机的风量必大于矿井总风量，对于抽出式用下式计算：（9-4-8）式中：——实际风量，m3/s；1.05——抽出式矿井通风外部漏风系数；——风井总风量，m3/s。容易时期：=1.05×5922.27/60=103.6m3/s困难时期：=1.05×6871.02/60=120.2m3/s9.4.3主要通风机工况点以同样的比例把矿井总风阻曲线绘制于通风机个体特性曲线图中，则风阻曲线与风压曲线交于点，此点就是通风机工况点或工作点。工况点的坐标值就是该主要通风机实际产生的静压和风量。通风机的选择方法是：根据矿井通风设计所算出的需要风量，和风压的数据，在从许多条表示不同型号、尺寸、不同转数或不同叶片安装角的主要通风机运转特性曲线中选择一条合适的特性曲线，所选的这条特性曲线，表明了它所属的主要通风机型号、尺寸、转数和叶片安装角度等。这就是选择主要通风机的方法。9.4.4主要通风机的选择及风机性能曲线在选择通风机的时候，工况点要在通风机的合理工作范围内，轴流式通风机的合理工作范围如下：上限：应在“驼峰”右侧，实际应用的最大风压值的0.9倍以下。下限：通风机的运转效率，不得低于0.6。左限：叶片安装角θ的最小值，对一级叶轮为10°，二级叶轮为15°。右限：叶片安装角θ的最大值，对一级叶轮为40°，二级叶轮为45°。根据以上原则及表9-4-2中的风机工况点选择东西两翼风机为：FBCDZ-8-NO.24B型的对旋式轴流风机根据FBCDZ-8-NO.24B型的对旋式轴流风机的性能曲线，可以确定主要通风机实际工况点，见表9-4-3。主要通风机工况点表9-4-3型号时期叶片安装角/°转速/r·min-1风压/Pa风量/m3·s-1效率/%输入功率/kWFBCDZ-8-NO.24B容易43/3574014861070.74216困难55/4774029101230.804439.4.5电动机选型根据矿井通风容易时期和困难时期主要通风机的输入功率和计算电动机的输出功率。由/=216/443=0.49﹤0.6，故通风容易时期和困难时期需要选用不同的电动机。电动机的输出功率：（9-4-9）式中：——电动机的输出功率，kW；——通风机的输入功率，kW；——电动机容量备用系数，取1.15；——电动机效率，取0.90；容易时期：=216×1.15/0.90=276kW困难时期：=443×1.15/0.90=566.1kW根据电动机的输出功率和输入功率以及主要通风机要求的转速，选择型号为JR157-8和JR1512-8的异步电动机，其详细参数见表9-4-4。电动机参数表9-4-4时期型号功率/kW电压/V电流/A转速/rpm效率/%功率因数容易JR157-8320600036.573590.50.83困难JR1512-857060006873592.50.859.5安全灾害及其防治9.5.1预防瓦斯和煤尘爆炸的措施（1）回采和掘进工作面以及回风巷中，必须按规定定期检查瓦斯，如发现异常，必须按规定处理。（2）盲巷、盲硐、片帮及冒顶处等容易积聚瓦斯的地点，必须及时处理。（3）掘进应采用双风机，双电源和风电闭锁装置。（4）掘进与回采工作面应安设瓦斯自动报警装置。（5）大巷及装煤站应安设瓦斯自动报警断电仪。瓦斯超限后应自动切断供电及架线电源。（6）所有易产生煤尘的地点。必须采取洒水灭尘等防尘设备及除尘设施。（7）井下风速必须严格控制，防止煤尘飞扬。井下所有煤仓和溜煤眼均应保持一定存煤，不得放空，不得兼作通风眼。（8）综采工作面应采取煤尘注水。按照保安规程设计悬挂岩粉棚和防水棚。（9）煤尘应定期清扫。巷道应定期冲刷，各个转煤点应进行喷雾洒水。9.5.2预防井下火灾的措施（1）井下中央水泵房和中央变电所设置密闭门、防火门。并设设区域返风系统。（2）井下机电设备选用防爆型为原则。应加强机电设备的安装质量。并加强维修及管理。防止漏电及短路产生高温和火花。（3）对自然发火的煤层，应加强煤炭与坑木的加收；加强密闭，及时密闭采空区；对停采线进行黄泥灌浆或喷洒阻化剂；分层开采还应在采区随采随注。（4）二阻化剂防火：根据化验与实践，本矿自然发火期长，但为确保安全，应预备部分黄泥用于危险时期灌浆。9.5.3防水措施（1）井巷出水点的位置及其水量，前采空区积水范围、标高和积水量，都必须绘出采掘工程图上。（2）主要水仓必须有主仓和副仓，当一个水仓清理时，另一个水仓能正常使用。（3）采掘工作面遇到下列情况之一时，必须确定探水线，进行探水，确认无突水危险后，方可前进。①接近水淹或可能积水的井巷、老空或小煤矿时；②接近水文地质复杂的区域，并有出水征兆时；③接近含水层、导水断层、溶洞和陷落柱时；④打开隔离煤柱放水时；⑤接近有出水可能的钻孔时；⑥接近有水或稀泥的灌泥区时；⑦底板原始导水裂隙有透水危险时；⑧接近其它可能出水地区时。10设计矿井基本技术经济指标设计矿井基本技术经济指标表10-1序号技术经济指标项目单位数量或内容1煤的牌号—气煤、尚有极少量的1/3焦煤和1/2中粘煤2可采煤层数目层53可采煤层总厚度m18.514煤层倾角°12～16（平均14）5（1）矿井工业储量Mt296.14（2）矿井可采储量Mt175.556（1）矿井年工作日数d330（2）日采煤班数班37（1）矿井年生产能力Mt/a2.4（2）矿井日生产能力t/d7272.88矿井服务年限a56.259矿井第一水平服务年限a29.510井田走向长度m5327井田倾斜长度m212311瓦斯等级—高瓦斯相对涌出量m3/t3.8212通风方式—两翼对角式13（1）矿井正常涌水量m3/h550（2）矿井最大涌水量m3/h96014开拓方式（指井筒形式、水平数目）—立井两水平15一水平标高m-680二水平标高m-93016（1）生产的工作面数目个117（2）备用的工作面数目个1采煤工作面年推进度m237618（1）移交时井巷工程量m14668.95（2）达产时井巷工程量m15946.9519开拓掘进队数个320大巷运输方式—机车牵引固定矿车21矿车类型—固定矿车和自制平板车22电机车类型台数323设计煤层采煤方法—综采一次采全高24（1）工作面长度m220（2）工作面推进度m/月198（3）工作面坑木消耗量m3/千t0.6基于谢苗诺夫热自燃理论的瓦斯爆炸控制理论及技术研究1前言一直以来，矿井瓦斯管理工作着重强调“预防为主，治理为辅”的防治方针，在制度层面上，矿井防治瓦斯的一般措施不外乎一下几种治理措施：建立健全矿井瓦斯治理措施；建立完善合理的矿井通风系统；加强盲区与采空区的瓦斯治理工作；加强瓦斯的分级管理工作等。从技术层面上，一般采取开挖工作面瓦斯底抽巷，实现煤与瓦斯共采技术；建立矿井瓦斯的稳态热爆炸模型；向采空区与工作面注入惰性气体等等技术层面上的措施。然而，这些措施大多强调矿井瓦斯爆炸的预防工作，但矿井一旦发生瓦斯爆炸，将会造成不可估摸的人员伤亡与财产损失，给矿井的生产与社会带来深重的灾难。矿井瓦斯爆炸控制技术按照措施实行阶段一般分为两个阶段控制：即矿井瓦斯爆炸超前预防控制技术与矿井瓦斯爆炸期间控制技术，当前常规的开挖瓦斯底抽巷、向采空区与工作面注入惰性气体都属于超前预防控制技术，而在矿井瓦斯爆炸发生时，采用及时而又有效的灭火控爆技术，尽可能的减少瓦斯爆炸带来的人员伤亡与财产损失，也是当前及以后矿井瓦斯爆炸控制技术的重要研究方向，具有现实而又深远的意义。当前矿井适用的灭火材料优缺点建表1矿用几种灭火剂优缺点及适用范围[1]表1种类优点缺点适用范围水比热容大，价格便宜，无毒无害容易冻结，容易到点，对煤粉等灭火效率较低适用于一般可燃材料火灾，在含有带点设备的工作面或硐室内不能适用。水雾（水蒸气）经济有效，设备简单不能用于燃烧面积大的火灾适用于一般可燃材料，电气设备，泡沫化学泡沫灭火性能良好设备复杂，投资较大适用于容易燃烧的液体（如石油等），不适用带电设备及忌水性物质引起的火灾空气泡沫设备简单，操作方便适用于油类火灾二氧化碳绝缘性能好，无腐蚀作用，价格低廉冷却作用差，有一定毒性，不能扑面阴性燃烧引起的火灾适用于电器设备及忌水物质引起的火灾，不适用与碱或碱土金属引起的火灾泥浆温度下降较快，价格低廉温度下降速度平缓，对巷道污染较重，处理较难矿井硅凝胶反应迅速，灭火性能较好煤经硅凝胶处理后氧化性能大大降低，但是在较高温度下仍能复燃矿井2选题背景刘庄矿井属于高瓦斯矿井，且后期采深较大，有部分地区已经进入二级高温区，所以瓦斯爆炸危险程度较大。2.1刘庄矿瓦斯地质条件本井田自基岩界面向下垂深平均约210m为瓦斯风化带与瓦斯带的分界面。从据各主要可采煤层的瓦斯含量与煤层埋深之间的相关关系式计算的不同水平平均瓦斯含量来看，13-1和5煤层的瓦斯含量较大，11-2和8煤层较小。各主要可采煤层分水平平均瓦斯含量及瓦斯梯度情况见表2-1。各主要可采煤层分水平平均瓦斯含量表表2-1单位：m3/t煤层水平（m）13-111-2851-5001.541.130.150.640.13-6002.441.620.721.971.03-7003.342.111.293.301.93-8004.242.601.864.632.83-9005.143.092.435.963.73-10006.043.583.007.294.63梯度（m/m3/t）111204175751112.2刘庄矿地温条件本井田的恒温带深度为自地表向下30m，相应的温度为16.8℃。实测地温资料表明：本井田地温有随深度的增加而增高的趋势。其中井田南部地温梯度小于3℃/百米，属地温正常区；北部地温梯度多大于3℃/百米，为地温异常区。据各主要可采煤层的地温与其埋深建立的相关关系式计算，-762m水平最高温度为40.3℃,平均38.9℃,已进入二级高温区（见表2-2）各主要可采煤层不同水平低温预测表表2-2单位：℃煤层水平（m）13-111-2851-50030.931.732.833.734.7-60033.534.135.035.936.8-70036.136.537.238.138.9-76237.938.138.639.640.3-80038.738.939.440.341.0-90041.341.341.642.543.1-100043.943.743.844.745.23谢苗诺夫热自燃理论简介3.1谢苗诺夫热自燃理论概述任何反应体系中的可燃混合气体，一方面它会进行缓慢氧化而放出热量，使体系温度升高；另一方面体系又会通过壁器向外散热（这里假设巷道为实验时所用管器），使体系温度下降。热自燃理论认为：着火是反应放热因素与散热因素相互作用的结果。如果反应放热一直大于体系散热，那么体系温度就会出现热量积聚，温度升高，反应加速，发生自燃；相反，如果散热因素占优势，那么体系温度就会下降或者保持相对平衡，就不能发生自燃[2]。因此，研究有散热情况下的燃料自燃条件就具有很大的实际意义。为了使问题简化，以便于研究，假设：（1）巷道壁或工作面壁的温度为保持不变；（2）瓦斯反应系统的温度和浓度都是均匀的；（3）由瓦斯向巷道壁的对流换热系数为，且不随温度而变化；（4）反应系统放出的热量（及在该阶段瓦斯的反应热）为定值。如果该反应区域容积为，反应速度为（单位时间内单位容积中物质的量得变化），则在单位时间内反应系统所放出的热量为：(3-1-1)根据化学房源速度理论和阿累尼乌斯定律，对于一般的二级反应，在达到着火时间内，反应速度可用下式表示：（3-1-2）式中——阿累尼乌斯反应速度常数、——分别为燃料和空气的摩尔浓度。将值带入3-1，得出系统的放热量为：（3-3）在单位时间内通过巷道壁而损失的热量可用下式表示（温度不高时，辐射损失可以忽略不计）：(3-1-3)式中：——通过巷道壁的对流热换系数；——巷道壁的传热面积；——反应系统温度；——巷道壁温度。由于在反应初期、与反应开始前得最初浓度、很相近，、、均为常数，因此放热速度和混合气（瓦斯）温度之间的关系是指函数关系，即，如图3-1中曲线值所示。当瓦斯的压力或浓度增加时，曲线向上方移动（）。图3-1放热速度和混合气（瓦斯）温度之间的关系散热浓度与瓦斯温度之间是直线函数关系，如图3-1中直线所示。当巷道壁温度上升时，直线向右下方移动，例如。当放热速度小于散热速度（﹤），瓦斯的温度就会逐渐降低，显然不可能引起着火。反之，如放热速度大于散热速度（﹥），则混合气总有可能着火，例如当提高瓦斯—空气混合气体的压力，使放热反应速度按照图中进行，而容器壁温度仍保持，此时散热速度大大低于放热速度，则在任何时候混合气体均能自行加热而着火[3]。图3-1放热速度和混合气（瓦斯）温度之间的关系由以上分析可以看出：反应由不可能着火而转为可能着火，必须经过=这一点，这就是着火的必要条件，但是=并不是着火的充分条件。3.1.1混合气体成分与着火条件的关系假设=，该系统达到着火条件，可知：(3-1-4)根据的条件对3-5求导数，得出（除处，其余均已知）：(3-1-5)将式3-8除以式3-7得出：(3-1-6)可得：(3-1-7)将上式中的根号按照级数展开，可得：=(3-1-8)将3-11式代入3-5可得：（3-1-9）由于＜1，式3-12中：因而，式3-12可以写为：(3-1-10)现设反应物总摩尔浓度为C，即，表示燃料（瓦斯）的摩尔分数，表示空（氧）气的摩尔分数，则：；同时，在着火条件下，根据理想气体状态方程：式中，——混合气体的临界眼里，即着火时的混合气压力。将式3-13中，换成压力和温度的函数则：（3-1-11）则由上式可知混合气体成分对着火有密切的关系。当温度不变，燃料（瓦斯）的摩尔分数开始减小时，从气体状态方程可知会逐渐降低，但是超过一定值后，由于空气的摩尔分数的增大，又会逐渐上升，它们之间的关系如图3-2所示。当压力不变时，混合气成分与着火温度的关系也是如此[4]，如图3-3所示。图3-2混合气体成份与着火压力的关系图3-3混合气体成份与着火温度的关系相应与压力、下的火焰传播速度用、表示，则存在一般关系式为：则当混合气体摩尔成为提高时火焰传播速度增加，当混合气体摩尔成分继续增加时，火焰传播速度将减小，见图3-4。图3-4混合气体成分与火焰传播速度的关系3.1.2燃烧室体积与火焰传播速度之间的关系由可知燃烧式的容积约大，混合气体燃烧的临界压力就越大，火焰传播速度就越大[5]。4矿井瓦斯爆炸控制理论假设4.1瓦斯—空气反馈作用理论根据混合气体成份与火焰传播之间的关系，假定：矿井下空气压力处于一定相对稳定的条件，那么采用添加足量稀释气体的方法可以使爆炸气体不能着火，即燃烧波不能持续下去，这种稀释剂可以是过量的燃料（瓦斯）或过量的氧化剂（空气）或惰性气体。4.2缓冲巷布置控制理论由[6]可知燃烧式的容积约大，混合气体燃烧的临界压力就越大，火焰传播速度就越大，那么在矿井瓦斯爆炸控制过程中，假定瓦斯爆炸区域处于一个无极限大的爆炸空间，那么火焰传播速度便区域零。5矿井瓦斯爆炸控制理论实验验证5.1火焰传播速度测量法简介5.1.1高速火焰传播测量法——米海里森火焰传播速度测定法简介一．燃烧器稳定火焰可燃混合气体从圆形关口喷出并点燃，即会形成一圆锥火焰，这种形式的火焰称作本生火焰。利用这种火焰测定火焰传播速度是最常用的方法，即米海里森法。二．Gouy法测火焰面积利用火焰面积进行测量的方法成为Gouy法，即（5-1-1）式中——可燃混合气体流量；——火焰面积。利用此种方法测量体积流量比较容易，而测量火焰面积较难。若近似的认为火焰面为一正圆锥体体表面，则面积可以由下式求得：（5-1-2）式中——燃烧器出口处火焰锋面锥底的半径；——火焰高度。实际过程中火焰并非正椎体，一般来说它的斜体也不是直线。但经试验研究结果误差很小。火焰锥顶混合气预先过渡加热，喷出口处壁面的冷却以及由于流线弯曲而使火焰面半径增大等，对火焰传播速度的影响极小，可以忽略不计。5.1.2低速火焰传播速度测量法——Ejyrt0n-Powling法简介这种测量方法所应用的是直径约为60mm的特制垂直燃烧器（见图5-1-2）。可燃混合气流经毛细层和玻璃小球层，形成均匀分布的低流速气流。毛细管长25mm，断面直径小于1mm，他们是由平的和波状得金属条带构成。毛细管的上端到燃烧器出口距离约为8mm，在毛细管中的气流按其性质来说接近于粘液流，且十分均匀。燃烧器外面套一同心管，惰性气体通过管间。外管的上口放置金属网调节高度可获得稳定的火焰面锋，用混合气体体积除以火焰面积，即得到火焰传播速度。图5-1-2中1——氮气（惰性气体）；2——可燃混合气体（瓦斯）3——金属网；4——火焰锋面5——毛细管；6——小玻璃球图5-1-2平焰燃烧器5.2矿井瓦斯爆炸控制理论实验验证结果5.2.1瓦斯—空气反馈作用理论实验验证结果对火焰传播过程中，不断的改变燃料（或氧化剂）的浓度，从而观察火焰传播速度的实验分析得出：燃料（或氧化剂）只有在一定的浓度范围内火焰才能传播，即存在火焰传播的浓度界限，如图5-2-1所示，预混合空气系数（当预混合空气量大于理论计算量时，称作过量空气系数），相应的为和，存在着一最小火焰传播速度，当小于此值时火焰就停止传播，最小火焰传播速度约为2～10cm/s。上述实验结果采用火焰的绝热理论是无法解释的，只有用考虑热损失的热理论来解释。在实际条件下，火焰存在着向环境散热的热量损失，用表示。由于它的存在，降低了火焰的最高温度，从而引起火焰传播速度的降低，也导致火焰厚度的增大，又进一步使热量损失增加，火焰温度进一步降低，这就导致了火焰的传播职能在一定的界限里进行。图5-2-1火焰传播浓度界限示意图5.2.2瓦斯—空气反馈作用理论实验验证结果定量分析根据热平衡有：(5-1-3)式中——单位体积的新混合气的反应放热量，；——有散热条件下的火焰传播速度；——降低了的火焰温度；——单位火焰面单位时间内损失的热量，，为单位时间单位火焰反应区体积的热损失。将和的表达式代入式5-3则得：或(5-1-4)式中，表示散热损失的程度。另一方面，根据火焰传播的热理论有(5-1-5)在有散热的条件下，火焰传播既要满足式5-4，又要满足式5-5，即上面两式的联立解才是实际存在的火焰传播速度（见图5-2-2）。当改变时，和都随之变化。例如当为某一定值时，若值比较小，实线与虚线相较于A、B两点，而B点因温度过低而不能进行燃烧反应，A点才是工作点。当继续改变时（增大或减少），散热损失也随之增大（即A值增大），当A值增大到某一值时，实线与虚线只有一个交点，即相切的情况，此时它所对应的浓度就是火焰传播的浓度界限值。切点的纵坐标表示的就是最小火焰传播的速度值。继续加大或者减小，则A值继续增大，散热损失继续增多，这时实线与虚线没有交点，说明浓度已经超过了浓度界限，火焰在此情况下不能传播。综上，即火焰传播对于燃料或氧化剂存在着一定的浓度界限，不是在任何情况下都能够传播的。图5-2-2有散热损失时的火焰传播速度关系曲线5.2.3缓冲巷布置控制理论要先解释缓冲巷布置瓦斯控制理论，我们先引人火焰在管内正常传播的观察分析实验。（一）管内火焰传播特点观察分析在观察管内火焰传播特点时，假设火焰锋面为一平面（实际上形似弯月，朝向火焰移动的前方，而在水平管中火焰锋面是倾斜的），则在某一时刻进行了燃烧反应的混合气体体积是管子的横截面积与紧贴火焰面的燃烧区厚度的乘积。向外散热的面积等于管子横街面得周长与燃烧区厚度的乘积。放热速率与管子直径的平方成正比，而向周围的散热速率与管子直径成正比。随着管子直径的减少，通过管壁散热的份额增大，因而正常火焰传播速度必然降低。通过实验，我们还发现，对于任何一种混合气体而言，其燃烧直径都存在一个临界直径。在这种临界直径的条件下，进行反应的混合气被管壁冷却，以致剩余的热量不足使新鲜混合气加热到着火的程度，因而火焰停止传播，氢和空气的化学计量混合气的临界直径约为0.9mm，甲烷和空去的化学计量混合气气临界直径接近3.5mm。假设管子直径增大而火焰面保持为平面，则管壁散热的份额减少，当管径无限增大，散热份额接近零。这就意味着，正常火焰传播速度应该增大，并不是无限制的，而是增长速度逐渐减慢到仅仅由混合气自身的物理化学性质所决定的，某一极限值。上述现象可由图5-2-3所示曲线来表示，火焰传播速度与管子直径的关系曲线（线1）从相应于临界直径起点开始，随d的增大而增长。起始增长较快，而后逐渐平缓，向某一水平线渐进。相应于水平线的火焰传播速度就是该组的混合气的最大正常火焰传播速度，它不受管壁冷却的影响。这一完全由可燃混合气性质在规定温度和压力下所决定的正常火焰传播速度对该混合气来说是一物理常量，称为法相火焰传播速度，并以表示。图5-2-3火焰传播速度与管子直径关系曲线1——理论曲线；2——实际曲线具体实验得出的关系曲线与上述曲线有很大的出入，在管径为10cm时实际曲线开始同理论曲线分离，且越往后偏离越大，如图5-2-3中曲线2所示。这时，曲线很快与水平线相交，火焰传播速度已经超过理想情况的最大值。产生这种现象的主要原因是，火焰锋面在可燃混合气中移动时，气体并非不动，而是在其中发生了对流和旋流，使火焰面弯曲和拉长。结果，焰面增大，而且比管子截面积要大得多。例如在直径为5cm的管子里（截面约为20cm2），甲烷-空气混合气燃烧时火焰锋面表面积为60～117cm2，约是管子截面的3～6倍。不难看出，如果燃烧区宽度在火焰面呈现平面和曲面时都是一样，那么混合气的燃烧速度将以同样的比率变化。总之，不流动的混合气对流气流和生成的湍流漩涡导致了火焰传播速度的显著增大，而对流和湍流漩涡则随管子直径的增大而急剧增大，图5-2-4所示为瓦斯-空气混合气在管内的火焰传播速度与管径的变化关系（不同瓦斯浓度时）。当管径大于200mm时，火焰外形不仅是拉长，而且由于混合气受湍流扰动面变得弯弯曲曲，使火焰传播速度增大。虽然上述实验数据与理论研究不符，但法向火焰传播速度的概念并非是抽象的，而是具有一定的实际意义。图5-2-4火焰传播速度与混合气体成分及直径的关系曲线6矿井瓦斯爆炸控制理论在隔爆与火焰隔离技术上的应用6.1缓冲巷布置控制理论在火焰隔离技术上的应用6.1.1矿用缓冲巷布置控制理论技术简介根据燃气的猝熄原理，矿用缓冲巷布置原理依托管内火焰传播与管径之间的关系，在矿井巷道中层层设置隔火墙，从而减少了矿井瓦斯爆炸时的火焰传播路径，大大减少了人员伤亡与财产损失。6.1.2矿用隔火墙技术简介矿用隔火墙的设计充分利用燃气（瓦斯）的猝熄原理，火焰通过狭小的孔径或缝隙时，由于散热和器壁效应的作用使燃烧反应终止，起到了火焰隔离的作用。表6-1-2是几种常见可燃气体的猝熄直径。几种可燃气体的猝熄直径表6-1-2混合气体名称猝熄直径/mm混合气体名称猝熄直径/mm甲烷-空气3.68瓦斯-空气2.03*丙烷-空气2.66乙炔-空气0.78丁烷-空气2.79氢-空气0.86乙烷-空气3.05丙烷-氧气0.38乙烯-空气1.90乙炔-氧气0.13氢气-氧气0.30*的瓦斯一、矿用隔火墙的分类1）金属网阻火墙金属网隔火墙由单一或多层不锈钢或铜金属网重叠起来组成，随着金属网层数的增加，阻火功能也逐渐强大，但是，达到一定的层数之后，随着金属网层数的增加，隔火效果增强并不显著，金属网的目数直接关系到金属网的层数和隔火性能，一般而言，金属网的目数越多，所用的金属网的层数就会越少，，但是目数的增加会增大气体的流动阻力且容易堵塞。常常用16～22目的金属网作为隔火层，层数也一般采用11～12层，下表为金属网格的布置相关规定。几种金属网的规格表6-1-3网的目数*/目孔眼宽度/mm网丝直径/mm金属网有效面积比网的目数*/目孔眼宽度/mm网丝直径/mm金属网有效面积比181.060.380.56400.400.220.40280.530．380.34600.250.170.34300.580.280.34800.200.130.352）波纹金属片隔火墙由交叠放置的波纹金属片组成有正三角形空隙的方形隔火墙，或者是将一条波纹带与一条扁平带绕在一个芯子上做成的圆形隔火墙。带的材料一般为铝，也可以采用铜或者其他金属，厚度一般为0.05～0.07mm，波纹带的正三角形空隙高度设置为0.43mm，波纹金属片隔火墙的结构如图所示。图6-1-2金属网型隔火墙3）充填隔火墙充填隔火墙的隔火层采用沙砾、卵石、玻璃球或铁屑作为充填材料，堆积与壳体之中，在充填料的上面和下方分别用2mm孔眼的金属网作为支撑网架，这样壳体内的空气被分割成许多细小的空隙，从而达到隔火的目的。砾石的直径一般设置为3～4mm，也可以用玻璃小球、小型的套图环形填料、金属环、小型玻璃管及金属管等，在直径150mm的关内，隔火墙内充填的厚度视填料的直径和可燃气体的猝熄直径而定，参见下表6-1-4。充填型隔火墙的隔火层厚度表6-1-4猝熄直径/mm砾石直径/mm厚度/mm1～21.51502～33.01503～44.0150二、隔火墙的参数计算影响隔火墙隔火效果的主要因素是：隔火层得厚度和孔径或通道大小。孔径或通道大小与可燃气体的猝熄直径有关，在猝熄直径的基础之上可以对火焰的熄灭间隙按照以下经验公式计算：（6-1-2）（6-1-3）式中：——熄灭间隙，单位mm；——最小点火能，单位mJ；——猝熄直径，单位mm；对于波纹隔火墙，隔火墙的波纹高度和金属网隔火墙的网孔直径一般不超过瓦斯猝熄直径的1/2。隔火墙的隔火层厚度可以参照以下公式计算：（6-1-4）式中：——隔火墙高度，单位cm；——隔火墙能够阻止的最大火焰传播速度，单位m/s；——孔眼直径，单位cm；——隔火墙的有效面积比（隔火层空隙面积/隔火层实际面积）；6.2瓦斯—空气反馈作用理论在火焰隔离技术上的应用6.2.1可燃极限的定义根据实际经验可知，采用足量稀释气体的方法可以使爆炸性气体不能够着火，即燃烧波不能够持续下去。这种稀释剂可以使过量的燃料或过量的氧化剂或惰性气体，加入燃料—氧化剂混合物或单独成分的爆炸性气体中并使其不着火所必须的稀释剂量，是使用标准实验方法确定的。因此，把可燃极限定义为根据实验所测得的混合物成分范围。6.2.2可燃极限存在的物理解释管中层流火焰的传播导致在未燃气体中产生自管轴区流向周边的流动。这种流动显然促使火焰按照所述方式拉伸，我们还可以指出：根据这种机理，当燃烧速度因稀释作用充分降低时，火焰将被熄灭。这种流动的产生，一方面，是由于膨胀着得燃烧气体推动所致；另外一方面，是由于重力所致，重力主要在向上传播时起作用，因为此时重的未燃气体位于已燃气体之上。因此，向上传播和向下传播之间的差别可以形象的用图6-2-2表示，如图所示，由于重力所致的流动使向上传播的情况下的流管与燃烧波前张开，所以从管轴区向壁面的气体迁移在某种程度上于燃烧波热梯度前发生，而靠近火焰表面的速度就小了，使火焰拉伸减小，因此，在较大的混合物稀释度下，火焰仍然能够存在，另外一方面，在向下传播的情况下，靠近火焰表面处得速度梯度增大，这使得火焰拉伸增大而使可燃极限变窄。向下传播向上传播图6-2-2层流燃烧波向下传播和向上传播向上、水平和向下传播时的可燃极限见下表向上、水平和向下传播时的可燃极限表6-2-2混合物传播方式可燃极限燃料百分数化学计量百分数下限上限下限上限甲烷—空气向上5.3514.850.541.7水平5.4013.950.541.6向下5.9513.350.601.5乙烷—空气向上3.1214.950.542.9水平3.1512.850.542.5向下3.2610.150.561.9戊烷—空气向上1.428.00.553.3水平1.447.450.563.1向下1.484.640.571.9苯—空气向上1.457.450.532.9水平1.466.650.532.6向下1.485.550.542.16.2.3基于可燃极限原理上的粉末灭火研究现状许多不同的研究者曾研究过不可燃粉末的熄灭作用。在Dolan对甲烷—空气火焰所作用的实验中，所用的是微米大小的各种不同盐类粉末。曾发现熄灭的有效浓度与正好处在燃烧波特征尺度内的颗粒间隙相对应。并发现在单位容积悬浮体中粉末的表面积为临界值时出现熄火。这一临界值取决于盐类性质。一般来说，曾正式熔点低于200℃的盐类比较高熔点的盐类更为有效；碱金属盐，特别是碱金属的卤化物，被证实是最有效的化合物；钾盐比钠盐更有效；氟化物比碘化物较有效；碘化物比氯化物较有效；卤化物比碳酸盐更有效。在这些实验中所用的火焰都是在管中产生的，并以取决于其实状态的各种不同速度的湍流传播。曾发现熄火时的临界表面积取决于起始状态，即火焰湍流速度，但是这种关系的特点在这些研究中尚未确定。Laffitte和Bouchet将这种研究推广到各种不同燃料—氧化剂混合物中爆震波方面，曾指出及时爆震波也能被试用高浓度的粉末所猝熄。6.2.4超值极限法灭火原理简介如果是向燃烧区输入惰性气体而到达终止燃烧的办法，或因惰性气体浓度值超过其临界值，此时燃烧区反应速率降低，相应的火焰传播速率、产热速率、温度都会降低只要达到燃烧极限参数之后，火焰就会被熄灭。（或）6.2.5超值极限法在矿井灭火原理上的应用根据超值极限原理，我们假设当瓦斯—空气混合气体浓度过大或过小时，混合气体均不能发生燃烧或爆炸，那么基于这个假设，我们利用高浓度的瓦斯—空气混合气体也可以充当灭火剂，利用高浓度的瓦斯—空气混合气体充当瓦斯爆炸反馈材料，即为瓦斯—空气反馈作用原理。参考文献[1]（东德）H·M·施莱别尔P·鲍尔斯特.灭火剂.北京：人民教育出版社，1982，962]张英华，黄志安.燃烧与爆炸学.冶金工业出版社，2010，81[3]张英华，黄志安.燃烧与爆炸学.冶金工业出版社，2010，84[4]钱申贤，燃气燃烧原理.化学工艺出版社，1989，168[5]钱申贤，燃气燃烧原理.化学工艺出版社，1989，149[6]同济大学重庆建筑大学哈尔滨建筑大学北京建筑工程学院，燃气燃烧与应用.中国建筑工业出版社，2000，69原文：WorldcoalliquefactiontechnologyprogressandthepolicyofChina1.Theconceptofcoalliquefactioncoalliquefactionistheconceptofsolidcoalthroughchemicalmachiningprocess,tomakeitintoliquidfuelsandchemicalrawmaterialsandproductsofadvancedcleancoaltechnologies.Accordingtovariousprocessinglineandtheliquefiedcoalliquefactioncanbedividedintodirectandindirectliquefactiontwocategories.Thedirectcoalliquefactiontechnologyreferstothehightemperatureandhighpressureconditions,hydrogenationofcoalthroughthecomplexorganicstructuresdirectlyintoliquidfuelstechnology,alsoknownashydrogenationliquefaction.Thetypicalprocessincludesmainlycoalcrusherwiththedrycoalslurrypreparation,hydrogenationliquefaction,solid-liquidseparation,gaspurification,Liquidproductsfractionationandrefining,gasificationandliquefactionresiduetoproducehydrogen,andotherpartsofthecharacteristicsofthecoalrequirementsmorestringent,However,highthermalefficiency,highyieldofliquidproducts.Undernormalcircumstances,1tdry,ash-freecoalcanbetransformedintoahalftonsofliquefiedoil,hydrogenproductionfromcoalwithaboutthree-fourtrawmaterials1trefinedoilproducts,Liquefactionduringprovidequalityoilprocessedtoproducecleanerqualityofgasoline,dieselandaviationfuel.Theindirectcoalliquefactiontechnologyisthefirstfullgasificationofcoalintosyntheticgas,Thencoal-basedsynthesisgas(carbonmonoxideandhydrogen)asrawmaterials,toacertaintemperatureandpressure.itscatalyticsynthesisofhydrocarbonfuelandchemicalrawmaterialsandproductsoftechnology,includingcoalgasificationsystemfromsyngas,Purificationandgasexchange,catalyticsynthesisofhydrocarbonproductsandproductseparationandprocessingrestructuringprocess.Undernormalcircumstances,about5~7tto1tcoalrefinedoilproducts,coalischaracterizedbywidelyapplicable,thetotalefficiencyoflowinvestment.2.China'sneedforcoalliquefaction1)intheforeseeablefuture,China'scoal-basedenergystructurewillnotchangewiththemajorityoftheworld'scountries.China'senergyresourcesischaracterizedbyabundantcoalresources,andoilandgasrelativelylimited.ThelatestdatashowsthatChina'sprovenreservesofcoalto114.5billiont,reserve-productionratioof93,accordingtothesameheat,equivalenttothecurrentprovenoilandgasreservestotal17times.Provenoilreservesof38billiontons,accountingforfossilenergyprovenreservesof5.6%,thereserve-productionratioof24.Provenrecoverablegasreservesof1.37trillionm3,accountingforfossilenergyprovenreservesof2%,thereserve-productionratioof56.ThisshowsthatcoalisChina'sfuturemaydependontheenergy.Furthermore,fromaneconomicpointofview,coalisthecheapestsourceofenergy.Chinaisadevelopingcountry,butalsoenergyconsumingnation,economicstrengthandtheenergysupplycallforChina'senergyconsumptionmustbebasedondomesticsupplyofenergy,ThismeansChina'senergystructureshouldbebasedoncoalasthemainplayers.Itisprojectedthatby2050,coalinChina'senergyconsumptionwillremaintheproportionaccountedforaround50%.Thelarge-scaleuseofcoal,causingseriousenvironmentalpollutionproblem.China'sSO2emissionsrankedfirstintheworld,acidraincoverageoverthelandareato30%Globalemissionsofcarbondioxideemissionsaccountfor13%ofthelistedsecondintheworld,ofwhichthecoalSO2,CO2emissionsandhydroxideswereaboutthenationaltotalof85%,85%and60%.China'scoal-basedenergyconsumptionstructureisfacingseverechallenges.Howtosolvethepollutioncausedbycoal-firedissuesarefastapproaching.2)Oilimportsrisingrapidly,onthesecurityofenergysupplyposesathreatOilisathreattotheprotectionofnationaleconomiclifelineandpoliticalsecurityoftheimportantstrategiccommodities.Ouroilresourcesarerelativelyscarceandthattimenow,itsprovenrecoverablereservesof38billiontons,accountingfortheworld'sreservesof2.6%.Inrecentyears,China'scrudeoiloutputhasbeenhoveringbetween160milliont%,andtherewillnotbemuchfuturegrowth,ThisisdeterminedbyChina'soilresourcesandthedistributionofdevelopmentdeterminedbythestatusquo.However,withtheeconomicdevelopmentandimprovingthepeople'slivingconditions,end-useenergyconsumptioninChinaisgraduallytothequalityandefficientcleanenergyconversion,oilconsumptionhasincreased.Sinceoilcannotmeetdomesticdemand,dependenceonimportedoilisgettinghigherandhigher.Since1993becameanetimporterofoil,oilimportshaverisenrapidly2000hasreached69.69milliont,thedegreeofdependenceonoilimportsreached30%,anticipatedinthenext20yearscouldreach50%.Ofthesurgeinimports,theincreaseddependence,theenergysupplyinChinaposeathreattosecurity.3)Coalliquefactioncanincreasetheliquidfuelsupplycapacity,thecoalindustryisconducivetothesustainabledevelopmentCoalcanbeliquefiedbysulfurandotherharmfulelementsintheashremoval,thesecondaryaccesstocleanenergy,optimizingenergystructureterminals,reducingpollutionisofgreatstrategicsignificance.Coalliquefactiontoproducequalitypetrol,dieselandaviationfuel,especiallyaviationfuel,unitvolumedemandforthehigh-calorie,askingcycloparaffinsandhighoilandcoalliquefactionischaracterizedbyrichcycloparaffins.throughhydrotreatingcanenjoyhighqualityaviationfuel.Developmentofcoalliquefactioncannotonlysolveenvironmentalpollutioncausedbycoal-fired,makefulluseofChina'srichcoalresources,coalindustrytoensurethesustainabledevelopmentmeetfuturegrowthinenergydemand,butmoreimportantly,Coalliquefactioncanproducetheapplicablefueleconomy,alargenumberofalternativestodiesel,petrolandotherfuels,effectivelysolvetheshortageofoilsupplyandoilsupplysecurity,andeconomicinputsandoperatingcostsarelowerthanoilimports,ThiswillbeconducivetoChina'scleanenergydevelopmentandthelong-termsecurityofenergysupply3.ChinesecoalliquefactionSituationandProspects3.1CoalliquefactiontechnologyDomesticcoalliquefactiontechnologyresearchinstitutionsaretwo:First,theCoalScienceResearchInstitute.responsiblefordirectcoalliquefactiontechnologyandtheintroductionofthestudy,anotherAcademyShanxibycoalrank.responsiblefortheindirectliquefactiontechnologyresearchanddevelopment.First,theCoalScienceResearchInstitute,responsiblefordirectcoalliquefactiontechnologyandtheintroductionofthestudy,anotherAcademyShanxibycoalrank.responsiblefortheindirectliquefactiontechnologyresearchanddevelopment.directliquefactionChinafromthelate1970sbegandirectcoalliquefactiontechnologyresearchandresearch,itspurposeiscoalproductionofgasoline,dieselandothertransportationfuelsandchemicalrawmaterialssuchasaromatics.CoalScienceResearchInstitutethroughthe"June5"to"95"andtheinternationalscientificandtechnologicalcooperation,includesJapan,GermanyintroducedtwosetsofsmalldirectliquefactionexperimentsdevicesfromtheUnitedStatestointroduceaQualityliquefiedoilprocessingtestdevicescalewere0.1t/day,andbuiltwithadvancedmaterialsandproductanalysistestequipment.Afternearly20yearsofapilotstudytoidentifythe14speciessuitableforthedirectliquefactionofcoalinChina;electedthefivespeciesofactivityishigher,withtheworld'sadvancedlevelofcatalyst;completedafourcoaltechnologytest,forthedevelopmentofChina'scoalsuitableforthedirectcoalliquefactionprocesslaidthefoundation;thesuccessofCoalLiquefactioncrudeoilprocessedintoqualifiedpetrol,dieselandaviationkerosene.Atpresent,coalproductshavebeenqualifiedtothewholeprocesshastowork,directcoalliquefactiontechnologyinChinahavecompletedabasicstudyTofurtherenlargeandconstructionofindustrialproductionplantstolayasolidfoundation.indirectliquefactionChinafromtheearly1950sthatbeganindirectcoalliquefactiontechnology,Jinzhouhasconducted4,500t/yearofindirectcoalliquefactionpilot,foundaftertheterminationoftheDaqingOilfield.Sincethe1970s,thetwooilcrises,and"therichcoallessoil,"theenergystructureoftheseries.Eversincetheearly1980s,hasreturnedtotheindirectliquefactionofcoalsyntheticfueltechnology,ShanxibytheChinese"July5",whichopenedinShanxicoalrankofcoal-basedsyntheticfueltechnologyhasbeenlistedasanationalkeyscientificandtechnologicalprojects.1989onbehalfofthecountycompletedafertilizerplantexperimental."EighthFive-YearPlan"period,thestateandtheShanxiprovincialgovernmentinvestmentover2,000millionJinchengintheestablishmentofafertilizerplantwithanannualproductioncapacityof2,000tonsofgasolineindustrialtestingequipment,toproducea90petrol.Onthisbasis,theannualoutputof100,000tonsofsyntheticpetroltechnology.Currently,10,000-toncoal-basedsyntheticfueltechnologysoftwaredevelopmentandintegrationstudyisongoing,Fromthebeginningofthe1990sstudyforthesyntheticdieselcobalt-basedcatalysttechnologyisnowinthetestingstage.After20yearsofdevelopmentandresearch,Chinaalreadyhasthebuildingof10,000-tonscaleproductionofthetechnicalreserves,inkeytechnologiesandcatalystresearchanddevelopmenthastohaveitsownintellectualpropertyrights.Cansaythatourownresearchanddevelopmentofcoalliquefactiontechnologyhasreachedtheworld'sadvancedlevel.3.2ongoingliquefactionprojectNearlytwoyears,Asinternationaloilpriceshaverisenandthecontradictionbetweenoilsupplyanddemandbecomemoreacute,andbuildingcommercialcoalliquefactionplantmodelhasbeenincludedintherelevantdepartmentsoftheChinesegovernment'sagenda.Meanwhileenterprisestobuildcoalliquefactionplantsarealsoenthusiasticunprecedented.1997-2000,theBeijingResearchInstituteofCoalSciencecoalificationdifferencewithGermany,Japan,U.S.authoritiesandagenciesincooperationwiththeYunnanXianfenglignite.ShenhuaCoalandHeilongjianggottendirectcoalliquefactiondemonstrationplant(pre-)feasibilitystudy.Atpresent,theStateDevelopmentPlanningCommissionhadformallyapprovedthe"divineChinamineconstructionofdirectcoalliquefactiondemonstrationplant"project,anoilprojectoftheoilproductioncapacityof2.5milliont/year,withanannualconsumptionofabout17milliont.Currently,ShenhuaCorporationisspeedingupthepreliminaryworksprogramsandfeasibilitystudies.Inaddition,thevanguardofYunnan,HeilongjiangYilan,PingdingshaninHenan,ZhalainuoerInnerMongoliacoalliquefactionprojectofthepreliminaryworkhasbeenbasicallycompleted,hasenteredtheestablishmentphase.Inaddition,Guizhou,Shandong,Shanxi,Ningxia,andotherprovincesisinthemidstofcoalandcoalliquefactionpilotintheearlystageofresearch.Theindirectliquefaction,thebeginningofthisyear,CASShanxibycoalrankandLinkEnergyLimitedonthesmoothformationofacommonlaboratorysyntheticoilagreementEvenwiththecompanyfortheShanxi